Digitales Garten- und Baudenkmal-Management

Die Identität des Landes Hessen wird wesentlich durch seine Kulturdenkmäler geprägt: Ein bedeutender Teil dieses historischen Bau- und Gartenerbes befindet sich in Landesbesitz. Die Erforschung, Bewahrung und Pflege der rund 70 historischen Liegenschaften in Landesbesitz wird unter dem Dach des Hessischen Ministeriums für Wissenschaft und Kunst als oberste Denkmalschutzbehörde durch verschiedene Institutionen wahrgenommen. Sie sind als Mandant "Historisches Erbe" zusammengefasst.

Digitale Zukunft

Wie alle Teile der öffentlichen Verwaltung und den meisten Bereichen der freien Wirtschaft muss sich der Mandant Historisches Erbe im Wandel hin zu mehr Transparenz und Effektivität den Anforderungen an Digitalisierung und dem Einsatz moderner Technik stellen. Ziel ist es, eine zeitgemäße Verwaltungsstruktur für die mit den Bau- wie Gartendenkmälern verbundenen Prozesse im Kanon Erforschen - Erhalten - Vermitteln zu schaffen. In ihr sollten sich sowohl Bestands- und Liegenschaftsverwaltung als auch Forschung, Pflege und bauliche Unterhaltung der baulichen wie gärtnerisch unterhaltenen Kulturdenkmäler abbilden lassen.

Die deutliche Mehrheit der anfallenden Daten innerhalb des Liegenschaftsmanagements haben einen Raumbezug. Da sich die beschriebenen Objekte also eindeutig in der Welt verorten lassen, liegt es nahe, die passenden Werkzeuge und Konzepte in der Geoinformatik zu suchen. Zu den denkmalgeschützten Außenanlagen mit ihrem Pflanzenbestand gehören neben Wegen und Platzflächen auch bauliche Ausstattungen wie Skulpturen oder Treppenanlagen. Hierzu gehören in der Regel (teils sehr komplexe) Baudenkmäler und Parkbauten, Brückenbauwerke und weitere bauliche Ausstattungen zu den Liegenschaften. Auch Kronendurchmesser und die Höhe von Gehölzen etwa im Rahmen von Sichtbeziehungs-Analysen müssen berücksichtigt werden. Das Digitalisierungsprojekt muss deshalb nicht nur Flächendaten, sondern auch dreidimensionale Objekten erfassen können. Um diesen komplexen Anforderungen der Garten- und Baudenkmalpflege gerecht zu werden, wurde im Forschungsprojekt, das hier vorgestellt wird, ein Geoinformationssystem (GIS) mit den Werkzeugen des Building Information Modelings (BIM) kombiniert.

Das Projekt

In enger Zusammenarbeit mit den Institutionen des Mandanten Historisches Erbe soll im Forschungsprojekt "KulturBauDigital - Geodatenmanagement, Geodateninfrastruktur und BIM zum effektiven Verwalten des baulichen kulturellen Erbes in Hessen" eine Geodateninfrastruktur entstehen. Diese ist geeignet, das bauliche kulturelle Erbe des Landes Hessen unter Berücksichtigung bestehender Strukturen und Prozesse abzubilden. Das Projekt startete im Juli 2018 und endet im Herbst dieses Jahres. Die Leitung liegt bei Prof. Dr.-Ing. Robert Seuss, Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS), Geoinformation und Kommunaltechnik.

Ziel des Projekts

Ziel des Projekts ist es, die für jede Liegenschaft vorliegenden oder zu erfassenden Geodaten, wie digitale Liegenschaftskataster, Bestandsaufnahmen, Baumkataster oder Leitungspläne, als einheitliche Stammdaten zukünftig für alle Bau- und Pflegemaßnahmen zur Verfügung zu stellen. Zudem sollen für Dokumentations- und Analysezwecke wie etwa

• Überlagerung aktueller und historischer Zustände
• geometrische Abfragen
• statistische Analysen
• kartographische Pläne
• Baumbestandsanalysen sowie für
• Kostenberechnungen in der baulichen Entwicklung und denkmalgerechten Unterhaltung

nutzbar gemacht werden.

Die Entwicklung eines solchen, effektiven Geo- und Gebäudedatenmanagements, welches die übersichtliche Sammlung, einfache Harmonisierung und zielgerichtete Analyse der sehr unterschiedlichen Daten ermöglicht, bilden den Kern des entstehenden Konzepts. Im Ergebnis soll ein GIS mit integrierten BIM-Elementen entstehen, dass die Aufgaben der historischen Garten- und Denkmalpflege optimal unterstützt. Auf diese Weise trägt es zur nachhaltigen Gestaltung der Prozesse sowie zur qualitativen Verbesserung der erbrachten Leistungen bei. Die Hoffnung ist, dass durch die Digitalisierung der Grunddaten Prozesse vereinfacht werden und die Zukunftsfähigkeit der Verwaltungen gestärkt wird.

Gartendenkmalfachliche Anforderungen

Neben Berücksichtigung der bestehenden IT-Infrastruktur fließen die besonderen fachlichen Anforderungen der Garten- und Baudenkmalpflege in das Konzept ein: Etwa in Berücksichtigung von Erkenntnissen aus der Bauforschung oder des zeitlichen Wandels der Objekte in Genese und Historie der erfassten Objekte. Letzteres etwa, wenn Abbilder von Baumstandorten nach Fällungen oder Absterben erfasst werden müssen und Veränderungsprozesse im Rahmen von Baumaßnahmen vorliegen.

Partner aus der Praxis

Ausgangspunkt für die Entwicklung des "KulturBauDigital" ist die institutionenübergreifende Zusammenarbeit der Verwaltungen und Denkmalfachbehörden mit dem Baumanagement. Ebenso eine wichtige Rolle spielt die methodische und fachwissenschaftliche Begleitung durch Methodenfachleute des Labors für Geoinformation der Frankfurt University of Applied Sciences (Fra-UAS).

Als Auftraggeber und zentraler Ansprechpartner fungiert das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst (HMWK) als oberste Denkmalschutzbehörde. Die Museumslandschaft Hessen Kassel (MHK) und die Staatlichen Schlösser und Gärten Hessen (SG) bringen ihre langjährige Expertise in der Erforschung, Unterhaltung und Präsentation der komplexen und sehr unterschiedlich ausgestatteten Liegenschaften ein. Das Landesamt für Denkmalpflege (LfD) leistet einen Beitrag in Hinblick auf den Erhalt seiner historischen Festungsanlagen und archäologischen Forschungsarbeit. Durch die Beteiligung der beiden Landesmuseen in Wiesbaden und Darmstadt können auch die besonderen Herausforderungen von Museumsbetrieben berücksichtigt werden. Durch den Input des Landesbetriebs Bau und Immobilien werden wiederum Prozesse und Normen der allgemeinen Liegenschaftsverwaltung des Landes und Erfahrungen aus dem Gebäudemanagement und Hochschulbau berücksichtigt. Mit dem breiten Spektrum von Projektpartnern kann ein Konzept entwickelt werden, das sowohl fachspezifischen Anforderungen gerecht wird, aber auch allgemeingültig genug ist, um auf externe und zukünftige Problemstellungen übertragen werden zu können. Die Betreuung der insgesamt 68 eigenständigen und äußerst individuellen Anlagen des kulturellen Erbes Hessens, mit seinen weitläufigen Parkanlagen und komplexen Einzelbauwerken anforderungsgerechte Lösungen kann so unterstützt werden.

Von der Idee zum Soll-Konzept

Die Entwicklung hin zum Konzept gliedert sich in drei ineinandergreifende Abschnitte, bestehend aus:

1. der Entwicklung eines anforderungsgerechten Datenmodells
2. einem fachlichen Konzept und
3. einem informationstechnischen Konzept.

Der erste Schritt war die formalisierte Beschreibung der wesentlichen Eigenschaften, die das entstehende GIS aufweisen soll. Dazu wurden die Objekte festgelegt, die vom System abgebildet und in Klassen zusammengefasst werden sollen und deren definierende Eigenschaften als Attribute zugeordnet werden können. Das Ergebnis ist ein konzeptuelles Schema und Datenmodell.

In vergleichbaren Projekten wurden bereits ähnliche Modelle für die Aufgaben der öffentlichen Liegenschaftsverwaltung entwickelt. Diese Modelle wurden mit Beteiligung der Experten aus der Praxis auf ihre Eignung für den Einsatz in der historischen Garten- und Denkmalpflege geprüft und als bedingt übertragbar eingestuft. Daher wurde in enger Zusammenarbeit mit den zuständigen hessischen Behörden eine auf Belange der Denkmale abgestimmtes, neues Datenmodell erarbeitet.

Ein Datenmodell für Gartendenkmale

Im Datenmodell werden alle Objekte, die von fachlicher Relevanz sind, in insgesamt 37 Objektklassen zusammengefasst. Um die Gestaltung der Schnittstelle zu vereinfachen, diente dabei der Aufbau des LISA-Datenmodells als Vorbild. Allerdings wurden nur Objektklassen definiert, die für die spezifischen Aufgaben der Garten- und Denkmalpflege von Bedeutung sind. Gleichzeitig wurde die Attribuierung der Klassen um relevante Angaben ergänzt.

Das Modell setzt sich aus zwei Arten von Klassen zusammen: Einerseits jene, die keine eigene Geometrie besitzen und deren einziger Zweck darin besteht, ihre Attributfelder zu vererben. So wird beispielsweise eine übergeordnete Klasse "Objekt" definiert, die allgemeinen Informationen, wie Erfassungszeitpunkt oder Datenquelle, enthält. Deren Attributfelder werden allen weiteren Klassen zugeordnet. Dem gegenüber stehen die Klassen, die Realweltobjekten entsprechen, wie zum Beispiel "Gehölze", "Vegetationsflächen" oder "Einfriedungen". Diesen Objekten wird eine Geometrie zugeordnet, die auf einer Karte symbolisiert werden kann.

Informationsprodukte des GIS

Im nächsten Schritt wurde das fachliche Konzept erstellt. Hier wurden Prozesse und Produkte identifiziert, die durch das neue System unterstützt werden sollen. Dafür wurden alle Informationsprodukte zusammengetragen, die von den Projektpartnern bereitgestellt werden, in denen Geodaten benötigt oder erzeugt werden: Bestands-, Veranstaltungs- und Leitungspläne, aber auch Übersichten der Zuständigkeiten und vergebene Rechte. Es wurden sowohl bestehende wie auch neue Produkte aufgelistet, die erst durch die Einführung des Systems möglich werden. Aufbauend darauf wurden die Geschäftsprozesse und deren Beteiligte zusammengefasst, die in Verbindung zu diesen Produkten stehen und die organisatorische Einbettung geplant. Diese lassen sich unter Dokumentation, historischer Forschung, Pflege/Erhalt und Datenverwaltung zusammenfassen.

EDV-Konzept und Projektplanung

Das System soll mit internen Mittel, unterstützt durch externe Dienstleister, betrieben werden, da so von externem Knowhow profitiert werden kann. Dies schont die internen Ressourcen und gleichzeitig bleibt eine gewisse Kontrolle über die eigenen Daten erhalten.

Im letzten Teilbereich des Soll-Konzeptes werden die informationstechnischen Komponenten und Anforderungen definiert. Dabei wird der allgemeine Aufbau des Systems (Systemarchitektur) geplant.

Anwender können zwischen verschiedenen Formen wählen: Entweder die Einzelplatzlösung, das System mit zentraler Datenhaltung oder der Aufbau, in dem auch Anwendungslogik und Ausgabe von verschiedenen Komponenten in einem Netzwerk geleistet werden. Darauf aufbauend kann geplant werden, wie Schnittstellen zu anderen Systemen beziehungsweise bestehender Software realisiert werden sollen. Auch ein Sicherheitskonzept inklusive der Definition von Benutzerrollen und der Datensicherung werden festgelegt.

Im finalen Abschnitt wird ein Erfassungskonzept erstellt, in dem beschrieben wird, auf welche Weise die Daten zu beschaffen sind, mit denen das entstehende System gefüllt werden soll. Dabei sind Sekundärquellen genauso zu berücksichtigen wie originäre Erfassungsmethoden. Mit diesem Schritt sind die wesentlichen Bestandteile des Soll-Konzeptes zusammengefasst.

Während der Konzeption werden kontinuierlich Anforderungen gesammelt, die sich als wichtig für ein mögliches GIS herauskristallisieren. So zeigt sich, dass Benutzerfreundlichkeit, die Möglichkeit der Historisierung der Daten zur Unterstützung der Forschung und fachspezifische Analysefunktionen von zentraler Bedeutung bei der Konfiguration des Systems sind. Dieses auf die individuellen Anforderungen abgestimmte Konzept bildet die Basis für die eigentliche Systemauswahl.

Prototypen

Die Entwicklung von funktionsfähigen Prototypen soll einerseits die Umsetzbarkeit der definierten Anforderungen noch während der Entwicklung gewährleisten und andererseits die Potenziale, aber auch Grenzen der Technik aufzeigen. Der Aufbau des "Landesweiten Auskunfts- und Recherchesystem" (LARS) soll diese Aufgabe erfüllen. LARS selbst wird als Web-Angebot betrieben. Herzstück ist eine Web-Karte, die alle zur Verfügung gestellten und exemplarisch erfassten Daten grafisch darstellt und online verfügbar macht. Die Karte selbst enthält eine Vielzahl thematischer Schichten. Als Grundkarte dient eine flächendeckende Luftaufnahme. Diese wird bei größerem Maßstab durch eine Liegenschaftskarte der Hessischen Verwaltung für Bodenmanagement und Geoinformation abgelöst. Darüber sind punkthaft alle 68 im Projekt untersuchten Liegenschaften sichtbar, deren jeweilige Stammdaten in einem Pop-Up-Fenster einsehbar sind. Bei höherem Zoomstufen werden die Punkte durch die tatsächlichen Liegenschaftsgrenzen abgelöst. Zusätzlich wurden für den Bergpark Wilhelmshöhe in Kassel und die Benediktinerabtei in Seligenstadt 3D-Szenen erstellt. Diese zeigen die Gebäude der Liegenschaften und der näheren Umgebung als abstrahierte Modelle auf einem digitalen 3D-Geländemodell, was beispielsweise Sichtbarkeitsanalysen erlaubt.

So wurden auf Basis analoger, eingescannter Pläne und einer unabhängig vom Projekt ausgeführten Vermessung die erkennbaren Objekte der Abtei digitalisiert, in das entwickelte Datenmodell eingefügt und schließlich mit passender Symbolisierung in LARS eingebunden. Mit dieser Datenbasis sind bereits erste statistische und geometrische Analysen möglich.

Die Prälatur der Abtei wurde weiterhin in einem studentischen Projekt der Frankfurt UAS von Innen und Außen mit einem terrestrischen Laserscanner aufgenommen. Die dadurch entstandene Punktwolke besteht aus circa 8,7 Millionen Punkten und deckt nahezu die gesamte Fassade sowie die Innenräume des Erdgeschosses ab. Dadurch lässt sich ein originalgetreues digitales Modell ableiten, dass Genauigkeiten im Submillimeterbereich erreichen kann.

Ein solches Modell kann, wenn es mit weiteren Sachdaten verknüpft wird, als Basis für ein Building Information Model (BIM) verwendet werden. Im entstehenden Modell lassen sich je nach definiertem Detaillevel auch unregelmäßige Verformungen abbilden, was bislang ein zentrales Problem bei der Verwendung gängiger CAD-Modellierung in der Denkmalpflege darstellt.

Die Entwicklung eines Workflows, um die erfasste Punktwolke zu einem ausgearbeiteten Modell zu verfeinern und welche Software sich im Hinblick auf die besonderen Herausforderungen im Denkmalschutz eignet, sind weitere noch zu klärende Forschungsfragen.

Ausblick

Aktuell befindet sich das Projekt "KulturBauDigital" in der letzten Phase der Konzeption. Die Bestandsaufnahmen sind abgeschlossen und die Entwicklung der Prototypen verläuft weiterhin parallel. Auch wird das Projekt durch Abschlussarbeiten und studentische Projekte von Seiten der Fra UAS weiter ergänzt. Die größte Herausforderung bleibt die Sicherstellung der kontinuierlichen fachlichen Betreuung des GIS durch Schaffung von Stellen sowie die regelmäßige Evaluierung und Anpassung an Anforderungen des Alltags. Ziel muss es sein, ein System zu entwickeln, das die Arbeit erleichtert, indem es Planungssicherheit schafft und Entscheidungs- sowie Forschungsgrundlagen geordnet bereitstellt, aber zugleich nicht die Auseinandersetzung mit den Gärten selbst verhindert.

Trotz des fortgeschrittenen Verlaufs des Forschungsprojekts besteht weiter Interesse am Austausch über bestehende GIS-Lösungen im Bereich Kulturdenkmale / Denkmalschutz und Aufbau eines Netzwerks. Wenden Sie sich bei Interesse an einem Fachaustausch gerne an: marius.weck@fb1.fra-uas.de