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Integration von Verkehrsplanung und Geoinformationssystemen
(GIS)
Das Projekt "Integration von Verkehrsplanung und Geoinformationssystemen (GIS)" wurde von Oktober 1999 bis September 2002 innerhalb des Schwerpunktthemas "Mobilität und Verkehr von morgen" im Innovationsprogramm Forschung das Landes Nordrhein-Westfalen gefördert. Das Projekt sollte einen Beitrag dazu leisten, Mobilität effizienter zu gestalten und eine Verbesserung der Verkehrsabläufe zu ermöglichen. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines GIS-basierten entscheidungsunterstützenden Systems für die überörtliche Verkehrsplanung.
Aufbauend auf einer Prozeß-, Akteurs- und Datenanalyse heutiger Verkehrsplanung wurden im Projekt zunächst die Anforderungen an ein solches System für die Verkehrsplanung definiert. Für drei beispielhafte Planungs- und Entscheidungsabläufe der Verkehrsplanung wurde anschließend ein Prototyp des Systems implementiert. Der entwickelte Prototyp besteht aus drei Komponenten: einem räumlichen Datenbanksystem, einem GIS-integrierten Verkehrs- und Umweltmodellsystem und einer Benutzerschnittstelle. Die Integration von Datenbeständen aus heterogenen Quellen mit Hilfe eines "Semantic translator" zur Übersetzung der unterschiedlichen Semantik dieser Daten wurde ebenfalls prototypisch implementiert. Das Verkehrs- und Umweltmodellsystem liefert Prognosen zum Verkehrsgeschehen und dessen Umweltauswirkungen in Form von räumlich spezifizierten Schadstoff- und Lärmbelastungen an das Datenbanksystem. Mit Hilfe von Metaphern, die für die Sprache von Verkehrsplanern erarbeitet wurden, wurde schließlich die "Sprache der Planungsbeteiligten" auf die "Sprache von Geoinformationssystemen" übertragen.
Die
zunehmende Tendenz, die Funktion eines Moderators im Planungsprozess zu übernehmen,
und die Vielzahl der zu verarbeitenden Informationen erfordert zukünftig
eine schnellere und vereinfachte Verfügbarkeit von planungsrelevanten
Informationen für Verkehrsplaner. Vor dieser Perspektive werden im Projekt
VUGIS Möglichkeiten untersucht um GIS-Technologien, Verkehrs- und Umweltmodelle
unter einer gemeinsamen metaphernbasierten Benutzerschnittstelle zu entwickeln
und Lösungsansätze zur Integration heterogener
Datenressourcen bereitzustellen. Die Benutzerschnittstelle und der integrative
Ansatz eines solchen Systems sollen es Verkehrsplanern ohne spezielle
GIS-Kenntnisse ermöglichen, die o.g. Techniken und Modelle intuitiv zu
nutzen.
Dies ermöglicht ihm verschiedene Strategien und Maßnahmen und deren Wirksamkeit
und Folgen zu prüfen und bereits in einem frühen Planungsstadium auch
für Nicht-Fachleute nachvollziehbar darzustellen. Der Beitrag stellt die
Hintergründe, die angedachte Struktur und die einzelnen Komponenten des VUGIS Systems vor.
Einleitung
Das
allgemeine Planungsverständnis veränderte sich in den letzten Jahren in
Richtung einer zunehmenden Interdisziplinarität
und einer
Zunahme der Transparenz für Bürger, einhergehend mit einer stärkeren Einbindung
der Bevölkerung in kommunikative Planungsprozesse. Diese Entwicklung zu
einer gesteigerten Bedeutung nicht-formalisierter
Planungen erfasst in verstärktem Maße auch die Verkehrsplanung. „Eine
Anpassung der Planungsmethodik erscheint sinnvoll, weil eine frühzeitige
Beteiligung von Bürgern für die Akzeptanz von Planungen eine zunehmend
größere Rolle spielt, auch um die Planung zu beschleunigen“(Brenner, Herrmann u. Nehring
2000). Ähnlich argumentiert auch Fischer
(2000), der eine veränderte Planungskultur anregt, „welche die Gesellschaft
als Ganzes mehr an Entscheidungsfindungen beteiligt, um demokratische
und, wenn möglich, Konsenslösungen in der Verkehrsplanung zu erreichen“. Dies ist vor
allem auch vor dem Hintergrund zu sehen, dass Verkehrsplanung einen stark
konfliktbeladenen Prozess darstellt.
Die
Verkehrsplanung ist in der traditionellen Sichtweise eine sektorale Fachplanung,
die sich weitgehend als "Infrastruktur-Bereitstellung" versteht.
Jahrzehntelang fußte sie als primär autoorientierte Planung
auf einem breiten gesellschaftlichen Konsens. In dieser Planungsphilosophie
wurden andere Verkehrsteilnehmer kaum wahrgenommen (vgl. Holz-Rau 1996).
Diese Sicht von Verkehrsplanung hat sich in den letzten Jahren grundlegend
geändert
und findet selbst in Gesetzen einen Widerhall. In diesem Zusammenhang
sei beispielhaft das Gesetz zur Weiterentwicklung des öffentlichen
Personennahverkehrs in Hessen genannt, welches in §11 Abs. 3 besagt,
dass "die Verkehrsplanung (...) Anlagen und Betrieb aller Verkehrsarten
(Fußgänger, Radfahrer, öffentlicher Personennahverkehr,
motorisierter Individualverkehr und Güterverkehr) integrieren"
soll.
Bisher
ist die Verhandlung über Infrastrukturmaßnahmen primär im Rahmen des Planfeststellungsverfahrens
als Beteiligung der Öffentlichkeit festgeschrieben. In diesem Stadium
ist jedoch die Entscheidung über eine Maßnahme im Wesentlichen bereits
gefallen. Zur Disposition stehen meist formale Verfahrensmängel, nicht
jedoch inhaltliche Aspekte der planungsauslösenden Problematik oder der
strategischen Zielrichtung. Die Integration verschiedener Planungsschritte
und der dafür erforderlichen heterogenen Datenbestände in einem frühen
Planungsstadium ermöglicht die frühzeitige Kommunikation zwischen Planungsträgern,
Interessengruppen und Betroffenen, um bereits im Vorfeld von Detailplanungen
sinnvolle, konsensfähige und durchsetzbare Lösungen zu finden.
Integrierte
Verkehrsplanung bedingt aus der Natur der Sache ein höheres Maß an multidisziplinärer
Abstimmung, wodurch eine Vielzahl „neuer“ Variablen in einen Planungsprozess
einbezogen werden müssen. Viele dieser erforderlichen Daten sind dem Planer
nicht direkt bekannt, da - u.a. auch wegen des Erfordernisses der Unabhängigkeit
- Gutachten von externen Stellen erstellt werden (Verkehrsgutachten und
v.a. Umweltverträglichkeitsstudien).
Die
Rolle des Planers wird zunehmend in der Funktion des Moderators eines
Planungsprozesses gesehen, der die einzelnen Planungsschritte koordiniert
und die Ergebnisse vor politischen Gremien und der Bevölkerung vertreten
muss (vgl. Neumann
1997), da insbesondere die Planung großer Infrastrukturmaßnahmen wie Autobahn-
oder Eisenbahnneubauten – immer mehr den Ausgleich zwischen widerstreitenden
Interessengruppen (z.B. Lobbys, Nutzer der Infrastruktur, betroffene Anwohner...)
erfordert. Solche Veränderungen bringen es aber auch
mit sich, dass dem Planer schnell Informationen
zur Verfügung gestellt werden müssen, die ihm zur Diskussion und Präsentation
von Planungen behilflich sein können. In offenen Planungsprozessen müssen
Planer schnell auf (konstruktive) Kritik reagieren können.
Problemstellung
Vor
dem Hintergrund immer höherer Anforderungen an die Planung wird deutlich,
dass eine Vielzahl von Informationen bereitgestellt werden muss, die weit
über den Verkehrsbereich im engeren Sinne hinausgehen. Diese Informationen
schließen u.a. ökologische, siedlungsstrukturelle, wirtschaftliche und
soziale Aspekte ein. Diese erforderlichen Daten liegen jedoch nicht zentral
vor, sondern sind in unterschiedlichster Form (z.B. Datenformat, Maßstab)
auf verschiedene Stellen verteilt. Derzeit ist es nicht möglich diese
Daten in einem System zu verwalten bzw. mit einem System auf die heterogene
Datenbasis zurückzugreifen. Der erforderliche Zugriff wird
zudem dadurch erschwert, dass die Planer nicht die Möglichkeit haben,
die entsprechenden Analyse- und Modellierungswerkzeuge selbstständig einzusetzen.
Hierzu sind intensive IT- bzw. GIS-Erfahrungen erforderlich, die durch
Planer i.d.R. nicht im notwendigen Ausmaß erworben werden können, so dass
die jeweiligen IT-Abteilungen der Planungsinstitutionen die Analysen durchführen
müssen.
Ziel
Das
VUGIS Projekt hat zum Ziel darzustellen, welche technischen Möglichkeiten
bestehen „dem Planer“ ein Instrument an die Hand zu geben, mit dessen
Hilfe er den steigenden Anforderungen angemessen begegnen kann. Dazu soll
unter einer einheitlichen, auf Metaphern aus der Planungspraxis basierenden
Benutzeroberfläche eine möglichst große Anzahl an Analysen gebündelt angeboten
werden, die im Rahmen traditioneller Verkehrsplanung bislang an getrennten
Institutionen durchgeführt werden. Der angestrebte Funktionsumfang des
Systems lässt sich in fünf Ebenen mit zunehmender Komplexität einordnen:
-
Visualisierung und Überlagerung
der im Rahmen der Verkehrsplanung notwendigen und zu beachtenden Daten
-
Durchführung von
GIS-Analysen (Flächenberechnung, Flächenverschneidungen, ...)
-
Erzeugung von Basisinformationen
für die Verkehrsplanung durch Verkehrsmodelle
-
Simulation der Umweltauswirkungen
der geplanten Maßnahmen durch Umweltmodelle
-
Bereitstellung heterogener
thematischer Daten
Dabei
sollen verschiedene Planungsvarianten und deren Auswirkungen direkt durch
den Planer evaluiert werden können. Die Benutzerführung soll Anwendern
ohne GIS-Kenntnisse oder mit wenig Erfahrung im Einsatz von GIS, Verkehrs-
oder Umweltmodellen einen intuitiven Einsatz des Prototypen ermöglichen.
Dazu sollen Metaphern aus dem Arbeitsfeld der Planer in die Benutzerschnittstelle implementiert
werden.
Im
folgenden werden die angedachte Systemstruktur und die zu integrierenden
Komponenten des Prototypen vorgestellt.
Systemarchitektur
Die
Systemarchitektur beschreibt die nach heutiger Sichtweise optimale Umsetzung
für ein interoperables
Planungswerkzeug. Die Systemarchitektur
besteht aus vier Schichten (Abb. 1): (1) Einer räumlichen Datenbank,
in der sich heterogene Daten aus unterschiedlichen Datenmodellen und -quellen
befinden, die (2) über einen Semantic Mapper dem VUGIS System zur
Verfügung gestellt werden; (3) einer Modellebene, in der Verekehrs-
wie auch Umweltmodelle und weitere räumliche Analysemodelle eingebunden
sind. und schließlich (4) einer einheitlichen Benutzerschnittstelle,
mittels dere die gewünschten Anwendungen gesteuert werden. Der Aufbau
des Gesamtsystems erfolgt modular, d.h. jede Komponete ist in sich abgeschlossen
mit exakt definierten Funktionalitäten. Dies ermöglicht den
späteren Austausch einzelner Komponenten. Außerdem können
so weitere Systemkomponenten relativ einfach hinzugefügt bzw. in
ihrem Funktionsumfang angepasst werden.

Abb.1:
Systemarchitektur des VUGIS-Prototypen
Benutzerschnittstelle
Um
einem breiteren Anwenderkreis den direkten Nutzen von GIS und Modellen
zu ermöglichen (anstatt des Konsultierens von GIS-Experten) müssen die
Benutzerschnittstellen entsprechender
Systeme so entwickelt werden, dass sie durch Verkehrsplaner, die i.d.R.
keine ausreichenden Systemkenntnisse besitzen, richtig gedeutet und genutzt
werden können.
Metaphernbasierte
Benutzerschnittstellen ermöglichen allgemein eine Erweiterung des Anwenderpotentials
von Software, da sie den Umgang mit Systemen für den Anwender erleichtern
(Carroll et al. 1988). Sie erlauben den Anwendern mit dem System in der
eigenen vertrauten (Fach-)Sprache zu kommunizieren und unterstützen im
Idealfall eine intuitive Interaktion mit dem System. Der Erfolg metaphernbasierter
Benutzerschnittstellen begann mit dem XEROX STAR, der ersten kommerziellen
Software, deren graphische Benutzerschnittstelle metaphernbasiert war.
Damals wurde die heute allbekannte „Desktop-Metapher“ eingeführt (Smith
et al. 1982).
Metaphern
Durch
das Design von Metaphern für die Benutzerschnittstelle sollen die Funktionalitäten
des VUGIS-Prototypen den Verkehrsplanern direkt zugänglich gemacht werden,
indem sie in ihrer fachgebietsvertrauten Sprache kommunizieren. Die Metaphern
ermöglichen dabei das Verständnis des fremden auf Basis eines vertrauten
Sachverhaltes. Den vertrauten Sachverhalt stellen beispielsweise
Planungsbegriffe dar, hinter denen dann eine Sequenz von GIS- und Modellanalysen
stehen kann. Die Kenntnis und der Umgang mit GIS-Funktionen wie z.B. „overlay“
oder „buffer“ durch den Anwender ist dann nicht mehr erforderlich.
Ein
wichtiges Kriterium für den Erfolg von metaphern-basierten Benutzerschnittstellen
ist die Kohärenz der verwendeten Metaphern (Erickson 1990). Erste Analysen
bei verschiedenen Verkehrsplanungsinstitutionen für den öffentlichen-
und den Individualverkehr haben gezeigt, dass die Kohärenz der Metaphern
nicht alleine aus der Sprache der Verkehrsplaner erzeugt werden kann.
Die unterschiedlichen Aufgaben der Planungsinstitutionen sind zu heterogen, als dass von einer
gemeinsamen Sprache ausgegangen werden kann. Um jedoch dem integrierten
Planungsansatz Rechnung zu tragen, muss aus den diversen Planungsrichtungen
eine gemeinsame Basis gefunden werden, die sowohl die jeweiligen Planungsanforderungen
als auch die jeweilige Fachsprache berücksichtigt. Im VUGIS-Projekt wird
diese Basis aus rechtlichen Belangen, die sich aus Fachgesetzen und allgemeinem
Planungsrecht zusammensetzen, gebildet.
Aufgabenanalyse
Das
Design geeigneter Metaphern für den VUGIS–Prototypen erfordert die Identifikation
der spezifischen Anforderungen der Verkehrsplaner durch eine Aufgabenanalyse
(Task Analysis). Diese ergeben sich aus einer Studie von Arbeitsabläufen,
den Werkzeugen und der Sprache der Verkehrsplaner. Die wesentlichen Fragestellungen
dabei sind:
-
Was sind die eigentlichen
Planungsziele und Planungsaufgaben?
-
Welche Informationen
und Dienste werden für die Planungsaufgaben benötigt?
-
Wer sind die Planungsbeteiligten?
-
Welche Methoden und
Instrumente werden bislang genutzt?
-
Können die Planungsaufgaben
durch Computer unterstützt werden?
-
Im welchem Kontext zueinander
stehen einzelne Planungsaufgaben?
-
Wie sieht das fachtypische
Vokabular aus?

Abb.
2: Vereinfachter Ausschnitt eines "User Task Model"
Die
Standardmethoden zur Identifizierung der Informationen stellen Fragebögen,
Interviews und Protokollanalyse dar (Hackos & Redish 1998, Kirwan
& Ainsworth 1992). Die dabei identifizierten Aufgaben werden in einem
„User Task Model“ (Abb. 2) beschrieben. Zur weiteren Analyse werden Methoden
aus dem Bereich des „Participatory Software Design“ (Carroll & Rosson
2000) verwendet. Das „User Task Model“ dient als Grundlage für die durch
das System bereitzustellenden Objekte, Methoden, Dienstleistungen und
Metaphern.
Integration
von GIS, Verkehrs- und Umweltmodellen
Datengrundlagen und
Semantic Mapping räumlicher Information
Interoperabilität
bedeutet einerseits, offene Schnittstellen zu schaffen, über die Daten
unterschiedlicher Formate ausgetauscht werden können. Dieses Problem wird
durch die OpenGIS Spezifikationen angegangen (OpenGIS, 1998). Offenheit
von GIS Systemen geht aber über den reinen Transfer von Daten hinaus (Bishr
et al., 1999). Hier spielen auch thematische Aspekte eine Rolle, die eine
semantische Interoperabilität ermöglichen sollen. Beispielsweise hat eine
Straße aus landschaftsökologischer Sicht eher die Eigenschaft Lebensräume
zu trennen, während sie aus Sicht eines Verkehrsplaners eher die Eigenschaft
hat, verschiedene Orte miteinander zu vernetzen. Diese unterschiedlichen
Sichtweisen wirken sich auch auf die zugehörigen Datenmodelle aus. Um
eine Interoperabilität zwischen diesen Sichtweisen zu ermöglichen müssen
zunächst Ontologien beschrieben werden. Ontologien sind als Spezifikationen
von Konzeptualisierungen definiert (Gruber, 1993). Ziel ist die Semantik
der Daten und damit verbundene Begriffe mathematisch zu beschreiben. Diese
Beschreibungen können dann für Übersetzungen zwischen verschiedenen Semantiken
genutzt werden und so eine thematische Interoperabilität ermöglichen.
Geoinformationssystem (GIS)
Das
GIS fungiert als zentrales Modul. Es erlaubt die Visualisierung, Analyse
und Editierung der Datenbestände und verwaltet die räumliche Datenbank.
Gegebenenfalls
können unterschiedliche
Datenformate durch GIS-Funktionen konvertiert und entsprechende Daten
anderen Modulen, z.B. dem Verkehrs- oder Umweltmodell, zur Verfügung
gestellt werden.
Verkehrsmodell
Dieses
für das Gesamtsystem zentrale Analysemodell prognostiziert die Bewegung
von Personen (und Gütern) im Individualverkehr (IV) und öffentlichem Verkehr
(ÖV) zur Abschätzung der Wirkungen von Maßnahmen in den Bereichen Flächennutzung
und Verkehr. Solche 'disaggregierten' Verkehrsmodelle werden seit den
siebziger Jahren in der Verkehrsverhaltensforschung (Kutter 1972) und
der Zeitgeographie (Hägerstrand 1970) entwickelt. Sie beruhen auf der
Annahme, dass soziodemographische Gruppen aufgrund ihrer spezifischen
sozialen Rollen und daraus resultierenden Verhaltensschemata einen definierbaren
Mobilitätsbedarf aufweisen, der in Abhängigkeit von 'Gelegenheiten' zur
Ausübung von Aktivitäten (Arbeitsplätze, Einkaufszentren, Schulen...)
und Verkehrsangeboten (Straßen, Pkw-Verfügung, ÖPNV...) in bestimmte Wegemuster
übersetzt wird. Obwohl diese Annahmen nicht unproblematisch sind (Scheiner
2000) ist Verkehrsplanung ohne solche Modelle nicht denkbar, insbesondere
aufgrund der Notwendigkeit, mit verfügbaren soziodemographischen und flächennutzungsbezogenen
Daten zu arbeiten.
Von
Verkehrsmodellen werden folgende Informationen generiert, die in anderen
(amtlichen) Statistiken oder in anderen offiziellen Datenbanken nicht
erhältlich sind: Streckenbelastungen im IV und ÖV, Knotenstrombelastungen,
ÖV-Erreichbarkeit von Haltestellen, IV-Erreichbarkeit von Netzknoten,
Verkehrsmatrizen, streckenabschnittsbezogene Reisezeiten etc.. Somit erzeugt
das Verkehrsmodell Basisinformationen für die Verkehrsplanung und stellt
darüber hinaus Basisinformationen für die Umweltmodelle bereit, ermöglicht
durch seinen dynamischen Ansatz darüber hinaus aber auch die Anwendung
und Evaluierung verschiedener Szenarien der Verkehrsentwicklung und dynamisiert
somit das Gesamtsystem, indem die möglichen Auswirkungen von Planungsvarianten
aktuell simuliert werden können. Die genannten Ergebnisse werden nach
Durchlauf des Verkehrsmodells in die räumliche Datenbank geschrieben,
wo sie anderen Modulen zur Verfügung stehen.
Im ersten Prototypen
des VUGIS-Systems wird auf das kommerzielle Verkehrsmodell VSS der Firma
HHS zurückgegriffen.
Umweltmodelle
Die
Umweltmodelle simulieren die möglichen (negativen) Auswirkungen von Planungsvarianten
auf die Umwelt und den Menschen. Dabei greifen sie zum einen auf die Ergebnisse
des Verkehrsmodells, auf der anderen Seite aber auch auf andere GIS-Analysen
zurück. Die zu implementierenden Umweltmodelle des Systems umfassen folgende
Teilmodelle:
-
Modul zur Berechnung
der Lärmausbreitung,
-
Modul zur Berechnung
der Schadstoffausbreitung,
-
Modul zur Berechnung
des Flächenverbrauchs, und ein
-
Modul zur Bestimmung
der Zerschneidungswirkung von Verkehrstrassen.
Zum
Teil greifen die einzelnen Module auf vorhandene GIS-Funktionalitäten
zurück (z.B. was die Berechnung des Flächenverbauchs oder die Überlagerung
mit schützenswerten Landschaftsbestandteilen
angeht), zum Teil basieren die Module auf eigenständigen Programmpaketen.
Abb.
3
zeigt exemplarisch den Zusammenhang zwischen Verkehrs- und Umweltmodellen
unter Hinzuziehung zusätzlicher Informationen wie Topographie, durchschnittlicher
Spritverbrauch der Fahrzeugflotte, Windrichtung und Klimadaten.
Ausgehend
von den Ergebnissen des Verkehrsmodells (Verkehrserzeugung, Verteilung,
Modal Split, Umlegung) werden unter Hinzuziehung von Topographie und Spritverbrauch
streckenbezogene Verkehrsemissionen berechnet, die dann wiederum auf Grundlage
von Angaben über vorherrschende Windrichtung und Klimafaktoren in Immissionen
umgerechnet werden. Diese Immissionen werden in einem letzten Schritt
in den Umweltmodellen den Schutzgütern (Mensch, Biotope, geschützte Landschaftsbestandteile)
gegenübergestellt, woraus sich eine Bewertung der Planungsvarianten hinsichtlich
ihrer ökologischen und sozialen Auswirkungen ergibt.

Abb.
3: Zusammenspiel von Verkehrs- und Umweltmodellen
Auch
die Ergebnisse der Umweltmodule werden in die räumliche Datenbank geschrieben,
von wo sie mittels des GIS visualisiert und ausgegeben werden können.
Ausblick
Das
vorangige Ziel des VUGIS Prototypen ist es, ein erstes lauffähiges metaphern-basiertes
Programmsystem in Richtung einer interdisziplinären, nachhaltigen Verkehrsplanung
zu realisieren. Auch wenn in diesem Prototypen kommerzielle GIS und Verkehrsmodelle
eingesetzt werden, soll deren Einbindung so offen gestaltet werden, daß
- entsprechend den Zielen des Open GIS - in einer späteren Phase ein Austausch
bzw. die Einbindung weiterer (kommerzieller) Systeme problemlos möglich
ist. Ebenso ist das System so offen konzipiert, später weitere Umweltmodule
und GIS-Analysen zu ergänzen.
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