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SimGIS

SimGIS

Kopplung von Simulatoren mit Geoinformations- und externen Simulationssystemen

Leiter Prof. Dr. M. Sonnenschein
   
Finanzierung durch OFFIS

Problemstellung

In den Projekten EcoTools und Wesp sind in der Vergangenheit Konzepte und Softwarewerkzeuge entstanden, die auf individuenorientierten Techniken basierende Frameworks und Werkzeuge zur Verfügung stellen, um komplexe Simulationsmodelle einfach, anwendungsbezogen und zielgerichtet zu erstellen oder zu nutzen. Diese Modelle können u.a. dazu eingesetzt werden, um komplexe Individuen-Individuen oder Individuen-Umwelt-Interaktionen innerhalb von Simulationsprogrammen nachzubilden, zu ergründen und, über die Duchführung von Simulationsexperimenten, besser zu verstehen. Somit können kausale Zusammenhänge zwischen Umweltsituationen (oder Umweltszenarien) und evtl. extremen Zuständen der jeweils betrachteten Population detailliert erarbeitet werden. Weiterhin kann in solchen Simulationsstudien die Effektivität bzgl. eines konkreten Managementziels und Effizienz geplanter Systemeingriffe abgeschätzt bzw. überprüft werden.

Die im Rahmen dieser Arbeiten betrachten Populationen setzten sich jeweils aus wenigen Tieren einer Art zusammen, wobei die Abschätzung der Überlebenszeit dieser Populationen den zentralen Untersuchungsgegenstand darstellt. In ergänzenden Untersuchungen wurde der Einsatz dieser Techniken im Anwendungsgebiet der Umweltepidemiologie motiviert und innerhalb eines Konzepts konkretisiert (Köster und Sonnenschein 1998; Köster und Sonnenschein 1999).

Um durch Simulationsstudien verläßliche Aussagen über epidemiologische Phänomene treffen zu können, ist die Übereinstimmung zwischen dem realen System und seiner Modellierung hinsichtlich ihrer Struktur, d.h. der wesentlichen System- bzw. Modellkomponenten und bestehenden oder vermuteten Wirkungszusammenhängen, aber auch ihrer quantitativen Ausprägung notwendig. Konkret bedeutet dies, daß es in epidemiologischen Simulationsstudien unerläßlich ist, neben den Informationen über den Zustand der einzelnen Individuen der Studienpopulation auch Realdaten über ihre Umwelt, d.h. bspw. geographische Informationen einzubeziehen, sowie validierte, bereits bestehende Simulatoren in die Simulation zu integrieren (Köster und Sonnenschein 1999), um solche Daten evtl. zu ergängzen oder aufzubereiten (im Sinne einer speziellen Interpolation durch Simulatoren).

Die Bereitstellung einer technischen Infrastruktur zur Realisierung dieser Kopplung ist Gegenstand des Projekts SimGis, welches entsprechende Schnittstellen innerhalb der vorrangig im Projekt EcoTools (hier das Teilprojekt EcoSim) entwickelten Frameworks EcoSim ergänzt.

Projektziele

Um die Relevanz individuenorientierter Simulationstechniken für Umweltepidemiologische Problemstellungen weiter zu vergrößern kommt der Integration von Umweltdaten aus Geographischen Informationssystemen (GIS) und der Integration externer Simulatoren (etwa zur Berechnung von Schadstoffausbreitungsmodellen o.ä. Einzelaspekten) in individuenorientierten Modellen und Simulatoren eine wesentliche Bedeutung zu, denn:

  • Durch die Integration von Daten aus einem GIS kann die Äquivalenz einer Simulation zum realen System verstärkt werden, wenn diese Daten als "verbindliche Stützstellen" einer simulativ ermittelten Zeitreihe verwendet werden.
  • Im Vergleich zu der Zeitskala der individuenorientierten Simulationsmodelle sind die Daten innerhalb eines GIS zumeist bzgl. der Zeit sehr grob aufgelöst (aufgezeichnet in Abständen von Monaten oder Jahren). Durch die individuenorientierten Modelle selbst, insbesondere aber durch die Integration externer Simulatoren können die Daten durch Interpolation zwischen den durch das GIS vorgegebenen Stützstellen auf das Niveau der hoch aufgelösten individuenorientierten Modelle (Modellzustände lassen sich für Tage oder Stunden differenziert ableiten) gehoben werden.

Ziele dieses Projekts sind demnach:

  1. Integration von in Geoinformationssystemen abgelegten Daten über das reale System in die Simulation.
  2. Integration externer Simulatoren zur Steigerung der Auflösung der realen Daten bzgl. deren Zeitauflösung.
  3. Integration mit bestehenden Softwaresystemen

Die wesentlichen Aufgaben, die zur Erreichung dieser Ziele notwendig sind, bestehen in der Integration bereits existierender Software bzw. der Unterstützung weit verbreiteter Schnittstellen zu GIS bzw. Simulationswerkzeugen. Die folgende Abbildung zeigt das Schema eines integrierten Systems aus zentraler, individuenorientierter Simulation, externen Datenbanken (GIS und virtuelle GIS) und externen Simulatoren, welches Intranet/Internet-Verbindungen nutzt, um auf verschiedene Rechner verteilt werden zu können:

Vertsys

Das C++ Framework EcoSim dient der umfassenden Unterstützung zur freien Implementierung eigenständiger individuenorientierter Simulationsmodelle in der universellen Programmiersprache C++ und bildet die Basis des hier vorgestellten Projekts. Durch EcoSim wird die Programmierung der statischen und dynamischen Aspekte einzelner Individuen sowie betrachteter Umweltsysteme vereinfacht. Weiterhin wird die Visualisierung und einfache Aggregation von Simulationsdaten unterstützt, so daß Anwender relativ einfach eigenständige individuenorientierte Simulationsprogramme erstellen können. Dieses Framework wird nun bzgl. der fehlenden Schnittstellen zu GIS sowie externen Simulatoren erweitert.

In dem hier betrachteten Kontext ist das im Rahmen des OFFIS-Projekts InterGis realisierte Application Programming Interface (API) relevant. Hierüber können Daten aus GIS via Internet/Intranet in unterschiedliche Anwendungen integriert werden. Die Realisierung ist zudem so effizient, daß die Koppelung mit individuenorientierten Simulationsmodellen wie EcoSim möglich ist. Weiterhin kann hierüber ein verteiltes Datenbanksystem realisiert werden, in welchem insbesondere auch das Speichern von Simulationsdaten ermöglicht werden kann.

Webm11ad5as0litero8vro (vogel@informaoqiati8aiuk.uni-oldenburg.deeoc) (Stand: 21.08.2020)