Design and Implementation of Environmental Information Systems - Three case studies for managing climate and land-use change in Forestry and Agriculture

Umweltinformationssysteme sind Informationssysteme, deren Anwendungsgebiet im Bereich von umweltbezogenen Fragestellungen liegt. Sie kommen zum Einsatz, wenn Umweltdaten und -informationen erhoben, verwaltet und beobachtet werden sowie bei der Lösung von umweltbezogenen Entscheidungsproblemen. Umweltinformationssysteme bilden keinen eigenen Typ von Informationssystemen, stattdessen kann jeder Informationssystemtyp, z.B. Expertensystem, Managementinformationssystem, Entscheidungsunterstützungssystem, Kollaborationssystem, Geodateninfrastruktursystem etc. zu den Umweltinformationssystemen zählen, wenn das entsprechende System für umweltbezogene Fragestellungen eingesetzt wird. Die Entwicklung von Lösungen für die großen Umweltherausforderungen der heutigen Zeit, wie z.B. Landnutzungsänderungen, Luftverschmutzung und Klimawandel, erfordert zumeist interdisziplinäre Forschung, den Umgang mit großen Datensätzen und den Transfer von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Praxis. Umweltinformationssysteme können dabei als technische Basis für das Datenmanagement, die Informationsextraktion, den Wissenstransfer und die Identifikation von Wissenslücken dienen. Die vorliegende Arbeit trägt zur Weiterentwicklung des Wissenschaftsgebiets der Umweltinformationssysteme bei, indem in Anlehnung an den gestaltungsorientierten Forschungsansatz der Wirtschaftsinformatik fallstudienbasiert IT-Artefakte entwickelt und diskutiert werden. Zwei Fallstudien beschreiben das Design und die Implementierung von Entscheidungsunterstützungssystemen und eine dritte Fallstudie dokumentiert die Entwicklung einer unterstützenden eResearch-Infrastruktur und deren Komponenten. Die drei Systeme präsentieren verschiedene neue Lösungen, um die bestehenden Lücken hinsichtlich der Konzeption und Implementierung von Umweltinformationssystemen in ihrem jeweiligen Anwendungsbereich zu schließen. Eine gemeinsame Eigenschaft all dieser Systeme ist, dass Sie vorhandenes Wissen und IT-Artefakte integrieren und zu neuen innovativen Systemen kombinieren. Während das erste Entscheidungsunterstützungssystem inbesondere methodische und technische Herausforderungen bezüglich der Kopplung bestehender Modelle in ein integriertes Simulationssystem löst, stellt das zweite Entscheidungsunterstützungssystem eine Lösung der Wissensintegration durch die Einbindung von Inputdateien vor. Die eResearch- Infrastruktur wurde durch die Übertragung und Kombination bestehender IT-Artefakte zu einer umfassenden Kollaborations- sowie Daten- und Informationsmanagement-Infrastruktur geschaffen. Die erste Fallstudie beschreibt ein Entscheidungsunterstützungssystem für die individuelle Nutzung. DSS-WuK ist ein web-basiertes System zur Folgenabschätzung des Klimawandels für Wälder hinsichtlich biotischer und abiotischer Störungen, ergänzt um eine ökonomische Evaluation. Der Kern dieses Entscheidungsunterstützungssystems ist sein Mastermodell, das die verschiedenen etablierten Teilmodelle verbindet und den Prozess- und Datenfluss koordiniert. Die Teilmodelle beschreiben die verschiedenen Störungsregime und sind in unterschiedlichen Programmiersprachen implementiert. Nach bestem Wissen des Autors war dies der erste erfolgreiche Ansatz für die Implementierung eines integrierten Simulationssystems, das auf etablierten Modellen basiert und auf ganz Deutschland anwendbar ist. Mit dem hier beschriebenen System konnten die bisherigen konzeptionellen und technischen Hindernisse überwunden werden. Der präsentierte Lösungsansatz kann auf andere Systeme, bei denen existierende Modelle integriert werden müssen, übertragen werden. Ein Anwendungsbeispiel des Simulationssystems auf bewirtschaftete Fichtenbestände wird vorgestellt und besprochen. Die zweite Fallstudie beschreibt ein Entscheidungsunterstützungssystem für die Nutzung in Gruppenentscheidungsprozessen unter Einsatz partizipativer Modellierung. BEAST ist eine Desktop-Anwendung für die Entwicklung und Evaluation verschiedener Szenarien der Produktion von holziger Biomasse für die energetische Nutzung basierend auf einer multikriteriellen Entscheidungsanalyse. Das Werkzeug kann genutzt werden, um politsche Ziele der Energiewende hinsichtlich des verfügbaren Biomassepotentials in einer Region vor dem Hintergrund von definierten ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen zu evaluieren. Es kann für die Entwicklung und Analyse von regionalen Klimamanagementplänen eingesetzt werden. Neben der Potentialberechnung für Waldholz und Landschaftspflegeholz ist die Hauptfunktion von BEAST die Suche nach optimalen Standorten für die Anlage von Kurzumtriebsplantagen. Diese anwendungsreife Standalone-Anwendung mit ihrer hohen Flexibilität schließt die Lücke zwischen bereits bestehenden Papier-und-Stift Entscheidungsunterstützungsrahmenwerken, einfachen tabellenkalkulationsbasierten Endbenutzer- DSS und komplexen wissenschaftlichen Bioenergie-Simulationssystemen. Nach bestem Wissen des Autors ist es das erste Entscheidungsunterstützungssystem zur Standortanalyse für Kurzumtriebsplantagen mit einem Design, das bestehende Ansätze ergänzt anstatt sie zu ersetzen und Endnutzer mit einem gebrauchsfertigen Softwareprodukt versorgt, welches multikriterielle Szenariogenerierung und -simulation mit GIS-basierter Prozessierung und Ergebnispräsentation auf einer mittleren Detailebene kombiniert. Wie erwähnt, erfordern die großen Umweltherausforderungen interdisziplinare Forschungen sowie den Umgang mit großen Datensätzen. Hier setzt die dritte Fallstudie der vorliegenden Arbeit an, indem die Architektur und Entwicklung einer unterstützenden eResearch- Infrastruktur mit Komponenten für das Informations- und Datenmanagement sowie Kollaborationswerkzeugen präsentiert und diskutiert werden. Diese Fallstudie zeigt, wie bestehende Software-Tools auf Anwendungsszenarien der wissenschaftlichen Zusammenarbeit übertragen werden können. Für die Wissenschaftler in den beiden Forschungsprojekten war die Nutzung von Tools wie Wikis, Videokonferenz- und Datenmanagementsystemen neu. Die Nutzung von Softwaretools für die Kollaboration sowie das Informations- und Datenmanagement auf Basis offener Standards ermöglichte eine erhöhte Effizienz bei der Generierung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse. Einer kritischen Auseinandersetzung mit den gewonnenen Erkenntnissen schließt die vorliegende Arbeit ab und zeigt Vorschläge für weitere Forschungsfragen auf.Environmental Information Systems are Information Systems developed and applied in the environmental domain to handle environmental data and information and to support the management of environmental challenges. Environmental Information Systems do not form an own type of Information Systems. Instead, any type of Information System, e.g. Expert System, Management Information System, Decision Support System, Collaboration System, Spatial Data Infrastructure etc. is an Environmental Information System if it is applied in the environmental domain. Finding answers to the large environmental challenges such as land-use change, air pollution and climate change, often requires interdisciplinary research, management of large datasets and a transfer of research findings to practical application. Environmental Information Systems can serve as a technical base to support data handling, information extraction, and knowledge transfer as well as identifying knowledge gaps. According to the design-oriented research approach of business informatics, the present thesis contributes a set of case studies with corresponding IT artifacts to the scientific field of Environmental Information Systems by describing and discussing the design and implementation of two different Environmental Decision Support Systems and a supporting eResearch Infrastructure. The three systems present different new solutions to fill gaps in their field of application regarding the design and implementation of the Environmental Information Systems. A common feature of all of these systems is that they integrate existing knowledge and IT artifacts and combine them to new innovative systems. While the first DSS addresses especially methodological and technical aspects of the coupling of existing models into an integrated simulation system, the second DSS presents a solution of knowledge Integration by the consumption of input files. The eResearch Infrastructure was created by the Adoption and combination of existing IT artifacts to a new comprehensive collaboration as well as data and information management infrastructure. The first case study is a Decision Support System for individual use. DSS-WuK is a webbased system offering climate change impact assessments on forests, regarding biotic and abiotic disturbers complemented by an economic evaluation. The key of this DSS is its mastermodel connecting established models describing different climate change impacts and being written in different programming languages. To the best of the author’s knowledge, this was the first successful approach in building an integrated simulation system based on established models applicable to whole Germany due to former conceptional and technical issues. The presented solution is adaptable to other systems integrating existing models. An application example of the simulation system to managed forest stands of Norway spruce is presented and discussed. The second case study is a Decision Support System for group-decision making and participatory modeling. BEAST is a Desktop application for specifying and evaluating different scenarios of woody bioenergy production based on Multi-Criteria Decision Analysis. Using this tool, political goals can be assessed in the context of the available biomass potentials of a region and the defined economic as well as ecological framework. Therefore, it supports the development and analysis of regional climate management plans. Beside the scenario-based calculation of biomass potentials of wood from forests and landscape measurements, a main focus of BEAST is to find optimal locations for sitting Short Rotation Coppices (SRC). This end-user-ready standalone application with its high flexibility fills the gap between already existing paper-and-pencil DSS frameworks, simple spreadsheet-based end-user DSS and highly complex scientific bioenergy simulation systems. To the best of the author’s knowledge it is the first system that provides a SRC location analysis with a design that complements existing approaches and addresses end-users with a ready-to-use software product that delivers multi-criteria scenario generation and simulation combined with GIS-based processing and output presentation at an intermediate level of detail. As mentioned, large environmental challenges, such as land-use and climate change, require interdisciplinary research as well as management of large datasets. Therefore, the third case study of this thesis presents an eResearch Infrastructure with tools for information and data management as well as collaboration. This case study shows how to transfer existing software tools to application scenarios in scientific collaboration. For the collaborating researchers in the two research projects it was completely new to use tools such as Wikis, video conference and data management systems. The usage of innovative software tools for collaboration, information and data management based on open standards supports an increased efficiency in the generation of new scientific findings. The present thesis closes with a description of the lessons learned and suggests aspects for further research