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B. Hofer:
"A Language to Describe Geographic Physical Processes";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): A. Frank, R. Tobler; Department of Geoinformation and Cartography, 2010; Rigorosum: 25.01.2010.

Der Fachbereich Geographie untersucht, wie sich physische Strukturen und Verteilungen von Objekten im Raum verändern. Die Strukturen und Verteilungen werden von Prozessen geformt und beein usst. Modelle werden erstellt um die beobachteten Veränderungen zu analysieren und zu verstehen. Geographische Informationssysteme (GIS) werden vielfach für räumliche Analysen verwendet; in Bezug auf die Prozessmodellierung
spielen sie auf Grund ihrer statischen Natur nur eine unterstützende
Rolle. Die Integration der Konzepte, die mit Prozessen in Zusammenhang stehen, in GIS ist eine der ungelösten Aufgaben der geographischen Informationswissenschaften.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es die Anforderungen der Prozessmodellierung besser zu verstehen um langfristig GIS mit Funktionalität zur Prozessmodellierung erweitern zu können. Die Integration von Methoden zur Prozessmodellierung in GIS,
die den Anforderungen verschiedenster Anwendungsbereiche gerecht werden, ist nicht nrealisierbar. Daher muss eine Abstraktion von den Details quantitativer Modellierung durchgeführt und eine allgemeine Methode zur Prozessmodellierung angestrebt werden.
In dieser Forschungsarbeit wird eine systematische Analyse mathematischer Modelle geographischer Prozesse durchgeführt um eine allgemeine Methode zur Beschreibung dieser Prozesse zu de nieren; der Fokus ist hierbei auf geographisch physikalischen Prozessen. Die allgemeine Beschreibungsmethode ist eine Prozessbeschreibungssprache,
die aus drei Komponenten besteht: einem Vokabular; das sind die mathematischen Operatoren, die ein Modell beschreiben; Regeln zur Zusammensetzung der Elemente des Vokabulars; einer graphischen Benutzerschnittstelle, die die Benutzer durch die Modellierung
führt.
Die Methode zur Spezi zierung des Vokabulars basiert auf Wissen über die Modellierung physikalischer Prozesse mit deterministischen Modellen. Geographisch physikalische Prozesse sind eine Untergruppe physikalischer Prozesse, was die Anwendung physikalischer Prinzipien in der Modellierung dieser Prozesse ermöglicht.
Die physikalischen Prinzipien sind in diesem Zusammenhang Erhaltungssätze, die kontinuierlichen physikalischen Prozessen zu Grunde liegen. Eine Analyse des Massenerhaltungssatzes führt zum Vokabular der Prozessbeschreibungssprache.
Die Ableitung des Vokabulars von mathematischen Gleichungen liefert die Regeln zur Zusammensetzung der Elemente des Vokabulars. Die Elemente der Benutzerschnittstelle werden aus der allgemeinen Vorgehensweise bei der Spezifikation von deterministischen Modellen abgeleitet.
Das Resultat dieser Arbeit ist eine Prozessbeschreibungssprache, die es erlaubt das Verhalten von Prozessen auf einer qualitativen Ebene zu beschreiben, und die es ermöglicht Beschreibungen von Prozesskomponenten zu Modellen zusammenzusetzen. Eine Benutzerschnittstelle führt den Nutzer von einer Konzeption des Verhaltens eines Prozesses zu Gleichungen die den Prozess beschreiben.
Die Anwendung der Prozessbeschreibungssprache wird an zwei Beispielen demonstriert: der Ausbreitung von Giftsto en in einem See und der Ausbreitung von Abgasen eines Fabriksschlots. Das Ergebnis der Anwendung der Prozessbeschreibungssprache ist die Spezi kation der Prozesse zusammen mit benötigten Anfangs- und Randbedingungen
sowie Parameterwerten. Die erstellten Modelle werden als Modellentwürfe bezeichnet; diese Modellentwürfe beinhalten die benötigte Information zur Simulation der Prozesse. Diese Arbeit stellt die Basis für die Implementierung einer Prozessbeschreibungsumgebung zur Verfügung, die die Integration von Funktionalität zur Prozessmodellierung und GIS voranbringen kann.

Geography investigates changes in physical structures and in distributions of objects nin space; these structures and distributions are shaped by processes. Models of processes are built in order to understand and analyze the observed changes. Geographic information systems (GIS), helping with space related analyses, play a supportive role for spatial process modeling due to their static nature. The integration of the concepts related to processes in GIS is one of the unsolved issues of geographic information science.
The goal of this research is to better understand requirements of process modeling in order to extend GIS with functionality for process modeling in the long term. The integration of sophisticated process modeling capabilities in GIS that address the specialized methods of di erent application areas and disciplines is not realistic. An abstraction from details of quantitative process modeling is required to identify generic process modeling functionality.
This research carries out a systematic analysis of mathematical models of geographic processes with a focus on geographic physical processes in order to develop a generic method to describe these processes: a process description language. This language consists of: a vocabulary consisting of mathematical operators to describe the model;composition rules for combining the terms of the vocabulary to models; a visual user interface to guide through the modeling procedure.
The approach to the speci cation of a vocabulary of the process description language focuses on existing knowledge on modeling physical processes with deterministic models.
Geographic physical processes are a subgroup of physical processes, which suggests the applicability of physical principles to the modeling of geographic physical processes. The physical principles referred to are conservation principles that specify the behavior of continuous physical processes. An analysis of the mass conservation equation leads to the vocabulary of the process description language. The foundation of the vocabulary in mathematical equations provides the rules for composing the terms of the vocabulary. The user interface is derived from the general procedure of establishing deterministic process models.
The result of this research is a process description language that provides a possibility to describe process behaviors on a general level and to compose descriptions of process components to models. A user interface guides the user from a conceptualization of a process to equations modeling the process.
The application of the process description language is tested for two geographic physical processes: the spread of a pollutant in a lake and the dispersion of exhaust fumes of a factory. The output of the application of the process description language is the speci cation of the behavior of a process together with the indication of required parameters, initial and boundary conditions. The resulting models are considered as sketch models that provide the required information to simulate the processes. This research provides the basis for the implementation of a process description tool that supports the linkage of process modeling and GIS.

geographic physical processes, process modeling, geographic information systems (GIS), process description language, process composition

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_184654.pdf