1 Präambel – Der Übergang von 2D-Plänen auf 3D/4D-Modelle mit LIM

Die Zukunft der Umweltplanung lässt sich mit Begriffen wie digital, smart, KI-gestützt und automatisiert bezeichnen. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die FGSV-Aktivitäten der Arbeitskreise im Arbeitsausschuss AA 2.9 „Umweltschutz und Umweltplanung“ mit Bezug auf Zukunftskonzepte in diesem Fachbereich. Die technische Infrastrukturplanung wird in naher Zukunft vorwiegend mit Building Information Modeling (BIM) erstellt. Dies impliziert eine digital gestützte Umweltplanung, welche nach derzeitiger Terminologie als Landscape Information Modelling (LIM) bezeichnet wird. Die technische Planung mit ihren definierten Technologien, Bauwerken und Baumaterialien mit BIM ist durchaus anspruchsvoll. Es handelt sich in der Regel jedoch um abgeschlossene technische Systeme, deren Bauelemente mit ihren spezifischen Eigenschaften und ihrer Lebensdauer in nachhaltige Kreislaufwirtschaftssysteme überführt werden können. Die Umwelt mit Ihren Ökosystemen ist vergleichsweise komplexer und bildet offene Systeme in die (Straßenbau-) Projekte mit vielfältigen Wirkprozessen eingreifen. Die Erfassung, Darstellung und Planung mit solchen Systemen ist im Allgemeinen noch anspruchsvoller und erfordert eine neue und innovative Herangehensweise. Der Situation lässt sich mit dem Übergang von den analogen 2D-Plänen auf die GIS-gestützte 2-D-Planung vergleichen. Neue digitale Technologien und die erweiterte Verfügbarkeit digitaler Daten eröffnen in Kombination mit der in BIM-Prozessen fokussierten 3D-Modellierung eine Vielzahl zusätzlicher Potenziale für die Landschafts- und Umweltplanung. Ökologische Prozessmodelle adressieren neben dem 3D-Raum auch den sogenannten 4D-Raum und damit zeitliche Abläufe. Die LIM-gestützte Planung in 3D-Räumen und 4D-Prozessen ermöglicht somit einerseits ganz neue Ansätze für die Visualisierung für Bauherren und Öffentlichkeitsarbeit. Andererseits ermöglichen Methoden wie das LIM, dynamische Prozesse in der Landschaft zu erfassen und in die Planung zu implementieren.

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Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

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2 Potenziale ökologischer Prozessmodelle im Landscape Information Modelling (LIM) – Aktivitäten von FGSV-Gremien und BASt

Hinweis: Die nachfolgend verwendeten Kürzel beziehen sich auf weiterführende Unterlagen in der Posterausstellung und den Videopräsentationen der Landschaftstagung 2025 in Potsdam (s. Kurzfassung „Poster und Videopräsentation der Landschaftstagung 2025 in Potsdam“)

Wie die oben genannten neuen Ansätze für die Umweltplanung zukünftig nutzbringend in BIM-Prozesse integriert werden können, untersucht der FGSV-Arbeitskreis 2.9.10 „Ökologische Prozesse im Landscape Information Modeling (LIM)“ mittels eines breit angelegten Screenings aktuell existierender Ansätze zur Modellierung ökologischer und umweltfachlicher Prozesse, die in drei Online-Expertenworkshops vorgestellt und diskutiert wurden. Auf dieser Basis erfolgt eine Bewertung und Zuordnung zu Aufgaben der Landschafts- und Umweltplanung. Einen weiteren Schritt bildet die Übersetzung in BIM-Anwendungsfälle, um damit Wege für die Einordnung und Umsetzung ökologischer Prozessmodelle in BIM-Abläufen aufzuzeigen. Es wird die Chance gesehen, auf diese Weise dynamische Prozesse in BIM-Systemen zukünftig besser abbilden zu können und damit zur Verbesserung der Qualität der Planung, der Umsetzung von Maßnahmen, des größeren Schutzes der Umwelt, sowie der Beschleunigung von Genehmigungsprozess beizutragen.

Umweltplaner stehen somit aktuell vor der Aufgabe, die Umweltplanung effektiver zu machen und einen Benefit aus den neuen, vielfältigen Möglichkeiten zu generieren (s. Imagefilme V-P1 und V-P2). Um den aktuellen Stand der angewandten Planungswissenschaft darzustellen und Hinweise für die Planungspraxis zu entwickeln, erstellt der FGSV-Ak 2.9.10 zurzeit ein Hinweispapier (HÖPL – Hinweise für ökologische Prozesse im Landscape Information Modelling). Objektmerkmale/-eigenschaften sind Gegenstand des BASt-Forschungsprojektes

„Objektklassenkatalog Landschaft/Freianlage“ (Poster P8) und aktueller Forschungen zu Ökosystemleistungen von Bäumen (Poster P14, P15, Film V-P6).

3 Übersicht von Anwendungsfällen für LIM

Planungsgebiete werden im Rahmen der Projekte im oberirdischen 3D/4D-Raum beispielsweise in den Gelände- und Vegetationsstrukturen aber auch in dynamischen Raum-Zeit-Prozessen wie tages- und jahreszeitlichen Trajektorien von Fledermäusen oder Vögeln beeinflusst und überplant. Ähnliche 3D/4D-Räume sind in limnischen Wasserkörpern und Bodensystemen mit Grundwasserströmungen im Untergrund zu beachten.

Nachfolgend ist eine Auswahl relevanter ökologischer Prozesse/Wirkzusammenhänge für die Schutzgüter des UVPG dargestellt.

Die im Vortrag im Rahmen der Landschaftstagung „Die Zukunft der Umweltplanung“ vorgestellten und visualisierten Schutzguteigenschaften und Wirkprozesse sind hier mit Fettdruck hervorgehoben (vgl. PP-Präsentation).

Schutzgut Mensch, insbesondere menschliche Gesundheit

1. Schallauswirkungen im Bereich von Häuserblocks, auch auf Neben Schall kann man auch Sekundärschall und Erschütterungen und deren Wirkungen auf die menschliche Gesundheit und Zielarten simulieren, gilt ggf. auch für elektromagnetische Strahlung
2. Simulation stofflicher Immissionen und Emissionen auf menschliche Gesundheit und auf Zielarten sowie zur Quantifizierung von Ertragsminderung auf landwirtschaftlich genutzten Flächen oder z. B. Photovoltaikanlagen.

Schutzgut Tiere/Pflanzen/biologische Vielfalt

3. Zugrouten, Flugbahnen/-bewegungen, Trajektorien von Vögeln, Fledermäusen
4. Baumhöhlen in Alleebäumen/Baumbeständen und deren Umgebung (Fortpflanzungs- und Ruhestätten für lokale Population) im Zusammenhang mit Baumhöhlenverlusten, Schaffung von Hopover-Strukturen
5. Schattensimulationen von Vertikalstrukturen/Brücken
6. Stoffliche Immissionen und Emissionen können mittels Daten aus Wetterprognosen kurz- bis mittelfristig vorhergesagt werden. So können rechtzeitig Maßnahmen zur Minderung von Immissionen getroffen werden, z. B. im Baustellenkontext.
7. 3-, 4- und 5D Simulation von Kompensationsmaßnahmen
8. 3-, 4, und 5D Simulation von Artenschutzmaßnahmen (Simulations-Nachweis, dass Maßnahme funktionieren wird z. B. für die Argumentation gegenüber Genehmigern), die den BaubegiNn determinieren.
9. Auswirkungen durch Unterwasserimmissionen
10. Ökosystemleistungen von Kompensationsmaßnahmen/Vegetationsstrukturen/Alleebäumen/Aufforstungen
11. Auswirkungen durch Verlust von Kohlenstoffsenken, Neuschaffung von THG-Speichern (Teilaspekt von Ökosystemleistungen insbesondere für Fachbeiträge Klimaschutz)
12. 5D Simulation der Eingriffs-Ausgleichs-Bilanz eines Vorhabens ... ...

Schutzgut Klima, Luft

13. Frischluft-/Kaltluftabflussbahnen (Mächtigkeit, räumliche Verteilung) und deren Veränderungen Beeinflussungen durch das Bauvorhaben
14. 4D CO₂-Livecycle-Dynamik und Bilanzierung unter Berücksichtigung des Bauwerks und der Kompensationsmaßnahmen. Gegebenenfalls Berücksichtigung des Betriebsprogramms und von Klimawandelszenarien

Schutzgut Wasser

15. Schichtwasser- und Grundwasserkörper/Grundwasserströmungen im Untergrund und deren Veränderungen Beeinflussungen durch das Bauvorhaben

Schutzgut Landschaft

16. Auswirkungen durch Vertikalstrukturen

Projektanfälligkeit gegen Katastrophen

17. Auswirkungen durch Überflutungen/Sturzfluten

Weitere Aspekte zur Berücksichtigung im BIM/LIM-Anwendungen:

18. Im Rahmen des UVP-Berichts ist auch die Null-Variante, also die prognostizierte Entwicklung des Raumes ohne das Vorhaben notwendig. Auch hier kann LIM zu einer belastbaren Grundlage beitragen, indem man Annahmen zur Landnutzung, dem zu erwartenden Klimawandel etc. macht und simuliert.
19. Automatisierung einzelner Schritte bei der Erstellung von Genehmigungsunterlagen
20. Kollisionsprüfung von Bauwerken mit Umweltrichtlinien oder -Normen Beispiel: die Verrohrung eines Gewässerdurchlasses entspricht weder den MAQ noch der Wasserrahmenrichtlinie – Ein BiM/LIM kann dies erkennen und gegebenenfalls den notwendigen Querschnitt vorgeben.

Diese Auflistung stellt nur einen ersten Überblick über mögliche Fragestellungen dar, welche im Rahmen von LIM-Modellen bearbeitet werden können. Es ist für die Zukunft eine vertiefte Entwicklungsarbeit absehbar, um alle relevanten Sachverhalte planerisch behandeln zu können.

3 On-Site-Erfassung

Eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz der LIM-Anwendungen ist die on-site-Erfassung von Umweltinformationen mittels Digitaltechnologie und der direkten Überführung in LIM-gestützte Planungsunterlagen und Modellierungsprogramme. Die Anwendung spezieller Sensorik im Bereich der Fernerkundung und projektspezifischen Kartierungen ist hierbei essenziell (s. Poster P6 und P7). Die Hinweise des AK 2.9.5 zu innovativen Erfassungsmethoden und Methoden der Umweltplanung im Straßenbau (HITS) liefern hierzu zahlreiche Anwendungsbeispiele, dargestellt in Steckbriefen (Gesamtdokument auf https://www.fgsv.de/services/downloads, Einzelsteckbriefe auf LS MV, https://www.strassen-mv.de/de/umweltschutz/regelwerke/.

Tabelle 1: Übersichtstabelle Steckbriefe zu Erfassungsmethoden (aus HITS 2024)

Die in den HITS dargestellten Erfassungsmethoden werden bei der zurzeit laufenden Überarbeitung des HVA-F-StB (Federführung: Klaus Albrecht, ANUVA) berücksichtigt. Besondere Potenziale für zukünftige Anwendungen bieten hier beispielsweise die Erfassungsmethoden der E-DNA (Environmental DNA)-Analytik.

Nachfolgende Beispiele aus einem zurzeit laufenden Straßenbauprojekt verdeutlichen den Quantensprung, der mit innovativer Erfassungstechnologie möglich wird.

Im Rahmen der Datenerhebungen aktueller Straßenbauprojekte erfolgt in der Regel die Bestandsaufnahme mittels terrestrischer oder drohnengestützter Laserscantechnologie. Dies ermöglicht die Erstellung eines DGM (digitales Geländemodell) und eines digitalen Zwillings der Landschaft als Grundlage für die im BIM / LIM verwendeten IFC-Formate¹⁾.

¹⁾ Ein zentrales Ziel in BIM-Prozessen ist die Zusammenführung der Fachmodelle unterschiedlicher Gewerke im sogenannten Koordinationsmodell. Um dabei „Open BIM“ zu ermöglichen, werden offene Datenformate vorausgesetzt. Als Standardaustauschformat wird das IFC-Format verwendet.

Bild 1: Laserscanflug aus dem Projekt Autobahnzubringer A 14 Schwerin Süd
(Auszug aus Fachfilm „Alleenplanung im Wald mit LIM", VP-8)

Basierend auf diesem digitalen Abbild des vorhandenen Waldbestandes ist eine Aufnahme von artenschutzrechtlich relevanten Habitatstrukturen in den Waldbäumen mittels terrestrischem Laserscanning mit RTK-Technologie Real Time Kinematic²⁾ (Echtzeitkinematik) möglich. Dies ermöglicht im Rahmen der Artenschutzkartierung eine Orientierung in der digitalisierten Waldumgebung und Erhebung, Verortung und (Foto)Dokumentation der Baumhöhlen und sonstigen Habitatstrukturen an den Bäumen in einem interaktiven Kataster als Planungsgrundlage für den Artenschutzbericht.

Bild 2: Erfassung von Habitatstrukturen in einem Waldgebiet mittels RTK-Rover

²⁾Echtzeitkinematik (englisch Real Time Kinematic, RTK) ist eine Technik zur Erhöhung der Genauigkeit von GNSS-Positionen mithilfe einer festen Basisstation, die Korrekturdaten an einen sich bewegenden Empfänger sendet.

4 Einzelne Anwendungsfälle/Projektbeispiele

Die Vorstellung einzelner Anwendungsfälle beschränkt sich im vorliegenden Betrag auf wenige Beispiele. Im Rahmen des Vortrages / der PowerPoint-Präsentation werden diese ausführlich vorgestellt. Zudem enthalten die auf der Landschaftstagung präsentierten Poster und Videopräsentationen weiterführende Informationen.

Bäume/Vegetation als LIM-Objekte

Im Rahmen des Projektes Autobahnzubringer A 14 Schwerin Süd konnten aus der Punktwolke des Laserscannings die einzelnen Bäume und Vegetationsstrukturen in digitale LIM-Objekte umgewandelt werden. Das Bild 3 zeigt die geplante Straßentrasse mit den vorhandenen Waldbäumen, die mittels LIM-Auswertung in eine Excel-Tabelle mit relevanten Parametern der Bäume wie Standortkoordinaten, Stammumfang, Kronenvolumen usw. überführt wurden.

Bild 3: Bäume und Vegetationsstrukturen als LIM-Objekte auf der gepl. Straßentrasse

Aus diesen Daten lassen sich ein Fäll-LV sowie die Eingangsparameter für die Berechnung von Ökosystemleistungen der Baum-/Vegetationsverluste mit dem Programm-Modul Green4BIM ermitteln (Forschungsprojekt der Hochschule Neubrandenburg und Laubwerk, München).

Bild 4: Habitat-/Hopover-Bäume als LIM-Objekte

In einem weiteren Auswertungsschritt (s. Bild 4) können die Bäume auf der Straßentrasse virtuell entfernt werden und Bäume mit wichtiger ökologischer Funktion (Habitatbäume, Hopover-Bäume) herausgefiltert und dreidimensional dargestellt werden, wobei deren raumstrukturelle Funktion in der Planung berücksichtigt werden kann. Diese können auf dieser Basis als zu erhaltende Bäume in den LBP übernommen werden.

Bild 5: Übersicht Ermittlung von Ökosystemleistungen von Bäumen mit Green4BIM

Die ermittelten LIM-Objekte (aus Bild 3) können mit ihren Raumkubatur- und artspezifischen Daten (näherungsweise Unterscheidung von Laub- und Nadelbäumen) in das Programm Green4BIM eingespeist werden und Ökosystemleistungsparameter wie z. B. Schadstofffilterleistung, Wasserspeicherkapazität, Evapotranspiration und Kohlenstoffspeicherung errechnet werden. Diese Verluste von Ökosystemleistungen können den Positiveffekten von Baum- und Alleepflanzungen gegenübergestellt werden.

Komplexe Planungsbeispiele mit LIM zeigen die Videopräsentationen (V-P8 „Alleeplanung mit LIM“, vgl. Poster P12 und V-P9, „Moorrenaturierungsplanung mit LIM“, vgl. Poster P 13). Im Vortrag und der Langfassung sind zahlreiche weitere aktuelle Anwendungen enthalten.

Nach den bisherigen Recherchen des AK 2.9.10 ist es empfehlenswert, die LIM-gestützte Planung nicht nur für das unmittelbare Trassenumfeld und dort relevante Vermeidungs- und Minderungsmaßnahmen (z. B. Hop-over-Strukturen) und CEF-Maßnahmen einzusetzen, sondern diesen Planungsansatz auch auf trassenferne Artenschutz- und Kompensationsmaßnahmen zu übertragen. Dies bedeutet in der Regel eine digitale Erfassung des entsprechenden Landschaftspatches mittels der im Abschnitt 4 vorgestellten Laserscantechnologie als Planungsgrundlage.

Wichtig ist zudem der nachfolgend erläuterte Übergang von der digitalen Projektebene auf den digitalen Betriebsdienst (Beispiel Poster P7 für Entwässerungsanlagen).

5 Übergang zum Landschaftsbau (ELA)/Unterhaltung/ Betriebsdienst (RRB), Baumkataster

Auf Basis der Datengrundlage des Digitalen Planungsmodells lassen sich auch für die Ausführung des Vorhabens und den weiteren Lebenszyklus einer Straße und der ihr zugehörigen Kompensationsmaßnahmen nützliche Informationen festhalten. So kann beispielsweise der zeitliche Ablauf der Maßnahmenumsetzung (insbesondere CEF-Maßnahmen mit zeitlichem Vorlauf) in den Gesamtbauablauf integriert werden.

Nach Fertigstellung des Vorhabens können für die betriebliche Unterhaltung wichtige Informationen zu den Kompensationsmaßnahmen in das Unterhaltungsmanagement integriert werden.

Hierzu gehören beispielsweise:

• zum Erhalt der Kompensationsmaßnahme erforderliche Pflegemaßnahmen, deren zeitliche Notwendigkeit, gegebenenfalls die Übertragung der Verantwortlichkeit an Dritte, sowie die Dokumentation der Durchführung,
• artenschutzrechtliche Erforderlichkeit von Maßnahmen, beispielsweise Leitstrukturen, Nistkästen sowie für diese erforderliche Kontrollen und Pflegehinweise,
• als Vermeidungsmaßnahme umgesetzte Amphibienschutzanlagen und sonstige Querungshilfen (z. Grünbrücken) – diese können in Digitalmodellen wie im Abschnitt 4 beschrieben (z. B. As-Built-Modell) genau verortet und mit den entsprechend erforderlichen Pflege- und Kontrollmaßnahmen attribuiert werden.

Nicht zuletzt kann durch die Erstellung und Pflege eines Baumkatasters, in das alle relevanten Informationen zu Straßenbäumen (Art, Alter, Zustand, letzte Kontrolle, nächste erforderliche Kontrolle etc.) aufgenommen werden, die Sicherstellung der Verkehrssicherheit im Rahmen der betrieblichen Unterhaltung vereinfacht werden. Ein solches auf digitaler On-site-Erfassung basierendes Alleebaumkataster ist in der Straßenbauverwaltung MV seit Jahren erfolgreich etabliert und stellt neben der Gewährleistung des Unterhaltungsmanagements ein wichtiges Instrument für die Alleen- und Landschaftsplanung in M-V dar.

In naher Zukunft ist eine Erweiterung auf Habitatstrukturen an Bäumen geplant und stellt insofern eine fachinhaltliche Verknüpfung zu der im Abschnitt 4 vorgestellten projektspezifischen RTK-gestützten Erfassungsmethodik dar (vgl. Bild 2).

Bild 6: Digitale On-Site-Erfassung mit Handhelds für das Alleebaumkataster der SBV MV

6 Zusammenfassung zur Zukunft der Umweltplanung mit BIM/LIM

Der technische Straßenbau nutzt die BIM-Technologie und -modellierung in Planung, Bau, Bauüberwachung in zunehmendem Maße, wobei in naher Zukunft eine vollständige Umstellung erfolgen wird. Insofern ist die Umweltplanung/der Landschaftsbau mit BIM/LIM alternativlos. Hierfür sind insbesondere folgende oben erläuterten Planungselemente und -instrumente erforderlich:

• digitale On-Site-Erfassung/Speisung BIM / LIM-Planung (LBP, LAP),
• Erstellung digitaler Zwillinge/Punktwolken des Planungsraums / Areal für LPM,
• Nutzung standardisierter Objektklassenkataloge,
• 3D/4D Ausführungsmodelle in BIM/LIM (v. auch für trassenferne Ersatzmaßnahmen/ LPM),
• Baustellenführung/Bauüberwachung mit digitalen Instrumenten auf Basis von BIM/LIM-Modell (u. a. digital gestütztes ökologisches Wassermanagement).

Der AK 2.9.10 wird über die FGSV in Kürze die HÖPL „Hinweise für ökologische Prozesse im LIM“ (Wissensdokument W1) publizieren, um weiterführende Fachhinweise für die Planungspraxis zu geben. Weiterhin ist vorgesehen, dass die R LBP und die R UVP Merkblätter für die Planung mit LIM erhalten.

Es wird empfohlen, bei den laufenden und zukünftigen Projektbearbeitungen eine konsequente Weiterentwicklung der Prozessmodelle im Landscape Information Modeling (LIM) vorzunehmen und diese in die FGSV-Gremienarbeit einzuspeisen und zu publizieren.

Abschließend bleibt festzuhalten, dass die KI-gestützte Planung mit BIM/LIM nur Hilfsmittel darstellen und der entscheidende Faktor in der Umweltplanung auch zukünftig in der HI (= Human Intelligence) liegen wird.

Literaturverzeichnis

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) (2024): Hinweise zu innovativen Technologien und Methoden der Umweltplanung im Straßenbau (HITS), Ausgabe 2024, Köln (FGSV 248/3)

Landesamt für Straßenbau und Verkehr M-V (LS MV) (2025): Handbuch Technische Sonderlösungen für Landschaftspflegerische Maßnahmen MV (HTSL MV), in Vorbereitung, Rostock