Integrierter Zugriff auf Zeitreihen und räumlichen Daten über WebGIS

Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Geographie
Lehrstuhl für Geoinformatik, Geohydrologie und Modellierung
Integrierter Zugriff auf
Zeitreihen und räumlichen
Daten über WebGIS
Carsten Busch
Lehrstuhl Geoinformatik
FSU Jena
Inhalt
• Typische Projektanforderungen in der
Geoinformatik
• Komponenten eines WebGIS
• Realisierungsmöglichkeiten
• Open Source Software und GIS
• Gemeinsame Verwaltung von Metadaten, GIS
Daten, Zeitreihen
• Implementierung am Beispiel des River Basin
Information Systems
Lehrstuhl Geoinformatik
• Fernerkundung
• Geographische
Informationssysteme
• Systemanalyse und
Modellierung
• Informatik
– Datenbanksysteme
– EntscheidungsUnterstützungsSysteme
Projekt IWMI CP
• Challenge Program Water and Food
• River Basin Information System des International Water Management
Institute (IWMI) Colombo
• Fragestellung:
– Unter welchen Bedingungen lässt sich die Lebensmittelproduktion bei
gleichem Wasserverbrauch steigern?
Projekt TISZA
• Theiß (Tisza) River Information System
–
–
Zyanid/Schwermetall Verunreinigung der Goldmine Aurul bei Baja Mare (Rumänien) im
Jahr 2000, 160000km²
www.tiszariver.com
• Fragestellung:
–
Wie kann bei vergleichbaren Unfällen eine ähnliche Umweltkatastrophe verhindert
werden? -Handlungsanweisungen-
SVG TLUG
• Darstellung und Suche aller FFH Gebiete Thüringens
• Informationspflichten gegenüber der EU und den
Bürgern
• Fragestellung:
– Jeder Mitgliedstaat muss Gebiete benennen, erhalten und ggf.
entwickeln, die für gefährdete Lebensräume und Arten wichtig
sind.
Projektanforderungen
• Aufbereiten von Daten
–
–
Desktop GIS (GIS-Analysen wie Hangneigung,
Landnutzungsklassifikation,..)
Evaluierung von Zeitreihen, räumliche Zuordnung,
Parameterableitung
• Modellierung
–
–
Zusammenstellung von Parametersätzen und Zeitreihen
Validierung/Kalibirierung, Vorhersage: “What if?“
• Visualisierung der Daten
–
–
–
–
Anwendungsspezifische Karten mit Möglichkeiten der
Interaktion
Zugriff über Internet/Extranet/Intranet
Verknüpfung mit Sachdaten, Dokumenten
Unterschiedliche Koordinatensysteme und GISe
Räumliche Auskunftssysteme
• Was sind die „potentiellen“ Anwendungen für
Geodatenbanken/Kartenserver?
– Es existiert eine Vielzahl von digitalen Daten mit
Verortung aber nur wenige Personen wissen etwas davon:
• Unterschiedliche Projekte
• Verschiedene Koordinatensysteme und Formate
• Unterschiedliche Inhalte (Zeitreihen, Landnutzung, geologische
Karten,..)
• Unterschiedliche installierte Software Programme zur
Verarbeitung der Daten
• Ziel: Auskunftssystem für Alle. = WebGIS für Alle
– Datenbank
– Raumbezug
– Kartenserver
Datenhaltung in Projekten
• Georelationale Datenbank(en)
– Metadaten zum Projekt (kein Standard) und Metadaten
für Kartenwerke (nach ISO 19115)
– Parametersätze zur Modellierung
– Zeitreihen
– Vektordaten
– Kartenbeschreibungen
– Workflow-/Nutzerdaten
• Dateiebene
– Rasterdaten (kein 10i GeoRaster)
– Georeferenzierte Dokumente (Word, Bilder, …)
– Freie Dokumente (Word, Bilder, …)
ArcGIS
Geomedia
Erdas
Grass
…
(Web)GIS Architektur
Schnittstellen/Dienste
Geotiff
ECW
SRID
WMS
…
raster/grid data
Shape
DXF
Geo-SQL
DGN
…
vector data
Open GeoSpatial SQL (Geo-SQL)
Web Map Service (WMS)
Web Feature Service (WFS)
Web Coverage Service (WCS)
Desktop GIS
I-Explorer
gdlib, tiff, png,…
PostgreSQL
GEOS, GDAL
Apache
PostGIS
Mapserver
PHP
…
Unix/Linux
Windows XP + Cygwin
GIS Database Management Server
Mozilla
Firefox
Opera
…
WebGIS
Tourist Info
GPS NAV
Env. Info
City Maps
…
CD-based-Information
Vorteile einer WebGIS Architektur
• kontrollierter, gemeinsamer Datenzugriff, keine
Systemwechsel bei lokalen oder WWW-Anwendungen
• Zentrale (Vektor) GIS Funktionen in der Datenbank
– Abfrage der Daten nach Attributwerten und der Lage im Raum,
räumliche Prädikate und Funktionen
• Nutzung etablierter DB Mechanismen
– Backup und Recovery, Versionierung von Datensätzen,
Transaktionskonzept
• aber, oft hohe Kosten
– Oracle+SpatialSQL Ext.: prozessorbasiertes Lizenzmodell
– ESRI SDE und IMS, prozessorbasiertes Lizenzmodell
• Oftmals Mehrfachinstallation aufgrund geringer
Netzbandbreiten nötig (Replikation des Datenbestandes)
Interoperabilität
Standards und Normen im GIS Bereich
• Datenbankebene: OpenGeospatia Simple
Feature Definition for SQL (Spatial SQL)
• Visualisierung: OpenGeospatial Web Map
Service (WMS)
• Datenzugriff (Vektor): OpenGeospatial Web
Feature Service (WFS)
• Datenzugriff (Raster): OpenGeospatial Web
Coverage Service (WCS)
• Datenaustausch: OpenGeospatial Geography
Markup Language (GML)
• Datenpräsentation: OpenGeospatial Styled
Layer Descriptor (SLD)
• Metadaten: ISO Metadata Standard (TC211 DIS
19115)
Interoperabilität Beispiel WMS
Web Browser
Kombination unterschiedlicher
Kartenebenen zu einer neuen Karte
Web Server
WMS Interface
WMS Interface
UMN MapServer
ArcIMS
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Beispiel kaskadierender WMS Dienst
Web Browser
WMS Server mit Clientfunktionalität.
Web Server
GetMap request
WMS Interface
UMN MapServer
Data
Data
WMS
WMS Interface
GetMap
request
ArcIMS
Data
Data
Data
WebGIS mit proprietärer Software
• Vorteile:
– Umfangreicher Support (Hotline)
– Sehr gut dokumentiert, Mehrsprachigkeit
– Existenz von Wizards
• Nachteile:
–
–
–
–
Begrenztes Projektbudget
Restriktive Lizenzmodelle
Lokale Installationen bedingen lokale Lizenzen
Weiterbetrieb nach Projektende
WebGIS mit Open Source Software - Vorteile
•
•
•
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•
•
•
•
•
Analysierbarkeit des Quellcodes
Bedarfsorientierte Funktionalität
Erweiterbarkeit der Software
Beständigkeit und Investitionssicherheit
Unabhängigkeit vom Hersteller
Offene Standards – Kompatibilität
Einsatz in heterogenen Systemlandschaften
Sicherheit, Qualität und Stabilität der Software
Weiterbetrieb nach Projektende
WebGIS mit Open Source Software - Nachteile
•
•
•
•
•
•
Mangel an geeigneten/ausgereiften Produkten
Mangelnde Hardwareunterstützung bei neuer Hardware
Keine Herstellergarantie – keine Produkthaftung
Keine Entwicklungsgarantie
Problem bei Dokumentation und Leitfäden
Höhere Anforderungen an Systemadministration und
Anwender
• Schulungsaufwand
• Höhere Anforderungen an Systemadministration und
Anwender
• Oftmals Benutzerschnittstellen auf Kommandozeilenebene
OSS im GIS Umfeld, typische Anwendungen
• Desktop GIS (Erfassung, Analyse, Bearbeitung von Daten)
– Grass, JGrass, Jump, Terra View, OpenEV
• (Geo-)Datenhaltung
– PostgreSQL/PostGIS, MySQL
• Visualisierung
– GIS Viewer (Visualisierung, Karten-Suchfunktionen,
Sachdateneditierung, Projektionsverwaltung)
• QGIS (Quantum GIS), Thuban
– Kartenserver (Visualisierung, Karten-Suchfunktionen,
Sachdatenabfrage)
• UMN Mapserver, Chameleon
WebGIS auf der Basis von Open Source Software (OSS)
• Datenbank: PostgreSQL, relationale DB,
Transaktionskonzept, DB-Prozeduren,…
• GIS Aufsatz: PostGIS, Erweiterung von
PostgreSQL um GIS Datentypen und Funktionen
– Geometry, GeometryCollection, Point, MultiLine,
Polygon, ...
– Contains, ConvexHull, Cross, ...
• Visualisierung im WWW: UMN Mapserver,
Kartenserver für GIS Daten (Shape, PostGIS, Oracle
Spatial, verschiedene Rasterformate)
OSS Geodatenhaltung, Charakteristik + Potenziale
• Charakteristik
– Einfache Installation unter Windows/Linux
– Sehr Leistungsfähig, Unterstützung durch
Administrations- und Modellierungswerkzeugen (z.B.
DataArchitect)
– Keine Unterstützung durch Desktop GIS (z.B.
ArcGIS/ArcView)
– Kommandozeilenbasierte Schnittstellen (PostGIS)
– PostGIS nur unter PostgreSQL lauffähig
– Keine Rasterdatenunterstützung
• Potenzial
– Ideal für Anwendungen mit zentraler Geodatenbank ohne
Berücksichtigung bestehender DB-Systeme
OSS Kartenserver Charakteristik/Potenziale
• Charakteristik
– Hohe Leistung mit Vektordaten und Rasterdaten, stabil
– Verwendung der Basis OSS Module unproduktiv, sehr
aufwändige Installation
– Anpassung an Projekt und Workflow notwendig
• Potenziale:
– Als Basistechnologie für alle Auskunftssysteme im 2D (3D)
Bereich verwendbar (Fast alle Informationen sind
verortet.)
– Durch Einführung neuer Technologien (z.B. Ajax)
Übernahme von Funktionen der Desktop GIS Viewer,
Desktop GIS Systeme
Verwaltung von Zeitreihen
• Unabhängig von Vektordaten (GIS-Layern)
• Verteilte Speicherung der Zeitreihendaten
– Datenbank für
• Metadaten (nach erweitertem ISO 19115)
• Strukturbeschreibung
• Räumliche Verknüpfung zu Vektordaten (Replikat)
– Datenbank(en) für
• „eigentliche“ Daten
• Zugriff über Metadaten oder
Kartenapplikation
Räumliche Verknüpfung
• Unabhängige Module in unterschiedlichen
Datenbanken
– Metadaten-, Zeitreihen- und Kartenapplikation
• Verknüpfung über Funktionen der Webapplikation
– Layerbezogen oder
– Zuordnung zu geometrischem Element
• Keine Datenbanklinks implementiert
– Keine Transaktionssicherheit
– Änderungen der Verknüpfung über
Sessionmanagement/Cookies
Tisza River Information System (TRIS)
• Von der EU im fünften Rahmenprogramm gefördertes Projekt
• 11 Partner (Ungarn, Rumänien, Slowakei, Österreich, England, Belgien,
Deutschland)
• Projektende Dezember 2004
• Ziel: Handlungsanweisungen für Störfälle definieren, nachhaltige
Wassernutzung sichern
• Gemeinsame Kommunikations- und Wissensplattform
• Vorgehen: Nutzung von Standards zur Ergebnisdokumentation und –
validierung, unterschiedliche Modellergebnisse
– ISO 191*, insbesondere Metadatenstandard für geographische Kartenwerke
– OGC SFD-SQL, WMS
– Datenbank-, Karten- und Ergebnisverwaltung über Web
• Einschränkung: teilweise beschränkter Internetzugang
• Lösung: Aufbau paralleler lokaler Intranet-Server mit den Endergebnissen
Technologischer Ansatz
• Open Source Produkte
– UMN Mapserver, PostGIS, PostgreSQL, GEOS, Apache, gdal, ECW SDK,
…
– Linux Systeme (Redhat, Suse)
• Erfahrungen
– Installation einer funktionierenden Umgebung, einschließlich
erforderlicher Module sehr aufwendig, viele
Kommandozeilenwerkzeuge, Shell-Skripte, Transparenz
– Für das Projekt nicht verwendbar, Skepsis der Partner!
– Aber: sehr leistungsfähig und erweiterbar
• Einfügen/Indizieren von 80000 Geometrien in PostGIS 20 Sekunden
• Unterstützung verschiedenster Vektor und Rasterdaten
Systemverwaltung der OSS Module
• Graphische / Kommandozeilenschnittstelle
• Automatische Installation der
zusammengestellten/getesteten Module
• Verbergen von „configure, make und install“
• Server haben nachvollziehbaren Status,
Speicherung aller log-Informationen
• Fernwartung der Server
Schnittstelle Geodaten-/Kartenserver
• Graphische Schnittstelle für den Export/Import von
ESRI-Daten nach PostGIS
• Graphische Schnittstelle für das Editieren der „map
– files“ des UMN, Extent-, Datenebenenverwaltung
• Nutzerverwaltung auf „Layer/Map/Workflow
Ebene“
• Sprachverwaltung
• Ergebnisverknüpfung (beliebiges Dokument an
geometrische Objekte) über Web
Geplante Erweiterungen RBIS
• Integration aktueller Web-Technologien
(Ajax)
• Erweiterungen für die
Rasterdatenverarbeitung (Kopplung an
GRASS)
• Weitere Kopplung an JAMS
(Flusseinzugsgebietsmodellierungssystem)
• Integration von Parallelisierungsmodellen in
RBIS/JAMS