Die Abbildung der geografischen Realität im

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UNIGIS Modul “OpenGIS® und verteilte Geoinformationsverarbeitung”
Lektion 8: Die Abbildung der geografischen Realität im Computermodell
Autor: Dr. Martin Huber
Lektion 8: Die Abbildung der geografischen
Realität im Computermodell
1.
Ziele
Ein wichtiger Bestandteil eines Interoperabilitätsstandards ist die Beschreibung
der ausgetauschten Objekte. Alle am Austausch Beteiligten müssen genau
verstehen, welche Information mit welcher Bedeutung geschickt und empfangen
wird. In den OpenGIS®-Standards geht es um den Austausch von
geografischen Objekten. Es wurden dazu verschiedene Datenmodellierungsund Strukturierungsmethoden erarbeitet, welche alle auf einer gemeinsamen
abstrakten Definition von geografischen Objekten aufbauen. Am Ende dieser
Lektion wissen Sie, wie geografische Phänomene im OpenGIS®-Umfeld für den
Austausch über Schnittstellen modelliert werden.
2.
Der Begriff „Feature“
In der Datenbankmodellierung ist das Entity-Relationship-Modell (ER) weit
verbreitet. Das Entity-Relationship-Modell definiert Entitäten, Beziehungen und
Attribute als Basiskonstrukte für die Modellierung. Für die physische
Implementierung auf einem Datenbankmanagementsystem (DBMS) wird ein ERDiagramm auf das relationale Modell abgebildet. Die Grundelemente der
relationalen Modellierung sind Tabellen und Attribute. Ein UMLKlassendiagramm (UML: Unified Modeling Language) wiederum besteht aus
Klassen, Attributen und Methoden sowie Assoziationen. Aus was besteht ein
„OpenGIS®-Diagramm“, wenn es so etwas überhaupt gibt?
Jede Spezifikation hat ihre Artefakte, mit denen ausgedrückt wird, um welche Art
von Objekten es geht, wie diese auszusehen haben, was damit gemacht werden
kann und wie alles zusammenhängt. Auch OpenGIS®-Standards benötigen
Modelle und Artefakte, um das auszudrücken, was ausgetauscht werden soll.
Um die Modellierung nach OpenGIS® zu verstehen, sind folgende
Überlegungen wichtig:
•
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GIS stellt den räumlich orientierten Wissenschaften eine Sprache bereit, in
der sie sich ausdrücken können. Wie mit der Kartografie werden mit geografischen Informationssystemen Fakten über den geografischen Raum gesammelt und dargestellt. Die umfassende Geografie der holistisch denkenden
„Welt-Beschreiber“ von der Größe eines Alexander von Humboldt ist bereits
im 19. Jahrhundert in spezialisierte Teildisziplinen auseinander gebrochen.
Jede Teildisziplin hat danach ihre eigene Sprache entwickelt. Neben den aus
der klassischen Geografie entstandenen Disziplinen entstanden zudem
„Raum gestaltende“, eher ingenieurorientierte Raumdisziplinen. Fügt man
alle Anforderungen der „Raum beschreibenden“ und der „Raum gestaltenden“ Raumdisziplinen zusammen, entsteht ein sehr breiter Anspruch an eine
gemeinsame Modellierungsmethodik. Daher erstaunt kaum, dass in der
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GIS-Technologie solch eine große Vielfalt an Methoden und Modellen
herrscht, die das OGC zu vereinheitlichen versucht. Als erster Schritt ist
schon viel erreicht, wenn durch die OpenGIS®-Spezifikationen die
strukturellen Aspekte der Modellierungssprache GIS, also die Worte und die
Syntax, vereinheitlicht werden können.
•
Die inhaltliche oder semantische Interoperabilität, d.h. dass alle Beteiligten
die ausgetauschten Fakten auch gleich verstehen, muss jede einzelne Raumdisziplin unter sich ausmachen. Das OGC hat hierfür den Begriff der Informationsgemeinschaften (Information Communities) geprägt. Informationsgemeinschaften sollen demnach unter Anwendung der Modellierungsmöglichkeiten der OpenGIS®-Spezifikationen ihre eigene Fachsprache definieren und standardisieren.
•
OpenGIS® ist ergänzend zu den Methoden und Standards der Informationsund Kommunikationstechnologie zu sehen. Es ergänzt diese um die geografische Komponente. Somit besteht nicht der Anspruch, Methodiken und
Sprachen wie UML (Unified Modelling Language), ER (Entity-RelationshipModellierung), SQL (Structured Query Language) oder XML (Extensible
Markup Language) zu ersetzen, sondern in all diesen „Modell-Welten“ die
nötige Prise Geografie dazu zu geben.
Diese Abgrenzung gegenüber der inhaltlich-semantischen Verantwortung der
Information Communities einerseits und gegenüber der IKT-Methodik andererseits, definiert für das OGC einen sehr engen Aufgabenbereich mit potentiell
sehr vielen heterogenen Schnittstellen zwischen Raumwissenschaften und
Informatik. Als abstrakter Kernbegriff an diesem Dreh- und Angelpunkt wurde
das „Feature“ definiert, quasi als gemeinsame Währung für die geografische
Modellierung.
„Feature“ ist ein schlechter Name für das, was damit gemeint ist. Ein Feature ist
zu Deutsch ein „unterscheidbarer Teil eines Ganzen“ oder eine „Eigenschaft
eines Ganzen“. Wie soll ein „georäumliches Objekt“ Teil oder Eigenschaft eines
Ganzen sein? Zur Klärung dieser Frage muss zuerst das „Ganze“ definiert werden. Nach den OpenGIS® Abstract Specification Topic 5 – Features
(http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=890) beschreiben die Features die so genannte Project World, den sich aus der Aufgabenstellung ergebenden Ausschnitt der Welt (oder des Universums), der durch die jeweilige Information Community festzulegen ist. Features sind Eigenschaften des gesamten untersuchten Raumes. Somit schälen sich die Features sozusagen aus dem „Brei“ der
vorerst unbenannten Phänomene der Raumbetrachtung heraus und kriegen Namen, Attribute und Lageeigenschaften. Hierzu die englische Originaldefinition
aus den abstrakten Spezifikationen, Topic 1, Feature Geometry, auch ISO
19107 (http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=1093)
A feature is an abstraction of a real world phenomenon; it is a geographic
feature if it is associated with a location relative to the Earth.
Diese Abstraktion erfolgt in der OpenGIS Begriffswelt in 9 Abstraktionsschritten
(s. Abbildung 1).
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Abbildung 1: Abstraktion der Features aus der “reellen Welt” (Quelle: OGC)
So unglücklich die Bezeichnung Feature auch gewählt wurde, eine bessere
deutsche Entsprechung des damit Gemeinten wurde bisher auch nicht gefunden.
Zu stark ist die Gefahr, irgendeinem vorbelegten Begriff an irgendeiner Schnittstelle zu nahe zu kommen. Es ist ja entscheidend, in diesem Zwischenbereich
zwischen Raumwissenschaften und IKT weder die Bezeichnungen der einen noch
der anderen Disziplin zu verwenden, damit es nicht Verwirrungen in der Begriffswelt gibt. Z.B. ist der oben verwendete Ausdruck „georäumliches Objekt“ zu
nahe an der objektorientierten Modellierung und würde damit die anderen
Modellierer z.B. im Entity Relationship-Bereich verwirren und so nicht dieses
neutrale „Geo-Ding“ repräsentieren, das wir auf abstrakter Ebene brauchen. Es
ist wohl das Beste, mit diesem in direkter Übersetzung unbrauchbaren
englischen Wort „Feature“ auch im Deutschen zu leben.
Das Feature-Konzept bildet das Kernstück der OGC Standardisierung und legt
fest, wie geografische Phänomene modelliert werden sollen, so dass sie
zwischen verschiedenen Anwendungssystemen ausgetauscht werden können.
3.
Feature Modellierung
Das Open Geospatial Consortium hat ein umfangreiches Werk an abstrakten
Spezifikationen verfasst, das die GIS-Begriffswelt ordnet und systemunabhängige
Konzepte beschreibt. Die Originaltexte aller abstrakten Spezifikationen finden
sich unter http://www.opengeospatial.org/standards/as. Die OpenGIS®
Abstract Specification – Topic 1: Feature Geometry, die gleichzeitig auch eine
ISO-Spezifikation ist (ISO 19107 Spatial Schema), definiert Geometrietypen und
Topologie. Sie bietet keinen einfachen Einstieg in die Materie, denn die Beschreibungen sind – wie nicht anders zu erwarten – abstrakt und weit weg von
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der Erfahrungswelt eines gewöhnlichen GIS-Anwenders. Ziel ist, eine anerkannte
Basis zu schaffen bezüglich dessen, was eine Geometrie ist. So sollen dank den
Beschreibungen in dieser Spezifikation alle, die von einem Punkt, einem
Streckenzug oder einer Bézier-Kurve sprechen, das gleiche darunter verstehen.
Gleiches gilt für die topologischen Beziehungen. Was ist die „Hülle“ eines
geometrischen Objekts, was der „Inhalt“? Wann ist ein Objekt „innerhalb“ eines
anderen oder wann gilt ein Objekt als mit einem anderen „verbunden“?
Diese Spezifikation hilft vor allem dem Software-Entwickler, der vor der Frage
steht, wie er seine geometrischen Objekte repräsentieren soll. Auf die Frage, wie
nun konkret ein Linienzug modelliert wird, gibt es folgende Antwort:
„6.4.10 GM_LineString
6.4.10.1 Semantics
A GM_LineString [...] consists of sequence of line segments, each having a
parameterization like the one for GM_LineSegment (See 6.4.11). The class
essentially combines a Sequence<GM_LineSegments> into a single object, with
the obvious savings of storage space.
6.4.10.2 controlPoint
The controlPoints of a GM_LineString are a sequence of positions between which
the curve is linearly interpolated. The first position in the sequence is the
startPoint of the GM_LineString, and the last point in the sequence is the
endPoint of the GM_LineString.“
Die OpenGIS® Abstract Specification – Topic 5: Features
(http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=890) legt Konzepte und
Sprachumfang dessen fest, was im Sinne von OGC als georäumliche Information gilt und über Interoperabilitätsschnittstellen ausgetauscht werden kann.
Der Standard liefert ein Modell eines Features und hält fest, wie dieses zu beschreiben ist. Wie bereits besprochen pflegen die verschiedenen Information
Communities (s. Topic 14: Semantics and Information Communities,
http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=902) ihre eigene Begriffswelt, was den Inhalt der geografischen Information anbetrifft (Information
Community Language). Die Feature-Modellierung ermöglicht die Definition
einer Information Community Language so, dass der Austausch von Sprachkonstrukten gewährleistet ist. Der Feature-Begriff liefert die Form, nicht den
Inhalt, die Syntax, nicht die Semantik. Wir befinden uns auf einer Meta-Ebene,
wo wir nicht die Objekte selber beschreiben, sondern die Beschreibung der
Objekte.
Welche Konstrukte stehen zur Verfügung?
Wir bewegen uns grundsätzlich in der Projektwelt (Project World), dem, was für
eine Information Community relevant ist. Außerhalb existiert nichts, und das, was
innerhalb liegt, wird mit den folgenden 9 Konstrukten beschrieben.
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•
Feature Instance: Grundeinheit zur Definition der Projektwelt, die konkrete,
explizite Beschreibung des interessierenden georäumlichen Phänomens.
•
Feature Type: Kategorie von Feature Instanzen, strukturelles Muster für
Feature Instanzen.
•
Geometry: Zeichnung der geometrischen Ausprägung einer Feature Instanz
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mittels Geometrie-Primitiven (OpenGIS® Well-Known-Types).
•
Corner: Stützpunkt der Geometrie einer Feature Instanz.
•
Geometry Schema: Die Regeln, um die Geometry einer Feature Instanz aus
den Corners zu formen (z.B. Definition, dass und wie aus den Stützpunkten
eine Linie zu formen ist).
•
Spatial Reference System: Bezugssystem, das für alle Corners in einer
Projektwelt eine Beschreibung der georäumlichen Lage ermöglicht.
•
Attribute-Value Pair: Konstrukt zur abstrakten Beschreibung der Eigenschaften eines Features im Gegensatz zu einer natürlichsprachlichen
Beschreibung. Attribute-Value Pairs geben Grammatik und Vokabular für die
Beschreibung der nicht-räumlichen Eigenschaften vor. Jedes Attribut hat
einen eindeutigen Namen und nimmt nur Werte eines für dieses Attribut
bestimmten Wertebereichs (Domain) an.
•
Attribute Schema und Feature Schema: Alle für eine Projektwelt anerkannten
Feature Typen mit ihren Attribut-/Werte-Paaren bilden das Attribute Schema.
Das Attribute Schema zusammen mit dem Geometry Schema bilden das
Feature Schema der Projektwelt. Das Schema muss sehr formal festgelegt
werden, so dass alle Beteiligten die zu beschreibenden Phänomene gleich
interpretieren. Alle verwendeten Begriffe müssen in einem Project Dictionary
beschrieben werden, so dass keine Unklarheiten bezüglich der Bedeutung
(Semantik) eines Attribut/Werte-Paares entstehen können.
•
Project Schema: Formalisierte Meta-Informationen über eine Sammlung von
Features (Feature Collection), insbesondere eine Kurzbeschreibung der
Feature Collection für eine Volltextsuche, die semantische Beschreibung der
Feature Typen und ihrer Eigenschaften, der Projektmethodik inkl. Qualitätskriterien sowie des beabsichtigten Verwendungszwecks.
Die nachfolgende Abbildung stellt den Zusammenhang der erlaubten Sprachkonstrukte für die Beschreibung einer Sammlung von Features (Feature
Collection) dar.
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Abbildung 2: Konstrukte zur Modellierung von Features (Quelle OGC).
Es handelt sich hier um eine abstrakte Definition aller erlaubten Sprachelemente
für die Beschreibung von Sachverhalten der Projektwelt. Für die konkrete Implementierung gibt es mehrere Implementierungsspezifikationen, die zu unterschiedlichen Zeiten entstanden sind, worunter die Konsistenz des gesamten Gebildes, das ursprünglich für die Paketierung von Datenaustausch gedacht war,
bisweilen gelitten hat.
4.
Was ist ein Feature in einer Datenbank?
Grundsätzlich interessiert die Abspeicherung in einer Datenbank in einem
Interoperabilitätsstandard nicht, geht es doch einzig darum festzulegen, wie
Features systemunabhängig beschrieben und strukturiert werden, so dass sie
zwischen Systemen ausgetauscht werden können. Und auch die datenbanknahen OpenGIS® Simple Features for SQL Spezifikationen sagen nichts über
die Abspeicherung, sondern nur über die Form des Austauschs von geografischen Objekten. Was im Austausch mit der Datenbank aber wichtig ist, ist die
Form, wie Features in die Datenbank eingegeben und daraus wieder
herausgeholt werden. Genau das spezifiziert dieser Standard im Zusammenspiel
mit SQL. Den OpenGIS® Simple Features Implementierungsstandard gibt es für
drei Technologien: SQL, OLE/DB und CORBA. OLE/DB, die von Microsoft
entwickelte Objektschnittstellentechnologie für Datenbanken ist konzeptionell
sehr ähnlich der relationalen Datenbankkonzeption mit SQL, weshalb diese
Spezifikation hier nicht behandelt wird. Ebenfalls nicht behandelt wird CORBA
wegen der unbedeutenden Adoption durch die Industrie mit nur zwei
Implementierungen in den letzten acht Jahren. Zur Vereinheitlichung dieser drei
ältesten OpenGIS® Implementierungsspezifikationen wurde 2005 der
allgemeine Teil neu als „Simple Feature Access – Common Architecture“
herausgegeben (http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=18241) und
gleichzeitig als ISO 19125 zu einem ISO-Standard gemacht. Die
technologische Umsetzung der Common Architecture ist bisher nur für SQL
erschienen (siehe http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=18242),
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was unseren Entscheid, die anderen hier wegzulassen, bekräftigt.
Ein Feature-Typ ist in der SQL-Umsetzung eine Tabelle mit keiner, einer oder
mehreren zugeordneten Geometrie(-Spalten). Die Attribute-Value-Pairs sind die
üblichen Tabellenspalten mit ihren Wertebereichen und den Werten in den
Feldern der Tabelle. Für die Repräsentation der Geometrie erlauben die Spezifikationen mehrere Modelle. So können die Geometrien mit einem der üblichen
SQL-Datentypen (z.B. VARCHAR) übergeben oder aber über die objekt-relationale Typerweiterung als eigener Datentyp bereitgestellt werden. Dieser zweite
Weg erlaubt die Tabellendefinition in folgender Form:
CREATE TABLE bruecke (
id
INTEGER,
name
VARCHAR(50),
lage
LINESTRING,
material
VARCHAR(25),
laenge
DECIMAL(12, 3))
Die konkreten Bezeichner der geometrischen Datentypen variieren leider zwischen den Produkten. Leider deshalb, weil zwei unterschiedliche Namen für das
Gleiche immer einen Mehraufwand bei der Implementierung von allgemeinen
Schnittstellen bedeutet. Zwar handelt es sich hier meist nur um ein Präfix, das
leicht automatisch ersetzt werden kann, wenn ein Schema für mehrere Produkte
bereitgestellt werden muss. Es gibt aber auch weit verbreitete Implementierungen, die völlig eigene Namen verwenden.
Die objekt-relationale Technologie erlaubt es, den SQL-Sprachumfang um
benutzerdefinierte Funktionen zu erweitern. Für die Extraktion von Geodaten aus
der Datenbank schreibt der Standard die Funktionen ASTEXT(Geometry) und
ASBINARY(Geometry) vor. Zum Erstellen von datenbank-internen Geometrien
dienen die Funktionen GEOMFROMTEXT(Text, SRID) und
GEOMETRYFROMWKB(Binary Object, SRID) sowie alle davon abgeleiteten
Funktionen für spezifische Geometrietypen. Es werden nur ganz einfache
Geometrien unterstützt, also nicht der gesamte Sprachumfang der in den
abstrakten Spezifikationen definierten Geometrietypen. Für alle diese Typen gibt
es Regeln, wie eine Instanz in Textform und in Binärform erstellt werden kann.
Weil alle Beteiligten diese Repräsentation kennen müssen, heißen sie WellKnown Text (WKT) und Well-Known Binary (WKB) und sind entsprechend präzise
dokumentiert.
Das Konzept des Spatial Reference System wird folgendermaßen umgesetzt:
Jede Geometrie-Spalte in einer Tabelle darf nur Geometrien in einem einzigen
Referenzsystem aufnehmen, alle anderen müssen entweder beim Einfügen
automatisch umprojiziert oder zurückgewiesen werden. Eine Geometrie ohne
Angabe des räumlichen Referenzsystems kann nicht interpretiert werden und ist
wertlos. Das Datenbanksystem hat die von ihm unterstützten Referenzsysteme zu
verwalten. Dafür sind in den Spezifikationen explizit Tabellen modelliert, die das
System bereitstellen muss.
Von den 9 Konzepten der abstrakten Feature Spezifikationen werden mit einer
guten Implementierung der SQL-Spezifikationen deren 8 unterstützt. Bisher nicht
definiert wurde der Bereich der Metadaten im Project Schema. Dieser Bereich ist
so umfangreich, dass er in eine eigene abstrakte Spezifikation ausgelagert
wurde. Die zugehörigen Implementationsspezifikationen sind noch nicht fertig
gestellt.
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Was ist ein Feature im Datenaustausch über Internet?
Wir wissen bereits, wie Datenbanken über eine SQL-Schnittstelle, respektive
ODBC und JDBC Daten mit ihren Clients austauschen. Diese Form des
Datenaustauschs wird aufgrund von Sicherheitsbedenken sehr ungern über das
öffentliche Internet abgewickelt. Generell hat sich im Internet der Austausch über
Textdateien in der eXtensible Markup Language (XML) durchgesetzt. Das Thema
XML und die XML-Sprache für die Geometrie GML werden in weiteren Lektionen
ausführlich behandelt. Hier soll nur ein erster Einblick gegeben werden, wie
Features für den Internet-Austausch modelliert werden.
XML ist eine Metasprache, d.h. eine Sprache, die definiert, wie man Sprachen
definieren soll. Die Kernaussage ist: "XML spricht man mit spitzer Zunge", d.h.
die strukturellen Elemente werden in spitzen Klammern eingeschlossen.
Grundsätzlich ist ein XML-Dokument ein Textdokument, das sogenannte
Elemente enthält, um den Inhalt zu strukturieren. Hier als Beispiel die
Beschreibung der Kappelbrücke in Luzern in GML (Geography Markup
Language):
<Bruecke gml:id=“Br1“>
<Name>Kappelbrücke</Name>
<Baujahr>1332</Baujahr>
<Laenge uom=“#m“>204</Laenge
<Material>Holz</Material>
<gml:centerLineOf>
<gml:LineString srsName=“#myRefSystem“>
<gml:posList>...</gml:posList>
</gml:LineString>
</gml:centerLineOf>
<Bruecke>
Damit gibt es genau eine Feature-Instanz, nämlich eine formale Beschreibung
dessen, was natürlichsprachlich etwa so ausgedrückt würde: Die Kappelbrücke
wurde 1332 aus Holz gebaut, hat eine Länge von 204m und liegt an der durch
folgende Koordinaten festgelegten Position: ...
<Name>Kappelbrücke</Name> ist ein Attribute-Value Pair, das Konstrukt um
<gml:centerLineOf> ist die Geometry und mit dem XML-Attribut
srsName=“#myRefSystem“ wird das Spatial Reference System modelliert.
Zudem gibt es auch ein GML-Schema, in dem die Struktur eines Features vom
Typ Brücke allgemein spezifiziert wird. Alles Weitere folgt wie erwähnt in den
nächsten Lektionen.
Wichtig ist zu sehen, dass aus der abstrakten Feature-Definition zwei recht
unterschiedliche Implementierungen für SQL, respektive für XML umgesetzt
wurden. Trotzdem können die gleichen Informationen verpackt werden. Dies ist
der erste Schritt zu einem Austausch, wo beide Seiten das Gleiche verstehen.
6.
Zusammenfassung
In dieser Lektion wurde der Begriff geografisches Feature als Grundeinheit der
geografischen Datenmodellierung eingeführt. Es wurde aufgezeigt, wie Features
modelliert werden, wie sie in einer Datenbank verwaltet werden und wie sie über
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Netzwerke ausgetauscht werden können.
Features sind die Objekte der georäumlichen Modellierung. Dieser Begriff steht
außerhalb der Begriffe der in der Informatik gebräuchlichen Modellierungsmethoden. Damit lässt er sich problemlos in unterschiedlichem Kontext, also
sowohl in der datenbankorientierten Entity-Relationship-Modellierung als auch in
der objekt-orientierten Modellierung mit UML, einsetzen. Ein Feature ist die
Grundeinheit der geografischen Information und spielt eine grundlegende Rolle
in den OpenGIS-Standards, sei dies als Modellierungseinheit, als
Abspeicherungseinheit oder als Austauscheinheit.
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