Standards für Geoinformationssysteme und Verortungsdienste des Open Geospatial Consortium (OGC)

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1 Standards für Geoinformationssysteme und Verortungsdienste des Open Geospatial Consortium (OGC) Eine Information der Geschäftsstelle GDI-Bayern Stand: März 2007

2 Inhalt Einleitung 3 Teil I Dienste in der Anwendungsphase 5 OGC Web Map Service (WMS) 5 OGC Web Feature Service (WFS) 6 OGC Web Coordinate Transformation Service (WCTS) 8 Teil II ausgewählte Dienste in der Entwicklungsphase 9 OGC Catalogue Service Web (CS-W) 9 OGC Web Coverage Service (WCS) 9 OGC Web Terrain Service (WTS) 9 OGC Web Pricing and Ordering Service (WPOS) 10 2

3 Einleitung Im Zeitalter der Globalisierung gewinnen digitale Daten und ihre Verarbeitung immer mehr an Gewicht. Schätzungen zufolge liegt in den nächsten zwei Jahrzehnten der Großteil des weltweiten Wissens in digitalen Informationssystemen vor. Bis zu achtzig Prozent dieser Datenbestände tragen einen Ortsbezug und qualifizieren sich somit als Geodaten. Meist erfolgt deren Vorhaltung lokal und in unterschiedlichen Systemen bzw. Formaten. Damit steht dieser Teil des gesellschaftlichen Gutes Wissen nur einem eingeschränkten Nutzerkreis zur Verfügung. Mit der Schaffung von Geodateninfrastrukturen (GDI) begegnen Politik und Verwaltung diesem Hemmnis. Aus der raschen Entwicklung und Verbreitung der Internettechnologie, welche die Vernetzung von Informationssystemen und damit die integrative, ebenen- und fachübergreifende Nutzung von Geodaten ermöglicht, folgen zudem neue wirtschaftlich nutzbare Informationspotenziale. Die Schaffung einer GDI zielt auf die bedarfsorientierte Verfügbarmachung von Informations(mehr)- werten. Hierfür entsteht die Notwendigkeit, neben der Erstellung und Speicherung der Geodatensätze u.a. auch eine Definition von standardisierten, die Interoperabilität fördernden Geodiensten bzw. Schnittstellen vorzunehmen sowie rechtliche und organisatorische Rahmenbedingungen zu schaffen. Die rechtlichen Grundlagen auf europäischer Ebene liegen mit der verbindlichen Fassung der INSPIRE-Richtlinie (INfrastructre for Spatial Information In Europe) und deren zeitnah folgender Umsetzung in nationales Recht vor. Mit der Verwirklichung der Gremienstrukturen IMAGI (Interministerieller Ausschuss für Geoinformationswesen zur Abstimmung im Bereich der Bundesministerien), GDI-DE (Abstimmungen zwischen Bund, Ländern und Kommunen) sowie der GDI der Länder schafft die Politik verknüpfte vertikale und horizontale Entscheidungsstränge. Als Grundlage für den Aufbau der Geodateninfrastruktur in Bayern gelten die maßgeblichen Ministerratsbeschlüsse der Jahre 2003 und 2004 sowie der gesetzliche Auftrag des Art. 12a VermKatG zum Aufbau der Integralen Geodatenbasis. Im Bereich der konzeptionellen und technischen Standardisierung treten im besonderen Maße die ISO - International Organization of Standardization mit ihren Pendants auf europäischer und nationaler Ebene (CEN - Comité Européen de Normalisation und DIN Deutsches Institut für Normung e.v.) aktiv auf, indem sie abgestimmte Normen und Empfehlungen für den Umgang mit Geoinformationen verabschieden. Weiterhin gründete sich mit einer Initiative aus der freien Wirtschaft das OGC - Open Geospatial Consortium, das derzeit mehr als 300 Mitglieder aus der Industrie, der öffentlichen Verwaltung und den Universitäten umfasst ( Diese gemeinnützige internationale Vereinigung auf freiwilliger Basis treibt vor allem die Standardisierungen im Bereich der Interaktion von Geoinformationssystemen (GIS) und den Aufbau von Verortungsdiensten (Location Based Services) voran. Das CEN veröffentlichte in 2006 einen Entwurf eines technischen Berichts, der als Leitfaden zur Einführung von Geodateninfrastrukturen dient (prcen 15449:2006, Stand ), in dem es auch Bezug auf den aktuellen Normungsstand von ISO und OGC nimmt. Als mögliche Ansätze zum Aufbau einer GDI unterscheidet das Papier zwischen einem datenzentrierten und einem dienstezentrierten Ansatz. 3

4 Im datenzentrierten Ansatz steht im Vordergrund, die Informationen zu beschreiben und zu strukturieren. Die Normenreihe der ISO hält hierfür ein implementierungsunabhängiges Schema (Anwendungsschema) bereit, versehen mit der Zielsetzung, die Semantik der Informationen über Systemgrenzen hinweg beizubehalten. Eine große Bedeutung im datenzentrierten Ansatz kommt der einheitlichen Identifizierung von Geoeinheiten mittels UUID (Universally Unique Indentifier) zu, welche deren Eindeutigkeit in verschiedenen Umgebungen und Einsatzbereichen garantiert. Durch die Verwendung von konzeptuellen Modellierungssprachen, wie beispielsweise UML (Unified Modelling Language), gelingt eine Dokumentation der Anwendungsschemen. Gerade beim Aufbau supranationaler Geodateninfrastrukturen empfiehlt das CEN den datenorientierten Ansatz. Der diensteorientierte Ansatz zum Aufbau einer GDI beschreibt die Klassifizierung von Diensten, Interoperabilitätskonzepten, Dienstearchitektur, Dienstkatalogen, bis hin zu den tragenden IT-Standards. Eine wichtige Voraussetzung für die Umsetzung dieses Ansatzes liegt in der Einrichtung von multilingualen Registern, gefüllt mit Metadaten. Hierfür stellt die ISO ebenfalls in der Normenreihe Standardisierungen bereit. Mittels diensteorientiertem Ansatz trägt eine GDI dazu bei, Georessourcen zu veröffentlichen, diese aufzufinden und sie zu nutzen. Die GDI-BY folgt dem dienstorientierten Ansatz, indem sie die o.g. Anforderungen auf Basis von DIN-Normen und OGC-Spezifikationen umsetzt (siehe hierzu Konzept zur Geodateninfrastruktur Bayern). Mit den nachstehenden Informationen werden die derzeit praxisrelevanten Internet-basierenden OGC-Dienste anhand von Beispielen vorgestellt und weitere ausgewählte Entwicklungen erläutert. 4

5 Teil I Dienste in der Anwendungsphase OGC Web Map Service (WMS) Ein WMS kreiert digitale Karten aus verteilt liegenden digitalen geographischen Informationen zur Anzeige über einen Viewer (im Browser oder GIS). Dafür bedürfen die Geodaten einer Georeferenzierung (Zuweisung von Koordinaten in einem Referenzkoordinatensystem), einer Beschreibung durch grundlegende Informationen (Metadaten) sowie der Verfügbarmachung über eine Internetadresse (URL - Uniform Resource Locator). Ein standardisierter Aufruf liefert stets ein dynamisch erstelltes Bild (d.h. aus dem Zugriff auf die aktuellen Datenbestände) in den Rasterdatenformaten TIFF, PNG, GIF oder JPEG. In diesem Dienst stehen drei Funktionalitäten zur Verfügung. Die Anfrage an die URL-Adresse zur Lieferung einer Dienstebeschreibung (Aufruf: GetCapabilities), die Anforderung der Rasterdaten unter Angabe der Ausdehnung (Aufruf: GetMap) und die Anfrage nach besonderen Merkmalen der dargestellten Geoinformationen (Aufruf: GetFeatureInfo) basieren auf den Übertragungssprachen XML (extensible Markup Language) und GML (Geography Markup Language, Erweiterung von XML zur Modellierung, Transport und Speicherung von Geodaten). Zur Konfektionierung der Anforderung und zum Datenabruf stehen komfortable Applikationen bereit. Der WMS erreichte bislang einen hohen Verbreitungsgrad. Mit einem Beschluss des Lenkungsgremiums GDI-DE zum WMS-Applikationsprofil in der Version 1.0 liegt nun ein deutschlandweit einheitlicher Standard verbindlich vor, der einen harmonisierten Aufbau dieser Dienste fördert ( Durch die Möglichkeit verschiedene Datenbestände anzusprechen und nach deren Abfrage zu überlagern (Abb. 1), greift der Nutzer einerseits stets auf originäre, aktuelle Informationen zu und erspart sich andererseits jegliche parallele Datenhaltung. Das entstehende Kartenbild gliedert sich in Ebenen (Layer). Mit dem Projekt Disclaimer-Enablement rücken rechtliche Aspekte im Umgang mit webbasierte Geodatendiensten in den Fokus. Es gilt, den WMS um die Überprüfung von Identität (Authentifizierung) und Zugangsberechtigung (Autorisierung) sowie die Wiedergabe von Nutzungsbedingungen zu erweitern. Abb. 1: Überlagerung von Geobasisdaten (DTK50-V) und Geofachdaten (hochwassergefährdete Gebiete) mittels WMS 5

6 OGC Web Feature Service (WFS) In der Zielsetzung ähneln sich WMS und WFS. Allerdings richtet sich die Anfrage eines WFS an verteilt liegende Geo- Ressourcen im Vektordatenformat. Deren Vorteil gegenüber den Rasterdaten liegt in ihrer Fähigkeit, ein Vielfaches an beschreibenden Sachinformationen (Merkmale, engl. feature) vorzuhalten. Ein Vektordatensatz besteht aus diesen Zusatzdaten (Attributen) und der geometrischen Ausgestaltung als Punkt, Linie oder Fläche. Die Daten des Amtlichen Topographisch-Kartographischen Informationssystems ATKIS liegen in der Form eines objektstrukturierten Vektordatenbestandes vor. Als Beschreibungsmerkmale dienen beispielsweise Objektnamen, Zustand und Erfassungsdatum. Eine standardisierte webbasierte Bereitstellung von objektstrukturierten Vektordaten über einen WFS ermöglicht zielführende Abfragen zur räumlichen Analyse durch Selektion und Kombination bestimmter geographischer und sachlicher Merkmale. Ein WFS fungiert über standardisierte Funktionalitäten auf Basis von GML und XML. Mit Hilfe des Aufrufes GetCapabilities meldet die angefragte Datenquelle grundlegende Informationen zum Dienst zurück. Die Operation DiscribeFeatureType liefert die Datenstruktur (Sach- oder geographische Informationen) und GetFeature fordert die gewünschten Daten an. Als Erweiterung des Basis-WFS, der den lesenden Zugriff unterstützt, liegt auch die Definition eines Transaction-WFS vor, der dem Nutzer eine Übermittlung von Informationen an die Datenquelle, bpsw. bei Fortführungen ermöglicht. Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) hält mit Suche geographischer Namen ein WFS-basierendes Angebot bereit, welches seine Informationen aus dem ATKIS -DLM 250 und DLM 1000 bezieht. Das System beinhaltet Orte, Ortsteile, Verwaltungsgebiete, Flüsse, Berge u.a., die mit Attributen (Namen, administrative Gliederung, Höhe, u.a.) und einer geometrischen Lagebeschreibung vorliegen (Abb. 2). Abb. 2: Geodienst Suche geographischer Namen des BKG auf Basis eines WFS 6

7 Mit Applikationen innerhalb eines GIS gelingt dem Nutzer die Verknüpfung eigener Sachdaten mit Vektordaten anderer Stellen, die Überlagerung von Vektordaten (ggf. über WFS-Abruf) mit Rasterdaten (ggf. über WMS-Abruf) sowie eine gezielte Suche nach Geometrieelementen (Flächen, Linien oder Punkte), da Koordinaten der Geometrieelemente zur Verfügung stehen (Abb. 3). Auf der Ebene der GDI-DE steht eine Verabschiedung eines deutschlandweiten Applikationsprofils für einen WFS noch in 2007 an. Eine spezielle Form des WFS stellt der Gazetteer-Service (WFS-G) dar. Er wandelt die Namen geographischer Orte in Geometrien um, die in Beziehung zu einem Koordinatenreferenzsystem stehen. Als Ergebnis der Anfrage stellt er Koordinaten oder Polygone bereit, so z.b. für die Information München die Koordinaten des Marienplatzes, das Umfangspolygon des Stadtgebietes oder die Stadtteile. Der Geocoder-Service, eine Ausbauform des Gazetteer- Services, überführt Ortsname, Adressen, Postleitzahlen u.ä. in eine normalisierte Beschreibung (geographische Verortung, i.d.r. als Punkt). In Anknüpfung an den Geocoder-Service existiert bereits das Konzept zu einem Geoparser- Service, dessen Fähigkeit in der Verarbeitung von Textdokumenten (Ermittlung von Schlüsselwörtern und phrasen) zum Zweck einer Verortung liegt. Abb. 3: Standortinformationssystem SISBY als Kombination von WFS und WMS 7

8 OGC Web Coordinate Transformation Service (WCTS) Der WCTS unterstützt webbasierte Transformationen von Raster- und Vektordaten in andere Koordinatenreferenzsysteme. Seine Implementierungs-Spezifikation liegt auf der Homepage der OGC zum Download bereit. Diese befindet sich noch in der Kommentierungsphase. Die standardisierte Anfrage GetCapabilities gibt Auskunft über die Diensteigenschaften und insbesondere über die unterstützten Georeferenzierungen und deren Wertebereiche. Dazu stellt der WCTS eine Beschreibung der ihm bekannten Kartenprojektionen und Referenzsysteme inklusive der nötigen Transformationen XML-basierend bereit. Die Transformation geschieht durch die Operation GetCoordinates unter Angabe des Ausgangs- und des Zielsystems. Dieser Dienst findet beispielsweise bei der Integration von Geofach- und Geobasisdaten Anwendung. Ein Hinterlegen von Geofachdaten, z.b. Leitungsdaten aus GPS-Messungen im UTM-Koordinatensystem mit geotopographischen Daten (Geobasisdaten) im GK-Koordinatensystem, gelingt nur über die Transformation in eine gemeinsame mathematische Bezugsgrundlage. Bei der Entwicklung der WCTS-Spezifikation steht die Kompatibilität zu den WMS- und WFS- Spezifikationen im Vordergrund. Damit eröffnet sich auch für reine Online-Anwendungen die Möglichkeit, dass ein WMS-Server, der Karten nicht im passenden Koordinatensystem vorfindet, diese gleich an einen WCTS-Server zur Transformation sendet und nach der Rückgabe die Daten an den Client des Anwenders weitergibt. Eine erste Anwendung steht über das Geodatenzentrum des BKG bereit (Abb. 4). Abb. 4: Koordinaten-Transformationsdienst für Geodaten vom BKG 8

9 Teil II ausgewählte Dienste in der Entwicklungsphase OGC Catalogue Service Web (CS-W) Die Anlage von Metadateninformationssystemen ermöglicht dem potentiellen Nutzer von Geodaten und diensten die Recherche mit spezifischen Anforderungen. Eine standardisierte Abfrage dieser meist verteilt vorgehaltener Kataloge stellt der CS-W über XML zur Verfügung. Die Anwendung des CS-W führt demnach zur Vernetzung von Metainformationssystemen - eine wesentliche Grundlage für den Aufbau einer GDI. Auf der Basis einer Ableitung aus dem OGC CS-W empfahl das Lenkungsgremium der GDI-DE das CS-W-Applikationsprofil in der Version 1.0 als Standard für den Aufbau einer deutschlandweiten GDI. Mittlerweile legte das OGC die zukünftige Struktur für den CS-W verbindlich fest, welche dem Datenmodell ebrim (electronic business Registry Information Model) folgt ( archives/category/media-center/blog). OGC Web Coverage Service (WCS) Die Spezifikation des WCS gilt als Erweiterung des WMS und unterstützt den Zugriff auf Coverages (Rasterdaten versehen mit Eigenschaften). Der WCS erlaubt den Zugriff auf multidimensionale Rasterarchive und liefert nach einer Abfrage selektierte Rasterdaten mit deren detaillierter Beschreibung. Der Syntax und die Semantik des WCS hat Ähnlichkeiten zum WMS im Bezug auf Anfragen nach Rasterbildern und zum WFS im Bezug auf die Differenzierung nach Eigenschaften der Daten. Er verbindet so die Fähigkeiten von WMS und WFS. Der WCS ermöglicht beispielsweise die Bereitstellung der verfügbaren Rasterdaten (z.b. DOP) gemeinsam mit ihren Attributen (z.b. Aufnahmedatum), erlaubt komplexe Anfragen (z.b. alle Orthophotos mit bestimmtem Aufnahmedatum) und stellt diese Daten ungefiltert dar. Im Unterschied hierzu schickt der darstellungsorientierte WMS lediglich statische Rasterbilder ohne Attribute zurück. Damit eignet sich der WCS als Analysedienst für verschiedene Anwendungen. Der WCS umfasst die drei XML-basierenden Funktionalitäten GetCapabilities, GetCoverage und DescribeCoverageType. OGC Web Terrain Service (WTS) Der WTS liefert unter Nutzung von WFS und WMS dreidimensionale Ansichten von Geodaten. Die notwendigen Höheninformationen stammen aus einem Digitalen Geländemodell (DGM). Mit der kombinierten Darstellung von DGM und 2-dimensionalen Geodaten (Karten, Orthophotos) erhält der Betrachter online das Bild einer dreidimensionalen Landschaft. Der WTS liefert diese als Rasterbilder (Formate PNG, GIF, JEPG) zur Visualisierung in einem Browser oder GIS, wobei die notwendige Parameterwahl, wie Blickrichtung, Kameraneigung oder Betrachtungsabstand, über Applikationen erfolgt. Die dreidimensionale Darstellung von Geodaten nimmt in ihrer Nachfrage, beispielsweise im Katastrophenschutz, zur Stadtplanung und im Umweltmonitoring stark zu. Der WTS reicht für anspruchsvollere Anwendungen nicht aus, da er lediglich die Darstellung statischer Ansichten unterstützt. Eine dynamische Visualisierung sowie eine Überlagerung von mehreren WTS in einem Viewer mit verschiedenen 3D-Geoobjekten unterschiedlicher Anbieter unterstützt die Erweiterung des WTS, der Web 3D Service (W3DS). 9

10 OGC Web Pricing and Ordering Service (WPOS) Die WPOS-Spezifikation dient der standardisierten Interaktion zwischen Datenanbieter und käufer im Rahmen des internetgestützten Handels mit Geodaten (Geo-eBusiness). Der Service verfolgt bislang den Ansatz der Vereinheitlichung der Publikation von Preismodellen und Nutzungsbedingungen. Mit der Bestellung und Auslieferung der Daten auf Basis bestehender Dienste im Internet rücken in zunehmendem Maße sowohl die Bepreisung als auch die Lizenzierung von Geodaten bzw. diensten in den Fokus der Standardisierung. 10