Integrierter Zugriff auf Zeitreihen und räumlichen Daten über WebGIS

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1 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

2 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

3 Lehrstuhl Geoinformatik Fernerkundung Geographische Informationssysteme Systemanalyse und Modellierung Informatik Datenbanksysteme EntscheidungsUnterstützungsSysteme

4 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?

5 Projekt TISZA Theiß (Tisza) River Information System Zyanid/Schwermetall Verunreinigung der Goldmine Aurul bei Baja Mare (Rumänien) im Jahr 2000, km² Fragestellung: Wie kann bei vergleichbaren Unfällen eine ähnliche Umweltkatastrophe verhindert werden? -Handlungsanweisungen-

6 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.

7 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

8 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

9 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, )

10 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

11 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)

12 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)

13 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

14 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

15 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

16 WebGIS mit Open Source Software - Vorteile 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

17 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

18 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

19 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)

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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 Geometrien in PostGIS 20 Sekunden Unterstützung verschiedenster Vektor und Rasterdaten

26 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

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28 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

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33 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