Web Mapping à la Cuisine

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1 Web Mapping à la Cuisine Lydia GIETLER, Barbara HOFER, Martin KRCH, Kerstin STUPNIK und Stephan WINTER Zusammenfassung Dieses Paper stellt unsere Erfahrungen mit einem Vorabdruck des Web Mapping Cookbook des OGC dar. Ziel des Kochbuchs ist die Förderung von Web Mapping Lösungen, die mit dem offenen Industriestandard eines Web Mapping Service des Open GIS Consortiums konform sind. Das Cookbook stellt verschiedene, kommerzielle und freie Implementationen des Web Mapping Standards in einer Weise vor, dass sie Schritt für Schritt nachvollzogen werden können. Wir konnten das Cookbook vorab testen und haben untersucht, ob und wie mit einer solchen Anleitung ohne spezielle Vorkenntnisse ein Web Mapping Service mit akzeptablem Aufwand eingerichtet werden kann. Wir berichten über das Prinzip von Web Mapping, unsere Implementierung, und den dafür betriebenen zeitlichen und finanziellen Aufwand. 1 Einleitung Die Standardisierung von offenen Schnittstellen (Interfaces) erlaubt es, dass Software- Module unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren. Das Open GIS Consortium (OGC) ist eine Organisation, die derartige Schnittstellen spezifiziert, mit dem Ziel, geografische Informationen im World Wide Web standardisiert zugänglich zu machen. OGC entwickelte neben einer Reihe anderer Spezifikationen das Web Map Service (WMS) Interface (OGC 2002). Um die Implementierung des WMS Interfaces zu erleichtern, verfasste OGC das OGC WMS Cookbook (KOLODZIEJ 2002). Dieses Kochbuch enthält neben einem Überblick über Web Mapping, verschiedene Schritt-für-Schritt-Anleitungen für die Einrichtung eines WMS. Wir hatten die Gelegenheit, eine Vorabversion des Cookbooks im Rahmen der Lehrveranstaltung Interoperabilität am Technikum Kärnten in Bezug auf die Realisierbarkeit eines WMS gemäß OGC zu untersuchen. Ziel der Untersuchung war es, zu prüfen, ob und wie es ohne spezielle Web Mapping Kenntnisse möglich ist, einen OGC WMS mit akzeptablen finanziellen und zeitlichen Aufwendungen zu realisieren. Zur Durchführung dieses Vorhabens wurde ein WMS laut Anleitung des OGC WMS Cookbooks implementiert. In diesem Paper berichten wir über unsere Erfahrungen. Es gliedert sich in die Kapitel OGC WMS Cookbook, Problemstellung, Applikationsaufbau, Test, Diskussion und Zusammenfassung und Konklusio. Im Kapitel OGC WMS Cookbook werden Informationen über Web Map Services und das Cookbook gegeben. In der Problemstellung wird näher auf den Gegenstand der Untersuchung eingegangen. Die Kapitel

2 Lydia GIETLER, Barbara HOFER, Martin KRCH, Kerstin STUPNIK, Stephan WINTER Applikationsaufbau und Test befassen sich mit der Implementation eines WMS. Eine kritische Betrachtung der Resultate erfolgt in der Diskussion. Abgeschlossen wird das Paper mit Schlussfolgerungen und weiterführender Arbeit im Kapitel Konklusio. 2 OGC WMS Cookbook Ein Web Map Service stellt georefenzierte Karten für das World Wide Web bereit (OGC 2002). Technisch gesehen stellt es eine Erweiterung eines Webservers dar, die auf verschiedene Weise realisiert werden kann (scripts, servlets, o.ä.). Eine Anfrage an einen Web Map Service ruft über eine URL (Universal Ressource Locator) eine von drei Operationen auf: GetCapabilities liefert Metadaten über vorhandene Daten und mögliche Anfrageparameter, GetMap liefert eine Karte in einem Web-verträglichen Format (JPEG, PNG, o.ä.), und GetFeatureInfo liefert weitere Informationen über einzelne Objekte, die auf einer Karte abgebildet sind. Da die Schnittstellen offen sind, können Web Map Services kaskadisch Karten generieren. Auf der Nutzerseite ist keine weitere Software außer dem Webbrowser erforderlich. Im Gegensatz dazu benötigen proprietäre Web Mapping Lösungen auf der Nutzerseite oft zusätzliche Software (PlugIns). Abgesehen davon sind diese auch nicht interoperabel, da die Syntax der Serveranfragen nicht offen liegt. Derzeit existieren mehrere WMS verschiedener Hersteller, die angeben, die WMS Spezifikation zu implementieren. Diese Services werden von OGC als die Spezifikation implementierende Services bezeichnet. OGC bietet den Herstellern darüber hinaus die Möglichkeit, ihre Produkte in einer Testumgebung auf ihre Übereinstimmung mit der Spezifikation zu testen. Produkte, die bei einem solchen Test als übereinstimmend verifiziert werden, werden als mit der Spezifikation konform bezeichnet. Es gibt derzeit noch keine WMS, die diesen Status erhalten haben, da entsprechende Überprüfungen in der Testumgebung noch nicht abgeschlossen wurden. Implementierende Services sind auf der Homepage von OGC angeführt 1, wobei die Liste Ende Januar insgesamt 104 Einträge umfasste. Das OGC WMS Cookbook soll durch Schritt-für-Schritt-Anleitungen, sogenannte Rezepte, die Implementierung eines WMS auch unerfahrenen Benutzer ermöglichen (KOLODZIEJ 2002). In diesem Cookbook wird ein Überblick über Web Mapping gegeben, dann die Systemarchitektur von Web Map Services anhand von Beispielen erläutert, und anschließend werden fünf Implementierungsrezepte präsentiert. Die Rezepte beziehen sich auf kommerzielle wie auch auf frei erhältliche Software (ESRI, lat/lon, University of Minnesota, International Interfaces und MIT). Das Cookbook geht in Teilen auf ältere Quellen zurück (DOYLE 2001; MCKENNA 2001). Neben dem Cookbook sollte der Leser auch Zugriff auf die Web Map Service Specification (OGC 2002) haben, wie im Cookbook ausdrücklich vermerkt. Die Spezifikation beschreibt insbesondere die drei zentralen Operationen. 1 (besucht am )

3 Web Mapping à la Cuisine 3 Problemstellung Im Rahmen der Lehrveranstaltung Interoperabilität am Technikum Kärnten wurde im Wintersemester 2002/2003 untersucht, ob und mit welchem Aufwand Personen ohne tiefere Spezialkenntnisse über Web Mapping mit Hilfe des OGC WMS Cookbooks ein Web Map Service implementieren können. Für diese Untersuchung wurde den Studenten/-innen ein Draft des OGC WMS Cookbook zur Verfügung gestellt. Da die Studenten/-innen mit der Programmiersprache Java vertraut sind, fiel ihre Wahl auf das Rezept deegree Web Map Server, ein Java Framework zur Implementierung von Web-basierten GIS- Applikationen. Darüber hinaus wird deegree unter der GNU General Public Licence kostenlos zur Verfügung gestellt. Entsprechend der OGC WMS Interface Specification muss ein WMS die Server-Anfragen (Requests) GetCapabilities und GetMap implementieren. Neben diesen beiden verpflichtenden Server-Anfragen besteht die Möglichkeit, die Server-Anfrage GetFeatureInfo zu implementieren. Ein Interface regelt die Kommunikation zwischen mehreren Softwarekomponenten. Diese Interfaces sind keine Implementierung, sondern definieren nur deren Verhalten. Die tatsächliche Implementierung der Interfaces ist unabhängig von Programmiersprachen. Erhält der deegree WMS eine der oben genannten Server-Anfragen von einem Web-Client, ist er in der Lage, diese zu beantworten. Die Antwort auf die GetCapabilities Anfrage enthält Informationen zu den Funktionalitäten und den vorhandenen Geodaten des befragten Servers. GetMap retourniert eine Karte in Form eines Rasterbildes, dessen Inhalt aus einer oder mehreren Geodatenquellen stammt. GetFeatureInfo erlaubt es, Zusatzinformationen, wie zum Beispiel Attributinformationen, Metadaten, etc. abzufragen. Abbildung 1 zeigt eine Skizze der von den Studenten/-innen realisierten Architektur des deegree WMS.

4 Lydia GIETLER, Barbara HOFER, Martin KRCH, Kerstin STUPNIK, Stephan WINTER Abb. 1: Die Architektur des von den Studenten/-innen realisierten WMS Laut OGC können Implementationen, die der WMS Spezifikation entsprechen, als kaskadierende Map Server eingesetzt werden. Ein kaskadierender Map Server verhält sich gegenüber anderen Map Servern wie ein Client und gegenüber einem Client wie ein Map Server. Dies erlaubt die Erstellung von Karten aus verteilten Datenquellen (OGC 2002). 4 Applikationsaufbau Die Implementierung des deegree WMS erfolgte auf einem Standard-PC mit dem Betriebssystem Windows XP, der Java Virtual Machine JDK 1.3 und Apache-Tomcat 4.0. Das deegree Package wird im Internet von der Firma lat/lon unter der GNU General Public Licence zum Download zur Verfügung gestellt 2. Nach der erfolgreichen und problemlosen Installation wurden anhand des OGC WMS Cookbooks folgende Schritte durchgeführt: Konfiguration des Servers, Einbinden von Geodaten und Definieren von Styles und Maßstabsbereichen zur Darstellung der einzelnen Layer. Diese Arbeitsschritte wurden durch Anpassen der im deegree Package enthaltenen XML-Dateien durchgeführt. Um die Funktionalität des deegree WMS dem Benutzer zur Verfügung zu stellen, wird eine Benutzeroberfläche benötigt. Die Implementierung der Benutzerschnittstelle, durch die die Karte in einem Bereich des Browserfensters dargestellt wird, erfolgte in HTML. Java Scripts wurden zur interaktiven Generierung der beiden Server-Anfragen GetCapabilities und GetMap erstellt. Das Java-Script für die Generierung der Server-Anfrage GetFeatureInfo wurde bis dato aus Zeitgründen nicht implementiert. Die Server-Anfrage GetCapabilities erlaubt es, Metainformationen über den Server im XML-Format abzufragen, wodurch die Informationen sowohl für Menschen als auch für Computer verständlich sind. Zu diesen Metainformationen gehören eine Kurzbeschreibung des Service (Name, Titel, URL, Schnittstellen, Ausgabeformate, Fehlermeldungsformate) und eine Liste der verfügbaren Layer mit ihren räumlichen Referenzsystemen, ihrer räumlichen Ausdehnung und ihren Styles. Jede Kartendarstellung, damit auch Grundfunktionalitäten wie Zoom und Pan, wird mittels der Server-Anfrage GetMap realisiert. Dies geschieht durch unterschiedliche Zusammenstellung von Layerliste, Styles der einzelnen Layer, räumlichen Referenzsystemen und BoundingBoxes in den einzelnen Server-Anfragen. Weitere Parameter der Server-Anfrage GetMap sind das Ausgabeformat, Breite, Höhe, Hintergrundfarbe sowie Transparenz der Karte, Format der Fehlermeldungen, Name und Version der Server-Anfrage. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel einer GetMap Server-Anfrage. In Abbildung 3 wird das Ergebnis dieser Anfrage an den deegree WMS der Studenten/- innen dargestellt. 2 (besucht am )

5 Web Mapping à la Cuisine Abb. 2: Beispiel einer GetMap Server-Anfrage 5 Test Die Studenten/-innen haben ohne spezielle Kenntnisse über Services binnen vier Wochen Teilzeitarbeit (in Summe etwa 60 Personenstunden) den deegree WMS mit Hilfe des OGC WMS Cookbooks implementiert, welcher derzeit im Intranet des Technikum Kärnten zugänglich ist. Der erwähnte Zeitaufwand umfasst sowohl Einarbeitung in die Thematik als auch die konkrete Realisierung des Servers. Der erstellte WMS bietet nachfolgende Daten und Funktionalitäten an: Rasterdaten: TIFF-, GIF-, BMP-, JPEG-, PNG-Format Vektordaten: ESRI Shape-Format Layerschaltung Rudimentäre Zoomfunktion Rudimentäre Panfunktion Abbildung 3 zeigt einen Screenshot des von den Studenten/-innen erstellten WMS. Der Inhalt der Karte wurde aus einer JPEG-Datei und vier Shape-Dateien zusammengestellt. Die Auswahl der Layer erfolgt über Checkboxen, Zoom- und Panfunktionen sind über Comboboxen realisiert. Durch die Implementierung der Server-Anfragen GetCapabilities, und GetMap sind die Anforderungen an einen WMS entsprechend OGC erfüllt. Die Vielzahl an Funktionalität, wie zum Beispiel Netzwerkanalysen oder das Editieren der Geometrie von Objekten, die im Allgemeinen von generischen Map Servern zur Verfügung gestellt wird, geht weit über die WMS Spezifikation des OGC hinaus.

6 Lydia GIETLER, Barbara HOFER, Martin KRCH, Kerstin STUPNIK, Stephan WINTER Abb. 3: Ergebnis, der in Abbildung 2 gezeigten GetMap Server-Anfrage 6 Diskussion Das OGC WMS Cookbook beinhaltet neben einer Einführung in Web Mapping und Interoperabilität detaillierte Anweisungen zur Implementierung und Nutzung des OGC WMS Interfaces. Die Einführung in Web Mapping und Interoperabilität trägt zum Verständnis des Aufbaues und der Funktionalität eines WMS bei. Mit Hilfe des deegree WMS Rezeptes ist es ohne großen Aufwand und ohne spezielle Vorkenntnisse möglich, einen nicht kaskadierenden Web Map Server zu implementieren. Die notwendigen Schritte zur Konfiguration des Servers konnten anhand des deegree WMS Rezeptes problemlos durchgeführt werden. Auch zum Einbinden von Geodaten und zum Definieren von Styles und Maßstabsbereichen zu ihrer Darstellung finden sich im Cookbook mehrere Codebeispiele mit Erklärung. Diese erleichtern das Anpassen des Servers. Dennoch konnten von den Studenten/-innen Verbesserungspotential wie zum

7 Web Mapping à la Cuisine Beispiel die Aktualität der Links (Downloadpages, etc.) identifiziert werden, die an den Editor des OGC WMS Cookbooks weitergeleitet wurden. Da deegree ein Java-Framework zur Implementation von Web-basierten GIS- Applikationen ist, beinhaltet das deegree Package keine Schnittstelle zum Benutzer. Die OGC WMS Specification bezieht sich auf die Funktionalität des Servers und überlässt die Gestaltung der Benutzerschnittstelle dem Entwickler. Dies steht im krassen Gegensatz zu proprietären Web Servern, die eine vorgefertigte Oberfläche mit ausgefeilter Zoom- und Panfunktionalität anbieten. Hingegen muss bei der Verwendung eines WMS nach OGC für jede Zoom- und Panoperation eine neue Server-Anfrage GetMap erstellt werden, die, zum Beispiel mittels JavaScript, erst erzeugt werden muss. Im deegree WMS Rezept wird derzeit nicht darauf eingegangen, wie der deegree WMS als kaskadierender Map Server zu konfigurieren ist. Dadurch wird der Interoperabilitäts- Gedanke nicht voll ausgenutzt, da der Zugriff auf verteilte Datenquellen nicht ermöglicht wird. Zur Erstellung eines nicht kaskadierenden WMS ist das deegree Rezept hervorragend geeignet. 7 Zusammenfassung und Konklusio Den Studenten/-innen des Technikum Kärnten wurde es ermöglicht, das OGC WMS Cookbook vorab zu testen. Ziel war es zu prüfen, ob Personen ohne spezielle Vorkenntnisse im Web Mapping Bereich mit geringem zeitlichen und finanziellen Aufwand mit Hilfe des Rezeptes in der Lage sind, einen WMS zu erstellen. Anhand des deegree WMS Rezeptes wurde ein nicht kaskadierender WMS erstellt. Dieser WMS erfüllt alle Kriterien der OGC WMS Interface Specification. Die Untersuchungen der Studenten/-innen zeigen, dass das deegree WMS Rezept von einer Person mit einem Zeitaufwand von rund 60 Stunden umgesetzt werden kann. Abgesehen von den Kosten für die Hardware und das Betriebssystem entstehen keine weiteren finanziellen Aufwendungen, da die übrigen Softwarekomponenten frei erhältlich sind. Als fortführende Arbeit bietet sich neben der Integration eines JavaScripts in die Benutzeroberfläche zur Erzeugung der Server-Anfrage GetFeatureInfo eine Verfeinerung der Zoom- und Panfunktionalitäten an. Eine weitere Herausforderung stellt das Konfigurieren des WMS als kaskadierenden Web Map Server dar. 8 Referenzen Doyle, A., 2001: WMS Cookbook. International Interfaces, Inc., Kolodziej, K. (Hrsg.), 2002: OGC WMS Cookbook. Open GIS Consortium Inc., Cambridge.

8 Lydia GIETLER, Barbara HOFER, Martin KRCH, Kerstin STUPNIK, Stephan WINTER McKenna, J., 2001: Mapserver WMS HowTo. University of Minnesota, OGC, 2002: Web Map Service Implementation Specification. OGC r3, Open GIS Consortium Inc. Danksagung Dieses Paper verdankt sein Zustandekommen der Vorarbeit von Kris Kolodziej, MIT, und Cliff Kottman, OGC, die das OGC Web Mapping Cookbook zusammengestellt und uns für unser Experiment vorab überlassen haben. Besonderer Dank geht an Adrijana Car, Studiengangsleiterin Geoinformation, Technikum Kärnten.

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