Verwendung der OGC Spezifikationen WebMap- und WebCoverageService für die Entwicklung des regionalen europäischen KOMPSAT Archivs

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1 Verwendung der OGC Spezifikationen WebMap- und WebCoverageService für die Entwicklung des regionalen europäischen KOMPSAT Archivs Stephan MEISSL, Christian SCHILLER und Gerhard TRIEBNIG Zusammenfassung Seit Computer und Internet immer mehr Teil des alltäglichen Lebens sind, ist es viel einfacher geworden Erdbeobachtungsdaten einem breiteren Publikum zugänglich zu machen. Das Ziel der Entwicklung des regionalen, europäischen KOMPSAT Archivs (KERA) (aus dem Englischen: KOMPSAT European Regional Archive) ist die Demonstration und Erprobung des Konzepts eines vereinfachten, intuitiven Zugangs zu einem Erdbeobachtungsdatenkatalog und dessen Daten. Die wesentlichen Ergebnisse sind (i) ein einfacher Zugang zu Daten und Diensten, (ii) die Nutzbarkeit sowohl für erfahrene als auch für unerfahrene Benutzer (iii) und ein hoher Grad der Automatisierung. 1 Einleitung Die Entwicklung des Archivs war aufgrund der gut eingeführten wissenschaftlichen und technologischen Zusammenarbeit zwischen dem koreanischen Luft- und Raumfahrt Forschungsinstitut 1 (KARI) (Englisch: Korea Aerospace Research Institute) und der Abteilung für Intelligente Infrastrukturen und Weltraumanwendungen der Austrian Research Centers Seibersdorf research GmbH 2 (ARC-sr) möglich (SCHILLER et al. 2005). Der koreanische Satellit KOMPSAT-1 bildet die Grundlage dieser Arbeit, die auch die Basis zur Erweiterung des Archivs mit Daten der zukünftigen KOMPSAT Satelliten darstellt. Das Archiv selbst speichert und verwaltet alle Daten mit Hilfe eines objektrelationalen Datenbankmanagementsystem (ORDBMS). Die Implementierung der Datenbank in diesem DBMS berücksichtigt existierende Standards und wird im Detail vorgestellt. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Geschwindigkeit der Datenbank gelegt. Verschiedene Entwicklungen, wie jene des Open Geospatial Consortium, Inc. 3 (OGC) spezifizierten Web Dienste WebMapService, WebCoverageService und WebFeatureService setzen auf dieser Datenbank auf und erlauben den Zugang zu den Daten in KERA URL: URL: URL:

2 Verwendung der OGC Spezifikationen WebMap- und WebCoverageService Datenbank Um den koordinierten Zugriff zu den Daten zu ermöglichen, ist ein hohes Maß an Standardisierung notwendig. Der Standard für geographische Metadaten des ISO technical Committee 211 für Geographic information/geomatics 4 (2003) ist der wichtigste Standard im Zusammenhang mit den Daten die in KERA gespeichert werden. Als Datenbankmanagementsystem (DBMS) wird das objekt-relationale DBMS PostgreSQL 5 verwendet. PostgreSQL ist eine OpenSource Software und steht daher kostenlos zur Verfügung. Außerdem gibt es die Möglichkeit verschiedenste Erweiterungen zu installieren. Die wichtigste Erweiterung für KERA ist PostGIS 6, da sie die Verwendung von geographischen Objekten ermöglicht. PostGIS unterstützt Simple Features gemäß der Spezifikation des Open Geospatial Consortiums (OGC) (1999). Die häufigste Art der Suche in der KERA Datenbank ist die einfache räumliche Suche wie zum Beispiel: Auf welchen Bildern kann man Wien sehen?. Um solche Suchanfragen beantworten zu können, wird für jedes Satellitenbild ein Polygon bestehend aus den vier Eckpunkten des Bildes gespeichert. In PostGIS wird das Polygon-Objekt in einfachen geographischen Koordinaten aus geographischer Länge und Breite mit dem Datum WGS84 (World Geodetic System) gespeichert. PostGIS stellt nicht nur geographische Objekte in PostgreSQL zur Verfügung, sondern erlaubt auch verschiedene Operationen mit ihnen. Zum Beispiel können Objekte on-thefly umprojiziert werden oder es kann nach geographischen Gesichtspunkten gesucht werden, u.v.a.m. Das nachfolgende Beispiel beschreibt die Verwendung zweier solcher Funktionen. Das Beispiel bestimmt, ob Wien (repräsentiert durch ein Punkt-Objekt) auf einem Satellitenbild (Polygon-Objekt) sichtbar ist oder nicht: SELECT Intersects(GeometryF romtext('polygon(( , , , , ))',4326),GeometryFromText('POINT( )',4326)); Ein Problem, das bei der Verwendung von PostGIS auftritt, rührt daher, dass unsere Erde nicht in einer Ebene liegt. PostGIS verwendet aber für alle Objekte und Operationen ein zweidimensionales kartesisches Koordinatensystem. Laut Definition liegt die geographische Länge zwischen -180 und +180 und die Breite zwischen -90 und +90. PostGIS berücksichtigt diese Definition, sowie das die Längen -180 und +180 identisch sind, leider nicht. Eine zusätzliche Erweiterung, pgsphere 7 genannt, ermöglicht die Verwendung von Datentypen, Funktionen und Operatoren auf einer Kugel. pgsphere beachtet auch, im Gegensatz zu PostGIS, die Erdkrümmung. Um alle Probleme zu lösen, wird eine Kombination von PostGIS und pgsphere benötigt. Da KERA nur Bilder von Europa und nahe gelegenen Ländern beinhaltet, wird momentan für die Datenbank aber nur PostGIS verwendet URL: URL: URL: URL:

3 440 S. Meissl, C. Schiller und G. Triebnig Abb. 1: UML Klassendiagram nach KEMPER et al. (2001) der verwendeten Datenbank Abbildung 1 zeigt das Design der Datenbank als UML (Unified Modeling Language) Klassendiagram nach KEMPER et al. (2001). Die wichtigste Klasse heißt image_metadata. Jedes Bild im Archiv erhält einen Eintrag in dieser Tabelle mit einem eindeutigen Namen aus Aufnahmeorbit, Aufnahmedatum, Aufnahmezeit und Sensor. Eine weitere wichtige Klasse ist process, eine Generalisierung aller Prozesse, die auf ein Bild angewandt werden können. Momentan gibt es vier Prozesse: (i) raw : Speichern eines neuen Bildes gemeinsam mit einem Übersichtsbild, (ii) geo : Erhebung geographischer Koordinaten für einzelne Bildpunkte, (iii) ort : Umprojizieren und Entzerren, (iv) wms : Vorbereiten für die Web Dienste des OGC. Um die benötigten Daten für diese Prozesse einfacher und unterstützt eingeben zu können, gibt es eine Administrationsoberfläche, die mit jedem Standardwebbrowser verwendet werden kann. Im wichtigen wms Prozess werden die Satellitenbilder in kleine Teile (Kacheln) zerteilt und der Umriss jeder Kachel in der Datenbank gespeichert. Wenn Abb. 2: Beispiel der Kacheln eines Satellitenbildes

4 Verwendung der OGC Spezifikationen WebMap- und WebCoverageService 441 nur ein Ausschnitt des ganzen Bildes benötigt wird, hat das den Vorteil, dass zuerst in der Datenbank gesucht werden kann und nur mehr die tatsächlich benötigten Kacheln aus dem Filesystem geladen werden müssen. Der wms Prozess erzeugt auch so genannte Overviews. Das sind Bilder mit geringerer Auflösung in beiden Dimensionen. Diese Overviews werden wieder geteilt und in der Datenbank gespeichert. Es werden solange Overviews generiert, bis das Ganze Bild, zumindest in einer Ausdehnung, auf eine einzige Kachel passt. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass weniger Daten gespeichert werden müssen, da Kacheln die keine Daten enthalten gelöscht werden können. In dem Beispiel in Abbildung 2 müssen nur die 71 Kacheln mit dunklem Umriss, der insgesamt 136 erzeugten, gespeichert werden. Warum wird dieser aufwendige Prozess verwendet? Es hat sich herausgestellt, dass diese Art der Speicherung eines Bildes die schnellste Verarbeitung und daher kürzeste Antwortzeit der Web Dienste des OGC liefert. Die langsameren Alternativen sind zum Beispiel GeoTIFF mit internem Zerteilen und internen Overviews oder gepackte Bildformate wie JPEG. Wichtig ist auch, die Bilder in der am meisten verwendeten Projektion zu speichern, da das Umprojizieren sehr zeitintensiv ist. 3 OGC Web Dienste In diesem Kapitel wird beschrieben, wie die Web Dienste WebMapService (WMS), Web- FeatureServer (WFS) und WebCoverageService (WCS) des OGC das Archiv verwenden können. Damit Benutzer verschiedenste Daten möglichst einfach und ohne viel Aufwand verwenden können werden Standards wie die des OGC benötigt. Der WMS-Dienst liefert digitale Karten, visuelle Darstellungen geographischer Daten, zur Weiterverarbeitung in beispielsweise Online Internet Anwendungen. Er wird über das Hypertext Transfer Protocol (HTTP) und dessen Uniform Resource Locators (URL) angesprochen. Jede Software die das HTTP Protokoll implementiert hat kann diesen Dienst ansprechen und verwenden. Üblicherweise wird er verwendet, um sich einen Überblick über die Daten wie zum Beispiel deren Qualität, Ausdehnung, Genauigkeit usw. zu verschaffen. Der WCS-Dienst hingegen stellt einen Mechanismus dar, um die tatsächlichen Daten zu transportieren. Über diesen Dienst kann der Benutzer ganze Satellitenbilder auf einmal übertragen. Hat sich der Benutzer mit Hilfe des WMS-Dienstes von der Qualität und Brauchbarkeit der Daten überzeugt, kann er sie bestellen und über den WCS als Coverages geliefert bekommen. Diese Daten können nicht nur angezeigt, wie die Karten des WMS, sondern auch interpretiert, extrapoliert, usw. werden. Genauso wie der WCS-Dienst für die Übertragung von Rasterdaten eingesetzt wird, wird der WFS-Dienst für Vektordaten verwendet. In KERA wird er verwendet, um Metadaten wie Name, Aufnahmedatum, Orbit, usw. der einzelnen Bilder abfragen zu können. Da die OpenSource Software MapServer nicht nur diese Web Dienste implementiert, sondern auch den Dateninput über eine PostgreSQL/PostGIS Datenbank erlaubt war sie die erste Wahl für KERA. Folgende URL liefert das gesamte Bild aus Abbildung 2 in einem GeoTIFF-File mit circa 350 MB via WCS:

5 442 S. Meissl, C. Schiller und G. Triebnig 10216t091614_scale1&CRS=EPSG:4326&RESX= &RESY= &FORMAT=GeoTIFF 4 Zugang zu KERA Verschiedene Zugangsmöglichkeiten gibt es über ein Portal auf einem ARC-sr eigenen Server 8, über das SSE-Portal 9 (Englisch: Service Support Environment) und über das eo- Portal 10. Die beiden letzteren Möglichkeiten werden von der europäischen Weltraum Behörde (ESA) (Englisch: European Space Agency) betrieben. Abb. 3: Verknüpfung der verschiedenen Komponenten der KERA Implementierung Abbildung 3 zeigt die Verknüpfung der einzelnen Komponenten des KERA Systems. Das ARC-sr eigene Portal (Mitte) wurde mit JavaScript und mit PHP/MapScript (MapServer erweitertem PHP) implementiert. Es enthält sowohl Standard GIS Funktionen als auch die Möglichkeit das Archiv zu durchsuchen. Das SSE Portal (links) versteht sich als Makler für Web Dienste und bietet selbst ein Suchservice an. Momentan ist im SSE-Portal ein Dienst 8 9 URL: URL: 10 URL:

6 Verwendung der OGC Spezifikationen WebMap- und WebCoverageService 443 um KERA zu durchsuchen, sowie Daten auszuwählen und per FTP oder WCS zu bestellen, implementiert. Das eoportal (rechts) ist ein Portal für Weltraumdatenanbieter um deren Katalog anzubinden und durchsuchbar zu machen. KERA ist an dieses Portal angeschlossen und daher durchsuchbar. Weiter wurde auch das internationale Archiv, das von KARI betrieben wird, an das eoportal angeschlossen (ganz rechts). 5 Zusammenfassung und Ausblick Mit KERA konnten einige wichtige Konzepte im Zusammenhang mit geographischen Daten und deren Verbreitung gezeigt werden. Die schnelle, einfache und weltweite Erreichbarkeit und Einbindung von großen Datenbeständen konnte mit Hilfe der von OGC standardisierten Web Dienste implementiert werden. Ein Beispiel der Verwendung dieser Konzepte stellt die WebGIS Oberfläche 11 des Xeismobil Portals dar. Ein anderes Beispiel für die mögliche Einbindung von Erdbeobachtungsdaten sind Anwendungen wie z. B. Navigationssysteme für Auto oder Fußgänger. Durch solche Massenmarktanwendungen steigt der Bedarf an online, einfach erreichbaren, sehr hoch auflösenden geographischen Produkten und Satellitenbildern kontinuierlich. Durch KERA werden Satellitendaten leichter erreichbar und dadurch Zeit und Kosten für deren Nutzung gesenkt. Diese Verbesserungen helfen möglicherweise die Akzeptanz und die Zahl der Benutzer von Satellitendaten deutlich anzuheben. Sie steigern hoffentlich auch die Verwendungsmöglichkeiten von Satellitendaten in verschiedensten Anwendungen. Literatur ISO/TC 211 Geographic information/geomatics (2003): Geographic information Metadata (ISO/FDIS 19115:2003 (E)). KEMPER, A. & A. EICKLER (2001): Datenbanksysteme Eine Einführung, Edition: 4. R. Oldenbourg Verlag, OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM, Inc (OGC) (1999): OpenGIS Simple Features Specification for SQL, Revision: 1.1. OpenGIS Project Document: OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM, Inc (OGC) (2003): Web Coverage Service (WCS), Version OpenGIS project document: OGC r6. OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM, Inc (OGC) (2002): Web Feature Service Implementation Specification, Version: OpenGIS project document: OGC OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM, Inc (OGC) (2002): Web Map Service Implementation Specification, Version: OpenGIS project document: OGC r3. SCHILLER C., F. KRESSLER, G. TRIEBNIG, Y. KIM, S. MEISSL, B. MOLL, & H. MAAS (2005): European Node of the Urban Application Center for KOMPSAT-1/2 derived products. In: CORP 2005 & Geomultimedia05, Feb. 2005, Wien, Proceedings, S URL: