Universität der Bundeswehr Eine Einführung in INSPIRE. 23. Februar 2010 Stephan Plabst

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1 Universität der Bundeswehr Eine Einführung in INSPIRE 23. Februar 2010 Stephan Plabst

2 Agenda Kurzvorstellung M.O.S.S. Einführung in Mustererkennung Automatisierte Gebäudemodellierung Einführung in die europäische GDI INSPIRE? Die Bestandteile von INSPIRE INSPIRE unter der Lupe Fazit Von der Mustererkennung zur GDI 2

3 M.O.S.S. GmbH Firmenprofil gegründet 1987 in München Geschäftsführung Hans Braun ca. 55 Mitarbeiter (Ingenieure aus den Bereichen Bauwesen, Vermessung und Kartographie sowie Geographen, Informatiker, Physiker und Mathematiker) ESRI Business Partner, AED-SICAD-Partner Lösungsanbieter Themenschwerpunkte: - Geodatenserver und GDI 3D - WerksGIS - Umweltmanagement und INSPIRE - GeoWebServices, Web-GIS - Kanalmanagement Von der Mustererkennung zur GDI 3

4 Firmensitz und Niederlassungen CADMAP, Essen Tel.: +49(0) M.O.S.S., Dresden Tel.: +49(0) M.O.S.S., Taufkirchen Tel.: +49(0) Von der Mustererkennung zur GDI 4

5 M.O.S.S. GmbH Geschäftsbereiche GB Vermessung: Geodatenserver und GeoWebServices für Vermessung, Kartografie und Industrie (z.b. WEGA, novafactory, novarosy) Verwaltung und Verteilung von Geodaten mit Aufbau von 3D Geodateninfrastrukturen. GIS Lösungen für Industrie und Stadtwerke GB Umweltmanagement: GIS-gestütztes Daten- und Planungsmanagement für fachübergreifende Umweltanalysen (envvision) - EU-Umgebungslärmrichtlinie (EU-ULR) - Lärm-/Luftschadstoff-Ausbreitung-Berechnungen - Verwaltung riesiger Datenmengen, Versionierung GB Kanalmanagement: GIS-Lösungen für das Kanalnetzmanagement (KANDIS, novakandis) Von der Mustererkennung zur GDI 5

6 Mustererkennung Von 2D zu 3D Von der Mustererkennung zur GDI 6

7 Historie RoSy Beginn: 80 ger Jahre bei MBB (heute EADS) - VAX-Rechner Industrielle Verbreitung 1987: Gründung von M.O.S.S. RoSy : erstes Rastereditiersystem inkl. Erweiterung für vektorielle Darstellung Erste Kunden: BMW, Bayerisches LVA (1:5000) Heute: mehrere 1000 Installationen Von der Mustererkennung zur GDI 7

8 Was heißt GIS Selbstverständnis Was heißt GIS? Ein Geografisches Informationssystem (GIS) ist ein Informationssystem, mit dem raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch präsentiert werden. (Lit.: Bill, 1994) 80% aller Daten haben einen Raumbezug (Adresse, Hausnummer, Koordinate) Geozentrisches Weltbild zu Beginn Selbstzweck Wandlung zu übergreifender Nutzung homogene, flächendeckende Datenbestände => Raster Von der Mustererkennung zur GDI 8

9 Das Stufenkonzept: Ein Weg zum GIS Kosten / Komplexität / Funktionalität Hohe Erfassungskosten, Zeitbedarf GIS Hybride Daten Raster Archiv komplette GIS-Funktionalität Datenerfassung Datenfortführung Archivierung Ausgabe Visualisierung Von der Mustererkennung zur GDI 9

10 Das Stufenkonzept: Die Kosten GIS Die Kosten für die Datenerfassung belaufen sich auf 60% - 80% der Gesamtkosten eines GIS-Projekts (DataQuest). Zeitaufwendig, arbeitsintensiv und dadurch teuer! GIS-Datenmodell und Anwendung: komplex und hohe Einstiegsschwelle Von der Mustererkennung zur GDI 10

11 Was ist Mustererkennung? doofes Raster intelligenter Vektor PVC 120 Von der Mustererkennung zur GDI 11

12 Mustererkennung: Theorie Anwendungen Interaktiv Kontrolle Automatisiert Interaktiv Mustererkennung Automatisch Automatisch Vektorisierung Filtern Eingabedatei (Raster, DGM, LIDAR, TIFF) Von der Mustererkennung zur GDI 12

13 Mustererkennung (Prinzip) Klassifikation: Geraden- und Kreiserkennung Texterkennung Symbolerkennung Komplexe Objektbildung Verbesserung der (Roh-)Vektorgrafik Performanter Grafikeditor zur Korrektur und Kontrolle Anwendungsgebiete: Kataster-, Höhenlinienkarten Von der Mustererkennung zur GDI 13

14 Mustererkennung (Prinzip) Raster/Vektor Kreiserkennung Geraden Von der Mustererkennung zur GDI 14

15 3D-Gebäudeerkennung: Ablauf Luftbilder DGM Building Generator DOM Datenbank DTMaster ALK Von der Mustererkennung zur GDI 15

16 Gebäudeklassifikation BuildingGenerator Schwerpunkt Hohe Automatisierung wichtiger als genaue Rekonstruktion Modellierungsansatz Gebäudemodell Generalisierung Automatisierungsgrad Modell-getrieben LOD2 Grundriss und Dachflächen Voll Automatisch Von der Mustererkennung zur GDI 16

17 Gebäude Extraktion 3 stufiger Algorithmus Generalisierung der Gebäudegrundrisse Segmentierung der Dachflächen Modellierung des Gebäudes Stufe 1: Grundrissgeneralisierung Gebäudemodelle auf Basis generalisierter Grundrisse Erkennung der Grobstruktur eines Gebäudes (Rechteckiger, L-, U- oder T-förmiger Grundriss) Von der Mustererkennung zur GDI 17

18 Grundrissgeneralisierung Von der Mustererkennung zur GDI 18

19 Gebäude Extraktion Stufe 2: Segmentierung Selektion aller Oberflächenpunkte (LIDAR-Punkte) innerhalb des Gebäudes Normalenberechung in jedem Punkt Segmentierung Von der Mustererkennung zur GDI 19

20 Gebäude Extraktion Verschiedenen Ansichten (Split-Level Dach) Grundrisstreue Von der Mustererkennung zur GDI 20

21 Gebäude Extraktion Stufe 3:Modellierung Zerlegen komplexer Gebäude (=Partitionierung des Grundrisses) Unabhängige Modellierung aller Gebäudeteile mittels Standarddachform Beispiel 1: Partitionierung eines L-förmigen Grundrisses Beispiel 2: Hierarchische Partitionierung bei U- und T-förmige Grundrissen Von der Mustererkennung zur GDI 21

22 Gebäude Extraktion Original- und generalisierte Grundrisse (Rechteck- und L-Form), farbkodierter Höhendarstellung der Laserpunkte Von der Mustererkennung zur GDI 22

23 Gebäude Extraktion Standarddachmodellierung für Gebäude(teile) Flach- bzw. Pultdach Satteldach Walm- bzw. Krüppelwalmdach Extraktion von Partnersegmenten (Segmente nach Größe sortiert) Gleiche Höhe Gleiche Neigung Flächenverhältnis nahe bei 1 Modellierungsstrategie 1.Walmdach: 2 Segmentepaare mit zusätzlicher Orientierungsbedingung 2.Satteldach: 1 Segmentpaar 3.Pultdach: 0 Segmentpaare größtes Segment Von der Mustererkennung zur GDI 23

24 Gebäude Extraktion Walmdach, Dachmodellierung Von der Mustererkennung zur GDI 24

25 Qualitätsanalyse Robuste Algorithmen Richtige Partitionierung (sehr zuverlässig ausgewählt) Dachflächenmodellierung (relativ robust gegenüber Über- bzw. Untersegmentierung) Parameterwahl (recht geringer Einfluss auf Ergebnis) Qualitätskontrolle Plausibilitätstest - Minimale Gebäudehöhe - Höhenbereich der First- und Traufenlinien darf Höhenbereich der Punktwolke nur begrenzt überschreiten Innere Genauigkeit - Standardabweichung der Normalabstände aller Dachsegmentpunkte zum finalen Gebäudemodell Von der Mustererkennung zur GDI 25

26 Fakten und Zahlen Über die Eingangsdaten Punkte Dichte: mindestens 8 Punkte pro extrahierte Fläche, 1 Punkt pro m² Grundriss und Punktewolke sollen übereinander passen Die Modellierung Die Generalisierung kann zu einer anderen Darstellung als erwartet führen - Schmales und langes Walmdach Satteldach - Asymmetrisches Satteldach Pultdach Von der Mustererkennung zur GDI 26

27 Gebäude Extraktion V Von der Mustererkennung zur GDI 27

28 Gebäude Extraktion V Von der Mustererkennung zur GDI 28

29 Mustererkennung: Theorie Anwendungen Interaktiv Kontrolle Automatisiert Interaktiv Mustererkennung Automatisch Automatisch Vektorisierung Filtern Eingabedatei (Raster, DGM, LIDAR, TIFF) Von der Mustererkennung zur GDI 29

30 Mit den Daten zur GDI Einführung in INSPIRE Von der Mustererkennung zur GDI 30

31 Was ist eine GDI GDI steht für Geodateninfrastruktur (englisch: Spatial Data Infrastructure - SDI) Verteiltes System über ein Netzwerk (Intraoder Internet) Besteht aus lose miteinander gekoppelten Komponenten Hat Anbieter, Vermittler und Nutzer Setzt auf Benutzerschnittstellen, Sicherheits-, Zugriffs- und Abrechnungskomponenten Hat Geoportale als Einstiegsknoten Setzt auf Interoperabilität auf Basis allgemeingültiger Standards Von der Mustererkennung zur GDI 31

32 Was ist INSPIRE Grundlage ist die Richtlinie 2007/2/EG der Europäischen Union Verabschiedet am 15. Mai 2007 Abkürzung für Infrastructure for Spatial Information in the European Community Muss zwei Jahre nach Inkrafttreten in nationales Recht umgesetzt sein Von der Mustererkennung zur GDI 32

33 Was ist INSPIRE Treibende Kraft hinter INSPIRE sind die Umweltbehörden der EU Daher: Kernthema von INSPIRE sind Geodaten, die in Zusammenhang mit Umweltpolitik stehen Auswirkungen sind aber auch auf andere Bereiche der Geodaten vorhanden Von der Mustererkennung zur GDI 33

34 Was ist INSPIRE INSPIRE soll die Probleme bei der grenzüberschreitenden Arbeit mit Geodaten beheben - Verfügbarkeit (availability) - Qualität (quality) - Organisation (organisation) - Zugänglichkeit (accesibility) - Mehrfachnutzung (sharing) Lösung: Maßnahmen zur Interoperabilität von Geodaten Schaffung einer Geodaten Infrastruktur (GDI) Von der Mustererkennung zur GDI 34

35 Und was bringt INSPIRE? Geodaten sollen auf der jeweils zuständigen, behördlichen Ebene gespeichert werden Und zwar nur einmalig und nicht mehrfach Behördliche Geodaten sollen (frei) auffindbar und zugänglich werden Geodaten sollen verknüpfbar werden Geodaten sollen für unterschiedliche Anwendungen und durch unterschiedliche Anwender nutzbar und damit interoperabel werden Schranken in der Nutzung von Geodaten sollen abgebaut werden Und daher sollen möglichst niedrige Hürden in der Nutzung von Geodaten vorhanden sein Von der Mustererkennung zur GDI 35

36 Wie funktioniert INSPIRE Aus Sicht des Nutzers Dienst-URL Nutzer Geodaten INSPIRE-Datenmodell INSPIRE Geoportal Suchdienst Darstellungsdienst Downloaddienst Koordinatentransformationsdienst Von der Mustererkennung zur GDI 36

37 Wie funktioniert INSPIRE Aus Sicht des Datenanbieters ecommerce Komponente Modelltransform. Downloaddienst INSPIRE Datenmodell Suchdienst Darstellungsdienst INSPIRE Zeichenvors. Daten Meta- Daten Originäres Fach- Datenmodell oder INSPIRE Datenmodell Von der Mustererkennung zur GDI 37

38 Bis wann? Quelle: Dr. Aringer, K. (LVG): Geodateninfrastrukturgesetz INSPIRE-Umsetzung in Bayern, , an der TU München Von der Mustererkennung zur GDI 38

39 Die Bestandteile Richtlinie 2007/2/EC Herz von INSPIRE Legt die Grundlagen und den Rahmen fest Generelle Richtlinien und Definitionen Verpflichtung zum Vorhalten von Metadaten Verpflichtung zur Interoperabiltät von Geodaten und Geodiensten (durch Durchführungsverordnungen) Von der Mustererkennung zur GDI 39

40 Die Bestandteile Richtlinie 2007/2/EC Verpflichtung zum Betrieb von (Internet-) Geodiensten für die Daten - Ausnahmen von diesen Verpflichtungen - Geheimhaltung - Nationale Sicherheit und Verteidigung - Geregelt in Gesetzen - Handelsgeheimnisse und Urheberrechte - Datenschutz Von der Mustererkennung zur GDI 40

41 Die Bestandteile Richtlinie 2007/2/EC Zugang erfolgt kostenlos (nur Such- und Darstellungsdienste) Gebühren zum Erhalt der Dienste sind aber erlaubt Schaffung eines INSPIRE-Geoportals durch die Kommission Vorschriften zur gemeinsamen Nutzung von Geodaten zwischen (Umwelt-) Behörden Daten gegliedert nach Themenbereichen in Annex I-III Von der Mustererkennung zur GDI 41

42 Die Bestandteile Richtlinie 2007/2/EC Inhalt von Annex I Coordinate reference systems Geographical grid systems Geographical names Administrative units Addresses Cadastral parcels Transport networks Hydrography Protected sites Inhalt von Annex II Elevation Land cover Orthoimagery Geology Von der Mustererkennung zur GDI 42

43 Die Bestandteile Richtlinie 2007/2/EC Inhalt von Annex III Statistical units Buildings Soil Land use Human health and safety Utility and governmental servicesenvironmental monitoring facilities Production and industrial facilities Agricultural and aquaculture facilities Population distribution demography Area management/restriction/regulation zones and reporting units Natural risk zones Atmospheric conditions Meteorological geographical features Oceanographic geographical features Sea regions Bio-geographical regions Habitats and biotopes Species distribution Energy resources Mineral resources Von der Mustererkennung zur GDI 43

44 Bis wann? Quelle: Dr. Aringer, K. (LVG): Geodateninfrastrukturgesetz INSPIRE-Umsetzung in Bayern, , an der TU München Von der Mustererkennung zur GDI 44

45 Die Bestandteile Durchführungsverordnung EG Nr. 1205/2008 vom 3. Dezember 2008 Verordnung zu Metadaten Gilt für EWR (damit z.b. auch Schweiz) Bereitstellung der Metadaten für Geodaten aus Annex I und II bis November 2010, aus Annex III bis November 2013 Genaue Definition der Metadatenelemente Keine Definition zu Suchdiensten Von der Mustererkennung zur GDI 45

46 Die Bestandteile Durchführungsverordnung EG Nr. 976/2009 vom 19. Oktober 2009 Verordnung zu Netzwerkdiensten Bereitstellung der Dienste bis spätestens (in eingeschränkter Funktionsweise bis ) Festlegung von Qualitätsparametern der Dienste - Mindestreaktionszeit - Mindestübertragungsrate - Minimale Verfügbarkeit Abstrakte Dienstdefinition für Such- und Darstellungsdienste Von der Mustererkennung zur GDI 46

47 Die Bestandteile Technische Richtlinien (Technical Guidelines) - Für die Metadatenimplementierung - Für die Implementierung von Netzwerkdiensten (teilweise noch im Entwurf) - Für Datenmodelle (teilweise noch im Entwurf) Regeln für die Überwachung der Bestimmungen und das Berichtswesen an die Kommission (noch im Entwurf) Bestimmungen zu Lizenzmodellen (noch im Entwurf) Von der Mustererkennung zur GDI 47

48 Ausgewählte Standards Abstrakte Spezifikation und technischer Standard Abstrakte Definitionen sind technikunabhängig Sie legen Funktionalitäten in Prosa fest Technische Standards legen die genaue Implementierung der abstrakten Definitionen fest INSPIRE nutzt beides - Abstrakte Definitionen sind in den Durchführungvorschriften und damit de jure bindend - Technische Standards stehen in den Technischen Richtlinien (Technical Guidelines und Implementing Rules) und sind damit (erst einmal) nicht bindend Von der Mustererkennung zur GDI 48

49 Ausgewählte Standards Abstrakte Spezifikation und technischer Standard Von der Mustererkennung zur GDI 49

50 Ausgewählte Standards Metadaten Metadaten beschreiben Daten ( Daten über Daten ) Die abstrakte Festlegung erfolgt in EG 1205/2008 in den Anhängen Folgende Bereiche werden erfasst - Ressourcenidentifizierung - Klassifizierung - Schlüsselworte - Geografischer Standort - Zeitbezug - Qualität und Gültigkeit - Übereinstimmung mit der EU-Richtlinie - Zugangs- und Nutzungsbeschränkungen - Zuständige Stelle - Metadaten zu den Metadaten Von der Mustererkennung zur GDI 50

51 Ausgewählte Standards Metadaten Die technische Implementierung wird in einer Technischen Richtlinie beschrieben Basierend auf ISO und ISO (und damit internationalen Standards) Aber: ISO Core (Mindestanforderung des ISO-Standards) reicht nicht aus, um INSPIRE-konform zu sein und INSPIRE erfüllt nicht ISO Core Daher: Teilweise Nacherfassung von Metadaten für vorhandene Datenbestände notwendig Von der Mustererkennung zur GDI 51

52 Ausgewählte Standards Suchdienste Suchdienste dienen zum Suchen und Auffinden von Daten und Diensten Über Suchdienste werden Metadaten zum automatisierten Abrufen bereitgehalten Die abstrakte Beschreibung erfolgt in der Durchführungsverordnung EG Nr. 976/2009 Suchdienste haben folgende Schnittstellen - Get Discovery Service Metadata - Discover Metadata - Publish Metadata - Link Discovery Service Von der Mustererkennung zur GDI 52

53 Ausgewählte Standards Suchdienste Die technische Implementierung wird in einer Technischen Richtlinie beschrieben Basierend auf OGC CSW bzw. CSWT (für schreibenden Zugriff) Die Schnittstellenimplementierungen heißen entsprechend - GetCapabilities - GetRecords - Transaction oder Harvest - GetCapabilities + GetRecords Zusätzlich ist eine Erweiterung für die geforderte Multilingualität des Dienstes notwendig Von der Mustererkennung zur GDI 53

54 Ausgewählte Standards Darstellungsdienste Darstellungsdienste dienen zur Visualisierung und der Navigation in (visualisierbaren) Geodaten Zusätzlich soll das Überlagern von Daten und die Darstellung von Legenden ermöglicht werden Die abstrakte Beschreibung erfolgt in der Durchführungsverordnung EG Nr. 976/2009 Darstellungsdienste haben folgende Schnittstellen - Get View Service Metadata - Get Map - Link View Service Von der Mustererkennung zur GDI 54

55 Ausgewählte Standards Darstellungsdienste Die technische Implementierung wird in einer Technischen Richtlinie beschrieben Basierend auf ISO 19128:2005 (OGC WMS 1.3.0) Die Schnittstellenimplementierungen heißen entsprechend - GetCapabilities - GetMap - nicht vorhanden (es wird auf die Suchdienste verwiesen) Es wird auf die Zeichenvorschriften der Datenmodelle (Styles) für die Darstellung verwiesen Zusätzlich ist eine Erweiterung für die geforderte Multilingualität des Dienstes notwendig Von der Mustererkennung zur GDI 55

56 Ausgewählte Standards Downloaddienste Downloaddienste dienen zum Bezug der Geodaten oder von Teilen davon Die abstrakte Beschreibung erfolgt später als Erweiterung der Durchführungsverordnung EG Nr. 976/2009 (noch im Entwurf) Downloaddienste haben folgende Schnittstellen - Get Download Service Metadata - Get Spatial Data Set - Describe Spatial Data Set - Link Download Service Von der Mustererkennung zur GDI 56

57 Ausgewählte Standards Downloaddienste Die technische Implementierung wird in einer Technischen Richtlinie beschrieben Basierend auf ISO (OGC WFS) und ISO (OGC Filter Encoding) Die Schnittstellenimplementierungen heißen entsprechend - GetCapabilities - GetFeature - DescribeFeatureType - nicht vorhanden (es wird auf die Suchdienste verwiesen) Zusätzlich ist ein direkter Download vordefinierter Datenpakete erlaubt, der dann über den Suchdienst als Link erfolgt Darüber hinaus ist eine Erweiterung für die geforderte Multilingualität des Dienstes notwendig Von der Mustererkennung zur GDI 57

58 Ausgewählte Standards Datenmodelle Die Definition der Datenmodelle dient ausdrücklich der Interoperabilität Problem bei Datenmodellen ist eine die semantische Interoperabilität Umgehung dieses Problems durch Harmonisierung der Datenmodelle Abstrakte Definitionen und Codelisten sind in einer Durchführungsbestimmung der Kommission geregelt (Commission Regulation), die noch im Entwurf ist Von der Mustererkennung zur GDI 58

59 Ausgewählte Standards Datenmodelle Die technische Implementierung wird wieder in Technical Guidelines beschrieben Derzeit liegen die Guidelines für Datenmodelle aus dem Annex I vor Annex II und III sind noch in Vorbereitung Als Datenformat ist ISO (GML) vorgesehen auf Basis ISO (encoding rules) Die räumlichen Elemente werden auf ISO (simple features) beschränkt Von der Mustererkennung zur GDI 59

60 Ausgewählte Standards Quelle: EU-Kommission: INSPIRE Data Specification on Protected Sites - Guidelines Von der Mustererkennung zur GDI 60

61 Fazit Die Daten wurden mit hohem (Kosten-) Aufwand erfasst, aber liegen meist in isolierten Systemen Eine europäische GDI bietet die Chance diese Daten zugänglich zu machen und auch zu nutzen Wissen und Kenntnisse über den Aufbau und die Funktionsweise von GDIs werden zum alltäglichen Handwerkszeug für Datenanbieter und Nutzer (und damit für Geodäten) Standards sind wichtig für die Umsetzung einer GDI INSPIRE muss als Chance für die Geoinformatik gesehen werden Von der Mustererkennung zur GDI 61

62 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! beraten. entwickeln. lösen. Von der Mustererkennung zur GDI 62

63 Quellen zu INSPIRE Webseite der Kommission zu INSPIRE: INSPIRE Roadmap: Richtlinie 2007/2/EG: Durchführungsverordnung 1205/2008: Durchführungsverordnung 976/2009: Gesetz über den Zugang zu digitalen Geodaten (GeoZG): Das Internetportal der GDI-DE: Inspire-Broschüre des Runder Tisch GIS e.v.: NSPIREGMES/INSPIRE_Broschuere_V4_final_web_geringaufl.pdf Von der Mustererkennung zur GDI 63