Arbeiten mit Geodaten in Oracle und MySQL Gemeinsamkeiten und Unterschiede

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1 Arbeiten mit Geodaten in Oracle und MySQL Gemeinsamkeiten und Unterschiede M. Sc. Thomas Koch Searchmetrics GmbH Berlin Schlüsselworte: Geodaten, Oracle Spatial, Oracle Locator, MySQL Einleitung Nachdem Oracle am 20. April 2009 ankündigte Sun zu kaufen, existieren nun drei Möglichkeiten Geodaten zu speichern: Oracle Locator, Oracle Enterprise with Spatial Option und durch die Übernahme von Sun auch MySQL. Der Beitrag gibt eine Spatial Einführung mit Hauptaugenmerk auf die funktionellen Unterschiede zwischen beiden Datenbanksystemen - Oracle und MySQL. Dabei wird die Konformität zur OpenGIS-Spezifikation und zu diversen ISO-Normen (19125, , 9075), sowie die systemeigenen Erweiterungen betrachtet. Ein weiterer Punkt ist die Migration in beide Systeme. Abgerundet wird der Beitrag mit einem kurzen Überblick über Google Maps und Oracle Maps, die zur Visualisierung räumlicher Daten dienen. Entstehungsgeschichte der Geodaten in den Datenbanksystemen Um die Unterschiede zwischen beiden Datenbanksystemen (DBS) besser zu verstehen, ist die Entstehungsgeschichte seit der ersten Einführung von Geodaten in das jeweilige Datenbanksystem bis zum heutigen Stand von Bedeutung. Mit der Version von Oracle konnten die ersten Punkte (Multidimensional) gespeichert werden. Den richtigen Einstieg von Spatial schaffte Oracle mit der Version (1997). Von da an wurde von Version zu Version der Funktionsumfang von Oracle Spatial erweitert (siehe Abb. 1).

2 Abb. 1: Entwicklung von Oracle Spatial (angelehnt an [Czar2007]) MySQL hingegen unterstützt räumliche Datentypen mit der Version 4.1 (2003). Seit dem gibt es außer einigen Bugfixes keine nennenswerte weitere Entwicklungen im Bereich räumliche Daten. Vorherrschende Standards zur Speicherung von Geodaten Für den GIS-Markt sind zwei Organisationen (OGC und ISO) zu nennen, welche sich seit den 90er-Jahren um die Standardisierung von Geodaten bemühen: das Open Geospatial Consortium (OGC) ein Zusammenschluss von Forschungseinrichtungen, Universitäten, Firmen und öffentlichen Stellen und das Technische Komitee 211 Geographic Information/Geomatics (ISO/TC 211). Die Spezifikationen beschreiben, wie räumliche Daten in relationalen Datenbanken verwaltet und gespeichert werden. Sie definieren weiterhin Datentypen, Text- und Binärformate zur Darstellung geometrischer Daten, sowie eine Reihe von Funktionen zur Verarbeitung dieser geometrischen Daten veröffentlichte das OGC OpenGIS Simple Features Specifications For SQL. Auf dessen Basis beruht die ISO 19125, welche noch auf den SQL-Standard SQL-92 basiert, der auf einer relationale Datenbank beruht. Geoobjekte können hierbei nummerisch oder binär abgespeichert werden. Die definierten Datentypen sind der Abbildung 2 zu entnehmen. Weiterhin definiert das OGC geometrische und räumliche Analysefunktionen sowie ein einheitliches Geodatenformat, welches für einen Austausch zwischen verschieden Systemen geeignet ist: WKT-Format (Well-Known Text Format) eine Textrepräsentation und Well- Known Binary Format), die binäre Umsetzung (64Bit-Fließkommazahl) der geometrischen Daten. Zum SQL:1999-Standard (ISO/IEC 9075:1999) wurden Erweiterungen festgelegt, die nicht aufgrund ihrer Komplexität und Eigenständigkeit mit dem SQL-Standard decken konnten.

3 SQL/MM (SQL Multimedia and Application Package) ist der Oberbegriff, für die in der ISO beschriebenen Erweiterungen. SQL/MM Spatial (ISO ) ist im Gegensatz zum Simple-Feature auf eine objektorientierte oder objektrelationale Datenbank angewiesen. Denn die Datentypen können nur als Objekte gespeichert werden. Weitere wichtige Normen sind auf der jeweiligen Webseite des OGC und ISO/TC 211 zu finden. Abb. 2: Hierarchie der geometrischen Objekte (aus ISO 19125, 2006, S.5) Verwaltung von Geodaten Die OpenGIS-Spezifikationen ist die Basis für die Verwaltung räumlicher Daten in beiden DBS. Oracle hat die ISO vollständig umgesetzt. Hingegen MySQL bisher nur eine Teilimplementierung vorweist. Speicherung von geografischen Daten Für die Speicherung von räumlichen Daten bietet Oracle die generelle Klasse SDO_GEOMETRY, welche die verschiedenen Geometrien der Simple Feature Specification des OGC repräsentieren kann. Zusätzlich bietet Oracle Erweiterungen an, die konform mit weiteren Standards (z.b. ISO ) sind. Mit Hilfe zweier Parameter (SDO_GTYPE, SDO_ELEM_INFO bzw. SDO_POINT_TYPE) des SDO_GEOMETRY-Konstruktors lässt sich die jeweilige Geometrie definieren. -- Punkt anlegen INSERT INTO tblgeometry(position) VALUES (SDO_GEOMETRY( 2001, -- Punkt 8307, -- SRID WGS84 SDO_POINT_TYPE(-79, 37, NULL), -- Punktkoordinaten (zweidimensional)

4 NULL, NULL ) ); -- Polygon anlegen INSERT INTO tblgeometry(area) VALUES (SDO_GEOMETRY( 2003, -- zweidimensionales Polygon 8307, -- SRID WGS84 NULL, SDO_ELEM_INFO_ARRAY(1,1003,3), -- Rechteck (1003 = exterior) SDO_ORDINATE_ARRAY(-79,38, -79,39) -- Koordinaten ) ); Mit der Version 10g bietet Oracle Konstruktoren mit dem WKT/WKB-Format. -- Anwendung des WKT-Konstruktors INSERT INTO tblgeometry(position) VALUES (SDO_GEOMETRY( 'POINT(-79 37)', -- Point im WKT-Format SRID WGS84 ) ); MySQL bietet zur Speicherung von Geodaten kein eigenen implementierten Konstruktor, sondern eigene Konvertierungsfunktionen, die nur das WKT/WKB-Format mit zurzeit folgenden Datentypen unterstützen: Geometry, Point, LineString, Polygon, GeometryCollection, MultiPoint, MultiLineString und MultiPolygon. Alle weiteren definierten Klassen der Simple Feature Specification, sind bis jetzt nur als abstrakte Klassen implementiert, und somit für den Endanwender nicht nutzbar. In den Datentyp Geometry können alle Geometrien abgelegt werden. Die restlichen geometrischen Datentypen sind für die jeweilige Geometrie vorgesehen. -- Anlegen einer Geometrie in MySQL INSERT INTO tblgeometry(position) VALUES (GEOMFROMTEXT('POINT(-79 37)', 4326); Die SRID (EPSG-Code konform) ist optional und wird zurzeit von MySQL für sämtliche Funktionen ignoriert. Indexierung von Geodaten Beide DBS verwenden für die Indexierung den R-Tree-Index. Der R-Tree basiert auf das minimal umschließende Rechteck (MUR, engl. MBR) jeder Geometrie. In MySQL wird das SQL-Statement zum Erstellen des räumlichen Indexes, um das Wort Spatial erweitert. -- räumlicher Index in MySQL CREATE SPATIAL INDEX sdx_position ON tblgeometry(position)

5 In Oracle hingegen kann der Index durch zusätzliche Parameter spezialisiert werden. Auch ist es dort durch spezielle Parameter möglich, einen Quadtree-Index als räumlichen Index zu erstellen. -- Oracle: Quadtree-Index mit Hybrid Indexing CREATE INDEX qdx_hybrid_geometry ON tblgeometry(geometry) INDEXTYPE IS MDSYS.SPATIAL_INDEX PARAMETERS('SDO_LEVEL=4', SDO_NUMTILES=10); -- Oracle: nur bestimmte Geometrien (Polygone) erlaubt CREATE INDEX sdx_area ON tblgeometry(area) INDEXTYPE IS MDSYS.SPATIAL_INDEX PARAMETERS('LAYER_GTYPE=POLYGON'); Funktionen Die Funktionen für räumliche Daten lassen sich in allgemeine Funktionen (gelten für alle Geometrien), spezielle Funktionen (gelten nur für bestimmte Geometrien) und Analysefunktionen (beschreiben die Beziehung zwischen den Geometrien) gliedern. Beide DBS unterstützen eine Vielzahl dieser Funktionen. Aber MySQL unterstützt hingegen nur eingeschränkt bzw. nicht vollständig die Simple-Feature-Specification des OGC. Auch gibt es Besonderheiten in MySQL, die kurz zu erwähnen sind: Da Length() bereits für die Länge einer Zeichenkette vergeben ist, heißt die Funktion zur Ermittlung der Länge eines LineString-Wertes Glength(). Die existierenden Analysefunktionen für die Beziehung zwischen zwei Geometrien auf Basis der exakten Grenze, geben aber das gleiche Resultat wie die Funktionen, welche auf das MUR beruhen zurück. Die Oracle Analysefunktionen können sowohl die Analyse auf das MUR (SDO_FILTER) als auch auf die exakte Geometrie (SDO_RELATE). Weiterhin bietet Oracle Funktionen zur Distanzbestimmung und Umkreissuche (SDO_WITHIN_DISTANCE) sowie Nachbaranfragen (SDO_NN) und geometrischen Verbunden (SDO_JOIN). Dies alles ist bereits in Oracle Locator enthalten. Der Funktionsumfang für räumliche Daten erstreckt sich mit der Spatial Option in der Enterprise Edition weiter auf fertige Komponenten (Routing, Geocoder, GeoRaster, LRS etc.) und vordefinierte Datenmodelle (z.b. Netzwerkdatenmodell) sowie eine komplette Java-API. Migration von Geodaten In beiden DBS ist das Einspielen der räumlichen Daten per SQL mit Hilfe des WKT/WKB- Formates möglich. Oracle bietet noch weitere Möglichkeiten: per SQL mit Hilfe des SDO_GEOMETRY-Konstruktors, Oracle Shapefile Converter (auf OTN downloadbar), den Oracle SQL*Loader sowie Softwareprodukte von anderen Herstellern (z.b. FME von Safe Software) und diverse Exportfunktionen in GIS-Produkten. Geodaten zwischen beiden DBS auszutauschen, ist über das WKT-Format möglich. Jedoch ist ob acht auf der SRID zu geben. Oracle unterstützt die EPSG-Codes und bietet hauseigene SRID an, z.b. gibt es für den EPSG-Code 4326 (WGS84, Grundlage für GPS-Koordinaten) auch den SRID Für eine sichere Transformation zwischen den Referenzellipsoiden, die die Basis für alle Berechnungen auf der Erdoberfläche bilden, bietet Oracle die Funktion transform() an.

6 Visualisierung durch Maps Karten sind eine intuitive Darstellungsform von räumlichen Sachverhalten. Die Visualisierung von räumlichen Daten geschah bisher in GIS-Anwendungen als reine Desktopanwendung. Mit dem Einzug von AJAX in Internetanwendungen sind Maps zur Visualisierung von Geodaten in Browsern besonders beliebt, weil sie für jedermann verfügbar gemacht werden können. Google Maps Google Maps sind in jede Webseite einbaubar. Das Kartenmaterial als auch Funktionen werden über die JavaScript-API von Google bereitgestellt. Somit basiert die Visualisierung auf den Karten- und Datenbestand von Google. Ein nennenswertes Feature ist der eingebaute Geocoder. Damit lassen sich auch postalische Adressen lokalisieren. /** * Erstellung der Map im angegebenen <div>-bereich {Object id div-bereich {Object lat Latitude {Object lon Longitude */ function buildmap(div_id, lat, lon, zoom) { // die Map (für das div mit der id) var map = new GMap2(document.getElementById(id)); // mit Typ-Auswahl map.addcontrol(new GMapTypeControl()); // (Breitengrad, Längengrad), Zoomstufe, Mapansicht map.setcenter(new GLatLng(lat, lon), 5, G_SATELLITE_MAP); /** * nutzen des Geocoders, um eine Adresse auf der Map zu zeigen {Object address Adresse */ function showaddress(address) { if (geocoder) { //Koordinaten für Adresse abfragen geocoder.getlatlng(address, function(point) { if (!point) { alert(address+ " not found"); else { map.setcenter(point, 13); var marker = new GMarker(point); map.addoverlay(marker); marker.openinfowindowhtml(address); );

7 Räumliche Daten können somit auf gleiche Weise aus beiden DBS mit Google Maps dargestellt werden. Oracle Maps Neben Google Maps stellt Oracle mit Oracle Maps ein Konkurrenzprodukt auf den Markt. Der Oracle MapViewer benötigt den Oracle Application Server Containers for J2EE (OC4J), eine Standardkomponente des Oracle Application Servers. Den OC4J gibt es ebenfalls als Standalone-Installation. Der MapViewer erzeugt Folien (Layer) auf Grundlage von Geo-, Sach- und Metadaten, die in Tabellen vorliegen bzw. berechnet werden können, und kombiniert diese zu digitalen Kartenwerken, die über das Web abgerufen und betrachtet werden können. Die überlagerten Folien bilden zusammen gerendert die Map (siehe Abb. 3). Abb. 3: Oracle Maps bestehend aus Folien mit Geodaten aus verschiedenen Quellen Die Metadaten der Map (themes, symbols, styles) werden mit XML beschrieben. Oracle gibt für die Erstellung der Maps den MapBuilder zur Hand. Zusammenfassung In diesem Beitrag wurden die beiden DBS Oracle und MySQL im Bezug auf die Verwaltung von Geodaten gegenüber gestellt. Der Sieger dieses Vergleiches ist Oracle. Oracle Spatial wurde seit 1997 fortlaufend weiterentwickelt. Hingegen MySQL 2003 nur den ersten Schritt in Richtung Speicherung von räumlichen Daten getan hat. Für Anwendungen, die nur einen räumlichen Datenspeicher benötigen, ist MySQL geeignet. Für weitere Funktionalitäten ist

8 der Funktionsumfang zu gering. Als günstige Alternative bietet sich Oracle in der Express- Edition an. Dort steht der volle Funktionsumfang von Oracle Locator zur Verfügung: Speicherung (SDO_GEOMETRY) und Indexierung von Geodaten sowie diverse Analysefunktionen. Erst mit der Oracle Spatial Option in der Enterprise Edition kommt die volle Funktionalität zum Tragen: MapViewer, Network Data Model, Liniear Referencing System (LRS), Geocoder, GeoRaster etc. Die Arbeit mit Oracle Maps ist vielseitiger als mit Google Maps. Jedoch bietet Google Maps ein Geocoder kostenfrei mit an. Quellen: [Brin2005] Brinkhoff, Thomas: Geodatenbanksysteme in Theorie und Praxis. Herbert Wichmann Verlag Heidelberg, ISBN X [KoBe2004] Kothuri, Albert; Beinat E.: Pro Oracle Spatial. Springer Verlag, ISBN [Koch2008A] Koch, Thomas: Geoinformationssysteme und Datenbanken. VDM Verlag Saarbrücken, ISBN [Koch2008B] Koch, Thomas: Verwaltung von Geodaten in Oracle. VDM Verlag Saarbrücken, ISBN [Kofl2005] Kofler, Michael.: MySQL Auflage. Addison-Wesley, ISBN [Czar2007] Czarski, Carsten: Oracle Spatial: Der Stand der Dinge, URL Kontakt: M.Sc. Thomas Koch it@job-koch.com Internet: it.job-koch.com