Mobile GDI-Werkstatt Bodensee: INSPIRE im Feldeinsatz mit Smartphones oder Tablets auf Android-Basis

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1 Mobile GDI-Werkstatt Bodensee: INSPIRE im Feldeinsatz mit Smartphones oder Tablets auf Android-Basis Zhihang Yao, Daniel Moraru, Andreas Scheueregger, Maximilian Sindram und Matthäus Schilcher Lehrstuhl für Geoinformatik Technische Universität München Kurzfassung: Im Rahmen des Forschungsprojektes Prototypische Entwicklung einer mobilen GIS Anwendung im Kontext von INSPIRE und GMES ist der Frage nachgegangen worden, welche konkreten Mehrwerte aus INSPIRE für einen mobilen Fachanwender erzielt werden können. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe eines mobilen Systems (Client) in einem Feldversuch nachgewiesen. Im Zentrum des Forschungsprojektes stand die Entwicklung einer intuitiven und schnell erlernbaren GUI (Graphical User Interface) auf der Displaygröße eines Smartphones oder Tablets. Die prototypische Implementierung der mobilen Applikation erfolgte auf Basis des Android Betriebssystems und ArcGIS for Android SDK. Anhand verschiedener Anwendungsszenarien aus dem Bereich Flurbereinigung, Kataster und Landnutzung und der Kombination von INSPIRE-Datenstrukturen sowie Fernerkundungsdaten (GMES) und Landnutzungsdaten (InVeKoS) wird der Nutzen europaweiter Geodateninfrastrukturen ermittelt. Mit der gewählten modernen Systemarchitektur wird eine Brücke zwischen Open Source und der ESRI-ArcGIS-Welt gebaut, um die Stärken beider Welten optimal nutzen zu können. Die Leistungsfähigkeit des Prototyps wurde im September 2012 vor Vertretern der Anwendungspraxis im Rahmen eines Feldversuchs in der Region Bodensee nachgewiesen. 1 Einführung Im Rahmen der europäischen Geodateninfrastrukturen werden mehrere internationale Projekten wie GMES (=Global Monitoring for Environment and Security) und INSPIRE (=Infrastructure for Spatial Information in the European Community) in Angriff genommen. INSPIRE-Daten wie z.b. Administrative Units oder Cadastral Parcels haben statischen Charakter und ändern sich nicht sehr oft. GMES, das zur europaweiten Umweltberichterstattung vorgesehen ist, soll kontinuierlich Erdbeobachtungsdaten bereitstellen (INSPIRE-GMES-Broschüre, KUNERT S.73, 2011). Die Landnutzungsdaten unterliegen einem häufigen Wandel und gelten somit als dynamische Daten. Es wird versucht diese dynamischen und statischen Geodaten optimal miteinander zu koppeln, um einen Mehrwert daraus zu generieren. Im vorherigen Forschungsprojekt InGeoSat Stufe 1 (Permanente INSPIRE-GMES-Testplattform für innovative Geo- und Satellitenanwendungen ) wurden die technologischen Voraussetzungen geschaffen, um Geodaten aus INSPIRE und GMES gemeinsam zu nutzen. Als Ergebnis dieses Projektes steht eine webbasierte Client-Lösung zur Verfügung, welche die beiden Datenwelten von INSPIRE und GMES vereint. Doch auch die Form des Clients unterliegt einem steten Wandel. Durch den Ausbau und die Verfügbarkeit mobiler Breitbandnetze haben die Smartphones und Tablets der neuen Generation ihren

2 Siegeszug im Rekordtempo als neue Platzhirsche der mobilen Clients angetreten. Diese Tatsache wird auch daran deutlich, dass bereits 50 % aller Internetzugriffe über mobile Endgeräte erfolgen (gis@work, Gerth S.4, 2012).). Im Forschungsprojekt Prototypische Entwicklung einer mobilen GIS Anwendung im Kontext von INSPIRE und GMES sollen deshalb die Potentiale der INSPIRE- und GMES-Welten über das klassische Internet hinaus in einer mobilen Anwendung aufgezeigt und die Machbarkeit sowie die Leistungsfähigkeit in einer prototypischen Realisierung verdeutlicht werden (siehe Abbildung 1). Mögliche Anwendungsszenarien zur Evaluierung der mobilen Applikation ergeben sich vor allem in den Bereichen Flurbereinigung und Kataster. Hierbei konnten an der TUM Synergien in der Forschung aus den Bereichen Ingenieurvermessung (Prof. Wunderlich) und Geoinformatik (Prof. Schilcher) sowie in der Anwendungspraxis zwischen dem Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden Württemberg (LGL) und Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden Württemberg (MLR) genutzt werden. Abbildung 1: Das Systemkonzept zur mobilen Applikation Kernziele dieses Projektes sind: Prototypische Entwicklung und Test der mobilen Applikation auf Basis von Annex 1 INSPIRE-, GMES- und InVeKoS- Daten aus der Region Bodensee Aufzeigen und Abschätzen der Potentiale einer Kopplung von INSPIRE und GMES anhand mobiler Applikationen aus dem Bereich der Flurbereinigung. Evaluierung des Prototyps mit Feldversuch Technische Implementierung der Offline- und Online- Lösung auf Basis der Kopplung von Open Source und ESRI Softwarekomponenten. Ableitung von Handlungsempfehlungen für Standards im mobilen Bereich 1

3 Stärkung des Standorts Bayern für innovative Geo-/Satellitenanwendungen und bayerischer Unternehmen beim Ausbau ihrer Marktposition und ihrer Positionierung im Hinblick auf EUweite Geodateninfrastrukturen bzw. INSPIRE zu unterstützen. Die prototypische Entwicklung der mobilen Applikation basiert auf Daten der Region Bodensee (Süd- Ost-Ende des Bodensees). Hier treffen die Staaten Österreich, Deutschland und Schweiz zusammen. Da in Deutschland aufgrund des föderalen Systems zwischen Bayern und Baden-Württemberg unterschieden wird, sind im Projekt die Geodaten von insgesamt vier Staaten bzw. Ländern zu betrachten. Im Rahmen des Forschungsprojektes Geodatenpool Bodensee wurden diese unterschiedlichen Datenquellen (Kataster und Topographie) nach INSPIRE Annex 1 transformiert. Die Ergebnisse stehen für das mobile GIS-Projekt zur Verfügung. Die klassifizierten GMES-Daten der GAF AG über Landnutzungsarten stehen ebenfalls für dieses Projekt zur Verfügung. Die Geodaten der landwirtschaftlichen Förderflächen des Integrierten Verwaltungs- und Kontrollsystems (InVeKoS) kommen auch zum Einsatz. Vor diesem Hintergrund geschieht die mobile Nutzung verteilter Geodaten mittels INSPIRE-und OGC-Netzdiensten für einen breiten Nutzerkreis. Folgende Abbildung zeigt einen Überblick der soeben abgehandelten Daten. Der aus diesem Projekt resultierende Prototyp soll es auf Basis von INSPIRE- und OGC-Netzdiensten ermöglichen, diese verschiedenen Datenquellen in den mobilen Client einladen und analysieren zu können (siehe Abbildung 2). Abbildung 2: INSPIRE-OGC-Netzdienste 2 Implementierung und Systemarchitektur Im Zentrum des Forschungsprojektes stand die Entwicklung einer intuitiven und schnell erlernbaren GUI (Graphical User Interface) auf der Displaygröße eines Smartphones oder Tablets. Die Prototypische Implementierung der Applikation erfolgt clientseitig auf Basis des Android Betriebssystems und ArcGIS for Android SDK, die es ermöglicht, Anwendungen mithilfe von Java zu erstellen, die die von ArcGIS Server bereitgestellten, leistungsstarken Karten-, Geokodierungs- und 2

4 Geoverarbeitungsfunktionen sowie benutzerdefinierte Funktionen verwenden, und diese Anwendungen dann in Android-Geräten einzusetzen ( Serverseitig kann die technische Architektur sowohl auf kommerzieller als auch auf Open Source Software basieren. Aus praktischen Erwägungen ist es notwendig, eine Offline- und eine Online-Lösung zur Verfügung zu stellen. Unter der Offline-Lösung versteht man die Datenerfassung im Feld mithilfe von GPS-Technologie, lokaler Datenverarbeitung und Speicherung. Die Online- Lösung ermöglicht den Zugriff auf einen zentralen Server nach dem Prinzip verteilter Geodaten auf Basis von OGC- bzw. INSPIRE-Standards. Die Analysen im Feld können clientbasiert durch ArcGIS for Android SDK erfolgen. Anhand verschiedener Anwendungsszenarien aus dem Bereich der Flurbereinigung und der Kombination der beim letzten Kapitel vorgestellten Datenquellen werden weitere mobile Applikation getestet (u.a. Katastervermessung). 2.1 Benutzeroberfläche Die Benutzeroberfläche der mobilen Applikation ist in Abbildung 3 dargestellt. Sie orientiert sich an bereits bestehenden mobilen Applikationen. Wichtig ist, dass die Kartendarstellung den Großteil des Bildschirms einnimmt und die Bedienelemente benutzerfreundlich und dezent angeordnet sind. Am unteren Bildrand befinden sich die Standard Android Bedienelemente. Am rechten Bildschirmrand befinden sich MapControl Elemente für GPS, Kartenorientierung und Layer Ausdehnung. Das Dynamic Panel am linken Bildschirmrand wird variabel genutzt z.b. für die Legende und erscheint nur bei Bedarf. Am oberen Bildschirmrand befinden sich die wichtigsten Bedienelemente. Dazu gehören die Toolbox, der Layermanager und der Editierbereich. Abbildung 3: Das Design der Benutzeroberfläche (D. Moraru, 2012) 2.2 Online-Lösung (Open Source) Der Kern der technischen Systemarchitektur der Online-Lösung der mobilen Applikation ist eine von der TUM entwickelte Java-Class, welche zwei JSON-Formate clientseitig zueinander konvertieren 3

5 kann. Diese Class wird GeoEsriJSONFactory genannt. EsriJSON ist ein kompaktes Datenformat für den Geodatenaustausch zwischen ArcGIS Server und Client Produkten. In der EsriJSON-Datei können sachliche und geometrische Informationen sowie Räumliche Bezugssysteme gespeichert werden. ArcGIS for Android SDK kann die EsriJSON-Datei einlesen, parsen und die Objekte auf der Karte (MapView Komponent von ArcGIS for Andorid SDK) graphisch darstellen. Somit wird ArcGIS for Android SDK als ein erweiterter Teil von ArcGIS Server angesehen. Das SDK ist zwar kostenfrei, aber dennoch stark mit ArcGIS Server verbunden. GeoJSON ist ein Datenformat zur Beschreibung geographischer Daten und wird von einigen Open Source Projekten unterstützt z.b. Quantum GIS, GeoServer usw. Es wäre fantastisch, wenn die EsriJSON und GeoJSON Formate flexibel zueinander konvertieren könnten. Abbildung 4 zeigt das Grundprinzip der geometrischen Transformation dieser zwei Datenformate. Die beiden Formate orientieren sich an unterschiedlichen geometrischen Typen, aber alle Objekte werden mit Hilfe von drei grundlegenden Geometrietypen abgebildet, nämlich Punkt, Linie und Fläche. Dies vereinfacht die Transformation dieser zwei Datenformate. Abbildung 4: Geometrische Transformation zwischen den Geo- und Esri- JSON Formaten Für die Systemarchitektur der Online-Lösung (Open Source) wurde die Abbildung 5 erarbeitet. Das Datenbankmanagementsystem PostgreSQL mit der PostGIS Erweiterung dient zur Datenhaltung der Geodaten und kann sehr leicht in Deegree und GeoServer eingebunden werden. Deegree und Geoserver stellen die OGC- und INSPIRE Dienste bereit. Serverseitig wird alternativ eine Python CGI verwendet, um das GML-Format nach GeoJSON-Format zu konvertieren. Das Python CGI kann auch mit Hilfe vieler Open Source Bibliotheken z.b. Gdal oder Shapely programmiert werden, um Räumliche Analysen zu implementieren. In Kombination mit der vorher vorgestellten GeoEsriJSONFactory-Class lassen sich die verteilten Vektor-Daten durch WFS Standards im mobilen Client graphisch darstellen. Clientseitig wird noch eine zusätzliche Java-Class WMSLayer auf Basis von DynamicMapServiceLayer von ArcGIS for Android SDK weiter entwickelt, um den WMS Service in den mobilen Client abzubilden. Somit ermöglicht diese mobile Applikation den Zugriff auf verteilte Geodaten bzw. eine hohe Interoperabilität. 4

6 Abbildung 5: Systemarchitektur für die Open Source-Lösung (Online) 2.3 Offline-Lösung Für die Offline-Lösung wurden ebenfalls drei Ebenen strukturiert (siehe Abbildung 6). In diesem Fall ist das Fundament das Dateisystem bzw. die SD-Card des Android-Gerätes. Dort werden die Vektor- Daten im Format GeoJSON gespeichert. Das Andorid SDK gilt hierbei als eine Ebene für die Dateiverwaltung. Die GeoJSON-Dateien können dort eingelesen oder geschrieben werden. Die Java- Class GeoEsriJSONFactory bewerkstelligt die Transformation, indem es die Vektor-Daten in EsriJSON oder EsriGraphics konvertiert. Die Java-Class GeometryEngine von ArcGIS for Android SDK ermöglicht die Koordinationstransformation damit die Geodaten unterschiedlicher Koordinatensysteme auf eine Karte (MapView) zusammengeführt werden können. Mit der GeometryEngine können auch einfache Geoverarbeitungsprozesse durchgeführt werden, wie z.b. Puffer-Erzeugung, Zusammenfassung (union), Verschneidung (intersect) usw. Die Kombination dieser Funktionen ermöglicht viele räumliche Analysesaufgaben. Für komplexere Aufgaben muss man dieselben Methoden programmieren oder man nutzt Online den ArcGIS Server Geoprocessing- Service. Diese Offline-Lösung entspricht fast einer Desktop GIS-Software auf einer mobilen Plattform und hat großes Potential für eine Weiterentwicklung in verschiedensten Anwendungsbereichen. 5

7 Abbildung 6: Systemarchitektur für die Offline-Lösung 3 Feldversuch Der Feldversuch wurde in Langenargen am Bodensee in Anwesenheit von Vertretern des LGL und MLR Baden-Württemberg durchgeführt. Als Testplattform kam das Samsung Galaxy Tab 2 zum Einsatz. Dieses Gerät verfügt über das aktuelle Android Betriebssystem (Icecream Sandwich) und bietet ein großes Display und mobiles Internet. Das im Tablett integrierte GPS ist für das Anwendungsszenario des Feldversuchs nicht genau genug. Aus diesem Grund wurde ein geodätischer GNSS Empfänger als RTK-GPS-System (real time Kinematik) mit SAPOS Referenz zum Einsatz gebracht. Dadurch werden Genauigkeiten im Zentimeterbereich erreicht. Im Vorfeld zum Feldversuch wurden die zu verwendenden InVeKoS, GMES, und INSPIRE Daten vorbereitet und im GeoJSON- Format lokal auf dem Android-Gerät bereitgestellt. Die Koordinaten der Stützpunkte wurden vor Ort per GPS aufgenommen und in XML-Format protokolliert. Die mobile Applikation kann diese XML- Datei parsen und eine Fläche daraus generieren, die dann als Auswahlgebiet für die nachfolgenden Analysen dient. Das Ergebnis des Geoverarbeitungsprozesses wurde wieder in einem GeoJSON- Format abgespeichert und kann im Post-Processing in einer Desktop Software z.b. Quantum GIS weiter verarbeitet und analysiert werden. Für den Feldversuch wurden zwei Anwendungsszenarien demonstriert. Das erste Anwendungsszenario befasst sich mit den InVeKoS-Daten. Dabei wurde simuliert, ob die sachlichen Voraussetzungen für die Bewilligung der finanziellen Förderung aus Mitteln der Agrarsubvention eingehalten werden. Beim zweiten Anwendungsszenario können die Landnutzungsarten für ein Auswahlgebiet aus GMES-Daten ermittelt werden. Als Ergebnis erhält man 6

8 den Landnutzungsgrad der Flächen in Prozent. Dazu gehören unter anderem die Landwirtschaft, Wald, Feuchtflächen usw. Um die Performance der prototypischen Applikation zu testen, wurden in den mobilen Client unterschiedliche Datensätze eingeladen und die dafür benötigten Laufzeiten ermittelt. Wie man aus der folgenden Tabelle entnehmen kann, sind die Anzahl der Flächen und die Anzahl der Punkte die wichtigsten Einflussfaktoren für die Laufzeit. Einer der Gründe dafür ist, dass jede Fläche beim Einladen immer von GeoJSON zu EsriJSON transformiert werden muss. Die GeoEsriJSONFactory- Class wird daher in die Zukunft weiter optimiert. Tabelle 1: Benötige Laufzeiten für das Einladen der Vektor-Daten 4 Zusammenfassung Die Innovationen des mobilen Projekts können wie folgt zusammengefasst werden. Die Datenwelt von INSPIRE, GMES und InVeKoS wurde erstmals in einem mobilen System kombiniert, mit Anwendungsszenarien evaluiert und durch einen Feldversuch erprobt. Der entwickelte Prototyp ermöglicht es, Open Source und kommerzielle Systemkomponenten miteinander zu kombinieren. Im Vergleich zu anderen schon bestehenden mobilen-gis-applikationen ist dieser Prototyp eine richtige, native Android-Applikation. Der Prototyp ist keine simple PhoneGap-OpenLayers-basierte Webanwendung, sondern kann sowohl online als auch offline Geodaten verarbeiten und analysieren. Als Fazit können folgende Punkte erwähnt werden Für zukünftige mobile Applikationen lassen sich die GPS Funktionalität mit hoher Genauigkeit und das mobile GIS-System verbinden. Leistungsfähigere Prozessoren und weit verbreitete Betriebssysteme mit speziellen Sicherheitsfunktionen sind für künftige Nutzer mobiler GIS-Applikationen von großer Bedeutung. Mobile GIS-Applikationen stehen mit ihren optional erweiterbaren Funktionalitäten nicht nur GIS- Experten zur Verfügung, sondern bilden ein flexibles Werkzeug auch für GIS-Laien. Für den praktischen Einsatz im Bereich der Geoinfrastrukturen bzw. von INSPIRE spielen nationale sowie internationale Standards für den Datenaustausch zwischen Server und Client eine wichtige Rolle. Diese werden im Rahmen der INSPIRE-Umsetzung zur Verfügung gestellt. 7

9 Die Vertreter der Anwendungspraxis haben den Prototyp des mobilen GIS wie folgt bewertet: Die Landwirtschaftsverwaltung Baden-Württemberg hat beim Feldversuch bestätigt, dass der entwickelte Prototyp denselben Funktionsumfang bietet, wie die in Baden-Württemberg gegenwärtig in der Praxis eingesetzte Software. Wichtig ist die Erkenntnis, dass mit der modernen Gerätekombination grundsätzlich auch Katastervermessungen und Grenzfeststellungen durchgeführt werden können. Man kann sich in Zukunft folgendes Szenario vorstellen: Ein- und derselbe Bearbeiter prüft die Flächen, die für die Zuschüsse beantragt wurden, misst gleichzeitig eine neue Nutzungsart ein, ist in der Lage, Grenzpunkte zu prüfen und möglicherweise sogar neue abzustecken und kann ganz nebenbei das im Liegenschaftskataster noch nicht enthaltene Gebäude einmessen. 5 Ausblick In einem nächsten Schritt könnte die Unterstützung von anderen Formaten (z.b. GML) Offline-fähig umgesetzt werden. Des Weiteren könnte die Performance der GeoEsriJSONFactory verbessert werden. Die Offline-Variante dieses mobilen Clients eignet sich aufgrund der mangelnden Netzabdeckung in Waldgebieten sehr gut für forstliche Anwendungen. Zur weiteren Verbreitung bzw. plattformübergreifend kann diese mobile Applikation auf Apple-iOS oder Windows Phone Plattformen implementiert werden. Neue Funktionalitäten wie z.b. Cloud-Computing (z.b. Cloubbasierte Plattform für die Holzlogistik) und 3D-Visualisierung (CityGML) könnten weitere Forschungsthemen sein. 6 Dank Die Verfasser bedanken sich bei allen Institutionen und Firmen, die unentgeltlich Daten für das Forschungsprojekt zur Verfügung gestellt haben: GAF AG München, LGL Baden-Württemberg Stuttgart, MLR Baden-Württemberg Stuttgart, Firma AED SICAD München. Von der Firma ESRI Deutschland haben wir für das Forschungsprojekt unentgeltlich ArcGIS Softwarekomponenten erhalten. Beim Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie bedanken wir uns für die Finanzierung des Forschungsprojekts InGeoSat. 8

10 7 Literaturverzeichnis [1]. Kunert, M. (2011): Expertenworkshop: Anwendungspotenzial von GMES im Geoinformations- Markt. In: Schilcher, M. (Hrsg.), INSPIRE-GMES Informationsbroschüre, 7. Auflage, Runder Tisch GIS e.v., München, S.73. [2]. Gerth, M. (2012): URL: S.4 (Stand: ) [3]. ArcGIS Resource Center, URL: (Stand: ) [4]. Moraru, D. (2012): Prototypische Entwicklung einer mobilen Anwendung im Kontext von INSPIRE, GMES und InVeKoS, Masterarbeit, Technische Universität München, Lehrstuhl für Geoinformatik, unveröffentlicht. [5]. Tatjana, K., Schilcher, M., Aderhold, B. (2012): INSPIRE auf dem Prüfstand der grenzüberschreitenden Praxistauglichkeit in der Testregion Bodensee. Strobl/Blaschke/Griesebner (Hrsg.), Beiträge zu 24. AGIT-Sysmposium Salzburg, Wichmann Verlag, Berlin, S [6]. Schönherr, H.J. (2012): Inspirationen zu INSPIRE. Koch/Kutzner/Eder (Hrsg.), Beiträge zum 18. Münchner Fortbildungsseminar 2012, Wichmann Verlag, Berlin, S Kontakt M.Sc. Zhihang Yao Technische Universität München Lehrstuhl für Geoinformatik Arcisstraße München Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthäus Schilcher Runder Tisch GIS e. V. c./o. Technische Universität München Arcisstraße München 9