Diplomarbeit. Einsatzmöglichkeiten von Technologien des SensorWeb in der Umweltmodellierung

Friedrich-Schiller-Universität Jena Chemisch-Geowissenschaftliche Fakultät Institut für Geographie Lehrstuhl für Geoinformatik, Geohydrologie und Modellierung Diplomarbeit Einsatzmöglichkeiten von Technologien des SensorWeb in der Umweltmodellierung eingereicht im April 2010 von Volker Andres Gutachter: Prof. Dr. Wolfgang-Albert Flügel Dr. Sven Kralisch

Inhalt Abbildungen, Tabellen und Listings 3 Abkürzungen 4 1. Einleitung 6 2. Grundlagen und Stand der Forschung 8 2.1. Internationale Normen und Standards...................... 8 2.1.1. Institutionen und Organisationen..................... 9 2.1.2. Normierungen und Standardisierung geographischer Informationen.. 10 2.2. Wichtige Normen und Standards und Themengebiete im Rahmen dieser Arbeit 27 2.2.1. Service-orientierte Architektur...................... 27 2.2.2. Sensor Web Enablement und seine Standards.............. 28 2.2.3. Universal Resource Identifier als Verweise auf Definitionen...... 36 2.3. Umsetzungen und Anwendungsszenarien.................... 38 2.3.1. Wupperverband.............................. 39 2.3.2. Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes............. 40 2.4. Ausgangslage am Lehrstuhl............................ 42 2.4.1. River Basin Information System..................... 42 2.4.2. Jena Adaptable Modelling System.................... 43 2.4.3. Kopplung der beiden Systeme...................... 45 3. Problemstellung, Zielsetzung und Methodik 46 4. Implementierung im Rahmen des River Basin Information Systems 48 4.1. Beschreibung der Ausgangslage......................... 48 4.2. Kodierung und Implementierung in XML.................... 48 4.2.1. Beschreibung der Meßstationen..................... 49 4.2.2. Beschreibung der Zeitreihen....................... 52 4.3. Umsetzung in der Skriptsprache PHP: Hypertext Preprocessor......... 55 5. Ergebnisse und Diskussion 58 6. Zusammenfassung 60 Literatur 62 A. Quelltexte 68 A.1. XML-Dokumente................................. 68 A.2. PHP-Script.................................... 71

Abbildungen 1. Überblick über die Normen der ISO 191xx Serie................ 12 2. Überblick über die OpenGIS Standards des Open Geospatial Consortium bezüglich Geospatial Information........................ 21 3. Überblick über die OpenGIS Standards des Open Geospatial Consortium bezüglich Geospatial Services.......................... 26 4. Sensor Web Enablement (Standards und Dokumente des OGC)......... 30 5. Konzeptionelles Modell zur Beschreibung einer Beobachtung als UML-Diagramm 33 6. Interaktionen zwischen Komponenten des SWE................. 36 Tabellen 1. Bezüge von GML auf Normen der ISO...................... 23 Listings 1. Verwendung von Uniform Resource Names................... 50 2. Beschreibung für in einer Meßstation enthaltene Sensoren............ 51 3. Beschreibung der Zeitreihe............................ 51 4. Beschreibung der Phänomene........................... 53 5. Beschreibung des Datensatzformates....................... 54 6. Beschreibung der Station............................. 68 7. Ausgabe des RBIS in der JAMS Data Description Language.......... 69 8. PHP-Script zur automatischen Generierung der XML-Dateien......... 71

Abkürzungen API ASCII DIGEST DIN DLZ-IT DTD EPSG GDI-DE GIS GML GPS IDL ISO ISO/TC211 ISO/TR ISO/TS IWRM JAMS JDDL KML LBS NATO O&M OGC RBIS SAS SensorML SI SOS SPS SQL SWE TIN TML UML URI URL URN W3C WNS WSV Application Programming Interface American Standard Code for Information Interchange Digital Geographic Information Exchange Standard Deutsches Institut für Normung Dienstleistungszentrum Informationstechnik Document Type Definition European Petroleum Survey Group Geodateninfrastruktur in Deutschland Geographisches Informationssystem Geography Markup Language Global Positioning Systems Interactive Data Language International Organization for Standardization ISO Technical Committee 211 Geographic information/geomatics ISO Technical Report ISO Technical Specification Integriertes Wasserressourcen-Management Jena Adaptable Modelling System JAMS Data Description Language Keyhole Markup Language Location Based Services North Atlantic Treaty Organization Observations & Measurements Open Geospatial Consortium, Inc. River Basin Information System Sensor Alert Service Sensor Model Language Le Système international d unités Sensor Observation Service Sensor Planning Service Structured Query Language Sensor Web Enablement Triangulated irregular network Transducer Model Language Unified Modeling Language Universal Resource Identifier Universal Resource Locator Universal Resource Name World Wide Web Consortium Web Notification Service Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes

XMI XML XSD XML Metadata Interchange Extensible Markup Language XML Schema Definition

1. Einleitung 6 1. Einleitung Zu Beginn der 1970er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts rückte ein globales Problem zusehends in den Blickpunkt der Öffentlichkeit. Man wurde sich der Grenzen des Wachstums bewußt, man entdeckte die Umwelt und ihre globale Schädigung und nahm die vielfältigen Facetten des globalen Umweltwandels plötzlich als wohl komplexestes Gegenwartsproblem der Menschheit wahr (GEBHARDT et al., 2007, 961). Besonders seit der Zeit der Industrialisierung war ein enormer Anstieg der Bevölkerung zu verzeichnen, der zur Folge hatte, daß die natürlichen Ressourcen durch den Menschen immer stärker und rücksichtsloser ausgebeutet wurden, ohne ihre jeweilige Belastbarkeit zu beachten. Die Degradation der Umwelt durch unangepaßte Nutzungen wurde dadurch immer mehr vorangetrieben. Mittlerweile besteht jedoch ein weitestgehend weltweiter Konsens darüber, daß dem Einhalt geboten werden muß und die Lebensgrundlagen kommender Generationen nur gesichert werden können, wenn zukünftige Entwicklungen den Zustand und die Bedürfnisse der gesellschaftlichen und ökologischen Systeme der Erde berücksichtigen und nachhaltig und gemeinsam verwirklicht werden (GEBHARDT et al., 2007, 967). Verantwortungsvolles menschliches Eingreifen in diese Systeme bedingt aber auch eine hinreichende Kenntnis der Systemzusammenhänge, d.h. der Prozesse und deren Beziehungsgeflecht untereinander, wenn der Systemzustand verbessert werden soll. Systemanalyse und Umweltmodellierung sind dabei auf große Mengen an Informationen angewiesen, um dieses Verständnis aufzubauen und Strategien für nachhaltige Nutzungs- und Managementkonzepte zu entwickeln. In diesem Zusammenhang kommt der Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur automatischen Informationsverarbeitung besondere Bedeutung zu, damit Forschern und Entscheidungsträgern im Natur- und Landschaftsschutz auf effektive Weise Daten geliefert werden können. Diese sind dann die Grundlage für deren Bemühungen um die Erweiterung des Systemverständnisses bzw. für konkrete Umsetzungsmaßnahmen zum Schutz der Natur. Am Lehrstuhl für Geoinformatik, Geohydrologie und Modellierung an der Friedrich-Schiller- Universität Jena befaßt man sich mit der Untersuchung hydrologischer Systeme. Die komplexen Anforderungen an das Management relevanter Umweltdaten als Grundlage für deren Untersuchungen führten zur Entwicklung des River Basin Information Systems (RBIS) (FLÜGEL, 2007, 207), mit dem es möglich wurde, Geodaten, Zeitreihendaten, Simulationsmodelldaten und Dokumentendaten zu speichern und zu verwalten. Diese können über entsprechende Schnittstellen den jeweiligen Interessenten zur Verfügung gestellt werden. Zur Simulation von Umweltmodellen wurde am selben Lehrstuhl das Jena Adaptable Modelling System (JAMS) (KRALISCH & KRAUSE, 2006, 207) entwickelt. Durch seinen modularen Aufbau

1. Einleitung 7 erlaubt es eine sehr flexible Handhabung der simulierten Modelle, indem einzelne Komponenten respektive Prozesse den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden können. Eine grundlegende Fähigkeit von JAMS besteht in der Möglichkeit, Modelle zu erstellen, die Umweltprozesse an diskreten Punkten in Raum und Zeit simulieren können (KRALISCH et al., 2009, 905). Dieses Grundprinzip der verteilten Modellierung hat zur Folge, daß sehr viele Meßdaten in die Berechnungen des Modells einfließen, welche möglichst unkompliziert und automatisiert importiert werden sollten. Während in der Anfangszeit der Entwicklung von JAMS dies noch manuell über eine vom Modellierer durchzuführende Formatierung von ASCII-Dateien erfolgten mußte, kann man gegenwärtig die Möglichkeiten eines DataStores nutzen. Dies ist ein spezielles Interface von JAMS, das benutzt werden kann, um auf externe Speichermedien zuzugreifen; sei es ein Datenbanksystem oder auch ein Netzwerksocket. Unter Zuhilfenahme einer webbasierten Exportroutine des RBIS kann dann eine Beschreibung der erforderlichen Eingabedaten in der Extensible Markup Language (XML) bzw. JAMS Data Description Language (JDDL) angefordert werden. Anschließend ist JAMS mittels der Informationen in dieser Datei in der Lage, Zugriff auf die Daten zu bekommen (KRALISCH et al., 2009, 907). Hierbei handelt es sich um einen proprietären Ansatz, der zwar offengelegt und dokumentiert ist, aber andererseits einer Entwicklung der letzten Jahre im Geodatenbereich zuwiderläuft und so gewisse Einschränkungen mit sich bringt. Es hat sich in der Vergangenheit immer mehr die Notwendigkeit gezeigt, gerade im Geodatenbereich Normierungen einzuführen, um den gewaltig gewachsenen Anforderungen noch gerecht werden zu können. Neben der International Organization for Standardization (ISO) hat sich im Bereich der internationalen Normierung bzw. Standardisierung vor allem das Open Geospatial Consortium (OGC) hervorgetan. So entstanden bis heute viele de-facto Standards, die weite Verbreitung in der Community der geographischen Datenverarbeitung gefunden haben. Ein Teilbereich der Standardisierungen des OGC betrifft den Bereich der Sensordaten. Mit dem sogenannten Sensor Web Enablement hat man eine Gruppe von Standards geschaffen, die für das Auffinden, den Austausch und die Verarbeitung von Sensordaten sowie die Steuerung von Sensorsystemen zuständig sind (BOTTS et al., 2006). Die Aufgabe dieser Diplomarbeit bestand nun darin, die Möglichkeiten der Anwendung der Standards des Sensor Web Enablement für die Kopplung der Datenhaltung im RBIS und der Modellierung im JAMS zu prüfen und eine Implementierung vorzunehmen.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 8 2. Grundlagen und Stand der Forschung 2.1. Internationale Normen und Standards Die Erde ist ein komplexes, dynamisches System, das ständigen Veränderungen unterliegt. Wie und mit welcher Gewißheit kann man jedoch wissen, ob sich etwa das Weltklima verändert oder wie rasch dieser Vorgang abläuft? Zu welchem Grad tut er dies, zeigt er ein ansteigendes Verhalten oder ein absteigendes? Handelt es sich um natürliche Vorgänge oder um menschlich beeinflußte? All diese Fragen können auf wissenschaftliche Art und Weise nur durch systematische Messungen und anschließendem Vergleich mit vergangenen Aufzeichnungen korrekt beantwortet werden. Mithin ist es nötig zu wissen, was man messen soll und wie, wo und wann man es tun soll. Normen und Standards ermöglichen, daß Messungen und Vergleiche sinnvoll sind und nachhaltige Bedeutung erhalten. Sie geben Richtlinien zur Durchführung, Dokumentation und Interpretation von Messungen, zur Integration, Archivierung und Verteilung von Daten, für die Darstellung von Ergebnissen und zur Handhabung von Abläufen. (ØSTENSEN et al., 2008, 35) Etwas allgemeiner beschreibt die Internationale Organisation für Standardisierung (ISO) den Sinn von Normen: Standards ensure desirable characteristics of products and services such as quality, environmental friendliness, safety, reliability, efficiency and interchangeability - and at an economical cost (INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, 2009). Bezogen auf den Bereich der Geographie bzw. Geoinformatik kann als wichtigstes Ziel der verschiedensten Normierungs- und Standardisierungsprozesse die Interoperabilität gesehen werden. Nur so kann über Software-, System- und Institutionsgrenzen hinweg effizient miteinander kommuniziert und zusammengearbeitet werden (ANDRAE, 2009, 23). Die folgenden Abschnitte befassen sich nun mit zwei wichtigen Normierungs- bzw. Standardisierungsorganisationen und deren Beiträge zur Vereinheitlichung geographischer Informationen.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 9 2.1.1. Institutionen und Organisationen International Organization for Standardization Die ISO ist die weltweit größte Vereinigung zur Entwicklung und Herausgabe von internationalen Normen. Sie wirkt dabei als Koordinator zwischen ihren Mitgliedern, die im allgemeinen ebenfalls Organisationen zur Erstellung und Veröffentlichung von Normen und Standards 1 sind. Diese Eigenschaft besitzen sie jedoch dann lediglich im nationalstaatlichen Rahmen, wie etwa das für Deutschland bestehende Deutsche Institut für Normung (DIN). Gegenwärtig hat die ISO Mitglieder aus 162 Ländern, wobei jedes Land nur eine Mitgliedkörperschaft stellt. (INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, 2009) Da diese nationalen Körperschaften jedoch nicht immer über die nötige Expertise zur Erstellung der gesamten Bandbreite an Normen verfügen, hat die ISO einen weiteren Typ der Mitgliedschaft geschaffen. Auf diese Weise können etwa Firmen über entsprechende Interessenvertretungen ebenfalls Einfluß auf die Normierungsprozesse der ISO nehmen. Derartige Organisationen, wie beispielsweise das Open Geospatial Consortium (OGC), nennt man dann External Liaison Organisations (KRESSE & FADAIE, 2004, 11). Das eigentliche Erarbeiten der Normen geschieht dezentralisiert überall auf der Welt in der Zuständigkeit von Technical Committees und Subcommittees. Das Zentralsekretariat in Genf in der Schweiz koordiniert und überwacht lediglich, daß die Konsistenz der ISO-Normen gemäß den Vorschriften der ISO gewahrt bleibt. Jedes Komitee und Unterkomitee besitzt ein eigenes Sekretariat an einer entsprechenden Fachinstitution, wie etwa dasjenige des ISO/TC211 (Geographic information/geomatics), das der Norwegian Mapping Authority bei Oslo angegliedert ist. Zur Zeit gehören diesem im geoinformatischen Kontext wichtigsten Ausschuß etwa 200 Mitglieder an, welche sich zweimal pro Jahr zusammenfinden, um die Ausarbeitungen und Standardisierungsabläufe voranzubringen (KRESSE & FADAIE, 2004, 11). Open Geospatial Consortium Das OGC wurde 1994 als OpenGIS Consortium 2 gegründet. Historisch entstand es aus der Open GRASS Foundation, die ursprünglich mit der Erstellung der Geographic Resource Analysis Support Software befaßt war, jedoch in den frühen neunziger Jahren eine grundlegende Umorientierung erlebte (WESTERVELT, 2004, 5). Versuche der Zusammenführung von Raster- und Vektor-GIS hatten dazu geführt, daß Konzepte für ein interoperables OpenGIS entworfen worden waren, welche als Hauptziel die Integration geoverarbeitender Prozesse in allgemeine IT-Umgebungen gehabt hatten. Die Weiterverfolgung dieser Gedanken 1 Während eine Norm von staatlich anerkannter Stelle verabschiedet wird (de-jure), bezeichnet ein Standard eher eine industrielle Übereinkunft zur Vereinheitlichung (de-facto). Im Englischen wird jedoch beides lediglich als standard bezeichnet, bzw. als formal standard und industry standard. (KRESSE & FADAIE, 2004, 4) 2 Die Umbenennung von OpenGIS Consortium in Open Geospatial Consortium erfolgte im Jahre 2004.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 10 hatte dann 1993 zu der Vision von verschiedensten geoverarbeitenden Systemen geführt, welche über Netzwerke und offene Schnittstellen miteinander kommunizieren können sollten. Eine Ausarbeitung entsprechender Spezifikationen und Standards war dann jedoch weit jenseits der ursprünglichen Zweckbestimmung der Open GRASS Foundation, die sich mehr der Systementwicklung eines geographischen Informationssystems verpflichtet sah. Deswegen entschloß man sich zur Gründung eines eigenständigen Industriekonsortiums, das sich mit diesen Aufgaben befassen sollte (ANDRAE, 2009, 23). Das daraufhin gegründete OGC entwickelte sich im Laufe der folgenden Jahre zur wichtigsten Organisation für die Standardisierung geographischer Informationen. Heute hat es 385 Mitglieder (OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM, 2009a) aus Industrie, öffentlicher Verwaltung und aus Universitäten, deren gemeinsames Ziel es ist, in einem konsensorientiertem Prozeß [e]ine Informationswelt zu schaffen, in der jedermann Geoinformationen und Geodienste über Netzwerk-, Applikations- und Plattformgrenzen hinweg nutzen kann. Dabei besteht die zentrale Aufgabe darin, raumbezogene Schnittstellenspezifikationen zu erstellen, die weltweit frei verfügbar sind und unentgeltlich genutzt werden können (PICHLER & KLOPFER, 2005, 9). ISO versus OGC Beide Organisationen haben sich auf je eigene Art und Weise der Normierung und Standardisierung geographischer Informationen respektive Informationsübertragung verschrieben. Dies bedeutet jedoch in der Praxis nicht, daß eine Entscheidung für die Anwendung der Normen der ISO oder der Standards des OGC nötig würde. Vielmehr besteht durch eine speziell eingesetzte Joint Advisory Group des OGC faktisch eine enge Zusammenarbeit beider Institutionen, die häufig dazu führt, daß Standards des OGC durch die ISO oder Normen der ISO durch das OGC übernommen 3 werden. Diese enge Zusammenarbeit wird oft noch dadurch ergänzt, daß Mitglieder in beiden Standardisierungsgremien aktiv sind, also in den Arbeitsgruppen des OGC und im ISO/TC211 (PICHLER & KLOPFER, 2005, 10). Nun sollen die von beiden Organisationen erarbeiteten Normen und Standards etwas genauer vorgestellt werden und aufgezeigt werden, wo sich die Arbeitsfelder überschneiden oder ob es doch womöglich geringfügige Unterschiede bei den Prioritäten von ISO und OGC gibt. 2.1.2. Normierungen und Standardisierung geographischer Informationen Die Arbeitsfelder des ISO/TC211 und des OGC unterscheiden sich besonders in der Art der Normen und Standards, die sie hauptsächlich erstellen. ISO-Normen behandeln fast ausschließlich 3 Etwa wurde der beim OGC erarbeitete Standard für die Geography Markup Language (GML) als ISO 19136 übernommen oder die Norm für Metadaten ISO 19115 als Lösung des Topics 11 innerhalb der Abstract Specifications des OGC adaptiert.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 11 sehr grundlegende Themen in allgemeiner Weise und definieren die entsprechenden konzeptionellen Lösungsansätze. Das OGC hingegen übernimmt häufig diese Normen als Abstract Specifications in seinen Fundus und entwickelt daraufaufbauend sogenannte Implementation Standards, die beispielsweise die Interfacestruktur zwischen den Softwarekomponenten detailliert beschreiben. PICHLER & KLOPFER (2005, 11) fassen diesen Sachverhalt so zusammen: ISO-Standards und abstrakte Spezifikationen des OGC stellen die vergleichbaren theoretischkonsistenten Vorschriften dar, während die praktischen Übertragungen in den OpenGIS-Implementierungsspezifikationen festgelegt werden. Diese OpenGIS-Spezifikationen sind Dokumente, die rules, guidelines or characteristics for interfaces and encodings aimed at the achievement of the optimum degree of interoperability (OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM, 2009b) beschreiben. Jedoch geht es nicht um die Definition einer Vielzahl von Daten- bzw. Datenaustauschformaten, wie dies noch zu Zeiten monolithischer GIS-Systeme üblich gewesen war. Vielmehr unterscheidet sich der Ansatz des OGC dadurch, daß die Implementation Standards Zugriffsschnittstellen zu Geoinformationsdiensten (Webservices) beschreiben, welche fest definierte GIS-Funktionalitäten zusammenfassen. So können völlig unabhängig von der internen Arbeitsweise und Datenhaltung der zugrundeliegenden Systeme Datenverarbeitungsfunktionen zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil besteht darin, daß auf diese Weise das Arbeiten mit heterogenen Datenbeständen ohne vorherige Konvertierungen möglich wird (PICHLER & KLOPFER, 2005, 11). Eine grobe Einteilung der Normen und Standards beider Organisationen kann deshalb so erfolgen: Gegenüber den abstrakten Spezifikationen stehen die Spezifikationen, die sich mit der Implementierung befassen. Diese wiederum kann man in solche unterteilen, die sich um die Beschreibung der Dienste (Webservices) kümmern und in solche, in denen die Beschreibung der zu übertragenden Informationen erfolgt.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 12 ISO 19100 standards Reference model (ISO 19101) Infrastructure standards Basic standards Imagery standards Catalogue standards Implementation standards Qualification and certififation of personal (ISO/TR 19122) Conceptual schema language (ISO/TS 19103) Services (ISO 19119) Framework (ISO 19129, ISO/TR 19121, ISO/RS 19124) Procedure for registration (ISO 19135) Data product specification (ISO 19131) Terminology (ISO 19104) Rules for application schema (ISO19109) Sensors (ISO 19130) Feature catalogues (ISO 19110) Simple feature (ISO 19125-1/2) Conformance and testing (ISO 19105) Spatial schema (ISO 19107) Coverages (ISO 19123) Data dictionary registers (ISO 19126) Geography Markup Language (ISO 19136) Profiles (ISO 19106, ISO/TR 19120) Temporal schema (ISO 19108) Web Map server interface (ISO 19128) Portrayal (ISO 19117) Location based interface (ISO 19132-19134) Encoding (ISO 19118) Metadata implementation (ISO 19139) Georeference (ISO 19111, 19127, 19112, 19116) Metadata (ISO 19115) Quality (ISO 19113, 19114, ISO/TS 19138) Abbildung 1: Überblick über die Normen der ISO 191xx Serie; graphisch verändert nach (KRESSE & FADAIE, 2004, 53)

2. Grundlagen und Stand der Forschung 13 Normen der Serie ISO 191xx Einen Überblick über den Umfang und die Themen der Normen der ISO für den Bereich Geographic information/geomatics gibt Abbildung 1. Die dort verwendeten Kategorien infrastructure, basic, imagery, catalogue und implementation standards sind keine offiziellen Bezeichnungen. Da sie jedoch in internen Diskussionen häufig verwendet werden und für das Verständnis der übergreifenden Struktur der Normenfamilie hilfreich sind, werden sie in Anlehnung an KRESSE & FADAIE (2004, 53) hier ebenfalls benutzt. Nachfolgend werden die einzelnen Normen kurz beschrieben, da diesbezügliche Kenntnisse für das Verständnis und die Einordnung der später näher zu betrachtenden Suite Sensor Web Enablement sehr hilfreich sind. Denn der darin enthaltene zentrale Standard der Sensor Model Language (SensorML) ist als Anwendungsschema von ISO 19136 angelegt und somit eng mit den einzelnen Mitglieder der Normenreihe 19100 verknüpft. Reference Model Komplexe Vorhaben wie die Normierung der geographischen Informationsverarbeitung benötigen ein Referenzmodell, das der Festlegung einer einheitlichen Vorgehensweise, der Strukturierung des Gesamtvorhabens und der Definition der Schnittstellen zwischen den einzelnen Normen dient. Dies leistet die Norm Geographic information Reference model (ISO19101:2002). Weiterhin beschreibt sie den Bedarf an Standardisierung und die grundlegenden Prinzipien für die Entwicklung von Standards und stellt fest, in welchen Bereichen allgemeine Normen übernommen werden können und wo besondere Vorgaben für den geographischen Bereich erstellt werden müssen (DIN19101, 2005, 2) 4. Infrastructure standards Die hierzu zählenden Normen regeln grundsätzliche Dinge, welche für alle Teilbereiche der Normenreihe ISO 19100 gültig sind. Geographic information Conceptual schema language (ISO/TS 19103:2005) bestimmt zwei Möglichkeiten zur einheitlichen konzeptionellen Beschreibung von Sachverhalten des jeweiligen Diskurses: EXPRESS, eine Modellierungssprache, die vorwiegend im Maschinenbau Anwendung findet und UML, die Unified Modeling Language. Obwohl beide verwendet werden können, wird letztere bevorzugt, da es sich gezeigt hat, daß UML Vorzüge hinsichtlich der geomatischen Modellierung hat (KRESSE & FADAIE, 2004, 56). Geographic information Terminology (ISO/TS 19104:2008) gibt Richtlinien für die einheitliche und durchgängige Verwendung von Begriffen und für die Wartung diesbezüglicher 4 Die Quellenangaben hinsichtlich der ISO-Normen beziehen sich in dieser Arbeit meist nicht direkt auf die offizielle Ausgabe der jeweiligen ISO-Norm, sondern auf die Ausgaben, die als DIN-Norm bzw. DIN EN ISO-Norm übernommen wurden. Die Übernahme durch das Deutsches Institut für Normung erfolgt dabei im allgemeinen ohne Veränderung der ursprünglichen ISO-Norm, jedoch mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 14 Verzeichnisse. Das Ziel einer konsistenten Begriffsverwendung ist in der Praxis jedoch eine ständige Herausforderung, da Normen nicht immer innerhalb des ISO/TC211 entwickelt werden, sondern gelegentlich auch von außerhalb an die ISO herangetragen werden, etwa durch das OGC oder auch durch privatwirtschaftliche Firmen (KRESSE & FADAIE, 2004, 66). Geographic information Conformance and testing (ISO 19105:2000) regelt die Kriterien, die erfüllt sein müssen, wenn die Übereinstimmung mit den Normen der 19100-Serie für ein Produkt behauptet wird und mittels welcher Testverfahren eine Überprüfung dieses Sachverhaltes zu erfolgen hat. Die Konformität kann [dabei] für Geodaten, Software-Produkte oder Dienste sowie für Spezifikationen und davon abgeleiteten Profilen erklärt werden. (DIN19105, 2005, 2) Die geographischen Normen der ISO sollen ein allumfassendes Anwendungsspektrum ermöglichen. Sie sind deshalb allgemein gehalten und häufig auch sehr umfangreich. Um sie auf spezielle Anwendungsbereiche maßschneidern zu können, erlaubt die Vorschrift Geographic information Profiles (ISO 19106:2004) die Erstellung von Profilen. Dies sind konkrete Teilmengen einer oder mehreren Normen. Auf diese Weise wird es ermöglicht, die Komplexität auf das jeweilige Anwendungsgebiet anzupassen (DIN19106, 2006, 2). Geographic information Functional standards (ISO/TR 19120:2001) geht davon aus, daß auf längere Sicht sämtliche Normen hinsichtlich der geographischen Informationsverarbeitung durch die ISO bereitgestellt werden. Es gibt jedoch bereits eine Anzahl internationaler Organisationen, die eigene Standards für einen einheitlichen Datenaustausch funktionale Standards in ihrem Bereich geschaffen haben. Die Aufgabe der ISO besteht deshalb darin, mittels der Zurverfügungstellung generischer Normen die Integration bestehender Umgebungen zu ermöglichen, d. h. die Anpassung und/oder Umwandlung jener Standards in Profile von ISO-Normen zu ermöglichen. So hat beispielsweise ein Bericht der ISO den Digital Geographic Information Exchange Standard (DIGEST) der NATO als einen solchen Kandidaten identifiziert (KRESSE & FADAIE, 2004, 71). Basic standards Dies sind solche Normen, die bereits ursprünglich im Aufgabenbereich des ISO/TC211 lagen als dieser eingesetzt wurde und die den anderen Bereichen nicht zuzuordnen waren. Sie dürfen jedoch keineswegs mit den sogenannten base standards verwechselt werden, welche diejenigen Normen bezeichnen, die einer abgeleiteten Norm bzw. einem abgeleiteten Standards, also einem Profil, zugrunde liegen (KRESSE & FADAIE, 2004, 53). Geographic information Services (ISO 19119:2005) beschreibt Grundlagen der Systemarchitektur in Erweiterung der Norm ISO 19101 und spezifiziert das dienstorientierte Modell (SCHILL & SPRINGER, 2007, 20 ff.) im Hinblick auf geographische Dienste. Es wird dargestellt, wie Dienste und Dienstearchitekturen plattformunabhängig beschrieben werden können und diese

2. Grundlagen und Stand der Forschung 15 anschließend in plattformabhängige Zielumgebungen portiert werden können (DIN19119, 2006, 2). Ein Anwendungsschema im Sinne der Norm Geographic information Rules for application schema (ISO 19109:2005) ist ein weiteres Werkzeug zur Anpassung des Normenwerkes auf die speziellen Bedürfnisse einer konkreten Anwendung. Während die Erstellung eines Profiles gemäß ISO 19106 jedoch einschränkt, erweitert bzw. präzisiert ISO 19109 eine Norm um anwendungsspezifische Komponenten (KRESSE & FADAIE, 2004, 75). So ist etwa der Standard des OGC zu SensorML, dessen Integration in die Normenreihe 19100 gegenwärtig betrieben wird, bereits als Anwendungsschema von Geographic information Geography Markup Language (GML) (ISO 19136:2007) konzipiert (BOTTS, 2007, 16). Die Norm Geographic information Spatial schema (ISO 19107:2003) formuliert ein konzeptionelles Modell zur Beschreibung raumbezogener Eigenschaften von geographischen Objekten. Unterschieden werden geometrische und topologische Eigenschaften, wobei erstere diejenigen sind, die sich quantitativ beschreiben lassen, und letztere diejenigen, die sich bei Transformationen nicht verändern, wie etwa Nachbarschaftsbeziehungen und Netzwerkeigenschaften. Mittels diesen Modells können etwa Entwickler von geographischen Informationssystemen Anwendungsschemata für räumliche Objektarten entwerfen, die eine gemeinsame Grundlage besitzen und auf diese Weise die Austauschbarkeit Ihrer Datenbestände erreichen. Beschrieben werden können diese Objektarten im Rahmen des ISO 19107 jedoch nur, soweit die Datenrepräsentation als Vektordatum erfolgt (DIN19107, 2005, 2). Geographic information Temporal schema (ISO 19108:2002) behandelt besondere Aspekte der Repräsentation von Zeitinformationen als Teil geographischer Daten. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine grundlegende Norm zur Beschreibung von Zeit diese ist in ISO05 1992 geregelt, sondern um eine Erweiterung derselben, die spezifisch geographischen Anforderungen genügt. Da zwischen der Geometrie und der Topologie der Zeit unterschieden wird, kann also etwa zwischen einem vorher und nachher unterschieden werden. Vor allem aber kann ein Objekt als Funktion der Zeit modelliert werden, beispielsweise die Position eines Satelliten in seiner Umlaufbahn (KRESSE & FADAIE, 2004, 76), oder allgemeiner ausgedrückt, die Strecke eines sich bewegendes Objektes kann in den Koordinaten x, y und t definiert werden (DIN19108, 2005, 2). Geographic information Portrayal (ISO 19117:2005) definiert eine objektzentrierte, regelbasierte Methodik zur Präsentation bzw. Visualisierung von Objekten eines Datensatzes (DIN19117, 2006, 9). Dabei bestimmt die Norm die strikte Trennung von Objektart und deren kartographischer Darstellung. Festgelegt wird diese in einem portrayal catalogue, der als Referenzliste

2. Grundlagen und Stand der Forschung 16 dient, indem er den unterschiedlichen Objektarten ihre jeweilige graphische Darstellung zuordnet (KRESSE & FADAIE, 2004, 85). Das dem Datenaustausch von geographischen Datensätzen zugrundeliegende Konzept wird durch Geographic information Encoding (ISO 19118:2005) normiert, welcher entsprechende Kodierungsregeln festlegt (KRESSE & FADAIE, 2004, 87). Diese Regeln ermöglichen es, in Anwendungsschemata definierte geographische Daten als systemunabhängige Datenstrukturen für den Datentransport und die Datenspeicherung zu kodieren (DIN19118, 2006, 6). Zur Durchführung dieses Prozesses bestimmt ISO 19118 weiterhin: The XML Metadata Interchange (XMI) developed by the Object Management Group (OMG) is the recommended [... ] method for data interchange of an application schema (DIN19118, 2006, 13). Einerseits die abstrakte Datenstruktur etwa ein Objektdatenkatalog und die Instanzen dessen können und sollen demnach als XML-Dokumente und XML-Schema-Dokumente 5 (XSD) beschrieben werden, um sie anschließend über Systemgrenzen hinweg austauschen zu können. Der Gegenstandsbereich der Georeferenzierung wird durch vier Normen geregelt. Geographic information Spatial referencing by coordinates (ISO 19111:2003) modelliert dabei Koordinatensysteme und Koordinatentransformationen. Während es sich in ISO 19111 jedoch um die abstrakte Darstellung der Prinzipien handelt, werden konkrete Koordinatenreferenzsysteme erst durch Geographic information Geodetic codes and parameters (ISO/TS 19127:2005) normiert. (KRESSE & FADAIE, 2004, 77) Neben dieser Art des Ortsbezuges über Koordinaten gibt es auch denjenigen über räumliche Identifikatoren. Dies wären etwa relative Ortsangaben in der Weise, daß sich ein Objekt in einem anderen befindet oder die Angabe mittels örtlicher Maße oder auch eine Positionsangabe, die lediglich eine lose Verbindung zu räumlichen Objekten beschreibt. All dieses wird festgelegt durch Geographic information Spatial referencing by geographic identifiers (ISO 19112:2003). (DIN19112, 2005, 2) Schließlich beschreibt Geographic information Positioning services (ISO 19116:2004) Techniken, wie Positionen eines Objektes relativ zur Erdoberfläche standardisiert von Meßgeräten wie beispielsweise Satellitennavigationsgeräten oder auch Totalstationen übertragen werden können (KRESSE & FADAIE, 2004, 83). Metadatenstrukturen zur Dokumentation von geographischen Informationen werden in der Norm Geographic information Metadata (ISO 19115:2003) beschrieben. Metadaten liefern Informationen zur Identifikation, Ausdehnung, Qualität, zum Raumbezugsschema, zum zeitlichen Schema, zur Georeferenzierung und der Verteilung der digitalen geographischen Daten (KRESSE & FADAIE, 2004, 89). ISO 19115 stellt Metadatenelemente für sämtliche Normen der Serie zur Verfügung. Ursprünglich bezogen sich die Vorschriften jedoch lediglich auf Vektordaten, im Jahre 5 Prinzipiell kann auch XML-DTD verwendet werden. Jedoch wird dies heutzutage wegen diverser Unzulänglichkeiten kaum noch verwendet.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 17 2009 wurde aber eine Erweiterung bezüglich Rasterdaten Geographic information Metadata Part 2: Extensions for imagery and gridded data (ISO 19115-2:2009) hinzugefügt. Unterschiedliche Anwendungsfelder stellen unterschiedliche Anforderungen an die Qualität der Daten. Da geographische Daten mehr und mehr geteilt, ausgetauscht und in vom Erstellungskontext verschiedenen Szenarien genutzt werden, ist eine Bewertung der Datenqualität nötig, damit für jeden Anwendungsfall die passenden Daten aufgefunden werden können (KRESSE & FADAIE, 2004, 93). Diesem Feld widmen sich die Normen Geographic information Quality principles (ISO19113:2002) und Geographic information Quality evaluation procedures (ISO19114:2003). Ferner definiert Geographic information Data quality measures (ISO/TS 19138:2006) dabei Qualitätsmaße, um einheitliche Angaben mittels der vorgenannten Normen machen zu können. Imagery standards Diese Normengruppe umfaßt Vorschriften für geographischen Daten, die im weitesten Sinne etwas mit einem Abbild der Erdoberfläche, einem image, zu tun haben. Dies mag eine photographische Darstellung eines Ausschnittes der Erdoberfläche sein oder einfach auch nur die Darstellung von Daten in einem regelmäßigen Raster. Luftbilder, Satellitenbilder oder auch digitale Höhenmodelle und coverages im Sinne von ISO 19123 wären diesbezügliche Beispiele (KRESSE & FADAIE, 2004, 96). Normen und Standards, die sich mit derartigen Datenrepräsentationen befassen, gab es bereits vielfältig schon bevor sich die ISO mit der Normierung geographischer Informationen befaßt hat. Deshalb erfolgte in einem ersten Schritt die Bestandsaufnahme des bereits Bestehenden. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden dann in einem technischen Bericht als Geographic information Imagery and gridded data (ISO/TR 19121:2000) und in einer Zusammenfassung als Geographic information Imagery and gridded data components (ISO/RS 19124:2001) veröffentlicht. Anschließend wurde die weitere Vorgehensweise der Normierung dieses Sektors, aber auch ein genereller Rahmen 6 in Geographic information Imagery, gridded and coverage data framework (ISO/TS 19129:2009) festgelegt (KRESSE & FADAIE, 2004, 96). Geographische Daten, die über Fernerkundungssensoren erhoben werden, haben nur einen Wert, wenn der Vorgang der Messung und alle ihn beeinflussenden Faktoren exakt nachvollziehbar sind. Um dies zu gewährleisten, sind sehr umfangreiche Metadatensätze zu verwalten. Geographic information Imagery sensor models for geopositioning (ISO 19130) 7 normiert deshalb die Metadaten, die nötig sind, um Georeferenzierungen durchführen zu können (KRESSE & FADAIE, 2004, 102). 6 Deswegen auch die Fortschreibung der Norm, etwa in 2009. 7 ISO 19130 ist zur Zeit als ISO/PRF TS 19130 als Norm in Entwicklung gekennzeichnet.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 18 Die weiter unten beschriebenen Standards des OGC im Rahmen des Sensor Web Enablements werden zur Zeit gerade in Arbeitsgruppen der ISO bearbeitet etwa Geographic information Observations and measurements (ISO/CD 19156). Der Standard SensorML und die anderen Standards des SWE sind aber im Gegensatz zu der ursprünglichen Fassung des ISO 19130 wesentlich weitreichender. Geographic information Schema for coverage geometry and functions (ISO 19123:2005) legt ein konzeptuelles Schema für die Modellierung von coverages fest. Als coverages bezeichnet man dabei Geoobjekte, die Konzepte der vektoriellen und rasterorientierten Darstellung vereinen (DIN19123, 2007, 2). Neben grundlegenden Definitionen werden auch spezielle coverages definiert: das Thiessen polygon coverage, das Quadrilateral grid coverage, das Hexagonal Grid Coverage, das TIN und das Segmented curve coverage (KRESSE & FADAIE, 2004, 111). Catalogue standards Ziel von Normierungsbestrebungen ist immer auch die Gewährleistung bzw. Erhöhung der Interoperabilität zwischen einzelnen Komponenten in einem Kommunikationsprozeß. Dazu ist es nötig, daß Begriffe eindeutig definiert, übergreifend bekannt und anerkannt sind. Zu diesem Zweck legt Geographic information Procedures for item registration (ISO 19135:2005) Verfahren fest, welche bei der Einrichtung, Unterhaltung und Veröffentlichung von Registern einmaliger, eindeutiger und permanenter Identifikatoren und Bedeutungen, die Elementen geographischer Informationen zugeordnet werden, zu beachten sind. (DIN19135, 2007, 2) Geographic information Methodology for feature cataloguing (ISO 19110:2005) beschreibt die Vorgehensweise zur Erstellung von Objektartenkatalogen. Eine Objektart stellt dabei eine Abstraktion und informationstechnische Darstellung eines realen Objektes dar, d.h. eine Klasse, die durch ein wirklich vorkommendes Objekt instanziiert wird. Damit ist dann eine Repräsentation eines wirklichen Gegenstandes im geographischen Datenbestand entstanden. Etwa aus der Objektart Haus mit den Eigenschaften Lage, Gebäudehöhe etc. entsteht das Objekt Haus mit der Lage mit einem bestimmten Hoch- und Rechtswert und mit einer genauen Angabe der Gebäudehöhe. Objektartenkataloge erfassen dabei die Objektarten, ihre Methoden bzw. Funktionalitäten, Attribut- und Relationsarten und legen so die Grundlage für eine einheitliche Dateninterpretation (DIN19110, 2006, 2). Objektartenkataloge erfüllen dabei vielfältige Aufgaben, von denen KRESSE & FADAIE (2004, 113) drei wichtige herausgreift: 1. Standardisierte Objektartenkataloge können vielfältig eingesetzt werden und reduzieren somit die Kosten, da sie häufig das zeitaufwendige Erstellen eines speziellen Objektartenkataloges überflüssig machen

2. Grundlagen und Stand der Forschung 19 2. Objektartenkataloge sollten eine Abstraktion der realen Welt für ein bestimmtes Anwendungsgebiet darstellen und diese Daten in einer leicht verständlichen Form und leicht zugänglich zur Verfügung stellen 3. Häufig sind Objektarten in unterschiedlichen Systemen mit gleichen oder ähnlichen Bezeichnungen benannt; Objektartenkataloge können dazu beitragen, Unterschiede in der Klassifikation aufzuklären und Einheitlichkeit herzustellen Bei Geographic information Feature concept dictionaries and registers (ISO/DIS 19126:2007) handelt es sich um ein Profil von ISO 19110, das eine Menge von Objekten und Attributen beschreibt, die zum Aufbau eines Objektdatenkataloges für den militärischen Bereich in Ländern der NATO herangezogen werden können (KRESSE & FADAIE, 2004, 114). Implementation standards Geographic information Data product specifications (ISO 19131:2007) normiert, wie Geodaten beschaffen sein müssen, insbesondere wie der Erfassungsprozeß der Daten auszusehen hat. Dies wird in einer Produktspezifikation für Geodaten festgelegt, indem auf Konzepte der anderen Normen der Reihe ISO 19100 Bezug genommen wird (DIN19131, 2008, 2). Geographic information Simple feature access Part 1: Common architecture (ISO 19125-1:2004) definiert ein zweidimensionales Objektmodell für geographische Daten. Ausgehend von der allgemeinen Klasse Geometry werden Unterklassen für Point, Curve und Surface bereitgestellt; zusätzlich noch GeometryCollection als Unterklasse für Zusammenfassungen. Allerdings beinhaltet ISO 19125 weder dreidimensionale Objekte, Komplexe, nicht-lineare Linien oder topologische Beziehungen. Ein Vorteil liegt jedoch gerade in dieser Einfachheit, weswegen diese Norm in der Vergangenheit eine gewisse Akzeptanz gewonnen hat. Trotzdem ist aber davon auszugehen, daß komplexere Anwendungen zukünftig eher das Modell von ISO 19107 und ISO 19136 verwenden werden (KRESSE & FADAIE, 2004, 159). Geographic information Simple feature access Part 2: SQL option (ISO 19125-2:2004) befaßt sich mit der Normierung und Strukturierung einer auf SQL basierenden Anfragesprache, um so den Zugriff auf in ISO 19125 kodierte Datenstrukturen zu ermöglichen (DIN19125, 2006, 2). Die beiden Normen Geographic information Geography Markup Language (GML) (ISO 19136:2007) und Geographic information Web map server interface (ISO 19128:2005) wurden durch das OGC entwickelt und dann von der ISO übernommen. Sie werden deshalb im entsprechenden Abschnitt über die Standards des OGC näher beschrieben. Mit dem Aufkommen des Satellitennavigationssystems GPS verbreiteten sich sehr rasch Anwendungen zur satellitengestützten Positionsbestimmung, die diese Daten mit anderen geogra-

2. Grundlagen und Stand der Forschung 20 phischen Informationen verbanden. Derartige Anwendungen faßt man im weitesten Sinne unter dem Begriff Location Based Services (LBS) zusammen. Geographic information Locationbased services Reference model (ISO 19132:2007) spezifiziert hierfür ein Referenzmodell, ein konzeptuelles Modell und die wesentlichen Grundsätze für die Interoperabilität von ortsbezogenen Diensten (DIN19132, 2009, 3). Die ergänzenden Normen Geographic information Location-based services Tracking and navigation (ISO 19133:2005) und Geographic information Location-based services Multimodal routing and navigation (ISO 19134:2007) legen weiterhin Datentypen und Operationen zur Standardisierung von Kursverfolgung und Navigation fest (DIN19133, 2007, 2) bzw. befassen sich mit den Möglichkeiten der Routenplanung (DIN19134, 2009, 3). Die Definition der Metadaten in Geographic information Metadata (ISO 19115:2003) erfolgt in abstrakter Weise in UML. Dies hat zur Folge, daß eine konkrete Umsetzung häufig der Interpretation der jeweiligen Datenproduzenten unterliegt. Deswegen wurde die Norm Geographic information Metadata XML schema implementation (ISO/TS 19139:2007) zur Vereinheitlichung der Umsetzungen in XML als Ergänzung zu ISO 19115 geschaffen (KRESSE & FADAIE, 2004, 50). Qualification and certififation of personal Bei Geographic information / Geomatics Qualification and certification of personnel (ISO/TR 19122:2004) handelt es sich um einen technischen Bericht, der ein System der Qualifikation und Zertifizierung für Personal im Bereich der geographischen Informationsverarbeitung beschreibt, wie sie von unabhängigen Körperschaften ausgeführt werden können (KRESSE & FADAIE, 2004, 123).

2. Grundlagen und Stand der Forschung 21 OpenGIS Standards Geospatial Information Geospatial Services Application Programming Feature Modelling Portrayal Access control Sensor Web Enablement [... ] Geographic Objects Simple Features (SQL, OLE/COM, CORBA) KML Geospatial extensible Access Control Markup Language (GeoXACML) Sensor Model Language Coordinate Transformation Geography Markup Language Symbology Encoding Transducer Markup Language CityGML Filter Encoding Observations and Measurements GML in JPEG 2000 Abbildung 2: Überblick über die OpenGIS Standards des Open Geospatial Consortium bezüglich Geospatial Information. Die grünlich markierten Elemente sind vom Autor eingeführte Überbegriffe.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 22 Standards des Open Geospatial Consortium Dieser Abschnitt befaßt sich näher mit den Implementation Standards des OGC, d.h. mit solchen Spezifikationen, die sich mit der praktischen Umsetzung durch die Festlegung von Schnittstellen und Kodierungen befassen. Wie bereits weiter oben erwähnt, kann man die Standards unterteilen in solche, die sich eher mit Geospatial Information befassen und solche, die mehr den Bereich der Geospatial Services abdecken. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen jeweils eine überblickhafte Zusammenstellung. Geospatial Information Die OpenGIS Geographic Objects Implementation Specification dient der Definition und Implementierung geometrischer und geographischer Objekte im Sinne der objektorientierten Modellierung bzw. Programmierung (REYNOLDS, 2005, vii). Die abstrakte Objektdefinition erfolgt mittels UML, während die Implementierungsvorschriften in JAVA kodiert werden. Für die Anwendungsentwicklung können diese dann so als Programmierschnittstelle (API) zur Verfügung gestellt werden (REYNOLDS, 2005, 15). Schnittstellen für die Positionierung, für Koordinatensysteme und Koordinatentransformationen werden in der OpenGIS Coordinate Transformation Service Implementation Specification beschrieben. Auch hier besteht der Standard aus einer abstrakten Modellierung allerdings in IDL und einer Implementierung in JAVA (OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM, 2001, 11). Bei der nächsten Gruppe von Standards geht es abermals um die Modellierung von geographischen Objekten. Ein einfaches Modell wird in OpenGIS Implementation Specification for Geographic information Simple feature access beschrieben. Es handelt sich dabei inhaltlich um die Norm ISO 19125, die grundlegende Datentypen zur Verfügung stellt (HERRING, 2006, vii). Dagegen verfolgt OpenGIS Geography Markup Language (GML) Encoding Standard das Ziel, ein möglichst vollständiges Vokabular für die Beschreibung von Anwendungsschemas, den Transport und die Speicherung geographischer Informationen bereitzustellen (PORTELE, 2007, vi). Dieser sehr umfangreiche, bereits in der Version 3.2.1 erschienene Standard, wurde von der GML Revision Working Group des OGC ausgearbeitet und von der ISO als ISO 19136 übernommen (KRESSE & FADAIE, 2004, 183). Mittels Grammatiken in der Extensible Modelling Language (XML), die auf XML-Schema-Definition beruhen, ermöglicht GML die Erstellung von standardisierten Kodierungsvorschriften für sämtliche räumlichen und nichträumlichen Eigenschaften von geographischen Objekten. Machbar wird dies vor allem durch den Bezug auf die konzeptionellen Modelle verschiedener ISO-Normen, welche in Tabelle 1 aufgelistet werden. Sie zeigt, daß sich in GML neben grundlegenden Datentypen, Maßeinheiten, Geometrie, Koordinatensysteme, Topologie, zeitliche Angaben und vereinfachte Coverages kodieren lassen.

2. Grundlagen und Stand der Forschung 23 Tabelle 1: Bezüge von GML auf Normen der ISO (Datenquelle: (PORTELE, 2007, vi)) Norm Gegenstand Bezugnahme ISO/TS 19103 Conceptual schema language units of measure, basic types ISO 19107 Spatial schema geometry and topology objects ISO 19108 Temporal schema temporal geometry and topology objects, temporal reference systems ISO 19109 Rules for application schemas features ISO 19111 Spatial referencing by coordinates coordinate reference systems ISO 19123 Schema for coverage geometry and functions coverage Für die Erweiterung bzw. Anpassung an konkrete Anwendungsbedürfnisse enthält ISO 19136 Anweisungen und Regeln für die Erstellung von Profilen, welche zusammenfassend nach KRESSE & FADAIE (2004, 182) so beschrieben werden können: 1. Ein Profil von GML ist eine Einschränkung auf eine Untermenge von GML. 2. Ein Profil darf den Namen, die Definition oder den Datentyp von verbindlichen (mandatory) GML-Attributen und Elementen nicht verändern. 3. Das jeweilige Schema oder die Schemas, die das Profil definieren, müssen den Namensraum von GML (core) verwenden. 4. Ein Anwendungsschema kann das Profil erweitern oder Datentypen davon verwenden, wobei dies aber in einem eigenen Namensraum zu erfolgen hat. Der OpenGIS City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard stellt etwa eine solche Erweiterung dar. Er definiert Regeln zur Repräsentation, zur Speicherung und für den Austausch von virtuellen dreidimensionalen Stadt- und Landschaftsmodellen (GRÖGER et al., 2008, 1). Ein weiteres Beispiel sind die zentralen Standards des Sensor Web Enablement, wie beispielsweise die OpenGIS Sensor Model Language (SensorML) Implementation Specification oder auch Observations and Measurements Part 1 & 2. Ferner gibt zur Kombination von Beschreibungen in GML und Rasterdaten die GML in JPEG 2000 for Geographic Imagery (GMLJP2) Encoding Specification die Möglichkeit, diese

2. Grundlagen und Stand der Forschung 24 standardisiert in Images der Joint Photographic Experts Group (JPEG) einzubetten (KYLE et al., 2006, vi). Eine weitere Gruppe von Standards kann im Großen und Ganzen dem Bereich der Darstellung zugerechnet werden. Die Spezifikation Keyhole Markup Language (KML), die ursprünglich von Google entwickelt wurde, ist auf die geographische Visualisierung von Karten und Bildern bzw. diesbezüglicher Anmerkungen ausgerichtet. Dies beinhaltet die Präsentation der projizierten Daten auf einem Globus, aber auch die Kontrolle über die Navigation des Nutzers (WILSON, 2008, ii). Die Anwendung Google Earth verwendet etwa dieses Datenformat zur Beschreibung und dem Informationsaustausch. Informationen in einem Datenbestand werden im allgemeinen nur auszugsweise benötigt und visualisiert. Die OpenGIS Filter Encoding Implementation Specification ermöglicht deswegen eine einheitliche Beschreibung eines Abfrageformates, welches von Webdiensten (Web Feature Service, Web Coverage Service, Gazetteer, Web Registries etc.) zur Eingrenzung verwendet werden kann (VRETANOS, 2005a, iv). Die graphische Darstellung der Abfrageergebnisse beim Nutzer wird dabei durch die Möglichkeiten des jeweiligen Dienstes bestimmt. Ein Web Map Service stellt etwa nur sehr grundlegende Formatierungen zur Verfügung. Deswegen wurde die Symbology Encoding Implementation Specification erstellt. Sie erlaubt weitgehende Festlegungen zur Visualisierung und die Definition von nutzerdefinierten Regeln für die Darstellung der Ergebnisse von Abfragen an Web Map Server, Web Feature Server und Web Coverage Server (MÜLLER, 2006, viii). Die Geospatial extensible Access Control Markup Language (GeoXACML) definiert eine Erweiterung zu der extensible Access Control Markup Language (XACML) von OASIS für den geographischen Bereich. Sie ermöglicht die Erstellung von Richtlinien für räumliche Datentypen und Funktionen und damit die Implementierung eines Zugriffskontrollsystem für geographische Anwendungen (MATHEUS & HERRMANN, 2008, v). Geospatial Services Den Definitionen der Services bzw. der Schnittstellen liegen einige Gemeinsamkeiten zugrunde. Diese wurden zusammengefaßt und im OGC Web Services Common Standard separat festgelegt, um den Aufwand der Ausarbeitungen der Einzelstandards zu verringern und die Interoperabilität zwischen den Standards zu vergrößern (WHITESIDE & GREENWOOD, 2010, vi). Behandelt werden etwa allen Diensten gemeinsame Anfragen und Antwortinhalte und deren Parameterwerte oder auch die jeweilige Kodierung (WHITESIDE & GREENWOOD, 2010, xviii). Beispielsweise wird jeder Dienst eine Anfrage entgegennehmen müssen, welche Funktionalitäten er zur Verfügung stellt, i.e. er muß die Operation GetCapa-