8 Architektur von Geoinformations- systemen · 8.1 GIS-Hardware und –Software 8.2 Hybride vs. integrierte Systeme 8.3 Client/Server-Systeme 8.4 Webbasierte räumliche Datenbanken

8.1 GIS-Hardware und –Software

8.2 Hybride vs. integrierte Systeme

8.3 Client/Server-Systeme

8.4 Webbasierte räumliche Datenbanken

8.5 Zusammenfassung

Spatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 651

aus: [SX08]

8 Architektur von Geoinformations-systemen


Architektur von GIS→Geoinformationssystem ist ein System zum

Aufnehmen, Speichern, Analysieren, Handhaben von raumbezogenen Daten

→spezialisiertes Informations-system, besteht aus

räumlicher Datenbank,

räumlichen Datenbanksystem,

Anwendungssoftware

→Endbenutzer sehen meist nur speziell program-mierte Benutzerschnittstelle

aus: http://www.physicalgeography.net/

Architektur von GIS→Umweltinformationssystem

Spatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 653aus: [SX08]

Architektur von GIS→Touristikinformationssystem


aus: [SX08]

Architektur von GIS→Stadtplanungsinformationssystem

Spatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 655aus: [SX08]

Architektur von GIS→Leitungsinformationssystem


aus: http://www.uni-potsdam.de/Geographie/

8.1 GIS-Hardware und -Software→GIS-Hardware unterscheidet sich gegenüber

“normalen” Informationssystemen hauptsächlich bei den Eingabegeräten

Spatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 657aus: http://www.uni-potsdam.de/Geographie/

GIS-Hardware und -Software→Eingabegerät: Digitalisierer

Erfassung von Koordinaten

Lupe mit Fadenkreuz

elektronischer Stift

elektromagnetische Unterlage

Digitalisierung von Karten


aus: http://www.uni-potsdam.de/Geographie/

GIS-Hardware und -Software→Eingabegerät:

Trommelscanner

älteste Scannerart

liefert exakte Ergebnisse

meist sehr hohe Auflösung

Vorlage auf rotierender Trommel

Abtastsystem immer in gleicher Lage zur Vorlage


aus: http://www.at-mix.de/

aus: http://www.litho-erfurt.de

GIS-Hardware und -Software→GIS-Software

Komponenten (aus anwenderorientierter Sicht)

Spatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 660aus: http://www.uni-potsdam.de/Geographie/

GIS-Hardware und -Software→Einteilung von GIS-Software

Experten-GIS Standard-GIS, Geodatenserver, Geodatenbank

Arbeitsplatz-GIS Datenverwaltung für Erfassung, Auskunft

mobiles GIS Auskunft, Erfassung, Aktualisierung

Web-GIS Auskunft, meist keine Erfassung und Aktualisierung

Komponenten-GIS Einbettung von GIS-Funktionalität in Fremdsysteme

GIS-Viewer Anzeige-/Abfragesoftware für GIS-Datenformate


aus: http://www.esri.com/

8.2 Hybride vs. integrierte Systeme

→Architektur von GIS lässt sich grob einteilen

dateibasiert

hybrid

schichtorientiert

integriert


Hybride vs. integrierte Systeme→dateibasierte Architektur

erste Generation von GIS (ab ca. 1960)

alle Informationen in Dateien gespeichert

keine logische Datenunabhängigkeit

keine physische Datenunabhängigkeit

keine Standardisierung


Hybride vs. integrierte Systeme→hybride Architektur

Einsatz von relationalen Datenbanken für Sachdaten (thematische Attribute)

Haltung der Geometrie-daten in speziellen Speichersubsystemen

Konsistenz der Daten nur schwer zu gewährleisten

keine übergreif-enden Anfragen möglich


Hybride vs. integrierte Systeme→Beispiel einer bei hybrider Architektur nicht mög-

lichen übergreifenden Anfrage (vgl. Abschnitt 4.5)

→Achtung: manchmal werden unter dem Begriff “hybrides GIS” auch solche Systeme verstanden, die Vektor- und Rasterdaten verwalten können


SELECT g1.IdFROM Gebauede g1, Gebauede g2WHERE g1.Nutzung = ’Kirche’

ANDg2.Nutzung = ’Parkhaus’ANDDistance(Centroid(g1.Grundriss),

Centroid(g2.Grundriss)) < 2000;

Hybride vs. integrierte Systeme→schichtorientierte Architektur

Sach- und Geodaten in einer (relationalen) Datenbank

Geodaten werden relational modelliert

Einführung einer Schicht mit Geofunktionen

ineffizienter Zugriff auf einzelne Geoobjekte (müssen durch Verbunde “zusammengesucht” werden)


Hybride vs. integrierte Systeme→Beispiel für relationale Modellierung von Polygo-

nen als Liste von Punkten (vgl. Abschnitt 4.3)

Id-Attribut, Listenposition und Integer-Attribute X, Y

pro Polygon müssen Werte von Position bei 1 beginnen und dicht liegen (Implementierung von Liste)


CREATE TABLE Polygone (Id CHAR(20),Position INTEGER,X INTEGER,Y INTEGER,PRIMARY KEY (Id,Position));

Hybride vs. integrierte Systeme→integrierte Architektur

Sach- und Geodaten in einer (Geo-)Datenbank

Datenbank-Funktionen und GIS-Funktionalität in einem System

Datenbankfunktionen unter-stützen Verarbeitung von geometrischen Daten

geometrische Indexstrukturen

logische Datenunabhängigkeit

Standardisierung möglich


Hybride vs. integrierte Systeme→Beispiel einer bei integrierter Architektur mög-

lichen Anfrage, die typischerweise mit einem R-Baum-Index ausgewertet wird (vgl. Abschnitt 4.6 und Abschnitt 5)


SELECT f.IdFROM Flurstueck f,

Bach bWHERE intersects

(f.Grundriss,b.Geometrie);

Hybride vs. integrierte Systeme→relationale Joinalgorithmen für räumliche

Verbünde nicht anwendbar (außer Nested Loop)

Sort-Merge-Join

es gibt keine Sortierung für räumliche (mehrdimensionale) Daten


matNr result

1005 4.0

1005 1.3

2832 5.0

5119 1.7

8676 1.3

9876 3.7

matNr firstName

1005 Clark

2832 Lois

4512 Lex

5119 Charles

6676 Erik

8024 Jean

Hybride vs. integrierte SystemeHashjoin

eine Hashfunktion, die für ausgedehnte, sich schneidende Objekte denselben Wert berechnet, ist nicht bekannt


00

11

22

33

44

55

66

77

00

11

22

33

44

55

66

77

matNr firstName

1005 Clark

2832 Lois

4512 Lex

5119 Charles

6676 Erik

8024 Jean

matNr result

9876 3.7

2832 5.0

1005 4.0

1005 1.3

6676 1.3

5119 1.7

Hybride vs. integrierte Systeme→räumlicher Verbund mit R-Bäumen

Annahme: beide R-Bäume haben dieselbe Höhe

Schnittberechnungen werden nur zwischen MURs der Knoten einer Ebene durchgeführt und nur wenn sich die MURs der Elternknoten schneiden

Knotenpaare, die noch überprüft werden müssen, werden in einer Prioritätswarteschlange gespeichert

Filterschritt der räumlichen Anfragebearbeitung → Ergebnisse müssen anhand der exakten

Geometrie kontrolliert werden


Hybride vs. integrierte Systeme


procedure INDEX_TRAVERSAL_SPATIAL_JOIN(rootA, rootB)begin

priorityQueue ← CREATE_PRIORITY_QUEUE();priorityQueue.ADD_PAIR(rootA, rootB);while NOT priorityQueue.EMPTY() do

nodePair ← priorityQueue.POP();rectanglePairs ← FIND_INTERSECTING_PAIRS(nodePair);foreach p Є rectanglePairs doif p is a pair of leaves then

REPORT_INTERSECTIONS(p);else

priorityQueue.ADD_PAIR(p);endif;

enddo;enddo;

end; aus: http://doi.acm.org/10.1145/1206049.1206056

Hybride vs. integrierte Systeme→ADD-PAIR

bestimmt die Reihenfolge in der die Priority Queue abgearbeitet wird

• Breitensuche

• Breitensuche mit zusätzlicher Sortierung der Paare eines Levels z.B. x-Koordinate des Mittelpunkts der MURs, Z-Ordnung der Mittelpunkte der MURs

• Tiefensuche


1

2

7

3 4

65 9 108

1

2

6

5 8

43 9 107

Hybride vs. integrierte Systeme→Beispiel


1

23

4

5

7

6

8

9

a

b

c

fg h

d

e

i

k

j

l

Hybride vs. integrierte Systeme→R-Baum für die Flüsse


a

bc

fg h

d

e

i

k

j

l

Hybride vs. integrierte Systeme→R-Baum für die Flüsse


II IIII

AA BB CC DD EE

aa cc

bb dd ee

hh ii

jj kk ll

ff gg

a

bc

fg h

d

e

i

k

j

l

AB

C

D E

I

II

1

23

4

5

7

6

8

9

Hybride vs. integrierte Systeme→R-Baum für die Wälder


Hybride vs. integrierte Systeme→R-Baum für die Wälder


1

23

4

5

7

6

8

9

F

G

H

I

III

IV

IIIIII IVIV

FF GG HH II

11 22

33 44

55 66 77

88 99

Hybride vs. integrierte Systeme→1. Schleifendurchlauf

nodePair: (rootA, rootB)

priorityQueue:


III

IV

I

II

((II,III) (I,IV) (I,II))


nodePair: (II, III)

priorityQueue:


D

E

F

G

H

((E,H) (D,H) (I,IV) (I,II))


nodePair: (E,H)

priorityQueue:


h

i

5

7

6

((i,7) (h,7) (D,H) (I,IV) (I,II))

Hybride vs. integrierte Systeme


II IIII

CC AA BB DD EE

aa cc bb dd ee hh iijj kk ll ff gg

IIIIII IVIV

HH GG FF II

11 2233 4455 66 77 88 99

f

Hybride vs. integrierte Systeme→FIND_INTERSECTING_PAIRS


procedurePLANE_SWEEP(listA, listB)begin

statusA ← CREATE_STATUS()statusB ← CREATE_STATUS()while NOT listA.END() OR NOT listB.END() doif listA.FIRST() < listB.FIRST() then

statusA.INSERT(listA.FIRST())statusB.REMOVE_INACTIVE(listA.FIRST())statusB.SEARCH(listA.FIRST())listA.NEXT()

elsestatusB.INSERT(listB.FIRST())statusA.REMOVE_INACTIVE(listB.FIRST())statusA.SEARCH(listB.FIRST())listB.NEXT()

endifenddo

end

f g

5

7

6

statusA:

statusB:

Ergebnis:

f, g







endifenddo

end

f g

5

7

6

statusA:

statusB:

Ergebnis:

f, g

5







endifenddo

end

f g

5

7

6

statusA:

statusB:

Ergebnis: (g,5)

f, g

5,7







endifenddo

end

f g

5

7

6

statusA:

statusB:

Ergebnis: (g,5) (g,7)

5,7,6







endifenddo

end

f g

5

7

6

statusA:

statusB:

Ergebnis: (g,5) (g,7)

8.3 Client/Server-Systeme→kooperierende Komponenten

Initiative geht vom Client aus

Client schickt Aufträge an Server

Server bietet feste Menge von Diensten an

Rollen und Funktionen sind asymmetrisch

Abfolge von Interaktionsschritten ist festgelegt

Client kann auf mehrere Server zugreifen

Server kann mehrere Clients bedienen

Server kann bei Auftragsbearbeitung auch Client seinSpatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 685

aus: [Da96]

Client/Server-Systeme→verschiedene Realisierungsformen von Client/

Server-Systemen

→Unterschiede liegen in Funktionsaufteilung der Applikation

→mögliche Teil-funktionen

Präsentations-funktion

Anwendungs-funktion

Datenverwaltungsfunktion


aus: http://www.it-infothek.de/

Client/Server-Systeme→im Geobereich vielfältige Funktionsaufteilung

zwischen Client und Server möglich

→typische Funktionen eines Geo-ClientsDatenerfassung, Digitalisierung

Transformationen

Bildverarbeitungsfunktionen

CAD-Grundfunktionen

Konstruieren von Geoobjekten

Datenreduktion, Glättung, Generalisierung

Benutzerschnittstelle

Datenpräsentation

Datenausgabe, PlotaufbereitungSpatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 687

aus: http://www.ikg.uni-hannover.de/

aus: http://www.dgfk.net/

Client/Server-Systeme→typische Funktionen eines

Geo-Servers

thematische und räumliche Selektion von Geodaten aus Geodatenbasis

Vorschau von selektierten Geodaten

Konvertierung von selektierten Geodaten in Zielformat

kartographische Darstellung von selektierten Geodaten


aus: http://www.dottedeyes.com/

Client/Server-Systeme→die wichtigsten Dienste eines Geo-Servers (im

Web) wurden vom Open Geospatial Consortium(OGC, vgl. Abschnitt 6.3) definiert

Web Coverage Service (WCS) Selektion von Rasterdaten und deren Bedeutung

Web Feature Service (WFS) Austausch von Geoobjekten

Web Map Service (WMS) Selektion von Karten aus Raster-oder Vektor-daten


aus: http://www.geoinformation.net/

Client/Server-Systeme→Web Coverage Service (WCS)

Coverage ist mehrdimensionales (meist 2-dimensio-nales) Abbild eines raum-bezogenen Phänomens (auch “Feld”, vgl. Abschnitt 2.4)

ermöglicht Modellierung und Darstellung einer konkreten Werteverteilung im Raum

WCS-Operationen sind• GetCapabilities

• DescribeCoverage

• GetCoverage


aus: http://www.senckenberg.de/

Client/Server-Systeme→GetCapabilities

beschreibt die verfügbaren Dienste des WCS

gibt an, welche Coverages vorhanden sind

→DescribeCoverage

liefert detaillierte Informationen über ein Coverage

→GetCoverage

liefert ein Coverage oder ein Teilbereich daraus

legt auch Rück-gabeformat fest


aus: http://portal.opengeospatial.org/

Client/Server-Systeme→Web Feature Service (WFS)

Austausch von Geoobjekten mit Vektorgeometrien

Anfragen werden als HTTP-Request von Client an WFSgesendet

WFS bietet u,a. folgende Operationen• GetCapabilities

• DescribeFeatureType

• GetFeature

• Transaction

• LockFeature


aus: [SX08]

Client/Server-Systeme→GetCapabilities

beschreibt die verfügbaren Dienste des WFS

gibt Namen der vorhandenen Feature-Typen an

→DescribeFeatureType

beschreibt das Schema eines Featuretyps

→GetFeatureliefert ein Feature-Exemplar zurück

unterstützt räumliche und nichträumliche Selektionen


<wfs:Query typeName="AX_Gebaeude"><ogc:Filter>

<ogc:PropertyIsEqualTo><ogc:PropertyName>

weitereGebaeudefunktion</ogc:PropertyName><ogc:Literal>1170</ogc:Literal>

</ogc:PropertyIsEqualTo></ogc:Filter>

</wfs:Query>

Client/Server-Systeme→Web Map Service (WMS)

Anforderung/Übertragung von visuellen Repräsenta-tionen von Geodaten (Karten)

unterstützt drei Funktionen

• GetCapabilities

• GetMap

• GetFeatureInfo (optional)

→GetCapabilities

liefert Metainformationen in XML

allgemeine Angaben zum Anbieter

verfügbare Ausgabeformate

verfügbare Karten und deren LayerSpatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 694

aus: http://www.svgopen.org/

Client/Server-Systeme→GetMap

liefert Karte

Angabe zahlreicher Optionen möglich• Kartenlayer

• Darstellung der Layer

• zugrundeliegendes

Koordinatensystem

• Kartenausschnitt

• Größe der Kartenausgabe

• Ausgabeformat

→GetFeatureInfo (optional)Informationen zu Geoobjekten auf der Karte

Sachdaten, meist in XMLSpatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 695

aus: http://cdl.niedersachsen.de/

8.4 Webbasierte räumliche Datenbanken

→Erfassung von Geodaten besonders teuer

→Geodaten sind langlebig

→Geodaten und -dienste werden vermehrt über das Internet angeboten

→typisches Schlagwort: “Internet-GIS”

Internet-GIS-Anwendungen erreichen sehr viele Nutzer

fast beliebige Nutzung von internetfähigen Rechnern möglich

Anforderungen an Client sind gering

durch Standards einfacher Austausch möglichSpatial Databases und GISe, Kap.8 / K.N., S.T. / SomSem 2009 696

Webbasierte räumliche DBen→Anwendungsbereiche von Internet-GIS

einfache Auskunftssysteme• Standard-Internetumgebung mit üblichen Plug-Ins

• Präsentation interaktiver Karten

• z.B. kommunaler Bereich zur Veröffentlichung von Informationen für Bürger und Besucher


aus: http://www.braunschweig.de/

Webbasierte räumliche DBenspezialisierte georeferenzierte Auskunftssysteme

• zusätzliche Dienste für die Öffentlichkeit oder eingeschränk-ten Personenkreis

• dynamische Systeme erforderlich, da Daten während Anforderung verarbeitet werden

• z.B. Adresssuche, Routenplaner


aus: http://maps.google.de/

Webbasierte räumliche DBeninternetbasierte Geo-Clients mit Zugriff auf zentrale Ressource

• bieten erweiterte Funktionalitäten

• Analysen und Verschneidungen von raumbezogenen Daten

• Export und ändern von Attributen

• Verwendung meist in Geodateninfrastrukturen, da Schulung der Nutzer erforderlich

Geodatenportale

• zum Bereitstellen und/oder Verkauf großer Datenmengen

• Daten stammen meist von unterschiedlichen Geodatenservern


aus: http://cdl.niedersachsen.de/

Webbasierte räumliche DBen→Internet-GIS-Komponenten


aus: [KZe07]

Webbasierte räumliche DBen→technische Varianten für Internet-GIS


Server Client Bemerkung

statistische Webseiten

HTML-Dokumente,Grafikobjekte

Webbrowser bewährte und leicht realisierbare Lösung

interaktive Webseiten

HTML-Dokumente, Grafik-objekte, umfangreiche ein-gebettete Funktionalitäten

Webbrowser mit Skriptunterstützung

notwendig bei größeren Datenbeständen und wechselnden Anzeigen

Client-Anwen-dung

HTML-Dokumente mit einge-betteter Software-Komponen-te, Datendateien

Webbrowser mit Plug-In wie SVG, Java, spezielle Viewer

bei hohen Ansprüchen an die Darstellung, Skalierbar-keit und Interaktion

dyna-mische webseiten

dynamische Serveranwendung, Direktzugriff auf Geodaten

Webbrowser Unabhängigkeit vom Client, große Datenbestände und vielfältige Funktionen

Geodaten-infra-struktur

Datendienste, die auf vordefinierten Schnittstellen Geodaten bereitstellen

Geodatenclient, z.B. Viewer, Webportal, Desktop-GIS

Zugriff auf verteilte Geodatenbestände

Terminal-server

Hochleistungsserver mit Terminalsuite, GIS-Softwareund –Daten

Spezieller Client voller Zugriff auf ein Desktop-GIS über das Internet

8.5 Zusammenfassung→GIS zum Aufnehmen, Speichern, Analysieren,

Handhaben von raumbezogenen Daten

spezialisiertes Informationssystem

räumliche Datenbank, räumliches Datenbanksystem,

Anwendungssoftware

→GIS-Hardware und -Software

spezielle Eingabegeräte

Digitalisierer

Trommelscanner

Einteilung von GIS-Software


Zusammenfassung→Hybride vs. integrierte Systeme

dateibasierte Architektur

hybride Architektur

schichtorientierte Architektur

integrierte Architektur

Übung [räumlicher Verbund mit R-Baum-Index]

→Client/Server-Systeme

verschiedene Realisierungsformen von Client/Server-Systemen

typische Funktionen eines Geo-Clients

typische Funktionen eines Geo-Servers


ZusammenfassungWeb Coverage Service (WCS)

Web Feature Service (WFS)

Web Map Service (WMS)

→Webbasierte räumliche Datenbanken

Internet-GIS

Anwendungsbereiche von Internet-GIS

Internet-GIS-Komponenten


Zusammenfassung

705

GIS

Internet GIS

Software

Spatial Databases und GISe, Kap.8/ K.N., S.T. / SomSem 2009

Hardware

Client/Server

System-Architek-

turen

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