das geoweb - potenziale digitaler kartografie für kommunikation und e-business

Das GeowebPotenziale digitaler Kartograe fr Kommunikation und E-Business

Thesis zur Erlangung des Grades Master of Science von Holger Neubgeboren am 16.02.1982 in Emmendingen

betreut durch Dr. Benedikt Schulz (Virtual Identity AG)

Magic is dead, and its a beautiful thing - Daniel Madison

1. Prfer: 2. Prfer:

Prof. Martin Kirn (Hochschule Pforzheim) Prof. Dr. Thomas Greiner (Hochschule Pforzheim) Eingereicht im April 2009

Location, they say, is everywhere. Everyone has one, all of the time Ben Ward (Engineer YDN), 2008

ErklrungHiermit erklre ich, dass die vorliegende Arbeit von mir selbstndig und nur unter Verwendung der aufgefhrten Hilfsmittel erstellt wurde. Alle Stellen, die ich wrtlich oder sinngem aus verentlichten Schriften entnommen habe, wurden als solche gekennzeichnet. Diese Arbeit wurde weder als Ganzes noch in Auszgen fr eine andere Prfung angefertigt.

Freiburg, 28. April 2009

Unterschrift:

III

KurzfassungDas Internet ist bereits heute das fr die Verbreitung von Informationen und Dienstleistungen am hugsten verwendete System und gilt somit als de facto-Standard fr die globale Kommunikation [Yeung/Hall, 2007, S. 367; Stefanakis/Peterson, 2006, S. 6]. Mit Google Earth1 und Google Maps2 als prominente Beispiele hat die Geograe Einzug in das Internet und in das Bewusstsein der entlichkeit erhalten. Das geschrfte Verstndnis fr die Bedeutung von Geodaten in der Bevlkerung stellt auch Unternehmen vor neue Herausforderungen. Es gilt die Frage zu beantworten, wie das Geoweb dazu beitragen kann, bisherige Infrastrukturen, Schnittstellen und Ablufe weiter zu verbessern, und wie Geowebanwendungen dabei helfen knnen, einen wirtschaftlichen Vorteil zu erlangen. Besonders deutlich wird die Notwendigkeit von Antworten auf diese Fragestellungen vor dem Hintergrund der allgemein als gltig angesehenen Aussage, dass 80% aller Entscheidungen im entlichen und privaten Leben einen rumlichen Bezug haben [Peyke, 2004; Scharl/Tochtermann, 2007; IMAGI, 2008]. Diese Arbeit zeigt, dass Methoden und Werkzeuge des Geowebs eine Reife ereicht haben, die es Unternehmen erlaubt, Geowebanwendungen zur Steigerung des Geschftserfolg einzusetzen. Die Arbeit untersucht Strukturen des Geowebs und bespricht dessen technisches Fundament. Den Schwerpunkt bilden dabei konkrete Formate wie das bekannte Visualisierungsformat KML, ebenso wie konzeptionelle Element im Geoweb. Begrie wie Geodateninfrastruktur, Geo Webservices und auch Geoweb werden hinsichtlich unterschiedlicher Denitionen untersucht und Methoden fr die webbasierte Prsentation von Geodaten, beispielsweise in Kartendiensten, dargestellt. ber eine Bestandsaufnahme bereits heute existierender Geowebanwendungen in unterschiedlichen Bereichen werden die vielfltigen Anwendungsmglichkeiten gezeigt. Die Arbeit prsentiert anschlieend ein Ordnungssystem fr die modulare Zerlegung aktueller und zuknftiger Geowebanwendungen, welches erlaubt, diese einfacher zu sortieren, zu klassizieren und zu vergleichen. Eine Potentialbetrachtung des Geowebs anhand einer Analyse von Chancen und Risiken zeigt exemplarisch an generellen und konkreten Szenarien, wie Unternehmen durch den Einsatz von Mitteln des Geowebs Potentiale in den Bereichen E-Business und Kommunikation erschlieen knnen. Gleichzeitig untersucht die Arbeit Faktoren, die fr den langfristigen Erfolg des Geowebs mageblich sind, reektiert den aktuellen Stand der Entwicklung und bewertet diesen.

Stichworte: Geoweb, Web Mapping, Web 2.0, E-Business, GDI, WebGIS, LBS

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http://www.google.com/earth http://www.google.com/maps

IV

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1.1 Zielsetzung .............................................................................................. 1.2 Aufbau der Arbeit ................................................................................... 2 Grundlagen und verwandte Arbeiten 2.1 Literaturlage............................................................................................ 2.2 Basiswissen Geodsie ............................................................................... 2.2.1 Geograsche Kodierung ................................................................ 2.2.2 Geoid, Ellipsoid und Bezugssysteme.............................................. 2.2.3 Kartenprojektionen ....................................................................... 2.3 Geograsche Informationssysteme ........................................................... 2.3.1 Begrisbestimmung im Wandel der Zeit ........................................ 2.3.2 Datenbanksysteme mit rumlichen Daten...................................... 2.3.3 Geodaten und Datentypen ............................................................ 2.3.4 Digitale Kartograe ..................................................................... 2.4 Methoden der Positionsbestimmung ......................................................... 2.4.1 Grundlegende Verfahren zur Standortberechnung .......................... 2.4.2 Satellitengesttzte Systeme ........................................................... 2.4.3 Zellbasierte Funknetze .................................................................. 2.4.4 Positionsbestimmung durch IP Location Lookup ........................... 3 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von Geodaten 3.1 Das Geograsche Internet ....................................................................... 3.1.1 Begrisbestimmung Geoweb ..................................................... 3.1.2 Quellen geograscher Daten .......................................................... 3.1.3 Benutzergruppen und Peripherie ................................................... 3.2 Formate zur Geokodierung und Georeferenzierung .................................. 3.2.1 Modellierungs- und Datenaustauschformate .................................. 3.2.2 Geograsche Kodierung textueller Informationen .......................... 3.2.3 Bildformate mit Geoinformationen ............................................... 3.2.4 Geolocation API fr die standardisierte Positionsabfrage............... 3.3 Webservices fr Geodienste ..................................................................... 3.3.1 Geo Webservices nach dem OpenGIS Standard ............................ 3.4 Infrastrukturen fr den Zugang zu Geodaten .......................................... 3.4.1 Denition, Ziele und Aufgaben...................................................... 3.4.2 Infrastrukturen am Beispiel........................................................... 3.5 Kartendienste und virtuelle Globen ......................................................... 3.5.1 Virtuelle Globen ...........................................................................

1 2 2 3 3 4 4 5 6 8 8 10 10 12 13 14 16 17 18

20 20 20 21 23 24 24 29 32 36 38 40 42 42 44 45 46

V

Inhaltsverzeichnis

3.5.2 3.5.3

Kartendienste ............................................................................... 47 Anwendungsgebiete....................................................................... 50 53 53 54 55 56 57 59 61 63 65 66 69 70 77 79 84 84 84 85 86 87 88 89 91 91 92 95

4 Empirische Recherche und Zerlegung von Geowebanwendung 4.1 Querschnitt durch Geowebanwendungen - Eine Bestandsaufnahme .......... 4.1.1 Basisdienste und Frameworks........................................................ 4.1.2 Nachrichtenkarten......................................................................... 4.1.3 Fotomapping................................................................................. 4.1.4 Auskunftsysteme und Geo-Zentrische Webseiten ........................... 4.1.5 Navigation und Assettracking ....................................................... 4.1.6 Analyse, Marketing und Werbung ................................................. 4.1.7 Mobile Applikationen und Location Based Services LBS ............... 4.1.8 Content Dynamisierung ber Location Tracking............................ 4.1.9 Prsentation und Visualisierung.................................................... 4.2 Bestandteile von Geowebanwendungen - Eine Zerlegung .......................... 4.2.1 Komponentensicht: Webanwendung............................................... 4.2.2 Komponentensicht: Technisch/Infrastruktur .................................. 4.2.3 Zusammenfassung und Bewertung des Schemas............................. 5 Chancen fr Geowebanwendungen und Faktoren fr den langfristigen Erfolg 5.1 Mehrwertpotentiale am Beispiel .............................................................. 5.1.1 Potentiale fr das E-Business und Kommunikation im Allgemeinen 5.1.2 Marketing und Akquise von Daten ................................................ 5.1.3 Harmonisierung in Geschftsprozessen und Verwaltung ................. 5.1.4 Verbesserung der Informationsversorgung und Kommunikation durch Mittel des Geoweb .............................................................. 5.1.5 Location Aware Webbrowsing ....................................................... 5.1.6 Migration von Virtualitt und rtlichkeit ..................................... 5.2 Katalysatoren und Risiken ...................................................................... 5.2.1 Mobiles Internet und Positionsbestimmung als Schlssel fr ortsbezogene Dienste .......................................................................... 5.2.2 ber Standardisierung, Harmonisierung und Kooperation ............. 5.2.3 Schutz von Daten und Datenschutz ..............................................

6 Zusammenfassung und Ausblick 98 6.1 Zusammenfassung ................................................................................... 98 6.2 Ausblick ................................................................................................. 101 Literaturverzeichnis Anhang 104 114

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1 EinleitungDas Internet ist bereits heute das fr die Verbreitung von Informationen und Dienstleistungen am hugsten verwendete System und gilt somit als de facto-Standard fr die globale Kommunikation [Yeung/Hall, 2007, S. 367; Stefanakis/Peterson, 2006, S. 6]. Mit Google Earth1 und Google Maps2 als prominente Beispiele hat die Geograe Einzug in das Internet und in das Bewusstsein der entlichkeit erhalten und lste in der Webgemeinde einen Trend des Geotaggings3 aus. Dieser Trend fhrte dazu, dass eine Vielzahl von Informationen nunmehr geograsch sortiert werden knnen. Die punktgenaue Beschreibung von Informationen ber rumliche Koordinaten ernet eine neue Dimension der Betrachtung und erlaubt es, neue Schlsse zu ziehen, da viele Informationen ber Ressourcen erst durch ihre Zuordnung zu einem denierten Ort [. . . ] einen Nutzen [Vogel, 2002, S. 1] bringen. Frei verfgbare Kartendienste bieten Schnittstellen fr die externe Verwendung an. ber diese lassen sich geograsch kodierte Informationen hinzuzufgen, in sogenannten Mash-Ups mit anderen Anwendungen kombinieren und als neuartige Browseranwendungen mit geograschem Bezug im Internet anbieten [Maguire, 2008]. Auch vereinfacht die nung monolithischer Geoinformationssysteme (GIS) in Form von Webschnittstellen den Zugri auf geograsch kodierte Informationen, als unmittelbare Konsequenz der globalen Vernetzung und interdisziplinren Nutzung von Geoinformationen [Bernard/ Crompvoets/Fitzke, 2005, S. 5; Stefanakis/Peterson, 2006, S. 6]. Das geschrfte Verstndnis fr die Bedeutung von Geodaten in der Bevlkerung stellt auch Unternehmen vor neue Herausforderungen. Es gilt die Frage zu beantworten, wie das Geoweb dazu beitragen kann, bisherige Infrastrukturen, Schnittstellen und Ablufe weiter zu verbessern, und wie Geowebanwendungen dabei helfen knnen, einen wirtschaftlichen Vorteil zu erlangen. Besonders deutlich wird die Notwendigkeit von Antworten auf diese Fragestellungen vor dem Hintergrund der allgemein als gltig angesehenen Aussage, dass 80% aller Entscheidungen im entlichen und privaten Leben einen rumlichen Bezug haben [Peyke, 2004; Scharl/Tochtermann, 2007; IMAGI, 2008].

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http://www.google.com/earth http://www.google.com/maps 3 Geotagging beschreibt die Zuordnung einer Geograschen Position zu einem Datensatz, wie Text-, Bild-, Video- oder Audiodaten

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1 Einleitung

1.1 Zielsetzungbergeordnetes Ziel dieser Arbeit ist es, aufzuzeigen, dass Methoden und Werkzeuge des Geowebs eine Reife ereicht haben, die es Unternehmen erlaubt, Geowebanwendungen zur Steigerung des Geschftserfolgs einzusetzen. Die Arbeit konzentriert sich dabei auf folgende Teilziele: Schaung einer przisen, konsistenten und vollstndigen begriichen Basis, Analyse bestehender Geowebanwendungen und Schaung eines modularen Ordnungssystems zur Klassikation bestehender und zuknftiger Geowebanwendungen, und Potentialbetrachtung des Geowebs anhand einer Analyse von Chancen und Risiken.

1.2 Aufbau der ArbeitDie vorliegende Arbeit ist thematisch in drei Blcke unterteilt: Eine Einfhrung in die Geograe und Untersuchung des technischen wie konzeptionellen Fundaments des Geowebs geben die Kapitel 2 und Kapitel 3. Sie stellen Grundlagen der digitalen Kartograe, der Geograe und der Positionsbestimmung vor. Anschlieend untersuchen sie Strukturen des Geowebs und besprechen Formate, die eine Geokodierung erlauben und fr den Einsatz im Web geeignet sind. Auerdem beschreiben sie Anstze fr den einheitlichen Zugri auf Geodaten und der Prsentation im Webbrowser. Eine Bestandsaufnahme von Anwendungen im Geoweb und Beschreibung eines Schemas fr die Zerlegung von Geowebanwendungen umfasst das darauf folgende Kapitel 4. Es reektiert den Stand verfgbarer Geowebanwendungen und prsentiert ein Schema fr deren modulare Zerlegung. Erfolgsfaktoren des Geowebs und Potentiale von Geowebanwendungen in Kommunikation und E-Business untersucht Kapitel 5, indem es anhand von abstrakten und konkreten Beispielen zeigt, wie Unternehmen in Hinblick auf Kommunikation und das E-Business Werkzeuge des Geowebs zu ihren Gunsten einsetzen knnen. Gleichzeitig bespricht das Kapitel Faktoren, die fr den langfristigen Erfolg des Geowebs und dessen Anwendungen mageblich sind. Die Arbeit schliet mit einer bergreifenden Betrachtung und einem Ausblick in Kapitel 6.

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2 Grundlagen und verwandte ArbeitenAnwendungen im Geoweb setzen digitalen Karten ein und verwenden so Produkte und Werkzeuge der Geograe. Die geograsche Verortung von Punkten sttzt sich auf Methoden, um Positionen auf der Erde zu bestimmen. Dieses Kapitel vermittelt in Abschnitt 2.2 die ntigen Grundlagen fr den Umgang mit digitalen Karten im Internet. Anschlieend fhrt Abschnitt 2.3 den Begri des Geograschen Informationssystems und dessen Bestandteile ein. Ein Blick auf gngige Verfahren zur Positionsbestimmung und deren Anwendung in Abschnitt 2.4 schliet das Kapitel.

2.1 LiteraturlageDie Entwicklung von GIS Anwendungen blickt auf eine lange Historie zurck. Dementsprechend existiert ein groer Literaturbestand zu verschiedensten Themen mit theoretischer und praktischer Ausrichtung. Auch einige Werke zu WebGIS benden sich darunter. Hierbei liegt der Fokus meist auf den Einsatz in der GIS Domne. Diese Sammlungen geben einen Einblick in den Entwicklungsprozess von monolithischen GIS Systemen zu verteilten WebGIS Anwendungen, befassen sich jedoch nicht mit der neuartigen Verwendung von georeferenzierenden Multimediadaten und deren Einsatz in Anwendungen ausserhalb der GIS Domne. Ausnahme bildet hierbei [Stefanakis et al., 2006]. Die Sammlung bespricht verschiedene Anwendungsformen von geograsch kodierten Mediadaten. In diversen Beitrgen zu Grundlagen, Quellen und konkreten Anwendungen legt das Werk den Fokus zwar auf geograsche Hypermedia im Generellen, es ist jedoch stark GIS geprgt und die enthaltenen Fallbeispiele betreen meist Projekte, die im Rahmen von Forschungsarbeit entstanden sind. Siekierska/McCurdy (2008) haben eine Sammlung herausgegeben, die den Stand der Technik in Web-Kartendiensten jeglicher Art reektiert. In Beitrgen mit Schwerpunkten technische Realisierung, Anwendungsentwicklung und Konzeption bespricht diese Sammlung sowohl theoretische als auch praktische Aspekte. Die Kombination aus Forschungsberichten und Praxisbeispielen zeigt aktuelle Trends und Paradigmenwandel auf und fhrt zu einer Verwendung von Geodaten in nicht fachspezischen Anwendungen hin. hnlich reektiert auch [Scharl/Tochtermann] den aktuellen Stand der Forschung und Anwendung. Neben technischen Grundlagen liegt der Fokus vor

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2 Grundlagen und verwandte Arbeiten

allem auf Anwendung und konomischen Wandel durch Geobrowser und durch das Geoweb. Weitere Literatur ber den Nutzen von Geowebstrukturen, speziell im Hinblick auf Kommunikation und das E-Business, ist der Recherche zu Folge nicht existent. Der Grund hierfr liegt vermutlich in der noch recht jungen Disziplin bezglich dem Einsatz von Geowebanwendungen in Unternehmen und der Zurckhaltung und beim Einsatz von Web 2.0 Werkzeugen in der Wirtschaft. Ein weiterer Faktor fr das Fehlen derartiger Literatur birgt das fehlende Referenzmaterial. Zwar herrscht ein Konsens ber den Nutzen von Geodaten ber das Internet, wie sich dieser Nutzen manifestiert und wie welche Potentiale erschlossen werden knnen, ist noch ungeklrt [Fornefeld/Oenger/ Jaenicke, 2004, S. 4], so dass konkrete Nutzenanalysen und Bewertungen in der Literatur rar sind. Diese Arbeit kombiniert daher Fachliteratur verschiedener Domnen und stellt diese zur Beantwortung der Zielsetzung in einen gemeinsamen Kontext. Auch verwendetet die Arbeit eine Reihe von Studien und Prognosen namhafter Quellen fr die zuknftige Entwicklung des Geowebs und dessen Komponenten, die im Laufe der Arbeit behandelt werden.

2.2 Basiswissen Geodsie2.2.1 Geograsche KodierungZur exakten Beschreibung von Positionen auf der Erdkugel dienen verschiedene Systeme. Grundlegend und international universell ist ein sphrisches Koordinatensystem aus Lngengraden (Meridiane) und Breitengraden [Goodchild, 2007, S. 7]. Hierbei bilden der Nullmeridian (durch Greenwich) und der quator die Achsen des Koordinatensystems. Meridiane verlaufen zwischen den Polen in Nord-Sd Ausrichtung und unterteilen die Erdkugel in 360 Lngen(halb)kreise. Ausgehend von dem Nullmeridian werden jeweils 180 Lngenkreise in stlicher und westlicher Richtung gezhlt. Der 180te Lngenkreis stlicher bzw. westlicher Lnge ist identisch. Er verluft dem Nullmeridian gegenber und bildet mit diesem die Grenze zwischen Ost- und Westhalbkugel. Orthogonal zu den Meridianen verlaufen die Breitenkreise. Der quator, als Breitengrad mit maximalem Umfang, teilt die Erde in eine Nord- und Sdhalbkugel mit je 90 Breitenkreisen von dem quator zu den Polen, wobei von nrdlicher bzw. sdlicher Breite gesprochen wird. Lnge und Breite werden in Bogengraden ausgedrckt, die sich weiter unterteilen lassen. Die granulare Einteilung zeigt Formel 2.1. 1 (Grad) = 60 (Bogen) Minuten 1 (Bogen) Minute = 60 (Bogen) Sekunden

(2.1)

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Der Erdradius betrgt gerundet etwa 6370 km. Somit ergeben sich bei einem Umfang von circa 40 000 km fr die mittlere Ausdehnung eines Bogengrades ungefhr 111 km und einer Bogenminute 1.825 km1 . Fr Lngengrade gilt die Aussage aufgrund der Bndelung an den Polen nur unmittelbar am quator und cos(Breitengrad) 111.325 km sonst. ber ein Tupel aus Lngen- und Breitengrad ist jede Position auf der Erde geograsch hinreichend exakt beschreibbar [Leser/Schneider-Sliwa, 1999].

2.2.2 Geoid, Ellipsoid und BezugssystemeAls einfachste Form eines Erdmodells dient die Kugel mit dem Erdradius von 6372 km. Tatschlich lsst sich die Erde prziser durch ein ber zwei Radien eindeutig deniertes Rotationsellipsoid beschreiben. Eine solche Approximation der Erdform wird Sphroid genannt. Beispiele die bis heute in der Geodsie eingesetzt werden sind das Bessel 1840, das GRS80 oder das WGS84 Ellipsoid. [Hennermann, 2006]. Die tatschliche Erdgestalt, bezogen auf die einheitliche Normalschwere2 bildet das Geoid ab und ist fr eine genaue Vermessung von Bedeutung. Diese Gestalt, die aufgrund variierender Materialdichte und -beschaenheit eine gewellte Oberche besitzt, gilt es mit Hilfe eines Sproid als geometrisches Gebilde anzunhern. ber Variation der Ellipsenradien, aber auch ber eine zustzliche Verschiebung des sprischen Zentrums der Erde sind sie global (Erdellipsoid) oder lokal (Referenzellipsoid) einsetzbar. Ein Bezugssystem (auch Datum)3 besteht aus den fr die elliptische Approximation des Geoid verwendeten Parametern, sowie der Lokalisation auf der Erde, also der Verschiebung des Zentrums. Dabei wird eine mit dem Massenschwerpunkt der Erde konforme Lagerung als geozentrisch bezeichnet [Hennermann, 2006]. Beispiele fr Bezugssysteme sind: ITRS : Einen einheitlichen weltweiten Standard mit Fixpunkten, die in regelmigen Abstnden neu verentlicht werden, bildet das International Earth Rotation Service (IERS) Terrestrial Reference System (ITRS). WGS84 : Als Grundlage fr die GPS Positionierung dient das WGS84 mit dem gleichnamigen geozentrischen Ellipsoid. ETRS89 : Das European Terrestrial Reference System 1989 (ETRS89) ist fr die eurasische Kontinentalplatte als xes Referenzsystem angesehen. Es kann fr dieses geograsche Gebiet als konform mit dem WGS84 angesehen werden. Bezugsellipsoid ist das geozentrisch gelagerte GRS80 Ellipsoid.

Die mittlere Distanz einer Bogenminute von 1.825 km entspricht genau einer Seemeile (Nautic Mile, N M ) und erleichtert so das Messen von Entfernungen auf Seekarten. m 2 Die Normalschwere entspricht einer Schwerkraft von 9, 81 s2 3 Anstelle von Bezugssystem ndet sich auch die Verwendung des Begris Kartendatum, als sprichwrtliche bersetzung des englischen map datum.

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Aufgrund unterschiedlicher elliptischer Systeme kann so eine tatschliche Position auf der Erde auf identischem Ellipsoid durch unterschiedliche Lagerung abweichende Koordinaten aufweisen. Da die Kartenprojektion von einem Referenzellipsoid projiziert, ist die Nennung des zugrundeliegenden Datums ein wichtiger Parameter. Die Abweichung zwischen Geoid und Referenzellipsoid an einer bestimmten Stelle bezeichnet man als Geoidundulation.

2.2.3 KartenprojektionenEine Kartenprojektion ist eine mathematische Transformation, die Daten aus der sphrischen Geometrie (Erdkugel) in die euklidsche Geometrie (Ebene) abbildet [Hennermann, 2006, S. 94]. Unterschiedliche Anwendungsbereiche und Einsatzzwecke stellen verschiedene Anforderungen an die Beschaenheit von Projektionen. Die am hugsten genannten geometrischen Eigenschaften, deren Erhalt Projektionen erfllen knnen sind [Mitchell, 2008, S. 382-383; Hennermann, 2006, S. 99, und andere]: Winkeltreue : Von einer winkeltreuen (konformen) Abbildung wird gesprochen, wenn Winkel auf der Projektion im kleinsten Bereich denen des Urbildes gleich sind. Flchentreue : Die Proportionalitt von Projektionschen mit Flchen auf dem Urbild gilt. Somit werden Flchen mastabsgetreu abgebildet. Man spricht hierbei von einer quivalenten Abbildung. Lngentreue : Die Abstnde zu beliebigen Punkten von dem Zentrum der Projektion aus sind bei einer lngentreuen (aquidistanten) Abbildung proportional zu den tatschlichen Abstnden auf dem Urbild. Die genannten Kriterien werden durch gngige Projektionstypen in unterschiedlichem Mae angenhert. Eine Projektion, die smtliche Kriterien erfllt, gibt es nicht. Die folgenden Projektionstypen dienen als Grundlage von heute verbreiteten Projektionen [Kraak/Ormeling, 2003, S. 70-75; Mitchell, 2008, S. 383-384; Hennermann, 2006, S. 96]: Konische Projektion (Kegelprojektion) : Um eine Kegelprojektion zu erzeugen, wird auf die Kugel ein Kegel gesetzt. Entlang der Berhrkante von Kegel und Kugel ist diese Projektion am genauesten. Zylinderprojektion : Bei einer Zylinderprojektion wird die Projektionsche in Form eines Zylinders um die Kugel gelegt und anschlieend auf diesen abgebildet. Entlang der Berhrkante von Zylinder und Kugel ist die Projektion verzerrungsfrei. Die bekannteste Zylinder Projektion ist die Mercator Projektion, die Grundlage fr die Universal Transverse Mercator (UTM) (Abschnitt 2.2.3).

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Azimutalprojektion (Ebenenprojektion) : Bei der Azimutal- oder Planarprojektion berhrt die Projektionsche, den Globus in nur einem Punkt. Entweder an einem der Pole (polstndige Projektion) oder an einer Stelle zwischen den Polen (zwischenstndige Projektion). Die Projektion nimmt mit zunehmendem Abstand vom Berhrpunkt an Verzerrung zu und ndet hauptschlich fr Karten der Polargebiete Anwendung. Abbildungen 2.1(a)(c) zeigen die Ergebnisse mit den vorgestellten Projektionsarten.

(a) Kegelprojektion

(b) Zylinderprojektion

(c) Azimutalprojektion

Abbildung 2.1: Methoden zur Projektion aus der sprischen in die euklidsche Geometrie (Quellen: Wikipedia (Fotograf: Stefan Khn))

Vor dem Hintergrund einer weit verbreiteten Verwendung [Hennermann, 2006, S. 102], vor allem auch in Kartendiensten im Internet, beschreiben die nchsten Abschnitte die UTM Projektion, sowie das Koordinatensystem im UTM-System.

Universelle Transversale Mercator Projektion Die transversale Mercatorprojektion ist eine Zylinderprojektion, bei der die Achse des Projektionszylinders in der quatorebene liegt. Die Mercator Projektion im Allgemeinen hat die Eigenschaft einer zunehmenden Verzerrung, je weiter Projektionsche von dem Ellipsoid entfernt ist. Bei der klassischen Mercator Projektion ist dieses an den Polen der Fall und in der transversalen Version entsprechend am quator. Um diese Verzerrung zu minimieren bildet die UTM Projektion, welches als Ellipsoid das WGS84 verwendet, im Streifensystem mit 6 breiten Streifen ab. Anstelle einer singulren Abbildung von Urbild auf Projektionsche, besteht die Projektion dadurch aus einer Vielzahl von einzelnen Projektionen von Segmenten des Urbilds. Jedes Segment besitzt als Referenz einen Zentralmeridian. So ergeben sich im UTM-System 60 Zonen mit einer Breite von je 6 Grad. Nrdlich des quators liegende Zonenbereiche kennzeichnet ein nachgestelltes N und sdliche ein S. Aufgrund der Konvergenz der Meridiane an den Polen, ist die UTM Projektion nur zwischen 84 nrdlicher und 80 sdlicher Breite reprsentativ. Dort ist die Geoindulation vernachlssigbar und die Punkte des Erdellipsoids werden hinreichend verzerrungsfrei wiedergegeben [Hennermann, 2006, S. 103].

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Das Koordinatensysteme des UTM-Systems Fr die Verortung von Positionen, die auf der Erdkugel ber Winkelkoordinaten (Lngengrade und Breitengrade) ezient angegeben werden, eignen sich in der Ebene metrische Koordinatensysteme. Dies gilt speziell fr nahezu verzerrungsfreie Projektionen, da es eine metrische Strecken- und Flchenmessung ermglicht [Hennermann, 2006]. Das UTM ist ein metrisches Koordinatensystem fr Karten Die UTM Abbildung auf dem WGS84 Datum bildet die Grundlage des UTM System. Auf jede der durch die UTM-Projektion entstandenen Zonen wird ein eigenes metrisches Koordinatensystem gelegt. Der jeweilige Referenzpunkt bendet sich am Schnittpunkt von Zentralmeridian und quator. Eine geodtische Position wird durch die Zone, sowie Hoch- und Rechtswerte, die Werte fr die Abweichung vom Referenzzentrum nach Norden respektive Osten, eindeutig angegeben. Zur Vermeidung negativer Werte bei Punkten westlich des Zentralmedians erhlt dieser den Wert 5 000 000 m. Dieses Verfahren nennt sich False Easting. Fr Koordinaten in den sdlichen Bereichen der Zonen erfolgt eine Wertzuweisung am quator von 10 000 000 m (False Northing). Eine gltige Koordinate im UTM-System lautet zum Beispiel: Zone 33N Rechtswert 4 420 356.7 m Hochwert: 5 398 659.8 m Eine Abwandlung des UTM Koordinatensystems ist das Military Grid Reference System (MGRS). Bei diesem ndet eine weitere Unterteilung der Zonen in 8 breite Bnder statt, die alphabetisch von C-X 4 belegt werden.

2.3 Geograsche InformationssystemeDieser Abschnitt fhrt in die digitale Kartograe und Geograsche Informationssysteme GIS ein und beschreibt strukturelle Bestandteile auf dem Gebiet der digitalen Verarbeitung geograscher Daten.

2.3.1 Begrisbestimmung im Wandel der ZeitEin GIS ist ein rechnergesttztes System, das aus Hardware, Software, Daten und den Anwendungen besteht. Mit ihm knnen raumbezogene Daten digital erfat und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch prsentiert werden [Bill/Fritsch, 1991, S. 5]. Fr die Anwendung bedeutet dies, dass digitale Geoinformationen [. . . ] einfacher integriert, deutlich ezienter4

Die Buchstaben I und O wurden aufgrund der leichter Verwechselung mit 1 und 0 nicht verwendet

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und schneller verarbeitet oder in digitale Karten visualisiert werden [GDI-DE, 2008] knnen. Mithilfe von GIS lassen sich nach den vorgestellten Denitionen also Problemstellungen mit geograschem Bezug beantworten, visualisieren, und als untersttzendes Werkzeug in Entscheidungsprozessen einsetzen. Gezielte Gruppen von Geoinformationen lassen sich dabei beliebig in unabhngigen Datenschichten berlagern und so komplexe, vielschichtige Probleme, ezient darstellen. Die Idee der geschichteten berlagerung (Layerprinzip) ndet seinen Ursprung in Hettner (1927). Die vielfltigen Einsatzmglichkeiten in Projekten beschreiben Buhmann/Wiesel (2003, S. 18): GIS lsst sich nutzbringend in allen Phasen eines Projekts einsetzen - von der Planung und Konzeption, bis hin zu Betrieb und Wartung der Infrastruktur. Damit identizieren sie GIS als wichtigen Bestandteil in unterschiedlichen Prozessketten, wobei die Anwendung nicht auf klassische GIS Domnen, wie das Vermessungswesen oder die Straenplanung beschrnkt ist. GIS ndet so ber das ursprnglichen Einsatzgebiet hinaus Verwendung. Diesen Paradigmenwechseln in den vergangen Jahrzehnten beschreibt [Bartelme, 2005] ber das GIS-Evolutionsmodel. Es kennzeichnet die Entwicklungsstufen von GIS. Auf dieses Modell aufsetzend beschreibt Feix (2007, S. 50) die aktuelle Epoche als Zeit der Konsolidierung und Services in der sich GIS nunmehr in smtlichen Branchen verbreitet hat. Das kombinierte Modell zeigt Abbildung 2.2. Deutlich erkennbar in dieser Darstellung ist die Fokusverschiebung von einer ursprnglich rein von Funktionalitt geprgten Expertentechnologie hin zu einer Kundenorientierung und Integration ber standardisierte Geoservices. Zeit der Konsolidierung und Services:OGC-konforme Geo-Services, Open Source

Zeit der Integrierten Lsungen:Freier Markt, Groprojekte

Zeit der Nutzer:Entwicklung modularen Systemen. Anpassungen an Nutzerwnsche, Fachschalen

Zeit der Firmen:GIS-Markt entsteht, leistungsfhige Hardware, Umstellung von Grorechnern auf Workstation

Zeit der Behrden:Entwicklung von Konzepten, Umstellung Basisdaten in digitaler Form, GIS als Erfassungswerkzeug

Zeit der Pioniere:Individuelle isolierte Lsungswege

Abbildung 2.2: Evolution von GIS (Quelle: nach Feix (2007, S. 50))

Informationen, die sich ber ein GIS ableiten, aggregieren und visualisieren lassen, dienen heute als Grundlage oder als untersttzendes Mittel fr strategische Entschei-

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dungen in Belangen, die geograsche Informationen bercksichtigen. Die Abgrenzung zu herkmmlichen Informationssystemen erfolgt ber die Rumlichkeit der Daten.

2.3.2 Datenbanksysteme mit rumlichen DatenFr die Speicherung und Verwaltung groer Datenbestnde bietet sich der Einsatz von Datenbankensystemen an. Durch die rumliche Dimension unterscheiden sich Geodaten von herkmmlichen Daten, so dass auch an die Datenbanksysteme spezielle Ansprche zur Speicherung gestellt werden. Datenbanken mit rumlicher Erweiterung sind in der Lage geometrische Formen, wie Punkte, Linien oder Polygone und 3D Objekte zusammen mit weiteren Informationen vorzuhalten und diese anzufragen. Fr die Verwendung im professionellen Umfeld existieren verschiedene Lsungen wie die kostenpichtige Oracle Spatial5 Erweiterung einer Oracle Datenbank, ArcSDE des Marktfhrers ESRI im Bereich GIS als Erweiterung fr verschiedene Datenbanksysteme, oder die Open Source Implementatierung PostGIS6 Erweiterung fr PostgreSQL Datenbanken. Ein Grund fr die Verwendung spatialer Datenbanksysteme fr Geograsche Daten liegt in der umfangreicheren Abfragesprache. Sie ist gegenber Datenbankabfragesprachen um spatiale Funktionen wie Tests auf berschneidung, Einschluss oder das Suche nchstgelegener Objekte (Nearest-Neighbour) erweitert. Informationen mit geograschem Bezug bilden die Arbeitsgrundlage eines GIS und werden in den folgenden Abschnitten eingefhrt.

2.3.3 Geodaten und DatentypenGeodaten bilden die Grundlage fr Anwendungen mit geograschem Bezug, denn sie beschreiben Daten zu Objekten, die sich direkt oder indirekt auf die Erdoberche beziehen [Vogel, 2002]. Es wird dabei zwischen drei Datentypen unterschieden [Vogel, 2002; LV BW]. Grundlegend und primr anwendungsneutral sind die Geobasisdaten. Dazu gehren Aufnahmen und Modelle der Erdoberche. Darauf bauen Geofachdaten auf, die in Bezug eines bestimmten Verwendungszweckes eine besondere Bedeutung aufweisen und an sich dadurch nicht mehr anwendungsneutral einzustufen sind. Ein Beispiel fr Geofachdaten sind Informationen ber Bevlkerungsdichten. Zustzlich zu den genannten Typen existiert die Gruppe der Geo-Metadaten. Metadaten enthalten Daten ber Daten und beschreiben so Geodaten mit Hilfe von Attributen nher. Solche knnen zum Beispiel Informationen zu Aktualitt, Zuverlssigkeit, Genauigkeit, Vollstndigkeit, Herkunft, Preis oder Einsatzmglichkeiten der Geofachdaten sein.

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http://www.oracle.com http://postgis.refractions.net

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Bei der digitalen Reprsentation von Geodaten unterscheidet man zwischen zwei Typen: Vektordaten : Vektordaten beschreiben verschieden dimensionale geograsche Phnomene ber eine Menge von Vektoren. Hierzu gehren Punkte (konkreter Ort), Linien (Straen, Flsse,. . . ) und Flchen (Gebiete, Grundrisse,. . . ). Die Kodierung ber Vektoren ermglicht das Rechnen mit den Objekten, so dass Abfragen ber Schnittchen oder berschneidungen mit anderen Objekten und andere Funktionen wie Einschlusstests konkret berechnet werden knnen. Rasterdaten : Rasterdaten beschreiben geograsche Informationen ber Mengen einzelner Punkte, die in einem Gitter angeordnet werden. Jeder Bildpunkte ist durch Position und eine Eigenschaft (Farbwert, Datenwert, . . . ) speziziert. Vor allem fr Satellitenbilder und Luftaufnahmen kommt das Rasterformat zum Einsatz. Vektordaten besitzen im Vergleich zu Rasterdaten eine Reihe Vorzge. Durch die mathematische Beschreibungen sind Vektordaten unabhngig von Mastben7 und lassen sich mit anderen Daten beliebig berlagern. Darber hinaus ist der Speicherbedarf im Vergleich mit Rasterdaten reduziert. Nachteile von Vektordaten liegen in der aufwndigen Erstellung und einer letztendlichen Approximation tatschlicher Formen. Tabelle 2.1 stellt die beiden Formate und die Kodierung von n-dimensionalen Objekten dar. Basierend auf den dort gezeigten 0- bis 2-dimensionalen Formen lassen sich fr Geoobjekte weitere Klassen denieren [Rase, 1998]: 2,5-dimensionale Geoobjekte : Objekte dieser Kategorie weisen additiv zu der Ebene noch Hhenangaben auf. Dadurch entstehen gefaltete Ebenen, die unter anderem fr die Darstellung von Oberchen und Gelndemodellen eingesetzt werden. Da diese Formen nicht rumlich abgeschlossen sind, jedoch eine dreidimensionale Gestalt haben, spricht man von 2,5 Dimensionen. 3-dimensionale Geoobjekte : Krper mit rumlicher Ausdehnung sind dieser Kategorie zuzuordnen. Unterscheiden lassen sich solide Krper (Volumenkrper) und Polyeder (Grenzchen-Krper). 3D Stadtmodelle beruhen auf 3-dimensionalen Geoobjekten, die mit Texturen versehen werden, um die Realitt abzubilden. 4-dimensionale Geoobjekte : Additiv zu den drei Koordinaten fr die rumliche Darstellung, speichern 4D Geoobjekte zeitliche Informationen. Die Traversierung von Objektenhistorien ist so ber dynamische Objekte mglich. Die Relation einzelner Objekte zueinander drcken topologischer Beziehungen oder Klassenhierarchien aus und erweitern so die geometrischen Formen um semantischen

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Gemeint ist hierbei, dass die Schrfe der dargestellten Strukturen invariant gegen Skalierung ist. Die Beschrnkung deniert sich bei Vektordaten ber die Przision, Detailtreue und Ausung bei der Erfassung.

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Element Punkt

Vektordarstellung x,y-Koordinate

Rasterdarstellung Pixel

Linie

x,y-Koordinatenfolge

Pixel

Flche

geschlossene x,y-Koordinatenfolge

Pixel

Tabelle 2.1: Vektordaten und Rasterdaten im Vergleich (Quelle: In Anlehnung an [GDI-DE, 2008; Bill/Fritsch, 1991]

Kontext [Kolbe, 2008, S. 3]. Dieses vereinfacht Antworten auf Fragestellungen der Gestalt Ist Objekt A in Objekt B enthalten? ber Plausibilittsprfungen auf semantischer Ebene. Die tatschliche geometrische Lage und Ausdehnung ist dabei erst in der weiteren Berechnung relevant. Die vorgestellten Datentypen und Formen der Reprsentation stellen die Grundlage von GIS Anwendungen dar, die auf diesen Berechnungen durchfhren und die Ergebnisse soweit gefordert ber digitale Karten aufbereiten.

2.3.4 Digitale KartograeUnter einer Karte8 versteht die Geodsie eine verkleinerte Abbildung der Erde oder Teilen davon, die mastbig ist und dem Zweck der Erluterung bestimmter geograscher Begebenheiten wie Straenkarten oder Erhebungskarten dient [Hennermann, 2006, S. 6]. Die Kartograe dagegen beschreibt einen Prozess, der smtliche Stadien von der Aufbereitung bis hin zu der letztendlichen Verwendung bei der Erstellung von Karten und georeferenzierenden Produkten enthlt [Taylor, 1991]. Dieser umfasst sowohl die Organisation und Verbreitung von Geoinformationen, als auch die Prsentation8

aus lat. charta = Urkunde

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und letztendliche Verwendung. Entsprechend beschreibt die digitale Kartographie die Kartograe in der digitalen Umgebung und ist heute als nahezu synonyme Bedeutung anzusehen. Im Rahmen dieser Arbeit versteht sich die digitale Kartograe als die Verarbeitung und Aufbereitung von Geodaten jeglicher Art mit dem Ziel der Visualisierung von Antworten geographischer Fragestellungen. Die Verwendung digitaler Karten erstreckt sich heutzutage weit ber die Grenzen von GIS hinaus. In Navigationssystemen dienen sie als Orientierungshilfe und in Webanwendungen als Leinwand fr die Prsentation zustzlicher georeferenzierender Daten. Beide genannten Einsatzgebiete verwenden geograsche Koordinaten als Mittel der Ausrichtung mit digitalen Karten, so dass Wege fr die Bestimmung der Position notwendig sind. Der folgende Abschnitt stellt verschiedene Methoden vor dieses zu erreichen.

2.4 Methoden der PositionsbestimmungBei der Positionsbestimmung wird mittels verschiedener Techniken der Standort eines Empfngers bestimmt. Hierbei dierenziert man zwischen Eigenortung und der Fremdortung [Mansfeld, 2004, S. 1]. Whrend im ersten Fall der Empfnger vorhandene Signale dazu verwendet seine eigene Position zu bestimmen, wird im letzten der Standort durch eine dritte Instanz berechnet. Fr eine Ortung ist daher ein entsprechender Rckkanal fr die bertragung von Parametern notwendig. Im Rahmen der Arbeit wird der Begri Positionsbestimmung als Synonym sowohl fr die Fremd- als auch die Eigenortung verwendet. Dieser Abschnitt stellt bewhrte und neue Methoden fr die Positionsbestimmung vor, wobei es sich dabei letztlich um eine Positionsapproximation handelt, die Genauigkeiten von weniger als 10 Metern bis hin zu 2km Abweichung aufweisen kann [Wealands, 2006, S. 140]. Die Bestimmung des Standortes ist zum einen fr die Orientierung grundlegend, jedoch auch fr die Realisierung von Anwendungen, die den Aufenthaltsort des Anwenders bercksichtigen. Diese sogenannten Location Based Services (LBSs) sind kontextsensitiv und generieren ortsbezogenen Inhalt mit dem Ziel Zugri auf lokale Informationen zu gewhren. Ein LBS beantwortet Fragestellungen mit geograschem Bezug und kann daher als spezialisiertes Geographisches Auskunftssystem fr eine breite Anwendung gesehen werden. Durch die Beschrnkung auf bestimmte Fragestellungen sind LBS skalierbar und performant, was sie deutlich von GIS unterscheidet [Yeung/Hall, 2007, S. 493]. GIS dient hierbei entsprechend Abbildung 2.3 zusammen mit dem Internet und dem Mobilfunk als infrastrukturelle Voraussetzung fr LBS. Auch die Positionsbestimmung stellt eine Voraussetzung fr diese Dienste dar.

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GIS/ Spatiale Databanken (SDB)

Mobile GIS/SDB LBS

Internet/ Web GIS

Mobile/ Drahtlose Rechner

Mobiles/ Drahtloses Internet

Internet/ WWW

Abbildung 2.3: Schlsseltechnologien und Infrastrukturen fr Location Based Services (Quelle: [Yeung/Hall, 2007, S. 493])

2.4.1 Grundlegende Verfahren zur StandortberechnungDistanz- und winkelbasierte Verfahren Empfngt ein zu lokalisierendes Gert Signale mehrerer bekannter Fixpunkte, so kann der Empfnger seine Position anhand von Signaleigenschaften selbststndig berechnen. Zum Einsatz kommen die Verfahren der Angulation und Lateration. Abbildung 2.4 veranschaulicht die Verfahren: Lateration : Bei der Lateration werden die Entfernungen von den bekannten Fixpunkten ermittelt und daraus die eigene Position berechnet. Angulation : Fr die Standortberechnung dienen die Winkel zwischen den Fixpunkten und dem Empfngner als Referenz fr die Berechnung. Anhand dieser Informationen wird die Position berechnet. Die Genauigkeit des Verfahrens korreliert mit der Anzahl vorhandener Fixpunkte fr die Winkelberechnung. Fr eine genaue Positionsbestimmung auf der Erde sind bei der Lateration vier Fixpunkte notwendig, wobei der Erdemittelpunkt selbst als Fixpunkt dienen kann, so dass fr die Positionierung auf der Erdoberche bereits drei zustzliche Fixpunkte ausreichen. Um die Entfernung und Winkel fr Lateration respektive Angulation zu berechnen, kommen unterschiedliche Methoden, die unterschiedliche Signaleigenschaften verwenden, zum Einsatz. Zu den bekanntesten zhlen die Folgenden: Time of Arrival (ToA): ToA verwendet fr die Berechnung die Verzgerung ankommender Signale. Je weiter ein Fixpunkt entfernt ist, desto lnger bentigt ein Signal um den Weg zwischen Empfnger und Sender zu berbrcken. Dieses Verfahren fordert fr eine genaue Standortbestimmung eine hoch przise zeitliche Synchronisation. Ist dieser Umstand gegeben, so kann das Verfahren mit jedem Signalempfnger ohne zustzliche Hardware durchgefhrt werden. Eine Erweiterung des ToA stellt die Time Difference of Arrival (TDoA) Methode dar, welche

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a

Gert

Gert b

Abbildung 2.4: Prinzip der Lateration und Macnaughtan/Scott, 1998])

Angulation

(eigene

Darstellung,

[Drane/

die Dierenz zweier Signale von einer Quelle verwendet um die Distanz zu bestimmen. Dieses Verfahren ist prziser als ToA, erfordert jedoch eine Installation auf dem Endgert um das zweite andersfrequente Signal zu empfangen. Received Signal Strength Indicator (RSSI): RSSI verwendet die Strke des ankommenden Signals, welche quadratisch zu der Distanz abnimmt, um auf die Entfernung des Senders zu schlieen. Diese Methode ist ohne weitere Installation auf Empfngerseite realisierbar und daher eine kostengnstige Methode. Aufgrund von Strquellen oder Hindernissen werden Signale verflscht, so dass die RSSI Methode im Vergleich mit anderen Methoden ungenau ist. Angle of Arrival (AoA): Das Verfahren berechnet den Winkel eines eintreenden Signales durch eine spezielle Antenne oder ein Antennencluster, so dass aus Empfngerseite entsprechende Hardware vorausgesetzt wird. Das Verfahren liefert die fr eine Angulation ntigen Daten, ist jedoch ungenauer als andere Verfahren. Mobilfunk ist fr eine bidirektionale Kommunikation ausgelegt, in der die Basisstation und das Endgert als Sender und Empfnger agieren knnen. Die vorgestellten Verfahren eignen sich daher sowohl fr Einsatz in der Eigenortung als auch Fremdortung. Bei der Fremdortung ist eine Kommunikation zwischen den Basisstationen (Fixpunkte) notwendig um die empfangenen Signale abzugleichen und die Fremdortung durchzufhren.

Das Cell ID Verfahren In Netzen, die aus dem Verbund mehrerer Zellen bestehen und Teilnehmer ber entsprechende Basisstationen mit dem Netz kommunizieren, kann das CellID oder Cell of Origin (COO) Verfahren eingesetzt werden. Fr die Position des Endgertes werden die Koordinaten der Basisstation angenommen, bei der das Endgert eingebucht ist.

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Da diese Methode keiner zustzlichen Hardware bedarf, ist sie technisch mit geringem Aufwand realisierbar. Die Genauigkeit des Verfahrens korreliert unmittelbar mit der Ausdehnung der Zellgre. Diese ist bisweilen unterschiedlich, so dass es je nach Anwendungszweck nur eingeschrnkt einsetzbar ist. In der gngigen Praxis werden Lsungen eingesetzt, die verschiedene der vorgestellten Verfahren verwenden und dieses kombinieren.

2.4.2 Satellitengesttzte SystemeGPS und Galileo sind zwei Systeme, die eine Eigenortung mit Hilfe von Satellitensignalen erlauben. Geeignete Endgerte sind in der Lage mit Hilfe empfangener Daten von mindestens drei Satelliten ihre Position metergenau zu bestimmen. Zum Einsatz kommt hierbei das zuvor vorgestellte Verfahren der (Tri)lateration, bei dem die Satelliten als Fixpunkte fungieren. Whrend Global Positioning System (GPS) bereits seit Mitte der 70er Jahre im Einsatz ist, bendet sich Galileo noch im Aufbau. Ein weiteres System ist das russische Global Navigation Satellite System (GLONASS), das wie auch GPS unter militrischer Kontrolle steht. GPS und Galileo werden im Folgenden kurz vorgestellt, um die Unterschiede wie Gemeinsamkeiten zu verdeutlichen.

Global Positioning System GPS ist weltweit verfgbar und wird von der US Regierung bzw. dem Militr verwaltet und kontrolliert. Konzipiert wurde GPS System mit 21+3 (Reserve) Satelliten, die in 20 000 km Hhe die Erde jeweils zwei mal pro Tag orbitieren. Aus Grnden den Sicherheit wurden fr den zivilen Gebrauch des Satellitensystems lange die Signale knstlich verflscht. Diese knstliche Verflschung, auch als Selective Availability bezeichnet, bewirkte Ungenauigkeiten im 100m Bereich und machte das System fr verlssliche Messungen unbrauchbar. Dieses Reglement wurde am 02. Mai 2000 fallengelassen und GPS liefert fr den zivilen Sektor seitdem unverflschte Daten.

Galileo Als Alternative und Ergnzung zu GPS wird das europische Galileo System gesehen. Es soll seinen Dienst 2010 aufnehmen. Galileo wird aus 30 GPS kompatiblen Satelliten bestehen und unter ziviler Administration betrieben werden. Dadurch sichert es die Unabhngigkeit von Regierung und Militr. Das technische Konzept lsst sich in etwa mit dem von GPS und GLONASS vergleichen [Mansfeld, 2004, S. 280]. Im Gegensatz zu den amerikanischen System, ist Galileo jedoch aus Interessen der Wirtschaft entstanden

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und bietet ein Lizenssystem fr unterschiedliche Diensttypen als zentralen Bestandteil der Galileo Spezikation [Agency]: Open Service (OS) : Der kostenlose Dienst zur Positionsbestimmung vergleichbar mit dem standard GPS Dienst. Commercial Service (CS) : Zustzliche Signale ermglichen einen hheren Datendurchsatz und eine Erhhung der Genauigkeit. Safety-of-Life (SoL) : Dieser Dienst erweitert den Open Service um einen Rckmeldekanal, der bestimmte Integrittsbedingungen zum Beispiel die Przision berwacht. Public Regulated Service (PRS) : Dieser Dienst richtet sich an Personen, die auf hohe Ausfallsicherheit und Verschlsselung angewiesen sind. Systeme wie GPS oder Galileo sind abhngig von den Signalen der Satelliten im Orbit. Besonders innerhalb Gebuden wie Brogebuden und zwischen hohen Husern, wie es im Stadtgebiet hug der Fall ist, lassen sich diese Signale jedoch nicht oder nur unzuverlssig empfangen. Dadurch ist eine Positionsbestimmung nur beschrnkt mglich oder sogar gnzlich unmglich. Eine Ergnzung oder Alternative hierzu bildet die Positionsbestimmung innerhalb zellbasierter Funknetze.

2.4.3 Zellbasierte FunknetzeEine Alternative zur Positionsbestimmung in Gebieten in denen satellitengesttzte Systeme nicht anwendbar sind, ist es sich auf Funknetze wie Wireless Lan (WLAN) oder Mobilfunknetze (Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)) zu sttzen. Der Vorteil dieser Signale liegt in der Verfgbarkeit in Innenrumen. Die Infrastruktur von Mobilfunknetzen stellt einen Verbund aus adjazenten Zellen dar, die in der Kombination eine chendeckende Wabenstruktur ergeben. Eine Zelle ist hierbei der Funkbereich eines Sendemasten im ungefhren Zentrum der Zelle. Diese Art von Netzwerken mit bekannten Fixpunkten eignet sich in erster Linie fr die Positionsbestimmung ber das CellID Verfahren. Die zuvor angesprochene Ungenauigkeit aufgrund von dierenter Zellgre beispielsweise durch Zellatmung9 erlaubt keine genau Berechnung. Das CellID Verfahren in Verbindung mit AoA oder ToA bercksichtigt weitere Parameter wie Abstrahlwinkel der Basisstation (Zellensektorisierung) und kombiniert die Verfahren fr zu eine erhhte Przision. Basisstationen in WLANs dienen als Zugrispunkt, an dem sich Teilnehmer, je nach Zugangsberechtigung anmelden knnen. Dabei sendet ein WLAN auf denierten Frequenzbndern und kann von geeigneten Empfngern gefunden werden. Beim Vergleich9

Zellatmung beschreibt die dynamische Ausdehnung und Verkleinerung von Zellen, die durch die Anzahl der eingebuchten Mobilgerte und verwendeter Signalstrke begrndet wird.

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mit dem Global System for Mobile Communications (GSM) Netz wird ersichtlich, dass ein einzelnes WLAN mit einer Zelle korreliert und in Verbindung mit anderen WLANs eine zellbasierte, teils berlappende Infrastruktur bildet. Eine hohe Dichte weisen solche Verbundnetze in urbanen Gebieten auf. Dort nden sich nach aktuellen Schtzungen bis zu tausend WLAN Basisstationen pro Quadratkilometer [Fraunhofer-Institut fr Integrierte Schaltungen IIS]. Aufgrund der geringen Ausdehnung einzelner WLANs erreicht Cell of Origin (COO) in Verbindung mit dem RSSI Verfahren Positionierungsgenauigkeiten von zehn Metern auerhalb und von bis zu drei Metern im Inneren von Gebuden erreichen. Die WLAN Positionierung stellt eine Ergnzung zu GPS dar, da es genau die Schwachstellen von GPS, nmlich die Genauigkeit in Gebuden und stdtischen Bereichen, abdeckt und GPS in lndlichen Gegenden, in denen die WLAN Positionierung versagt, gewinnt [List, 2008]. Erste Gerte, wie das iPhone verfgen ber entsprechende Ausstattung, die beide Technologien verwenden kann. Die Positionsbestimmung mittels WLAN sttzt sich auf Datenbanken, in denen Zugangsstationen kartiert gespeichert werden und entsprechende Signalcharakteristika realen Orten zugewiesen sind. Bei der Positionsbestimmung erfolgt ein Abgleich sichtbarer Netze und deren Signalstrken, die kombiniert einen Fingerprint ergeben, mit den Datenbankeintrgen. Anhand der dort gespeicherten Koordinaten wird die Position approximiert. Aufgrund einer hohen Dynamik und Fluktuation von WLAN Netzen ist eine permanente Pege der Datenbankeneintrge notwendig. Da bei der Positionsbestimmung eines Gertes unter Umstnden neben bekannten auch neue Netze bermittelt werden, handelt es sich um lernfhige Systeme, die vorliegende Daten stetig erweitern und verfeinern [Fraunhofer-Institut fr Integrierte Schaltungen IIS].

2.4.4 Positionsbestimmung durch IP Location LookupDie bis dato vorgestellten Verfahren setzen fr die Positionsbestimmung auf die Verfgbarkeit von Signalen ber eine Luftschnittstelle . Eine Mglichkeit der Positionsbestimmung, die auf Hierarchie und Heuristiken beruht stellt das IP Location Lookup Verfahren dar. Eingesetzt wird die Methode in Netzen, die wie beispielsweise das Internet auf dem Internet Protocol (IP) basieren. Eine IP Adresse ist eine Binrzahl, die einen Computer in einem Netzwerk eindeutig identizieren, so dass Datenpakete als Informationstrger zwischen Server und Klient korrekt geroutet werden knnen. Die Vergabe der Adressen erfolgt ber die Internetprovider, die Adressen in einem bestimmten Bereich vergeben drfen. In der initialen Version IPv4 besteht eine solche Adresse aus 32 Bits. Ipv6 erweitert den auf 232 Werte limitierten Adresseraum auf 128 Bits. Da Standortinformationen von Providern verfgbar sind, lassen sich Rckschlsse ber den Aufenthaltsort des zu ortenden Computers ziehen. Die in diesem Prozess

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durchgefhrte Suche setzt auf umfangreiche Datenbanken, die Standortinformationen in Verbindung mit entsprechendenden IP Adressbereichen vorhalten und im Rahmen der Ortung eines Teilnehmers angefragt werden. Da eine Manipulation der IP Adresse mglich ist und Serverstandorte nicht unmittelbar in Verbindung mit dem Standort des Endgertes stehen muss, stellt der IP Location Lookup keine sichere Methode dar. Analysen innerhalb der USA ergaben jedoch signikante Resultate von einer 81 prozentigen Genauigkeit mit einer Ungewissheit eines 25 Meilen Radius. Es wird geschtzt, dass bis zu 99 Prozent der IP Location Lookup Anfragen auf Lnderebene korrekt sind [WhatsMyIP, 2008].

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3 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von GeodatenDie bereits in den neunziger Jahren entstandene Diskussion, ob und wie sich das Internet fr die Verbreitung von Karten und Verarbeitung von Geodaten anbietet und eignet [Harbeck, 2003; Kraak/Ormeling, 2003], wurde sptestens durch die Schpfung und Etablierung der Begriichkeit des Geoweb, als zutreend beantwortet. ber das Geoweb als Integration von Internet und GIS erfhrt das inhaltliche Spektrum von GIS eine Erweiterung und wird fr eine breite entlichkeit zugnglich und interessant [Peyke, 2004, S. 10]. Dieses Kapitel beleuchtet verschiedene Entwicklungen zum und im Geoweb, bespricht die infrastrukturellen Komponenten und gngige Datenformate, die eine geograsche Referenzierung vorsehen.

3.1 Das Geograsche InternetDieser Abschnitt diskutiert verschiedene Denitionen des Geowebs, die sich sowohl widersprechen als auch komplementieren. Anschlieend stellt der Abschnitt grundlegende Komponenten des Geowebs vor.

3.1.1 Begrisbestimmung GeowebFr den Begri Geoweb gibt es in der Literatur eine Vielzahl von Beschreibungen. Konsens einer einheitlichen Denition ist dabei nicht erkennbar. Eine Denition fr das Geoweb als ein System aus Systemen, mit der gemeinsamen Grundlage der Geograe gibt Maguire (2008, S. 3). Verfeinernd schreibt Maguire (2008, S. 1): GeoWeb, or geographic web, is a relatively new term that describes all the geographic content and application services that are currently available on the World Wide Web. Hierzu gehren Anwendungen fr die dynamische Anzeige von Geodaten, direkt nutzbare Web Services und Mashups aus diesen, Geodatenportale und standardisierte Protokolle. Erkennbar in dieser Denition ist die starke Orientierung an der wrtlichen Bedeutung des Wortes Geoweb - Geo1 als Indikator fr geograschen Bezug und Web2 als Synonyme Abkrzung fr World Wide Web. Sie geht jedoch ungengend auf technische1 2

griechisch: Erde, Land englisch: Netz

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3 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von Geodaten

Strukturen ein, die ein Fundament bilden und den Rahmen fr geograsche Daten im Internet geben. Das Open Geospatial Consortium (OGC), eine Vereinigung mit dem Ziel Standards fr die internetgesttzte Verarbeitung von Geodaten zu etablieren, schreibt auf seiner Webseite3 : The Geospatial Web is about the complete integration and use of location at all levels of the internet and the web. This integration will often be invisible to the user. But at the end of the day, the ubiquitous permeation of location into the infrastructure of the internet and the web is being built on standards [Reed, 2007]. Die Wechselwirkungen auf allen Ebenen und die Bekenntnis zu standardisierten Verfahren bilden in dieser Denition den Fokus. Zu den integrativen Bestandteilen des Geowebs gehren daher nicht nur Daten, sondern auch Methoden und Paradigmen, die bei der Prsentation, der Bereiststellung oder dem Zugri eingesetzt werden. Mit Fokus auf infrastrukturelle Aspekte und die Verwendung in einem dienstorientierten Umfeld gibt ESRI (2006, S. 2) eine weitere Denition: The GeoWeb is continuously available geoinformation content (e.g., spatial data, functions, and location-aware devices/sensors) and geospatial capabilities accessed through a services-based interface. Die Notwendigkeit ber den Zugang zu aktuellen und przisen geograschen Informationen aus verschiedenen Teilen der Welt sieht Lake et al. (2004, S. 7) als treibende Gre hinter der Entwicklung des Geoweb. Die vorgestellten Denition zeigen die Vielschichtigkeit des Geoweb. Zum einen sind es die Daten selber, zum anderen Anwendungen, die diese verwenden und auch vermittelnde Dienste, die den Zugri und die Verbreitung erlauben. Weitere andere untersttzende Dienste, wie die Positionsbestimmung (location-aware devices) geben dem Geoweb seine Form. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Geoweb wie folgt deniert: Das Geoweb vereint die Erzeugung, Bereitstellung, Verarbeitung, Manipulation und Prsentation von geograschen und georeferenzierenden Daten ber Dienste und Anwendungen im Internet, Modelle zur Beschreibung von Geodaten, und fr Anwendungen zutrgliche strukturelle Entitten und Endgerte.

3.1.2 Quellen geograscher DatenGeograsche Informationen bilden die Grundlage des Geoinformationswesens und des Geowebs im Speziellen. Behrdliche Institutionen wie Landesvermessungs-/ oder Katastermter liefern seit Jahren aktuelle und detaillierte Geodaten mit verschiedensten Schwerpunkten wie Straen, Baumbestnde, Liegenschaften usw. Diese Daten lagern in speziellen Datenbanken und bilden die Grundlage klassischer GIS Anwendungen.

3

http://www.opengeospatial.org

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Darber hinaus erheben private Anbieter wie der GIS Marktfhrer ESRI4 , Tele Atlas5 oder Navteq6 Geodaten, um sie ihren Kunden entsprechend aufbereitet anzubieten. Diese professionell erhobenen Daten sind qualitativ hochwertig und haben entsprechend aufbereitet hohen Marktwert. Die Erfassung der zum Beispiel sich stndig ndernden Straennetze erfolgt hndisch, indem speziell ausgestattete Fahrzeugotten die Straennetze abfahren und nderungen so in die Datenpools der Anbieter aufgenommen werden. Zustzlich zu der Vermessung ber GPS werden zunehmend gleichzeitig Fotoaufnahmen von den abgefahrenen Strecken aufgezeichnet. Bis vor etwa vier Jahren bildeten wissenschaftliche Projekte und behrdliche Bemhungen die treibenden Gren hinter der Erschlieung eines geograschen Internet, wobei die Motivation stark auf der Etablierung von Spezikationen fr den standardisierten Geodatenzugri und -austausch lag. Der zunehmende Bekanntheitsgrad von frei verfgbaren Kartendiensten wie Google Maps bewirkte ein entliches Interesse an einem Geoweb. Nicht lnger liegt so der Fokus auf technischen Konzepten, sondern vielmehr auf der gemeinschaftlichen Aktivitten und den Einsatz von Geoinformationen in Webprojekten [Rouse/Bergeron/Harris, 2007, S. 155]. Das Web 2.0 nach OReilly (2005) ist geprgt von Interaktion, Partizipation und kollektivem Arbeiten und hat so die Rolle des Internetbenutzers von Zuschauer zu Teilnehmer verndert. In persnlichen Weblogs, kollaborativen Wissensportalen oder durch Taggen7 von Inhalten interagiert und kommuniziert die Webgemeinde [Huber, 2008]. Durch diesen User Generated Content (UGC), also Inhalte, die von Benutzern erstellt werden, wchst die Datenmenge im Internet rasant nicht zuletzt als ein Produkt der zunehmenden Interaktionsmglichkeiten [Goodchild, 2007, S. 6]. Vermehrt spielt das Erzeugen geograsch kodierter Informationen eine Rolle und als Substitut fr User Generated Content (UGC) mit geograschem Bezug hat sich der Begri der Volunteered Geographical Information (VGI) etabliert [Dangermond, 2008; Goodchild, 2007]. Unterscheiden lsst sich zwischen der Generierung von Geodaten an sich und der Verortung von medialen Daten, dem Geotagging, welches besonders in der Verortung von Bildern Anwendung ndet [Torini/Battle/Cyzer, 2007, S. 159]. Im Gegensatz zu Geodaten, stehen bei einem Objekt mit Geotag die Daten im Vordergrund und die geograsche Kodierung ist lediglich ein Attribut zu diesen. Obwohl diese Art der Geodaten grtenteils von geograschen Laien erzeugt wird und dadurch die Richtigkeit und Genauigkeit nicht garantierbar ist, bildet die Gesamtheit der Sache ein innovatives Konzept, dass GIS und vor allem das entliche Verstndnis fr Geodaten nachhaltig beeinusst [Goodchild, 2007, S. 2].

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http://www.esri.com http://www.teleatlas.com 6 http://www.navteq.com 7 Verschlagwortung von Dingen

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ber ozielle und Web 2.0 generierte Daten hinaus, bedient auch die automatisierte Geokodierung die Menge geograscher Daten im Internet. Die Durchsicht und Analyse von Dokumenten nach geograschen Inhalten (geoparsing), die nicht explizit maschinenlesbar geograsch beschrieben sind, und die anschlieende Kodierung der entsprechenden Koordinaten (geocoding) ist eine Aufgabe der Informationsgewinnung [Scharl, 2007, S. 6]. Der Prozess der automatischen Annotation setzt bereits auf vorhandene grundlegende Geodienste. Beispielsweise sind Datenbanken mit Koordinaten zur Schlagworten oder zu Adressen Voraussetzung fr die automatisierte Geokodierung. Da hierfr vorhandene Dienste notwendig sind, kann bereits von einer auf einem spatialen Rahmen basierenden Anwendung, fr die geograsche Veredelung von Dokumenten, gesprochen werden [Scharl, 2007, S. 7].

3.1.3 Benutzergruppen und PeripherieGeodatenverwender lassen sich in die zwei Gruppen Nutzer und Dienstanbieter unterteilen. Whrend Benutzer das Ende der Verarbeitungs- und Wertschpfungskette darstellen bilden Dienstanbieter ein Bindeglied zwischen zwei Ketten. Sie veredeln Geodaten und geben diese in geeigneter Form, unter Generierung von Mehrwert, an weitere Geodatennutzer weiter, die ihrerseits Nutzer oder Dienstanbieter sein knnen. Durch den Abruf von Geodiensten und Anwendung angebotener Software in verschiedenen Umgebungen und mit unterschiedlicher Intention, sichern Geodatennutzer einen kontinuierlichen Markt. Fr nachhaltigen Erfolg bei dem Handel mit Geodaten und Produktderivaten aus diesen, spielt daher eine engmaschige berprfung der Nachfrage und die Fhigkeit, Produkte innerhalb krzester Zeit auf momentane Konstellationen anzupassen, eine zentrale Rolle. Die Schnittstelle zwischen digitalen Diensten und Endverbrauchern stellen die Endgerte wie Computer dar. Technologischer Fortschritt und die Verbreitung leistungsstarker Gerte erlauben neue Anwendungen. Laptops und stationre Computer liefern fr Anwendungen ber das stetig weiterentwickelnde Internet die ntige Rechenkapazitt. Parallel zum rasanten Wandel des Internet erlebt auch die Mobilfunkindustrie eine Wende. Smartphones, die in ihrer Funktionalitt bereits viel mit einem Computer gemein haben, bevlkern den Markt. Beispiele hierfr sind das iPhone von Apple oder das Google G1. Die kontinuierliche Entwicklung leistungsstrkerer Gerte geht einher mit dem Ausbau der Infrastrukturen. Durch die Einfhrung neuer Netze wie das UMTS Netz oder in naher Zukunft High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) werden immer schnellere Datenverbindungen in das Internet mglich. Dadurch sind moderne Mobiltelefone potentielle Endgerte fr komplexe Anwendungen im Internet.

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3.2 Formate zur Geokodierung und Georeferenzierung

Die Kommunikation von geograschen Informationen und Informationen mit geograscher Referenzierung ber das Internet ndet ber geeignete Datenformate statt. Vielfltige Anwendungszwecke und eine Bandbreite unterschiedlicher Medientypen wie Bilder oder Texte stellen dierente Ansprche an jeweilige Datenformate. Dieser Abschnitt stellt mit dem Fokus auf Anwendungszweck de facto und de jure Standards fr die geograsche Kodierung im Web vor.

3.2.1 Modellierungs- und DatenaustauschformateDie Modellierung von geograschen Formen spielt eine zentrale Rolle bei der Modellierung von Gebuden und Stdtemodellen sowie in wissenschaftlichen Anwendungen. Dort werden Formate bentigt, die in der Lage sind komplexe Strukturen und Sachlagen en Detail auszudrcken. Bei der Visualisierung dagegen ist eine semantische Beschreibung der Sachverhalte nicht notwendig und andere Aspekte nden den Fokus.

Geography Markup Language (GML) GML ist eine auf XML basierende Beschreibungssprache fr geograsche Objekte jeglicher Art. Weiterentwickelt und gepegt von dem Open Geospatial Consortium (OGC), einem internationales Konsortium aus 386 Vertretern aus Industrie, Regierungsbehrden und Universitten, ist GML seit 2002 ein Standard der ISO [Lake et al., 2004, S. 9] und liegt derzeit in Version 3.1 vor. Das OGC verfolgt das Ziel oene Standards fr den Austausche und den Zugri auf geograsche Daten im Internet zu erarbeiten und zu etablieren. Objekte in GML basieren auf dem feature-Typ. Als grundlegender Bausteine zur Reprsentation der realen Welt, enthalten diese Objekte geograsche Eigenschaften, wie Position und Ausdehnung und weitere beschreibende Eigenschaften wie Farbe, Dichte oder Material [Lake et al., 2004, S. 3]. ber die Angabe eines Zeitpunktes oder einer Zeitspanne lsst sich einem feature ein Gltigkeitszeitraum zuweisen und ermglicht die Modellierung dynamischer Objekte. Fr die Beschreibung geometrischer Eigenschaften eines Objektes deniert die Spezikation die grundlegenden Formen Point, LineString und Polygon. Mit Hilfe dieser Typen lassen sich die in Abschnitt 2.3 vorgestellten Typen von Geodaten hinreichend kodieren. Als Beispiel sei hier die Erfassung

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< e x t e n s i o n b a s e=" g m l : A b s t r a c t F e a t u r e T y p e "> 400 0 < m a t e r i a l>wood Messe F r e i b u r g Quelltext 3.7: Das Microformat geo bettet geo Koordinaten in einen semantischen Kontext ein.Als eigenstndiges Mikroformat, wird es auch in anderen Mikroformates wie hCard oder hCalendar1114eingesetzt. Das geo Mikroformat erwartet die Koordinaten im WGS84Eine Spezikation fr die Adresskodierung im Dynamic Host Conguration Protocol (DHCP). (http://tools.ietf.org/html/rfc4776) 12 http://geotags.com/geo/ 13 http://tools.ietf.org/html/draft-daviel-html-geo-tag-08 14 hCard und hCalendar sind ein microformat um Inhalte elektronischer Visitenkarten und Kalendereintrge zu beschreiben. Es ist in der Namesgebung angelehnt an die ursprnglichen Formate iCard und iCal.313 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von GeodatenDatum. Alternativ zu der getrennten Angabe ber die Schlssel Longitude und Latitude ist die kombinierte mit Semikolon separierte Schreibweise in einem Element.3.2.3 Bildformate mit GeoinformationenSatelliten und Luftaufnahmen in Form von Rasterdaten bilden seit Jahren das Fundament fr Karten. Eine hohe Ausung und Detailreichtum und ein gleichzeitig schneller Zugri sind zwei konzeptionelle und anwendungsorientierte Parameter, die zwingend notwendig sind. Das groe Datenvolumen ezient geograsch zu referenzieren, zu organisieren und zu instrumentalisieren stellt eine vielschichtige Problematik dar. Die Mglichkeit der Einbettung von geograschen Informationen in Bilddaten erlaubt eine vereinfachte Integration in digitale Landkarten und adressiert den Aspekt der Datenorganisation [Gerlek/Fleagle, 2007, S. 27].GeoTIFF GeoTIFF erweitert das Tagged Image File Format (TIFF). TIFF ist ein besonders im GIS Bereich verbreitetes proprietres Rasterformat, welches Informationen in Tag Strukturen speichert [Ritter/Ruth, 2000]. GeoTIFF wurde entwickelt um die geograsche Lage, sowie das zugrunde liegende Referenzsystem zusammen mit den Nutzdaten zu speichern und so die im Rahmen eines Datenaustausch ntigen Zusatzinformationen in die Datei einzubetten [Mahammad/Ramakrishnan, 2003]. Die GeoTIFF Spezikation deniert eine Menge an TIFF Tags fr eine Vielzahl an Informationen, die fr eine kartograsche Weiterverarbeitung von Karten, 2.5D Modellen, Satellitenaufnahmen und Geofachdaten notwendigen sind. Sechs verschiedene Meta Tags mit Schlsseln aus dem fr benutzerspezische Denition von Schlsseln vorgesehenem Bereich berhalb von 32768 sind oziell beschrieben und kapseln ber diese die gesamte Erweiterung, so dass keine Kompatibilittsprobleme mit der eigentlichen TIFF Spezikation entstehen. Folgende Tags sind Bestandteil der Erweiterung: ModelPixelScaleTag Das Tag gibt die Skalierung eines Pixels im TIFF Bild in x, y und z Richtung an um die Gre eines Pixels und in Einheiten des Zielmodels (Koordinatensystem) anzugeben. Da in den meisten Fllen ein 2-dimensionales Modell vorliegt, ist der Wert des z Parameters dann 0. ModelTiepointTag Das Tag speichert Passpunkte, mit deren Hilfe Koordinaten fr jedes Pixel berechnet werden knnen. In Verbindung mit dem ModelPixelScaleTag knnen die Rasterdaten exakt in den Vektorraum des Zielmodels berfhrt werden.323 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von GeodatenSollte keine Informationen ber Skalierung verfgbar sein, erfolgt eine Interpolation entsprechend. Alternativ kann auch das unterhalb beschriebene ModelTransformationTag eingesetzt werden. ModelTransformationTag ber eine 4x4 Matrix kann eine Transformation, die auch Scherung oder Drehung berechnet, angegeben werden. GeoKeyDirectoryTag Das Tag enthlt Header Informationen ber Version des Schlsselsatzes, Anzahl der verwendeten Schlssel (n) fr die Kodierung von georelevanten Daten. Zustzlich speichert es die n Schlssel/Wert Paare (GeoKeys). Das GeoKeyDirectoryTag entspricht dem TIFFEntry Schlssel 34735. Ein Schlssel/Wert Paar hat dabei folgende in Gleichung 3.1 dargestellte 4-Tupel Struktur, die mit der generellen TIFFTag Struktur bereinstimmt: KeyEntry = {KeyID, T IF F T agLocation, Count, V alue_Of f set} (3.1)KeyID reprsentiert den Schlssel Wert in Form einer ID zwischen 0 und 65535 [Ritter/Ruth, 2000]. TIFFTagLocation speziziert das TIFF Tag, welches den zugehrigen Wert enthlt und Count die Anzahl der Werte des Schlssels an sich. Value_Oset gibt den Datenindex innerhalb des ber TIFFTagLocation identizierten Wertcontainers an. Sollte die TIFFTagLocation den Wert 0 vorweisen, so steht der Wert des aktuellen Wert/Schlssel Paares unmittelbar in dem Value_Oset Feld. GeoDoubleParamsTag Das Tag subsumiert alle GeoKey Werte vom Typ Double. Der TIFF Schlsselwert ist 34736 GeoAsciiParamsTag Das Tag mit dem TIFF Schlssel 34736 bildet den Behlter fr alls ASCII Werte vorhandener GeoKeys. Ein konkretes Beispiel fr GeoTIFF Eintrge eines TIFF Bildes, welches Bilddaten aus einer Projektion im UTM Grid enthlt, zeigt Quelltext 3.8. Das ModelTiepointTag bildet die obere linke Ecke des Bildes (0,0) auf ein Easting beziehungsweise Northing von 350807 und 5316081 ab.ModelTiepointTag = (0 , 0 , 0 , 350807 , 5316081 , 0) ModelPixelScaleTag = (1000 , 1000 , 0) GeoKeyDirectoryTag =(1 ,1.2 ,3 , 3072 , 0 , 1 , 32633 , 1026 , 34737 ,12 ,0 , 3073 , 34737 , 25 ,0 ) G e o A s c i i P a r a m s T a g ( 3 4 7 3 7 ) =("UTM Zone 33 N w i t h WGS84 | " )Quelltext 3.8: GeoTIFF erweitert das TIFF Format um spezielle Tags fr die Speicherung von georeferenzierenden Metadaten.333 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von GeodatenDie Skalierung ist durch das ModelPixelScaleTag angegeben und betrgt 1000 Meter/Pixel in der xy-Ebene. Innerhalb des GeoKeyDirectoryTag bedeutet beispielsweise die Zeile 3072, 0, 1, 32660, das Koordinationsystem der Projektion (ProjectedCSTypeGeoKey, 3072) der UTM mit dem WGS84 Kartendatum entspricht und die Daten innerhalb der Zone 33N liegen (PCS_WGS84_UTM_zone_33N, 32633). Eine semantische Beschreibung des Zielkoordinatensystems erfolgt in der Zeile 3073, 34737, 25, 0. Der hierfr entsprechende GeoKey PCSCitationGeoKey (3073) referenziert den Wert des GeoAsciiParamsTag (34737) Arrays beginnend von Anfang an (Oset=0) mit einer Lnge von 25 Byte. Das ergibt UTM Zone 33 N with WGS84, wobei das letzte Byte | das Ende signalisiert und als NULL interpretiert wird.GML in JPEG2000 JPEG2000 ist ein auf der Wavelet Transformation basierender Standard (ISO 15444) fr die Kompression von Bilddaten. Bei der Wavelet Transformation werden die Bilddaten nicht wie beispielsweise bei der Fourier Transformation in einem Durchgang, sondern durch iteratives Anwenden von Hoch- und Tiefpassltern, sogenanntes Subbandcoding komprimiert. Jeder Iterationsschritt zerlegt das Bild in immer grbere Bildstrukturen und entfernt jeweils die Hlfte der Spalten und Zeilen, so dass das Bild pro Iteration um Faktor vier verkleinert wird. Durch Verschiebung und Anpassung der Iterationsschritte, sowie der Auswahl entsprechender Filterergebnisse fr das letztendliche Bild ist ein stufenlose Kompression mglich [Gerlek/Fleagle, 2007, S. 31]. Das Format untersttzt durch den inkrementellen Bildaufbau das Streamen der Bilddaten ber das JPEG 2000 Interactive Protocol (JPIP) und eignet sich fr den Einsatz in Webseiten. Aus bereits geladenen Daten wird eine niedrig ausende Voransicht generiert, die mit zunehmender Datenmenge an Details zunimmt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass aus einem Quellbild, welches eine Gre von mehreren Gigabyte besitzen kann, Bilder in unterschiedlicher Ausung on-the-y generiert werden knnen [Gerlek/Fleagle, 2007, S. 30]. Im Vergleich zu JPEG erreicht das Format eine bis zu 30% hheren Kompressionsgrad bei wahrnehmbar besserer Qualitt. JPEG2000 untersttzt auch ungleiche Kompressionsstufen innerhalb eines Bildes um bestimmte Bereiche detaillierter darzustellen und weniger relevante Bereiche strker zu komprimieren. Der Einsatz von GML in JPEG2000 verfolgt das Ziel das Format um ein Schema zu erweitern, welches notwendig ist um georeferenzierende JPEG Bilder zu erstellen [Kyle et al., 2006]. Da der JPEG2000 Datenkontainer die Einbettung von XML Dokumenten erlaubt, eignet sich GML fr den Einsatz. Die Struktur einer JPEG2000 Datei mit GML zeigt Abbildung 3.1.343 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von GeodatenJPEG 2000 Datei Coverage BeschreibungCoverage Geometrie Coverage Werte Features, Metadaten,... Coverage WertebeschreibungBilddatenAbbildung 3.1: Aufbau einer JPEG2000 Datei mit GMLDie Bilddaten beschreibt eine GML Coverage Description, die sich aus folgenden Bestandteilen zusammensetzt [Kyle et al., 2006]: Informationen zu der Geometrie des Coverage Description Beschreibung der Daten der Coverage. Beispielsweise knnen diese Fachdateninformationen oder Erhebungswerte sein, sofern die Geometrie der Coverage ein Hhenmodell festlegt. Features, Annotationen und weitere Metadaten, die die GML Spezikation vorsieht. Die Daten der Coverage an sich. Diese stellen eine Referenz auf die eigentlichen Bilddaten des JPEG2000 Bildes dar. Durch die Mglichkeit GML Daten dem Bild in Form von Vektordaten hinzuzufgen und Applicationchemata zu denieren, ist eine visuelle Gestaltung und dadurch informationelle Aufwertung des Bildes ohne Manipulation der eigentlichen Bilddaten mglich. Bild und GML Daten knnen von unterschiedlichen Quellen ber entsprechende Webservices dynamisch kombiniert und weiterverarbeitet werden [Gerlek/Fleagle, 2007, S. 35].EXIF und IPTC fr Metainformationen zu Photos Das Exif Format ist ein Dateiformat zum Speichern von Metainformationen zu Bilddaten, welches durch den Digital Still Camera Image File Format Standard deniert wird [JEITA, 2002]. Dieser Standard deniert wie Digitalkameras Meta Informationen zu Bild- und Audiodateien kodieren sollen, und legt eine Struktur fr die Speicherung im TIFF und JPEG Format fest. In TIFF folgt die Struktur dem TIFF Standard. ber das Exif Image File Directory (IFD) Attribut im ersten IFD der TIFF Datei werden353 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von Geodatendie Exif Attribute referenziert. Das Exif IFD Tag verwendet den Schlssel 34665, welcher aus dem Wertebereich fr proprietre Schlssel stammt, die der TIFF Standard deniert. Die Einbettung der Metadaten in JPEG Dateien erfolgt in APP1 und APP2 Markern entsprechend dem JPEG Standard. Fr die Kodierung der Eintrge deniert das Format Schlssel fr verschiedene Bildeigenschaften wie die Brennweite, der ISO-Wert oder die Belichtungszeit. Exif Daten werden in das Bildformat integriert und sind durch entsprechende Programme abrufbar. Fr die geograsche Referenzierung deniert der Standard das GPS IFD Tag (34853) und darin 27 verschiedene Schlssel. Hierzu gehren neben der grundstzlichen Georeferenzierung ber Lngen- (GPSLongitude), Breiten- (GPSLatitude) und Hhengrad (GPSAltitude) weitere Parameter wie das verwendete Kartendatum (GPSMapDatum) oder auch die Blickrichtung (GPSDestBearing) bei der Aufnahme. ber diese GPS*Tags ist eine detallierte Beschreibung der geograschen Informationen mglich. Exif Dateien knnen von gngigen Bildbearbeitungsprogrammen gelesen werden. Auch das Schreiben der Daten ist mit frei verfgbaren Werkzeugen mglich. Eine Erweiterung zu Exif bildet der IPTC-NAA-Standard kurz IPTC, der von dem International Press Telecommunications Council (IPTC) und der Newspaper Association of America (NAA) verwaltet und gepegt wird. Wie auch Exif zielt IPTC auf die Speicherung textueller Informationen zu Bilddaten, wobei IPTC erweiterbar ist, so dass anwenderspezische Tags angelegt werden knnen. Auch inhaltlich unterscheiden sich die beiden Standards. Whrend Exif die automatisierte Speicherung technischer Details vorsieht, dient der IPTC Standard der semantischen Beschreibung der Bilder im Rahmen der Nachbearbeitung, so dass diese ber Suchterme gefunden werden knnen und die Verwaltung von Bildern vereinfacht. Einen XML basierten Ansatz verfolgt die von Adobe Extensible Metadata Platform (XMP) Spezikation. Aufgrund einer im Vergleich mit IPTC und Exif vergleichbar geringen Relevanz wird an dieser Stelle lediglich auf die Spezikation verwiesen: [Adobe, 2005].3.2.4 Geolocation API fr die standardisierte PositionsabfrageDie Mglichkeit einer Positionsbestimmung wird in naher Zukunft ein allgemein blicher Dienst sein. Die Geolocation API soll als Standard dafr dienen, dass bei der Entwicklung von Webanwendungen, auf diese Funktionalitt zugegrien werden kann. Derzeit noch im Status eines Entwurfes, soll diese API in Zukunft nativ in Webbrow-363 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von Geodatenser integriert werden und ber das DOM/JavaScript Navigator 15 Objekt Webseiten zur Verfgung gestellt werden, um den Zugri auf Ortsinformationen zu gewhren. Die dadurch gewonnene Information kann dann beispielsweise als Grundlage fr eine dynamische Inhaltgenerierung dienen. Generell ergeben sich fr die Anwendungsentwicklung neue Perspektiven. So ist es dann mglich Navigationssysteme und LBS, die auf eine kontinuierliche Kenntnis der Position angewiesen sind, plattformunabhngig in einem Webbrowser auszufhren und so zum Beispiel Echtzeitnavigation ber das Internet anbieten. Im Wesentlichen besteht die Schnittstelle derzeit aus einem Geolocation Interface, welches die folgenden Methoden deniert: getCurrentPosition liefert asynchron ber eine bergebene Callback-Methode die aktuelle Position des Endgertes. Die Methode erlaubt die bergabe von verschiedenen Callback-Methoden sowie die Angabe von weiteren Attributen, fr die Angabe von beispielsweise Timeout-Werten. watchPosition stt eine Prozess an, der entsprechende Callback Methoden immer dann aufruft, wenn das Endgert eine neue Position feststellt. Die Methode gibt die ID des watch Prozess zurck. Die kontinuierliche oder diskrete Positionsbestimmung obliegt dem Endgert und soll so die Entwicklung von Anwendungen mit Hilfe der Geolocation API vereinfachen. Auch soll durch den Callback Mechanismus das Datenaufkommen reduziert werden. clearWatch erlaubt es einen Prozess, der ber watchPosition angestoen wurde ber die Prozess ID, zu beenden. Alle Methoden enden unmittelbar nach dem Aufruf und kommunizieren ausschlielich ber die Callback Methoden. Des Weiteren ist es mglich ber die Abfrage des Feldes Geolocation.lastPosition ohne dadurch eine erneute Positionsbestimmung anzustoen auf die zuletzt bekannte Position zuzugreifen [Popescu, 2008]. Die exemplarische Verwendung der API zeigt Quellcode 3.9.var geolocation = navigator . geolocation geolocation . getCurrentPosition ( s u c c e s s C a l l b a c k , e r r o r C a l l b a c k , { maximumAge:600000 } ) ; function successCallback ( position ) { // D i e P o s i t i o n s t e h t i n d e r p o s i t i o n // V a r i a b l e z u r V e r f g u n g } function errorCallback ( error ) { // E i n F e h l e r i s t a u f g e t r e t e n }Quelltext 3.9: Beispiel fr die Verwendung der Geolocation API15Bei dem Navigator Objekt handelt es sich um ein automatisch zur Laufzeit generiertes JavaScript Objekt, welches Informationen zu verwendetem Browser, Version und weitere Parameter enthlt. (Quelle: http://de.selfhtml.org/javascript/objekte/navigator.htm)373 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von Geodaten3.3 Webservices fr GeodiensteIst im Internet die Rede von Diensten, so bezieht sich das entweder auf Anwendungen, die eine Benutzerinteraktion erlauben oder auf nicht unmittelbar sichtbare Web Services. Web Services erlauben es Anwendungsfunktionalitt von Systemen, ber Schnittstellen im Internet anzubieten. Geo Web Service sind Web Services mit GIS-Bezug, im Folgenden synonym mit Geoservices beziehungsweise Geodienst verwendet. Die Bandbreite mglicher Funktionalitt von Geodiensten fasst folgende Auistung zusammen [Lake et al., 2004, S. 5; Kralidis, 2007, S. 223]: Zugang zu geograschen Informationen in Datenbanken Auswertung und Berechnung geographischer Fragestellungen Durchfhrung komplexer Berechnungen auf einer Menge von Objekten mit unterschiedlichem rumlichen und zeitlichen Bezgen. Bereitstellung und bermittlung von Daten mit geograschem Bezug in unterschiedlichen Formen, wie Textdaten, numerische Daten oder geograsch kodierte Objektreprsentationen. Visualisierung von Geodaten ber Web Services im Allgemeinen und Geo Web Services im Speziellen lassen sich rtlich getrennt verwaltete Geodaten ber das Internet unabhngig von ihrem Speicherort einfach und schnell miteinander kombinieren [GDI-DE, 2008]. Die getrennte Verwaltung einzelner Services, Unabhngigkeit von Hintergrundtechnologie und die damit verbundene Mglichkeit der losen Kopplung in einer Service Oriented Architecture (SOA) sind die wesentlichen Vorteile bei einem Zugri auf Ressourcen ber Web Services [Chappell/Jewell, 2002]. Dieser Abschnitt stellt Webservice Verfahren vor.REpresentational State Transfer Architecture (REST) Die Representational State Transfer Architecture (REST) beschreibt ein Architekturstil fr Hypermediasysteme, wie es das Internet darstellt [Fielding, 2000]. Es basiert dabei auf folgenden Prinzipien: Eindeutige Beschreibung von Objekten Verknpfung von Objekten Verwendung standardisierter und weit verbreiteter Protokolle Vernderliche Ressourcen Zustandslose Kommunikation383 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von GeodatenFr die Implementierung von REST hat sich im Internet das HTTP und die Verwendung von URLs etabliert. Fr den Zugri und die Manipulation von Ressourcen sind gemeinhin gltige Bedeutungen der HTTP Methoden deniert [Bayer, 2002]: GET : GET liefert die Reprsentation des referenzierten Objektes im aktuellen Zustand (Beispiel: Huser in einer Strae einer Stadt). POST : ber die POST Methode kann ein Objekt verndert oder erweitert werden (Beispiel: Hinzufgen von Stockwerksanzahl in einem Haus). PUT : Mit PUT lassen sich neue Ressourcen erzeugen. Rckgabewert ist eine URL, die auf die neue Ressource zeigt. Gleichnamige Ressourcen werden mit dem neuen Inhalt ersetzt (Beispiel: Anlegen einer neuen Haus Ressource). DELETE : Das Lschen von Ressourcen erfolgt mit Hilfe der DELETE Methode (Beispiel: Das Lschen eines Hauses). Da REST ausschlielich die URL Kodierung und HTTP Methoden verwendet, sind keine weiteren Protokolle notwendig, die die Kommunikation zwischen Dienstschnittstelle und Klienten genauer beschreiben mssen. Zustzlich wirkt sich die zustandslose16 Kommunikation positiv auf Skalierbarkeit aus und vereinfacht die Verwendung von verteilten Ressourcen. XML als Auszeichnungssprache deniert das XLINK Attribut, welches auf weitere Ressourcen zeigt und von Maschinen weiterverarbeitet werden kann. In Kombination mit REST lassen sich hierdurch verschachtelte Strukturen erzeugen, in denen tatschliche Positionen der Ressourcen in den Hintergrund rcken. Eine umfassende Einfhrung zum Thema REST konforme Webservices gibt [Ruby/Richardson, 2007].SOAP Webservices, die auf SOAP basieren verfolgen den Ansatz eines Remote Procedure Call (RPC), also der Ausfhrung entfernter Funktionalitt. Dabei dient der Service lediglich zur bermittlung von Parametern, die fr den Aufruf einer Funktion ber die Webservice Schnittstelle in Form einer URL ntig sind. Die Parameter werden in einem gem Spezikationen kodierten XML Dokument dem Service bermittelt. Da das Ergebnis einer Anfrage daher von den im sogenannten SOAP Envelope gesendeten Daten abhngt und sich diese nicht in der Universal Ressource Identier (URI) des Services widerspiegeln, knnen bestimmte Ressourcen nicht wie bei REST eindeutig adressiert werden. Fr die Beschreibung eines SOAP Webservices dient eine Webservice Description Language (WSDL) Datei, die die ntigen Parameter, und weitere Informationen wie die Beschreibung des Rckgabeformat enthlt.16Bei einer zustandslosen Kommunikation, hlt der Server keinerlei Informationen ber frhere Anfragen eines Klienten. Dadurch sind Anfragen vollkommen unabhngig von einander.393 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von GeodatenOb ein Webservice ber SOAP oder im REST Stil implementiert wird, hngt von Einsatzgebiet oder Diensttyp ab und ist primr eine Designfrage. Den Vorteil einer losen Kopplung weisen beide Anstze auf.3.3.1 Geo Webservices nach dem OpenGIS StandardVerschiedene Parteien beteiligen sich an dem Handel und dem Einsatz von Geodaten. Dezentrale Organisation und Vernetzung ber bestehende Infrastrukturen des Internet im Kombination mit mannigfaltigem Datenangebot stellen besondere Anforderungen an eine strukturierte Kommunikation und geregelten Datenaustausch. Damit diese Form der Interoperabilitt langfristigen Erfolg aufweisen kann, mssen Standards entwickelt und eingesetzt werden [Wagner/Gartmann, 2002, S. 1]. Das OGC adressiert die Standardisierung mit dem Ziel oen zugngliche Spezikationen zu erarbeiten. Diese werden unter der eingetragenen Marke OpenGIS verentlicht und sollen den Umgang mit geograschen Daten im Internet ber HTTP erleichtern. Die Wesentlichen Spezikationen fr Geowebservices werden im Folgenden vorgestellt. Auf optionale Schnittstellen der Spezikationen wird an diese Stelle nicht nher eingegangen. Fr weiterfhrende Informationen wird auf die frei verfgbaren oziellen Spezikationen17 verwiesen. Die Arbeit des OGC erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Technical Commitee 211 (TC211), welches als ein Teil der International Organization for Standardisation (ISO) ttig ist und de jure Standards im Bereich digitaler geograscher Informationen verabschiedet. Die Normen erscheinen in der ISO 19100 Reihe. Hierzu gehren neben Normen fr Geoinformationen auch solche fr Geodienste, fr eine standardisierten Austausch von Geodaten. Die Zusammenarbeit erfolgt ber den gegenseitigen Austausch mit dem Ziel, OGC Spezikationen und entsprechende ISO-Normen anzugleichen. So wurde die im Folgenden vorgestellten OpenGIS Web Map Service (WMS) Implementierungen bereits unter ISO 19128 und die Web Feature Service (WFS) unter ISO 19142 in den ISO Standard aufgenommen. Auch GML ist ab der Version 3.x konform mit der ISO 19136.Web Map Service (WMS) Der WMS ist ein webbasierter Kartendienst. Eine Implementierung der Webservice Spezikation generiert ber Geodaten einen Kartenausschnitt und stellt ihn bereit. Die so erstellte Karte wird an die aufrufende Stelle als Bild zurckgegeben. blich liegt17http://www.opengeospatial.org/standards403 Das Internet als Medium fr die Verbreitung und Verwendung von Geodatendieses Bild in einem Rasterformat vor, es knnen jedoch auch Ausgaben in Vektorformaten angeboten werden [GDI-DE, 2008]. Ein konformer WMS muss folgende Funktionen realisieren: Eine Beschreibung der Bestandteile eines Service liefert die Funktion GetCapabilities in Form eines XML Dokument mit Metadaten ber den Dienst. Dazu gehren smtliche Informationen, wie die Beschreibung der einzelnen Features und darauf mgliche Operationen, die fr die tatschliche Verwendung des Dienstes notwendig sind. Die GetMap Schnittstellte erlaubt es, Kartenausschnitte anzufordern. Eine solche Anfrage setzt sich aus verschiedenen Parametern zu Ausung, Bildformat, Ausschnitt und anderen Eigenschaften zusammen. Exemplarisch zeigt Quelltext 3.10 eine Anfrage, die das in Abbildung 3.2 dargestellte Rasterbild generiert.h t t p : //wms1 . c c g i s . de / c g i b i n / m a p s e r v ?map=/d a t a /umn/ germany / germany . map&VERSION =1.1.1&REQUEST=GetMap&SERVICE= WMS &LAYERS=G re n z e , B u n d e s l a e n d e r , S t a e d t e&SRS= EPSG:314

das geoweb - potenziale digitaler kartografie für kommunikation und e-business

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