kleines Seminar von Claudius Brandt
und
kleines Seminar von Frank Löber
Geographie, die Wissenschaft von Erforschung, Erfassung und Beschreibung der Erdoberfläche in Form, Funktion, dreidimensionaler Struktur und Genese. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Geographie häufig auch als Erdkunde bezeichnet. Die Geographie setzt sich mit der Umwelt des Menschen und den komplexen räumlichen Beziehungen zwischen Mensch und Umwelt auseinander. Sie untersucht die Entstehung und Entwicklung von Räumen sowie die Einwirkungen des Menschen und versucht, künftige Entwicklungstendenzen aufzuzeigen. Forschungsgegenstand der Geographie sind vor allem einzelne Landschaften oder Länder. Im 3. Jahrhundert v. Chr. verwendete der griechische gelehrte Eratosthenes erstmals das Wort Geographie ("Beschreibung der Erde").
Geologie (griechisch ge: Erde, -logia: Wissen von) ist die Wissenschaft von der festen Erde. Gegenstand der Geologie sind insbesondere die Gesteine der Erde (und auch anderer Planeten) sowohl an der Erdoberfläche wie im Erdinneren. Die Geologie untersucht die gegenwärtigen Strukturen der Erde, die Prozesse, die diese Strukturen hervorgebracht haben, und die Geschichte der Erde.
Vermessungskunde (oder Geodäsie; griechisch: Erdverteilung, Landverteilung), mathematische Wissenschaft zur Bestimmung von Form und Größe der Erde sowie von Form, Größe und Position von Teilen ihrer Oberfläche. Dazu gehört beispielsweise die Bestimmung von Grundstücksgrenzen oder die Geländevermessung, als wichtige Grundlage für die Planung von Bauwerken (Dämme, Brücken) und Verkehrswegen. Man unterscheidet zwischen Erdmessung, Landes- und Einzelvermessung. Aufgabe der Erdmessung ist es, die äußere Gestalt der Erde im Großen zu erfassen; die Landesvermessung ist für die landesweite Vermessung und Bereitstellung gleich bleibender und exakter Bezugspunkte (Lagefestpunktfelder bzw. Triangulierungsnetze) zuständig; bei der Einzelvermessung wiederum werden die Festpunktfelder der Landesvermessung soweit verdichtet, dass Einzelobjekte exakt eingemessen werden können. Bei der Erdmessung und Landesvermessung müssen Krümmung und Schwerefeld der Erde berücksichtigt werden. Bei Einzelvermessungen dient in der Regel eine Horizontalebene als Bezugssystem. Sowohl bei der Landes-, als auch bei der Einzelvermessung werden die klassischen Vermessungsverfahren immer mehr von modernen Verfahren, z. B. der Satellitengeodäsie mit Hilfe von GPS-Satelliten (Global Positioning Systems) verdrängt. Auch das klassische Triangulierungsverfahren wurde durch exaktere Laserstrahlmessungen abgelöst.
Den Begriff Geodaten kann man synonym für jeden dieser Bereich verwenden. Er steht für die abstrakten Datenmengen und -information, sagt aber nichts über deren Datenstruktur und Inhalt aus. Im Folgenden wird versucht, eine Übersicht der im Internet zu diesem Begriff vorhandenen Informationen zu geben.
Topographische Karten der Grundtyp der Karte zur Darstellung der gesamten Erdoberfläche oder bestimmter Gebiete ist die topographische Karte. Sie zeigt die natürliche Geländesituation mit ihrer Ausstattung wie Gewässernetz, Bodenbedeckung und Siedlungsstruktur. Darüber hinaus enthält sie Verkehrswege und politische Grenzen. Topographische Karten dienen zahlreichen Verwendungszwecken.
Spezial- oder thematische Karten auf thematischen Karten werden meist nur bestimmte Aspekte des abgebildeten Gebiets wiedergegeben. Diese Karten werden vorwiegend für spezielle Fragestellungen eingesetzt. Die Spezialkarten der Schifffahrt werden bei der Navigation von Schiffen verwendet und stellen die Oberfläche des Meeres und anderer großer Gewässer, Wassertiefen und Küstenlinien dar. Weitere Spezialkarten sind z. B. politische Karten (zur Darstellung von Verwaltungseinheiten), geologische Karten (mit Abbildung der Gesteinsstrukturen eines Gebiets), Klimakarten (mit Angaben von klimatischen Daten wie Temperaturverlauf und Niederschlagshöhen) und Bevölkerungskarten (mit Informationen zur Verteilung von ethnischen Gruppen, Sprachen oder Religionen).
ALK Automatisierte Liegenschaftskarte. Die Automatisierte Liegenschaftskarte bildet gemeinsam mit dem Automatischen Liegenschaftsbuch (ALB) das Liegenschaftskataster. Wichtigster Bestandteil ist das Flurstück, dessen Lage die ALK und dessen Nutzungsarten, Eigentumsverhältnisse (aus dem Grundbuch entnommen), Flächengröße etc. das ALB nachweist. Damit wird die ALK in Zukunft die rechtsgültige (amtliche) Basis für den Nachweis von Flurstücken und hat damit eine hohe Bedeutung für alle Fachplanungen, die in den Grundbesitz eingreifen (von der Flurbereinigung bis zur Ausgleichsregelung). Derzeit gilt noch die analoge Karte als amtlicher Nachweis. Die ALK-Daten sind von höchster Genauigkeit (cm-Bereich).
ATKIS Amtliches Topographisches - Kartographisches Informationssystem ATKIS basiert auf den Ideen und Konzepten der ALK, erweitert diese jedoch an verschiedenen Stellen. So existieren in ATKIS beispielsweise komplexe Objekte, die sich aus mehreren Elemntarobjekten zusammensetzen. Die erste Stufe des ATKIS-Konzepts - das DLM 25/1 ist bereits in einigen Ländern realisiert. Die Lagegenauigkeit beträgt ±3m. Die Vervollständigung des DLM 25/1 sowie der Aufbau eines Digitalen Kartographischen Modells (DKM) werden folgen. Inhalt von ATKIS ist auch ein Geländemodell, das derzeit im 12,5 m Raster mit einer Genauigkeit von ±0,5m aufgebaut wird.
Die ersten noch erhaltenen Karten wurden von den Babyloniern um das Jahr 2300 v. Chr. hergestellt. Sie wurden auf Tontafeln geritzt und basierten auf Landvermessungen, die zum Zweck der Steuererhebungen durchgeführt wurden. Umfangreichere regionale, auf Seide gemalte Karten aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. wurden in China gefunden. Die Kunst der Kartenherstellung war sowohl in der Maya- als auch in der Inka-Zivilisation sehr weit fortgeschritten. Die Inka fertigten schon im 12. Jahrhundert n. Chr. Karten der von ihnen eroberten Länder an. Die erste Karte, die die damals bekannte Welt darstellte, wurde wohl im 6. Jahrhundert v. Chr. von dem griechischen Philosophen Anaximander angefertigt. Er gilt auch als Begründer der Kosmologie. Die Karte war kreisförmig und zeigte die bekannten Länder der Welt, die um das Ägäische Meer angeordnet und vom Ozean umgeben waren. Eine der berühmtesten Karten der Antike wurde von dem griechischen Geographen, Astronomen und Mathematiker Eratosthenes, der als Erster den Umfang der Erde mit sehr großer Exaktheit bestimmte, um 200 v. Chr. angefertigt. Sie stellte die bekannte Welt von Großbritannien im Nordwesten bis zur Mündung des Ganges im Osten und Libyen im Süden dar. Diese Karte verfügte als erste über horizontale parallele Linien, die für die Breitengrade standen. Die Karte hatte auch einige Längengrade, die allerdings in unregelmäßigen Abständen angeordnet waren. Etwa 150 n. Chr. stellte der ägyptische Gelehrte Ptolemäus sein Werk Geographia zusammen, in dem die Erde nach dem Wissensstand der damaligen Zeit kartiert ist. Dies waren die ersten Karten, die eine mathematisch exakte Form der Kegelprojektion verwendeten. Darüber hinaus fertigte Ptolemäus ein Gradnetz aus geographischen Längen- und Breitengraden an. Dennoch beinhalteten die Karten zahlreiche Fehler wie die übertriebene Ausdehnung der eurasischen Landmasse. Nach dem Fall des Römischen Reiches kam die Kartenherstellung in Europa fast völlig zum Erliegen. Die einzigen Karten wurden von Mönchen angefertigt, deren Hauptinteresse theologischer Natur war (sie stellten Jerusalem als Mittelpunkt der Welt dar), und die nicht an geographischer Exaktheit interessiert waren. In derselben Periode produzierten auch arabische Seeleute sehr genaue Karten. Der arabische Geograph Al Idrisi fertigte 1154 eine Weltkarte an. Seit dem 13. Jahrhundert etwa stellten die Seefahrer des Mittelmeeres exakte Karten (Portolano-Karten) dieses Binnenmeeres her, die meist weder Längen- noch Breitengrade enthielten. Doch sie verfügten über Linien, die den Kurs zwischen wichtigen Häfen angaben. Im 15. Jahrhundert wurden in Europa Ausgaben der Karten von Ptolemäus gedruckt. In den folgenden Jahrhunderten hatten diese Karten einen großen Einfluss auf die europäischen Kartographen. Eine Karte des deutschen Kartographen Martin Waldseemüller aus dem Jahr 1507 war wahrscheinlich die erste, auf der das neu entdeckte Land im Westen als Amerika bezeichnet wurde. Die Karte war auf zwölf einzelne Blätter gedruckt und gab ebenfalls zum ersten Mal eine klare Trennung Nord- und Südamerikas von Asien an. 1570 veröffentlichte der flämische Kartograph Abraham Ortelius den ersten modernen Atlas Orbis Terrarum, der 70 Karten beinhaltete. Im Lauf des 16. Jahrhunderts wurden zahlreiche weitere Karten angefertigt, die das ständig wachsende Wissen berücksichtigten, das die Seefahrer und Eroberer nach Hause brachten. Gerhard Mercator wird als bedeutendster Kartograph des Zeitalters der Eroberungen angesehen. Die Projektion, die er für seine Weltkarte entwickelte, erwies sich für die Seefahrt von unschätzbarem Wert. Die Exaktheit der späteren Karten wurde durch die präzisere Bestimmung der Breiten- und Längengrade sowie der Größe und Form der Erde ständig erhöht. Die ersten Karten, die eine Kompassänderung zeigen, wurden in der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts hergestellt, die ersten Darstellungen von Meeresströmungen erfolgten 1665. Bis zum 18. Jahrhundert waren nur bis dahin unerforschte Gebiete kartographisch noch nicht erfasst. Ende des 18. Jahrhunderts, als die erste Welle der Welterforschung nachließ und sich der Nationalismus als treibende Kraft herausbildete, führten einige europäische Staaten allmählich detaillierte nationale topographische Vermessungen durch. Die vollständige topographische Vermessung Frankreichs wurde 1793 herausgegeben. Das nahezu quadratische Werk hatte eine Seitenlänge von elf Metern. Großbritannien, Spanien, Österreich, die Schweiz und weitere Länder folgten schon bald diesem Beispiel. In den Vereinigten Staaten wurde 1879 die Anfertigung topographischer Karten des gesamten Landes organisiert. 1891 schlug der Internationale Geographie-Kongress die Kartierung der gesamten Welt im Maßstab 1 : 1 000 000 vor, eine Aufgabe, die immer noch nicht vollständig erfüllt ist. Im 20. Jahrhundert unterlag die Kartenherstellung einer Reihe umfangreicher technischer Entwicklungen. Während des1. Weltkrieges wurde die Technik der Luftaufnahmen entwickelt und während des 2. Weltkrieges im großen Stil bei der Kartenherstellung angewendet. Seit dem Start des Satelliten Pageos 1966 und der in den siebziger Jahren nachfolgenden Satelliten wird verstärkt die vollständige geodätische Vermessung der Erdoberfläche mittels hochauflösender photographischer Ausrüstung verfolgt. Trotz großer Fortschritte in der kartographischen Technik wurden weite Teile der Erdoberfläche aber noch nicht genau vermessen. So dauern etwa die Vermessungsarbeiten in der Antarktis noch an.
Abb. 1: Elemente eines Geo-Informationssystems
Die unterschiedlichen Systemlösungen, insbesondere im Bereich der Geometrie bzw. der
Verbindung zwischen Geometrie und Sachdaten, haben dazu geführt, daß ein Datenaustausch
zwischen verschiedenen GIS im allgemeinen mit großen Schwierigkeiten verbunden ist.
Häufig bleibt von den Daten nicht viel mehr als ihre Geometrie in Spaghetti-Struktur
übrig.
Bei einem Systemwechsel oder einer Übernahme von Fremddaten ist dies nicht ausreichend. Daher werden auch in Zukunft Schnittstellen für den tatsächlichen, physikalischen Austausch notwendig sein.
Der typische Weg zum Datenaustausch zwischen Programmen sind Systemschnittstellen für Import und Export; so auch bei GIS. Das bedeutet aber, daß jedes GIS eine Import/Export-Schnittstelle zu jedem anderen haben müßte. Das ist natürlich nicht der Fall. Zur Lösung dieser Problematik wurden von einigen Herstellern Programme entwickelt, die den Datenaustausch über ein neutrales Format durchführen. Die Probleme beim Datenaustausch sind dadurch aber nicht vollständig gelöst, denn die Daten werden 1:1 übertragen, das bedeutet Fehler oder schlechte Strukturen (z.B. CAD-orientierte Daten) werden also ebenfalls 1:1 übergeben.
Abb.2: Datenaustausch über Systemschnittstellen (Import + Export)
Schon seit einiger Zeit gibt es nun Bemühungen, ein solches neutrales Format zu
standardisieren. In Deutschland verfolgt die EDBS dieses Ziel. EDBS ist jedoch für einen
ganz bestimmten Datenaustausch, nämlich ALK und ATKIS Daten, mit einem ganz bestimmten
hierarchischen Datenmodell entwickelt worden. EDBS ist zwar formal erweiterbar, dann muß
aber auch die Empfänger-EDBS-Schnittstelle über diese und genau diese Erweiterungen
verfügen. EDBS hat daher und wird auch in Zukunft abseits von ALK und ATKIS kaum
Bedeutung erlangen.
Abb. 3: Datenaustausch über neutrales Format. (Import + Export)
Notwendig ist also vielmehr eine Schnittstelle für dynamische, völlig freie Datenübertragung, also im Grunde eine Möglichkeit, Daten zu beschreiben und aus dieser Beschreibung automatisch eine individuelle Schnittstelle zu generieren. Genau dieses Ziel verfolgen Datenbeschreibungssprachen wie EXPRESS oder INTERLIS.
Grundvoraussetzung für den Einsatz einer solchen "Schnittstelle" ist die genaue Kenntnis der Datenstruktur sowohl auf der Sender- wie auf der Empfängerseite. Diese Strukturen müssen - inklusive möglicher Konsistenzregeln - eindeutig beschrieben werden. Im Falle von INTERLIS übersetzt dann ein Compiler die Beschreibung in eine Formatierungsdatei, die eigentliche Schnittstelle. Gleichzeitig wird die Beschreibung auf formale Richtigkeit überprüft und ggf. eine Fehlerdatei ausgewiesen. Erst danach erfolgt der Export-Vorgang. Die Transformationsdatei enthält nur im Sinne der Beschreibung korrekte Daten. Der Rest wird in einer Fehlerdatei ausgelagert. Beim IMPORT-Vorgang wiederholt sich der Vorgang für das Zielmodell.
Abb. 4: Systemkategorien im Zusammenspiel
Die Grundlage und der wesentliche Bestandteil von Geo-Informationssystemen (GIS) sind die Daten, auf die
sie zurückgreifen. Hieraus ergibt sich eine enorme Bedeutung den die Erfassung der Daten, oftmals
einhergehende mit der Wandlung analoger Vorlagen in digitale Form, mit sich bringt. Aufgrund der
hohen Anforderungen an Vollständigkeit, Aktualität, Fehlerfreiheit und Struktur der Datenbasis ist
die Erfassung von raumbezogenen Daten eine höchst arbeitsintensive und kostenaufwendige Tätigkeit.
Die Wahl der Erfassungsmethode für Geodaten hängt im wesentlichen von der Anwendung und dem zu
erfassenden Objekt ab. Verfügbares Budget und die vom GIS bereitgestellte Funktionalität sind
Rahmenbedingungen. Die Datenerfassung sollte zum einen so genau und vollständig wie notwendig und zum
anderen so wirtschaftlich wie möglich erfolgen. Bei der Vielzahl möglicher Informationen, die heute
bereits in digitaler Form vorliegen, ist es umso wichtiger, generell vor einer Neuerfassung abzuklären,
inwieweit existierende Daten Verwendung finden können. Die nachfolgende Tabelle gibt eine grobe
Charakterisierung der wichtigsten Erfassungsmethoden:
| Methode |
Primäres Element |
Genauigkeit (ca.) |
Eignung für Gebiete |
Aufwand |
| Vermessung | ||||
| Tychymetrie | P/L | cm-dm | lokal | mittel |
| Orthogonalaufnahme | P/L | cm-dm | lokal | gering |
| GPS | P/L | cm-m | lokal - global | gering |
| Photogrammetrie | ||||
| Stereoauswertung | P/L | 1 : 100.000 * mb | lokal - regional | hoch |
| DGM (Höhe) | P/L | 1 : 10.000 * hg | lokal - regional | hoch |
| Interpretation | F | - | lokal - regional | gering |
| Fernerkundung | F | > 10 m | regional - global | hoch |
| Digitalisierung | ||||
| manuell | P/L | 2.5 * 1 : 10.000 * mk | lokal - global | mittel |
| semi-autom. | P/L | 2.5 * 1 : 10.000 * mk | lokal - global | hoch |
| autom. | P-F | 2.5 * 1 : 10.000 * mk | lokal - global | hoch |
Legende: (mb = Bildmaßstab, mk = Kartenmaßstab, hg = Flughöhe, P = Punkt, L = Linie, F = Fläche)
Im Wesentlichen unterscheidet man vier Formate bei der Erfassung von Geodaten. Diese sollen im Folgenden kurz beschrieben werden.
Seit dem Beginn der 90er Jahre entwickelt sich das Internet mehr und mehr zu einem globalen Informationsmedium, auf das man nicht mehr verzichten kann. Durch dieses Medium hat der Benutzer einen fast uneingeschränkten Zugang zu weltweit verteilten Multimedia-Ressourcen. Die sehr große Menge an Information macht es jedoch sehr schwierig bestimmte Informationen zu finden. Recherchedienste wie Suchmaschinen oder Themenkataloge sollen hierbei Hilfe leisten.
Gegenwärtig rücken immer mehr GIS (Geo Informationsserver) mit ihrer Funktionalität in das Internet. Dabei werden verstärkt bestimmte Geodaten über das Internet vertrieben und die Kommunikation zwischen Nutzern und Anbietern vollzieht sich verstärkt über das neue Medium.
Durch die Internet- und WWW-Standards wie html, ftp, http, und https ist ein weltweiter Informationsfluss und eine rechnerübergreifende Kompatibilität gegeben. Dadurch gestattet das WWW einen Zugang und eine Verteilung von Geoinformationen.
Deshalb entstehen immer mehr GIS-Produkte für das Internet in den verschiedensten Leistungsstufen. Mit Hilfe von Geoinformation können diese Produkte dem Benutzer aber auch andere spezielle Inhalte besser rüberbringen.
Ein kleines aktuelles Beispiel sind die Abdeckungsgebiete von Mobilfunknetzen, die als farbige Flächen vor dem Hintergrund von Ortschaften, Straßen und Wasserflächen dargestellt werden. So kann der Benutzer nach einer bestimmten Postleitzahl suchen und bekommt daraufhin angezeigt, ob sein Mobilfunknetz diesen gesuchten Bereich abdeckt.
Aber auch Navigationssysteme für Autos und GPS-Systeme haben in der Gegenwart eine immer größere Nachfrage.
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Ein anschauliches Beispiel stellt www.stadtplan.net dar. Hier kann man sich Stadtpläne von über hundert Städten Deutschlnad betrachten. Man kann nach Strassennamen suchen und sich bestimmte Ausschnitte einer Stadt anzeigen lassen. Diese Ausschnitte kann man vergrößern, verkleinern. Zudem kann man von einem Ausschnitt zum anderen navigieren. Zusätzlich bekommt man zu den meisten Städten noch Freizeittipps und Firmeninformationen. Diese Internetseite ist zum größten Teil in Flash realisiert, wodurch sich die Ladezeiten in Grenzen halten.
Im Bereich der Geoinformatik begann die Nutzung des Internets, wie in vielen anderen Bereichen auch, an den Hochschulen. Seit 1996 existiert an der Universität Münster eine reine Online-Fachzeitschrift ("Geoinformatik-Online") über dieses Thema.
Der nächste Schritt brachte dann die sogenannten Geo-Metadaten in das WWW. Metadaten enthalten Angaben darüber, welche Geodaten von welchen Stellen erhoben werden und in welcher Weise sie bezogen und genutzt werden können. Ebenfalls im Jahr 1996 begann die Verfügbarkeit der eigentlichen Geodaten im Internet, welche in der Gegenwart stark zunimmt.
Einen großen Anteil an dieser Entwicklung hatte die damalige Executive Order des amerikanischen Präsidenten vom April 1994. In diesem Schreiben wurde das Geographic Data Commiteee (FGDC) aufgefordert kurzfristig Geo-Metadaten und langfristig richtige relevante Geodaten in digitaler Form auf nationaler Ebene zugänglich zu machen.
Daneben entwickeln andere Staaten im Rahmen der globalen Initiative Global Spatial Data Infrastructure (GSDI) eine eigene Geodateninfrastruktur.
Im Lauf der Zeit entwickelten sich somit verschiedene Angebotsformen für Geodaten im Internet, die im folgenden aufgeführt werden.
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Der Geodatenshop ist die aktuell verbreiteste Form des Geodatenangebots im Internet.
Der Datenanbieter betreibt dabei einen klassischen Internetshop, in dem man die gewünschten Daten online bestellen kann. Man kennt das von Online-Shops für Waren wie Bücher o.ä.
Die Zustellung der Ware kann im Falle der Geodaten jedoch in elektronischer Form über das Internet geschehen, falls die gewünschten Daten in dieser Form vorliegen. Die Übertragung läuft dann via eMail oder über einen Download. In diesem Fall wird der Geodatenshop auch als Geodatenserver bezeichnet.
Neben diesen Übertragungsformen ist ein Versand der Information auf einer CD üblich, da die gewünschte Datenmenge meist zu groß ist um sie über das Internet zu übertragen. Aber auch der Versand von Karten in Papierform kommt noch sehr oft vor, da im betreffenden Shop die gewünschten Daten nicht in elektronischer Form vorliegen.
Mehrere Bundesländer wie Bayern (Bayerische VErmessungsverwaltung), Hessen (Hessische Kataster- und Vermessungsverwaltung) und Nordrhein-Westfalen (Landesvermessungsamt Nordrhein-Westfalen) bieten ihre Vermessungsdaten bereits in solchen Geodatenshops oder auf Geodatenservern der Öffentlichkeit an.
Die Geodaten eines Anbieters reichen in den einfachen Fällen bereits aus, um bestimmte Anwendungen zu realisieren.
Oft ist jedoch die Kombination unterschiedlicher Geoinformation notwendig, wodurch das Beschaffen von Geodaten eines Anbieters nicht mehr ausreicht. Typisch ist die Kombination einer topographischen Karte eines Vermessungsamtes mit Daten aus dem Umweltbereich oder räumlichen Planungsdaten.
Dieser Zustand ist eine aktuelle Herausforderung im Gebiet Geodaten im Internet. Dem Nutzer müssen die Geodaten verschiedenster Anbieter so kombiniert bereitgestellt werden, wie er sie für seine Anwendung benötigt.
Ein Ansatz ist, die Geodaten an einer zentralen Stelle zu sammeln und dort in der Form eines Geodatenservers bereitzustellen. Man bezeichnet diesen Ansatz aks Geo-Datawarehouse.
Hierbei treten jedoch zwei wesentliche Probleme auf:
Ein Beispiel ist das Geodaten-Zentrum des Deutschen Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG). Dort werden die von den Landesämtern erfassten topographisch-kartographischen Geobasisdaten gesammelt, harmonisiert und länderübergreifend abgegeben. Möglich wird dies durch das gemeinsame Datenformat EDBS und die geringen Änderungen. Der Datenbestand umfasst ca. 1000 Gigabyte.
Ein Onlinezugriff auf diese Daten ist in Planung.
Der Handel mit Metadaten zu Geodaten ist viel erfolgreicher als der Handel mit den eigentlichen Geodaten. Diese Angebote werden als Metadatenserver, Katalogserver oder Clearinghouses bezeichnet. Als Clearinghouse werden auch oft mehrere Metadatenserver zusammen bezeichnet.
Metadaten enthalten u.a. folgende Information über die Geodaten:
Im Moment gibt es noch verschiedene Standards, die beschreiben, was alles in einem Metadatensatz enthalten sein muss. Diese verschiedenen Standards bewegen sich jedoch in letzter Zeit immer mehr aufeinander zu.
Ein automatischer Zugriff auf Geodaten von einem Metadatenserver aus ist meist nicht möglich, da die Metadaten oft nur als Freitext vorliegen, wodurch Programme, die mit Metadaten arbeiten nur auf Such- und Anzeigeoperationen beschränkt sind.
Eine Verbindung zu den Geodaten ist oft nur durch Web-Links zu den entsprechenden Geodatenshops oder Geodatenserver gegeben. Metadatenserver unterstützen somit das Auffinden von bestimmten Geodaten, nicht jedoch deren kombinierte Nutzung.
Ein gravierendes Problem ist, dass die Geo-Metadaten nur in sehr geringer Anzahl in elektronischer Form vorliegen. Der große Aufwand bei der Erfassung dieser Daten und die unklare Situation der Standards haben eine breite Erfassung bisher verhindert.
Beispiele für Metadatenserver sind das Ingeo Information Center (IngeoIC) in Deutschland und das amerikanische National Geospatial Data Clearinghouse.
Internet-Mapserver (IMS) nennt man ein System, dass eine Schnittstelle bereitstellt, durch die man im Internet mit Geodaten von mehreren Anbietern gleichzeitig arbeiten kann. Durch ein spezielles Programm auf diesem Server können dann also die Daten selektiv aufgerufen werden. Mit Hilfe dieser Option kann man Daten von unterschiedlichen Anbietern laden und z.B. übereinander legen. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass die gewählten Daten auch diese Voraussetzung mitbringen.
Aktueller Stand der Technik ist, dass GIS-Hersteller ihr Produkt mit einer solchen Schnittstelle erweitern. Beispiele hierfür sind ArcIMS von ESRI, SICAD IMS, GeoMedia Web Map von Intergraph.
Nachteil dabei ist, dass man als Client nur Systeme des gleichen Herstellers verwenden kann. Der Benutzer kann also nur mit Daten von unterschiedlichen Anbietern arbeiten, wenn diese ihre Daten auf der Basis eines IMS eines gemeinsamen Herstellers bereitstellen.
Ein sehr viel umfassenderer Ansatz zur Bereitstellung von Geodaten im Internet sind im Vergleich zu den vorher genannten Lösungen die GeoPortale.
Idee dieses Konzepts ist es, dass nicht mehr nur die Daten oder deren Anbieter im Mittelpunkt stehen, sondern einzig und allein der Benutzer. GeoPortale sollen also eine Umgebung darstellen, die sich speziell an den Bedarf des Benutzers anpassen. Diesen Ansatz kennt man ja schon von gewöhnlichen Internet-Portalen.
Ein GeoPortal sollte selbst keine eigenen Geodaten sammeln.
Weitere Anforderungen an ein GeoPortal sollten sein:
Aber auch für die Anbieter muss das GeoPortal eine Schnittstelle mitbringen, damit diese ohne Probleme ihre Geodaten in Form von Metadaten auf dem Portal bekannt machen können.
Nur wenn dieser Sachverhalt einfach und unkompliziert gelöst ist, besteht die Möglichkeit ein stets wachsendes Angebot an Geodaten bereitzustellen.
Solche GeoPortale sind im Internet noch nicht verfügbar. Erste Ansätze findet man jedoch beim Geography Network.
Als großes Problem bei der Übertragung von Geodaten über das Internet wird häufig die große Datenmenge der Geodaten im Vergleich zu Texten erwähnt. Die meisten Nutzer haben nämlich noch keinen Internetanschluss, der diese Bandbreiten bewältigen könnte.
Die Größe der Datenmenge hängt jedoch stark von der Art der Nutzung und von dem verwendeten Datenformat ab.
Beim gewöhnlichen Browsing (Surfen) muss immer nur der aktuell ausgewählte Kartenausschnitt übertragen werden. Bestimmte Suchanfragen werden auf dem jeweiligen Server ausgeführt und schließlich wird von diesem nur der entsprechende Kartenausschnitt übertragen. Komplette Geodatenbestände müssen bei dieser Art von Nutzung nicht zum Nutzer übertragen werden. Es werden also keine hohen Ansprüche an die Bandbreite gestellt.
Bei der Übertragung von Rasterdaten sieht das ganze schon etwas anders aus. Die Datenmenge bei der Übertragung von Rasterdaten ist relativ hoch. Diese Datenmenge ist aber fest durch die Größe und Auflösung des gewählten Kartenausschnitt vorgegeben. Der Detailgehalt wirkt sich normalerweise nicht aus.
Die Datenmenge bei der Übertragung von Vektordaten ist normalerweise kleiner als die der Rasterdaten. Sie kann jedoch beliebig groß werden. Dies hängt von der Menge ab, die der Nutzer übertragen bekommt. Wählt der Nutzer einen Ausschnitt von wenigen Quadratkilometern so ist dieser mit Vektordaten weniger Kilobytes beschreibbar. Geht es allerdings um Ausschnitte, die annähernd so groß sind wie die gesamte Bundesrepublik, dann muss man schon mit einer Datenmenge von mehreren Megabyte rechnen.
Für eine flexible Nutzung bei hohem Interaktionsbedarf bieten sich appletbasierte Lösungen an. Die Bandbreite kann dann relevant werden für den übertragenen Applet-Code. Für einige Geodatenanwendungen gibt es bereits Varianten für breitbandige Anschlüsse mit hoher Interaktivität und schmalbandige Anschlüsse mit entsprechend geringerer Interaktivität.
Weniger die unterschiedliche Syntax der Datenformate als die verschiedene Mächtigkeit der Datenbestände (z.B. zwischen einem reinen Vektordatenformat und einem objektorientierten Format) ist das Problem bei der Datenkonvertierung.
Obwohl es Methoden und Algorithmen aus der Bildverarbeitung für die Identifizierung von geometrischen Elementen in Bildern gibt, kann bei der Konvertierung von Rasterdaten in Vektordaten auch manuelle Arbeit nötig sein, um defekte Stellen oder Fehler zu erkennen und zu korrigieren.
Auch bei der Konvertierung von Vektordaten in eine objektorientierte Darstellung kann es vorkommen, dass man manuelle Änderungen vornehmen muss. Bei dieser Konvertierung geht es um die Zusammenfassung mehrerer geometrischer Elemente zu einem Objekt der realen Welt. Z.B. bei der Identifizierung von Grundstücken, kann es vorkommen, dass die Grundstückgrenzen nicht vollkommen geschlossen sind. Bei diesem Problem kann kein Algorithmus mehr helfen, sondern es muss manuell eine Anpassung gemacht werden.
Andererseits muss man oft objekt- oder vektororientierte Daten in die Rasterform überführen. Dabei ist es wichtig die korrekte Darstellung der einzelnen Elemente zu erreichen. Da es aber für die verschiedenen Fachanwendungsbereiche von Geodaten strenge Konventionen für das Aussehen dieser Elemente gibt, treten häufig Probleme bei der Konvertierung auf. In den meisten GIS wird diese Beschreibung der Elemente getrennt von den eigentlichen Geodaten repräsentiert. Die dabei verwendeten Datenformate sind jedoch noch systemspezifischer als die Geodaten selbst. So kommt es, dass teilweise eine Übertragung zwischen Systemen des gleichen Herstellers nicht angeboten wird. Wegen der unterschiedlichen Mächtigkeit der Systeme im Bezug auf die Symbole kann eine solche Übertragung oft auch nur unvollständig realisiert werden.
Das größte Problem tritt allerdings bei der Konvertierung zwischen unterschiedlichen objektorientierten Repräsentationsformen auf. Diese können sich darin unterscheiden, welche Objekte überhaupt modelliert werden (Gebäude, Kanalnetz, etc.) und welche Informationen jedem Objekt zugeordnet sind (z.B. Gebäudehöhe). Auch wenn die Modelle strukturell übereinstimmen, kann es zu semantischen Unterschieden kommen. Die Definitionen einer Hauptstraße können sich zum Beispiel unterscheiden. Will man bei der Konvertierung keine Qualitätseinbußen erleiden, ist eine manuelle Anpassung wiederum unabdingbar. Ein Austausch zwischen verschiedenen GIS-Systemen ist damit praktisch ausgeschlossen.
Diese eben vorgestellte Inkompatibilität zwischen den einzelnen GIS-Systemen ist ein großes Problem für den Aufbau eines funktionierenden Geodatenmarktes. Man will ja nicht nur einen Datenaustausch zwischen den GIS ermöglichen, sondern die GIS auch über Schnittstellen verbinden, die es erlauben Funktionen und Dienste aus einem anderen System zu beziehen. Diese Vision wird mit der Interoperabilität von GIS bezeichnet.
Dieses momentane Fehlen von Interoperabilität war der Anlass zur Gründung des OpenGIS Consortiums (OGC) im Jahr 1994. Diesem Verband gehören ca. 200 GIS-Hersteller, Geoinformationsanwender, staatliche Stellen und akademische Institute an.
In dem Consortium werden Standards im Bereich der Geoinformationsverarbeitung erarbeitet und verabschiedet. Anfänglich beschäftigte man sich hier nur mit der Entwicklung eines Standardmodells für geographische Elemente, als Beschreibung für Objekte.
Mittlerweile arbeitet man jedoch auch an Standards für das Internet. Dies führte bereits zu einem ersten herstellerunabhängigen Standard für Internet-Mapserver, die Web-Map-Server-(WMS-)Schnittstelle.
Diese Schnittstelle beschreibt Anfragen in der Form von URLs, die insbesondere Vorgaben zum Bezugssystem und zum räumlichen Ausschnitt der gewünschten Daten enthalten. Als Antwort erhält der Nutzer den jeweiligen Kartenausschnitt in einem Standardrasterformat (GIF, JPEG,...) oder in einem Standardvektorformat (Web-CGM, SVG,...). Durch die Vorgabe des Ausschnitts und die Möglichkeit transparente Hintergründe in den gelieferten Darstellungen zu verwenden, können mehrere Internet-Mapserver abgefragt werden, und die Ergebnisse können somit übereinander geblendet werden.
Dieser WMS-Standard wurde von den meisten GIS-Herstellern aufgegriffen und es wird daran gearbeitet vorhandene GIS mit einer entsprechenden Schnittstelle zu erweitern.
Im technischen Bereich zeichnen sich speziell im Datenaustausch einige Lösungen ab, die wie in vielen anderen Gebieten auch, ohne XML nicht auskommen. Einige dieser XML-Lösungen sollen im Folgenden kurz vorgestellt werden. Des weiteren wird das Format EDBS (Einheitliche Datenbankschnittstelle) vorgestellt, welches von der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen Deutschlands momentan verwendet wird.
Besonders im Bereich der Geo-Metadaten spielt XML eine große Rolle. In diesem Bereich wird die Sprache als Repräsentations- und Austauschformat verwendet. Viele aktuellen Standards für Geo-Metadaten enthalten somit eine XML-DTD zur Strukturierung der Inhalte. Eine Verarbeitung bzw. eine kombinierte Nutzung verschiedener Metadaten innerhalb von Programmen ist somit leichter zu realisieren.
XML wird aber auch als Schnittstellenbeschreibungssprache für Geodienste benutzt. Ein Beispiel hierfür sind die WMS Capabilities DTD des OpenGIS Consortiums (siehe oben). Dort enthalten die technischen Metadaten Angaben in Form von XML, welche thematischen Inhalte abrufbar sind, für welche räumliche Bereiche und in welchen Formaten sie verfügbar sind und an welche URL entsprechende Anfragen zu schicken sind.
Auch beim Austausch von Vektordaten wird die XML-Sprache SVG (Scalable Vector Graphics) immer öfters im Geodatenbereich benutzt. SVG ist herstellerunabhängig und eignet sich somit sehr gut für einen übergreifenden Austausch von Vektordaten im Internet. In der Sprache gibt es vordefinierte Sprachelemente zur Repräsentation von Linienzügen und anderen geometrischen Objekten.
Im objektorientierten Format von Geodaten wird eine eigens dafür entwickelte XML-Sprache (Geography Markup Language) dazu benutzt alle möglichen Angaben für ein geographisches Objekt zu speichern. Dies spielt bei vielen Fachanwendungen im Geoinformationsbereich eine große Rolle, da für bestimmte Objekte immer die wichtigsten Informationen herausgefiltert werden können.
Bei der Darstellung von geographischen Objekten innerhalb von elektronischen Karten wird ebenfalls XML verwendet. In diesem Bereich wird mit Hilfe von XML festgehalten in welcher Form bestimmte Objekte angezeigt werden sollen. Es wird also gespeichert welche Farbe, Schraffur oder Umrandung ein Objekt haben soll.
Es gibt noch viele andere Ansätze zur Definition eines systemunabhängiges Schnittstellenformats. Im GIS-Bereich konnten sich allerdings noch keine allgemein gültigen Schnittstellenstandards durchsetzen, es haben sich allerdings länderspezifische Standards entwickelt. Im nordamerikanischen Raum sind die Ansätze des U.S. Geological Survey mit dem Spatial Data Transfer Standard (SDTS), des Federal Geographic Data Committee mit dem Content Standards for Spatial Metadata (FGDC 1994) sowie die Ansätze in Kanada zu nennen.
Für die Bundesrepublik Deutschland stellt die für den Austausch von ALK- und ATKIS-Daten konzipierte Einheitliche Datenbankschnittstelle (EDBS) einen Standard dar. Doch auch hier gibt es Ausnahmen. In Baden-Württemberg werden Daten des Landesvermessungsamtes bislang im SICAD-SQD-Format oder BGRUND-Format bereitgestellt. In Bayern steht neben dem SQD-Format das DFK-Schnittstellenformat zur Verfügung; mittlerweile wird auch dort das EDBS-Format unterstützt.
Die Definition der EDBS erfolgte im Rahmen des Gesamtsystems "Automatisierung der Liegenschaftskarte" (ALK-System), das aus einem Verarbeitungsteil und dem ALK-Datenbankteil besteht. Als Schnittstelle zwischen ALK-Datenbankteil und Verarbeitungsteil wird die EDBS festgelegt. Sie ermöglicht es, die Daten für die Einrichtung, Fortführung und Benutzung von ALK-Information, die zwischen Verarbeitungsteil und ALK-Datenbankteil ausgetauscht werden, in flexibler Weise zu definieren. Dies geschieht auf der Grundlage logischer Datenstrukturen oder Strukturen, die durch Transformationen auf die logischen Datenstrukturen zurückgeführt werden können.
