Freiheit für Geodaten-Infrastrukturen - Die Umsetzung der Spezifikationen des Open GIS Consortiums mit Freier Software

Geodaten werden oft dezentral erfasst und verwaltet. Allerdings fehlt in der Regel der Überblick darüber, welche Daten zu welchen Bedingungen über wen zu bekommen sind. Dies galt und gilt auch für die Daten aus den Behörden des Bundes. Daher wird seit dem Jahre 2000 auf Beschluss des IMAGI (Interministerielle Ausschuss für Geoinformationswesen) ein Geodatenportal entwickelt, dass die Suche und Nutzung von Geodaten und Geodiensten aus Behörden des Bundes erleichtern soll.

Grundlage für die Metadatensuche bildet ein Web Catalog Service. Ein Web Map Service liefert die Karten anhand derer die Nutzer auf räumlich durch den Datenbestand navigieren können. Nachfolgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus dem Suchfenster des Portals. Der Catalog Service und der Kartendienst sowie das Portal wurde unter Einsatz des deegree Frameworks entwickelt.

Ein Anwendungsbeispiel für den Nutzen von WMS-konformen Diensten für den Aufbau von Anwendungen zur interaktiven Darstellung von Karten im Internet stellt die Zusammenarbeit zwischen der Bezirksregierung Hannover und dem Landkreis Schaumburg dar. Die Bezirksregierung Hannover verwaltet Geobasisdaten (z.B. Topographische Karten) und stellt Geofachdaten (z.B. Naturschutzgebiete) bereit. Ein Teil dieser Daten stellt die Bezirksregierung Hannover dem Landkreis Schaumburg über einen WMS-Dienst zur Verfügung. Der Landkreis Schaumburg braucht damit die Daten nicht selber zu pflegen, sondern kann direkt auf die von der Bezirksregierung Hannover bereit gestellten Karten zugreifen.

Das nachfolgende Bild zeigt einen Ausschnitt aus einer Anwendung, die der Landkreis Schaumburg über seinen Server www.gis-im-weserbergland.de bereit stellt. Die Naturschutzgebiete und die Hintergrundkarte werden als Bildinformation vom der Bezirksregierung Hannover geholt. Darüber kann der Landkreis Schaumburg nun eigene Geodaten (z.B. Naturdenkmäler, die roten Punkte in der Karte) legen. Damit entsteht eine für den Betrachter interessante Verknüpfung von Informationen. Sowohl der WMS-Dienst als auch der Zugriff auf denselben wurden mit dem UMN MapServer umgesetzt.

Ohne zu übertreiben, kann man behaupten, dass deegree das Projekt ist, das die Spezifikationen des OGC am umfangreichsten implementiert hat. Dies gilt im Übrigen nicht nur im Vergleich zu den Freie-Software-Projekten. Auch im Feld der proprietären Produkte gibt es kaum eine Software, die die Spezifikationen des OGC so umfassend implementiert.

Dass dies so ist, liegt insbesondere an der geschichtlichen Entwicklung von deegree begründet. Im Gegensatz zu vielen anderen Projekten, die sich mit einer bereits bestehenden Implementation an die OpenGIS Spezifikationen angenähert haben, war es bei der Implementation von deegree von Beginn an das Ziel, die OpenGIS Spezifikationen möglichst umfassend zu implementieren. Diese Tatsache wird inzwischen auch vom OGC honoriert, so dass die Firma lat/lon, die hauptsächlich hinter dem deegree-Projekt steht, den Auftrag erhalten hat, die offizielle Referenzimplementation für die WMS-Spezifikation, Version 1.1.1 (schon umgesetzt) und für die WCS-Spezifikation (1.0) und WCAS-Spezifikation (2.0) (in Arbeit) zu erstellen.

Das Projekt GeoServer bildet mit der Implementation der WFS-Spezifikation (1.0) ebenfalls eine Referenzimplementation des OGC. Damit setzt der GeoServer nicht nur den Basis-WFS um (d.h. das Ausliefern von Vektor-Geodaten), sondern auch den optionalen transaktionalen WFS. Der bietet Möglichkeiten zum Eintragen, Ändern und Löschen von Geoobjekten. Darüber hinaus wird auch der ebenfalls optionale Locking-Mechanismus zum Sperren von einzelnen Geoobjekten für einen Verarbeitungsschritt implementiert. Mit diesem Locking-Mechanismus enthält der GeoServer eine Funktionalität, die selbst der deegree-Server zur Zeit (noch) nicht umsetzt.

Der UMN MapServer hat eine andere historische Entwicklung als deegree oder der GeoServer. Die Anfänge reichen zurück in die frühen 90er Jahre. Das Ziel des UMN MapServers war es von Beginn an, webbasierte Anwendungen mit räumlichen Bezug entwickeln zu können. Die Server-Komponente des UMN MapServer ist daher darauf optimiert, z.T. sehr große Datenbestände aus unterschiedlichen Formaten performant einzulesen und in Form von Karten an den Klienten zu liefern. Der UMN MapServer ist ein einfaches CGI-Skript, dass entweder direkt oder mit Hilfe von Skript-Sprachen (PHP, Perl, Python, Ruby,...) angesprochen werden kann (mehr dazu im Abschnitt über die webbasierten Klienten).

Im Laufe der letzten Jahre ist der UMN MapServer um die Implementation von einigen OpenGIS Spezifikationen erweitert worden. Gemäß seiner Aufgabe, Karten auszuliefern, wurde der UMN MapServer zunächst um eine WMS-Server-Komponente erweitert sowie der Möglichkeit einige WMS-Dienste als Datenquelle einzubinden. Seit knapp einem Jahr kann der UMN MapServer auch als Basis-WFS-Server eingerichtet werden und WFS-Dienste einbinden. Geplant ist außerdem die Erweiterung um die WCS-Spezifikation. Eine Transaktionale-WFS-Komponente ist in näherer Zukunft jedoch nicht zu erwarten, da diese Erweiterung eine umfassende Änderung der Architektur des UMN MapServer erfordern würde.

Das deegree-Projekt realisiert nicht nur den Aufbau von Diensten sondern entwickelt zunehmend Portale, die auf diesen Diensten aufbauen. Derzeitig sind innerhalb des deegree Frameworks ein Klient zum Darstellen von Karten (auf WMS aufbauend) ein Portal für einen Metadatendienst (auf WCAS aufbauend), ein Portal zum Ausliefern von Vektordaten (WFS-basiert) sowie ein Portal zur textuellen Suche (WFS-Gazetteer-basiert) realisiert.

Technologisch basieren die Portale auf Java Server Pages. Die Anwendungsschicht wird also als serverseitige Anwendung installiert. Der Nutzer greift mit einem Standard-Web-Browser darauf zu und bekommt HTML-Seiten mit JavaScript als Oberfläche geliefert.

Der UMN MapServer kann so konfiguriert werden, dass eine Datenquelle ein WMS- oder ein WFS-Server ist. Zusammen mit den flexiblen Möglichkeiten des UMN MapServers, webbasierte Anwendungen zur Darstellung von interaktiven Karten zu entwickeln, stellt der UMN MapServer damit ein hervorragendes Framework dar, angepasste WMS-Klienten und WFS-Klienten zu entwickeln. Gerade die Möglichkeiten, die sich daraus ergeben, dass die CGI-Komponente des UMN MapServers über Skriptsprachen angesprochen werden kann, hat einige Projekte dazu animiert, Portale zur Nutzung von WMS-konformen Diensten zu entwickeln.

Chameleon und MapBender sind zwei Beispiele für solche Anwendungen. Beide nutzen den UMN MapServer zum Lesen der Karten von WMS-konformen Diensten und nutzen dazu die Skriptsprache PHP. Chameleon bietet nun die Möglichkeit, angepasste Anwendung zur Darstellung von interaktiven Karten darauf aufzubauen. MapBender stellt darüber hinaus eine Oberfläche zum Verwalten der verschiedenen Kartendienste bereit.

Der WMSAdapter ist hervorgegangen aus dem ZMapServer-Projekt . Der ZMapServer setzt ähnlich wie Chameleon und MapBender zum Einlesen der verschiedenen Geodaten auf den UMN MapServer, spricht ihn aber nicht über die Skriptsprache PHP sondern über Python an. Damit wird eine Verknüpfung mit dem in Python implementieren Web-Application-Framework Zope möglich. Der WMSAdapter ist eine Zope-Erweiterung (ein sog. Zope Produkt), die das das Ansprechen von WMS-konformen Kartendiensten ermöglicht. Deren Antworten können dann Zope-basierten Anwendungen weiter verarbeitet werden können.

Wie bereits erwähnt bietet der UMN MapServer auch die Möglichkeit, WFS-konforme Dienste als Datenquelle einzubinden. Diese Fähigkeit wird auch bereits in Projekten eingesetzt. Allerdings wird es wahrscheinlich noch eine Weile dauern, bis sich daraus standardisierte Produkte entwickeln. Das Projekt Chameleon kann diese Fähigkeit ebenfalls nutzen. Wann und ob der MapBender um die Verwaltung von WFS-basierten Ebenen erweitert wird ist nicht bekannt. Durch die Verwendung der Bibliothek PyOGCLib (s. nächster Abschnitt) ist damit zu rechnen, dass ein dem WMSAdapter ähnlicher WFSAdapter früher oder später ebenfalls entwickelt wird.

Während die Verarbeitung der Antworten eines auf einer OpenGIS-Spezifikationen basierenden Dienstes abhängig ist vom Anwendungsfall, folgen doch die Abfragen, die an einen solchen Dienst gestellt werden, immer dem gleichen Schema. Das Erzeugen dieser Anfragen lässt sich daher sehr gut in eine Bibliothek auslagern, die dann von einer Anwendung genutzt werden kann.

Bisher ist die Entwicklung von Bibliotheken relativ wenig voran geschritten. Das mag zum einen daran liegen, dass erst allmählich Dienste aufgebaut werden, auf die sinnvollerweise zugegriffen werden kann. Daher entsteht auch erst jetzt zunehmend der Bedarf, Bibliotheken zu entwickeln, die auf diese Dienste zugreifen. Außerdem zeigt der vorangegangen Abschnitt über den UMN MapServer, dass zumindest für Klienten auf WMS-konformen Kartendiensten, die vom UMN MapServer-Projekt bereit gestellten Mittel in der Regel ausreichen, um Klienten zu entwickeln.

Interessanterweise ist trotzdem gerade aus dem UMN MapServer basierten Projekt ZMapServer die Bibliothek PyOGCLib entstanden. Genauso wie das Produkt ZMapServer ist PyOGCLib in Python implementiert. Derzeit kann man mit PyOGCLib auf WMS- und WFS-konforme Dienste zugreifen.

Wie die voran gegangenen Abschnitte zeigen, realisieren die meisten Projekte eine serverseitige Anwendungsschicht, auf die mit einem normalen Web-Browser zugegriffen werden kann. Die Verwendung eines Desktop-basierten Klienten ermöglicht eine zusätzliche Wertschöpfung. So kann man z.B. zu einer Karte, die über WMS bezogen worden ist, leicht weitere nur lokal vorhandene Geodaten anzeigen lassen. Damit lassen sich visuelle Überlagerungen darstellen, die sich webbasiert nicht umsetzen lassen. Auch die Nutzung von WFS-konformen Diensten kann viel intensiver erfolgen, als es mit webbasierten Klienten der Fall ist, weil dem Nutzer in der Regel mehr Funktionen zur Verfügung stehen.

Thuban ist eine Desktop-basierte Anwendung, die den Zugriff auf WMS-konforme Dienste ermöglicht. Thuban ist entstanden als einfacher Geodatenbetrachter für Raster- und Vektordaten. Dabei ist Thuban so konzipiert worden, dass sich leicht komplexe auf spezielle Workflows angepasste Anwendungen auf Basis von Thuban entwickeln lassen. Die Anbindung von WMS-Diensten als Datenquelle des komplett in Python geschriebenen Thuban basiert auf der Bibliothek PyOGCLib . Die experimentelle Umsetzung ist bereits seit längerem erfolgt. Derzeit wird die WMS-Anbindung im Rahmen eines Studienprojektes auf eine breitere Basis gestellt. Der aktuelle Stand (Anfang Mai 2004) ist, dass die internen Prozesse zur Anbindung an WMS-Dienst komplett umgesetzt sind. Sie werden im nun folgenden Schritt an die GUI angebunden.