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Deutschland gehört zu den am besten kartografierten Ländern der Welt und weil die Inspire-Richtlinie der EU seit einem knappen Jahr die Behörden zwingt, ihre Geodaten online zu veröffentlichen, haben Geoportale Konjunktur. Dank Open-Source-Software und offener Standards kann jeder Webserver darauf zugreifen.

Google müsste neidisch werden: Weite Teile der EU und ganz Deutschland sind flächendeckend und hochgenau digital erfasst, und zwar immer auf dem aktuellen Stand. Die Auflösung ist meist genauer als bei kommerziellen Daten, streng geregelte Prozesse gewährleisten die tägliche Pflege der Informationen. Seit einem knappen Jahr gilt zudem die Inspire-Richtlinie der EU (2007/2/EG, [1]) und zwingt die Behörden, die Geodaten online zu veröffentlichen.

Der Sinn dieser EU-Vorschrift ist es, den Bürgern den Zugriff auf öffentliche Geodaten zu erleichtern, nicht zuletzt, um die Transparenz zu erhöhen und das Potenzial der Geodaten besser auszuschöpfen. Deshalb machen sich viele Administratoren im Staatsdienst Gedanken, wie sie das technisch realisieren können. Zahlreiche Kommunen stellen umfangreiche Geoportale ins Netz, manche, etwa die Stadt Bielefeld, verdienen damit schon heute bares Geld [2]. Unternehmen können diese Daten nutzen, in ein eigenes Geoportal einbauen und so die internen mit den frei verfügbaren Informationen verschneiden.

Grund genug, einen Blick auf die Architektur, Dienste und Geoportal-Software zu werfen, die den Web-basierten Zugang und die Verwaltung von verteilten Karten- und Geodaten-Diensten ermöglichen.

Datenquelle: Staatsdienst

Die Daten stammen dabei direkt aus der amtlichen Quelle. Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV, [3]) erarbeitet Empfehlungen und verbindliche Regelungen für ein einheitliches Vorgehen bei der “Schaffung, Erhaltung und Weiterentwicklung der geodätischen Grundlagen, der topographischen Landesaufnahme, des amtlichen topographisch-kartographischen Informationssystems, der topographischen Landeskartenwerke und des Liegenschaftskatasters”.

Letzteres ist die Basis, auf der der Staat unter anderem die Grundsteuer erhebt und auf der in der Regel die Preise für Grund und Boden kalkuliert sind, etwa in Form der Bodenrichtwerte (siehe Abbildung 1). Die Daten bilden die exakte und immer aktuelle Grundlage für Hunderte von Aufgaben mit räumlichem Bezug – ein ideales und verlässliches Fundament für Geo-Informationssysteme.

Abbildung 1: Ein Screenshot mit Daten der Landesvermessung Rheinland-Pfalz, der Stadt Mainz und eines NASA-Servers. Die Bodenrichtwerte aus der deutschen Verwaltung sind als transparenter violetter Layer auf das Satellitenbild gelegt, sodass der Bürger Preisunterschiede zwischen den Grundstücken erkennen kann.

In Deutschland sind mehrere Zehntausend Ingenieure hauptberuflich mit der Vermessung von Gebäuden, Grund und Boden oder Verkehrswegen beschäftigt. Allein das Bundesland Baden-Württemberg hat über 80 Millionen Flurstücke, die nicht nur einmalig zu vermessen sind, sondern für die jeder Eingriff im Kataster erfasst wird.

Hunderte von Ebenen

Ein geflügeltes Wort unter Geografen besagt, dass 80 Prozent aller Informationen einen Raumbezug haben, deshalb wundert es nicht, dass bei den Behörden neben den Geobasisdaten viele Hundert Ebenen mit weiteren Informationen existieren. Dazu zählen:

• Planungsgrundlagen wie Bebauungs- und
  Flächennutzungspläne
• Anwohnerparkplätze
• Brutstätten gefährdeter Vogelarten
• Simulationen des Katastrophenschutzes, zum Beispiel die
  Ausbreitung von Strahlung nach nuklearen Unfällen
• Einwohnerstatistiken
• Positionen und Wartungsintervalle von Hydranten der
  Feuerwehr
• Lärmkartierungen
• Geschützte Baudenkmäler
• Beheizte Freibäder
• Standorte behindertengerechter Toiletten an Autobahnen
• Sendemasten von Mobilfunkanlagen
• Viele andere Informationen

Noch sind die meisten öffentlichen Geodaten jedoch nur offline oder überhaupt nicht verfügbar, weder für die öffentliche Verwaltung selbst, noch für den Bürger oder gar die Wirtschaft.

Immer noch offline

Dafür gibt es eine Reihe technischer Gründe, unter anderem die lange Historie der digitalen räumlichen Datenerfassung, vor allem aber inkompatible Datenformate und mangelnde Vernetzung. Letzteres hat sich in den vergangenen Jahren erheblich verbessert. Parallel dazu hat das Open Geospatial Consortium (OGC, [4]) eine Dienste-basierte, standardisierte Service-Architektur entwickelt, die eine zentrale Datenhaltung ermöglicht und die Informationen für dezentrale Arbeitsplätze verfügbar macht. Inspire schafft dazu jetzt erstmals den organisatorischen Rahmen und den entsprechenden Auftrag (Kasten “Inspire”).

Neben der technischen Historie der Software spielte auch die Lizenzpoilitik der Hersteller eine gewichtige, stark einschränkende Rolle. Viele der den Markt dominierenden Firmen haben auch heute noch Schwierigkeiten, ihre Geschäfts- und Businessmodelle der vernetzten Welt anzupassen. Für Open Source erwuchs durch das Internet eine große Chance, denn die meisten freien Lösungen sind wesentlich besser aufgestellt, manche Experten vergleichen die Situation gar mit der Dominanz von Apache auf dem Webserver-Markt.

Open Source liegt vorne

Das mag überraschen, ist die zugrunde liegende Architektur doch recht einfach: Verteilte Server stellen über die standardisierte offene Schnittstelle der OGC Web Map Services (WMS, [5]) Daten bereit. Alle Clients, die diese Schnittstelle bedienen, binden die Dienste temporär ein, bleiben Software-technisch aber komplett unabhängig. Die Entwickler können auf unterschiedliche Programmiersprachen und Technologien zurückzugreifen, im Idealfall wird eingesetzt, was sich für die jeweilige Aufgabe am besten eignet.

In solchen Architekturen finden sich regelmäßig in C++ implementierte Dienste, über CGI angesprochen, neben Java-basierten Diensten, die als Servlet in Tomcat residieren. Ein in PHP und SQL implementiertes Backend fügt alles als lose gekoppelte Architektur zusammen und stellt die Anwendungen als dynamische HTML-Seiten bereit. Der Anwender benötigt nichts weiter als einen Browser, es ist keinerlei lokale Software-Installation erforderlich.

Architektur

Abbildung 1 zeigt ein Geoportal in Aktion, der Browser erhält Links wie den in Listing 1 dargestellten direkt vom Server. In der Abbildung liegen mehrere derartige Anfragen als transparente HTML-Layer übereinander.

01 http://wms.wheregroup.com/cgi-bin/mapserv?map=/data/umn/germany/germany.map&VERSION=1.1.1&REQUEST=GetMap&SERVICE=WMS&LAYERS=Topographie,Staedte,Postleitzahlbereiche,Bahnlinien,Fluesse,Strassen,Staedtepunkte,Postleitzahlbereichname,Staedtenamen&STYLES=,,,,,,,,&SRS=EPSG:4326&BBOX=-11.472222222222229,16.875,35.47222222222223,59.125&WIDTH=1500&HEIGHT=1450&FORMAT=image/png&BGCOLOR=0xffffff&TRANSPARENT=TRUE&EXCEPTIONS=application/vnd.ogc.se_inimage

Besonders angenehm ist dabei, dass der Server, der das Geoportal darstellt, keine eigene Geodatenbank betreiben muss. Die hier verwendete Software Mapbender [6] übergibt nur die passenden Links an die Clients. Der Server steht sofort wieder für Anfragen zur Verfügung, während der Browser direkt mit dem ausliefernden Datenbankserver kommuniziert.

In der Abbildung 1 sind dafür unter anderem ein Server in Mainz, die Landesvermessung Rheinland-Pfalz und Maschinen der NASA beteiligt. Dass die Daten aus mehreren Quellen stammen, lässt sich mit den Meta-Informationen, die Firefox anzeigen kann, schnell herausfinden (Abbildung 2). Dafür kommt das WMS-Protokoll [4] zum Einsatz (Listing 1).

Abbildung 2: Firefox enthüllt: Die Daten stammen aus verschiedenen Quellen und mehreren Servern.

WMS und GDIs

Der Standard OGC WMS definiert drei Haupt-und mehrere Neben-Operationen, zum Beispiel für die Darstellung einer Legende. Mit dem Kommando »GetCapabilities« in einer URL fordert der Client das Beschreibungsdokument des Dienstes an. Dies listet alle Ebenen auf, die der Server anbietet, dazu die unterstützten Koordinatensysteme in EPSG-Nomenklatur (beispielsweise »EPSG:25833« für ETRS98 / European Terrestrial Reference System Datum 1989) und die möglichen Bildformate (PNG, Jpeg, …). So ein Aufruf lautet etwa »http://wms.wheregroup.com/cgi-bin/germany?VERSION=1.1.1&REQUEST=GetCapabilities&SERVICE=WMS&VERSION=1.1.1«.

Die Methode »GetMap«, wie Listing 1 zeigt, leistet die eigentliche Arbeit und liefert das Kartenbild zurück, zum Beispiel Postleitzahlgebiete. Ganz nebenbei legt die Anfrage auch fest, in welchem Bildformat Mapbender die Ergebnisse präsentiert, im Beispiel (»FORMAT=image/png«) als PNG. Mit der optionalen Abfrage »GetFeatureInfo« erhält der Client die alphanumerischen Attribute zu allen Objekten, die an einer Klick-Koordinate gefunden wurden, zurück, wahlweise als HTML-Seite oder in GML, dem XML-Schema für Geodaten.

Der OGC-WMS-Standard ist mit mehreren Zehntausend produktiven Installationen weltweit sehr verbreitet und wird von ausnahmslos allen namhaften Herstellern unterstützt, dazu zählen auch branchenferne Produkte wie Google Earth. OGC WMS ist Eckpfeiler der Kartendienste, die die EU im Rahmen von Inspire aufbauen möchte. Natürlich können ihn auch lokal installierte Desktop-Applikationen nutzen, wenn der Workflow oder Software von Drittherstellern das erfordern. Freie Softwareclients für den Desktop, die WMS beherrschen, sind Quantum GIS, Jump, U-Dig, Openev oder Gvsig. Als Webgis-Systeme mit WMS-Fähigkeiten sind zu nennen Cartoweb, Mapbuilder, und Openlayers.

Derartige Architekturen von den Servern bis zu den Clients heißen Geodateninfrastruktur (GDI). Die Basis besteht aus einer Datenbank, in vielen Fällen ist dies PostgreSQL [7] mit der räumlichen Erweiterung PostGIS ([8], [9]). Alternativ lässt sich eine Oracle-Datenbank mit der Spatial-Erweiterung verwenden, allerdings ist dafür etwas mehr Konfigurationsaufwand notwendig.

Die Geometrien, also die geografischen Objekte selbst, importiert die GDAL/OGR-Bibliothek in die Datenbank. Sie unterstützt alle gebräuchlichen GIS-Formate, unter anderem den Quasi-Standard SHAPE des Herstellers ESRI und das MAP-Format des Herstellers Mapinfo. Aus dieser zentralen Geodatenbank beziehen die einzelnen Dienste ihre Daten und bereiten sie je nach Aufgabe als Kartenbild auf oder liefern die geometrischen Daten als XML-Dateien in dem Standard-Schema OGC GML (Geographic Markup Language) zurück.

Mapserver und Geoserver

Für die Kartenproduktion kommt in der Regel die bewährte Software UMN Mapserver [10] zum Einsatz, ein schlanker, in C++ implementierter Dienst, den der Admin über zentrale Steuerungsdateien konfiguriert. Das erfordert ein wenig Übung und gute kartografische Kenntnisse, aber die umfangreiche Dokumentation mit vielen Beispielen und vor allem die deutschsprachige Mailingliste bieten gute Hilfen für Einsteiger. Sorgfalt ist allerdings angebracht, denn die hier erstellte Karte ist später die zentrale Komponente der Anwendung.

Der Zugriff auf einzelne geografische Objekte ist im OGC-Standard Web Feature Service (WFS) definiert. Der Geoserver [11] ist nicht nur die Referenzimplementierung dieses Standards, sondern bietet eine Vielzahl von Erweiterungen, darunter auch den Export von Ergebnissen als KML-Datei, dem Standardformat von Google Earth. Der Suchmaschinenriese hat das Copyright an KML kürzlich dem OGC überschrieben, das Konsortium entwickelt jetzt aus dem proprietären Format einen offenen Standard, der nicht mehr vom Wohl und Wehe eines einzelnen Herstellers abhängt.

Geoserver ist in Java implementiert und wird in Tomcat, Jetty oder vergleichbare Servlet-Containern eingebunden. Zusammen ergeben OGC WMS und WFS die Basis, auf der Dienst-basierte Karten nicht nur dargestellt, sondern auch durchsuchbar, analysierbar und editierbar werden. Der Zugriff erfolgt entweder durch die bewährten Desktop-GIS-Anwendungen aller namhaften Hersteller oder über dynamische HTML-Seiten für Browser.

Mapbender

Die für die Erstellung von Kartenwerken Verantwortlichen müssen unter Umständen sehr große Datenmengen vorhalten und ständig pflegen. Durch die große räumliche Verteilung ist es aber oft unmöglich, alle Daten selbst zu verwalten. Weil bereits heute die meisten Länder flächendeckend Kartenwerke mit Basisdaten anbieten, die sich als Hintergrundinformationen und Kartengrundlage verwenden lassen, ohne sie in einer eigenen Datenbank vorzuhalten, bietet sich eine verteilte Arbeitsweise an.

GDI ohne eigene Daten

Das Backend für die Verwaltung der Dienste und das Bereitstellen der Ergebnisse in Anwendungsoberflächen ist der in PHP implementierte Mapbender, der nur als Repository (Speicher) der Dienste für die Web-basierten Anwendungen fungiert. Die Karten und Geodaten liegen nicht auf dem Portalserver, sondern verbleiben bei den jeweiligen Anbietern. Im Geoportal selbst liegen nur mehr die Referenzen auf Dienste (wie in Listing 1), die der Server als dynamische HTML-Layer und Javascript-basierte Anwendungen bereitstellt.

Mapbender (Kasten “Mapbender-Installation”) stellt nur geringe Anforderungen an die Hardware und kann sofort auf eine Vielzahl von öffentlich verfügbaren Geodaten zurückgegreifen. Der Admin fügt Datenquellen hinzu und kann so nach und nach ein eigenes Netzwerk aus Diensten und Anwendungen schaffen, das unabhängig von der Software der unterschiedlichen Dienste oder eigenen Datenbeständen läuft.

Das Geoportal des Landes Rheinland-Pfalz [13] stellt so beispielsweise Dienste von mehr als 40 Anbietern bereit. Das Mapbender-Projekt betreibt einen Referenzserver, der es ermöglicht, auch ohne eigene Installation einen ersten Eindruck von der Nutzung von Geoportalen zu bekommen.

Leider hinken die rechtlichen Nutzungsbedingungen den technischen Möglichkeiten in diesem Bereich häufig um Jahre hinterher. Allerdings besteht auch hier, dank Inspire, jetzt erstmals die Hoffnung auf klare Vorgaben und Richtlinien. Bis das komplett umgesetzt ist, sollten Admins aber tunlichst prüfen, ob die Geodaten, die sie einbinden möchten, auch wirklich frei verfügbar sind. (mfe)

# createdb -E UTF-8 DB-Name
# psql -f ./pgsql_schema.sql DB-Name
# psql -f ./utf8/pgsql_data.sql DB-Name
# psql -f ./pgsql_serial_set_sequences.sqlU  DB-Name

mapbender-root/http/tools/mapbender_setup.U php http://localhost/mapbender/tools/U mapbender_setup.php