Nachdem nun diskutiert wurde, was unter einem Geo-Informationssystem zu verstehen ist, sollen im weiteren heutige, kommerzielle GIS zur Sprache kommen und ein kurzer Einblick in aktuelle Forschungsbereiche von 3D/4D-Geo-Informationssystemen und objektorientierter GIS-Entwicklung gegeben werden.
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Abb. 2.1: Architektur von Geo-Informationssystemen (aus: [Bre96])
Die Architektur heutiger GIS läßt sich in drei Ebenen unterteilen
(vgl. Abb. 2.1). Zur GIS-Oberfläche ist ein einfacher Editor zu
zählen, mit dem Daten eingegeben und Operationen darauf durchgeführt
werden können, ergänzt durch die Möglichkeit, Anfragen in einer
bestimmten Anfragesprache (wie z.B. Spatial SQL) stellen zu können,
so daß der Benutzer dem System
mitteilen kann, welche räumlichen Daten für ihn relevant sind.
Dieser Ansatz wird in letzter Zeit jedoch weitgehend durch eine
graphische Benutzerführung mit Menüs ergänzt, um einen höheren
Grad an Interaktivität gewährleisten zu können.
Der Geowissenschaftler sieht auf diese Weise sofort die Auswirkungen
seiner Operationen oder erhält eine zum Teil graphische Präsentation
seiner Anfrageergebnisse.
Die GIS-Werkzeuge stellen alle von den geowissenschaftlichen Benutzern benötigten Operationen und Prädikate bereit, welche Analysen in den jeweiligen Anwendungsgebieten adäquat unterstützen. Die angebotenen Operationen können geometrischer (wie z.B. Abstand) aber auch topologischer Natur sein - und genau diese Klasse von Operationen/Prädikaten wird im Rahmen dieser Arbeit für den 3-dimensionalen Fall entworfen. Es wird eine topologische Komponente für das in Kapitel 4 vorzustellende GEOTOOLKIT erarbeitet, welche konzeptionell in diese mittlere Schicht einzuordnen ist und auf der Datenhaltungskomponente OBJECTSTORE basiert.
Für diese unterste Komponente, in der die eigentlichen Daten verwaltet werden, existieren wiederum verschiedene Architekturen, für die hier nur kurz die Unterschiede erläutert werden sollen, die zwischen dem verbreitetsten kommerziellen GIS ARC/INFO und neueren objektorientierten Ansätzen, wie sie u.a. mit dem auf OBJECTSTORE aufsetzenden Forschungsprojekt GEOTOOLKIT gegangen werden, existieren (vgl. Abb. 2.2).
Der Datenhaltungskomponente von ARC/INFO liegt eine sogenannte duale Architektur zugrunde, bei der sachbezogene Daten durch ein herkömmliches relationales Datenbankmanagementsystem (RDBMS) und räumliche Daten direkt durch das Dateisystem verwaltet werden. Die Verknüpfung der beiden entkoppelten Datenbestände geschieht über Verweise, die von den thematischen Daten auf ihre Geometrie bestehen. Diese Verweise sind für den Benutzer sichtbar und es obliegt ihm auch die entspechenden Verknüpfungen zielgetrieben zu verfolgen. Durch diese getrennte Datenhaltung sind also zusätzliche Anfragen notwendig, um den vollständigen Satz an Informationen über ein räumliches Objekt zu erhalten.
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Abb. 2.2: Architekturen der Datenhaltungskomponenten von ARC/INFO (oben) und objektorientierten Geo-Informationssystemen (unten)
Der objektorientierte Ansatz sieht im Gegensatz dazu eine gemeinsame
Datenhaltung von räumlichen und thematischen Daten vor. Hierzu dient
ein objektorientiertes Datenbankmanagementsystem (OODBMS), welches
gleichermaßen Sachobjekte und räumliche Objekte verwaltet und damit
diejenigen Daten integriert, die für den Geowissenschaftler - als
einer Person mit besonderem Bezug zum Raum - eine wichtige Einheit
bilden. Durch die Konzepte der Datenkapselung und Vererbung können
so geometrische Datentypen zur Verfügung gestellt werden, die von
unterster Ebene schon mit GIS-Operationen ausgestattet sind und auf
diesem Wege einerseits Effizienzvorteile für den Benutzer bringen,
ihm andererseits unnötige Implementierungsdetails ersparen und so
mit einer klareren Modellierung aufwarten.
Weitere Vorteile des Objektmodells werden im nächsten Abschnitt angesprochen, wenn es darum geht, räumliche Objekte zu modellieren. Eine Repräsentation eines räumlichen Objektes mittels sogenannter simplizialer Komplexe stellt sich nämlich als sehr elegant und mächtig heraus.
Andere aktuelle Forschungsgegenstände sind die vollständige Erfassung der dritten Dimension in Geo-Informationssystemen und eine Modellierung der Zeit als vierte Dimension.
Das Konzept der Zeit in GIS ist beispielsweise dann wichtig, wenn Geowissenschaftler über Momentaufnahmen hinausgehende Aussagen über Szenenfolgen treffen wollen, um in einer Rückwärtsmodellierung Schlußfolgerungen über geologische Evolutionsprozesse ziehen zu können (vgl. [Sie93]). So können dann z.B. das Ausmaß von Bodenerosion oder andere Phänomene der Verlagerung von Erdschichten zeitlich erfaßt und damit bewertet werden.
Eine Modellierung zeitlicher Aspekte befindet sich jedoch momentan erst im Forschungsstadium und an eine Integration in kommerzielle Geo-Informationssysteme ist in näherer Zukunft noch nicht zu denken.
Selbst die vollständige Verwaltung der dritten Dimension ist
mit heutigen GIS-Produkten nicht möglich. Doch gerade diese
Funktionalität wird in zunehmendem Maße gefordert und ist für
viele geowissenschaftliche Arbeitsvorgänge notwendig.
Die aktuelle Technologie im GIS-Bereich (bei Produkten wie ARC/INFO,
TIGRIS oder SMALLWORLD) beschränkt sich jedoch momentan nur auf eine
2-dimensionale Modellierung und zum Teil eine
Oberflächenrepräsentation im Rahmen des Digitalen
Geländemodells ([Wor97]) - dieser Tatsache wird durch die
Bezeichnung 2,5-dimensional
Rechnung getragen.
Mit diesen Ansätzen ist es dann möglich, zwei Flächen im
3-dimensionalen Raum zu modellieren und damit das Volumen zwischen
den Flächen zu erfassen. Damit erhält man jedoch keinerlei
Informationen über das Volumen an sich, welches zwischen den
Flächen liegt, sondern lediglich eine Oberflächenbeschreibung.
Der nächste Schritt auf dem Weg zur echten 3D-Modellierung liegt
darin, das Innere des Volumenobjektes - von der Beschreibung
der Oberfläche ausgehend - aufzubauen, indem zur Raumfüllung
ein regelmäßiges Gitter von Volumenelementen oder (wie im Rahmen des GEOTOOLKIT) eine
unregelmäßige Tetraedervermaschung (vgl. Abschnitt
2.2 und Kapitel 4) verwendet wird.
Der zweite Weg der sogenannten Tetraedisierung ist jedoch bei weitem nicht nicht so einfach, wie es zunächst scheint, da nicht jedes 3D-Objekt - von einer gegebenen Beschreibung der Oberfläche ausgehend - tetraedisierbar ist, ohne dabei die Struktur der Eingabe und damit den Rahmen des Problems zu verändern.
Parallel zu dieser Arbeit wird die Tetraedisierung für das GEOTOOLKIT von JöRG SIEBECK im Zuge der Diplomarbeit [Sie99] entwickelt. Damit ist es dann möglich Volumina, die nur als Oberflächenbeschreibung modelliert sind, in die (im GEOTOOLKIT übliche) Modellierung mittels einer Tetraedervermaschung zu konvertieren und in diesem Datenbestand weiterzuverarbeiten.
Die Repräsentation räumlicher Objekte ist nun auch Diskussionsgegenstand des folgenden Abschnittes.