harz webportal

Standardisierte Geodienste (WMS) auf mobilen Endgeräten
– ein Entwicklungsbeispiel aus dem Projekt „GeoToolsHarz“
Frank RUDERT und Hardy PUNDT
Dieser Beitrag wurde nach Begutachtung durch das Programmkomitee als „reviewed paper“
angenommen.
Zusammenfassung
Das öffentliche Informationsverhalten hat sich in den letzten Jahren deutlich geändert.
Während es lange Zeit ausreichend erschien, Geoinformationen über Printmedien zu
verbreiten, ist in der heutigen, schnelllebigen Welt die Information bereits veraltet, bevor
eine Karte die Druckerei verlassen hat. Die Anforderung des Kunden, immer die aktuellste
Information vor Augen zu haben und diese möglichst schnell an andere Akteure weitergeben zu können, zwang die Anbieter zu neuen Veröffentlichungskanälen. Hier hat sich
längst das Internet behauptet. Neben dem Abruf von Geoinformationen am „heimischen
PC“ gibt es mittlerweile viele Anwendungsbereiche in Wirtschaft und Verwaltung, für die
Geoinformation auch mobil verfügbar sein muss. Auf dieser Anforderung basierend haben
sich u.a. die Location Based Services (LBS) entwickelt. Es geht darum, Geoinformation
dort bereitzustellen, wo sie tatsächlich gebraucht werden – bei der Erfassung von Umweltoder „Business“-Daten, beim Erkunden unbekannter Orte, bei der Suche und Attributierung
spezieller Lokationen, beim Wandern und Fahrradfahren. Dabei sollen Informationen Kontext-sensitiv und aufgabengerecht bereitgestellt werden, um eine möglichst effektive Unterstützung zu leisten. Der in diesem Beitrag beschriebene Prototyp eines mobilen, PDAgestützten Systems soll zweierlei Zwecken dienen: zum einen der Identifikation und Analyse konkreter Anwendungsprobleme beim mobilen Einsatz, zum anderen – darauf gründend
– zur Konzeption und Umsetzung einer „voll einsetzbaren“ Applikation.
1
Einleitung
Durch die Etablierung des Internets als „zentrales“ Informationsmedium, begleitet durch
die stetig ansteigende Bandbreite (auch in Privathaushalten), haben kartenbasierte Informationssysteme mittlerweile eine weite Verbreitung erlangt. „Google Maps“ hat einen regelrechten „Hype“ ausgelöst, der, neben den zweifelsohne positiven Nutzungsaspekten, dazu
führt, dass der Begriff „GIS“ noch öfter „missbraucht“ wird, als dies vorher schon der Fall
war.
Nach wie vor werden jedoch noch oft proprietäre Insellösungen realisiert, die dem Benutzer
kaum Möglichkeiten zur individuellen Selektion des Informationsgehaltes der Karte geben.
Nicht zuletzt aus diesem Grund erlangt das GIS-spezifische Layer-Prinzip hinsichtlich
einfach zu bedienender, webbasierter Kartendienste (wieder) mehr an Bedeutung. Um Interoperabilität zu gewährleisten, kann auf die vom Open Geospatial Consortium (OGC) ver-
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öffentlichten Spezifikationen zurückgegriffen werden. Sie bilden die Basis für die Spezifikation der Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten. Dies gilt auch für die Umsetzung der nachfolgend erläuterten GIS-Applikation für mobile Endgeräte.
Hintergrund der Applikationsentwicklung ist ein Projekt zur nachhaltigen Verbesserung des
öffentlichen Personennahverkehrs im Nationalpark Harz. Hierzu entsteht ein Kartenportal,
mit dessen Hilfe das Fahrplanangebot der lokalen Verkehrsträger in Kombination mit weiteren touristisch interessanten Informationen zugänglich gemacht werden soll. In diesem
Rahmen sollen auch die Fahrpläne der öffentlichen Verkehrsanbieter besser abgestimmt
werden, um das Angebot des ÖPNV insgesamt attraktiver zu gestalten. Das Webportal soll
insbesondere auf die vielen Tagestouristen ausgerichtet sein, die sich in der Region des
Harzes aufhalten und zum allergrößten Teil individuell mit dem Auto anreisen. Sie benutzen den PKW auch innerhalb des Nationalparks, was eine stetig zunehmende Belastung
darstellt. Parkkapazitäten an speziellen Lokationen erreichen in Stoßzeiten mittlerweile ihre
Grenzen. Das Web-Map-Portal soll somit Alternativen zur Nutzung des individuellen Fahrzeuges zugunsten öffentlicher Verkehre aufzeigen, darüber hinaus aber die Planung des
Tages- oder Wochenendtrips umfassend unterstützen. Eine mobile Variante soll auch kurzfristige Planungsänderungen ermöglichen. Dabei spielen 3D-Geodaten für verschiedene
Geodienste, insbesondere aber auch mobile, eine zunehmend wichtige Rolle (VAN
OOSTEROM et al. 2008, BUHMANN & ERVIN 2003). Die entsprechenden GIS-spezifischen
Arbeiten sind Teil des Projektes „GeoToolsHarz“, das im Rahmen des Kompetenzzentrums
„Informations- und Kommunikationstechnologien, Tourismus und Dienstleistungen“ an der
Hochschule Harz im Lehr- und Forschungsgebiet „Geoinformatik“ durchgeführt und vom
Bundesland Sachsen-Anhalt finanziell gefördert wird (PUNDT 2007, RUDERT 2007).
In diesem Beitrag wird nicht der komplette Entwicklungsprozess dargelegt. Es soll vielmehr auf grundlegende Aspekte beim Design von mobilen Geoinformationssystemen hingewiesen werden, wobei die Mobilitätsanforderungen der Zielgruppen, etwa Wander- und
Fahrradtouristen, im Zentrum des Interesses stehen.
2
Technische Voraussetzungen
Grundlage der Umsetzung der mobilen Komponente sollen vom Endkunden erwerbbare
Technologien sein. Insbesondere die Verbreitung und die Marktakzeptanz spielt bei der
Auswahl der Entwicklungsplattform eine große Rolle. Erste Entscheidungssäulen bilden die
Hardware- und die Entwicklungsplattform.
2.1
Mobile Devices
Im Bereich der mobilen Endgeräte kann eine grobe Klassifizierung vorgenommen werden.
Zum einen ist die Kategorie der proprietären Mobilfunksysteme zu nennen. Sie sind hauptsächlich gekennzeichnet durch ihr in sich geschlossenes System, welches kaum Schnittstellen für Applikationen von Drittherstellern bietet. Zum anderen ist der stetig wachsende
Markt der Smartphones zu berücksichtigen. Dieser beinhaltet Mobilfunkendgeräte mit
Betriebssystemen, welche durch Fremdsoftware erweitert werden können. Die Leistungsfähigkeit der Geräte ist beachtlich, sie reicht von Prozessoren mit bis zu 667 MHz bis hin zu
mobilen 3D-Grafikchips. Als Betriebssystem kommt hauptsächlich Symbian OS oder Win-
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dows Mobile, vereinzelt auch Linux, zum Einsatz. Die Kategorie der Smartphones bildet
einen fließenden Übergang zu den Personal Digital Assistants (PDA), welche von der Leistungsfähigkeit her mit den schnellen Smartphones zu vergleichen sind, jedoch keine Möglichkeit bieten um über herkömmliche Funknetze zu kommunizieren. Meist wird zusätzlich
eine WLAN-Schnittstelle angeboten. Diese Geräte basieren vorwiegend auf dem Betriebssystem Windows Mobile. Als letzte und auch deutlich abgrenzbare Kategorie seien die
GPS-gestützten Endgeräte bzw. Navigationssysteme erwähnt. Diese bieten Navigationsfunktionen in einer in sich geschlossenen Systemumgebung an. Es werden kaum Möglichkeiten zur Erweiterung der Systeme gegeben. Für Softwareupdates ist der Benutzer in der
Regel auf den Hersteller des Gerätes angewiesen.
Gerade auf dem Smartphone-Sektor zeichnet sich in Deutschland noch ein Kampf um die
Marktführung, vor allem zwischen Symbian und Windows Mobile, ab (BEST & KAUFMANN
2006). Leider sind beide Systeme derart unterschiedlich, dass eine Software-Entwicklung in
diesem Bereich einen nicht unerheblichen Aufwand darstellt. Während für Symbian-Geräte
sehr umfassend auf Java-Basis entwickelt wird, kommt auf den Windows-Mobile-Geräten
das .NET Compact Framework zum Einsatz. Der Einsatz von Java unter Windows Mobile
ist mit erhöhtem Aufwand verbunden. Bei den PDAs hat sich der Markt in Deutschland
jedoch bereits in Hinblick auf das Windows Mobile Betriebssystem gefestigt. Aus diesem
Grund sollte im Rahmen von GeoToolsHarz eine prototypische Applikation für PDAs mit
dem Windows Mobile Betriebssystem im .NET Compact Framework entwickelt werden.
Weitere Gründe für diese Vorgehensweise liegen darin begründet, dass diese Geräte eher
einen GPS-Empfänger integriert haben als Smartphones. Viele Anwender nutzen diese
mobilen Geräte bereits in Form von Navigationsgeräten für das Auto oder auch bei Wanderungen. Das Angebot der mobilen Navigationssysteme hat dem einst rückläufigen Markt
der PDAs neuen Aufschwung gegeben.
2.2 .NET-Framework
Das .NET-Framework ist eine Entwicklung von Microsoft und liegt derzeit in der Version
2.0 vor, die Version 3 wird vorbereitet. Als Ableger des kompletten .NET-Frameworks
existiert das .NET Compact Framework. Dies ist gegenüber des Standard-Frameworks im
Funktionsumfang eingeschränkt und speziell auf die Anwendung auf mobilen Endgeräten
wie Smartphones und PDAs ausgelegt. Eine Applikation, welche zum Beispiel unter dem
Compact Framework 2.0 entwickelt wurde ist auf allen Geräten lauffähig, welche diese
Version integriert haben. Das ist vorteilhaft für die Entwicklung, gerade im stark gestreuten
mobilen Markt. Der Funktionsumfang kann mit Hilfe von Bibliotheken, so genannten Assemblies, problemlos erweitert werden.
3
Prototypische Umsetzung des WMS-Standards auf einem
mobilen Endgerät
Die im Rahmen des GeoToolsHarz-Projektes entwickelten Konzepte sollten anhand einer
prototypischen Anwendung bezüglich ihrer Übertragbarkeit auf mobile Endgeräte untersucht werden. Hierbei spielte der Abruf von Geodaten über standardisierte Schnittstellen
(WMS) eine besondere Rolle. Eine für den Endbenutzer möglichst einfache Bedienung
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wird in den Vordergrund gestellt. Des Weiteren soll analysiert werden inwieweit das Datenaufkommen einem mobilen Einsatz gerecht wird. Während der kompletten Entwicklung
sollen die vom OGC verabschiedeten Standards streng eingehalten werden, damit die Applikation vom eigentlichen Anbieter der Geodaten abgekoppelt, somit nicht von einem
bestimmten Dienstleister abhängig ist. Diese Anforderung ist in Hinblick auf die Interoperabilität mobiler Geodienste grundsätzlich zu berücksichtigen, wie sich auch in anderen
Untersuchungen gezeigt hat (u. a. Brinkhoff & Weitkämper 2004, FISCHER & ZIPF 2006).
Die Anwendung soll sich somit möglichst selbständig auf einen frei wählbaren Web Map
Service einstellen. Hierfür muss vom Benutzer selbst lediglich eine URL mit den nötigen
Map-Parametern angegeben werden. Weitere Spezifika der Applikation stellen sich wie
folgt dar: Optional soll eine Angabe eines Styled Layer Description (SLD)-Files möglich
sein. Die Angabe der Version des Standards ist über ein Options-Menü mit festen Vorgaben
zu definieren. Anschließend ruft die Applikation das Capabilities-Dokument mit einem
standardisierten GetCapabilities-Request ab. Das als Antwort gelieferte XML-File wird im
Programmordner gespeichert und geparst. Daraufhin wird ein Objekt angelegt, welches die
Informationen aus dem XML-Dokument verwaltet. Dieses Objekt ist nur zur Laufzeit aktiv
und bietet Funktionen und Prozeduren um die Daten zu speichern. Darüber hinaus kann auf
das Objekt selbst gezielt zugegriffen werden. Außerdem wird in dem Objekt über eine
Funktion der „fertige“ Request-String erstellt und zurückgeliefert. Der Capabilities-Request
ist nach jedem Programmstart auszuführen.
Im Hauptmenü der Applikation kann nun die Karte abgerufen und betrachtet werden. Zur
Verfügung stehen Navigationsfunktionen zum vergrößern, verkleinern und zum verschieben des Kartenausschnittes. Programmintern wird nach einer Interaktion auf der Karte die
Boundary Box (BBOX) neu berechnet. Beim Zoom selbst ist die Berechnung vergleichsweise einfach. Hier wird die BBOX geviertelt und dieser Wert anschließend entweder von
allen vier Werten, welche den Ausschnitt bestimmen, abgezogen oder aufaddiert. Beim
verschieben der Karte muss mit dem Pen auf dem Touchscreen eine virtuelle Linie gezogen
werden, welche die Verschiebung symbolisiert. Hier muss beurteilt werden, wie groß die
Verschiebung sein soll. Anschließend muss die Länge der Verschiebung prozentual zum
Gesamtausschnitt berechnet und diese Werte dann wieder in absolute Werte zur BBOX
hinzugerechnet werden. Mit den neuen Werten wird wieder ein GetMap-Request an den
Server gesendet, welcher anschließend den neuen Kartenausschnitt generiert und an den
Client zurücksendet. Zusätzlich besteht die Möglichkeit auf bestimmte Punkte einen GetFeatureInfo-Request auszuführen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird ein „queryable
WMS“ unterstützt, welcher mit Hilfe von Templates HTML-Dateien anzeigt. Zur Darstellung wird der in Windows Mobile integrierte Internet Explorer verwendet.
In einer seit Kurzem etablierten Kooperation zwischen dem GeoToolsHarz-Projekt der
Hochschule Harz und der brain scc GmbH in Merseburg ergaben sich neue Anforderungen
bezüglich des Zugriffs auf Passwortgeschützte WMS-Dienste. Insbesondere bei kommerziell orientierten Unternehmen ist der Zugriffsschutz auf den eigenen Server wichtig. Hier
wurde eine Möglichkeit zur Verwaltung von Passwortgeschützten Servern in die vorab
beschriebene Applikation integriert. Zur weiteren Verbesserung der Bedienbarkeit, auch für
fachfremde Nutzer, wurde von der eigentlichen Konfigurationsoption per URL auf ein
System mit vordefinierten Einstellungen an Servern gewechselt. Dies bietet sowohl dem
Anwender ein einfacheres Wechseln des WMS-Dienstes, als auch dem Anbieter eine bessere Kontrolle über den Einsatz der Applikation und den Zugriff auf den Dienst.
Standardisierte Geodienste (WMS) auf mobilen Endgeräten
Abb. 1:
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Mobiler WMS-Client, im Projekt „GeoToolsHarz“ entwickelt unter dem .NETFramework
Vorbereitend auf die Standortbestimmung wurde bereits eine „GPS-Assembly“ eingebunden. Um zukünftig sowohl Bandbreite, als auch Zeit einzusparen soll eine Positionsbestimmung mittels eines GPS-Empfängers ermöglicht werden. Die „Assembly“ bietet Funktionen um GPS-Geräte zu erkennen und die aktuellen Positionsdaten auszulesen. Damit ist
eine problemlose Positionsbestimmung möglich und es kann ein entsprechend passender
Kartenausschnitt vom Server angefordert werden. Dabei hat sich der Rückgriff auf bereits
in der Praxis erprobte Assemblies als sinnvoll erweisen, da die dafür aufzubringenden Kosten meist geringer als Eigenentwicklungen sind.
4
Weitere Entwicklungsansätze
Die Darstellung dreidimensionaler Geoinformationen gewinnt zunehmend an Bedeutung,
was nicht zuletzt die rasante Entwicklung beim Aufbau von 3D-Stadtmodellen zeigt (VAN
OOSTEROM et al. 2008, JOBST 2004). 3D-Geodaten ermöglichen nicht zuletzt die Generierung von realitätsnäheren (Stadt-)Landschaftsmodellen, die darüber hinaus unterschiedlichen Manipulationen unterworfen werden können, was für diverse Analyse- und Visualisierungszwecke nutzvoll sein kann (BRACA 2006). Aus diesem Grund werden auch Untersuchungen angestellt, welche Möglichkeiten zur 3-dimensionalen Darstellung spezieller Szenen auf dem mobilen Client bestehen. Denkbar sind vom Nutzer ausgewählte Ausschnitte
aus einer 2D-Karte, welche anschließend als 3D-Szene generiert und dargestellt werden.
Hier stehen gleichwohl noch Untersuchungen an, wie groß ein solcher Ausschnitt sein
kann, damit das aufkommende Datenvolumen und die Rechenzeit in einem praktikablen
Rahmen bleiben, da bei solch aufwendigeren Darstellungen die Rechenleistung des Endgerätes einkalkuliert werden muss. Des Weiteren müssen aktuelle Entwicklungen im Bereich
der Datenbanken beobachtet werden, die bezüglich der Erfassung und Verwaltung raumbezogener Daten teils immer ausgereiftere Funktionen aufweisen. So unterstützen spezielle
Datenbanksysteme bereits die Speicherung von 3D-Geodaten und können diese mittels
GML exportieren. Andere Untersuchungen beziehen sich auf den expliziten Einsatz des
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Web 3D-Services des OGC (FISCHER & ZIPF 2006), der auch im Rahmen der prototypischen Umsetzung eines 3D-Clients eine Rolle spielte; hier wurden in einer kürzlich fertig
gestellten Masterarbeit Möglichkeiten zur Visualisierung von 3D-Geoobjekten auf Smartphones untersucht, wobei eine Java-basierte, prototypische Umsetzung die Tragfähigkeit
der Konzepte unter Beweis gestellt hat (GROHMANN 2007, siehe Abb. 2).
Abb. 2:
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Mobiler 3D-Client für Geodaten (GROHMANN 2007)
Schlussfolgerungen
Problematisch wirkt sich insbesondere in Deutschland eine zu geringe Netzabdeckung von
WLAN-Hotspots aus. Außerdem sind diese oft kostenpflichtig. Mobile GIS werden sich
flächendeckend erst dann durchsetzen, wenn ihre Anwendung auch preislich interessant ist.
Das bedeutet feste Rahmenverträge ohne Zeit- oder Volumenbegrenzung. In Ballungszentren sind bereits WLAN-Hotspots verfügbar, welche nach Abschluss eines Vertrages mit
dem Betreiber kostenpflichtig genutzt werden können. Da bei dieser Zugangsart eine passable Bandbreite zur Verfügung steht, ist diese derzeit zu bevorzugen. Erst nach einem
flächendeckenden Ausbau des UMTS-Netzes und der Anpassung an Endkundentaugliche
Preise ist in Deutschland ein Durchbruch zu erwarten.
Für den Einsatz „im Gelände“ muss außerdem eine flächendeckende Erschließung von
Bevölkerungsschwachen Regionen erfolgen. Denn gerade in diesen Gebieten ist das Interesse an mobilen Lösungen teils groß. Hierdurch können – bezogen auf das anfangs erwähnte Projekt im Nationalpark Harz – Besucherströme gezielt gesteuert und dabei dem
Endanwender trotzdem das Gefühl gegeben werden, eigenständig und individuell zu
handeln.
In unterschiedlichen Untersuchungen ergab sich eine Problematik bei der Konfiguration
neuer WMS-Dienste. Schwierig handhabbar sind hierbei insbesondere die umständlichen
und für den Endbenutzer meist kryptisch anmutenden URLs zu den einzelnen Diensten.
Auch beim Ausfall eines voreingestellten Dienstes ist es im mobilen Einsatz kaum möglich,
alternative WMS-Dienste ausfindig machen zu können. Für einen „echten“ mobilen Einsatz
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mit hoher Verfügbarkeit müssen also Wege gefunden werden, durch die es möglich ist
Informationen über verfügbare WMS-Dienste zu erhalten. Ein zentraler Serverdienst, welcher diese Informationen durch eine simple Anfrage bereitstellt, wäre denkbar. Dieser gibt
dann, zum Beispiel via XML, Auskunft über unterschiedliche WMS-Dienste. Der Benutzer
kann diese Dienste dann durch ein Drop-Down-Menü bequem vorkonfiguriert auswählen.
Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist die Datensicherheit, denn die Daten werden
über Funknetze übertragen und unterliegen somit speziellen Sicherheitsrisiken. Hier muss
abgeklärt werden, in wie weit das Risiko tragbar ist. Bei rein touristisch ausgelegten Applikationen reichen die herkömmlichen Sicherheitsvorrichtungen aus den entsprechenden
Transferprotokollen aus. Bei der Verwendung von sensibleren Daten, wie beispielsweise
Daten aus Liegenschaftskatastern oder -büchern, müssen die Sicherheitsanforderungen sehr
viel höher angesetzt werden.
Der hier beschriebene Funktionsumfang des Prototypen soll in den kommenden Monaten
weiter entwickelt werden. Die Erweiterung um eine 3D-Ansicht eines frei wählbaren Ausschnittes gehört zu den nächsten Aufgaben. Zusätzlich müssen im XML-Parser noch weitere, der Spezifikation entsprechende Tags korrekt erkannt und umgesetzt werden. Dies ist im
aktuellen Stadium der Entwicklung noch nicht lückenlos umgesetzt worden. Des Weiteren
muss untersucht werden, inwiefern das aufkommende Datentransfervolumen reduziert
werden kann. Die derzeitige Dateigröße einer erstellten Bilddatei mit dem Kartenausschnitt
beträgt zwischen 5 und 10 Kilobyte. Im GPRS-Netz ist also mit einer reinen Download-Zeit
von 1-2 Sekunden zu rechnen. Bei vermehrten Kartenabfragen können sich hier für den
Benutzer unangenehme Wartezeiten aufbauen, welche den Navigationsfluss stören. Hier
können bereits erste Performance-Verbesserungen durch den Einsatz geeigneter Bildformate erreicht werden.
Eine Erweiterung auf den Web Feature Service wird zukünftig ebenfalls angestrebt. Da der
Client derzeit allerdings nur zu Betrachtungszwecken dient, wurde auf diese Integration
vorerst verzichtet. Der Bedarf ist jedoch vorhanden: Beispielsweise kamen im Rahmen
anderer Projekte aus dem Bereich öffentlicher Verwaltungen Anfragen auf eine mobile
Applikation über die es möglich ist, zum Beispiel Straßenschäden mobil in ein Kataster
aufzunehmen. Insgesamt gibt es in diesem Bereich somit noch weitreichende Forschungsund Entwicklungsaufgaben, deren Bearbeitung im Projekt „GeoToolsHarz“ bis Ende 2008
ansteht.
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