Web-basierte kartographische Applikationen

Inhaltsverzeichnis

1 Übersicht
1.1 Einleitung
1.2 Atlas der Säugetiere Österreichs
1.2.1 Beschreibung der Verortungsdaten
1.2.2 Beschreibung der Verortungsbasen
1.3 Ziele

2 Topographische und thematische Karten als Verortungsbasen
2.1 Einleitung
2.2 Visualisierung von Rauminformation mittels Kartengrafik
2.3 Auswirkungen der kartographischen Informationsbearbeitung
2.4 Unterscheidung Geographisches Informationssystem (GIS) und Kartographisches Informationssystem (KIS)
2.4.1 Geographische Informationssysteme (GIS)
2.4.2 Kartographische Informationssysteme (KIS)
2.4.3 GIS ist nicht KIS
2.5 Verwendung von Kartendaten als Input für GIS
2.6 Vom Primärmodell (DLM) prozessgesteuert zum Sekundärmodell (KM)?
2.7 Kartierungen in bestehende Kartengrafiken

3 KIS und GIS am Web
3.1 Technische Grundlagen und Geschichte des Internet
3.1.1 Dienste am Internet
3.2 Kartographie und Internet
3.2.1 Analogie zur Entwicklung der gedruckten Karte
3.2.2 Ein neues Kommunikations- und Präsentationsmedium – das WWW
3.3 Wieso sollen KIS und GIS ins Web?
3.3.1 Kartographische Informationssysteme am Web
3.3.2 Geographische Informationssysteme am Web
3.4 Struktureller Aufbau von Anwendungen am Web
3.4.1 Application Service Provider (ASP)
3.4.2 Distributed Geographic Information (DGI)
3.4.3 Die OGC Web Map Server Specification
3.5 Die Client-Server Architektur
3.6 Thin Client vs. Thick Client
3.7 Serverseitiger Aufbau - MapGenerator oder Gateway zu GIS/KIS
3.7.1 MapGenerator
3.7.2 Gatewayprogramm zu GIS/KIS
3.8 Das User Interface
3.8.1 User Interface Design
3.8.1.1 Allgemeine Richtlinien für das User Interface Design
3.8.1.2 Screen-Design Regeln für das User Interface Design
3.8.2 Der Web Browser – das Fenster ins WWW
3.8.3 Die User Interface Struktur der Ausgabeseite eines KIS/GIS Dienstes .
3.8.3.1 Die Karte und ihre funktionelle Eigenschaft
3.8.3.2 Navigationselemente und KIS/GIS Elemente
3.8.4 Design von HTML – Seiten
3.9 Gestaltung einer Karte für das Web / die Visualisierung am Bildschirm
3.9.1 Papier vs. Bildschirm
3.9.2 Neue Entwicklungen
3.9.3 Die Folgen für die Kartographie
3.10 Ausgabe von HTML - Dokumenten auf Papier
3.11 Aufbau und Design einer Site

4 Techniken von Web-Applikationen
4.1 Von statischen zu dynamischen Web Seiten
4.2 Grundlagen
4.2.1 HTML
4.2.2 JavaScript
4.2.3 DHMTL und DOM
4.2.4 XML
4.2.5 HTTP und MIME
4.3 Kartenerstellung, View und Page Manipulation
4.4 Grafikformate für Karten am Web
4.5 Techniken zur Bearbeitung/Erstellung von Karten on-the-fly
4.5.1 CGI-Programme
4.5.2 Web Server APIs
4.5.3 Java Servlet
4.5.4 ASP – Active Server Pages
4.5.5 Java-Applets
4.5.6 PlugIn
4.5.7 ActiveX Control
4.6 Techniken zur Erstellung von WEB-Seiten on-the-fly.
4.6.1 JSP – Java Server Pages
4.6.2 DHTML und JavaScript
4.7 Gegenüberstellung der Techniken

5 Implementation der Anwendung
5.1 Applikationsumfang
5.2 Kartographische Betrachtung des Anwendungsfalles
5.3 Gestaltung der Site
5.4 Allgemeine programmtechnische Fakten
5.5 Beschreibung der Implementation
5.6 Die Kartenerstellung – mammap.exe
5.6.1 Die Programmstruktur
5.7 Erweiterungen und Verbesserungsmöglichkeiten

6 Schlussbemerkung

7 Literaturverzeichnis

Zusammenfassung:

Den Ausgangspunkt der Arbeit bildet die Frage nach einer automatischen Kartierung von Verbreitungsdaten in, nach kartographischen Regeln vorgefertigte, Verortungsbasen. Nach Diskussion der kartographischen Generalisierungs- maßnahmen samt deren Auswirkungen auf die Kartengrafik, um aus dem Primärmodell (Datenerfassung) das Sekundärmodell (Kartengrafik) abzuleiten, muss festgestellt werden, dass ein koordinatenbezogenes Hinzufügen von Kartenobjekten in bereits vorhandene Karten, hauptsächlich auf Grund von Geometriedeformationen der Verortungsbasen, aus kartographischer Sicht im Allgemeinen abzulehnen ist, da somit nicht mehr gewährleistet ist, dass topologisch korrekte Situationen entstehen. Im Zusammenhang mit dieser Erkenntnis werden die Unterschiede zwischen Kartographischen Informations- systemen (KIS) und Geographischen Informations-systemen (GIS) behandelt

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt schließlich in der technischen Umsetzung von KIS als Web-Applikationen. Dazu werden sämtliche Bereiche, die zur Erstellung solcher Dienste nötig sind, behandelt. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die client- und serverseitigen Möglichkeiten gelegt

Den Abschluss bildet eine vollständige Implementation einer Web-KIS-Applikation, in der die oben gewonnenen Erkenntnisse praktisch umgesetzt werden

Abstract:

The starting point of this thesis is the question of plotting distributional records automatically into pre-designed maps. After a general discussion on cartographic generalization including its effect on the map-graphic to derive a cartographic model from a topographic model, it has to be concluded, that it is not allowed to simply add objects based on coordinate values into an existing map, from a cartographic point of view. This is mainly because of the displacement of objects during the generalization step which would lead to incorrect topologic situations. Based on this finding the difference between cartographic information systems (CIS) and geographic information systems (GIS) is discussed

The point of emphasis of this thesis lies in the technical aspects of a realization of CIS as web-applications. The client- and server-side possibilities of implementation are discussed and compared in detail

Finally the acquired knowledge from above is used to implement a fully functional web-CIS-application

1 Übersicht

1.1 Einleitung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Problem des automatischen Visualisierens von Verbreitungsdaten in vorgefertigten Verortungsbasen

Die schnelle Verfügbarkeit von einer Vielzahl von Informationen wird heute immer wichtiger - oft begleitet durch eine nur kurze Gültigkeit der Daten. Das Medium Internet ermöglicht einen rasanten Informationsfluss. Damit es zu keiner unnötigen Verzögerung der Daten durch manuelle Bearbeitung kommt, versucht man den Weg von der Datenerfassung über die Verarbeitung bis zur Präsentation möglichst vollautomatisch ablaufen zu lassen

Da eine Vielzahl von Anwendungen mit räumlichen Daten operiert, welche ihre Ergebnisse meist in Form von Karten präsentiert, und das Internet immer mehr auch Einzug bei den mittleren und kleinen Firmen hält, steigt die Anzahl von Karten und kartenähnlichen Werken, die über das Internet publiziert werden, ständig. Die vorliegende Arbeit soll die bis dato nicht gelöste Problematik der vollständig automatischen Kartenerstellung diskutieren und aktuelle Kompromisslösungen aufzeigen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Betrachtung der technischen Möglichkeiten zur Präsentation von Karten – sowohl im Vorhinein erstellte (statische) Karten, als auch zur Laufzeit bearbeitete (dynamisch, on demand) Karten - am Web

Praktische Anwendungsfälle sind z.B. thematische Karten zu Naturphäno- menen wie Pollenbelastungen, Erdbeben oder Navigationssysteme

Als Anwendungsbeispiel dieser Arbeit dient der „Atlas der Säugetiere Österreichs“. Im Folgenden werden die Eckdaten dieser Anwendung vorgestellt, um in den folgenden Kapiteln einen bessern Praxisbezug herstellen zu können

1.2 Atlas der Säugetiere Österreichs

Der „Atlas der Säugetiere Österreichs“ soll dem Benutzer wissenschaftlich belegte Vorkommen von Säugetieren in Österreich mit Hilfe von Karten visualisieren. Da eine flächendeckende Erhebung nicht möglich war, bedeuten Lücken in der Arealdarstellung entweder das Fehlen der Art im betreffenden Gebiet oder Nachweisdefizite. (vgl. [Spitzenberger2001])

1.2.1 Beschreibung der Verortungsdaten

Die Meldungen von Vorkommen und Funden werden zentral in Wien im Naturhistorischen Museum, Abteilung Säugetiersammlung, gesammelt und nach einer Überprüfung in einer Access Datenbank eingetragen. Verspeichert werden u.a. der Tiername, die geographischen Koordinaten, die Art der Beobachtung (aktuelles Vorkommen, Gewöllefund, Sommerfund, Winterfund, etc.), die Zahl der gesichteten Individuen, die Zeitinformation und noch mehrere weitere Attribute, die hier nicht von Bedeutung sind

Die Bestimmung der geographischen Lage im Feld erfolgt mit Hilfe der ÖK50 mit einem 1x1 Minuten Rasteraufdruck. Die Koordinaten der Meldung bezeichnen die linke untere Ecke des Minutenfeldes. Es handelt sich also um eine Flächenmeldung. Mit der Zeit findet auch die Positionsbestimmung über GPS vermehrt Einsatz

Die in der Datenbank der Säugetiersammlung des Naturhistorischen Museums Wien gespeicherten mehr als 100.000 Verbreitungsdaten, zu den 104 in Österreich lebenden Säugetieren, bestehen zu je knapp 40 % aus in der Sammlung aufbewahrten Belegexemplaren und Feldbeobachtungen vorwiegend ehrenamtlicher Mitarbeiter. Dazu kommen 4000 Fundmeldungen aus Gewölleanalysen, mehr als 10 000 Literaturangaben und 1700 Belege aus anderen Museen. (vgl. [Spitzenberger2001])

1.2.2 Beschreibung der Verortungsbasen

Zur Visualisierung der erhobenen Daten und Erkennung von Zusammenhängen sollen thematische und topographische Karten als Verortungsbasen dienen. Die Kartenauflösung soll in einem sinnvollen Verhältnis zur Erhebungsauflösung (1x1 Minuten-Raster) stehen. Als Kartenprojektion soll die in Österreich gebräuchliche Lambertsche konforme Kegelprojektion mit den Schnittparallelen in 46° und 49° nördlicher Breite verwendet werden

Folgende für faunistische Verbreitungen relevante thematische Karten sollen wählbar sein:

- Höhenstufenkarte

Visualisiert das Relief von Österreich in einer für die Säugetierfauna relevanten, nicht äquidistanten Höhenabstufung

- Gewässerkarte

Zeigt das Gewässernetz von Österreich

- Bewaldungskarte

Unterteilt in die drei Waldtypen Laub-, Misch- und Nadelwald werden die von Wald bedeckten Flächen Österreichs gezeigt

Als topographische Karte soll eine, nach Art der ÖK50, ähnliche Karte dienen

1.3 Ziele

Die Arbeit verfolgt das Ziel, nach der Diskussion der Probleme, welche bei einer automatischen Kartierung entstehen, eine kartographisch sinnvolle Möglichkeit zur Visualisierung der Verortungsdaten zu wählen und als Schwerpunkt nach einer technischen Realisierung für das Medien Web zu suchen und dieses anschließend zu implementieren

2 Topographische und thematische Karten als Verortungsbasen

2.1 Einleitung

Ziel dieses Kapitels ist es eine Antwort auf die Frage „Können topographische und thematische Karten als Verortungsbasen für on-the-fly (OTF) Kartierungen verwendet werden?“ zu finden. Als OTF-Kartierung wird eine Kartierung bezeichnet, bei welcher das Datenmaterial erst zur Laufzeit gegeben ist und somit eine vollautomatische Kartierung stattfinden muss

Als einfachstes Beispiel sei ein Navigationssystem in einem Auto genannt. Der aktuelle Standpunkt des Autos soll in eine bestehende digitale Straßenkarte eingetragen und auf einem Display visualisiert werden. Man nehme vorerst an, die digitale Straßenkarte sei eine einfache Verkleinerung der Wirklichkeit. Die Positionsbestimmung sei über GPS mit Korrektursignal erfolgt und habe daher eine Genauigkeit von 30m. Die erhaltenen GPS-Koordinaten werden sodann in das Landessystem transformiert und über Abbildungsgleichnungen in das Kartenkoordinatensystem gebracht, wo sie als aktueller Standpunkt kartiert werden können. Das Ergebnis wäre kartographisch unschön, da auf Grund der Unschärfe der Positionsbestimmung der Standpunkt höchstwahrscheinlich nicht auf der Straße, sondern irgendwo in Straßennähe zu liegen kommt. D.h. es muss ein weiterer Verarbeitungsschritt eingeschoben werden, welcher die vorläufigen Kartenkoordinaten auf den nächstgelegenen Straßenpunkt schiebt und so zur endgültigen Position der Kartierung kommt. Erst dann ist die Darstellung kartographisch in Ordnung. Wäre ein Mensch mit der Aufgabe betraut, auf der Straßenkarte die Stelle mit den ungefähren Koordinaten (x,y) zu markieren, so käme er sicher nicht auf die Idee den Standpunkt des Autos außerhalb der Fahrbahn zu markieren

Man erkennt, dass die Verortung eines einzigen Punktes oft eine - aus den verschiedensten Gründen - nicht ganz triviale Angelegenheit darstellt

2.2 Visualisierung von Rauminformation mittels Kartengrafik

Um beurteilen zu können, inwieweit eine Karte als Verortungsbasis verwendet werden kann, und um auftretende Probleme abschätzen zu können, müssen die Verarbeitungsschritte der Kartenerstellung diskutiert werden

Kartographische Darstellungen haben die Aufgabe, Rauminformation in einer überschaubaren Form so zu generieren, dass unterschiedliche räumliche Ausprägungen von Objekten oder Sachverhalten für den Kartennutzer erkennbar werden. Eine Grundvoraussetzung zur Erfüllung dieser Aufgabe stellt die maßstäbliche Verkleinerung des Informationsraumes dar, aus der sich zahlreiche Konsequenzen für die Informationsgestaltung infolge der Notwendigkeiten zur Erhaltung einer perzeptiv erfassbaren Kartengraphik ergeben (vgl. [Kelnhofer1996])

Prinzipiell findet in der Kartographie die Grundrissdarstellung in einer maßstäblichen Verkleinerung Verwendung. Aus Gründen der perzeptiven Erfassbarkeit ist eine strenge Objektmaßstäblichkeit aller Kartenobjekte nicht einhaltbar. Kleinere aber wichtige Objekte würden bereits in größeren Maßstäben unter die Perzeptionsschwelle fallen und wären so von der Wiedergabe ausgeschlossen. Da es sich aber um wichtige Objekte handelt, würde dies zu einer Beeinträchtigung des räumlichen Kommunikations- prozesses führen. Um diesem Problem zu entgehen muss von der strengen Maßstäblichkeit zu einer unmaßstäblichen Symboldarstellung übergegangen werden. Da aber solche unmaßstäblichen Kartensymbole mehr Darstellungsfläche beanspruchen als ihnen von ihrer Objektgröße zusteht, würde es zu einer teilweisen Überdeckung benachbarter Kartenelemente kommen. Diese visuelle Beeinträchtigung kann nur mehr durch eine Versetzung der umliegenden Kartenobjekte vermieden werden. Reicht dieses Vorgehen nicht aus, um zu einer sauberen Kartengraphik zu kommen, so bleibt nur die Möglichkeit der Objektauswahl und der Objektrepräsentanz. Aggregierbare Realobjekte werden bei kleiner werdenden Maßstäben durch repräsentative Superzeichen ersetzt, welche jedoch keinerlei Objektentsprechung in der Realität mehr besitzen. Handelt es sich um Objekte, bei denen ein solches Vorgehen nicht möglich ist, so bleibt als letzter Ausweg nur noch die Selektion. Sachverhalte, wie sie in themakartographischen Datenumsetzungen anfallen, werden in zwei aufeinander abgestimmten kartographischen Informations- ebenen aufbereitet: die Topographieinformationsebene und die eigentliche Sachverhaltsebene. Die Sachverhaltsebene besitzt in ihrer Datenpräsentation oft überhaupt keine Bezüge zum Topographiemaßstab und realisiert Geosachverhalte meist in einer abstrakten Symbolik über eigene Wertmaß- stäbe, Gruppenbildungen u.ä., die ebenfalls den perzeptiven Grundsätzen zu genügen haben. Bei Kartogrammen ist der Topographiebezug auf die Grenznetzwerke der Erhebungs- und Aggregierungseinheiten reduziert; eine Aussage über die räumliche Verbreitung eines Sachverhaltes innerhalb einer Einheit ist dadurch nicht möglich. (vgl. [Kelnhofer1996])

2.3 Auswirkungen der kartographischen Informationsbearbeitung

Das in Kapitel 2.2 beschriebene Prozedere von Maßnahmen zur kartographischen Informationsbearbeitung und –gestaltung stellt den Normalfall für die Objektumsetzung in topographischen Karten dar und wird als Regelwerk der kartographischen Generalisierung bezeichnet (vgl. [Kelnhofer1996])

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