Automatisierte Generierung von Styled Layer Descriptor-Dateien aus ESRI ArcGIS-Projekten zur ...

133 Pages·2005·2.17 MB·German

Automatisierte Generierung von Styled Layer
Descriptor-Dateien aus ESRI ArcGIS-Projekten
zur Publikation mit OGC-konformen Mapservern

Diplomarbeit
von
Albrecht Weiser
___

betreut von
Prof. Dr. Alexander Zipf
Fachhochschule Mainz / i3 Mainz
Partner
Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Wiesbaden
___

Fachbereich I / Geoinformatik und Vermessung
Fachhochschule Mainz

15. August 2005
Abkürzungen................................................................................................................i
Vorwort.......................................................................................................................iii
1 Definition der Aufgabenstellung..........................................................................1
1.1 Der Titel der Arbeit im Klartext.........................................................................1
1.2 Die Ziele der Arbeit..........................................................................................2
1.3 Was ist nicht Ziel dieser Arbeit?.......................................................................2
2 Motivation..............................................................................................................4
3 Grundlagen und Begriffsbestimmungen.............................................................7
3.1 OGC................................................................................................................7
3.2 WMS................................................................................................................8
3.2.1 Die Aufruf-URL........................................................................................9
3.2.2 Die WMS-Operationen..........................................................................10
3.3 Gängige Map-Server......................................................................................12
3.3.1 ArcIMS von ESRI..................................................................................13
3.3.2 Der UMN-Mapserver.............................................................................16
3.3.3 Weitere gängige Internet Mapserver.....................................................18
3.3.3.1 Deegree.....................................................................................18
3.3.3.2 GeoMedia WebMap von Intergraph...........................................19
3.3.3.3 GeoServer und AEDGIS von AED SICAD.................................19
3.4 XML...............................................................................................................20
3.4.1 Bedeutung von XML..............................................................................21
3.4.2 Aufbau von XML....................................................................................21
3.4.3 Die Gültigkeit von XML-Dokumenten.....................................................23
3.4.5 Navigation und Adressierung................................................................24
3.4.6 Programmschnittstellen.........................................................................25
3.5 SLD................................................................................................................26
3.5.1 Einige spezielle SLD-Elemente.............................................................28
3.6 ArcGIS von ESRI...........................................................................................30
3.6.1 ArcMap.................................................................................................31
3.6.2 ArcObjects............................................................................................32
3.7 Visual Basic.NET...........................................................................................34
3.7.1 Konzept der Objektorientierten Programmiersprachen (OOP)...............34
3.7.2 Visual Basic..........................................................................................35
3.7.3 .NET Framework...................................................................................36
4 Anforderungsdefinition und Planung................................................................38
4.1 Anforderungen an das Programm..................................................................38
4.1.1 Die Geologische Übersichtskarte von Hessen 1:300.000......................38
4.1.2 Vorüberlegungen zur Struktur des Programms......................................43
4.1.2.1 Das Analysemodul.....................................................................43
4.1.2.2 Das Ausgabemodul...................................................................44
4.1.2.3 Die Flexibilität bei der XML-Ausgabe.........................................45
4.1.2.4 Die Validierung..........................................................................45
4.2 Erforderliche Ressourcen...............................................................................46
4.3 Anforderungen an die SLD-Tests...................................................................46
4.4 Das Testbed für die SLD-Tests......................................................................47
4.4.1 Konfiguration des UMN-Mapserver.......................................................47
4.4.2 Konfiguration des ArcIMS am HLUG.....................................................50
5 Ergebnisse der Arbeit.........................................................................................54
5.1 Das Programm "ArcGIS-map to SLD Converter"............................................54
5.1.1 Struktureller Aufbau des Programms.....................................................55
5.1.1.1 Die Haupt-Benutzeroberfläche "Motherform".............................58
5.1.1.2 Das Analysemodul "Analize_ArcMap_Symbols"........................60
5.1.1.3 Das Ausgabemodul "Output_SLD"............................................67
5.1.1.4 Die auf XML-Aufgaben spezialisierte Klasse "XMLHandle"........73
5.1.1.5 Die Gültigkeitsüberprüfung mit der Klasse "ValidateSLD"..........77
5.1.2 Implementierung der Sollkomponenten und darüber hinausgehende
Implementierungen...............................................................................78
5.1.3 Besondere Herausforderungen bei der Entwicklung..............................81
5.2 Die SLD Tests................................................................................................83
5.2.1 Test mit dem UMN Mapserver...............................................................85
5.2.1.1 Vektorbasierte Symbolisierung..................................................86
5.2.1.2 Flächenfüllungen mit Bitmaps....................................................91
5.2.1.3 Weitere getestete SLD-Elemente:..............................................96
5.2.2 Test auf der ArcIMS-Plattform.............................................................102
6 Zusammenfassung und Ausblick.....................................................................106

Verzeichnisse...............................................................................................................I
Literaturverzeichnis.................................................................................................II
Hyperlinkverzeichnis...............................................................................................III
Abbildungsverzeichnis...........................................................................................VI
Tabellenverzeichnis.............................................................................................VIII
Anhang.........................................................................................................................a
Map-Datei des UMN-Testservers............................................................................b
Workflow des Programms ArcGIS-map to SLD Converter.......................................c
UML-Klassendiagramme.........................................................................................d
LUT-XML.................................................................................................................g
Inhaltsangabe der Begleit-CD..................................................................................k
Eidesstattliche Erklärung
Abkürzungen
ALK Automatisierte Liegenschafts Karte
API Application Programming Interface
ASP Active Server Pages
ATKIS Amtliches Topographische-Kartographisches Informationssystem
AXL Arc Extensible Language
BLOB Binary Large Object
CAD Computer Aided Design
CGI Common Gateway Interface
CLR Common Language Runtime
COM Component Object Model
DTD Document Type Definition
DOM Document Object Model
EPSG European Petroleum Survey Group
GI Geo-Informatik
GIS Geoinformationssystem
GIF Graphics Interchange Format
GDAL Geospatial Data Abstraction Library
GDI Geodaten Infrastruktur
GML Geography Markup Language
GSDI Global Spatial Data Infrastructure
GUI Graphical User Interface
GÜK Geowissenschaftliche Übersichtskarte
HLUG Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie
HTML Hyper Text Markup Language
HTTP Hyper Text Transfer Protocol
i3 Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik
IIS Internet Information Server
ISO International Organization for Standardization
IT Informations Technologie
JPEG Joined Photographic Experts Group
J2RE Java 2 Runtime Environment
LAN Local Area Network
i
MSDN Microsoft Developer Network
MS4W Map Server for Windows
NASA National Aeronautics and Space Administration
OGC Open Geospatial Consortium
OOP Objektorientierte Programmierung
PhD Philosophiae Doctor
PHP Hypertext Preprocessor
PNG Portable Network Graphics
RDBMS Relationales Datenbank Management System
SAX Simple API for XML
SFC Stream Flow Connection
SFS Simple Feature Specification
SFO Simple Features for OLE/COM
SGML Standard Generalized Markup Language
SDTS Spatial Data Transfer Standard
SLD Styled Layer Descriptor
SP2 Service Pack 2
SQL Structured Query Language
SVG Scalable Vector Graphics
UML Unified Modeling Language
UMN University of Minnesota
URI Uniform Resource Identifier
URL Uniform Resource Locator
VBA Visual Basic for Applications
W3C World Wide Web Consortium
WCS Web Coverage Service
WFS Web Feature Service
WMS Web Map Service
WWW World Wide Web
XML Extensible Markup Language
XPATH XML Path Language
XSLT Extensible Stylesheet Language Transformation

ii
Vorwort
Diese Arbeit wurde ermöglicht durch eine Zusammenarbeit des Hessischen Lan-
desamtes für Umwelt und Geologie (HLUG) in Wiesbaden mit der Fachhochschule
Mainz, bzw. dem angegliederten Institut für Raumbezogene Informations- und Mess-
technik, i3 der FH Mainz. Getragen wird die Arbeit seitens des HLUG von Herrn Dipl.
Geol. Achim Stärk und seitens der FH/ i3 von meinem betreuenden Professor, Herrn
Prof. Dr. Alexander Zipf.
Das HLUG hat die Arbeit unterstützt, indem es den Arbeitsplatz sowie alle notwendigen
Ressourcen zur Verfügung stellte und mit fachlichem Know-How beratend zur Seite
stand.
Der Kontakt mit dem HLUG kam zustande durch das Anliegen, meine Vorkenntnisse in
Geologie praktisch mit den im Studium erworbenen Geoinformatik-Kenntnissen zu ver-
binden, wobei die Geologie in dieser Arbeit mit der exemplarisch umzusetzenden
Geologischen Übersichtskarte von Hessen im Maßstab 1:300.000 ins Spiel kommt.
Die Idee zu der Arbeit entstand aus einem Erfordernis des HLUG, vorhandene Daten
(wie zum Beispiel die vorgenannte Geologische Übersichtskarte), die intern am HLUG
schon genutzt werden, einem breiteren Publikum zur Verfügung zu stellen.
Es sollte eine Möglichkeit entwickelt werden, diese Daten automatisiert aufzubereiten,
so dass einfach und zügig ein Kartendienst auf Grundlage offizieller gängiger Stan-
dards erstellt werden kann.
Diese Anforderung wurde mit meiner Diplomarbeit umgesetzt in Form eines Pro-
gramms mit dem Namen "ArcGIS-map to SLD Converter".

iii
1 Definition der Aufgabenstellung -1-
1 Definition der Aufgabenstellung
1.1 Der Titel der Arbeit im Klartext
„Automatisierte Generierung von Styled Layer Descriptor-Dateien aus ESRI ArcGIS-
Projekten zur Publikation mit OGC-konformen Mapservern“

Wie so oft bei ähnlichen Arbeiten ist auch der Titel meiner Diplomarbeit kryptisch und
nicht nur für Laien schwer verständlich. Auch Nichtlaien kann der eine oder andere
spezielle Begriff aus der Geoinformatik unbekannt sein.
Ich will den Titel deshalb zunächst in eine allgemein verständlichere Form bringen.
Im Thema taucht der Begriff "Mapserver" auf. Das impliziert, dass es um Karten geht,
und zwar um solche, die im Internet veröffentlicht werden sollen. Der Begriff "Automati-
sierte Generierung" steht dafür, dass es hier um ein Programm gehen muss, das etwas
erzeugt, nämlich diese "Styled Layer Descriptor-Dateien" (SLD), die offensichtlich dazu
benötigt werden, besagte Internetkarten zu produzieren. Woraus werden die Dateien
erzeugt? – Aus ArcGIS-Projekten, also Projekten bzw. Karten, die mit dem Geoinfor-
mationssystem (GIS) der Firma ESRI erstellt wurden.
Zur Erstellung von Karten mit GI-Systemen werden prinzipiell (mindestens) zwei Kom-
ponenten benötigt:
1. Eine Datengrundlage, welche die darzustellenden räumlichen Daten beinhaltet
2. Eine Abbildungsvorschrift, wie diese Daten auf einem optischen Endausgabege-
rät präsentiert werden sollen
SLD ist eine solche Abbildungsvorschrift für Karten, die von internetbasierten (und in-
tranetbasierten) OGC-konformen1 Mapservern2 erzeugt werden.
Auf die genaue Bedeutung der einzelnen Begriffe wird im Kapitel 3 „Theoretische
Grundlagen und Begriffsbestimmungen“ näher eingegangen.

1 OGC= Open Geospatial Consortium (auch: Open GIS Consortium)

2 [GUR], Eintrag: Unter einem Internet Map Server (oder kurz: Map Server)
versteht man eine www-Anwendung im Internet, die auf Anfrage Kartenaus-
schnitte auf einem Server erzeugt und über das Internet an einen Client
sendet, der diesen Kartenausschnitt dann im Browser visualisiert. Hier-
bei kommen unterschiedlichste Konzepte zum Einsatz, von clickable maps
bis zu komplexen DB-gestützten GIS-Angeboten über das Internet.
1 Definition der Aufgabenstellung -2-

1.2 Die Ziele der Arbeit
Der Erfolg der Diplomarbeit soll durch das Erreichen zweier Ziele gekennzeichnet sein:
1. Die Entwicklung eines Programms, das in der Lage ist, korrekte, von OGC-
konformen Mapservern interpretierbare SLD-Dateien aus ArcMap-Projekten zu
erzeugen
2. SLD-Implementationen zu testen, mit denen die Geologische Übersichtskarte
1:300.000 von Hessen (kurz GÜK 300) brauchbar symbolisiert werden kann,
damit alle in ihr enthaltenen Klassen in der WMS-basierten3 Version genauso
gut unterscheidbar sind wie in der Originalkarte aus ArcMap (welche Rolle die
GÜK 300 bei diesen Tests spielt, wird ausführlicher im Kapitel 4.1 „Anforderun-
gen an das Programm“ behandelt werden).
Eine Karte ist dann lesbar, wenn ihre Themen durch verschiedenartige Darstellungen
eindeutig voneinander abgegrenzt werden können (i.Allg. durch Farbe, Tonwert, Form,
Größe, Füllung und Richtung).
Dies bedeutet: Die Symbolisierung ist das wichtigste Element einer Karte, denn durch
sie werden die Karteninhalte erst interpretierbar.
Zu diesem Zweck wurde SLD von OGC entwickelt. Es soll für OGC-fähige Kartendien-
ste die Darstellung der Karteninhalte nach o.g. Kriterien durchführen können.
Mit meiner Diplomarbeit soll also untersucht werden, ob SLD diese Kriterien mit den
Möglichkeiten der derzeitigen Spezifikation erfüllen kann. Wenn ja, muss sich das von
mir entwickelte Programm daran messen lassen, ob es auch dazu in der Lage ist, die-
se entsprechend umzusetzen.
1.3 Was ist nicht Ziel dieser Arbeit?
Zieldefinitionen müssen immer im Zusammenhang mit dem verfügbaren Zeitrahmen
betrachtet werden. Im Falle dieser Arbeit beläuft sich die Zeitspanne auf ca. sechs Mo-
nate. Ein halbes Personenjahr4 ist jedoch i. Allg. nicht genug Zeit, um eine Aufgabe
dieser Größenordnung als "Komplettlösung" abzuliefern. Deshalb gelten folgende Ein-
schränkungen für die Arbeit:
1. Das zu entwickelnde Programm soll kein "fertiges" Produkt sein, welches alle in
ArcMap möglichen Arten der Klassifizierung abdeckt, sondern zunächst in der
Lage sein, die GÜK 300 als Referenzprojekt in der unter Kapitel 1.2 beschrie-

3 [Wikipedia], Eintrag: WMS= Im Rahmen der Spezifikationen des Open GIS
Consortium (OGC) kann ein WMS-server Karten aus Rasterdaten und Vektor-
daten visualisieren.

4 [Wikipedia], Eintrag: Ein Personenjahr (früher: Mannjahr) bezeichnet
die Arbeitsleistung, die eine Person während eines Jahres (im Schnitt
220 Arbeitstage) leistet.
1 Definition der Aufgabenstellung -3-

benen Weise umzusetzen.
2. Die Testszenarien werden auf zwei ausgesuchten Test-Map-Servern durchge-
führt. Die Kriterien für die Auswahl der Server werden im Kapitel 4.3 und 4.4 be-
leuchtet. Die Tests indes sollen kein komplettes Nachschlagewerk für die Taug-
lichkeit der Map-Server in Bezug auf SLD-Implementierungen bieten, sondern
Basis für die Umsetzung der Referenzkarte GÜK 300 mit einer sinnvollen Sym-
bolisierung per SLD sein.
2 Motivation -4-

2 Motivation
Worin liegt der Sinn einer zusätzlichen Abbildungsvorschrift für Kartenserver, die (zu-
mindest z. Zt.) weniger Darstellungsmöglichkeiten bietet als die vorhandener proprietä-
rer Systeme?
Gibt es nicht schon genug Möglichkeiten, die Daten mit vorhandenen Mitteln zu publi-
zieren? Meistens bieten die Hersteller der Desktop-GIS-Systeme5, die zur Erfassung
und lokalen Bearbeitung der Daten von den Firmen, Kommunen und Behörden gekauft
wurden, genügend Möglichkeiten um die Daten in entsprechender Qualität ins Internet
oder Intranet zu bringen. Beispielsweise bieten ESRI und auch Intergraph (um nur zwei
der marktführenden Unternehmen zu nennen) jeweils ein Produkt an, mit dem die
Desktop-Projekte direkt im Internet veröffentlicht werden können. Außerdem gibt es
von Drittanbietern Lösungen, um die Darstellungseigenschaften eines Desktop-
Projekts zu extrahieren und als Kartendienst (WMS wird in Kapitel 2.2 näher erläutert)
in einem proprietären Format abzuspeichern. Zu nennen wären in dieser Beziehung
z.B. AveiN! und AmeiN! der Firma Terrestris GbR, Bonn, die ArcView- oder ArcMap-
Projekte umwandeln in UMN-Kartendienste.
Alle diese vorgenannten Lösungen sind proprietäre Lösungen. WMS-SLD allerdings
folgt einem internationalen Standard.
Die Antwort auf obige Fragen lautet deshalb: Es gibt drei gute Gründe, warum man
proprietäre Lösungen zugunsten von Standards, wie z.B. OGC (wird im Kapitel 2.1
näher behandelt), W3C oder ISO sie erarbeiten, vermeiden sollte:
1. Das sicherlich wichtigste Argument für Standards ist die allgemeine Nutzbarkeit und
die Austauschbarkeit von Daten.
In den letzten Jahren und Jahrzehnten haben überall auf der ganzen Welt Erhebun-
gen von Geodaten stattgefunden oder vorhandene Geodaten wurden in elektroni-
sche Datenträger eingespeist. Doch gleich der babylonischen Sprachenvielfalt exi-
stierte auf dem Markt für elektronische Datenverarbeitung im Allgemeinen und dem
der Geodatenverarbeitung im Speziellen eine Menge an Formaten und unterschied-
lichen Technologien, von denen viele nicht untereinander kompatibel waren und bis
heute nicht sind. Eine Zeitlang spielte das keine Rolle, da vor der Nutzung der Da-
ten die Energien sowieso im Wesentlichen auf die Erhebung der Daten konzentriert
waren.
Seit geraumer Zeit wurden enorme Mengen an Geodaten erfasst. Nun macht man
sich mehr und mehr Gedanken darüber, wie die Daten sinnvoll verwendet werden

5 [Wikipedia], Eintrag: GIS (=Geoinformationssystem) ist ein Informati-
onssystem, mit dem raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert,
gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanu-
merisch und graphisch präsentiert werden.