Konzept zum Aufbau einer Geodateninfrastruktur bei der Polizei Rheinland-Pfalz

Diplomarbeit von Uwe Lamacz

Einleitung:

Zur Erfüllung ihrer Aufgaben erhebt, verarbeitet und speichert die Polizei Rheinland-Pfalz eine Vielzahl von Daten. Diese enthalten neben den Angaben zu Delikten, Personen und Zeit auch Informationen mit Raumbezug. Zusätzlich zur textuellen Nutzung bei der Auswertung und Analyse besteht der Bedarf nach der Visualisierung dieser Daten. Die bestehenden Anwendungen bei der Polizei Rheinland-Pfalz unterstützen diese Anforderung nur unzureichend.

Geodateninfrastrukturen werden auf verschiedenen internationalen und nationalen Ebenen von der öffentlichen Verwaltung als wichtiger Bestandteil des eGovernments konzipiert. Mittels internetbasierter Dienste können in Geodateninfrastrukturen unterschiedliche Informationen mit räumlichem Bezug über System- und Programmgrenzen hinweg Anwendern zeitnah präsentiert werden. Die hierzu notwendige Interoperabilität für den vernetzten Zugang zu verteilten Geodaten wird durch den konsequenten Einsatz von Standards und Spezifikationen erreicht. Das Open Geospatial Consortium entwickelt offene und erweiterbare Schnittstellen für Geoinformationssysteme in Form von Spezifikationen.

Viele dieser Spezifikationen wurden mit OpenSource Software realisiert. Als eine der bedeutendsten Anwendungen ist der UMN MapServer zu nennen. Als Basiskomponente zur Kartenerzeugung in einem internetbasierten Geoinformationssystem nimmt er eine zentrale Rolle ein. Ebenfalls ist sein Einsatz in einer Geodateninfrastruktur auf Grund der nachgewiesenen Konformität zu den Spezifikationen des Open Geospatial Consortiums möglich.

Diese Diplomarbeit soll einen Beitrag zum Aufbau einer Geodateninfrastruktur bei der Polizei Rheinland-Pfalz leisten. In den nachfolgenden Unterkapiteln werden die bestehende Problemstellung erläutert und die daraus resultierenden Ziele abgeleitet.

Die Beschreibung des Aufbaus und der Gliederung der Diplomarbeit sowie allgemeine Anmerkungen schließen das Kapitel ab.

Problemstellung:

Innerhalb der Polizei Rheinland-Pfalz existiert kein umfassender Überblick über Geodaten, Geoinformationssysteme oder Geodateninfrastrukturen. Es sind weder die begleitenden Aspekte wie Standards, Spezifikationen und Interoperabilität in Bezug auf Geoinformationen in den Fokus der politischen Entscheidungsträger gerückt, noch ist die Interdependenz der geographisch unterstützten polizeilichen Sachbearbeitung mit den regionalen Anstrengungen zum Aufbau einer Geodateninfrastruktur Rheinland-Pfalz erkannt worden. Weiterhin sind innerhalb der Polizei Rheinland-Pfalz kaum Erfahrungen mit der Verwendung von OpenSource Software für den Einsatz in zentralen Verfahren vorhanden. Auch fehlt die übergreifende Koordinierung und Sammlung der unterschiedlichen fachlichen Anforderungen aus den einzelnen polizeilichen Aufgabenfeldern, die zur vollständigen Beschreibung der geographischen Datenverarbeitung bei der Polizei Rheinland-Pfalz notwendig ist.

Wegen der Durchführung höherrangiger Projekte und der damit einher gehenden personellen sowie finanziellen Knappheit konnte das Thema Geodateninfrastruktur bisher nicht vollumfänglich durch die Polizei Rheinland-Pfalz behandelt werden.

Die im vorherigen Unterkapitel identifizierte Problemstellung liefert gleichzeitig einen ersten Ansatz zur Formulierung der mit dieser Diplomarbeit verfolgten Ziele.

Ein primäres Ziel ist das Konzept zum Aufbau einer Geodateninfrastruktur bei der Polizei Rheinland-Pfalz. Um die Ausmaße dieses Ziels richtig einordnen zu können, müssen zunächst die technischen Grundlagen geschaffen, diesbezügliche Standards und Spezifikationen unterschiedlichen technischen Ebenen zugeordnet und ein Verständnis über polizeiliche Datenverarbeitung geschaffen werden.

Ein weiteres vorrangiges Ziel liegt in der Entwicklung von Lösungsansätzen zur raumbezogenen polizeilichen Sachbearbeitung. Durch die Verknüpfung unterschiedlicher Ansätze aus den Bereichen Wissensmanagement und geographische Dienste soll dieses Ziel erreicht werden.

Der Nachweis der Geeignetheit des UMN MapServers für den Einsatz in einem Geoinformationssystem bzw. als Basiskomponente in einer Geodateninfrastruktur zählt ebenso zu den hauptsächlichen Zielen dieser Arbeit. Die Tauglichkeit der OpenSource Software hierfür soll mit der Realisierung von vier technischen Prototypen belegt werden.

Um die vorgenannten Ziele zu erreichen, ist die Konzentration auf wesentlichen Aspekte eine Grundvoraussetzung. Daher wird bei den Ausführungen zu den technischen Grundlagen der gesamte Bereich der Erfassung und Digitalisierung der Geobasisdaten außer Acht gelassen; allein dieses Feld ist für mehrere Abhandlungen ausreichend. Ebenso wenig wird die Kartographie und der eigenständige Bereich des Web-Mapping behandelt.

Gleichfalls wird keine Grundsatzdiskussion zu OpenSource geführt. Es existieren genügend Foren, in denen die Vor- und Nachteile für deren Verwendung ausführlich besprochen werden.

Bei der Konzeption zum Aufbau der Geodateninfrastruktur wird auf die Beschreibung von einzelnen Projektphasen ebenso verzichtet, wie auf ein strenges methodisches Vorgehen. Das Aufzeigen des Umfangs und die damit verbundenen Möglichkeiten durch den Aufbau einer Geodateninfrastruktur stehen im Vordergrund; nicht das frühzeitige Festlegen auf Meilensteine oder das Erstellen des Pflichtenhefts.

Die Implementierung umfasst die Konvertierung und Aufbereitung von Geodaten sowie die Realisierung von vier technischen Prototypen. Ein voll funktionsfähiges Geoinformationssystem würde den Rahmen der Arbeit bei weitem sprengen und die anderen genannten Zielen verdrängen.

Gang der Untersuchung:

Mit Kapitel 2 werden die grundlegenden Begriffe bezüglich Geoinformationssysteme eingeführt. Hierin erfolgen Angaben zu dem Aufbau und den Aufgaben eines Geoinformationssystems, zu Geodaten und zu räumlichen Bezugssystemen. Nach den Ausführungen zur Modellierung von Geodaten werden unterschiedliche GIS-Architekturen vorgestellt. Abgeschlossen wird das Kapitel mit einer Übersicht der internationalen und nationalen Bestrebungen zum Aufbau von Geodateninfrastrukturen.

Kapitel 3 hat Standards, Interoperabilität und OpenSource zum Thema. Die regulierenden Gremien werden mit ihren Aufgaben und ihren Beiträgen zur Erreichung von Interoperabilität vorgestellt. Die Interoperabilität wird aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet und anhand von Standards und Spezifikationen der vorgenannten Gremien erläutert. OpenSource als fester Bestandteil der Softwareentwicklung im Bereich von Geoinformationen wird anschließend betrachtet. Nach allgemeinen Ausführungen wird besonders auf den UMN MapServer als zentrale Komponente von internetbasierten Geoinformationssystemen eingegangen.

In Kapitel 4 wird nach den Erläuterungen zur Infrastruktur und den Anwendungen bei der Polizei Rheinland-Pfalz auf deren Aufgaben eingegangen. Darauf aufbauend werden zwei Lösungsansätze zur raumbezogenen Sachbearbeitung entwickelt und detailliert erläutert. Daran schließen sich die Ausführungen zu dem Konzept zum Aufbau einer Geodateninfrastruktur bei der Polizei Rheinland-Pfalz an. Dieses orientiert sich zunächst am Status quo der geographischen Datenverarbeitung der Polizei Rheinland-Pfalz und schließt mit Handlungsempfehlungen für deren Umsetzung sowie den zu beachtenden Rahmenbedingungen ab.

Im Kapitel 5 wird die im Rahmen dieser Diplomarbeit erbrachte Implementierung dargelegt. Nach Angaben zur Entwicklungsumgebung wird die Konvertierung und Aufbereitung der verwendeten Geodaten erläutert. Im Anschluss folgt die umfassende Beschreibung von vier technischen Prototypen. Der UMN MapServer nimmt eine bedeutende Rolle bei der Realisierung der Prototypen ein. Ihre Nutzung in verschiedenen Aufgabenfeldern werden ebenso aufgezeigt wie der breite Funktionsumfang des UMN MapServers. Abgeschlossen wird das Kapitel mit Bewertungen zur Entwicklungsumgebung, den Geodaten und den technischen Prototypen.

Kapitel 6 fasst die Ergebnisse der Diplomarbeit zusammen und bietet einen Ausblick auf das weitere Vorgehen beim Aufbau einer Geodateninfrastruktur bei der Polizei Rheinland-Pfalz.

In der Anlage A befinden sich weiterführende Angaben zur Entwicklungsumgebung und zu der im Rahmen der Implementierung verwendeten Datenbank. Anlage B enthält das readme zur beigefügten DVD. Die DVD ihrerseits enthält die vier technischen Prototypen sowie die notwendigen Geodaten.

Anmerkungen Bei vielen der nachfolgend verwendeten Hersteller- und Produktnamen handelt es sich um eingetragene Warenzeichen oder in sonstiger Weise geschützte Namen bzw. Bezeichnungen. Diese unterliegen den jeweiligen rechtlichen Bestimmungen.

In allen Bereichen des täglichen Lebens finden sich weibliche und männliche Bezeichnungen für Berufe, Tätigkeiten oder geschlechtsspezifische Eigenschaften. Ausschließlich aus Gründen der Lesbarkeit wird auf diese Unterscheidungen verzichtet. Gemeint sind aber immer beide Bezeichnungen.

Inhaltsverzeichnis:

	Eidesstattliche Erklärung	i
	Abstract	ii
	Inhaltsverzeichnis	iii
	Abbildungsverzeichnis	vi
1.	Einleitung	i
1.1	Problemstellung	1
1.2	Ziele der Diplomarbeit	2
1.3	Abgrenzung	2
1.4	Aufbau und Gliederung	3
1.5	Anmerkungen	4
2.	technische Grundlagen	5
2.1	Geoinformationssysteme	5
2.2	Geodaten	6
2.2.1	Geobasisdaten	7
2.2.2	Geofachdaten	7
2.2.3	Metadaten	8
2.2.4	Geoobjekte	9
2.2.5	Geometriedaten	9
2.2.6	Räumliche Bezugssysteme	12
2.2.7	Modellierung von Geodaten	14
2.3	GIS-Architekturen	17
2.3.1	Desktop-GIS	17
2.3.2	Client / Server-GIS	18
2.3.3	Web-GIS	18
2.3.4	mobiles GIS	19
2.4	Geodateninfrastrukturen	20
2.4.1	INSPIRE - Eine GDI für Europa	21
2.4.2	GDI-DE - Eine nationale Geodateninfrastruktur für Deutschland	22
2.4.3	GDI-RP - Aufbau einer GDI in Rheinland-Pfalz	24
2.4.4	Verhältnis GIS - GDI	25
3.	Standards, Interoperabilität und OpenSource	26
3.1	standardisierende Gremien	26
3.1.1	ISO	27
3.1.2	OGC	28
3.1.3	AdV	31
3.1.4	SAGA	31
3.2	Interoperabilität durch Standards und Spezifikationen	34
3.2.1	Allgemeine IT-Standards	35
3.2.2	OGC Web Services	37
3.2.3	Semantische Interoperabilität	42
3.2.4	standardisierte Geobasisdaten	50
3.3	OpenSource	53
3.3.1	OpenSource GIS Software	55
3.3.2	UMN MapServer	57
4.	Geodaten bei der Polizei Rheinland-Pfalz	73
4.1	Polizei Rheinland-Pfalz	73
4.1.1	Infrastruktur	74
4.1.2	Anwendungen	74
4.1.3	Aufgaben der Polizei Rheinland-Pfalz	81
4.2	Lösungen für raumbezogene Sachbearbeitung	82
4.2.1	Raumbezug mit Topic Maps	83
4.2.2	Landesraumdaten aus POLADIS.net	87
4.3	Geodateninfrastruktur der Polizei Rheinland-Pfalz	88
4.3.1	Status quo	89
4.3.2	Geoinformationssystem der Polizei Rheinland-Pfalz	90
4.3.3	GDI-PolRP	91
4.3.4	Handlungsempfehlungen	92
4.3.5	Rahmenbedingungen	92
4.4	Realisierung	94
5.	Implementierung	95
5.1	Entwicklungsumgebung	97
5.1.1	ms4w - MapServer4Windows	97
5.1.2	PostgreSQL / PostGIS	97
5.2	Konvertierung und Aufbereitung der Geodaten	100
5.2.1	EDBS2PostGIS	101
5.2.2	Aufbereitung und Import der amtlichen Hauskoordinaten	104
5.2.3	Dekodierung der DOP	105
5.2.4	Import der Fachdaten nach PostGIS	107
5.2.5	Zahlen der Konvertierung und Aufbereitung	108
5.3	Realisierung der technischen Prototypen	109
5.3.1	Gemeinsame Eigenschaften der technischen Prototypen	111
5.3.2	PolGIS	123
5.3.3	PolGIS-E	124
5.3.4	PolGIS-K	126
5.3.5	PolGIS-OGC	129
5.4	Bewertungen	133
5.4.1	Bewertung der Entwicklungsumgebung	133
5.4.2	Bewertung der Geodaten	134
5.4.3	Bewertung der Prototypen	134
6.	Zusammenfassung und Ausblick	137
6.1	Zusammenfassung	137
6.2	Ausblick	138
A	ms4w und PostgreSQL/PostGIS	139
A.1	ms4w	139
A.1.1	Installation	139
A.1.1	Chameleon 2.0	140
A.1.2	MapLab 2.2	140
A.2	PostgreSQL / PostGIS	141
A.2.1	Anlegen der Datenbank polgis_db	141
A.2.2	Anlegen und Löschen einer Feature Tabelle	141
A.2.3	Räumliche PostGIS Funktionen	143
B	Readme	146
B.1	Installation	146
B.2	Start	146
B.2.1	Webserver	146
B.2.2	Datenbank	146
B.2.3	PolGIS, PolGIS-E, PolGIS-K und PolGIS-OGC	146
B.3	Anmerkungen	146
	Literaturverzeichnis	147
	Literaturquellen	147
	Internetquellen	148
	Abkürzungen	151

Textprobe:

Kapitel 3, Standards, Interoperabilität und OpenSource:

Dieses Kapitel befasst sich mit Standards, Interoperabilität und OpenSource.

Im ersten Teil des Kapitels liegt der Fokus auf standardisierende nationale und internationale Gremien, ihre jeweiligen Aufgabenfelder und ihre Zusammenarbeit im Bereich der Geoinformation. Zudem werden Aussagen zu Standards, Verfahren und Methoden zur Realisierung der deutschen eGovernment Initiativen getroffen.

Interoperabilität als Voraussetzung für den vernetzten Zugang und Zugriff zu / auf Geoinformationen wird nur durch den konsequenten Einsatz von Standards und Spezifikationen erreicht. Der zweite Teil des Kapitels stellt die von den vorgenannten Gremien definierte Standards vor, zeigt ihre Einsatzbereiche auf und ordnet sie Interoperabilitätsebenen zu. Es handelt sich um allgemeine IT- und GIS-Standards sowie Standards die Geobasisdaten betreffend. Einige Standards bezüglich der Kommunikation, der Datenpräsentation und der Datenformate werden kurz, andere hingegen die Services, insbesondere die Semantik sowie die Geobasisdaten angehend, ausführlicher vorgestellt.

Der dritte Teil des Kapitels enthält Informationen zu OpenSource. Gerade im Bereich der Realisierung von OGC Spezifikationen existieren eine Vielzahl von Programmen und Bestrebungen, die eine genauere Betrachtung rechtfertigen. U.a. wird auf den UMN MapServer mit seinen Betriebsmodi, seinen wesentlichen Komponenten und Funktionen eingegangen. Der Einsatz des UMN MapServers wird in Kapitel 5 Implementierung anhand von vier technischen Prototypen beschrieben.

Standardisierende Gremien:

Mit Standards und Spezifikationen werden Grundregeln festgelegt, die für unterschiedliche Anwendungsbereiche gelten. Je nach Anwendungsschicht werden Schnittstellen definiert, Kommunikationsprotokolle beschrieben, Austauschformate vorgegeben, Zugriffe auf Daten (-banken) festgelegt oder Dienste spezifiziert. Verschiedene Organisationen tragen dafür Verantwortung und regeln die diesbezüglichen Handlungsweisen. Der Bedarf nach festen Regeln ergibt sich aus den Anforderungen nach einheitlichen und verlässlichen Vorgehensweisen, die durch die beteiligten Hersteller, Nutzer oder Organisationen erhoben werden.

Für den Bereich der Geodateninfrastruktur und der nationalen Geo(basis)daten existieren im Wesentlichen drei Standardisierungsgremien, die nachfolgend vorgestellt werden. Danach folgt die Vorstellung von technischen Rahmenbedingungen, die für die öffentliche Verwaltung von Bedeutung sind.

ISO:

Die International Organization for Standardization (ISO) wurde 1946 gegründet und hat ihren Sitz in Genf. Sie hat mehr als 148 Mitglieder, die ihrerseits nationale Normierungsinstitute sind; das Deutsche Institut für Normung e.V. ist der nationale Vertreter. In allen technischen Bereichen, mit Ausnahme der Elektronik und Elektrik, erarbeit sie internationale Normen, die sich in technische, klassifikatorische und Verfahrensstandards unterteilen. Durch weltweit einheitliche Normen verfolgt sie zwei Kernziele:

- den internationalen Austausch von Gütern und Dienstleistungen zu erleichtern.

- durch die Beseitigung technischer Handelshemmnisse sollen internationale Normen den weltweiten Handel vereinfachen und so das Wachstum der Weltwirtschaft fördern.

Die mehr als 180 Technical Committees (TC), Subkommittees mit den daran angeschlossenen Working Groups (WG) haben bisher [iso] mehr als 13.700 weltweit gültige Normen erlassen. Das Normungsverfahren umfasst sechs Schritte:

- Vorschlag für eine Norm, proposal stage, NWIP.

- Vorbereitung der Norm, preparatory stage , WD.

- Kommiteebearbeitung der Norm, comitee stage, CD.

- Erkundigungen werden eingeholt, enquiry stage, DIS.

- Genehmigung der Norm, approval stage, FDIS.

- Publikation der Norm, publication stage, IS.

Hierbei wechselt jedes Mal der Status: von dem New Work Item Proposal (1), über den Working Darft (2), den Comitee Draft (3), den Draft International Standard (4), dem Final Draft International (5) bis hin zum International Standard (6).

Das Technsiche Komitee ISO/TC 211 mit der Normengruppe ISO 191xx ist verantwortlich für den Bereich Geoinformation und Geomatik. Die Normungsinhalte reichen über Geometriegrundtypen für ein- bis dreidimensionale Geometrien und Topologien, Modelle zur Beschreibung von Referenzsystemen, die Qualität von Geodaten bis hin zur Auflistung von notwendigen und freiwilligen Angaben zu Metadaten.

Als konzeptionelle Beschreibungssprache der Modelle und Konzepte wird die UML eingesetzt und der Datenaustausch ist mit XML festgelegt.

Die ISO arbeitet neben den nationalen Normierungsinstituten mit dem Europäischen Komitee für Normung, dem Comité Européen de Normalisation (CEN) und das ISO/TC 211 mit dem OGC seit 1998 zusammen. Die Koordinierung der Zusammenarbeit mit dem OGC übernimmt die ISO/TC 211 – OGC coordination group (TOCG).

OGC:

Das Open Geospatial Consortium (OGC), bis Oktober 2004 OpenGIS Consortium, ist eine Non-Profit-Organisation (NPO), die sich aus über 270 Soft- und Hardware-Herstellern, Behörden, Universitäten, Forschungslabors, Instituten sowie der Industrie zusammensetzt. Sie hat das Ziel, Grundlagen für einheitliche und interoperable Zugriffsmethoden auf raumbezogene Informationen zu entwickeln und teilt sich hauptsächlich in das Technical, Planning und Strategic Management Advisory Committee auf. Daran angeschlossen existieren weitere Gruppen und Subgruppen.

Der OGC Technology Development Process definiert im Rahmen des Specifications Program (SP) zwei Arten von Spezifikationen:

- Abstrakte Spezifikationen und Implementierungsspezifikationen.

Der Zweck einer abstrakten Spezifikation (1) liegt darin, ein konzeptionelles Modell zu beschreiben, welches die Erstellung einer Implementierungsspezifikation ermöglicht. Eine abstrakte Spezifikation besteht aus zwei Modellen: a) dem Essential Model, dessen Zweck in der konzeptuellen Beschreibung der Zusammenhänge zwischen dem Software Design und der realen Welt besteht sowie b) dem Abstract Model, welches das zukünftige Softwaresystem implementierungsunabhängig beschreibt. Implementierungsspezifikationen (2) sind eindeutige Technologiespezifikationen zur Realisierung von Anwendungen oder Programmierschnittstellen. Die Implementierungsspezifikationen selbst unterscheiden sich nochmals in Approved bzw. Adopted, Candidate und Planned Implementation Specifactions.

Um die Spezifikationen ineinander zu überführen bzw. um Rückmeldungen einzuarbeiten, werden beim OGC Technology Development Process drei Arten von Requests benötigt:

- Request for Proposal.

- Request for Comment.

- Request for Information.

Gegenwärtig existieren 14 Implementierungsspezifikationen. Hervorzuheben sind:

- Web Map Service.

- Web Feature Service.

- Simple Features – SQL.

- OpenGIS Location Services.

- Coordinate Transformation Services.

- Geographic Markup Lamguage.

Der WMS sowie der WFS als OGC Web Services (OWS) bilden die Kern GI-Dienste für den Aufbau von GDI und werden im Anschluss näher betrachtet. Neben dem SFS existieren zudem APIs für Simple Features - CORBA und Simple Features - OEM/COM.

Das OGC und ISO haben das Feature als wesentliches Element erkannt und es in den Mittelpunkt ihrer grundlegenden Konzepte gerückt. Für Feature, als Geoobjekt verstanden, wird im General Feature Model (GFM) des ISO ein Regelwerk zur Modellierung von strukturierten Feature Types vorgegeben. Das GFM als Rahmenwerk zur einheitlichen Definition von Anwendungsschemata gewährleistet im Kontext mit anderen ISO/TC 211 Normen die Interoperabilität zwischen Systemen. In [BFW-09] sind diesbezügliche detaillierte Erläuterungen und Angaben zu den Simple Features des OGC zu finden.