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«Speicherung raum-zeitlicher Daten und deren Visualisierung Bachelorarbeit vorgelegt von: Markus Bradke Zum Erlangen des akademischen Grades ...»

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Studiengang Geoinformatik

Speicherung raum-zeitlicher Daten

und deren Visualisierung

Bachelorarbeit

vorgelegt von: Markus Bradke

Zum Erlangen des akademischen Grades

„Bachelor of Engineering“ (B.Eng.)

Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. Tobias Hillmann

Zweitprüfer: Prof. Dr.-Ing. Ernst Heil

Bearbeitungszeitraum: 31. Juli 2009 – 25. September 2009

urn:nbn:de:gbv:519-thesis2009-0295-5

II

Eidesstattliche Erklärung

Hiermit versichere ich, die vorliegende Bachelorarbeit ohne Hilfe Dritter und nur mit den angegebenen Quellen und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Alle Stellen, die aus den Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht worden.

Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen.

Neubrandenburg, den 24.09.2009 Markus Bradke III Kurzfassung Die Zeit ist eine allseits gegenwärtige Komponente der realen Welt. Letzten Endes unterliegen alle denkbaren Informationen, vor allem aber räumliche Informationen, zeitlichen Veränderungen. Nicht-temporale Datenmodelle und deren Implementierung in Geoinformationssystemen (GIS) und Datenbankmanagementsystemen (DBMS) können aber lediglich einen bestimmten Zustand der realen Welt speichern, sodass die Dynamik, denen Geoobjekte unterliegen, im Datenmodell nicht berücksichtigt werden kann. Ein temporales GIS muss aber Funktionen und Methoden zur spatio-temporalen Speicherung, Analyse und Visualisierung zur Verfügung stellen. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich auf die Entwicklung eines temporalen 3D-Datenmodells zur Speicherung raum-zeitlicher Veränderungen auf Basis zweier relationaler Datenbanktechnologien: Oracle und TimeDB. Das 4DDatenmodell wurde auf Grundlage der vorangegangenen Untersuchungen im Bereich der Datenbanksysteme sowie der topologischen und temporalen Modelle implementiert. Darüber hinaus werden Möglichkeiten zur Visualisierung raum-zeitlicher Dynamik aufgezeigt.

Abstract Time is a current component of real world phenomena. At least all conceivable information, especially spatial features, change their states over time. Non-temporal data models and their implementations in geoinformation systems (GIS) and database management systems (DBMS) capture a single state of the real world and cannot cover the dynamics of spatial features. A temporal GIS needs to provide functionality for spatio-temporal data management, analysis as well as visualization.

The present bachelor thesis restricts on the implementation of a temporal 3D model for the storage of spatio-temporal changes based on ex

–  –  –

Inhaltsverzeichnis 1 Einführung

1.1 Problemstellung

1.2 Gliederung der Arbeit

2 4D-GIS

2.1 Begriff Geoinformationssystem

2.2 Anforderungen an ein 4D-GIS

2.3 Anwendungsgebiete

3 Datenbanksysteme

3.1 Relationale Datenbanksysteme

3.1.1 Relationen

3.1.2 Beziehungen

3.1.3 Normalisierung

3.1.4 Eignung als 4D-GIS

3.2 Objektorientierte/ Objektrelationale Datenbanksysteme

3.2.1 Vererbung und Generalisierung

3.2.2 Objekte in objektrelationalen Datenbanken

3.2.3 Eignung als 4D-GIS

3.3 Geodatenbanksysteme

3.3.1 Merkmale von Geodatenbanksystemen

3.3.2 Objektrelationale Geodatenbanksysteme

3.4 Temporaler Aspekt von Datenbanksystemen

3.5 DBMS Oracle und TimeDB

4 Grundlagen raum-zeitlicher Modellierung

4.1 Modellierung räumlicher Daten

4.1.1 Eigenschaften von Geoobjekten

4.1.2 Geometrische Datenmodelle

4.1.3 Topologische Datenmodelle für 3D-Geodatenbanken

4.2 Modellierung zeitlicher Daten

4.2.1 Dynamik von Geoobjekten

Inhaltsverzeichnis V

4.2.2 Grundbegriffe

5 Oracle Spatial 3D und TimeDB

5.1 Oracle Spatial 3D

5.1.1 Geometrieschema – SDO_GEOMETRY

5.1.2 Räumliche Indexierung

5.1.3 Räumliche Anfragebearbeitungen

5.1.4 Import räumlicher Daten

5.2 TimeDB

5.2.1 Merkmale von TimeDB

5.2.2 Architektur des TimeDB DBMS

5.2.3 Temporale Ausdrücke und Vergleichsoperatoren

5.2.4 Kalender

6 Realisierung eines 4D-Datenmodells

6.1 Dreidimensionales geometrisches Datenmodell

6.2 Dreidimensionales topologisches Datenmodell

6.3 Temporales Datenmodell

6.3.1 Temporales Schema

6.3.2 Temporale Struktur

6.3.3 Temporale Bezugssysteme

6.3.4 Temporale Historie

6.4 Zusammenführen der Modelle

6.4.1 Raum-zeitliche Variabilität eines Geoobjekts

6.4.2 Thematisch-zeitliche Variabilität eines Geoobjekts

6.5 Kritische Beurteilung des vorgestellten Modells

7 Visualisierung

7.1 Geoinformationssysteme

7.1.1 ESRI ArcGIS 9.3

7.1.2 Autodesk AutoCAD Map 3D 2010

7.2 Game-Engines

Inhaltsverzeichnis VI 7.2.1 Blender

7.2.2 Autodesk 3ds Max 2009

7.3 Zusammenfassung

8 Diskussion

Abkürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einführung 1 Einführung

1.1 Problemstellung Objekte der realen Welt unterliegen neben thematischen vor allem räumlichen Veränderungen im Zeitverlauf. Die als raum-zeitliche Variabilität bezeichnete Eigenschaft eines Geoobjekts ist von einem Geoinformationssystem (GIS) allerdings nur schwer zu erfassen und darzustellen, da die meisten konventionellen GIS zumeist statisch ausgelegt sind und die Dynamik, denen Geoobjekte unterliegen, nur unzureichend in ihrem Datenmodell und ihrer Funktionalität berücksichtigen [ZK01].





Derartige GIS werden auch als Schnappschuss-GIS bezeichnet, da sie lediglich einen bestimmten Zustand der realen Welt beschreiben können. Diese Restriktion wird in Anwendungen kritisch, in denen die Entwicklung von Objekten im Zeitverlauf berücksichtigt werden muss. Es besteht daher ein Bedarf an neuen Datenmodellen, die den Ansprüchen zeitabhängiger Daten genügen.

In den letzten Jahren wurden zwei Ansätze zur Berücksichtigung zeitvarianter Geoobjekte in verschiedenen Studien verfolgt. Auf der einen Seite Versuche vorhandene Geoinformationssysteme um temporale Aspekte (TGIS) zu erweitern und auf der anderen Seite Untersuchungen im Bereich der spatio-temporalen Datenbankentwicklung. Da klassische GIS zumeist dateibasiert arbeiten und somit Schwächen in der persistenten und effizienten Verwaltung großer Datenmengen aufweisen, erweist es sich als sinnvoll, entsprechende datenbankbasierte Modelle zu entwickeln.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Realisierung eines temporalen 3DDatenmodells auf Basis eines geeigneten Datenbankmanagementsystems.

1.2 Gliederung der Arbeit Im nachfolgenden Kapitel wird zunächst der Begriff 4D-GIS erläutert. Dabei werden, ausgehend von der Definition eines konventionellen GIS, Anforderungen an ein temporales 3D-GIS (4D-GIS) definiert. Darüber hinaus werden mögliche Anwendungsgebiete eines 4D-GIS dargelegt.

1 Einführung 2 Im dritten Kapitel werden verschiedene Datenbanksysteme untersucht, die für die Entwicklung eines 4D-GIS in Frage kommen. Dabei werden Vor- und Nachteile der Datenbanksysteme vor allem in Bezug auf die räumliche Datenhaltung untersucht.

Des Weiteren wird der temporale Aspekt in Datenbanksystemen beschrieben und anhand dessen ein begründeter Entscheidungsvorschlag für die Implementierung eines 4D-Datenmodells in einem der vorgestellten Datenbanksysteme gegeben.

Kapitel 4 legt die Grundlagen raum-zeitlicher Modellierung dar, d.h. dass verschiedene topologische und temporale Datenmodelle vorgestellt und die Vorzüge der jeweiligen Modelle herausgearbeitet werden.

Das objektrelationale Geodatenbanksystem Oracle und dessen grundlegenden räumlichen Konzepte sowie die temporale Datenbank TimeDB sind in Kapitel 5 beschrieben. Im sechsten Kapitel erfolgt die Realisierung eines relationalen temporalen 4D-Datenmodells auf Basis der in Kapitel 4 vorgestellten Modelle. Darüber hinaus wird das entwickelte Modell kritisch hinterfragt und weiterführende Lösungsvorschläge unterbreitet.

In Kapitel 7 werden verschiedene Möglichkeiten zur Visualisierung raum-zeitlicher Dynamik aufgezeigt. Dabei werden sowohl Geoinformationssysteme als auch Game-Engines in die Betrachtung mit einbezogen.

–  –  –

2.1 Begriff Geoinformationssystem Nach / und &Z/d^, [BF94] ist ein Geoinformationssystem „ein rechnergestütztes System, das aus Hardware, Software, Daten und den Anwendungen besteht.

Mit ihm können raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch präsentiert werden“. Ein Geoinformationssystem grenzt sich demnach durch die Spezialisierung auf Geodaten ab, die gegenüber alphanumerischen Daten in herkömmlichen Informationssystemen besonderen Anforderungen unterliegen. Im Allgemeinen werden bei einem Geoinformationssystem, unabhängig von der zu betrachtenden Dimension, die vier Komponenten Eingabe, Verwaltung, Analyse sowie Präsentation (EVAP) unterschieden [BF94]. Abbildung 2.1 beschreibt das Zusammenspiel dieser Komponenten. Bei näherer Betrachtung dieser Darstellung wird deutlich, dass der Kern eines jeden GIS die Geodatenbank darstellt, in der Geodaten verwaltet und gespeichert werden, um interaktive Manipulationen und Verarbeitungsschritte zuzulassen.

Abb. 2.1: Vier-Komponentenmodell eines Geoinformationssystems (vgl. [Brink08])2 4D-GIS 4

Die meisten konventionellen GIS sind darauf ausgelegt, Geoinformationen im zweidimensionalen Raum abzubilden (2D-GIS). Viele Experten waren bis vor wenigen Jahren der Ansicht, dass die Abbildung von Geodaten in der Ebene vollkommen ausreiche. Dies lag nach '/' Z [in CZ05] v. a. daran, dass den Kosten für die Erfassung dreidimensionaler Daten kein entsprechender Nutzen gegenüber stand.

Durch neue Technologien im Bereich der Erfassung und Auswertung von photogrammetrischen und Laserscanning-Daten hat sich dieser Zustand allerdings geändert. Zunächst wurde zur Lagegeometrie die Höhe lediglich als zusätzliches Attribut gespeichert (2.5D-GIS). Dies führte in der Darstellung zu Flächen, die ein Höhenrelief, aber kein Volumen aufweisen. Dreidimensionale GIS (3D-GIS) sind hingegen in der Lage, die Höhe als gleichwertige Dimension zu betrachten, sodass Volumina von Körpern entsprechend dargestellt und analysiert werden können.

Viele kommerzielle GIS sind bereits in der Lage, die dritte Dimension abzubilden.

Zu nennen sind hierbei v. a. ArcGIS und AutoCAD Map 3D (vgl. Abschnitt 7.1: Geoinformationssysteme).

An Geoinformationssysteme, in denen zusätzlich zu den drei räumlichen Komponenten x, y, z ein zeitlicher Parameter t mitgeführt wird, der ein Geoobjekt kontrolliert, werden andere Anforderungen gestellt.

2.2 Anforderungen an ein 4D-GIS Abbildung 2.1 beschreibt die Komponenten eines konventionellen GIS. Diese Komponenten können als Grundlage genutzt werden, um die Anforderungen an ein vierdimensionales GIS zu definieren. Ein vierdimensionales Geoinformationssystem grenzt sich von anderen Softwaresystemen im Allgemeinen durch die folgenden

Aspekte ab:

–  –  –

Spatio-Temporales Geodatenmanagement Ein 4D-GIS muss eine leistungsfähige Geodatenbank bereitstellen, in der große Datenmengen effizient und dauerhaft gehalten werden können. Des Weiteren müssen spatio-temporale Zugriffsmethoden auf die Geodaten sichergestellt werden.

Spatio-Temporale Analysen Ein 4D-GIS muss raum-zeitliche Analysen für temporale 3D-Geoobjekte zulassen, um Erklärungen, Auswertungen und Vorhersagen zeitvarianter Daten liefern zu können.

Spatio-Temporale Visualisierung Ein 4D-GIS muss die zeitliche Veränderung von dreidimensionalen Geoobjekten in anschaulicher Weise darstellen können. Die Darstellung kann sowohl statisch als auch dynamisch, z.B. als Animation für geo-wissenschaftliche Prozesse, erfolgen.

2.3 Anwendungsgebiete

Die meisten bisher existierenden Geoinformationssysteme bilden Geodaten nur im zweidimensionalen Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt ab. Sie werden deshalb auch als Schnappschuss-GIS bezeichnet. Das Interesse an der Verwaltung, Analyse und Visualisierung dynamischer 3D-Geoobjekte stieg in den letzten Jahren erheblich.

Anwendungsgebiete lassen sich in allen Bereichen der Geowissenschaften finden.

In der Geologie können Plattentektonische Bewegungen und Gebirgsbildungen anhand dynamischer Modelle rekonstruiert werden. Im Bereich der Klimaforschung werden Modellrechnungen zur Klimaanalyse und –vorhersage aufgestellt. In der Geodäsie sind 4D-Modelle für die Analyse und Visualisierung von Deformationen an Bauwerken gefragt. Eine Gesamtlösung zur Darstellung raum-zeitlicher Daten gibt es derzeit allerdings nicht. Zumeist werden individuell zugeschnittene und auf die jeweiligen Anforderungen ausgelegte Programme entwickelt. Dabei wird auf verschiedene einzelne Softwarekomponenten zurückgegriffen, die miteinander interagieren (z.B. externe Datenbank und Visualisierungssoftware).

3 Datenbanksysteme 6

3 Datenbanksysteme

Der Datenverwaltung und –speicherung kommt in einem Geoinformationssystem eine zentrale Rolle zu. Ein Datenbanksystem ist ein System zur elektronischen Datenverwaltung, das aus zwei Komponenten besteht: dem Datenbankmanagementsystem (DBMS) und der eigentlichen Datenbank. Die Datenbank ist eine strukturierte Sammlung einheitlich beschriebener, persistent gespeicherter Daten [Brink08].

Das DBMS dient als Schnittstelle zwischen der Datenbank und den Anwendern und ermöglicht einen einheitlichen und effizienten Zugriff auf die Daten, ohne das deren interne Datenstruktur bekannt ist. Abbildung 3.1 beschreibt den Zugriff eines Anwenderprogramms über die Programmschnittstellen des DBMS auf die Datenbank.

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Die Motivation zum Einsatz eines Datenbanksystems ergibt sich aus den Unzulänglichkeiten beim Nutzen von Dateisystemen. Aus diesen Schwächen resultieren die nachfolgend beschriebenen Eigenschaften eines Datenbanksystems.



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