Zeit in Geografischen Informations-Systemen

1 Einleitung 1

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit 1

1.2 Gang der Untersuchung 2

2 Das Datenmodell in der Geoinformatik 4

2.1 Begriffe und Definitionen 4

2.2 Der allgemeine Modellbegriff 7

2.3 Sichtweisen des Datenmodells 9

2.3.1 Datenmodell als Algebra 9

2.3.2 Datenmodell als Abstraktion der Realwelt 10

2.4 Modellebenen in Informationssystemen 11

2.5 Besonderheiten geographischer Daten 14

3 Datenmodellierung in Geographischen Informationssystemen 18

3.1 Aufbau der Datenmodellierung 18

3.2 Räumliches Modellieren 20

3.2.1 Räumliche Konzepte 20

3.2.2 Geometrische Datenmodelle 22

3.2.3 Geometrische Datenstrukturen 23

3.3 Thematisches Modellieren 25

3.3.1 Das Layerprinzip 25

3.3.2 Das Objektklassenprinzip 26

3.4 Datenbankmanagementsysteme 26

3.5 GIS-spezifische Realisierungen 29

3.5.1 CAD-basierte Lösungen 29

3.5.2 Hybride Systeme 29

3.5.3 Integrierte Systeme 31

4 Das Objektorientierte Paradigma 34

4.1 Grundlegende Konzepte 35

4.1.1 Das Objekt 35

4.1.2 Klassen 35

4.1.3 Vererbung 37

4.1.4 Assoziation 39

4.1.5 Aggregation 40

4.1.6 Verhalten 41

4.1.7 Polymorphismus 41

4.2 Weiterführende Konzepte 42

4.2.1 Abstrakte und konkrete Klassen 42

4.2.2 Mehrfachvererbung 42

4.2.3 Kapselung 43

4.3 Objektorientierte Datenbanken 44

4.4 Eignung objektorientierter Konzepte für GIS 46

4.4.1 Unterschiede zu einem Layer-GIS 46

4.4.2 Erweiterte Modellierungsstrukturen 46

4.4.3 Vorteile in der Softwareentwicklung 48

5 Integration von Zeit in GIS 49

5.1 Operationalisierung des Zeitbegriffs 49

5.1.1 Strukturelle Merkmale 49

5.1.2 Diskretisierung von Zeit 53

5.1.3 Zeitangaben in einem diskreten Zeitmodell 54

5.2 Anwendung in einem Informationssystem 55

5.2.1 Temporale Dimensionen in Datenbanken 55

5.2.2 Datenbankebene für zeitliche Bezüge 57

5.2.3 Zeitlicher Bezug in Attributen 57

5.3 Konzepte zur Modellierung räumlich-temporaler Objekte 58

5.3.1 Schnappschußmodell 58

5.3.2 Raum-Zeit Würfel 59

5.3.3 Grundkarten mit Überlagerungen 60

5.3.4 Raum-Zeit-Zusammensetzungen 61

5.3.5 Bitemporale Objekte 61

5.4 Schlußfolgerungen für die Integration von Zeit in GIS 62

6 Konzeptionelle Betrachtung eines zeitintegrativen GIS 63

6.1 Verwaltung der Geometrie-Daten 64

6.1.1 Geometrische Datenbasis 64

6.1.2 Diskretisierung reeller Koordinatenwerte 66

6.1.3 Beschreibung über Metadaten 68

6.1.4 Koordinatensysteme 69

6.2 Repräsentation von Geo-Objekten 69

6.2.1 Grundsätzliche Struktur 69

6.2.2 Unstrukturierte Geo-Objekte der Spaghetti-Ebene 70

6.2.3 Topologisch-strukturierte Geo-Objekte 70

6.3 Beziehungen zwischen räumlichen Objekten 71

6.3.1 Besonderheiten räumlicher Beziehungen 71

6.3.2 Topologische Beziehungen 72

6.4 Darstellung der zeitlichen Variabilität 79

6.4.1 Lokaler Schappschuß 80

6.4.2 Diskretes temporales Netzwerk 81

6.4.3 Temporale Beziehungen 85

6.5 Indizierung der Geo-Objekte 86

7 Entwurf eines objektorientierten Datenmodells 90

7.1 Das persistente Objektmodell 91

7.2 Das geometrische Modell 92

7.2.1 Übersicht 92

7.2.2 Die Geometrie-Klassen zur Verwaltung von Punkten und Linien 94

7.2.3 Organisation der Geometrie-Objekte in Layern 99

7.2.4 Metadaten 101

7.2.5 Koordinatensysteme 101

7.3 Das räumliche Modell 103

7.3.1 Übersicht 103

7.3.2 Die STObject-Klassen 105

7.3.2.1 Spaghetti-Ebene 105

7.3.2.2 Topologie-Ebene 106

7.3.2.3 Die Geo-Objekt-Mengen 108

7.4 Das temporale Modell 110

7.4.1 Übersicht 110

7.4.2 Das temporale Referenzsystem 111

7.4.3 Die Repräsentation von Zeitpunkten und Intervallen 114

7.5 Die Erweiterung des räumlichen Modells auf temporale Geo-Objekte 114

7.6 Das thematische Modell 118

8 Schlußbemerkung 120

ANHANG

Anhang 1: Objektmodell – Notation	A1
Anhang 2: Glossar	A2
Anhang 3: Datenmodell in Gesamtübersicht	A4

 

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: GIS-Funktionsbereiche 5

Abbildung 2: Modellfunktion 9

Abbildung 3: Modellebenen nach ANSI – SPARC 12

Abbildung 4: Beispiel für ein ERM-Diagramm 13

Abbildung 5: Datenmodellierung in GIS 19

Abbildung 6: Layerprinzip 26

Abbildung 7: Server-Datenbank als Middleware 32

Abbildung 8: Der objektorientierte Ansatz 34

Abbildung 9: Klassen und Objekte 36

Abbildung 10: Ausschnitt ATKIS-Objektartenkatalog 38

Abbildung 11: ATKIS-Ausschnitt als Klassendiagramm 39

Abbildung 12: Klassenvererbung anhand der Geometrie 39

Abbildung 13: Aggregation 41

Abbildung 14: Mehrfachvererbung 43

Abbildung 15: Zeitbezogene Strukturen 51

Abbildung 16: Die Topologie kartographischer Zeit 51

Abbildung 17: Zeitliche Anforderungen verschiedener GIS-Nutzergruppen 53

Abbildung 18: Vergleichsrelationen zwischen zeitlichen Elementen 55

Abbildung 19: Das Schnappschußmodell 59

Abbildung 20: Der Raum-Zeit-Würfel 60

Abbildung 21: Grundkarten mit Überlagerungen 60

Abbildung 22: Raum-Zeit-Zusammensetzungen 61

Abbildung 23: Bitemporale Objekte 62

Abbildung 24: Übersicht 64

Abbildung 25: Simplexe 65

Abbildung 26: Diskrete Geometriedarstellung als Realm 66

Abbildung 27: Kontinuierlicher Geradenschnitt über diskreter Zahlenebene 67

Abbildung 28: Problem des wandernden Geradensegmentes 67

Abbildung 29: Topologische Karte 71

Abbildung 30: Die fünf topologischen Beziehungen 76

Abbildung 31: Der topologische Entscheidungsbaum 77

Abbildung 32: Abfolge unterschiedlicher Zustände 80

Abbildung 33: Veränderung 80

Abbildung 34: Lokaler Schnappschuß 81

Abbildung 35: Geometrieschicht 82

Abbildung 36: Veränderung ermitteln 83

Abbildung 37: Diskretes temporales Netzwerk 84

Abbildung 38: Temporaler Knoten 85

Abbildung 39: Beispiele für temporale Beziehungen 86

Abbildung 40: Der Point-Quadtree 87

Abbildung 41: Raumaufteilung durch einen Octtree 89

Abbildung 42: Architektur des Datenmodells 90

Abbildung 43: Verwaltung der Geometrie-Daten 92

Abbildung 44: Veränderung eines Grenzverlaufs über drei Zeitpunkte 93

Abbildung 45: Einfaches Grundmodell für Geometrie-Objekte 95

Abbildung 46: Verlaufsänderung 95

Abbildung 47: Erweitertes Klassendiagramm für Geometrie-Objekte 96

Abbildung 48: Datenbank für t2 97

Abbildung 49: Fortschreitende Segmentierung 98

Abbildung 50: Klassendiagramm für Geometrie-Layer 99

Abbildung 51: Datenorganisation in GPlanarLayer 100

Abbildung 52: Klassendiagramm für Koordinatensysteme 102

Abbildung 53: Klassendiagramm für räumlich-temporale Objekte 104

Abbildung 54: Spaghetti-Flächen 106

Abbildung 55: Die Topologische Struktur 107

Abbildung 56: Klassendiagramm für Geo-Objekt-Mengen 109

Abbildung 57: Klassendiagramm zur Verwaltung von Zeitangaben 111

Abbildung 58: Versionenring zur Abbildung temporaler Vorgänger und Nachfolger 115

Abbildung 59: Versionierung einer Fläche durch hinzugefügte Kanten 117

Abbildung 60: Die Feature-Klasse 119

Abbildung 61: Erweiterung auf drei räumliche Dimensionen 120

 

 

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: GIS-Anwendungsgebiete - Synonyme 4

Tabelle 2: Gültigkeitsdauer für Komponenten von Informationssystemen 6

Tabelle 3: Vergleich Standard- und Nicht-Standardanwendungen von DBMS 16

Tabelle 4: Schnittmengen zur Bestimmung topologischer Beziehungen 73

Tabelle 5: Mögliche Schnittergebnisse bei Flächen 74

Tabelle 6: Definition temporaler Beziehungen 85