Marine SDI: Evaluierung, Design & Implementierung

Dieser Abschnitt erläutert die grundlegenden Bestandteile einer Spatial Data Infrastructure (SDI) und deren Bedeutung für die marine Dateninfrastruktur. Der Fokus liegt auf dem Verständnis von Interoperabilität, also der Fähigkeit verschiedener Systeme, Daten und Services auszutauschen und zu nutzen. Der Text hebt hervor, dass marine SDIs im Vergleich zu terrestrischen SDIs spezifische Herausforderungen bieten, insbesondere im Hinblick auf den Datenzugriff (z.B. Offshore-Datenübertragung) und den Datenschutz aufgrund der nationalen Hoheitsrechte über Meeresgebiete. Die MDI-DE wird als ein Projekt vorgestellt, das von Grund auf mit dem Ziel der Interoperabilität entwickelt wird und auf etablierten Standards basiert. Die Notwendigkeit eines Referenzmodells zur Unterstützung der Entwicklung der MDI-DE wird betont, um die Komplexität des Systems zu managen und die Kommunikation zwischen den beteiligten Akteuren zu verbessern. Die Wahl geeigneter Standards für Services, Daten und Metadaten ist ein zentraler Aspekt, um Interoperabilität zu gewährleisten.

Der Abschnitt betont die Bedeutung von Metadaten für die Auffindbarkeit von Daten in einer SDI. Die Problematik von Tippfehlern in Metadaten (z.B. „caost“ statt „coast“) und die daraus resultierende eingeschränkte Datenauffindbarkeit werden verdeutlicht. Als Lösung wird die Wissensrepräsentation mittels kontrollierter Vokabulare und Thesaurus vorgeschlagen. Dies soll sicherstellen, dass nur aus einer definierten Liste von Keywords ausgewählt werden kann und Synonyme berücksichtigt werden. Wichtige Standards wie SKOS, RDF und Ontologien zur semantischen Anreicherung von Metadaten werden erwähnt. Die Hydrologic Markup Language (HydroML) und XHydro als XML-Formate für den Datenaustausch werden ebenfalls kurz vorgestellt. Der Abschnitt verdeutlicht die Notwendigkeit einer konsistenten und semantisch angereicherten Metadatenbeschreibung, um die Datenfindung und -nutzung zu optimieren und die Interoperabilität zu fördern. Die Berücksichtigung von Synonymen und semantischen Beziehungen zwischen Begriffen ist dabei entscheidend.

Dieser Teil des Kapitels widmet sich dem Thema Referenzmodelle für die Strukturierung von komplexen, verteilten Systemen, wie sie SDIs darstellen. Das ISO Referenzmodell für offene verteilte Prozesse (RM-ODP) wird als Grundlage für die Architektur der MDI-DE vorgestellt und seine breite Akzeptanz in anderen Referenzmodellen wie ISO 19101 und dem OGC Referenzmodell betont. Der Text erläutert den Nutzen von Viewpoints im RM-ODP, um verschiedene Perspektiven der Stakeholder auf das System abzubilden. Die unterschiedlichen Interessen von Entwicklern und Nutzern werden als Begründung für den Einsatz von Viewpoints angeführt. Anhand eines Beispiels (Suchfunktion und Tippfehler) wird gezeigt, wie ein Thesaurus die Datenauffindbarkeit verbessert, indem er Synonyme und semantische Beziehungen zwischen Begriffen abbildet. Die Verwendung von kontrollierten Vokabularen wird als Lösung für Probleme bei der Datenbeschreibung durch unpräzise oder fehlerhafte Keywords vorgeschlagen.

Der Abschnitt beschreibt die Rolle von Richtlinien als wichtige Treiber für die Entwicklung von marinen SDIs. Es wird der enge Zusammenhang zwischen SDIs und Richtlinien hervorgehoben, da SDIs administrative Aufgaben unterstützen und Richtlinien diese wiederum beeinflussen oder prägen. Im europäischen Kontext werden die Wasserrahmenrichtlinie (WFD) und die Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSFD) als zentrale Richtlinien für den maritimen Bereich genannt. Die INSPIRE-Richtlinie wird als weiterer relevanter Faktor erwähnt. Die deutschen Entsprechungen zu diesen europäischen Richtlinien (MSRL, WRRL, FFH-RL, VS-RL) werden aufgeführt. Weitere relevante Rechtsvorschriften und Richtlinien wie das GeoZG, das UIG, WISE, HELCOM, OSPAR, SEIS und Agenda 21 werden ebenfalls genannt. Der Abschnitt verdeutlicht die regulatorischen Rahmenbedingungen für den Aufbau und Betrieb von marinen SDIs in Europa und Deutschland, und deren Einfluss auf die Datenbereitstellung und Berichterstattung.

Dieser Abschnitt präsentiert Fallstudien zu bestehenden marinen Spatial Data Infrastructures (SDIs) in Kanada, den USA und Australien. In Kanada wird die Canadian Geospatial Data Infrastructure (CGDI), auch bekannt als GeoConnections, detailliert beschrieben. Die CGDI besteht aus zwölf Knotenpunkten und zielt darauf ab, den Zugang und die Integration geospatialer Informationen zu vereinfachen, indem sie einen Rahmen für die Bereitstellung von Daten durch verschiedene Behörden unter Verwendung gemeinsamer Standards schafft. Die Marine Geospatial Data Infrastructure (MGDI) und das GeoPortal des kanadischen Department of Fisheries and Oceans (DFO) werden als wichtige Komponenten der CGDI hervorgehoben. Die Initiative COINAtlantic, ein Küsten- und Ozeaninformationsnetzwerk für den westlichen Nordatlantik, wird ebenfalls erwähnt. Die Fallstudien anderer Länder zeigen unterschiedliche Ansätze zur Organisation und Bereitstellung mariner Daten, mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen in Bezug auf die Zentralisierung, die Datenmenge, die Metadatenverfügbarkeit und die angebotenen Services. Dies unterstreicht die Vielfalt an Möglichkeiten beim Aufbau mariner SDIs.

Der Fokus liegt hier auf der nationalen Spatial Data Infrastructure Deutschlands (GDI-DE) und deren Referenzmodell. Die GDI-DE zielt auf die verbesserte Bereitstellung und Nutzung von verteilten Geodaten aus verschiedenen Verwaltungs-, Wirtschafts- und Wissenschaftsbereichen ab. Ihr Referenzmodell ist in drei Schichten (Anwendungen, Services, Datenspeicher) und vier Submodelle gegliedert, im Gegensatz zum RM-ODP, das Viewpoints verwendet. Die Submodelle (Rollenmodell, Prozessmodell, Architekturmodell und Implementierungsmodell) bieten verschiedene detaillierte Ansichten des Systems. Das Rollenmodell beschreibt die Akteure und deren Motivationen. Das Prozessmodell modelliert Geschäftsprozesse und Informationsflüsse zwischen Akteuren und bildet die Grundlage für Services. Das Architekturmodell beschreibt die technischen Komponenten und deren Beziehungen. Das Implementierungsmodell spezifiziert die technische Realisierung. Der Vergleich mit dem RM-ODP und anderen Referenzmodellen verdeutlicht verschiedene Architekturansätze für SDIs.

Dieser Abschnitt beschreibt das Beispiel des LANIS Habitat Mare (LHM) Thesaurus des Bundesamtes für Naturschutz (BfN). LHM nutzt hierarchische Strukturen mit bis zu sechs Ebenen, um Begriffe zu gruppieren und zu verknüpfen. Obwohl es keine Definitionen der Begriffe enthält, bietet es eine Vielzahl von Synonymen und Übersetzungen (Deutsch und Englisch). Die Aufteilung in 20 separate Excel-Dateien mit über 3000 Begriffen (Synonyme als ein Begriff gezählt) macht LHM zu einem technisch ausgereiften Thesaurus. Dieses Beispiel verdeutlicht die Herausforderungen und Möglichkeiten bei der Gestaltung und dem Aufbau von Thesauri zur Verbesserung der Datenauffindbarkeit und -konsistenz in einer SDI. Der Abschnitt hebt die Bedeutung von hierarchischen Strukturen und der Berücksichtigung von Synonymen für eine effektive semantische Wissensrepräsentation in einem Thesaurus hervor.

Dieser Abschnitt beginnt mit der Analyse von Erfahrungen aus anderen Marine Spatial Data Infrastructures (MSDI), um daraus Lehren für die Entwicklung der MDI-DE zu ziehen. Ein zentrales Ergebnis ist die Erstellung eines Referenzmodells für die MDI-DE, das alle beteiligten Akteure mit ihren Datenbeständen und vor allem verfügbaren Services auflistet. Zu Beginn des Projekts wurde mittels Webformularen und Tabellen eine Übersicht über die bereits existierenden Services erstellt. Die anschließende Evaluierung der Services zeigte die Notwendigkeit einer Visualisierung der Ergebnisse des Service Status Checkers, um die Bewertung zu vereinfachen. Die Grundlage für den Aufbau von Services bilden Daten und entsprechende Metadaten. Die Bedeutung von Thesauri für die Metadatenannotation, aber auch für Services (z.B. Keywords) und das MDI-DE-Portal selbst (z.B. Suchfunktion) wird hervorgehoben. Dieser Abschnitt legt die Basis für die weiteren Implementierungsschritte, indem er ein gemeinsames Verständnis der Architektur und der benötigten Komponenten schafft.

Hier wird das entwickelte Referenzmodell für die MDI-DE detailliert beschrieben. Es besteht aus mehreren Submodellen: Geschäftsmodell (entspricht dem Enterprise Viewpoint von RM-ODP), Rollenmodell, Prozessmodell (entspricht dem Engineering Viewpoint von RM-ODP), Architekturmodell (entspricht dem Informations- und Rechen-Viewpoint von RM-ODP) und Implementierungsmodell (entspricht dem Technologie-Viewpoint von RM-ODP). Das Geschäftsmodell definiert Ziele, Anforderungen und Interessen der Teilnehmer. Das Rollenmodell beschreibt die Akteure und ihre Rollen. Das Prozessmodell modelliert die Abläufe und den Datenfluss in Workflows. Das Architekturmodell charakterisiert die technischen Komponenten und deren Beziehungen. Das Implementierungsmodell spezifiziert die technische Realisierung. Die Verwendung der Unified Modeling Language (UML) zur Modellierung der verschiedenen Aspekte der Infrastruktur wird betont. Die Kombination dieser Submodelle soll ein umfassendes Verständnis der MDI-DE Architektur ermöglichen und die Entwicklung leiten.

Dieser Abschnitt beschreibt die Entwicklung eines Datenbankmodells zur Erfassung und Verwaltung der Daten und Metadaten innerhalb der MDI-DE. Um einen Überblick über vorhandene Datenbestände und Services zu gewinnen, wurden Webformulare und Tabellen eingesetzt, die ein tiefes Verständnis des maritimen Bereichs und des Projekts selbst voraussetzten. Diese Datenerfassung war notwendig, um die Infrastruktur-Knotenpunkte aufzubauen und die entsprechenden Daten und Services einzubinden. Die erfassten Informationen bildeten die Grundlage für den Aufbau zusätzlicher Services basierend auf vorhandenen Datenbeständen. Die Bedeutung von Datenqualität und Metadatenkonsistenz wird erneut unterstrichen, um die Nutzbarkeit der bereitgestellten Daten zu gewährleisten.

Dieser Teil beschreibt die Überwachung und Bewertung der Performance und Verfügbarkeit der MDI-DE Services. Es wird auf die Verwendung bestehender Tools, wie den FGDC Service Status Checker und sdi.suite serviceMonitor, eingegangen. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass die Ergebnisse der verschiedenen Monitoring-Tools nicht immer übereinstimmen und die INSPIRE-Anforderungen nicht eindeutig evaluierbar sind. Als Lösung wird eine Webanwendung (SSCVisualizer) implementiert, die die Ergebnisse des Service Status Checkers visualisiert und die Parameter currentScore und currentSpeed darstellt. Die Implementierung nutzt JavaScript-Bibliotheken wie jQuery und Flot. Das Problem der Same Origin Policy wird durch JSONP umgangen. Die Visualisierung dient dazu, die Service-Qualität zu überwachen und die Einhaltung der INSPIRE-Anforderungen zu prüfen.

Der letzte Teil des Kapitels befasst sich mit der Entwicklung eines marinen Thesaurus für die MDI-DE. Thesauri sind unerlässlich für die Metadatenannotation, die Servicebeschreibung und die Suchfunktionalität des Portals. Es werden Anforderungen an einen solchen Thesaurus formuliert, um die Konsistenz der Terminologie zu gewährleisten, Tippfehler zu vermeiden und semantische Beziehungen zwischen Begriffen abzubilden (z.B. Synonyme). Die Wahl des SKOS-Formats wird begründet. Die Herausforderungen bei der Konvertierung von bestehenden Vokabularen (in Excel-Format) in das SKOS-Format werden diskutiert, und es wird ein selbst entwickeltes Werkzeug vorgestellt, um diese Konvertierung zu ermöglichen. Die Integration der konvertierten Vokabulare in ein thesaurus-Management-System (iQvoc) wird erwähnt. Ziel ist es, die Interoperabilität und die Datenauffindbarkeit zu verbessern.

In diesem Kapitel werden internationale Best-Practice-Beispiele für Marine Spatial Data Infrastructures (MSDI) analysiert und bewertet. Ausgewählte MSDIs aus Kanada (Marine Geospatial Data Infrastructure [MGDI], COINAtlantic und GeoPortal), den USA (CMSP Registry, Marine Cadastre, Data.gov und Geoplatform) und Australien (AODN IMOS Ocean Portal und Australian Marine Spatial Information System [AMSIS]) werden aufgrund ihres Reifegrades vor 2004 untersucht. Zusätzlich werden die Systeme Irlands (Marine Irish Digital Atlas [MIDA]) und des Vereinigten Königreichs (MAGIC/CAMRA und MEDIN) betrachtet, da diese europäische Länder sind und somit vergleichbare Rechtsrahmen wie Deutschland haben. Der Vergleich der verschiedenen Ansätze dient als Grundlage für die spätere Bewertung der MDI-DE. Die ausgewählten Beispiele repräsentieren unterschiedliche Organisationsmodelle, Technologien und Implementierungsansätze für den Aufbau mariner Dateninfrastrukturen.

Die detaillierte Analyse der kanadischen Bemühungen im Bereich der marinen SDI zeigt eine hohe Performance in Bezug auf die Verfügbarkeit von Kern-Datasets und die Einbindung verschiedener Behörden. Ein kleiner Kritikpunkt ist das Fehlen eines zentralen Katalogs. Die Metadaten sind jedoch gut organisiert und entsprechen internationalen Standards. Im Bereich der Services wird Verbesserungspotential gesehen, da mehr Services und ein zentrales Geoportal wünschenswert wären. Die Bewertung der Architektur und der staatlichen Unterstützung ist positiv, da die CGDI (Canadian Geospatial Data Infrastructure) von der Regierung unterstützt wird und viele Standards berücksichtigt. Das Problem liegt in der Aufteilung auf verschiedene Projekte, was einen zentralen Zugangspunkt für marine Daten verhindert. Die kanadische Fallstudie illustriert die Vor- und Nachteile einer dezentralisierten Architektur für eine MSDI.

Die MDI-DE (Marine Dateninfrastruktur Deutschland) wird als positives Beispiel für eine nationale marine SDI dargestellt. Das Portal bietet eine große Bandbreite an Kern-Datasets, z.B. Bathymetrie und Marine Cadastre, und arbeitet mit elf Projekt- und zwölf assoziierten Partnern zusammen, darunter drei Bundesbehörden. Der Fokus liegt auf der Umsetzung der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSFD), aber auch die Wasserrahmenrichtlinie (WFD) und INSPIRE werden berücksichtigt. Die MDI-DE erhält die bestmögliche Bewertung bezüglich der Datenverfügbarkeit und der Metadaten. Es ist ein zentraler Metadatenkatalog mit CSW-Schnittstelle vorhanden. Die Implementierung erfolgte hauptsächlich durch kommerzielle Softwareentwicklung (Portal) und Eigenentwicklungen der Projektpartner (Infrastruktur-Knoten). Die Fallstudie unterstreicht den Erfolg der MDI-DE bei der Integration verschiedener Datenquellen und der Erfüllung von Richtlinienanforderungen.