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Jung-Voser 1998 - VGIS - ein Workflow Instrument zur Steuerung komplexer GIS Analysen german/deutsch
Stefan Jung, Stefan A. Voser, 1998
VGIS - ein Workflow Instrument zur Steuerung komplexer GIS Analysen
6. deutsche Arc/Info-Anwenderkonferenz, Juni 1998, München.
Abstract
Die anwenderfreundliche Erstellung, Verwaltung und Manipulation komplexer GIS Analyseabläufe ist das Ziel des DFG Projektes "Virtuelles GIS (VGIS)". Neue Methoden in der Benutzersteuerung und die effektive Analyse raumbezogener Daten durch die kombinierte Verarbeitung von Raster- und Vektordaten bilden den wissenschaftlichen Schwerpunkt des Projektes. Ausführbare Ablaufpläne, die in einer visuellen Programmierumgebung innerhalb von VGIS erstellt werden, ermöglichen auf einfachem und direktem Weg die Verwaltung komplexer GIS Analyseabläufe in Prozeßbibliotheken. Fachspezifische Aufgaben, die einmal in einem Ablaufplan definiert worden sind, lassen sich jederzeit mit neuen Daten oder veränderbaren Parametern erneut ausführen.
Zur Erzeugung von Ablaufplänen wurden für VGIS 20 universelle GIS-Operatoren generiert, aus denen sich unabhängig von Datenstrukturen fachspezifische Fragestellungen definieren lassen. Im VGIS Prototyp sind die vektorbezogenen GIS-Operatoren mit Arc/Info Technologie realisiert. Angestrebtes Ziel des Projektes ist der Aufbau eines Sets von hybriden Operatoren, mit denen die Grundfunktionen der kombinierten Verarbeitung von Vektor- und Rasterdaten abgedeckt werden können. Ein hybrider Prototyp soll dabei in Arc/Info implementiert werden.
1 Einleitung
2 Das VGIS Konzept
3 Ausführbare Ablaufpläne als Benutzeroberfläche für GIS Analysen
4 Universelle GIS-Operatoren
5 Technische Realisierung des Prototypen
6 Ausblick
7 Literatur
1 Einleitung
Das Auge liefert, als unser wichtigstes Sinnesorgan im Umgang mit räumlichen Phänomenen, optische Reize an das Gehirn. Die Verwendung von Schrift als Informationsmedium, die als Bild transportiert im Gehirn wieder entschlüsselt werden muß, erscheint inadäquat und verschwenderisch, insbesondere dann wenn Sachverhalte graphischen Ursprungs zu vermitteln sind. Viele Zusammenhänge und vor allen Dinge Prozeßabläufe werden häufig graphisch veranschaulicht, weil kausale, sequentielle und chronologische Abhängigkeiten über die optische Wahrnehmung schnell erfaßt werden können.
Aus diesem Grund werden in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten wesentliche Sachzusammenhänge in Form von Ablaufdiagrammen, Workflows, Prozeßdiagrammen oder Flußdiagrammen graphisch dargestellt. Diese sehr intuitive Methode der Informationsvermittlung, die vor jedem Projektvorhaben zumindest analog ohnehin durchgeführt wird, bietet sich für zahlreiche Aufgaben als intelligente Form einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI) an. Im DFG Projekt Virtuelles GIS (VGIS) werden ausführbare Ablaufpläne als graphische Benutzeroberfläche eingesetzt, um die Einarbeitungszeit in Geographische Informationssysteme (GIS) zu verringern und systemspezifische Probleme zu minimieren.
Der Einsatz von Ablaufplänen für die GIS Analyse erfordert jedoch mehr als eine veränderte graphische Oberfläche. Universelle Operatoren müssen dafür sorgen, daß dem Benutzer die nur für die Verwaltung und Aufbereitung von Daten notwendigen Bearbeitungsschritte weitgehend erspart bleiben. Der GIS unerfahrenen Anwender soll für seine individuelle Anwendung möglichst über die gesamte Bandbreite raumbezogener Analyse verfügen können, ohne sich mit technischen Details belasten zu müssen.
Nach der Erläuterung des VGIS Gesamtkonzeptes (Kapitel 2) werden die Möglichkeiten und Vorteile der Benutzeroberfläche diskutiert (Kapitel 3). Kapitel 4 geht detailliert auf das Design der universellen Operatoren ein, deren technische Realisierung im Rahmen des VGIS-Prototypen in Kapitel 5 dargelegt wird. Im Ausblick werden die ambitionierten Zielsetzungen für den weiteren Projektverlauf vorgestellt, verbesserungswürdige Schwächen des Prototypen offenbart und darüber hinausgehende Forschungsmöglichkeiten angesprochen.
2 Das VGIS Konzept
Der Anwender, seine Wünsche und seine Fähigkeiten standen bei der Erstellung des VGIS Konzeptes von Anfang an im Mittelpunkt. Benutzer, die von VGIS profitieren sollen, sind Fachleute unterschiedlichster Anwendungsbereiche, die raumbezogene Daten verarbeiten und analysieren wollen ohne sich mehr als nötig mit den technischen Details existierender Systemen befassen zu müssen. Auch zu Schulungszwecken ist VGIS gut geeignet.
Der Begriff Virtuell in VGIS verdeutlicht, daß kein neues GIS, sondern lediglich eine Hülle (Shell) entworfen wird, die sich prinzipiell über beliebige existierende GI Systeme stülpen läßt. VGIS steht vermittelnd zwischen Anwender und GIS, präsentiert sich in einer eigenen graphischen Benutzeroberfläche und bietet eine Palette universeller Operatoren zur Analyse raumbezogener Daten.
Mit Hilfe einer visuellen, mausgesteuerten Programmiersprache, werden aus den Operatoren für beliebige Aufgabenstellungen Ablaufpläne zusammengestellt. Bei Ausführung der Ablaufpläne wird die Sequenz der universellen Operatoren über den VGIS Interpreter (siehe Abbildung 1) in Kommandos zugrundeliegender GIS übersetzt, deren Ergebnisse an VGIS zurückgeliefert werden. Dabei können verschiedene GIS über Interpreter angesprochen werden.
Abbildung 1: VGIS Design
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3 Ausführbare Ablaufpläne als Benutzeroberfläche für GIS Analysen
VGIS präsentiert sich mit dem Konzept der Ablaufpläne als eine Art Casetool. Jeder graphisch entworfene Prozeßablauf wird zu einem direkt ausführbaren Makroprogramm.
In der VGIS Anwendung gibt es daher zwei Stadien:
1. Im Design Stadium werden Ablaufpläne interaktiv erzeugt und die Operatoren wenn nötig mit Parametern belegt.
2. Erst nach Erzeugen eines fertigen Ablaufplanes macht dessen Ausführung Sinn. Die Operatoren werden dann mit den ihnen zugewiesenen Parametern prozessiert.
Die grundlegenden Möglichkeiten zur Erstellung von Ablaufplänen werden in Form von Operatoren angeboten, die aus der Menüleiste ausgewählt werden können (siehe Abbildung 2).
Die Operatoren erscheinen als frei verschiebbare Buttons auf der Fensterfläche. Per Mausklick lassen sich diese Operatoren schnell und einfach verbinden. Die Planung eines Projektablaufes kann somit direkt mit den Operatoren und Verbindern erfolgen. Die rechte Maustaste öffnet das Eigenschaftenmenü eines Operators, in dem operatorspezifische Parameter angegeben werden können.
Beim Design ist darauf zu achten, daß Input Operatoren immer den Ausgangpunkt einer Prozeßkette bilden, da sie festlegen, welche vorhandenen Daten zur Analyse verwendet werden sollen. Fertiggestellte Ablaufpläne oder Teile von Ablaufplänen können als Dateien abgespeichert, aufgerufen, verändert oder umbenannt werden, wie das aus gängigen Programmen hinreichend bekannt ist.
Für bestimmte Anwendungen lassen sich Prozeßbibliotheken aufbauen, die ständig abrufbar sind und z.B. auf aktualisierte Daten oder mit veränderten Parametern erneut angewendet werden können. Als besonders hilfreich erweist sich diese Möglichkeit bei konstanten, häufig wiederkehrenden Arbeitsabläufen. Auf ideale Weise wird das Experimentieren mit Parametern und verschiedenen Analyseschritten durch VGIS unterstützt, weil im gesamten Ablauf nur geringfügige Änderungen vorgenommen werden müssen und veränderte Abläufe durch wiederholtes Ausführen direkt getestet werden können. Mit zusätzlichen Steuerungsoperatoren lassen sich abgespeicherte Ablaufpläne hierarchisch schachteln, indem konstante, abgeschlossene Teilschritte in Analyseprozessen als eigene Operatoren definiert werden können. Diese zusammengesetzten Operatoren lassen sich wie jeder andere Operator aus dem Menü aufrufen und in neue Ablaufpläne integrieren. Neben den angesprochenen Bedienungsmöglichkeiten ergeben sich weitere Vorteile:
  • Ablaufpläne machen die durchgeführte Analyse transparent und nachvollziehbar. Es gibt keine konzeptionellen Fehler, die zwischen dem Prozeßdesign und dessen Ausführung liegen.
  • Aufwendige Dateinamenskonventionen für jegliche Zwischenschritte entfallen, da VGIS die Namen der Temporärdateien automatisch vergibt und diese nach der Verarbeitung wieder löscht. Soll ein Ergebnis oder Zwischenergebnis permanent gespeichert werden, läßt sich an beliebiger Stelle ein Output Operator setzen.
  • Bereits im Design-Prozeß wird der Anwender dazu angehalten, seine fachlichen Anforderungen formal mit GIS- Operatoren zu definieren.
  • Verschiedene Methoden für identische fachliche Zielvorstellungen können unkompliziert miteinander verglichen werden.

Ein typisches Beispiel für die vorteilhafte Anwendung von VGIS ist der Bereich der Standortsuche (siehe Abbildung 3), in deren Verlauf Gebiete mit unterschiedlichen thematischen und raumbezogenen Eigenschaften abgefragt, erzeugt und miteinander kombiniert werden müssen. Bei der in Abbildung 3 dargestellten Suche nach einem geeigneten Fabrikstandort sind z.B. Anforderungen wie "außerhalb des besiedelten Stadtgebietes", "nur auf tonhaltigen Böden", "nicht weiter als 900 m von Straßen zweiter Ordnung entfernt" und ähnliche Bedingungen zu erfüllen, die über eine Kombination von universellen GIS-Operatoren abgefragt werden können. Display Operatoren lassen sich an jeder beliebigen Stelle einfügen oder abzweigen, so daß auf Wunsch alle Zwischenschritte visualisiert werden können.
Nach Fertigstellung des Designs beginnt die Ausführung des Ablaufplanes auf Knopfdruck. Dabei wird der Plan wie ein mathematischer, gerichteter Graph behandelt. Jeder Operator ist ein Programm, das eine Eingabe benötigt und ein Ergebnis liefert. Die Verbinder symbolisieren die Prozeßzusammenhänge, parametrisiert durch Dateinamen. Eine Verbindung zwischen zwei Operatoren bewirkt, daß das Resultat des einen Operators (z.B. ein Coverage) in Form eines Dateinamens als Eingabe an den nächsten Operator übergeben wird.
So werden ausgehend von den vorhandenen Input Operatoren alle zusammenhängenden Operatoren prozessiert bis sämtliche Elemente im Ablaufplan abgearbeitet sind. Bei parallelen Prozeßsträngen wird die Abarbeitungsfolge automatisch geregelt. Werden mehrere Verbinder als Eingabe für einen Operator benötigt, wartet das System bis alle vorhergehenden Prozesse beendet sind.
Abbildung 2: VGIS Oberfläche, Operatorenwahl
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Abbildung 3: Standortsuche in VGIS
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4 Universelle GIS-Operatoren
Die Operatoren sind das Herzstück des VGIS, denn sie müssen die Transformation von Elementen der Benutzersteuerung in die Analyse raumbezogener Daten vollbringen. Kurz zusammengefaßt seien die Anforderungen an universelle GIS Analyse-Operatoren aufgelistet. Sie sollen
  • die Unabhängigkeit der Analyse von zugrundeliegenden Datenstrukturen gewährleisten,
  • das gesamte Spektrum raumbezogener Analyse weitestgehend abdecken,
  • in ihrer Funktion schnell und intuitiv erfaßbar und
  • unabhängig von Anwendungsgebieten sein.
Aus diesem Anforderungskatalog sind 20 universelle GIS- Operatoren entstanden (siehe Abbildung 4), die die geforderten Bedingungen so gut wie möglich erfüllen (Albrecht 1996). Sie lassen sich zu sechs Gruppen zusammenfassen.
Aus den Anforderungen ergibt sich eine Taxonomie von GIS- Operationen (siehe Abbildung 4), die auf Daten unterschiedlicher Struktur mit prinzipiell identischen Resultaten angewendet werden können.
Die Einbindung dieser Taxonomie in den VGIS Prototypen erfordert mehrere Schritte. Da die GIS- Operationen Funktionen bestehender Programme verwenden, müssen die universellen Operatoren im ersten Schritt in Befehle der zugrundeliegenden Systeme (GRASS für Raster, Arc/Info für Vektor) übersetzt werden.
Daraufhin sind diese Befehle so in das System einzubinden, daß sie möglichst effektiv und stabil ausgeführt werden können. Bislang sind auf diesem Wege zwei voneinander zunächst unabhängige Interpreter, einer für Raster- und einer für Vektordaten, entstanden, die mit denselben Operatoren zu bedienen sind. Von echter Hybridität kann allerdings erst gesprochen werden wenn Daten unterschiedlicher Struktur gemeinsam verarbeitet werden können.
Das Design eines VGIS Operators (siehe Abbildung 5) verdeutlicht das Konzept der VGIS Shell anhand von Ebenen (Levels). Eine systemunabhängige Taxonomie universeller GIS- Operatoren bildet das theoretische Fundament. Mit der Kenntnis der Standard Funktionen einzubindender GI- Systeme können Interpreter erstellt und in VGIS integriert werden. Der Interpreter hat die Aufgabe, die universellen Operatoren auf die Grundfunktionen beliebiger Systeme abzubilden. Durch die parallele Verwendung von Raster- und Vektordatenstrukturen in zwei verschiedenen Interpretern ist die Grundlage für die hybride Datenverarbeitung im jetzigen VGIS- Prototypen bereits geschaffen.
In einem nächsten Schritt sind die Funktionen des Raster- und Vektor-Interpreters in einem neuen Interpreter zu vereinen, der Regeln für die gemeinsame Verarbeitung von Raster- und Vektordaten implementiert.
Abbildung 4: Taxonomie universeller GIS-Operatoren
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Abbildung 5: Design eines universellen Operators
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5 Technische Realisierung des Prototypen
VGIS ist momentan als Prototyp realisiert, der aus mehreren Softwareelementen zusammengesetzt ist (siehe Abbildung 6). Als Oberfläche dient ein kanadisches Bildverarbeitungssystems (WiT), das die Möglichkeiten der Workflowsteuerung für den Bereich Bildverarbeitungsoperationen bereits bietet und gleichzeitig die Einbindung zusätzlicher Operatoren über selbstdefinierte C- Funktionen erlaubt.
Der Nutzer kommuniziert in der Design Phase ausschließlich mit diesem zur VGIS Oberfläche umgestalteten Modul. Bestimmte Operatoren benötigen jedoch Benutzereingaben zur Ausführungszeit, wenn von den prozessierten Daten abhängige Parameter zu bestimmen sind, z.B.welche Klassen eines Datensatzes zusammengefaßt oder eliminiert werden sollen. Für diese Zwecke erforderliche interaktive Eingabemasken werden für GRASS mit Motif-Fenstern unter Xdesigner programmiert, in Arc/Info mit systemeigenen Menüs realisiert.
Bei der Ausführung der Ablaufpläne werden die einzelnen Operationen, samt der statischen und interaktiv zugewiesenen Parameter, vom Interpreter in systemspezifische Kommandos übersetzt. Die Anordnung der Operatoren in den Ablaufplänen bestimmt dabei die Reihenfolge ihrer Ausführung. Da sowohl GRASS als auch Arc/Info ihre Ergebnisse stets als Datei auf Datenträgern abspeichern, werden als Resultat der Operatoren neue, allerdings temporäre Ergebnisdateien erzeugt, deren Name dem nächsten Operator als Eingabe gilt.
Die technische Anbindung der beiden GIS erfolgt auf sehr unterschiedliche Weise. Während GRASS aus einer Ansammlung unterschiedlichster ausführbarer Dateien besteht, die nebeneinander existieren und nur direkt aufgerufen werden können, bedient sich VGIS beim Zugriff auf Arc/Info der integrierten Client/Server Methoden (IAC). Beim Start von VGIS wird im Hintergrund ein Arc/Info Server eingerichtet, an den die Operatoren bei der Ausführung Aufrufe senden. Zu diesem Zweck sind in die VGIS- Operatoren neben den WiT Kommunikationsfunktionen Arc/Info Clients integriert.
Durch das beschriebenen Softwarekonstrukt weist der gegenwärtige VGIS-Prototyp zwar noch typische Nachteile komplexer Systeme auf, erfüllt jedoch entsprechend der Projektvorgaben die Ansprüche an ein Tool, das neue Möglichkeiten der Benutzerführung und Ansätze zur hybriden Datenanalyse aufzeigen soll.
Aus technischer Sicht kann VGIS als Steuerinstrument für GIS- Analysen auf Basis einer "mehrsprachigen" graphischen Makroumgebung betrachtet werden.
Abbildung 6: Konzept des VGIS Prototypen
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6 Ausblick
Aus den geschilderten Erfahrungen lassen sich für den Fortgang des Projektes zwei wesentliche Zielsetzungen ableiten. Die Verwirklichung hybrider Operatoren erfordert ein Regelwerk zum Umgang mit kombinierten geometrischen Abfragen von Raster- und Vektordaten (Egenhofer 1993). Als theoretisches Gerüst müssen diese Regeln in die hybriden VGIS-Operatoren integriert werden. Zusätzlich ist es erforderlich, Rasterdaten als Eingabe mit zusätzlichen Informationen (Metadaten) anzureichern, um die Bedeutung der Zellenwerte und die Geometrie von Objekten korrekt interpretieren zu können (Gahegan and Flack 1996).
Zu diesem Zweck werden die Standardisierungsbestrebungen des Open GIS Consortium (OGC 1996) mit den herausgegebenen Spezifikationen in die weiteren Entwicklungen von VGIS einbezogen.
Die komplexe hybride Verarbeitung von Daten bedarf jedoch gleichzeitig einer verbesserten Prozeßsteuerung, damit vor der Ausführungsphase bereits die Konsistenz erstellter Ablaufpläne geprüft werden kann (Jung and Albrecht 1997). Weil die Softwarevielfalt, die im jetzigen Prototypen eingesetzt wird, weder beliebig erweiterbar noch frei zu distributieren ist, wird für die Zukunft eine komplette Implementierung in Java geplant.
Einige andere Ansätze mit ähnlichen Benutzeroberflächen, zumeist mit dem Ziel der räumlichen Modellierung, beruhen auf den Möglichkeiten, die die Rasterdatenanalyse bietet (Mann 1996). Dabei ist die Map Algebra (Tomlin 1990) eine der wesentlichsten Grundlagen.
Vor dem Hintergrund der mit VGIS gemachten Erfahrungen liegt in der visuellen Prozeßsteuerung mit interaktiven Ablaufplänen ein bei weitem noch nicht ausgeschöpftes Potential für die Bearbeitung komplexer und hybrider GIS Analysen.
Detaillierte Informationen über VGIS und eine VGIS-Demo sind im Internet zu finden unter:
http://www.ispa.uni-vechta.de/gis/vgis/vgis.html

Ein interessantes Flowchart-Tool (MapModels) zur Rasterverarbeitung mit ArcView bietet:
http://esrnt1.tuwien.ac.at/~leop/MAPMODEL.HTM
7 Literatur
Albrecht, J. (1996). Universal Analytical GIS Operations. A Task-Oriented Systemization of Data Structure-Independent GIS Functionality Leading Towards a Geographic Modeling Language. Vechta, University of Vechta, ISPA.
Egenhofer, M. J. a. S., J. (1993). "Topological Relations between regions in R2 and Z2,." Advances in Spatial Databases -Third International Symposium, SSD '93 Lecture Notes in Computer Science 692: 36- 52.
Gahegan, M. and J. Flack (1996). "A Model to Support the Integration of Image Understanding Techniques within a GIS." Photogrammetric Engineering & Remote Sensing LXII(5): 483-490.
Jung, S., Albrecht J., Ehlers M. (1997). Multi-Level Comparative Analysis of Spatial Operators in GIS and Remote Sensing as a Foundation for an Integrated GIS. Semantic Modeling for the Acquisition of Topographic Information from Images and Maps, SMATI ´97. W. u. L. P. Förstner, Birkhäuser Verlag: 72-88.
Mann, S. (1996). Spatial Process Modelling for Regional Environmental Decision Making. Spatial Information Research Conference SIRC '96, Dunedin, New Zealand.
OGC (1996). The OpenGIS Guide: Introduction to Interoperable Geoprocessing, OpenGIS TC Document Number 96-001.
Tomlin, C. D. (1990). Geographic Information Systems and Cartographic Modeling. Englewood Cliffs, Prentice Hall.
Voser S. A. and Jung S. (1998): Towards Hybrid Analysis - Specification of High Level Analytical GIS Operators, Proceedings to the first AGILE Conference, 23.-25.-April 1998, ITC, Enschede (NL), ITC- Publications.
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