The development of spatio–temporal geoscience information systems (TGSIS) as the next generation of geographic information systems (GIS) and geoscience information systems (GSIS) was investigated with respect to the following four aspects: concepts, data models, software, and applications. These systems are capable of capturing, storing, managing, and querying data of geo–objects subject to dynamic processes, thereby causing the evolution of their geometry, topology and geoscience properties. In this study, five data models were proposed. The first data model represents static geo–objects whose geometries are in the 3–dimensional space. The second and third data models represent geological surfaces evolving in a discrete and continuous manner, respectively. The fourth data model is a general model that represents geo–objects whose geometries are n–dimensional embedding in the m–dimensional space R^m, m >= 3. The topology and the properties of these geo–objects are also represented in the data model. In this model, time is represented as one dimension (valid time). Moreover, the valid time is an independent variable, whereas geometry, topology, and the properties are dependent (on time) variables. The fifth data model represents multiple indexed geoscience data in which time and other non–spatial dimensions are interpreted as larger spatial dimensions. To capture data in space and time, morphological interpolation methods were reviewed, and a new morphological interpolation method was proposed to model geological surfaces evolving continuously in a time interval. This algorithm is based on parameterisation techniques to locate the cross–reference and then compute the trajectories complying with geometrical constraints. In addition, the long transaction feature was studied, and the data schema, functions, triggers, and views were proposed to implement the long transaction feature and the database versioning in PostgreSQL. To implement database versioning tailored to geoscience applications, an algorithm comparing two triangulated meshes was also proposed. Therefore, TGSIS enable geologists to manage different versions of geoscience data for different geological paradigms, data, and authors. Finally, a prototype software system was built. This system uses the client/server architecture in which the server side uses the PostgreSQL database management system and the client side uses the gOcad geomodeling system. The system was also applied to certain sample applications.

In vorhandener Literatur zum Thema „WebMapping“ wird zwar häufig die hohe Bedeutung von WebMapping-Anwendungen hervorgehoben, jedoch existieren kaum empirische Untersuchungen zur diesbezüglichen Relevanz. Mittels einer offenen Web-Befragung wurde anhand eines Fallbeispiels empirisch untersucht, welche Bedeutung eine WebMapping-Anwendung im Rahmen eines größeren Informationskontextes eines Webportals besitzt. Zudem wurde untersucht, welche Funktionalitäten innerhalb der WebMapping-Applikation als besonders wichtig angesehen werden und welche Wichtigkeit eine mobile WebMapping-Anwendung für die Nutzer besitzt.

Reproducing the construction of a geoscientific model is a hard task. It requires the availability of all required data and an exact description how the construction was performed. In practice data availability and the exactness of the description is often lacking. As part of this thesis I introduce a conceptual framework how geoscientific model constructions can be described as directed acyclic hypergraphs, how such recorded construction graphs can be used to reconstruct the model, and how repetitive constructions can be used to verify the reproducibility of a geoscientific model construction process. In addition I present a software prototype, implementing these concepts. The prototype is tested with three different case studies, including a geophysical measurement analysis, a subsurface model construction and the calculation of a hydrological balance model.:1. Introduction 1.1. Survey on Reproducibility and Automation for Geoscientific Model Construction 1.2. Motivating Example 1.3. Previous Work 1.4. Problem Description 1.5. Structure of this Thesis 1.6. Results Accomplished by this Thesis 2. Terms, Definitions and Requirements 2.1. Terms and Definitions 2.1.1. Geoscientific model 2.1.2. Reproducibility 2.1.3. Realisation 2.2. Requirements 3. Related Work 3.1. Overview 3.2. Geoscientific Data Storage Systems 3.2.1. PostGIS and Similar Systems 3.2.2. Geoscience in Space and Time (GST) 3.3. Geoscientific Modelling Software 3.3.1. gOcad 3.3.2. GemPy 3.4. Experimentation Management Software 3.4.1. DataLad 3.4.2. Data Version Control (DVC) 3.5. Reproducible Software Builds 3.6. Summarised Releated Work 4. Concept 4.1. Construction Hypergraphs 4.1.1. Reproducibility Based on Construction Hypergraphs 4.1.2. Equality definitions 4.1.3. Design Constraints 4.2. Data Handling 5. Design 5.1. Application Structure 5.1.1. Choice of Application Architecture for GeoHub 5.2. Extension Mechanisms 5.2.1. Overview 5.2.2. A Shared Library Based Extension System 5.2.3. Inter-Process Communication Based Extension System 5.2.4. An Extension System Based on a Scripting Language 5.2.5. An Extension System Based on a WebAssembly Interface 5.2.6. Comparison 5.3. Data Storage 5.3.1. Overview 5.3.2. Stored Data 5.3.3. Potential Solutions 5.3.4. Model Versioning 5.3.5. Transactional security 6. Implementation 6.1. General Application Structure 6.2. Data Storage 6.2.1. Database 6.2.2. User-provided Data-processing Extensions 6.3. Operation Executor 6.3.1. Construction Step Descriptions 6.3.2. Construction Step Scheduling 6.3.3. Construction Step Execution 7. Case Studies 7.1. Overview 7.2. Geophysical Model of the BHMZ block 7.2.1. Provided Data and Initial Situation 7.2.2. Construction Process Description 7.2.3. Reproducibility 7.2.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.2.5. Recommendations 7.3. Three-Dimensional Subsurface Model of the Kolhberg Region 7.3.1. Provided Data and Initial Situation 7.3.2. Construction Process Description 7.3.3. Reproducibility 7.3.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.3.5. Recommendations 7.4. Hydrologic Balance Model of a Saxonian Stream 7.4.1. Provided Data and Initial Situation 7.4.2. Construction Process Description 7.4.3. Reproducibility 7.4.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.4.5. Recommendations 7.5. Lessons Learned 8. Conclusions 8.1. Summary 8.2. Outlook 8.2.1. Parametric Model Construction Process 8.2.2. Pull and Push Nodes 8.2.3. Parallelize Single Construction Steps 8.2.4. Provable Model Construction Process Attestation References Appendix

The Tibetan Plateau with an extent of about 2,5 million square kilometers at an average altitude higher than 4,700 meters has a significant impact on the Asian monsoon and regulates with its snow and ice reserves the upstream headwaters of seven major south-east Asian rivers. Upon the water supply of these rivers depend over 1,4 billion people, the agriculture, the economics, and the entire ecosystem in this region. As the increasing number of floods and droughts show, these seasonal water reserves however are likely to be influenced by climate change, with negative effects for the downstream water supply and subsequently the food security. The international cooperation project CEOP-AEGIS – funded by the European Commission under the Seventh Framework Program – aims as a result to improve the knowledge of the hydrology and meteorology of the Qinghai-Tibetan Plateau to further understand its role in climate, monsoon and increasing extreme meteorological events. Within the framework of this project, a large variety of earth observation datasets from remote sensing products, model outputs and in-situ ground station measurements are collected and evaluated. Any foreground products of CEOP-AEGIS will have to be made available to the scientific community by an online data repository which is a contribution to the Global Earth Observation System of Systems (GEOSS). The back-end of the CEOP-AEGIS Data Portal relies on a Dapper OPeNDAP web server that serves data stored in the NetCDF file format to a DChart client front-end as web-based user interface. Data from project partners are heterogeneous in its content, and also in its type of storage and metadata description. However NetCDF project output data and metadata has to be standardized and must follow international conventions to achieve a high level of interoperability. Out of these needs, the capabilities of NetCDF, OPeNDAP, Dapper and DChart were profoundly evaluated in order to take correct decisions for implementing a suitable and interoperable NetCDF data model for CEOP-AEGIS data that allows a maximum of compatibility and functionality to OPeNDAP and Dapper / DChart as well. This NetCDF implementation is part of a newly developed upstream data interface that converts and aggregates heterogeneous input data of project partners to standardized NetCDF datasets, so that they can be feed via OPeNDAP to the CEOP-AEGIS Data Portal based on the Dapper / DChart technology. A particular focus in the design of this data interface was set to an intermediate data and metadata representation that easily allows to modify its elements with the scope of achieving standardized NetCDF files in a simple way. Considering the extensive variety and amount of data within this project, it was essential to properly design a data interface that converts heterogeneous input data of project partners to standardized and aggregated NetCDF output files in order to ensure maximum compatibility and functionality within the CEOP-AEGIS Data Portal and subsequently interoperability within the scientific community. / Das Hochplateau von Tibet mit einer Ausdehnung von 2.5 Millionen Quadratkilometer und einer durchschnittlichen Höhe von über 4 700 Meter beeinflusst wesentlich den asiatischen Monsun und reguliert mit seinen Schnee- und Eisreserven den Wasserhaushalt der Oberläufe der sieben wichtigsten Flüsse Südostasiens. Von diesem Wasserzufluss leben 1.4 Milliarden Menschen und hängt neben dem Ackerbau und der Wirtschaft das gesamte Ökosystem in dieser Gegend ab. Wie die zunehmende Zahl an Dürren und Überschwemmungen zeigt, sind diese jahreszeitlich beeinflussten Wasserreserven allen Anscheins nach vom Klimawandel betroffen, mit negativen Auswirkungen für die flussabwärts liegenden Stromgebiete und demzufolge die dortige Nahrungsmittelsicherheit. Das internationale Kooperationsprojekt CEOP-AEGIS – finanziert von der Europäischen Kommission unter dem Siebten Rahmenprogramm – hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, die Hydrologie und Meteorologie dieses Hochplateaus weiter zu erforschen, um daraus seine Rolle in Bezug auf das Klima, den Monsun und den zunehmenden extremen Wetterereignissen tiefgreifender verstehen zu können. Im Rahmen dieses Projektes werden verschiedenartigste Erdbeobachtungsdaten von Fernerkundungssystemen, numerischen Simulationen und Bodenstationsmessungen gesammelt und ausgewertet. Sämtliche Endprodukte des CEOP-AEGIS Projektes werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf Grundlage einer über das Internet erreichbaren Datenbank zugänglich gemacht, welche eine Zuarbeit zur Initiative GEOSS (Global Earth Observing System of Systems) ist. Hintergründig basiert das CEOP-AEGIS Datenportal auf einem Dapper OPeNDAP Internetserver, welcher die im NetCDF Dateiformat gespeicherten Daten der vordergründigen internetbasierten DChart Benutzerschnittstelle auf Grundlage des OPeNDAP Protokolls bereit stellt. Eingangsdaten von Partnern dieses Projektes sind heterogen nicht nur in Bezug ihres Dateninhalts, sondern auch in Anbetracht ihrer Datenhaltung und Metadatenbeschreibung. Die Daten- und Metadatenhaltung der im NetCDF Dateiformat gespeicherten Endprodukte dieses Projektes müssen jedoch auf einer standardisierten Basis internationalen Konventionen folgen, damit ein hoher Grad an Interoperabilität erreicht werden kann. In Anbetracht dieser Qualitätsanforderungen wurden die technischen Möglichkeiten von NetCDF, OPeNDAP, Dapper und DChart in dieser Diplomarbeit gründlich untersucht, damit auf Grundlage dieser Erkenntnisse eine korrekte Entscheidung bezüglich der Implementierung eines für CEOP-AEGIS Daten passenden und interoperablen NetCDF Datenmodels abgeleitet werden kann, das eine maximale Kompatibilität und Funktionalität mit OPeNDAP und Dapper / DChart sicher stellen soll. Diese NetCDF Implementierung ist Bestandteil einer neu entwickelten Datenschnittstelle, welche heterogene Daten von Projektpartnern in standardisierte NetCDF Datensätze konvertiert und aggregiert, sodass diese mittels OPeNDAP dem auf der Dapper / DChart Technologie basierendem Datenportal von CEOP-AEGIS zugeführt werden können. Einen besonderen Schwerpunkt bei der Entwicklung dieser Datenschnittstelle wurde auf eine intermediäre Daten- und Metadatenhaltung gelegt, welche mit der Zielsetzung von geringem Arbeitsaufwand die Modifizierung ihrer Elemente und somit die Erzeugung von standardisierten NetCDF Dateien auf eine einfache Art und Weise erlaubt. In Anbetracht der beträchtlichen und verschiedenartigsten Geodaten dieses Projektes war es schlussendlich wesentlich, eine hochwertige Datenschnittstelle zur Überführung heterogener Eingangsdaten von Projektpartnern in standardisierte und aggregierte NetCDF Ausgansdateien zu entwickeln, um damit eine maximale Kompatibilität und Funktionalität mit dem CEOP-AEGIS Datenportal und daraus folgend ein hohes Maß an Interoperabilität innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft erzielen zu können.

The Tibetan Plateau with an extent of about 2,5 million square kilometers at an average altitude higher than 4,700 meters has a significant impact on the Asian monsoon and regulates with its snow and ice reserves the upstream headwaters of seven major south-east Asian rivers. Upon the water supply of these rivers depend over 1,4 billion people, the agriculture, the economics, and the entire ecosystem in this region. As the increasing number of floods and droughts show, these seasonal water reserves however are likely to be influenced by climate change, with negative effects for the downstream water supply and subsequently the food security. The international cooperation project CEOP-AEGIS – funded by the European Commission under the Seventh Framework Program – aims as a result to improve the knowledge of the hydrology and meteorology of the Qinghai-Tibetan Plateau to further understand its role in climate, monsoon and increasing extreme meteorological events. Within the framework of this project, a large variety of earth observation datasets from remote sensing products, model outputs and in-situ ground station measurements are collected and evaluated. Any foreground products of CEOP-AEGIS will have to be made available to the scientific community by an online data repository which is a contribution to the Global Earth Observation System of Systems (GEOSS). The back-end of the CEOP-AEGIS Data Portal relies on a Dapper OPeNDAP web server that serves data stored in the NetCDF file format to a DChart client front-end as web-based user interface. Data from project partners are heterogeneous in its content, and also in its type of storage and metadata description. However NetCDF project output data and metadata has to be standardized and must follow international conventions to achieve a high level of interoperability. Out of these needs, the capabilities of NetCDF, OPeNDAP, Dapper and DChart were profoundly evaluated in order to take correct decisions for implementing a suitable and interoperable NetCDF data model for CEOP-AEGIS data that allows a maximum of compatibility and functionality to OPeNDAP and Dapper / DChart as well. This NetCDF implementation is part of a newly developed upstream data interface that converts and aggregates heterogeneous input data of project partners to standardized NetCDF datasets, so that they can be feed via OPeNDAP to the CEOP-AEGIS Data Portal based on the Dapper / DChart technology. A particular focus in the design of this data interface was set to an intermediate data and metadata representation that easily allows to modify its elements with the scope of achieving standardized NetCDF files in a simple way. Considering the extensive variety and amount of data within this project, it was essential to properly design a data interface that converts heterogeneous input data of project partners to standardized and aggregated NetCDF output files in order to ensure maximum compatibility and functionality within the CEOP-AEGIS Data Portal and subsequently interoperability within the scientific community.:Task of Diploma Thesis ii Declaration of academic honesty vii Abstract ix Acknowledgments xiii Dedication xv Table of Contents xvii List of Figures xxi List of Tables xxiii List of Listings xxv Nomenclature xxvii 1 Introduction 1 1.1 CEOP-AEGIS project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Objective of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Theoretical foundations 13 2.1 NetCDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.1 Data models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2 Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.3 Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.4 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.5 Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.6 NetCDF 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.7 NetCDF 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.8 Common Data Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.9 NetCDF libraries and APIs . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.10 NetCDF utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1.11 NetCDF textual representations . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.12 NetCDF conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 OPeNDAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.2 OPeNDAP servers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.3 OPeNDAP clients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.4 Data Access Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.5 OPeNDAP data models and data types . . . . . . . . . 49 2.2.6 OPeNDAP and NetCDF . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.3 Dapper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.1 Climate Data Portal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.2 System architecture and Dapper services . . . . . . . . 58 2.3.3 Data aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.4 Supported conventions of Dapper . . . . . . . . . . . . 61 2.4 DChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.1 Design goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.2 Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.3 System architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.5 Dapper and DChart configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.5.1 License and release notes . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.5.2 Dapper and DChart system requirements . . . . . . . . 67 3 Implementation 69 3.1 Scientific data types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.1.1 Gridded data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.1.2 In-situ data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2 NetCDF for CEOP-AEGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.1 CF Climate and Forecast Convention . . . . . . . . . . 73 3.2.2 Dapper In-situ Convention . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.2.3 NetCDF implementation for CEOP-AEGIS . . . . . . 89 3.3 CEOP-AEGIS Data Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.1 Intermediate data model . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3.2 Data Interface dependencies . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.3.3 Data Interface usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.3.4 Data Interface modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.4 Final products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4 Conclusion 111 4.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 A Appendix 119 A.1 CD-ROM of project data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A.2 Flood occurrence maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.2.1 Flood occurrence May . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.2.2 Flood occurrence August . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.3 CEOP-AEGIS Data Portal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.3.1 Capture image of CEOP-AEGIS Data Portal . . . . . . 125 A.3.2 Dapper configuration file . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 A.3.3 DChart configuration file . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 A.4 NetCDF data models for CEOP-AEGIS . . . . . . . . . . . . 130 A.4.1 Data model for gridded data . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.4.2 Data model for in-situ data . . . . . . . . . . . . . . . 132 A.5 Upstream data interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 A.5.1 Data Interface and service chain . . . . . . . . . . . . . 134 A.5.2 Data Interface data flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A.5.3 Data Interface data flow 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 136 A.5.4 Data Interface modules and classes . . . . . . . . . . . 137 A.5.5 Data Interface NetCDF metadata file for gridded data 138 A.5.6 Data Interface NetCDF metadata file for in-situ data . 139 A.5.7 Data Interface coordinate metadata file for gridded data140 A.5.8 Data Interface coordinate metadata file for in-situ data 140 A.5.9 Data Interface UI main program . . . . . . . . . . . . . 141 A.5.10 Data Interface UI GrADS component . . . . . . . . . . 142 A.5.11 Data Interface UI GDAL component . . . . . . . . . . 143 A.5.12 Data Interface UI CSV component . . . . . . . . . . . 144 A.5.13 Data Interface settings file for gridded data . . . . . . . 145 A.5.14 Data Interface settings file for in-situ data . . . . . . . 146 A.5.15 Data Interface batch file for data conversion via GrADS146 A.5.16 Data Interface batch file for data conversion via GDAL 147 A.5.17 Data Interface batch file for data conversion via CSV . 148 A.6 Pydoc documentation for upstream data interface . . . . . . . 149 A.6.1 grads_2Interface.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 A.6.2 gdal_2Interface.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A.6.3 csv_2Interface.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 A.6.4 interface_Main.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 A.6.5 interface_Settings.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 A.6.6 interface_Control.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 A.6.7 interface_Model.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 A.6.8 interface_ModelUtilities.py . . . . . . . . . . . . . . . 185 A.6.9 interface_Data.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 A.6.10 interface_ProcessingTools.py . . . . . . . . . . . . . . 191 Bibliography 197 Index 205 / Das Hochplateau von Tibet mit einer Ausdehnung von 2.5 Millionen Quadratkilometer und einer durchschnittlichen Höhe von über 4 700 Meter beeinflusst wesentlich den asiatischen Monsun und reguliert mit seinen Schnee- und Eisreserven den Wasserhaushalt der Oberläufe der sieben wichtigsten Flüsse Südostasiens. Von diesem Wasserzufluss leben 1.4 Milliarden Menschen und hängt neben dem Ackerbau und der Wirtschaft das gesamte Ökosystem in dieser Gegend ab. Wie die zunehmende Zahl an Dürren und Überschwemmungen zeigt, sind diese jahreszeitlich beeinflussten Wasserreserven allen Anscheins nach vom Klimawandel betroffen, mit negativen Auswirkungen für die flussabwärts liegenden Stromgebiete und demzufolge die dortige Nahrungsmittelsicherheit. Das internationale Kooperationsprojekt CEOP-AEGIS – finanziert von der Europäischen Kommission unter dem Siebten Rahmenprogramm – hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, die Hydrologie und Meteorologie dieses Hochplateaus weiter zu erforschen, um daraus seine Rolle in Bezug auf das Klima, den Monsun und den zunehmenden extremen Wetterereignissen tiefgreifender verstehen zu können. Im Rahmen dieses Projektes werden verschiedenartigste Erdbeobachtungsdaten von Fernerkundungssystemen, numerischen Simulationen und Bodenstationsmessungen gesammelt und ausgewertet. Sämtliche Endprodukte des CEOP-AEGIS Projektes werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf Grundlage einer über das Internet erreichbaren Datenbank zugänglich gemacht, welche eine Zuarbeit zur Initiative GEOSS (Global Earth Observing System of Systems) ist. Hintergründig basiert das CEOP-AEGIS Datenportal auf einem Dapper OPeNDAP Internetserver, welcher die im NetCDF Dateiformat gespeicherten Daten der vordergründigen internetbasierten DChart Benutzerschnittstelle auf Grundlage des OPeNDAP Protokolls bereit stellt. Eingangsdaten von Partnern dieses Projektes sind heterogen nicht nur in Bezug ihres Dateninhalts, sondern auch in Anbetracht ihrer Datenhaltung und Metadatenbeschreibung. Die Daten- und Metadatenhaltung der im NetCDF Dateiformat gespeicherten Endprodukte dieses Projektes müssen jedoch auf einer standardisierten Basis internationalen Konventionen folgen, damit ein hoher Grad an Interoperabilität erreicht werden kann. In Anbetracht dieser Qualitätsanforderungen wurden die technischen Möglichkeiten von NetCDF, OPeNDAP, Dapper und DChart in dieser Diplomarbeit gründlich untersucht, damit auf Grundlage dieser Erkenntnisse eine korrekte Entscheidung bezüglich der Implementierung eines für CEOP-AEGIS Daten passenden und interoperablen NetCDF Datenmodels abgeleitet werden kann, das eine maximale Kompatibilität und Funktionalität mit OPeNDAP und Dapper / DChart sicher stellen soll. Diese NetCDF Implementierung ist Bestandteil einer neu entwickelten Datenschnittstelle, welche heterogene Daten von Projektpartnern in standardisierte NetCDF Datensätze konvertiert und aggregiert, sodass diese mittels OPeNDAP dem auf der Dapper / DChart Technologie basierendem Datenportal von CEOP-AEGIS zugeführt werden können. Einen besonderen Schwerpunkt bei der Entwicklung dieser Datenschnittstelle wurde auf eine intermediäre Daten- und Metadatenhaltung gelegt, welche mit der Zielsetzung von geringem Arbeitsaufwand die Modifizierung ihrer Elemente und somit die Erzeugung von standardisierten NetCDF Dateien auf eine einfache Art und Weise erlaubt. In Anbetracht der beträchtlichen und verschiedenartigsten Geodaten dieses Projektes war es schlussendlich wesentlich, eine hochwertige Datenschnittstelle zur Überführung heterogener Eingangsdaten von Projektpartnern in standardisierte und aggregierte NetCDF Ausgansdateien zu entwickeln, um damit eine maximale Kompatibilität und Funktionalität mit dem CEOP-AEGIS Datenportal und daraus folgend ein hohes Maß an Interoperabilität innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft erzielen zu können.:Task of Diploma Thesis ii Declaration of academic honesty vii Abstract ix Acknowledgments xiii Dedication xv Table of Contents xvii List of Figures xxi List of Tables xxiii List of Listings xxv Nomenclature xxvii 1 Introduction 1 1.1 CEOP-AEGIS project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Objective of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Theoretical foundations 13 2.1 NetCDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.1 Data models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2 Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.3 Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.4 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.5 Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.6 NetCDF 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.7 NetCDF 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.8 Common Data Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.9 NetCDF libraries and APIs . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.10 NetCDF utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1.11 NetCDF textual representations . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.12 NetCDF conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 OPeNDAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.2 OPeNDAP servers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.3 OPeNDAP clients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.4 Data Access Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.5 OPeNDAP data models and data types . . . . . . . . . 49 2.2.6 OPeNDAP and NetCDF . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.3 Dapper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.1 Climate Data Portal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.2 System architecture and Dapper services . . . . . . . . 58 2.3.3 Data aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.4 Supported conventions of Dapper . . . . . . . . . . . . 61 2.4 DChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.1 Design goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.2 Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.3 System architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.5 Dapper and DChart configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.5.1 License and release notes . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.5.2 Dapper and DChart system requirements . . . . . . . . 67 3 Implementation 69 3.1 Scientific data types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.1.1 Gridded data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.1.2 In-situ data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2 NetCDF for CEOP-AEGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.1 CF Climate and Forecast Convention . . . . . . . . . . 73 3.2.2 Dapper In-situ Convention . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.2.3 NetCDF implementation for CEOP-AEGIS . . . . . . 89 3.3 CEOP-AEGIS Data Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.1 Intermediate data model . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3.2 Data Interface dependencies . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.3.3 Data Interface usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.3.4 Data Interface modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.4 Final products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4 Conclusion 111 4.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 A Appendix 119 A.1 CD-ROM of project data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A.2 Flood occurrence maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.2.1 Flood occurrence May . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.2.2 Flood occurrence August . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 A.3 CEOP-AEGIS Data Portal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.3.1 Capture image of CEOP-AEGIS Data Portal . . . . . . 125 A.3.2 Dapper configuration file . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 A.3.3 DChart configuration file . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 A.4 NetCDF data models for CEOP-AEGIS . . . . . . . . . . . . 130 A.4.1 Data model for gridded data . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.4.2 Data model for in-situ data . . . . . . . . . . . . . . . 132 A.5 Upstream data interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 A.5.1 Data Interface and service chain . . . . . . . . . . . . . 134 A.5.2 Data Interface data flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A.5.3 Data Interface data flow 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 136 A.5.4 Data Interface modules and classes . . . . . . . . . . . 137 A.5.5 Data Interface NetCDF metadata file for gridded data 138 A.5.6 Data Interface NetCDF metadata file for in-situ data . 139 A.5.7 Data Interface coordinate metadata file for gridded data140 A.5.8 Data Interface coordinate metadata file for in-situ data 140 A.5.9 Data Interface UI main program . . . . . . . . . . . . . 141 A.5.10 Data Interface UI GrADS component . . . . . . . . . . 142 A.5.11 Data Interface UI GDAL component . . . . . . . . . . 143 A.5.12 Data Interface UI CSV component . . . . . . . . . . . 144 A.5.13 Data Interface settings file for gridded data . . . . . . . 145 A.5.14 Data Interface settings file for in-situ data . . . . . . . 146 A.5.15 Data Interface batch file for data conversion via GrADS146 A.5.16 Data Interface batch file for data conversion via GDAL 147 A.5.17 Data Interface batch file for data conversion via CSV . 148 A.6 Pydoc documentation for upstream data interface . . . . . . . 149 A.6.1 grads_2Interface.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 A.6.2 gdal_2Interface.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A.6.3 csv_2Interface.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 A.6.4 interface_Main.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 A.6.5 interface_Settings.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 A.6.6 interface_Control.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 A.6.7 interface_Model.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 A.6.8 interface_ModelUtilities.py . . . . . . . . . . . . . . . 185 A.6.9 interface_Data.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 A.6.10 interface_ProcessingTools.py . . . . . . . . . . . . . . 191 Bibliography 197 Index 205

Grundlage des Buches sind die Beiträge des 1. Dresdner Flächennutzungssymposiums. Dieses ist der Auftakt für eine zukünftig jährlich stattfindende Fachtagung, die Wissenschaft und Praxis zu Fragen der Erhebung, Entwicklung und Prognose der Flächennutzungsentwicklung zusammenführt. Das 1. Buch der beginnenden Reihe „Flächennutzungsmonitoring“ informiert über die amtliche Flächenstatistik einschließlich deren Datengrundlage und alternativer Datengrundlagen für die Flächenerhebung. In diesem Zusammenhang werden auch Indikatoren zur Beschreibung der Flächeninanspruchnahme und der Freiraumentwicklung vorgestellt. Da es hier auch immer wieder um Fragen der Visualisierung geht, werden Verfahren zur kleinräumigen Darstellung von Zustand und Entwicklung von Indikatoren auf verschiedenen räumlichen Ebenen bis hin zu Rasterkarten erläutert. Im abschließenden Beitrag geht es um die Konzeption eines Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung auf Grundlage von geotopographischen Basisdaten.

Für den im Aufbau befindlichen Monitor zur Siedlungs- und Freiraumentwicklung im Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung e. V. sollen im Teilsystem „Freiraumstruktur und Landschaftsfunktionen“ zur Beschreibung von Zustand, Entwicklung und Belastung der Freiräume geeignete Indikatoren entwickelt werden. Dazu werden in diesem Beitrag zunächst vorhandene oder konzeptionierte Indikatorensysteme auf Bundesebene hinsichtlich Ihrer Inhalte zum Freiraum untersucht und verglichen. Auf dieser Basis werden Überlegungen zu ergänzenden Indikatoren angestellt. Es werden Indikatoren u. a. zur Naturnähe und Störungsintensität der Flächennutzung, zu Schutzgebieten, zur Durchlässigkeit des Verkehrsnetzes, zur Dichte von kleinräumigen Landschaftselementen in der Offenlandschaft, zu Veränderungen der Siedlungs- und Verkehrsfläche in Überschwemmungsgebieten und zur Qualität von Erholungsgebieten vorgeschlagen. Deutlich wird aber auch, dass neben den ATKIS-Daten weitere Datengrundlagen herangezogen werden müssen, die derzeit teilweise noch nicht flächendeckend verfügbar sind.

Seit 2010 werden die Geobasisprodukte „Amtliche Hausumringe“ und „Amtliche Hauskoordinaten“ (auch georeferenzierte Adressdaten genannt) – geometrische Teilauszüge der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) – von der Zentralen Stelle für Hauskoordinaten, Hausumringe und 3D-Gebäudemodelle (ZSHH) der Bezirksregierung Köln für länderübergreifende oder bundesweite Untersuchungen angeboten. Erstmals sind dadurch umfassendere Untersuchungen zum deutschen Gebäudebestand möglich und Ausdifferenzierungen nach Menge, geometrischer Eigenschaften (u. a. Gebäudetyp) sowie seiner Nutzung durchführbar. Das Analysepotenzial ist aber noch weitaus größer, da sowohl auf administrativer Ebene als auch auf Rasterebene räumliche Muster für unterschiedliche thematische Fragestellungen abbildbar werden. Das raumbezogene Informationsinstrument Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) ist eine wissenschaftliche Dienstleistung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung und stellt seit 2012 auch Gebäudeindikatoren auf Grundlage dieser Katasterdaten bereit. In diesem Beitrag werden dazu erste Arbeitsergebnisse vorgestellt.

Für die kleinräumige Modellierung und Analyse von Prozessen im Siedlungsraum spielen gebäudebasierte Informationen eine zentrale Rolle. In amtlichen Geodaten, Karten und Diensten des Liegenschaftskatasters und der Landesvermessung werden die Gebäude in ihrem Grundriss modelliert. Semantische Informationen zur Gebäudefunktion, der Wohnform oder dem Baualter sind in den Geobasisdaten nur selten gegeben. In diesem Beitrag wird eine Methode zur automatischen Klassifizierung von Gebäudegrundrissen vorgestellt mit dem Ziel, diese für die Ableitung kleinräumiger Informationen zur Siedlungsstruktur zu nutzen. Dabei kommen Methoden der Mustererkennung und des maschinellen Lernens zum Einsatz. Im Kern werden Gebäudetypologie, Eingangsdaten, Merkmalsgewinnung sowie verschiedene Klassifikationsverfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Generalisierungsfähigkeit untersucht. Der Ensemble-basierte Random-Forest-Algorithmus zeigt im Vergleich zu 15 weiteren Lernverfahren die höchste Generalisierungsfähigkeit und Effizienz und wurde als bester Klassifikator zur Lösung der Aufgabenstellung identifiziert. Für Gebäudegrundrisse im Vektormodell, speziell den Gebäuden aus der ALK, dem ALKIS® oder dem ATKIS® Basis-DLM sowie den amtlichen Hausumringen und 3D-Gebäudemodellen, kann mit dem Klassifikator für alle städtischen Gebiete eine Klassifikationsgenauigkeit zwischen 90 % und 95 % erreicht werden. Die Genauigkeit bei Nutzung von Gebäudegrundrissen extrahiert aus digitalen topographischen Rasterkarten ist mit 76 % bis 88 % deutlich geringer. Die automatische Klassifizierung von Gebäudegrundrissen leistet einen wichtigen Beitrag zur Gewinnung von Informationen für die kleinräumige Beschreibung der Siedlungsstruktur. Neben der Relevanz in den Forschungs- und Anwendungsfeldern der Stadtgeographie und Stadtplanung sind die Ergebnisse auch für die kartographischen Arbeitsfelder der Kartengeneralisierung, der automatisierten Kartenerstellung sowie verschiedenen Arbeitsfeldern der Geovisualisierung relevant.

Der Bestand an analysierbaren, digitalen Daten vergangener Zeitstände zur Siedungsflächenausdehnung, die für eine kleinräumige Analyse der Siedlungsdynamik notwendig sind, steht in einem klaren Widerspruch zu seiner Nachfrage. Topographische Karten im Maßstab 1:25 000 enthalten implizit Grundrissinformationen zu den Elementarobjekten der Siedlungsstruktur – Baublock, Straße und Gebäude – und stellen dafür eine geeignete Datenquelle dar. Das hier vorgestellte automatisierte Verfahren zeigt, wie diese Information für Baublöcke mittels Methoden der digitalen Bildanalyse explizit verfügbar gemacht werden kann.