Die FG Vermessung betreut unter anderem ca. 300 Vermessungsverträge bei ca. 150 Planungs- und Bauprojekte pro Jahr. Dabei werden Bestandsvermessungen einerseits im Zuge der Planung als Basis für den Entwurf von Straßen und andererseits im Zusammenhang mit dem Bau als Bestandsvermessung (vermessungstechnische Bestandsvermessung) generiert. Selbst bei Erhaltungsmaßnahmen wie Deckenerneuerungen werden seit wenigen Jahren die Bestandserfassungen für die neue Decke eingefordert.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Projektbeteiligte

1.1 Landesstraßenbaubehörde Sachsen-Anhalt

Die Landesstraßenbaubehörde (LSBB) plant, baut und betreibt für das Land Sachsen-Anhalt und die Bundesrepublik Deutschland alle Bundes- und Landesstraßen im Bereich von Sachsen-Anhalt. Sie ist in eine Zentrale, 5 Regionalbereiche und 23 Straßenmeistereien gegliedert.

Die Fachgruppe Vermessung in der Zentrale der LSBB ist vorrangig zuständig für Ingenieurvermessungen im Zusammenhang mit der Planung, dem Bau und für den Betrieb der Straßen und Ingenieurbauwerke. Zur Erledigung der Aufgabenfelder wurde in Zusammenarbeit mit der interactive instruments GmbH eine OKSTRA-DB entwickelt, um die Bestandsvermessungen behördenintern zur Nutzung bereitzustellen.

1.2 Gesellschaft für Informationstechnologie mbH

Die Gesellschaft für Informationstechnologie mbH ist ein Anbieter von Software und Lösungen im Bereich Geographische Informationssysteme, Datenbanken und Internet-Solutions.

Das Unternehmen entwickelte dabei u. a. das Geoinformationssystem „Themenbrowser Internet Map Server“ (TBIMS), welches in Sachsen-Anhalt behördenübergreifend Anwendung findet und eine gegenseitige Bereitstellung von geografischen Informationen sicherstellt. Der TBIMS dient im Anwendungsfall der Vermessungsdatenbank als Grafik-Frontend der Visualisierung und Bereitstellung der Vermessungsdaten.

1.3 interactive instruments GmbH

Die interactive instruments GmbH ist ein Softwareunternehmen, welches 1985 gegründet, wurde und auf Entwicklungen im Bereich raumbezogene Informationen spezialisiert ist. Das Unternehmen ist seit 20 Jahren die OKSTRA-Pflegestelle und hat die OKSTRA-Klassenbibliothek OKLABI entwickelt und pflegt diese.

Durch die interactive instruments GmbH wurde in Zusammenarbeit mit der GFI die Datenbank für Bestandsvermessungen inkl. der Import- und Exportfunktionalität sowie der Werkzeuge zur Datenbankpflege für das Land Sachsen-Anhalt entwickelt. Die Firma ist aktuell auch für die Weiterentwicklung und die Pflege der Datenbank beauftragt.

2 Problemstellung

2.1 Ausgangslage

Die FG Vermessung betreut unter anderem ca. 300 Vermessungsverträge bei ca. 150 Planungs- und Bauprojekte pro Jahr. Dabei werden Bestandsvermessungen einerseits im Zuge der Planung als Basis für den Entwurf von Straßen und andererseits im Zusammenhang mit dem Bau als Bestandsvermessung (vermessungstechnische Bestandsvermessung) generiert. Selbst bei Erhaltungsmaßnahmen wie Deckenerneuerungen werden seit wenigen Jahren die Bestandserfassungen für die neue Decke eingefordert.

Hinsichtlich der vermessungstechnischen Bestandsdokumentationen hat sich bis etwa 2005 sehr häufig die Frage gestellt, ob die Kosten für ihre Erstellung den Nutzen aufwiegen. In den letzten 15 Jahren hat sich die Situation entscheidend geändert. Die Nachfrage nach genauen Bestandsdaten ist von Jahr zu Jahr stetig gestiegen. Die Veranlassungen ergaben sich aus folgenden Sachverhalten:

• Bereitstellung von genauen Flächendaten für die Vergabe von Betriebsdienstleistungen z. B. Böschungen,
• Bestandsvermessungen für die zwischenzeitlich immer mehr eingeforderte Planung von Erhaltungsmaßnahmen,
• Bereitstellung von Bestandsvermessungen zur Ermittlung hochwassergefährdeter Straßenverkehrsanlagen und Ingenieurbauwerke,
• Bereitstellung von Geometrie für den nach EU-Wasserrahmenrichtlinie geforderten Nachweis der Entwässerung der Straßen.

2.2 Initialproblem

Die FG Vermessung der LSBB übernimmt seit 2008 die im Zusammenhang mit Bestandsvermessungen erstellten Bestandsmodelle ausnahmslos nur noch in OKSTRA-Datenformaten. Da die Übernahme der Daten automatisiert auf Basis der Zuordnung der Fachbedeutungen zu den Ebenen erfolgt, lässt sich die Zeit, die für die Prüfung der Daten benötigt wurde, auf etwa ein Drittel der bisher gängigen Praxis (DXF, D01 usw.) reduzieren. Außerdem besteht mit dem OKSTRA-Werkzeug ein Tool, welches bereits dem Auftragnehmer eine Prüfung der Daten auf Konsistenz erlaubt.

Die Daten sind projektbezogen auf die Planungs- bzw. Baumaßnahme in einem Dateisystem auf einem Fileserver abgelegt. Die Daten sind verfügbar und könnten jederzeit manuell abgerufen werden. Der Aufwand für die Bereitstellung von Daten aus der dargelegten Datenhaltung ist jedoch ineffektiv und erfordert einen hohen Koordinierungsaufwand für die Bereitstellung. Insbesondere resultieren daraus folgende Probleme:

• keine datensatzunabhängige und dauerhafte Visualisierung der Bestandsdaten,
• Umfang und Inhalt der vorliegenden Daten ist ausschließlich dem betreuenden Ingenieur bekannt,
• für eine konkrete Bereitstellung von Daten aus einem definierten Bereich des Straßennetzes ist die Kenntnis über die Inhalte sämtlicher Projekte erforderlich,
• eine Mehrfachaufnahme von Straßenbereichen ist meistens die Regel B. bei kreuzende Straßen und überschneidenden Planungs- oder Bauabschnitten,
• aus unterschiedlichen Geländevermessungen zu verschiedenen Zeitpunkten resultieren Differenzen bei den aufgenommenen topographischen Elementen (siehe Bild 1),
• Harmonisierung von Daten aus unterschiedlichen Projekten erfolgt nur bei Projektverknüpfungen,
• Metadaten nur bedingt vorhanden und einsehbar (im Fließtext der XML-Datei).

Bild 1: Überschneidende Datensätze an der B100

Bild 2: Geometrische Differenz zwischen den Datensätzen

2.3 Idee zur Lösung des Problems

Angesichts der immer knapper werdenden personellen Ressourcen ergab sich relativ schnell nur eine Lösungsmöglichkeit. Die bisherige Datenhaltung musste von den einzelnen Dateien auf eine vollumfängliche Datenbank umgestellt werden. Dabei können zusätzliche Möglichkeiten wie u. a. die Visualisierung der Daten genutzt werden. Folgende Anforderungen wurden festgelegt:

• Optimieren der Geschäftsprozesse,
• konsistente Datenhaltung,
• Vereinheitlichung der Datenformate,
• Import der Daten nach Prüfung und Übernahme aus OKSTRA-Dateien in die OKSTRA-Datenbank,
• Datenhaltung der Bestandsvermessungen in der LSBB nur noch in einer Datenbank,
• Ermöglichung von Exporten über eine flächenhafte Abfrage ausgewählter Daten aus der Datenbank in OKSTRA-Dateien,
• Parallelbearbeitung des Datenbestandes,
• Visualisieren der Daten über GIS-Systeme (TBIMS oder QGIS),
• Berücksichtigung von Lage- und Höhensystem,
• Fortführungsmöglichkeit und Historisierung,
• Bereitstellung der Daten zum Download über den OkWS.

2.4 Grundlagen für die Problemlösung

Als rechtliche Grundlagen liegen das ARS 24/2010 des BMDV und der Einführungserlass des Ministeriums für Infrastruktur und Digitales vom 4.11.2016 vor.

Technische Grundlagen für die Umsetzung sind der OKSTRA von V2.015 bis V2.020 und die aktuellste Version 1.4.0.12 der OKLABI. Importiert werden aktuell vorwiegend Geometrieobjekte, wobei die Fachbedeutungstabelle Sachsen-Anhalt V. 3.1 genutzt wird. Enthalten die Daten Fachobjekte wie z. B. Bäume und Böschungen, dann werden diese als Fachobjekt übernommen.

3 Umsetzung

3.1 Datenschema

Zum Einsatz bei der Abbildung und Speicherung der Daten kommt das OKSTRA-Datenschema. Dieses ist ein großer Objektkatalog, der zahlreiche in Deutschland geltende Regelwerke abbildet und zum herstellerneutralen Datenaustausch dient. Die Modellierung des OKSTRA geschieht objektorientiert in UML und das primäre Austauschformat ist GML. Der OKSTRA ist ein lebender Standard und befindet sich laufender Weiterentwicklung, orientiert am Bedarf aus den unterschiedlichsten Bereichen.

Die in der Vermessungsdatenbank vorkommenden Fachobjekte bilden eine relativ kleine Untermenge des gesamten OKSTRA-Datenschemas ab. Primär werden allgemeine Geometrieobjekte vorgehalten, der Bereich Entwurf/Planung spielt eine große Rolle. Dazu kommen auch Fachobjekte zur detaillierten Beschreibung der Landschaft wie z. B. Böschungen, Bäume und digitale Geländemodelle. Die Datenhaltung verwendet eine ganz ähnliche Datenbankabbildung, wie sie auch im OkWS benutzt wird. Die Implementierung in der Software benutzt die OKSTRA-Klassenbibliothek.

Über den Umfang der Standardimplementierung in der OKLABI für die Datenbankstruktur hinausgehend, speichert die Vermessungsdatenbank diverse weitere Informationen zu den Datensätzen, die in die Datenbank hinein geladen werden. Im Grunde handelt es sich dabei um Metadaten zu den Datensätzen, deren Wichtigkeit nicht unterschätzt werden darf, z. B. im Hinblick auf die Nachverfolgbarkeit von Datenbearbeitungen.

3.2 OKSTRA Prüftool

Das OKSTRA-Prüftool ist als Webdienst verfügbar und erlaubt die fachliche Validierung von OKSTRA-Daten. Hierbei können zurzeit keine OKSTRA-Profile berücksichtigt werden, diese Fähigkeit ist in Vorbereitung. Als Resultat der fachlichen Prüfung erhält man ein Protokoll der Ergebnisse. Wenn geometrische Informationen im Prüfdatensatz vorhanden sind, kann man auch eine grafische Darstellung im Browser anzeigen lassen.

3.3 OKSTRA Werkzeug

Das OKSTRA-Werkzeug ist eine Windows-Anwendung, die auf der OKLABI basiert und allen Anwendern kostenfrei zur Verfügung steht. Hiermit können viele verschiedene Aktionen mit OKSTRA-Daten ausgeführt werden, z. B. die Transformation von Koordinatenreferenzsystemen oder die Datenmigration zwischen verschiedenen OKSTRA-Versionen.

Insbesondere ermöglicht das OKSTRA-Werkzeug die fachliche Prüfung von Daten, auch mit Berücksichtigung von OKSTRA-Profilen. Dabei entsteht ein Prüfprotokoll, an dem man die Gültigkeit des Datensatzes oder aber auch mögliche Fehlersituationen erkennen kann. Mit der vorgelagerten Prüfung vor einer Datenlieferung kann zum Beispiel ein Vermessungsbüro im Vorfeld die formale Integrität der Daten sicherstellen.

3.4 Aufbau der DB und Betrieb als Dienst

Die Vermessungsdatenbank benutzt dieselbe Datenbankabbildung, die in verschiedenen anderen Anwendungsbereichen gleichartig zum Einsatz kommt. Für die besonderen Belange der Datenhaltung werden weitere Daten mitgespeichert (vorwiegend Metadaten). Sofern das Attribut OKSTRA_ID für eine Objektart vorhanden ist, werden alle diesbezüglichen Fachobjekte damit ausgerüstet, die hierin noch keinen Eintrag beim Einladen besitzen. Über dieses Attribut kann dann eine Versionskette aufgebaut werden. Dabei kommt die OKSTRA_ID als Objektidentifikator zum Einsatz. Verschiedene Objektzustände besitzen dieselbe OKSTRA_ID aber unterschiedliche Datenbankkennungen.

Die Vermessungsdatenbank wird bei der LSBB Sachsen-Anhalt als Webdienst betrieben und steht als sogenanntes Tomcat-Servlet zur Verfügung. Die Implementierung erfolgt in Java. Die Datenbanktabellen stehen bei der LSBB im dortigen GIS-Auskunftssystem (Themen-browser) den Anwendern als Bildebenen zur Verfügung. Upload und Download der Daten wird über Dialoge im GIS-System ermöglicht.

3.5 IT-Grundlage

Das IT-System ist modular aufgebaut, sodass eine funktionale Trennung ermöglicht wird. Der IT-technische Grundsatz zur Trennung der systemischen Komponenten für Datenhaltung, Datenpräsentation und Datenadministration ist umgesetzt.

Zur zentralen Datenhaltung wird ein „PostgreSQL“-Datenbankserver genutzt. Neben der Bestandsdatenbank (OKSTRA-Datenbank für Vermessungsdaten) werden in diesem Datenbankenmanagementsystem noch weitere Datenbanken der LSBB geführt (z. B. Festpunktdatenbank). Sämtliche in den Datenbanken vorgehaltenen Daten werden über die Anwendung ArcMap auf dem „Applikationsserver“ zunächst sinnvoll visualisiert. Über diese Anwendung können außerdem entsprechende Sach- und Metadaten aufbereitet und angefügt werden. Die eigentliche Administration der zu präsentierenden Daten erfolgt auf einem dafür vorgesehenen „Administrationsserver“. Neben der Datenadministration wird hier auch die Administration der Nutzer/Nutzergruppen vorgenommen. Eine Präsentation der Daten erfolgt über den „Web-Server“ im Themenbrowser Internet Map Servers (TBIMS).

Bei dem Webserver (Präsentation der Daten), dem Administrationsserver (Verwaltung von Nutzer und Daten), dem Applikationsserver (Anwendungsserver zur Vorbereitung der Datenpräsentation) sowie dem Datenbankserver (Datenhaltung) handelt es sich also um getrennte Systeme, die auf getrennten Servern installiert sind. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten erfolgt über etablierte Webstandards, sodass der Wechsel eines einzelnen Moduls (Software oder Anbieterwechsel) mit kalkulierbarem Aufwand möglich ist.

Neben dem Produktivsystem aus diesen vier Modulen ist außerdem ein getrenntes Testsystem vorhanden. Dieses verfügt über einen identischen Aufbau hinsichtlich der Hard- und Software. Im Testsystem werden alle Komponenten vor der Übernahme in das Produktivsystem getestet und erst nach der Freigabe in diese übernommen.

3.6 Datentransfer

Der Daten Im- und Export erfolgt über eine Erweiterung im WebGIS, wobei der Datenimport nur durch vorab berechtigte Nutzer/Nutzergruppen durchgeführt werden kann. So soll sichergestellt werden, dass nur vorab geprüfte und zum Import freigegebene Datensätze importiert werden. Derzeit ist eine manuelle Eingabe der Metadaten erforderlich (siehe Bilder 3 und 4). Einen lesenden Zugriff und die Möglichkeit zum Export selektierter Datenbereiche hat ein erweiterter Nutzerkreis. Eine Bearbeitung der OKSTRA-Daten im WebGIS ist nicht vorgesehen und erfolgt nach Bedarf im CAD-Programm des Anwenders.

Bild 3: Eingabemaske zum Datenupload

Bild 4: Eingabedialog zum Datendownload

3.7 Visualisierung

Die Visualisierung der Vermessungsdaten aus der Datenbank erfolgt derzeit mittels TBIMS-Systems und QGIS.

3.7.1 Themenbrowser Internet Map Servers (TBIMS)

Der Themenbrowser Internet Map Servers (TBIMS) ist ein GIS-Auskunftssystem der Gesellschaft für Informationstechnologie mbH, auf welches sowohl Beschäftigten der LSBB als auch Beschäftigte anderen Landesverwaltungen Zugriff haben. Neben der Visualisierung von Raster- und Vektordaten sowie der Pflege und Präsentation von Metadaten verfügt die Anwendung auch über Möglichkeiten der Datenbereitstellung über WMS-Dienste. So ermöglicht es z. B. die gegenseitige Bereitstellung von Geodaten zwischen den verschiedenen Landesbehörden. Die Bedienung und Darstellung der Daten ist ähnlich den meisten gebräuchlichen GIS-Systemen und auch systemtypische Basiswerkzeuge werden dem Nutzer bereitgestellt. Hierzu zählen u. a. das Einfügen und Zeichnen von Vektordaten und Texten sowie das Speichern und Drucken von individuell angepassten Kartenausschnitten.

Die Daten der Vermessungsdatenbank werden derzeit über typische Vektorlayer (Punkt-, Linien- und Polygonobjekte) dargestellt (siehe Bild 5). An einer Lösung der symbolisierten Datenpräsentation wird gearbeitet.

Bild 5: Darstellung Datensatz aus der Vermessungsdatenbank im TBIMS

3.7.2 QGIS

Neben dem TBIMS nutzen die Mitarbeiter der LSBB zur Visualisierung und Bearbeitung von Geodaten auch die Software QGIS. Hier handelt es sich um eine freie Geoinformationssoftware mit sämtlichen gängigen Werkzeugen zur digitalen Erfassung, Bearbeitung, Verwaltung, Analyse, Modellierung und Visualisierung raumbezogener Daten und ihrer Beziehungen untereinander.

Die Daten der Vermessungsdatenbank können hierbei direkt über die PostGIS-Schnittstelle integriert werden. Hilfreich bei der Visualisierung der Daten ist die Erstellung von Datenbankensichten und der damit verbundenen Möglichkeit die Daten entsprechend der Fachbedeutung zu visualisieren (siehe Bild 6).

Bild 6: Darstellung Datensatz aus der Vermessungsdatenbank im QGIS

4 Ausblick

4.1 Höhentransformation

Die Langlebigkeit der Daten, die im Straßennetzbereich anfallen, macht es erforderlich, dass künftig auch das Höhensystem mitzupflegen ist (angesichts der Zyklen, in denen neue Höhensysteme herausgegeben werden).

Die OKLABI wird hierzu mit der Fähigkeit zur Höhentransformation ausgerüstet werden. Hierfür soll eine Programmbibliothek zum Einsatz kommen, die bei der Bezirksregierung Köln entwickelt wurde und bei der zurzeit eine Überarbeitung ansteht.

4.2 Metadaten

Die Bedeutung von Metadaten beim Datenaustausch ist offenkundig. Es ist stets wichtig zu wissen, woher Daten stammen, welche Angaben zu den inhaltlichen Gegebenheiten vorliegen, welchen Bearbeitungsschritten die Daten unterzogen wurden und von wem. Die Nachvollziehbarkeit der Datenhistorie ist ein wesentlicher Bestandteil eines Datensatzes.

Am Umfang der Metadaten, die einem OKSTRA-Datensatz generell hinzugefügt werden können, wird zurzeit gearbeitet. Für die Vermessungsdatenbank gilt, dass für jedes übernommene Fachobjekt zusätzlich gespeichert wird:

• Koordinatenreferenzsystem der Ausgangsdaten,
• Höhensystem der Ausgangsdaten,
• Version der Fachbedeutungsliste,
• Projektbezeichnung,
• Auftragskennung (es sind mehrere Datensätze je Projekt möglich),
• Änderungsdatum.

Die zu übernehmenden Metadaten werden bei Bedarf erweitert.

4.3 Identifikation von Fachobjekten und Historisierung

Die lange Lebensdauer von Fachobjekten, die letztlich Gegenständen in der Realität entsprechen, macht es wahrscheinlich, dass sich im Verlauf des Lebenszyklus etwas daran verändern wird. Um die durchgängige Abbildung in einer Datenhaltung zu gewährleisten, muss man deshalb in der Lage sein, die Objekte wieder zu finden. Ferner ist es für die Bestanddokumentation wichtig, die Geschichte eines Fachobjektes verfolgen zu können.

In der Vermessungsdatenbank werden zur Identifikation sogenannte GUIDs benutzt (globally unique identifier), die im OKSTRA-Datenformat im Attribut OKSTRA_ID stecken. Jedes Fachobjekt erhält hier eine Zuweisung bei der Übernahme, sofern dieses Attribut noch nicht belegt ist. Stellt sich heraus, dass ein Fachobjekt über seine OKSTRA_ID bereits bekannt ist, werden die Objektzustände verglichen. Gibt es Abweichungen, wird eine neue Objektinstanz angelegt. Dabei gilt:

• Identifizierung des Fachobjektes geschieht durch die OKSTRA_ID,
• Erkennung der Objektversion erfolgt durch die Datenbank-Kennung.

Wenn man nun noch die Objektversionen über ihre Datenbank-Kennungen miteinander verknüpft, wie es in der Vermessungsdatenbank geschieht, erhält man eine Objekthistorie, da jedem Fachobjekt ein Änderungsdatum mitgegeben wird.

Diese Aspekte sind ebenfalls wichtig für die Fragestellungen zum inkrementellen Datenaustausch, die zurzeit diskutiert werden.

4.4 Datenbereitstellung über Dienste

Die Vermessungsdatenbank wird als Datenlieferant zu Testzwecken bei der Entwicklung des ITKo-OkWS mit angebunden. Die notwendigen Tätigkeiten werden zurzeit vorbereitet. Zum Einsatz kommt dabei der sogenannte Kommunikationskanal der OKLABI, der den Datenfluss zwischen dem ITKo-OkWS und der Datenbank organisiert. Als Voraussetzung zur Nutzung des ITKo-OkWS werden gerade das erforderliche OKSTRA-Vermessungsprofil und geeignete Stored-Query-Abfragen erstellt.