Komponentengestützte Softwareentwicklung für die Nutzung von Kartendiensten

Die Komponenten eines GIS lassen sich typischerweise in drei Ebenen unterteilen (s. Abb. 1) [1]:

• Dateneingabe: Hier werden alle Daten, welche für die Analyse notwendig sind, eingespeist. Das sind zum einen Daten über die Geographie (Karten, Geodaten, …), als auch die Daten über den zu analysierenden Sachverhalt, zum Beispiel die Verkaufszahlen.
• Datenanalyse: Es erfolgt eine Analyse der Daten, zum Beispiel die Errechnung von Regionen, bestmöglichen Wege oder Abstände zwischen Standorten.
• Datenausgabe: Die Ausgabe der Daten eines GIS kann in Form von Texten, Tabellen oder speziellen Kartendarstellungen erfolgen. Der Schwerpunkt solcher Systeme liegt auf der Präsentation in Form von Karten, da diese intuitiv verständlich sind und eine interaktive Bearbeitung – zum Beispiel ein Zoom in die Karte oder ein Verschieben des Fokus – leicht möglich ist.

Die nachfolgenden Ausführungen beschäftigen sich mit der Integration von Kartendarstellungen in Business-Applikationen. Die Anwender von Software sind in der Handhabung von Karten durch die intensive Nutzung von Diensten wie Google Maps, Bing Maps usw. vertraut. Zuvor erfolgt jedoch eine kompakte Darstellung zur Spezifik von Geodaten und deren Präsentation in Karten.

Für die Speicherung und die Arbeit mit geographischen Daten werden fachlich spezialisierte Datentypen und Darstellungen gewählt. Die Lage eines Punktes auf der Erdoberfläche wird mittels des Winkelmaßes, bezogen auf den Äquator (geographische Breite) und den Nullmeridian (geographische Länge) bestimmt. Ergänzt wird ggf. eine Höhenangabe (geographische Höhe). Die Kombination aus geographischer Breite (Latitude), geographische Länge (Longitude) und geographische Höhe (Altitude) bezeichnet man als geodätisches Datum. Die Festlegung eines Nullmeridians ist willkürlich. Der heute weltweit gebräuchliche Nullmeridian wurde während der Internationalen Meridiankonferenz 1884 in die Meridianebene der Londoner Sternwarte Greenwich gelegt und wird daher oft auch als Greenwich-Meridian bezeichnet.

Um beispielsweise Regionen auf einer Karte exakt zu beschreiben, werden geometrische Primitive verwendet. Häufig eingesetzt wird beispielsweise das Simple-Feature-Modell, welches auch als ISO-Norm (ISO 19125-1) standardisiert ist. Es handelt sich um Geo-Objekte, welche durch geradlinig miteinander verbundene Stützpunkte begrenzt werden, beispielsweise Polygone, Mehrfachlinien usw. Um geographische Repräsentationen in Datenbanken zu speichern wurde der SQL-Standard erweitert. Die Erweiterung SQL/MM (MM = Multimedia) erlaubt es, geometrische Objekte – angewendet für Geodaten-Repräsentationen – in einer Datenbank mit eigens dafür definierten Datentypen zu speichern.

Die Logik dieser geographischen Darstellungen, der Einsatz der speziellen Datentypen und die Speicherung in Geo-Datenbanken spielt für die Softwareentwicklung immer dann eine Rolle, wenn man Datenbestände aus größeren Datensammlungen – einer Geo-Datenbank – abruft. Bekannte Geo-Datenbanken sind beispielsweise Oracle Spatial, PostGIS (Erweiterung zu PostgreSQL) und SpatialLite. Jedoch können auch "herkömmliche" Datenbanksysteme – wie MS SQL Server und MySQL/ MariaDB – mit Geodaten umgehen. Auch NoSQL-Datenbanken, wie MongoDB, bieten die Speicherung von Geodaten und die räumliche Abfrage solcher Daten an.

Betrachtet man die Darstellung von Objekten, Routen und Regionen in Karten, dann wird häufig ein Ebenen-Konzept verwendet (Abb. 3).

Einer Ebene werden alle geographischen Objekte eines Themas zu geordnet. Ebene eins umfasst dann zum Beispiel die aktuellen Angaben zu den Niederschlagsmengen und Ebene zwei die Angaben zu den Temperaturen. Die Ebenen können unabhängig voneinander ein- und ausgeblendet werden.

Softwareentwicklung mit Kartendiensten

Auch jenseits von umfassenden GIS gibt es ein großes Potenzial, Daten aus den unterschiedlichsten Bereichen mit Hilfe von Karten zu visualisieren. Dabei kann der Entwickler auf unterschiedliche Kartendienste zurückgreifen. Dazu gehören beispielsweise Google Maps, Here Maps, Microsoft Bing Maps, OpenStreetMap usw. Dabei bieten die Dienste ähnliche Funktionen, zum Beispiel die Anzeige von Orten und Routen, die Visualisierung von Bereichen oder das Ein- und Ausblenden von weiteren Informationen. Zusatzdienste, zum Beispiel die aktuelle Verkehrssituation, kann über eine API bei einigen Diensten abgerufen werden. Meist muss man sich bei dem Dienst zur Nutzung anmelden und einen identifizierenden Key abrufen. Einige Services der Dienste stehen kostenfrei zur Verfügung, andere werden gegen Zahlung einer Lizenzgebühr angeboten. Für die Einbindung in das eigene Programm existiert dann im Idealfall ein spezielles Software Development Kit (SDK). Dieses kann vom Serviceanbieter, von einem Drittanbieter oder von der Community bereitgestellt werden. Die Nutzung eines SDK vereinfacht die Programmierung des Kartendienstes i. d. R. deutlich gegenüber der Verwendung eines generischen API. Möchte man Services von unterschiedlichen Diensten in einer oder mehreren Anwendungen nutzen, dann muss man sich mit den diversen Programmierschnittstellen und den zugehörigen Dokumentationen auseinandersetzen.

3. Festlegung von statischen Kartenelementen: Während der Designzeit der Applikation können bestimmte statische Eigenschaften festgelegt werden. Dazu zählen beispielsweise Marker oder die Definition einer Region mit ihrer graphischen Entsprechung.

Abb. 5 zeigt das Hinzufügen der Komponente zum Formular in der Entwicklungsumgebung und die Anpassung der Eigenschaften.

Alle Eigenschaften der Karte und Elemente können dynamisch zur Laufzeit angepasst werden. Das Vorgehen gestaltet sich intuitiv, wie der folgende Quellcodeausschnitt (Object Pascal) zeigt:

procedure TForm1.AddCircleToMap;
var
  c: 	TTMSFNCMapsCircle;
  pos: TTMSFNCMapsCoordinateRec;
begin
  pos.Longitude:= 11.08;
  pos.Latitude:= 49.45;

  TMSFNCMaps1.BeginUpdate;
  
  TMSFNCMaps1.SetCenterCoordinate(pos);
  c := TMSFNCMaps1.AddCircle(pos, 2000);
  c.FillColor := gcOrange;
  c.FillOpacity := 0.5;
  c.StrokeColor := gcGreen;
  c.StrokeWidth := 4;

  TMSFNCMaps1.EndUpdate;
end;

Es werden zwei Objekte definiert. Eine Geo-Position, charakterisiert über die Koordinaten. In diesem Fall ist es ein Standort in der Gegend um Nürnberg mit der Position Longitude = 11.08 und Latitude = 49.45. Die Karte wird auf diese Position zentriert. Ebenso wird eine Region definiert. In diesem Fall ein Kreis mit einem Radius von 2.000 Metern. Farben werden zur visuellen Hervorhebung festgelegt. Die Änderungen in der Darstellung der Karte werden dynamisch während der Laufzeit der Anwendung vorgenommen.

Nach dem Start der Anwendung und einem Klick auf den Button wird die Karte zentriert und die Region um den gewählten Standort bei Nürnberg eingezeichnet. Im ersten Fall wird als Dienst OpenStreetMaps verwendet. Ändert man den Dienst über die Eigenschaft Service auf Bing Maps und erfasst zusätzlich einen API-Key, welchen man über Microsoft auf der Seite des Dienstes erhält, dann wird in der Anwendung die Karte mittels Bing Maps gerendert. Weitere Anpassungen sind nicht notwendig. Den Einsatz der anderen API bemerkt der Entwickler nicht, der Quellcode muss nicht angepasst werden. Man erkennt leichte Unterschiede in der Darstellung, d. h. der initialen Zoomgröße bei gleicher Vorgabe und minimale farbliche Differenzen (s. Abb. 6).

Diese Funktionen werden häufig benötigt und damit wird die Implementierung erheblich vereinfacht. Zur Routenfunktion erfolgt nachfolgend eine Demonstration zur Verwendung in der eigenen Applikation. Für die Bestimmung von Routen zwischen Standorten gibt es die Komponente TMSFNCRouteCalculator. Dabei handelt es sich um eine nicht-visuelle Komponente, welche mit der vorgestellten Komponente TMSFNCMaps zusammenarbeitet. Für die Bestimmung der Route muss man ebenfalls einen Dienst wie Bing Maps oder Google Maps auswählen und ggf. auch hier einen API-Key hinterlegen. Beide Komponenten werden zur Entwurfszeit der App miteinander über die Eigenschaften verbunden (Abb. 7).

Startet man dann die App, kann man interaktiv Start- und Zielpunkt auf der Karte auswählen, die Route wird berechnet und angezeigt (Abb. 8).

Diverse Optionen zur Berechnung der Route (Straße, öffentliche Verkehrswege) oder die Art und Gestaltung der Marker können nach Wunsch konfiguriert werden. Neben dem interaktiven Vorgehen kann man alle Optionen zur Konfiguration und Berechnungen für die gewünschte Routen auch aus dem Quellcode heraus vornehmen. Die Daten dafür können dann zum Beispiel aus einer Datenbank stammen. Auch dieses Beispiel demonstriert, wie einfach mit Hilfe von Komponenten typische Aufgaben einer geodaten- bzw. kartenbasierten Anwendung umgesetzt werden können.