Potentially Polluting Marine Sites GeoDB: An S-100 Geospatial Database as an Effective Contribution to the Protection of the Marine Environment

Potentially Polluting Marine Sites (PPMS) are objects on, or areas of, the seabed that may release pollution in the future. A rationale for, and design of, a geospatial database to inventory and manipu-late PPMS is presented. Built as an S-100 Product Specification, it is specified through human-readable UML diagrams and implemented through machine-readable GML files, and includes auxiliary information such as pollution-control resources and potentially vulnerable sites in order to support analyses of the core data. The design and some aspects of implementation are presented, along with metadata requirements and structure, and a perspective on potential uses of the database

Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet

Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet

Potentially Polluting Marine Sites GEODB: An S-100 Geospatial Database as an Effective Contribution to the Protection of the Marine Environment

Potentially Polluting Marine Sites (PPMS) are objects on, or areas of, the seabed that may release pollution in the future. A rationale for, and design of, a geospatial database to inventory and manipu-late PPMS is presented. Built as an S-100 Product Specification, it is specified through human-readable UML diagrams and implemented through machine-readable GML files, and includes auxiliary information such as pollution-control resources and potentially vulnerable sites in order to support analyses of the core data. The design and some aspects of implementation are presented, along with metadata requirements and structure, and a perspective on potential uses of the database.Los sitios marinos potencialmente contaminantes (PPMS) son objetos o zonas de fondos marinos que pueden producir contaminación en el futuro. Se presenta un fundamento para y un diseño de una base de datos geoespacial para hacer un inventario y manipular los PPMS. Creada como una Especificación de Producto de la S-100, se especifica mediante un diagrama UML de fácil lectura y se implementa mediante ficheros GML (de marcaje geográfico) legibles por máquinas, e incluye información auxiliar como recursos para controlar la contaminación y sitios potencialmente vulnerables, para apoyar los análisis de los datos fundamentales. Se presentan el diseño y algunos aspectos de la implementación, junto con los requisitos y la estructura de los metadatos, y una perspectiva sobre los posibles usos de la base de datos.Les sites marins potentiellement polluants (PPMS) sont des objets situés sur le fond marin, ou des zones du fond marin, qui sont susceptibles dans le futur de relâcher de la pollution. La raison d’être et la conception d’une base de données géospatiales visant à inventorier et à manipuler les PPMS sont présentés. Conçue en tant que spécification de produit de la S-100, elle est définie via des diagrammes UML lisibles par l’homme et mise en oeuvre via des fichiers GML lisibles en machine, et elle inclut des renseignements auxiliaires, tels que les ressources anti-pollution et les sites potentiellement vulnérables, aux fins d’appuyer les analyses des données de base. La conception et certains aspects de la mise en oeuvre sont présentés, en même temps que les exigences et la structure des métadonnées, et une perspective sur les utilisations potentielles de la base de données

Geographica: A Benchmark for Geospatial RDF Stores

Geospatial extensions of SPARQL like GeoSPARQL and stSPARQL have recently been defined and corresponding geospatial RDF stores have been implemented. However, there is no widely used benchmark for evaluating geospatial RDF stores which takes into account recent advances to the state of the art in this area. In this paper, we develop a benchmark, called Geographica, which uses both real-world and synthetic data to test the offered functionality and the performance of some prominent geospatial RDF stores

Using nosql databases in the 3d cadastre domain

The 3D cadastre concept brings data models, which are more complex than traditional 2D cadastral data models and could be followed by a large amount of data. The 3D cadastral data should be stored in database management systems, since the cadastral data integrity and consistency have to be satisfied. Relational database management system requires a tabular structure where data are stored within predefined columns and data types, and this could be uncomfortable for 3D cadastre until relational provides full 3D support. This study examines the possibility of using NoSQL databases in the 3D cadastre domain. NoSQL database stores unstructured data, which means that it is not required to define in advance what data types and categories will be used. From the 3D cadastre point of view, the NoSQL approach provides flexibility in data types and allows easier implementation of the 3D cadastral models. The implementation is conducted by using MongoDB and 3D Cadastral Data Model, where 3D cadastral data, including both alphanumerical and geometry part of data, are prepared for importing and then stored, managed, queried, and updated within NoSQL database. Furthermore, data stored in MongoDB are visualized and queried inside a web browser by using Cesium library

GeoTriples: Transforming geospatial data into RDF graphs using R2RML and RML mappings

A lot of geospatial data has become available at no charge in many countries recently. Geospatial data that is currently made available by government agencies usually do not follow the linked data paradigm. In the few cases where government agencies do follow the linked data paradigm (e.g., Ordnance Survey in the United Kingdom), specialized scripts have been used for transforming geospatial data into RDF. In this paper we present the open source tool GeoTriples which generates and processes extended R2RML and RML mappings that transform geospatial data from many input formats into RDF. GeoTriples allows the transformation of geospatial data stored in raw files (shapefiles, CSV, KML, XML, GML and GeoJSON) and spatially-enabled RDBMS (PostGIS and MonetDB) into RDF graphs using well-known vocabularies like GeoSPARQL and stSPARQL, but without being tightly coupled to a specific vocabulary. GeoTriples has been developed in European projects LEO and Melodies and has been used to transform many geospatial data sources into linked data. We study the performance of GeoTriples experimentally using large publicly available geospatial datasets, and show that GeoTriples is very efficient and scalable especially when its mapping processor is implemented using Apache Hadoop

A workbench for advanced database implementation and benchmarking

This work focuses on a methodology to help bring many of our database artifacts and prototypes to reside on the top of a common workbench platform that leads to uniformity and removes overlap across different subsystems. A versatile command format has been developed to allow commands belonging to different subsystems to be interleaved in the same batch unambiguously. Through a collaborative effort carried on in parallel, existing GUIs (Graphical User Interfaces) have also been merged into a common, but simple GUI. The GUI executes a batch of commands. Subsystem currently included are: a runner for SQL on a variety of database platforms, a runner for Quilt queries (Quilt is an early version of XQuery and runs on a platform called KWEELT), ElementalDB, an experimental database system used for instruction in a graduate database implementation course, our own XQuery engine which aims at handling data in terabyte range stored in our storage in paginated form using our pagination algorithm, a research prototype for NC94, an important spatiotemporal data set in agriculture, and a research prototype for a temporal database. The organization of the subsystems follows strict convention for ease of further development and maintenance. XML is used extensively by various subsystems. An XML based framework has been developed for benchmarking subsystems to make experiments completely repeatable at click of a button starting from creation of storage, loading of data sets, execution of commands, collecting performance data in XML-based logs to reporting using XQuery queries on the XML logs. With a very small learning curve, the resulting workbench can be used by students, instructors, developers and researchers alike and managed easily

Integration of weakly heterogeneous semistructured data

While most business applications typically operate on structured data that can be effectively managed using relational databases, some applications use more complex semistructured data that lacks a stable schema. XML techniques are available for the management of semistructured data, but such techniques tend to be ineffective when applied to large amounts of heterogeneous data, in particular in applications with complex query requirements. We describe an approach that relies on the mapping of multiple semistructured data sets to object-relational structures and uses an object-relational database to support complex query requirements. As an example we use weakly heterogeneous oceanographic data. © 2009 Springer Science+Business Media, LLC