Data Fusion in Spatial Data Infrastructures

Over the past decade, the public awareness and availability as well as methods for the creation and use of spatial data on the Web have steadily increased. Besides the establishment of governmental Spatial Data Infrastructures (SDIs), numerous volunteered and commercial initiatives had a major impact on that development. Nevertheless, data isolation still poses a major challenge. Whereas the majority of approaches focuses on data provision, means to dynamically link and combine spatial data from distributed, often heterogeneous data sources in an ad hoc manner are still very limited. However, such capabilities are essential to support and enhance information retrieval for comprehensive spatial decision making. To facilitate spatial data fusion in current SDIs, this thesis has two main objectives. First, it focuses on the conceptualization of a service-based fusion process to functionally extend current SDI and to allow for the combination of spatial data from different spatial data services. It mainly addresses the decomposition of the fusion process into well-defined and reusable functional building blocks and their implementation as services, which can be used to dynamically compose meaningful application-specific processing workflows. Moreover, geoprocessing patterns, i.e. service chains that are commonly used to solve certain fusion subtasks, are designed to simplify and automate workflow composition. Second, the thesis deals with the determination, description and exploitation of spatial data relations, which play a decisive role for spatial data fusion. The approach adopted is based on the Linked Data paradigm and therefore bridges SDI and Semantic Web developments. Whereas the original spatial data remains within SDI structures, relations between those sources can be used to infer spatial information by means of Semantic Web standards and software tools. A number of use cases were developed, implemented and evaluated to underpin the proposed concepts. Particular emphasis was put on the use of established open standards to realize an interoperable, transparent and extensible spatial data fusion process and to support the formalized description of spatial data relations. The developed software, which is based on a modular architecture, is available online as open source. It allows for the development and seamless integration of new functionality as well as the use of external data and processing services during workflow composition on the Web.Die Entwicklung des Internet im Laufe des letzten Jahrzehnts hat die Verfügbarkeit und öffentliche Wahrnehmung von Geodaten, sowie Möglichkeiten zu deren Erfassung und Nutzung, wesentlich verbessert. Dies liegt sowohl an der Etablierung amtlicher Geodateninfrastrukturen (GDI), als auch an der steigenden Anzahl Communitybasierter und kommerzieller Angebote. Da der Fokus zumeist auf der Bereitstellung von Geodaten liegt, gibt es jedoch kaum Möglichkeiten die Menge an, über das Internet verteilten, Datensätzen ad hoc zu verlinken und zusammenzuführen, was mitunter zur Isolation von Geodatenbeständen führt. Möglichkeiten zu deren Fusion sind allerdings essentiell, um Informationen zur Entscheidungsunterstützung in Bezug auf raum-zeitliche Fragestellungen zu extrahieren. Um eine ad hoc Fusion von Geodaten im Internet zu ermöglichen, behandelt diese Arbeit zwei Themenschwerpunkte. Zunächst wird eine dienstebasierten Umsetzung des Fusionsprozesses konzipiert, um bestehende GDI funktional zu erweitern. Dafür werden wohldefinierte, wiederverwendbare Funktionsblöcke beschrieben und über standardisierte Diensteschnittstellen bereitgestellt. Dies ermöglicht eine dynamische Komposition anwendungsbezogener Fusionsprozesse über das Internet. Des weiteren werden Geoprozessierungspatterns definiert, um populäre und häufig eingesetzte Diensteketten zur Bewältigung bestimmter Teilaufgaben der Geodatenfusion zu beschreiben und die Komposition und Automatisierung von Fusionsprozessen zu vereinfachen. Als zweiten Schwerpunkt beschäftigt sich die Arbeit mit der Frage, wie Relationen zwischen Geodatenbeständen im Internet erstellt, beschrieben und genutzt werden können. Der gewählte Ansatz basiert auf Linked Data Prinzipien und schlägt eine Brücke zwischen diensteorientierten GDI und dem Semantic Web. Während somit Geodaten in bestehenden GDI verbleiben, können Werkzeuge und Standards des Semantic Web genutzt werden, um Informationen aus den ermittelten Geodatenrelationen abzuleiten. Zur Überprüfung der entwickelten Konzepte wurde eine Reihe von Anwendungsfällen konzipiert und mit Hilfe einer prototypischen Implementierung umgesetzt und anschließend evaluiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf einer interoperablen, transparenten und erweiterbaren Umsetzung dienstebasierter Fusionsprozesse, sowie einer formalisierten Beschreibung von Datenrelationen, unter Nutzung offener und etablierter Standards. Die Software folgt einer modularen Struktur und ist als Open Source frei verfügbar. Sie erlaubt sowohl die Entwicklung neuer Funktionalität durch Entwickler als auch die Einbindung existierender Daten- und Prozessierungsdienste während der Komposition eines Fusionsprozesses