GDI-Grid

Geodaten-Processing im Grid für Wissenschaft und Industrie

 

In Geodateninfrastrukturen (GDI) fallen große Datenmengen an, deren Umfang und Auflösung stetig steigen. Diese Datenmengen effektiv zu prozessieren, ist eine grundsätzliche Zielsetzung der Geoinformatik. Durch den Einsatz der leistungsfähigen Infrastruktur des D-Grid soll die Prozessierung von Daten und Modellen aus verschiedenen Bereichen der Geodateninfrastrukturen deutlich erleichtert und beschleunigt werden.

Die strategische Zielsetzung des Projektes GDI-Grid ist die Integration von Technologien aus Geodateninfrastrukturen und Grid-Computing. Im Grid ausgeführte Arbeitsabläufe aus verketteten Prozessierungsschritten sollen die weitgehend monolithische Prozessierung in klassischen GDI ersetzen.
Aus technischer Sicht gilt es, die vorhandenen Basistechnologien aus GDI und Grid-Computing miteinander zu kombinieren und aufwändige Berechnungsprozesse auf Grundlage von Geodaten zu gridifizieren. Hierzu werden Daten, Modelle, Dienste und Sicherheitsmechanismen zu gridfähigen Dienstketten kombiniert.

Die Interoperabilität in der heutigen verteilten Geodatenverarbeitung kann durch die Implementation von zur OGC Web Services Specification konformen Schnittstellen gewährleistet werden. Um von diesen in der Geoinformatik verhafteten Standards die Brücke zu den im Grid üblichen Standards zu schlagen, mussten zunächst Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede der Architekturen herausgearbeitet werden.
Orientiert an standardkonformer und nachhaltiger Entwicklung wurde auf dieser Basis eine den Sicherheitsanforderungen des D-Grid genügende Plattform konzipiert und implementiert. Im Rahmen des Projektes konnten OGC-konforme Webservices durch geeignete Adaptoren zu gridfähigen, d. h. WSRF-konformen Diensten erweitert werden, die über Schnittstellen zur Compute-Infrastruktur des D-Grid verfügen.

Diese neu entwickelten Webservices werden zusammen mit bereits existierenden zu Prozessketten, sogenannten "Workflows", orchestriert. Diese Orchestrierung wird von einer spezialisierten Komponente, der Workflow-Engine, vorgenommen. Die Workflow-Engine prüft die syntaktische und semantische Gültigkeit der anstehenden Arbeitsabläufe und überwacht den Ausführungs- und Datenfluss. Wie die Workflow-Engine selbst, stehen auch die einzelnen Elemente eines Workflows als Webservice zur Verfügung.

Eine erhebliche Herausforderung stellt auch die Nutzung kommerzieller Software dar, die durch verschiedene Projektpartner wie ESRI oder Stapelfeldt Ingenieurgesellschaft eingebracht wird. Ziel ist es, kommerzielle Lizenzen in skalierbarer Weise im D-Grid zur Verfügung zu stellen. Hier werden in Zusammenarbeit mit dem D-Grid Integrationsprojekt (DGI) grundsätzliche Verfahren und Lösungsmöglichkeiten erarbeitet.

Die Evaluation der entwickelten gridfähigen GDI erfolgt in ausgewählten, praxisrelevanten Anwendungsszenarien zur Überflutungssimulation und zur Untersuchung der Lärmausbreitung in Ballungsräumen. Betrachtungen der Marktfähigkeit und Praktikabilität, die in eine Machbarkeitsstudie einfließen, runden das Projekt ab und sichern die nachhaltige Ergebnisverwendung.

Szenario "Überflutung"
Faktoren wie der Klimawandel und die Veränderung von Gewässern durch den Menschen gelten als Auslöser dafür, dass immer häufiger Hochwasser mit katastrophalen Folgen auftreten. Gesetzliche Vorgaben auf EU- und nationaler Ebene verlangen die Erstellung von Überschwemmungskarten für hochwassergefährdete Gebiete. Dabei werden neben einer Überflutungssimulation unter anderem auch das Aufzeigen von Möglichkeiten zur Hochwasserprävention, eine Risikoanalyse sowie Evakuierungsmodelle gefordert.

Durch den Einsatz der im D-Grid vorhandenen Rechenressourcen für die Wasserwirtschaft lassen sich großflächige und detaillierte Simulationen sowie die Konvertierung und Aufbereitung von Daten effizient durchführen. Hierbei erlaubt die Berücksichtigung von Standards zur Geodatenverarbeitung die Einbindung von Simulationsdiensten in eine grid-basierte Geodateninfrastruktur.

Szenario "Lärmausbreitung"
Auch die Untersuchung der Lärmausbreitung in Ballungsräumen ist eine sehr rechenaufwendige Aufgabe, die zudem auf großen Datensätzen erfolgt. Durch eine EU-Direktive zur Ermittlung von Umgebungslärmwerten ergibt sich ein erhöhter Bedarf an diesen Lärmsimulationen und -kartierungen. Die getroffenen Aussagen haben eine hohe volkswirtschaftliche Relevanz, können sie doch über den Grundstücks- und Immobilienwert in einem Gebiet maßgeblich mitentscheiden. Daher besteht eine starke Nachfrage nach einer qualitativ hochwertigen Simulation. Im GDI-Grid werden komplexe Lärmsimulationen hinsichtlich ihrer Parallelisierungsfähigkeit untersucht und die vom Projektpartner Stapelfeldt Ingenieurgesellschaft entwickelte Software gridfähig gemacht. Die Erprobung findet auf Testdatensätzen statt, die in steigender Komplexität bis zur Größe einer deutschen Großstadt zur Verfügung stehen.

In beiden Szenarien wird die Nutzung des D-Grid für die gesamte GDI-Community einen deutlichen und nachhaltigen Mehrwert bringen.