Teilprojekt 4: Datenmanagement

Teilprojektleiter Prof. Dr. Thomas Brinkhoff
Teilprojektmitarbeiter Tobias Werner, M.Sc.
Teilprojektvolumen 250.927 €
Fördermittelgeber Nds. Ministerium für Wissenschaft und Kultur - VW-Vorab/Wissenschaft für nachhaltige Entwicklung
Teilprojektlaufzeit 02/2017 bis 07/2020

Sowohl für die Untersuchung von Gewässerböden als auch für die Suche nach Objekten oder Phänomenen unter Wasser erfolgt zunehmend der Einsatz von AUV (Autonomous underwater vehicle). Dabei nimmt die Aufnahme, Verarbeitung und Bereitstellung von Sensormessdaten durch das Fahrzeug eine bedeutsame Rolle ein. Die erfassten Beobachtungen verfügen in der Regel über eine zeitliche und räumliche Dimension und stellen die ohnehin bereits leistungsbegrenzten Unterwasserfahrzeuge vor eine Reihe von Herausforderungen. Ihre kompakte Bauform und ihr limitiertes Gesamtgewicht schränken das Mitführen langanhaltender Energiequellen sowie die Unterbringung leistungsstarker Hardware erheblich ein. Somit existiert der Bedarf nach einem effizienten Datenmanagementsystem, das die Verarbeitung und Verwaltung von speicher- und rechenintensiven Geodaten erlaubt.

Ein entwickelter Ansatz verwendet die Datenbank-Engine SQLite. Gemeinsam mit der Geoerweiterung SpatiaLite steht ein einbettbares System zur Verarbeitung von räumlichen (Sensormess-) Daten auf einem Unterwasserfahrzeug zur Verfügung. Dieser Ansatz erlaubt die Sortierung von Daten nach räumlichen Kritierien und ermöglicht die effiziente Ausführung räumlicher Basisanfragen. Beispielsweise stehen für das Auffinden von bislang nicht untersuchten Geländeabschnitten oder die Identifizierung der nächstgelegenen Knoten in einem Unterwassersensornetzwerk entsprechende Datenbank-Operatoren bereit.

Abbildung 1: Komponenten der entwickelten SQLite-Erweiterung
Abbildung 1: Komponenten der entwickelten SQLite-Erweiterung

Sensormessdaten gehen oftmals nahezu in Echtzeit und miteinander verknüpft in die Missionsplanung und Fahrzeugsteuerung ein. Auf die effiziente Verarbeitung solcher Datenströme ist eine Geodatenbank nicht ausgelegt. Daher wurde innerhalb dieses Projekts die SQLite-Erweiterung aus Abbildung 1 entwickelt. Sie spezialisiert sich auf die Verarbeitung von räumlichen Datenströmen und ergänzt das bestehende System um Datenstrukturen und spezielle Abfrageoperatoren. Diese Operatoren verarbeiten gegenüber den konventionellen Datenbankoperatoren Datensätze sequenziell. Dabei werden Datensätze einmalig ausgewertet und anschließend entweder verworfen oder gespeichert. Eine Auswertung der abgelegten Datenbasis ist somit nicht mehr notwendig. Besonders Aufgaben, bei denen eine wiederholte Ausführung identischer Abfragen notwendig ist, profitieren von dieser Methodik.

Abbildung 2: Fensterung eines Datenstroms
Abbildung 2: Fensterung eines Datenstroms

Ein Beispiel für eine Datenstromabfrage (Continuous Stream Query) wird in Abbildung 2 schematisch illustriert. Zunächst sammelt ein Fenster-Operator eingehende Datensätze des Datenstroms anhand einer Abfragebedingung. Anschließend werden die gesammelten Datensätze als Relation bereitgestellt und können somit durch konventionelle Datenbankmethoden ausgewertet oder verarbeitet werden, beispielsweise durch eine Verknüpfung mit dauerhaft gespeicherten Datensätzen.

Der Raumbezug wird unter der Verwendung der Spezifikation Tiny Well-known Binary (TWKB) hergestellt. Diese Spezifikation erlaubt die Definition von Geometrien in Form von Punkten, Linien und Polygonen im dreidimensionalen Raum und ist kompatibel mit SpatiaLite. Im Gegensatz zu gängigen Formaten forciert TWKB einen minimalen Speicherbedarf, was zu einer Schonung der begrenzten Ressourcen eines Unterwasserfahrzeugs beiträgt.

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