Entwicklung einer Multi-Plattform-Benutzerschicht zur tätigkeitsbegleitenden Verwaltung von Phänotypisierungsexperimenten und Pflanzenbestandsdaten

Die Vielzahl an verfugbaren Messund Analysemethoden im Bereich der Phanotypisierung und verwandter Disziplinen der Pflanzenwissenschaften produziert einen stetig wachsenden, oft heterogenen Bestand an Experimentaldaten. Neben der Schwierigkeit eine hierfur geeignete Verwaltungsund Datenzugriffsplattform bereitzustellen, besteht auch ein zentrales Problem in der ergonomischen Abfrage und oft nur semiautomatisch moglichen Erfassung und Zuordnung solcher Daten. Hierzu schlagen wir eine Architektur einer service-orientierten MultiPlattform-Benutzerschicht auf Basis des PhenOMIS-Frameworks vor. Dies ermoglicht eine schnelle Anbindung verschiedener (mobiler) Endgerate zur tatigkeitsnahen Eingabe, Zuordnung und Abfrage von Experimentaldaten, ohne dabei einen signifikanten Mehraufwand durch die Verwendung unterschiedlicher Plattformen und Endgerate zu generieren. 1 Einfuhrung und Anforderungen an die PhenOMIS-Benutzerschicht Phanotypisierung ist die Analyse pflanzlicher Eigenschaften als Reaktion auf unterschiedliche Umweltbedingungen ([EL09]). Sie wird als entscheidender Faktor fur den Wissenstransfer von Pflanzenphysiologie und Genomforschung in die Zuchtung und landwirtschaftliche Praxis angesehen ([TS09]). Eine Vielzahl (>100, [L+13]) spezieller Auswertungssysteme ist allein im Bereich der bildbasierten Pflanzenanalyse verfugbar. Dies resultiert in wachsenden, verteilten und oft heterogenen Datenbestanden. Ohne eine integrierende Datenintegrationsplattform sind vergleichende und ubergreifende Auswertungen kaum moglich. Als mogliche Losung fur dieses Problem haben wir das PhenOMIS-System vorgestellt ([S+13]). Dessen Datenintegrationsplattform besitzt eine modulare Architektur auf Webservice-Basis, die durch die Verwendung von Methoden des Data-Space-Modells ([F+05]) schnell und bedarfsgerecht („pay-as-you-go“) an neue Messund Auswertesysteme angepasst werden kann. Von entscheidender Bedeutung fur die Akzeptanz eines neuen Systems ist jedoch die Benutzerschnittstelle (Usability). So sollen notwendige Eingaben zur Einbindung neuer Experimente auf ein Minimum reduziert und tatigkeitsbegleitend erfasst werden konnen. Die Datenabfrage und Aggregation uber alle registrierten Systeme soll uber eine FatClient-Anwendung erfolgen. Fur andere Szenarien sollen mobile Anwendungen Zugang ermoglichen. Gleichzeitig soll die Autonomie der Messund Auswertungssysteme fur eine entkoppelte Versuchsdurchfuhrung erhalten bleiben. Um eine solche ergonomische Multi-Plattform-Benutzerschicht mit einem vertretbaren Umfang an Entwicklungsaufwand zu realisieren, schlagen die Autoren eine Kombination aus einer portablen, komponentenbasierten Anwendungsschicht fur zentrale Prozessablaufe und einer gezielten Auswahl von (mobilen) Endgeraten zur tatigkeitsnahen Verwendung vor. 2 Grundlagen und Konzept der Multi-Plattform-Benutzerschicht PhenOMIS gewahrt in der Benutzerschicht Zugriff auf alle Daten einer Pflanze, die wahrend ihres Lebenszyklus erfasst wurden. Dies umfasst manuelle Behandlungen, automatisierte Messungen und Umweltdaten (vgl. Abb.1, [S+13]). Die Datenaggregation erfolgt dabei durch ein zentrales Identitatsmanagement fur Pflanzen(-individuen) und Experimente (CoreDB), sowie durch einen zentralen Mapping-Dienst zur Veroffentlichung lokaler Datenbestande (Messstationen). Abb.1: Datenflusse und Verantwortlichkeiten im PhenOMIS-Informationssystem Unabhangig vom angebotenen Funktionsumfang auf dem jeweiligen Endgerat besteht die Notwendigkeit (lokale) pflanzenbezogene Daten an CoreDB-Identitaten zu binden bzw. abzufragen. Diese Funktionalitat wird in Form von Webservices angeboten, die plattformunabhangig genutzt werden konnen und die Benutzerschicht verschlanken. Dafur mussen sowohl Messstationen, Stationen fur manuelle Behandlungen (HandlingStation) sowie Sensordatensysteme (Umweltdatenbank) einem konzeptionellen Modell („CoreModel“) uber vorgeschaltete Wrapper-Services genugen. Abb. 2 zeigt diese Mediator-Wrapper-Architektur beispielhaft fur Messstationsfall. Angewandt auf alle Datenquellen ist so ein minimales Begriffssystem geschaffen, das es erlaubt, uber einen zentralen Mapping-Dienst („Identity-Service“) Relationen zwischen allen Entitaten systemubergreifend zu definieren und abzufragen. Fur komplexere semantische Beziehungen jenseits dieses Modells ist es uber die jeweilige Introspektionsschnittstelle („SourceExplorer“) moglich, eine XML-basierte Beschreibung einer Datenquelle abzurufen, deren Konzepte uber UCKbzw. OID-Identifikatoren ([F+05], [S+07]) zu verknupfen und damit abrufbar zu machen. Abb.2: PhenOMIS-Architektur zur Einbindung und Abfrage von Messstationen 3 Realisierung der Multi-Plattform-Benutzerschicht Datenzugriffund Mappingdienste wurden als plattformunabhangige SOAP-Webdienste (JAX-WS) im Java-Framework „Apache CXF“ implementiert. Fur ressourcenschwachere Endgerate wurde eine schlankere, auf „CoreModel“-Dienste reduzierte RESTBindung (JAX-RS) implementiert. Alle gewahlten Endgerate (Tablet, Handheld, PC) stellen eine (eingeschrankte) Java-Laufzeitumgebung (JVM) bereit. So konnte zur weiteren Verschlankung der Benutzerschnittstelle eine portable Klassenbibliothek „PhenomisOrm“ entwickelt werden, die auf Basis des DTO-Musters (data transfer object) die Verwendung der PhenOMIS-Zugriffsdienste vereinfacht und direkt Methoden fur typische Abfrageund Mappingszenarien mitbringt. Die Entwicklung einer Anwendung fur ein bestimmtes Endgerat beschrankt sich auf die Erstellung einer anwendungsfallabhangigen Prasentationsschicht (View) mittels geeigneter GUI-Designer. Konkret wurde hier der integrierte GUI-Builder in Netbeans 7.3 (Fat-Client), der „Oracles Scene Builder“ fur JavaFX 2.0 (Handheld) und der GUI-Editor des ADT-Eclipse-Plugins (AndroidPlattform, ADT v23.0) verwendet. Die Entwicklungsaufwand der zugehorige Steuerungsschicht (Controller) ist durch die „PhenomisOrm“-Methoden meist gering. Durch umfassende Auszeichnung von Untersuchungsobjekten und Messsystemen mit PhenOMIS-Identitaten auf Barcodes, deren Erfassung und kontextsensitive anwendungsseitige Interpretation wurde die tatigkeitsnahe Verwendung mobiler Endgerate ermoglicht. Abb.3: „Plant Timeline“-Aggregation auf einem Android-Tablet mit Hauptmenuskizze Exemplarisch zeigt Abb. 3 einen Ausschnitt des „Plant Timeline“-Modus der AndroidAPP. Unter direkter Nutzung einer „PlantOrm“-Methode werden hier alle mit einer Pflanze assoziierten Messungen und Behandlungen chronologisch aufgelistet. Abb. 4 zeigt die Handheld-Anwendung zur tatigkeitsnahen Verwaltung und Annotation (Abb. 4, rechts) eines Experiments mit dem GROWSCREEN-Rhizo ([N+12]) auf Basis der portablen „CoreModel“-Dienste und die Erfassung beteiligter Pflanzen (Abb. 4, Mitte). Abb. 4: Mapping und Annotation eines GROWSCREEN-Rhizo-Experiments via Handheld 4 Fazit und Ausblick In enger Kooperation mit Pilotanwendern wurden verschiedene Anwendungssysteme auf Basis einer portablen Anwendungsschicht innerhalb des PhenOMIS-Systems entwickelt. Eine hohe Benutzerakzeptanz konnte durch die Eliminierung vormals langwieriger manueller Tatigkeiten (Laborbuch, Datenaggregation, ...), wie auch durch die umfassende Abbildung von Anwendungsfallen in eine portable Komponentenschicht und die erst dadurch praktikable Verwendung verschiedener Endgerate erzielt werden. Der Mehraufwand zur Unterstutzung mehrerer Plattformen war durch die service-orientierte Architektur der Anwendungsschicht und einer grosen gemeinsamen (Java-) Codebasis in der Zugriffsund Steuerungsschicht gering. Obwohl das System in der Domane von Phanotypisierungsexperimenten entstand, ist der Entwicklungsansatz gut auf andere Felder mit (semi-)automatisch erfassten Experimentaldaten und eindeutig identifizierten Untersuchungsobjekten ubertragbar. Danksagung: PhenOMIS wurde innerhalb des BMBF-Projekts CROP.SENSe.net-D1 entwickelt (Fordernr. 0315531C). Literaturverzeichnis [EL09] Eberius, M., Lima-Guerra, J.: High-Throughput Plant Phenotyping – Data Acquisition, Transformation, and Analysis, Bioinformatics 7 (1), 891-278, 2009. [F+05] Franklin, M., et. al.: From Databases to Dataspaces: A New Abstraction for Information Management, ACM SIGMOD Record, Volume 34 Issue 4, 2005. [L+13] Lobet, G., et. al.: An online DB for plant image analysis tools, Plant Methods, 9:38, 2013 [N+12] Nagel, K., et. al.: Growscreen-Rhizo is a novel phenotyping robot enabling simultaneous measurements of root and shoot growth for plants grown in soil-filled rhizotrons, Functional Plant Biology 39 (11), 891-904, 2012. [S+07] Salles, M., et. al.: iTrails: Pay-as-you-go Information Integration in Dataspaces, Proceedings of the 33rd Int. Conference on Very Large Data Bases, 663-674, 2007 [S+13] Schmidt, F., et. al.: A Distributed Information System For Managing Phenotyping Mass Data, Referate der 33. GIL-Jahrestagung, Potsdam, 2013. [TS09] Tardieu, F., Schurr, U.: White Paper on Plant Phenotyping, EPSO Workshop, 2009.