Web Coverage Service

Web Coverage Service
Protótipo
GIL, Nuno
Resumo
Esta comunicação tem a sua origem no desenvolvimento de um protótipo WebGIS realizado no âmbito
de uma das cadeiras do mestrado em Sistemas de Informação Geográfica ministrado pela University
College London (www.ge.ucl.ac.uk). Este protótipo está, neste momento, a ser desenvolvido e
aperfeiçoado no contexto de um tema de dissertação do mesmo mestrado.
O principal objectivo do estudo foi o de levar a cabo a implementação do referido protótipo baseado na
especificação Web Coverage Service (WCS) do Open GIS Consortium (OGC, www.opengis.org). Para
isso, foi utilizado software open-source e free for use, procedendo-se, posteriormente, à sua avaliação. O
protótipo poderá servir, ou servirá, como ponto de partida para as agências espaciais membros do
Committee for Earth Observing Satellites (CEOS, www.ceos.org) poderem disponibilizar os seus
próprios dados de uma forma inter-operável. Desta forma, demonstra-se que é possível a implementação
de um sistema com a mais-valia da interoperabilidade a custos bastante reduzidos.
PALAVRAS-CHAVE: Coverage, Inter-operabilidade, OGC, OpenGIS, WCS, WebGIS
INTRODUÇÃO
Até há pouco tempo atrás, o típico Sistema de Informação Geográfica (SIG) era caracterizado como sendo um sistema
capaz de facilitar diversas funcionalidades para a manipulação de dados geo-referenciados. Entre estas estavam incluídas
o input de dados, o seu armazenamento, obtenção, gestão, manipulação, análise e output (Aronoff, 1989). Com a
generalização do uso da Internet e com o seu consequente desenvolvimento, os SIG deixaram de ser sistemas monolíticos,
fechados e centralizados. Assiste-se agora, cada vez mais, ao desenvolvimento de um novo conceito, o de Distributable
Geographic Information Services (GIServices). O desenvolvimento da tecnologia SIG passou pela transição de sistemas do
tipo mainframe e computador pessoal para os actuais Distributable GIServices, que tanto incluem wired Internet GIServices
como wireless Internet GIServices. A nova arquitectura possibilita a ligação e interacção simultâneas entre múltiplos
servidores e sistemas de tipo diversificado, sem as tradicionais restrições de sistemas cliente / servidor (Peng e Tsou,
2003).
O conceito de Distributable GIServices, sugerido por Peng e Tsou (2003), é baseado na definição de uma aplicação SIG
centrada na comunicação dinâmica e distribuída de serviços através de uma rede (wired ou wireless) como meio principal
de acesso a dados, disseminação de informação espacial e condução de análises baseadas em SIG. Este tipo de ferramenta
permite a uma variedade de clientes o acesso remoto a dados geo-espaciais e ferramentas de processamento alojadas em
servidores, sem restrições de tipos temporal e geográfico. Estes clientes podem ser do tipo computador pessoal,
computador portátil, Personal Digital Assistant (PDA) ou ainda telefone celular. Adicionalmente às funcionalidades
disponíveis nos SIG tradicionais, estes sistemas podem beneficiar da utilização de variados protocolos de comunicação
suportados pela plataforma de rede, tais como: HTTP, WAP, FTP, entre outros. O presente artigo irá centrar-se
principalmente em Distributable GIServices baseados em redes wired, ou seja Internet que comunicam via World Wide Web.
Serão então denominados WebGIS.
Contudo, a velocidade do desenvolvimento dos SIG on-line revela que uma concepção orientada simplesmente pela
tecnologia é problemática, dificultando o seu subsequente desenvolvimento. Derivado a este vazio na existência de
standards, foram criadas, em 1994, duas organizações independentes, o Open GIS Consortium e o ISO/TC 211 Technical
Committee (Buehler e McKee, 1998; Rowley, 1998 referenciados em Tsou e Buttenfield, 2002). O seu principal objectivo é o
de promover a interoperabilidade entre dados geo-espaciais (Brodeur et al, 2003), sendo interoperabilidade definida por
Goodchild et al (1997) como a possibilidade de dois sistemas poderem transferir/comunicar entre eles dados, software e
outras quaisquer componentes de relevo.
Descreve-se de seguida a tecnologia utilizada na implementação de um protótipo baseado numa das recentes
especificações do OGC, o Web Coverage Service (WCS). Este protótipo foi desenvolvido com o intuito de servir uma
pequena porção de um hillshaded Digital Elevation Model (DEM), obtido através do projecto GTOPO301. Este projecto
possibilita o acesso a um DEM global, com resoluções verticais e horizontais de aproximadamente 1 km. A área
seleccionada engloba o Reino Unido tendo sido processada recorrendo ao ArcGIG 8.3 e ao ERDAS IMAGINE 8.6.
No fim do documento, apresentam-se alguns resultados preliminares de aplicação do protótipo, sendo questionado até
que nível a tecnologia WCS já está suficientemente madura e aperfeiçoada para ser utilizada de forma generalizada pela
comunidade geográfica com menos conhecimentos na óptica do programador.
WEB COVERAGE SERVICE - CONCEITO
Como já foi referido anteriormente, o OGC e o ISO/TC 211 Technical Committee têm um papel activo na promoção da
interoperabilidade, através da definição de standards. Em particular, O OGCdefiniu nos últimos anos um número de
especificações utilizadas na criação de sistemas WebGIS, entre as quais se incluem o Web Map Service (WMS), o Web
Feature Service (WFS) e o Web Coverage Service (WCS). A última das especificações identificadas será fruto de detalhe no
presente texto.
Um sistema WebGIS é materializado na forma de comunicação cliente / servidor através de protocolos pré-definidos, na
qual o cliente envia um pedido ao servidor sob a forma de um Uniform Resource Locator (URL). Posteriormente o servidor
interpreta o pedido, obtendo de seguida os dados pretendidos, manipulando-os consoante ordem do cliente e enviandoos para serem então visualizados por este.
Figura 1. Arquitectura cliente / servidor
Fonte: http://www.gisdevelopment.net/technology/gis/techgi071pf.htm [Acesso: 13 Maio 2004]
O WCS, tal como definido pelo OGC (2003), é um serviço que suporta a comunicação electrónica (baseada na arquitectura
cliente / servidor) de dados geo-espaciais existentes sob a forma de coberturas multi-dimensionais. Estas são compostas
por valores ou propriedades referentes a localizações geográficas espaçadas de forma regular através de um, dois ou três
eixos de um sistema de coordenadas geográfico, podendo também conter informação temporal, regular ou irregularmente
espaçada. Nesta sua versão 1.0.0, o WCS encontra-se limitado à descrição e solicitação de coberturas do tipo simples nas
quais, em cada localização, se encontra ou um único valor (tal como elevação), ou um conjunto de valores definidos de
forma homogénea (p.ex. reflectâncias electromagnéticas) (Evans, 2003).
Em oposição ao WMS, que disponibiliza a comunicação de imagens criadas do lado do servidor, e ao WFS, que
disponibiliza informação geo-espacial vectorial (Peng e Tsou, 2003), o WCS possibilita o acesso a conjuntos de informação
geo-espacial detalhada e não simples imagens, que poderão posteriormente ser utilizados das mais variadas formas. Entre
estas incluem-se a simples visualização pelo cliente e a possibilidade da sua utilização como input em modelos científicos
(Evans, 2003). À semelhança do que acontece com o WMS e o WFS, também este serviço possibilita a selecção de porções
de informação guardadas no servidor baseada em critérios espaciais.
Para possibilitar a comunicação dos dados (coberturas), o WCS define três operações (Evans, 2003):
1.
GetCapabilities: operação emitida pelo ciente e através da qual é devolvido um ficheiro do tipo eXtensible Markup
Language (XML) no qual são descritas as capacidades do servidor, em termos de operações suportadas (p.ex.
interpolação) e dados armazenados. Esta operação é de implementação obrigatória em qualquer software que
suporte WCS.
2.
GetCoverage: operação emitida pelo cliente e através da qual é devolvida a cobertura especificada. Esta operação é
também de implementação obrigatória em qualquer software que suporte WCS.
3.
DescribeCoverage: operação emitida pelo cliente, através da qual é devolvida a descrição completa de uma ou
mais coberturas alojadas num servidor WCS. O output é materializado sob a forma de um ficheiro XML. Esta
operação tem carácter opcional. Contudo, e devido ao grande volume das coberturas e tempo inerente à sua
1
Mais informação disponível em http://edcdaac.usgs.gov/gtopo30/gtopo30.asp [Acesso: 14 Abril 2004]
transferência via Internet, é vantajoso a sua inclusão em qualquer aplicação que suporte WCS. Desta forma, o
utilizador pode aperceber-se da informação contida na cobertura antes mesmo de a importar.
No início deste projecto, foi efectuada uma pesquisa com o objectivo de identificar as diversas aplicações com licenças do
tipo open-source ou free for use e que, no momento, suportavam o referido WCS. Procedeu-se de seguida à sua instalação e
teste com o objectivo de efectuar uma avaliação qualitativa das mesmas. Duas aplicações foram testadas: deegree,
desenvolvida em conjunto pela GIS and Remote Sensing Unit do Department of Geography, University of Bonn e pela lat/lon, e
outra denominada NWGISS, desenvolvida e disponibilizada pelo Laboratory of Advanced Information Technology and
Standards, na George Mason University. Para concluir o desenvolvimento do protótipo, foi elaborado um cliente Web
(recorrendo a simples HTML) cuja interacção com o servidor é apenas possível através do envio de pedidos sob a forma
de URL e da obtenção quer de ficheiros do tipo XML quer do tipo cobertura.
DEEGREE
De uma forma geral, deegree é um projecto constituído por um grupo de aplicação do tipo Java™, podendo ser utilizadas
isoladamente ou em conjunto. Estas, suportam variadas especificações do OGC. Além das já mencionadas, estão ainda
incluídas o Web Coordinate Transformation Service, Web Gazetteer Service, Web Terrain Service e Catalog Service. No WebSite do
projecto (http://deegree.sourceforge.net/) estão disponíveis o código fonte e versões pré-compiladas para Microsoft®
Windows® e Linux. De um ponto de vista conceptual, deegree tem de ser reutilizável, independente da plataforma de
funcionamento, baseado em componentes e inter-operável. A leitura e escrita de dados é suportada em variados formatos:
ORACLE® Spatial, PostGres / PostGIS, MySQL, ESRI™ shapefiles, GML e raster (JPEG, PNG, BMP, entre outros) (Fitzke et
al, 2003).
Em particular, o deegree WCS na sua versão 1.1.5 é baseada na especificação WCS 1.0.0, suportando as operações
GetCapabilities e GetCoverage, e os formatos TIFF, GIF, BMP, PNG, JPEG e IMG (IDRISI), quer como input quer como
output. Em virtude dos ficheiros raster apresentarem normalmente grandes dimensões (na ordem das centenas de Mb),
existe a necessidade de serem optimizados de forma a poderem posteriormente ser transferidos através da Internet.
Exactamente por esta razão, deegree vem equipado com uma ferramenta que possibilita a criação de mosaicos de rasters
(TileImageTree) e a sua fácil indexação quer através de quadtrees, quer de um método de indexação baseado no registo da
coordenada do canto inferior esquerdo de cada um dos ficheiros. Desta forma, apenas é enviada ao cliente a sub-área que
este solicitar (Fitzke et al, 2003).
Após a aplicação estar operacional, existe no servidor um ficheiro capabilities.xml que será enviado ao cliente cada vez que
este utilizar a opção GetCapabilities. Este ficheiro contém também apontadores para outro ficheiro, gvDesc.xml, onde está
definida a estrutura de indexação resultante da utilização da aplicação TileImageTree acima referida.
O facto do deegree ser composto por um conjunto de aplicações Java™ (servlets), significa que o próprio deegree WCS é
um servlet, ou seja, uma pequena aplicação localizada no servidor. Esta aplicação é despoletada de cada vez que um
cliente envia um pedido que é a si dirigido. Estes servlets são geridos por um servlet executor. No presente caso escolheu-se
o Apache Tomcat como servlet executor, na sua versão 4.1.29, uma vez que se encontra amplamente disseminado sendo
também disponibilizado gratuitamente. Como descrito no diagrama abaixo representado, o cliente envia um simples URL
ao servidor. Este pedido é primeiramente recebido pelo servidor Web e depois comunicado ao servlet executor. O deegree
WCS é então encarregue de obter os dados requeridos pelo cliente, manipulá-los (se for caso disso) e finalmente enviá-los.
Figura 2. deegree, arquitectura da aplicação
Este sistema foi instalado num servidor com as seguintes características:
Sistema Operativo: Microsoft® Windows® Server 2003, standard edition
Processador: Pentium III CPU 497 MHz
Memória RAM: 512 Mb
Servidor Web: Internet Information Services 6.0
Servlet executor: Apache Tomcat 4.1.29
NWGISS
O NASA Web GIS Software suite (NWGISS) é composto por um conjunto de componentes WebGIS: Web Map Service, Web
Coverage Service, Catalog Service, Multi-Protocol Geoinformation Client e uma toolbox, baseados em especificações do OGC,
possibilitando o acesso a ficheiros do tipo HDF-EOS (Hierarchical Data Format – Earth Observing System) através da
Internet. Esta aplicação suporta três tipos distintos de dados HDF-EOS: ponto, swath e grid. A toolbox é constituída por
uma ferramenta de importação / exportação entre formatos HDF-EOS e outros formatos SIG comummente utilizados e
por outra ferramenta que possibilita a criação automática de um ficheiro XML capabilities.xml. As componentes atrás
descritas podem ser utilizadas de forma individual ou conjunta (Liping et al, 2001). Todas estas componentes também se
encontram disponíveis no WebSite do projecto (http://www.laits.gmu.edu/), contudo apenas existem versões
previamente compiladas.
O NWGISS WCS, implementado sobre as especificações WCS, versões 0.5 e 0.6 do OGC, permite aos clientes o acesso a
coberturas HDF-EOS através das três operações definidas pelo OGC, GetCapabilities, GetCoverage e DescribeCoverage. Esta
aplicação possibilita como input apenas dados no formato HDF-EOS. Como output, outros formatos, além do atrás
mencionado, são disponibilizados: binário, HDF-EOS, NITF (National Image Transfer Format) e GeoTIFF. A geo-rectificação
das coberturas, o acesso a sub-áreas das mesmas e a possibilidade de utilização de variados sistemas de coordenadas são
também suportados de modo instantâneo nesta aplicação (Yang e Di, 2002). Após a aplicação estar operacional, existe no
servidor um ficheiro capabilities.xml, que será enviado ao cliente cada vez que este utilizar a opção GetCapabilities, e
ficheiros describecoverage.xml, com informação sobre cada uma das coberturas disponíveis.
O NWGISS WCS é uma aplicação CGI que corre via Common Gateway Interface. Serve de aplicação middleware entre o
servidor Web e o servidor de dados. Neste caso, o cliente envia um pedido do tipo URL para o servidor. Este pedido é
recebido pelo servidor Web que invoca posteriormente o WCS via CGI. A aplicação obtém os dados requeridos do
servidor de dados, manipula-os, consoante ordem do cliente, e envia-os a este.
Figura 3. NWGISS WCS, arquitectura da aplicação
Este sistema foi instalado num servidor com as seguintes características:
Sistema Operativo: SuSE 9 Linux distribution
Processador: Pentium 4 CPU 2.66 GHz
Memória RAM: 512 Mb
Servidor Web: Apache 2.0
Devido ao facto de nem todos os componentes pré-compilados do NWGISS WCS estarem disponíveis para o mesmo
sistema operativo, não houve a possibilidade de instalação completa desta aplicação. Contudo, a operação GetCapabilities
foi testada com um ficheiro demonstração.
COMPARAÇÃO DEEGREE WCS, NWGISS WCS
No presente capítulo resumem-se as características de cada um dos sistemas analisados, apresentando-se de seguida
alguns pontos fortes e fracos de cada um deles. Deve-se porem enfatizar que as aplicações utilizadas são elas próprias
protótipos e que não foi objectivo deste trabalho a extensão das suas funcionalidades recorrendo a programação.
Devido à impossibilidade de criação do ficheiro capabilities.xml por parte da aplicação NWGISS WCS, o protótipo foi
apenas implementado recorrendo ao deegree WCS.
deegree WCS
NWGISS WCS
Versão
1.1.5
0.7
Especificação WCS
1.0.0
0.7
Windows® e Linux
Windows®, Unix®,
Linux
Sistemas Operativos
(SO) suportados
Formato de Input
suportado
TIFF, GIF, BMP, PNG,
JPEG e IMG
HDF-EOS
Formato de Output
suportado
TIFF, GIF, BMP, PNG,
JPEG e IMG
Binário, HDF-EOS,
NITF, e GeoTIFF
Operações WCS
disponibilizadas
GetCapabilities e
GetCoverage
GetCapabilities,
GetCoverage e
DescribeCoverage
Gestão dos dados
Indexação com criação
de mosaicos
Formato binário
Comentários
Nem todas as componentes estão
disponíveis em todos os SO
HDF-EOS não é suportado pela
maioria dos SIG existentes e não
foi possível a utilização do formato
IMG como input
HDF-EOS não é suportado pela
maioria dos SIG existentes e não
foi possível a utilização do formato
IMG como output
Tabela 1. NWGISS WCS, arquitectura da aplicação
deegree WCS
Vantagens
Versões pré-compiladas para Windows®
Código fonte pode ser compilado em
outros SO
Suporte de variados formatos de input e
output
Ferramenta de indexação
Software open-source
Compatível com WCS 1.0.0
Desvantagens
DescribeCoverage não suportado
Código fonte ilegível para um leigo
Necessidade de configuração do Apache
Tomcat
Impossibilidade de obter dados no
formato IMG
NWGISS WCS
Versões pré-compiladas para Windows®,
Unix® e Linux
Suporte de todas as operações definidas
pelo WCS
Suporta vários formatos de output
Suporta geo-rectificação e variados sistemas
de coordenadas
Free for use software
Compatível com WCS 0.7
Apenas suporta formato HDF-EOS como
input
Componentes não estão todas disponíveis
em todos os SO acima descritos
Impossibilidade de obtenção do código
fonte
Tabela 2. NWGISS WCS, arquitectura da aplicação
CLIENTE
Optou-se pela implementação de um cliente estático sob a forma de página Web. Nesta foi colocada informação sobre o
projecto, bem como hiper-ligações teste dirigidas ao servidor. Apresentam-se de seguida um extracto do ficheiro
capabilities.xml, devolvido após o envio de uma operação GetCapabilities e uma captura de ecrã, na qual se visualiza o
resultado de uma operação GetCoverage.
URL enviado:
http://webtest.ge.ucl.ac.uk:8080/deegreewcs/wcs?SERVICE=WCS&VERSION=1.0.0&REQUEST=GetCapabilities
Resultado:
<?xml version="1.0" encoding="ISO88591" ?>
<wcs:WCSCapabilities xmlns:wcs="http://www.opengis.net/wcs">
<Service>
<Name>WebCoverageServer</Name>
<Title>deegree WCS</Title>
<Abstract>Web Coverage Service maintained by the lat/lon GmbH</Abstract>
<OnlineResource>http://127.0.0.1:8080/deegree?</OnlineResource>
</Service>
<wcs:CoverageLayerList>
<wcs:GridCoverageLayer
descriptorResource="file:///C:/deegreewcs/WEBINF/data/gvDesc.xml">
<wcs:LayerID>dem</wcs:LayerID>
<wcs:Title>dem</wcs:Title>
<wcs:LatLonBoundingBox minx="19.9948320203915" miny="39.9791253693285"
maxx="20.0156661086155" maxy="89.9948320203915" />
<wcs:SRS>EPSG:4326</wcs:SRS>
...
URL enviado:
http://webtest.ge.ucl.ac.uk:8080/deegreewcs/wcs?SERVICE=WCS&VERSION=1.0.0&REQUEST=GetCoverage&LAYER=dem&SR
S=EPSG:4326&BBOX=-20,45,20,70&WIDTH=600&HEIGHT=400&FORMAT=jpg
Resultado:
Figura 4. Resultado da operação GetCoverage
CONCLUSÃO
Este projecto possibilitou o desenvolvimento de um protótipo WCS utilizado para servir um Digital Elevation Model de
dimensões reduzidas (área do Reino Unido). Para a sua implementação, foram analisadas duas aplicações WCS
disponíveis em fase embrionária, deegree WCS e NWGISS WCS. Devido ao facto da última estar apenas disponível em
versão pré-compilada e de nem todas as suas ferramentas estarem disponíveis para o mesmo sistema operativo, optou-se
por proceder à sua instalação apenas com dados de demonstração. Esta instalação teve como principal finalidade a
posterior análise comparativa entre ambas as aplicações. Desta forma, o protótipo foi desenvolvido tendo apenas por base
a aplicação deegree WCS.
Nesta fase, a tecnologia WCS ainda não se encontra suficiente madura para ser facilmente utilizada por alguém sem
conhecimentos na óptica da programação. Ambos os projectos analisados derivam de investigação, tendo sido
recentemente lançada a primeira aplicação comercial a suportar o serviço (IONIC Red Spider Web 3.12). A não
disponibilização do código fonte, no que diz respeito ao NWGISS WCS, deixa qualquer utilizador impossibilitado de
proceder a alterações, não havendo outra alternativa a não ser a de esperar pela disponibilização de outras versões por
parte do LAITS. Caso contrário é o que sucede com a aplicação deegree WCS, onde o código fonte é acessível. Desta
forma, através de programação, é possível a sua expansão e melhoramento. De qualquer forma, a existência de iniciativas
deste tipo, possibilita a criação de um servidor WCS a custos bastante reduzidos.
Este projecto encontra-se neste momento a ser aperfeiçoado sob a forma da tese de mestrado do autor. Espera-se, aquando
da conclusão da mesma, ter criado um sistema que possibilite o acesso a Modelos Digitais de Terreno de toda a África e
Europa provenientes da Shuttle Radar Topography Mission e do programa Landsat. Um dos maiores desafios será o da
gestão de tamanha quantidade de informação, tendo sempre subjacente a sua comunicação eficaz via Internet.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Alois Ndambuki, Neil Kashishian, Adam Bradley, Ariana Simplício, Joana Rodrigues, Hugo Fonseca e Luís
Figueira todo o contributo prestado neste trabalho.
BIBLIOGRAFIA
ARONOFF, S., 1989. Geographic Information Systems: A Management Perspective. Otawa: WDL Publications.
BRODEUR, J. et al, 2003. Revisiting the Concept of Geospatial Data Interoperability within the Scope of Human
Communication Processes. Transactions in GIS. 7(2), 243-265.
BUEHLER, K. e MCKEE, L. (eds), 1998. The Open GIS™ Guide: Introduction to Interoperable Geoprocessing and the OpenGIS
Specification. 3ª ed. Wayland: Open GIS Consortium, Inc. Referenciado em: TSOU, M. H. e BUTTENFIELD, B. P., 2002. A
Dynamic Architecture for Distributed Geographic Information Services. Transactions in GIS. 6(4), 355-381.
EVANS, JOHN D. (eds), 2003. Web Coverage Service (WCS), Version 1.0.0. [online]. Open GIS Consortium.
http://www.opengis.org/docs/03-065r6.pdf [Acesso: 10 Maio 2004].
GOODCHILD, M. et al, 1997. Interoperating GISs: Report of a specialist meeting held under the auspices of the Varenius Project
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PENG, Z. R. e TSOU, M. H., 2003. Internet GIS: Distributes Geographic Information Services for the Internet and Wireless
Networks. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
ROWLEY, J., 1998. Draft business case for the harmonization between ISO/TC 211 and the Open GIS Consortium, Inc. Geneva:
International Organization for Standardization Report No ISO / TC 211-N472 Referenciado em : TSOU, M. H. e
BUTTENFIELD, B. P., 2002. A Dynamic Architecture for Distributed Geographic Information Services. Transactions in GIS.
6(4), 355-381.
YANG, W. e DI, L., 2002. Serving NASA HDF-EOS Data through NWGISS Coverage Server. In: Proceedings of the NASA
Earth Science Technologies Conference. Pasadena, CA, 11-13.
Nuno GIL
[email protected]
Nuno Gil é licenciado em Engenharia do Território pelo Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa (2000), estando neste
momento a frequentar o mestrado em Geographic Information Science, University College London. A sua experiência profissional em
Sistemas de Informação Geográfica esteve ligada a projectos de consultoria na área da tecnologia de comunicação UMTS, na Siemens
S.A., e posteriormente na área do planeamento e transportes, na CISED Consultores e TIS.pt S.A.
2 Mais informação disponível em http://www.ionicsoft.com/products/pdf/RedSpiderWeb3.pdf [Acesso: 14
Abril 2004]