С. Блейк, Ф. Лочтер, A. Дойл Визуализация пространственных данных Web-картографирование
Развитие сети Интернет и особенно Всемирной паутины (WWW) создало предпосылки для удобного доступа к пространственной информации с помощью обычных Web-браузеров. Web-картографирование обеспечивает доступность в сети общегеографических карт, а также инструментальных средств интерактивного решения более сложных пользовательских задач. Основной целью онлайнового Web-картографирования является возможность оперативной и простой визуализации пространственной информации пользователями, которые не являются специалистами в области ГИС или картографии
Авторы С. Блейк (Австралия), Ф. Лочтер (ФРГ), A. Дойл (США)
Перевод ГИС-Ассоциация
Научный консультант А.В. Кошкарев (ИГ РАН)
Введение
В этой главе рассмотрены основы концепции Web-картографирования (Интернет-картографирования, веб-картографирования) и инструментальные средства, позволяющие визуализировать пространственные данные, собранные различными организациями и размещенные ими на Web-серверах (веб-серверах). Кроме того, в ней учтено содержание четвертой главы «Каталоги пространственных данных: поисковые системы» (OpenGIS Catalogue Services). Обсуждаются также примеры успешного применения «онлайнового» картографирования, Программа обеспечения интероперабельности (IP)1 Open Geospatial Consortium, Inc. (OGC, ранее известного как OpenGIS Consortium), нацеленная на реализацию идеи полномасштабного совместного использования разных продуктов, и проблемы ее более широкого внедрения в практику деятельности разработчиков картографических серверов.
Попробуйте ответить на следующие вопросы:
1. Необходима ли вам картографическая визуализация данных в онлайновом режиме? Не потребуется ли вам графическое наложение (оверлей) слоев данных из других источников, образующих итоговое комбинированное картографическое изображение на видеоэкране в соответствии с пользовательскими задачами?
2. Необходима ли функция, обеспечивающая доступность карт, созданных на вашем компьютере средствами ГИС или системы цифровой обработки изображений, внешним пользователям через Интернет? Готовы ли вы предоставить им возможность доступа и к вашим метаданным?
Если ваши ответы на все эти вопросы положительны, то вы наверняка заинтересованы в развитии Web-картографирования.
Общие сведения
Развитие сети Интернет и особенно Всемирной паутины (WWW) создало предпосылки для удобного доступа к пространственной информации с помощью обычных Web-браузеров. Web-картографирование обеспечивает доступность в сети общегеографических карт, а также инструментальных средств интерактивного решения более сложных пользовательских задач. Основной целью онлайнового Web-картографирования является возможность оперативной и простой визуализации пространственной информации пользователями, которые не являются специалистами в области ГИС или картографии. Картографические Web-сервисы предоставляют такую возможность благодаря доступности как самих пространственных данных (через метаданные), так и сетевых служб (см., например, проект спецификации OGC Catalogue Services). Картографические сервисы сети Интернет чаще всего используются в системах поиска пространственных данных, позволяющих найти их в пределах заданной зоны охвата на фоне карты-основы.
Технология Web-картографирования реализуется в виде набора отдельных систем и работает хорошо только при том условии, что все участники используют одно и то же программное обеспечение. С учетом этого обстоятельства OGC разработал унифицированный подход к Web-картографированию, основанный на концепции интероперабельности различных систем. Задачей этой главы является не анализ сложных Web-ГИС, а рассмотрение простых инструментальных средств визуализации пространственных данных, обычно рассредоточенных по Web-серверам разных организаций, в форме Web-карт.
Деятельность OGC в области Web картографирования
Резкий рост интереса к картографическим возможностям Интернет, который отмечается в последние годы (см. «GIS Online: Information Retrieval, Mapping, and the Internet», Brandon Plewe OnWord Press; ISBN: 1566901375), вызвал необходимость обеспечения интероперабельности различных систем, в том числе и в рамках IP-инициатив OGC. В его работе участвуют организации и эксперты в области ГИС и технологии Web-картографирования, а также фирмы-поставщики программного обеспечения ГИС, СУБД, данных дистанционного зондирования, системные интеграторы и другие компании, заинтересованные в разработке единых технических требований к открытым интерфейсам Web-картографирования.
Консенсус, достигнутый поставщиками программного обеспечения в ходе реализации проекта WMT, создал предпосылки для разработки программного обеспечения, позволяющего пользователю выполнять операции наложения (оверлея) тематических слоев карт из различных источников и в разных программных средах. Кроме того, результаты, полученные на этом этапе, дали возможность сформировать, помимо других спецификаций, набор общих интерфейсов для обмена базовыми командами и параметрами, обслуживающими автоматический оверлей. Набор таких интерфейсов, в разработке которых под эгидой OGC приняли участие более 20 организаций, известен как спецификация WMS (OpenGISў Web Map Server Interfaces Implementation Specification)2. Руководство по созданию WMS-серверов3 имеется на сайте OGC: http://www.OpenGIS.org/resources/?page=cookbooks.
Спецификации WMS предусматривают наличие возможности одновременной комплексной комбинированно-послойной визуализации в Интернет распределенных ресурсов пространственных данных в форме карт. В дополнение к тому, другие спецификации OGC призваны обеспечить использование иных совместно используемых сетевых ресурсов, например, координатных преобразований. Системные интеграторы и разработчики программных средств цифрового (электронного) картографирования, а также те, кто встраивает соответствующие функции в информационные системы общего назначения, могут воспользоваться стандартизированными WMS-интерфейсами для расширения функциональных возможностей своих систем.
Web-картографирование сводится, как минимум, к следующим акциям:
1. Клиент отправляет запрос в один или более реестров каталогов, основанных на спецификации OGC к службам каталогов, для поиска URL-адресов картографических серверов, на которых может находиться нужная информация.
2. Реестр каталогов должен выдать список URL-адресов и информацию о методе получения доступа к информации на каждом из них.
3. Клиент выбирает один или несколько серверов и может обращаться к ним одновременно.
4. По указаниям клиента картографический сервер должен предоставить доступ к запрашиваемой информации и выдать ее в виде, удобном для визуализации одного или более картографических слоев с возможностью их оверлея.
5. Картографические серверы должны предоставлять клиенту (клиентам) данные, готовые для визуализации с возможностью вывода информации из различных источников в отдельное окно.
Спецификации OGC распространяются на операции доступа к изображениям, их визуализации и управления ими. То есть, эти документы специфицируют протоколы формирования запросов и ответов на них для открытого «клиент-серверного» сетевого взаимодействия. Первая из этих спецификаций, рассмотренных далее, является результатом успешно реализованного OGC проекта WMT. Они дополняют ранее опубликованные спецификации OpenGIS, касающиеся картографических объектов и служб каталогов, а также стандарты ISO на метаданные и призваны обеспечить основу разработки будущих спецификаций, нацеленных на создание устойчивой открытой среды Web-картографирования. Инициативы OGC по обеспечению интероперабельности систем (IP 2000 и IP 2001) определяют Web-сервисы, в том числе Web Feature Services и Web Coverage Services, а также расширения WMS, позволяющие существенно повысить уровень управления процессом картографической символизации данных4.
Спецификации WMS версии 1.1.1 определяют три интерфейса для поддержки Web-картографирования: GetMap, GetCapabilities и GetFeatureInfo. Они были продемонстрированы по завершении первой фазы проекта WMT (май-сентябрь 1999 г.) и опубликованы в апреле 2000 г. GetMap определяет параметры запроса на поиск карты, позволяющие группе серверов выдавать отдельному клиенту различные слои карты. GetCapabilities сообщает клиенту информацию о том, что способен делать конкретный картографический сервер (эти сведения важны для интеграторов). Интерфейс GetFeatureInfo определяет, каким образом можно запрашивать более подробную информации об объектах карты.
Эти интерфейсы обеспечивают высокий уровень абстрагирования, за которым скрываются основные трудоемкие операции Web-картографирования. К таким операциям относятся поиск удаленных серверов с информационными ресурсами, выполнение запросов на получение данных особой структуры, грамотное размещение условных знаков, преобразование систем координат и предоставление информации, готовой для визуализации в клиентских приложениях. На все эти операции уходят считанные секунды.
ГИС-серверы, соответствующие требованиям OGC WMS 1.1.1, позволяют использовать Web-сайты и мобильные устройства в новых приложениях геоинформационных технологий. Ниже перечислены возможные области их применения:
выбор места для развития бизнеса, пространственный маркетинг и другие бизнес-приложения на основе ГИС;
планирование развития телекоммуникационных кабельных, микрорадиоволновых и сотовых сетей;
гражданское строительство;
образование и профессиональная подготовка, дистанционное обучение, коллаборативные научные исследования;
электронные библиотеки, музеи и галереи;
службы спасения на дорогах и оперативного реагирования в чрезвычайных ситуациях;
мониторинг окружающей среды на глобальном и локальном уровнях;
коммунальные службы;
ликвидация последствий природных и техногенных катастроф;
здравоохранение (телемедицина, оперативное оказание помощи жителям сельских районов, дистанционный контроль состояния пациента и т. п.);
интеллектуальные транспортные системы (IVHS);
персональные системы позиционирования и навигации с использованием мобильных устройств, Интернета и цифровых карт;
военные приложения: наблюдение, планирование, обучение, управление, логистика и т. п.;
муниципальное управление и общественные работы;
исследование природных ресурсов и их эксплуатация;
навигация;
сельское хозяйство (управление и контроль внесения удобрений и химикалий на базе спутниковых систем позиционирования, материалов аэрокосмических съемок, а также оценка почв и видов на урожай);
общественная безопасность (пожарные и полицейские службы);
досуг (пеший, автомобильный и водный туризм);
наука (исследование климата, агрономия, биология, экология, геология и т. д.);.
контроль охраняемых объектов и защита от несанкционированного вторжения;
специальные услуги для людей пожилого возраста и инвалидов;
планирование сетей передачи данных;
планирование транспортных перевозок;
городское и региональное планирование;
управление водными ресурсами.
Налицо устойчивая тенденция к расширению инициатив OGC в области обеспечения интероперабельности систем в рамках проекта WMT, в том числе создание условий для ускоренной разработки других спецификаций OGC. Проект IP 2000, завершенный в конце 2000 г., в основном был посвящен вопросам авторских прав на карты, их публикации, интеграции графических данных и элементов картографического изображения (легенды, условные знаки и т. д.). Пользователи, способные работать с информацией в XML-кодировке, с тех пор получили доступ к каталогам и службам поиска и к возможностям передачи XML-данных через Интернет.
Организационные аспекты
Web-картографирование обеспечивает функциональные возможности, необходимые для поиска и визуализации пространственной информации с помощью служб каталогов. Система таких служб реализуется через Интернет-приложения, которые предоставляют Web-сервисам доступ к реестру каталогов, метаданным и связанной с ними пространственной информации в глобальной сети серверов. На рис. 1 показан один из возможных сценариев получения пользователем доступа к каталогу (фактически этот каталог реализует реестр услуг) для поиска данных и картографических услуг, а также для выполнения запроса на карты к различным серверам и их визуализации.
Рис. 1. Один из возможных сценариев получения пользователем доступа к каталогу
Служба каталогов, которая способна выдавать лишь ссылки на исходные пространственные данные, предназначена только для ГИС-специалистов и их программного обеспечения. Создавая собственные видеоэкранные карты, отображающие пространственные данные, непрофессиональные пользователи могут визуализировать пространственные данные и работать с ними таким же образом, как это ранее было доступно только ГИС-профессионалам.
На рис. 2 показан пример пользовательского интерфейса для работы со службой каталогов. Можно разработать ряд графических пользовательских интерфейсов (GUI-интерфейсов), обеспечивающих доступ к данным для различных категорий пользователей, но все подобные интерфейсы должны использовать один и тот же протокол взаимодействия с программным обеспечением, который поддерживает функции картографического сервера.
Рис. 2. Пример пользовательского интерфейса для работы со службой каталогов
Рис. 2 иллюстрирует также смысл разбиения пространства видеоэкрана5 на отдельные панели. Панель картографического изображения определяет границы зоны охвата, соответствующие параметрам пространственной (координатной) составляющей пространственного запроса на поиск данных системой службы каталогов. Типовыми элементами запроса являются пространственный, временной, исторический и тематический параметры. Пользователь имеет возможность выбирать определенные серверы, либо выполнять поиск по всем доступным серверам с искомыми пространственными данными.
Панель картографического изображения может использоваться и для картографического отображения пространственного охвата, описываемого метаданными. Вывод результатов работы системы службы каталогов может быть задан как скрытый параметр поиска, либо в виде списка или карты в браузере для визуализации. Окончательное представление ограничено рамками зоны охвата по запросу на поиск данных и вывод изображения в окне прямоугольной или произвольной формы. Зачастую пользователям необходимо оперировать объектами карты. При этом было бы желательным иметь связи между этими объектами и метаданными, с помощью которых устанавливаются связи с объектами реального мира. Все это может быть сделано через интерфейс GetFeatureInfo, описанный в спецификации WMS.
Успех систем Web-картографирования зависит от того, насколько непротиворечивы стандарты на метаданные (см. «Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации», № 3(50) за 2005 г., с. 60). История знает немало примеров разработки разных стандартов на метаданные, внедренных в практику деятельности различных профессиональных сообществ. Благодаря содействию многих картографических организаций в 2003 г. был опубликован стандарт ISO 19115 на метаданные6.. Вскоре организации и предприятия смогут по достоинству оценить и важность использования непротиворечивого формата метаданных ISO, основанного на спецификации ISO 19139, для выполнения глобального поиска и получения доступа к пространственным данным в целях интерактивного картографирования7.
Картографические серверы
Успех реализации концепции Web-картографирования может быть обеспечен при наличии глобальной группы картографических серверов, надежно связанных друг с другом с помощью общих протоколов для внутрикорпоративных и межкорпоративных сетей (Интранет и Экстранет) и сети Интернет.
Рис. 3. Примерная схема сети картографических Web-серверов
Рис. 3 представляет примерный вид такой сети серверов. Как отмечалось ранее, серверы, поддерживающие средства Web-картографирования (картографические Web-серверы), будут зарегистрированы в системе службы каталогов.
Аспекты реализации
Согласно спецификации WMS 1.0 картографический Web-сервер должен поддерживать три основные функции8:
выводить карту в виде изображения, серии графических элементов или упакованного набора данных о пространственных объектах;
отвечать на основные запросы относительно содержания карты;
сообщать другим программам, какие карты могут им выводиться и по каким из них можно делать более детальные запросы.
Стандартный Web-браузер может требовать от картографического сервера выполнения этих функций только через запросы в форме URL-адресов. Содержание таких URL-запросов зависит от того, какую из трех задач необходимо решить. Запросы должны включать номер версии спецификации WMS и параметр типа запроса. Кроме того, для вывода карты в URL-параметрах запроса указываются зона пространственного охвата, используемая система координат, тип (типы) информации, которую необходимо отобразить, а также желательный выходной формат и, возможно, размер карты, стиль рендеринга и ряд других параметров. Для выполнения запроса относительно содержания карты, в его параметрах указываются сама карта и участок на ней, который представляет интерес. Для получения сведений о возможностях картографического сервера в запрос включают параметр «capabilities». Все параметры запроса будут более подробно описаны далее. Рассмотрим сначала примеры URL-запросов и результаты их обработки. Запрос по нескольким серверам может быть сделан с целью получения с них нужных данных и последующего совмещения этих данных в единой системе координат даже в тех случаях, если эти данные произведены и используются в разных организациях.
Рис. 4. Снимок AVHRR (NOAA) Мексиканского залива
Например, запрос на поиск снимка AVHRR (рис. 4) агентства NOAA может выглядеть так: http://map.com/mapserver.cgi?VERSION=1.1.1&REQUEST= getmap&SRS=EPSG%3A4326& BBOX=-97.105,24.913,78.794,36.358&WIDTH=560&HEIGHT=350&LAYERS=AVHRR-09-27%3AMIT mbay&STYLES=default&FORMAT=PNG&BG COLOR=0xFFFFFF& TRANSPARENT=TRUE&EXCEPTIONS=INIMAGE& QUALITY=MEDIUM.
Обратите внимание на то, что в этих двух URL-запросах пространственная информация задана идентично:SRS=EPSG%3A4326&BBOX=-97.105,24.913,78.794,36.358&WIDTH=560&HEIGHT=350.
Благодаря тому, что запрос на оба изображения был задан для одной и той же зоны пространственного охвата, в одинаковой системе координат при равном размере выходного изображения (560х350), можно выполнить наложение снимка на карту.
Использование параметра прозрачности изображения позволяет "подкладывать" одно непрозрачное изображение под другое, прозрачное. В данном примере прозрачен снимок (так как был задан URL-параметр «TRANSPARENT=TRUE»). Рис. 6 представляет итоговый результат совмещения рис. 4 и 5. Следует напомнить, что в данном примере изображения были получены с разных картографических серверов. Стандартизация способов выполнения запросов позволит клиентам картографических серверов более гибко строить запросы, указывая, какие слои карты им нужны, какие серверы следует для этого опросить и т. п. Без наличия спецификации Web-серверов это было бы неосуществимо.
Рис. 5. Карта территории юго-востока США с границами штатов, береговой линией и населенными пунктами
Рис. 6. Совмещение снимка AVHRR с картой юго-востока США
Если бы оба этих изображения допускали возможность более детальных запросов к его отдельным объектам, то клиент мог бы получить информацию о них, добавив к своему URL-запросу два дополнительных параметра, определяющих положение этих объектов (координаты X,Y верхнего левого угла).
Поскольку картографические серверы могут хранить различные виды информации, пригодной для создания карт, то каждый из них должен автоматически предоставлять сведения о своих возможностях. Это позволяет создавать каталоги, предназначенные для обнаружения нужных пользователю картографических серверов.
Доступное программное обеспечение
В ходе реализации тестового проекта WMT ряд компаний, занимающихся разработкой и продажей ГИС, предоставили для испытаний прототипы картографических серверов и их интерфейсов. Так, проект «Цифровая Земля» (Digital Earth) имеет программные средства для работы с данными агентства NASA (http://digitalearth.gsfc.nasa.gov/). Были также протестированы интерфейсы WMS-совместимого программного продукта Map Objects Internet Map Server (ESRI, Inc.) версии 1.1.1 и программного средства Web-картографирования MapServer9 Университета штата Mиннесота (http://mapserver.gis.
umn.edu). Полный список программ, которые признаны отвечающими спецификации WMS, имеется на сайте: http://www.OpenGIS.org/resources/?page=products.
Рекомендации
Современное состояние Web-картографирования лучше всего можно проиллюстрировать на примере инициатив OGC в рамках программы обеспечения интероперабельности систем. Результатом этих усилий стало четкое осознание игроками ГИС-рынка преимуществ единых стандартов и спецификаций функций, обслуживающих визуализацию пространственных данных. Стандартизированные подходы позволяют устанавливать связь с группами картографических серверов и получать наборы нужных снимков и карт, пригодных для визуального анализа и решения других задач.
Рекомендуется использовать спецификацию WMS OpenGIS 1.1.1 (и более поздних версий) к картографическим серверам. Хотя потребуются дополнительные исследования в области возможностей поиска, кодирования и обмена пространственной информацией для ее визуализации и анализа, основные WMS-функции, описанные в документации OGC, представляют собой отличную отправную точку для таких исследований.
Авторы приглашают все заинтересованные организации принять участие в проектировании, прототипировании и создании следующего поколения картографических Web-серверов в сотрудничестве с OGC.
RSS
Реклама
