POTENCIALIDADES E APLICAÇÕES DE SERVIDORES DE DADOS GEOGRÁFICOS INTEROPERÁVEIS

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1 POTENCIALIDADES E APLICAÇÕES DE SERVIDORES DE DADOS GEOGRÁFICOS INTEROPERÁVEIS ROMILDO TOSCANO DE BRITO NETO MARCELLO BENIGNO BORGES BARROS FILHO Universidade Federal da Paraíba - UFPB Instituto Federal de Educação Tecnológica da Paraíba IFET - PB {romildoneto, RESUMO A interoperabilidade tem recebido cada vez mais atenção à medida que as empresas e instituições públicas tentam resolver o problema das ilhas de informação, onde os sistemas são desenvolvidos com tecnologias proprietárias e não se preocupam com a comunicação entre as aplicações. A solução proposta é criar um servidor de dados geográficos interoperável, que possibilita, através de um serviço Web, o intercâmbio e a transmissão de dados livremente entre diferentes programas e sistemas computacionais, de forma remota e em tempo real. O serviço Web implementado permite a disponibilização de formatos padrões de interoperabilidade (WMS, WFS e KML), especificados pelo Open Geospatial Consortium (OGC). O acesso aos dados do servidor implementado pode ser feito utilizando softwares de SIG (Sistema de Informações Geográficas), como também pelo Google Earth ou Google Maps. O meio criado para facilitar a comunicação entre os softwares e o servidor foi o Geoportal AESA (Agência Executiva de Gestão de Águas do Estado da Paraíba). Por fim, este artigo espera viabilizar o desenvolvimento de novos serviços Web, estimular a cooperação entre instituições produtoras de informações espaciais e servir como modelo de intercâmbio de dados. ABSTRACT Interoperability has received increasing attention when companies and public institutions tried to solve the "islands information" problem, where systems are developed with proprietary technologies and don t worry about the communication between applications. The solution proposed is to create a interoperable spatial data server that allows, through a Web service, data exchange and transmission freely between different programs and computer systems, remotely and in real time. The Web service implemented allows available formats interoperability standards (WMS, WFS and KML), specified by the Open Geospatial Consortium (OGC). Access to data server implemented can be done through GIS software (Geographic Information System), as well as Google Earth or Google Maps. Geoportal AESA (Agência Executiva de Gestão de Águas do Estado da Paraíba) was created to help communication between software and server. Finally, this article hopes to facilitate the development of new Web services, to stimulate cooperation between institutions that produce spatial information and serve as a data exchange model. 1 INTRODUÇÃO Os softwares de SIG (Sistemas de Informações Geográficas) podem ser considerados um dos recursos mais poderosos do geoprocessamento, embora muitas vezes, a base cartográfica de uma determinada área de estudo pode ter um alto custo na sua confecção. Uma solução para minimizar esse problema é o compartilhamento de dados geográficos entre diversos órgãos que utilizam SIG. Empresas e instituições públicas não costumam compartilhar seus dados. Isso pode ser atribuído a dificuldade de tornar os sistemas interoperáveis ou a falta de interesse por questões políticas ou administrativas. Assim, surgem problemas como replicação de dados e, conseqüentemente, de atualização. Outra dificuldade é a grande heterogeneidade de programas e formatos de dados de natureza espacial existentes no mercado. Desta forma, surge a importância da interoperabilidade ou intercâmbio de dados geográficos. Seu grande desafio é enfrentar a diversidade de modelos conceituais dos SIG disponíveis no mercado e seus diferentes formatos de dados. Ela pode ser entendida como a capacidade de um sistema compartilhar e trocar informações espaciais. A interoperabilidade é baseada na simplificação nas complexas coleções de formatos e padrões dos dados. Nesse sentido, foi criado o Open Geospatial Consortium (OGC). Seu objetivo é criar, entre

2 outras especificações, formatos padrões que simplificam a interação entre diferentes fontes de dados. Diante dos pressupostos, este trabalho visa apresentar potencialidades de servidores web interoperáveis a partir de um aplicativo que disponibiliza as informações hídricas do Estado da Paraíba, a partir de padrões de interoperabilidade especificados pela OGC. 2 INTEROPERABILIDADE DE SIG ATRAVÉS DE SERVIÇOS WEB 2.1 SIG no contexto da interoperabilidade Geoinformação significa, antes de mais nada, utilizar computadores como instrumentos de representação de dados espaciais. Assim, o problema fundamental da Ciência da Geoinformação é o estudo e a implementação de diferentes formas de representação computacional do espaço geográfico (CÂMARA e MONTEIRO, 2003). Com o crescimento do número de softwares de SIG e conseqüentemente da variedade de modelos internos de dados, criou-se uma demanda em busca de mecanismos que permitam a troca de informações armazenadas em base de dados diferentes. As primeiras tentativas de integração entre esses softwares envolveram a conversão direta do formato dos dados de um fabricante para outro, além da criação de formatos padrões de dados (DXF, GML, SHP), que facilitaram a troca de dados entre os SIG. Porém, não havia interação entre os sistemas, o que se buscava era o acesso aos dados (FONSECA, 2001). Assim, surge a necessidade de se criar formatos padronizados que facilitem o compartilhamento de dados utilizando diferentes softwares de SIG. Resolver esta problemática pode ser considerado uma das principais funções da interoperabilidade. A internet é uma opção viável para proporcionar o intercâmbio de dados geográficos. Seu uso em larga escala já é uma realidade em grande parte do mundo e é crescente a quantidade de serviços disponibilizados nela. Alguns destes serviços estão relacionados a informações geográficas, deste simples endereços até sistemas de traçado de rotas e visualização de mapas. A web vem sendo utilizada como recurso para proporcionar a interoperabilidade entre SIG, ela funciona basicamente com a arquitetura na forma de cliente/servidor, onde o sistema principal, o que se quer disponibilizar, é o servidor e os clientes são os outros sistemas que irão interagir com este servidor. Assim, para se atingir interoperabilidade, é necessário que se implemente esse cliente, de forma autônoma ou estendendo outros softwares (PEREIRA, 2004). 2.2 Serviços Web Os serviços Web surgem como uma alternativa para a disseminação de dados geográficos na Internet, tendo em vista a enorme demanda que existe por informação espacial de simples acesso. O conceito de serviço Web surgiu para prover uma arquitetura sistemática e mais ampla para permitir a interação entre aplicações, a partir de mensagens enviadas sobre os protocolos Web já existentes (HTTP) combinadas com o padrão XML (CURBERA et al., 2002 apud DAVIS JR. et al., 2005). O extensible Markup Language (XML) é um padrão W3C (world wide web consortium) grupo responsável por diversos padrões existentes na internet. A linguagem XML surgiu com o advento da Internet e a necessidade de se criar padrões de representação de dados e metadados. Ela é um padrão que independe de plataforma computacional e linguagem de programação e que é usada para publicar, representar e trocar dados e metadados na Web (FIDALGO, 2005). Por ser uma linguagem extensível, XML permite que novos padrões sejam especificados a partir dela, possibilitando assim, que surjam novas tecnologias em conformidade com a mesma. Como diversos padrões do OGC, que são especificados a partir de XML (FIDALGO, 2005). Para Brandão e Ribeiro (2007), serviços Web são softwares que oferecem serviços a aplicações remotas, denominadas consumidoras, utilizando a Internet como canal de comunicação. No caso do aplicativo deste trabalho, o software seria o servidor interoperável implementado e os serviços seriam os mapas em padrões da OGC. A Figura 1 a seguir mostra um esquema de como funciona um serviço Web. O cliente faz requisições a um servidor HTTP (Tomcat, por exemplo) através de um navegador (Internet Explorer, por exemplo). Então o servidor de mapas interoperável (Geoserver, por exemplo) é ativado, capturando informações do banco de dados e devolvendo para o servidor HTTP através do protocolo e das extensões XML. Dessa forma fica caracterizado um serviço Web. Figura 1 Funcionamento de um serviço Web Fonte: Adapatado de Melo Jr. (2005) 2.3 O Open Geospatial Consortium (OGC) O OpenGIS é a marca registrada da OGC. Suas especificações visam permitir que as tecnologias do geoprocessamento se tornem interoperáveis através da criação de interfaces e padrões de intercâmbio de dados

3 (OGC, 2008). Do ponto de vista do usuário, ele permite o O Tomcat tem a capacidade de atuar como um acesso a dados espaciais em locais remotos, não servidor Web HTTP puramente em Java. Além disso, o importando qual o formato. Para o desenvolvedor, é a Tomcat é um servidor de aplicações Java na Web. O parte do serviço Web criada para interpretar e representar Geoserver é uma aplicação Java que funciona como um um conjunto de dados de um servidor de dados espaciais servidor de mapas. Pode-se dizer que o Geoserver é um para um cliente de geoprocessamento. Servidor Web Interoperável, já ele utiliza as Neste trabalho, os formatos padrões de especificações da OGC (Por exemplo: WMS, WFS, SLD, interoperabilidade WMS, WFS e KML, especificados KML etc.) que reduzem as dificuldades do pelo OGC, foram disponibilizados a partir do serviço Web compartilhamento de dados. Portanto, o Geoserver é implementado. utilizado para acessar dados espaciais em diversos O Web Map Service (WMS) cria uma forma formatos, convertê-los e disponibilizá-los de acordo com padronizada para recuperação de mapas no formato as especificações da OCG, conseqüentemente matricial. Assim, os mapas produzidos por meio do WMS promovendo a interoperabilidade entre SIG. são geralmente apresentados em um formato de figura O PostGIS é a extensão do PostgreSQL que como PNG, GIF ou JPEG, ou ocasionalmente como base adiciona a este SGBD o suporte operações com dados de elementos gráficos vetoriais em Scalable Vector espaciais. Ele permite que o Geoserver acesse sua base de Graphics (SVG) (BEAUJARDIERE, 2006; TSOU, dados, além de ser completamente compatível com as 2001). especificações OGC. Além disso, foi utilizado o ArcGIS e Para definir a simbologia de um WMS o OGC o gvsig para demonstrar a visualização dos dados através utiliza outro padrão, o Styled Layer Descriptor (SLD). de um software de SIG. Ele permite definir cores e rótulos para uma camada WMS a partir de regras a serem definidas em sua 3.2 Implementação do sistema linguagem. Todo arquivo SLD é a extensão de um XML, e por isso é enquadrado como parte de um serviço Web (LALONDE, 2002). O Keyhole Markup Language (KML) é a extensão de um XML utilizado pelo Google para permitir a visualização de dados geográficos em seus aplicativos, Google Earth e Google Maps. Na sintaxe do KML proveniente de um serviço Web existe uma requisição WMS, ou seja, o KML depende de outros padrões para permitir a visualização de dados espaciais. O KML é processado nos aplicativos do Google (Earth Browsers) da mesma forma que o HTML e XML são processados nos navegadores Web. O Web Feature Service (WFS) é uma das mais valiosas especificações da OGC. Ele fornece uma visualização genérica para os dados acessados no servidor remoto, ou seja, não existem estilos predefinidos para este serviço, porém o usuário é capaz de customizá-los. Outra potencialidade deste serviço é capacidade de realizar consultas e criar filtros, isto faz com que o usuário tenha maior controle sobre os dados (GEOSERVER, 2008). 3 MATERIAIS E MÉTODOS Para a construção do Servidor Web interoperável é necessária infra-estrutura de hardware e software compatíveis com o volume de dados a serem disponibilizados. Em virtude disto, foi desenvolvida uma aplicação, chamada de Web Service, na sede da AESA, já que esta agência tem a filosofia de disponibilizar informações espaciais, dispõe de boa qualidade de equipamentos para estes fins, além de ser a maior detentora de dados espaciais relacionados à gestão de recursos hídricos na Paraíba. 3.1 Programas computacionais A configuração do aplicativo iniciou-se com a instalação e configuração do servidor Tomcat no sistema operacional Linux Fedora. Em seguida foi instalado o Geoserver, aplicação Java utilizada para acessar dados espaciais em diversos formatos, convertê-los e disponibilizá-los de acordo com as especificações da OCG, conseqüentemente promovendo a interoperabilidade entre SIG. No Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD) da AESA, PostgreSQL com a extensão espacial PostGIS, foram analisados os relacionamentos entre as tabelas que seriam utilizadas para a extração das informações a serem disponibilizadas e configurado o repositório de dados formado pelas tabelas contidas no banco. Após a instalação e do Geoserver no Tomcat, deu-se início a sua configuração a fim de permitir o armazenamento dos dados. O próximo passo foi acessar o SGBD da AESA através do Geoserver, para se obter dados que são alterados constantemente, como por exemplo, as coordenadas dos pontos de captação de água outorgados. Assim como os dados da base cartográfica em meio digital, que se encontrava nos formatos shapefile e geodatabase (nativos do ArcGIS), que também foram exportados para o Banco de Dados Geográficos. O Geoserver possui um recurso que permite a pré-visualização dos mapas criados através de um cliente, o OpenLayers. Dessa forma foi possível verificar os estilos das camadas WMS recém criadas e buscar sua customização modificando seus respectivos arquivos SLD. A Figura 2 a seguir mostra o layer dos limites das bacias hidrográficas do Estado da Paraíba visualizado a partir do OpenLayers e com o estilo default_polygon do Geoserver.

4 Figura 2 Visualização da camada Limites das Bacias Hidrográficas através do OpenLayers A Figura 3 a seguir mostra o mesmo layer após a customização do arquivo SLD. Figura 3 Visualização da camada Limites das Bacias Hidrográficas com SLD definido 4 RESULTADOS Figura 4 Esquema de funcionamento do aplicativo 4.2 Requisição do serviço WMS utilizando o ArcGIS O primeiro passo é acessar o Geoportal da AESA e obter o endereço que será anexado ao SIG para fazer a requisição WMS. Então, no caso do ArcGIS, a função Add WMS Servers permite adicionar o serviço WMS colando o endereço (URL) obtido no Geoportal e, assim, obter uma lista com todas as camadas WMS que o servidor criado dispõe. O próximo passo é selecionar o Sistema de referência geodésico e o Sistema de projeção cartográfico, neste caso deve ser selecionado o SAD69 e o Sistema de coordenadas geográficas. Após esses passos é possível visualizar as camadas adicionadas, como mostra a Figura 5 a seguir, onde foram selecionadas as camadas: limites do Estado, usuários cadastrados, limites dos municípios e os limites das bacias hidrográficas. 4.1 Esquema de funcionamento do aplicativo O cliente, através de seu navegador, acessa o Geoportal AESA, e lá obtém os endereços dos serviços WMS e WFS. Esses endereços são utilizados pelos softwares de SIG para fazer a requisição dos serviços. Essas requisições acessam o servidor Tomcat que por sua vez ativa o Geoserver, então ele acessa as tabelas do banco de dados espaciais (PostGIS) e as transformam nos padrões WMS e WMF. Assim, tem-se a interoperabilidade criada de fato, já que os dados podem ser visualizados por diversos softwares de SIG e de forma remota. O padrão KML é disponibilizado de forma semelhante, porém não existe um endereço a ser anexado no Google Earth e Google Maps para visualizar os dados. Neste caso são disponibilizados arquivos KML que, quando solicitados, mostram as camadas diretamente em um dos programas utilizados pelo cliente. Isto ocorre porque o Google Earth e o Google Maps funcionam como um navegador de arquivos KML, ou seja, o processamento de um arquivo KML é semelhante ao de arquivos HTML e XML em navegadores da Web. A Figura 20 a seguir é um esquema que mostra o funcionamento do aplicativo criado. Figura 5 Visualização das camadas adicionadas no ArcGIS Portanto o serviço WMS é recomendado aos usuários que desejam visualizar os dados com estilos predefinidos, nesse caso da AESA. Também é possível consultar os atributos dos elementos que compõem os mapas.

5 4.3 Requisição do serviço WFS utilizando o gvsig O primeiro passo para se fazer uma requisição WFS no gvsig é definir o Sistema de Referência Geodésico e o Sistema de Projeção Cartográfico, para os dados desse projeto deve ser selecionado o SAD69 e o Sistema de coordenadas geográficas. Em seguida, deve-se acessar o Geoportal da AESA para obter o endereço que será anexado ao SIG para fazer a requisição WFS. Então, no caso do gvsig, a função Añadir capa permite iniciar o serviço WFS. Para isso basta colar o endereço (URL) obtido no Geoportal. O próximo passo seria escolher uma camada e configurá-la. O padrão WFS permite que sejam empregadas funções de análise espacial, seleção por atributos, confecção de mapas temáticos entre outras utilidades. Como exemplo de aplicação desse serviço, foi gerado um mapa temático com as mesorregiões do estado e os rios com ordem maior que dois, como pode ser visto na Figura 6 a seguir. Figura 6 Visualização de um mapa temático criado no gvsig 4.4 Visualização de um arquivo KML no Google Earth Para a disponibilização dos arquivos KML, foi criada a página KML no Geoportal AESA. Ela contém links que baixam os arquivos KML e assim, eles podem ser visualizados no Google Earth. Os dados visualizados a partir deste padrão provêm, na verdade, de uma requisição WMS. Portanto eles têm o mesmo estilo de um WMS e a interoperabilidade é mantida de fato, assim, o cliente do Geoportal pode salvar um arquivo KML em sua máquina e quando recarregá-lo no Google Earth as informações serão obtidas em tempo real direto do banco de dados da AESA. A Figura 7 a seguir mostra a visualização das camadas açudes e rios do estado da Paraíba do Google Earth a partir de arquivos KML obtidos no Geoportal AESA. Figura 7 Visualização de camadas no Google Earth 4.5 Visualização de um arquivo KML no Google Maps Para a visualização de dados geográficos no Google Maps também é utilizado o padrão KML. Porém o mecanismo aplicado para dispor deste recurso foi diferente do empregado no Google Earth. Neste caso, os arquivos KML são capturados por URLs, que estão escondidas dentro da estrutura do HTML que compõe a página do Geoportal que mostra o Google Maps. Para colocar uma janela do Google Maps dentro de um HTML é utilizado o recurso API (Application Programming Interface) do Google Maps que, além de incorporar o Google Maps em páginas Web através de um JavaScript, fornece uma série de utilitários para manipular mapas e adicionar conteúdo por meio de uma variedade de serviços, como por exemplo adicionar um KML através de um Serviço Web. A Figura 8 abaixo mostra a visualização da camada adutoras do Estado da Paraíba no Google Maps a partir do acesso ao Geoportal AESA. Figura 8 Visualização de camadas no Google Maps

6 A Figura 9 a seguir mostra como são selecionadas consideravelmente os custos. Dessa forma, pretende-se as camadas em KML que aparecem no Google Maps do estimular a cooperação entre instituições produtoras de Geoportal. Quando é selecionada uma camada, por informações espaciais e servir como modelo de exemplo, as adutoras, existe dentro do HTML uma intercâmbio de dados. requisição KML feita através do API Google Maps, que permite sua visualização. REFERÊNCIAS BEAUJARDIERE, Jeff de la. OpenGIS Web Map Server Implementation Specification. OpenGIS, p. BRANDÃO, F.; RIBEIRO, J. A. Estudo do XML, GML, SVG e WEBSERVICES (WMS e WFS) para formatação e divulgação de informações geográficas. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 13, 2007, Florianópolis. Anais... São José dos Campos, SP: INPE, p CÂMARA, G.; MONTEIRO, A.V.M. Conceitos Básicos em Ciência da Geoinformação. In: CÂMARA, G.; MONTEIRO, A.V.M.; DAVIS, C.. (Org) Introdução à Ciência da Geoinformação. São José dos Campos: INPE, Cap 2, p Figura 9 Seleção de camadas no Geoportal para o Google Maps 5 CONCLUSÕES A utilização de servidores Web interoperáveis é fundamental para promover o intercâmbio de dados geográficos. A partir do aplicativo criado, foi alcançado o objetivo proposto, que era de apresentar potencialidades de servidores Web interoperáveis a partir especificações do OpenGIS, desenvolver de uma aplicação para subsidiar a gestão hídrica, além de promover o compartilhamento desse tipo de informação. A utilização de softwares de SIG e do Google Earth e Maps, como ferramentas que permitem a visualização dos produtos gerados (formatos WMS, WFS e KML), é considerada uma alternativa viável para se trabalhar com os dados, realizar análises e gerar mapas e relatórios. A criação do servidor de dados geográficos interoperável permitiu que órgãos gestores, como AESA, ANA, SUDEMA e prefeituras, tenham acesso remoto a dados e em tempo real, possibilitando uma forma descentralizada de se obter e centralizada de se gerar informações. A partir do serviço desenvolvido, espera-se ressaltar a importância da interoperabilidade de dados geográficos em empresas, órgãos ou instituições. Já que a coleta de dados é um processo caro e a disponibilização de dados, muitas vezes, é uma obrigação de órgãos governamentais. A partir da metodologia aplicada para a implementação do sistema, espera-se viabilizar o desenvolvimento de novos serviços Web, já que foram empregados apenas softwares livres, o que diminui CURBERA, F.; DUFTLER, M.; KHALAF, R.; NAGY, W.; MUKHI, N.; WEERAWARANA, S. Unraveling the Web Services Web: an introduction to SOAP, WSDL and UDDI. IEEE Internet Computing, v. 6, n.2, p , DAVIS JR. C. A.; SOUZA, L.A. de; BORGES, K. A. V. Disseminação de dados geográficos na Internet. In: CÂMARA, G. et al. (Org.). Banco de Dados Geográficos. São Paulo: MundoGEO, cap. 10, p FIDALGO, Robson do Nascimento. Uma Infraestrutura para Integração de Modelos, Esquemas e Serviços Multidimensionais e Geográficos. Recife: UFPE, p. Tese de Doutorado (Ciências da Computação) Universidade Federal de Pernambuco, FONSECA, F. T., Ontology-Driven Geographic Information Systems p. PhD Thesis (Spatial Information Science and Engineering) - University of Maine, Orono. OGC. Open Geospatial Consortium Disponível em: <http://www.opengeospatial.org/ogc >. Acesso em: 30 ago. 2008, 03:00:00. GEOSERVER. Geoserver. Disponível em: <http://geoserver.org/>. Acesso em: 31 out. 2008, 09:01:00 LALONDE, William. Styled Layer Descriptor Implementation Specification. OpenGIS, p.

7 PEREIRA, Marconi de Arruda. Uma Implementação Do Serviço WMS Sobre a Biblioteca Terralib p. Dissertação (Informática) PUC-Rio, Rio de Janeiro MELO JÚNIOR, J. Interoperabilidade de SIG através de serviços Web. 2005, 96 f. Dissertação (Tecnologias da Geoinformação) Centro de Tecnologia e Geociências - Universidade Federal de Pernambuco, Recife, TSOU. Ming-Hsiang. A Dynamic Architecture For Distributing Geographic Information Services on the internet p. PhD Thesis - University of Colorado, Boulder.

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