Aplicação de Serviços Web OGC em Infraestruturas de Dados Espaciais

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1 Aplicação de Serviços Web OGC em Infraestruturas de Dados Espaciais %HWkQLD6LOYD$UDXMR &ORGRYHX$'DYLV-U 1 Instituto de Educação Continuada - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Belo Horizonte MG Brasil 2 Departamento de Ciência da Computação - Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte MG Brasil Abstract. The difficulty of update and use of spatial data for distributed systems have been a topic of great discussions nowadays. Applying the standards and services OGC, the work implement and test an architecture that enables the interoperability among systems in a transparent way to the user. For this, it was used the concepts of SOA applied in Web Service and geospatial data. The architecture gives the user more freedom about studying and viewing of geographical data. Then, this article shows the facilities and availabilities of technological resources that allow users to access data. Keywords: SOA, Web Service, OGC, IDE Resumo. A dificuldade de atualização e utilização dos dados geográficos por sistemas distribuídos tem sido tema de grandes discussões nos dias de hoje. Aplicando as normas e serviços OGC, o trabalho implementa e testa uma arquitetura que possibilita a interoperabilidade entre sistemas de modo transparente para o usuário. Para isso, foram utilizados os conceitos de SOA aplicados em Serviços Web e dados geoespaciais. A arquitetura permiti ao usuário maior liberdade no estudo e visualização dos dados geográficos. Assim, este artigo apresenta a facilidade e disponibilidades dos recursos tecnológicos que permitem o acesso dos dados aos usuários. Palavras-chaves: SOA, Serviços Web, OGC, IDE 1. Introdução A utilização de dados espaciais tem sido o foco de várias empresas que desejam manipular dados georreferenciados para facilitar tomadas de decisões políticas e administrativas. Essa necessidade pode ser observada, por exemplo, na situação citada por Hara: A necessidade de mapeamento, manejo e monitoramento dos recursos naturais renováveis e não renováveis tem resultado na evolução tecnológica dos Sistemas de Informações Geográficas (SIGs). Tais sistemas utilizados inicialmente apenas no auxílio à elaboração de mapas, vêm sendo cada vez mais utilizados no auxílio de extração de informações e tomada de decisões. (HARA, 1997 p.1)

2 Entretanto, com o advento da Internet, a atualização e manutenção desses dados e sua vinculação com sistemas de outras empresas por uma determinada empresa têm sido problemáticas, pois as arquiteturas cliente / servidor dificultam a disseminação e atualização da informação. Com isso, a utilização de sistemas de dados espaciais que permitem a comunicação de forma interoperável e transparente ao usuário ganhou destaque. Pensando nisso, o OpenGIS Consortium (OGC ou Consórcio OpenGIS) criou normas que permitem, através de serviços Web, realizar essa comunicação de dados espaciais em redes distribuídas (DAVIS JR, 2005). Ou seja, o OGC 1 propôs a padronização das instruções que facilitam o intercâmbio de informações geoespaciais e geoprocessamento em diferentes sistemas. (OGC, 2009). Assim, o objetivo desse trabalho é rever essas normas e serviços da OpenGIS e estudar a implementação de uma arquitetura que permita a fácil utilização de dados espaciais em sistemas distribuídos. Neste artigo apresentaremos a base teórica que fundamenta a pesquisa nessa área. Decidiu-se pela revisão de literatura do estado da arte, uma vez que o assunto foi estudado por diversos autores. Os conceitos a serem abordados serão os de infraestruturas de dados espaciais baseados em arquiteturas orientada por serviços (SOA), nas quais são usados serviços Web para prover acesso ao controle de bancos de dados espaciais. 2. Trabalhos relacionados 2.1Infraestruturas de dados espaciais (IDE) Phillips, Williamson, e Ezigbalike (1999) conceituam uma infraestrutura de dados espaciais como a união de tecnologias, políticas e padrões que permitem a conexão de informações geográfica com seus usuários, possibilitando a gestão e atividades de produção dessas informações. Esses padrões e especificações, como mencionado anteriormente, foram propostos e padronizados pela OGC de modo a garantir a interoperabilidade entre sistemas de informação geográficos. Conforme Pereira (2004), a OGC é um conjunto de empresas, agências governamentais e universidades que têm como objetivo aumentar a interoperabilidade entre dados geográficos, contribuindo e promovendo serviços geográficos independentes de plataformas e aplicações. A utilização desses serviços de informação geográfica através da tecnologia Web e de padrões, segundo Bernard e Craglia (2005), possibilita a utilização de dados geográficos em serviços Web de várias formas, como consultas espaciais simples, visualização de mapas, publicação e busca por dados de interesse. Assim, a próxima geração de infraestrutura de dados espaciais as ser entendida como um serviço de infraestrutura para informação geográfica necessita ser muito mais motivada pela idéia de compartilhar funcionalidade encapsulada em um serviço, tornando esta funcionalidade comparável e permitindo aos usuários 1 OGC -

3 facilmente combinar as funcionalidades oferecidas pelos diferentes provedores (BERNARD; CRAGLIA, 2005, p.2, tradução nossa). Maguire e Longley (2004) argumentam que o componente essencial de qualquer IDE é um catálogo de metadados que podem ser consultados para pesquisa de dados e recursos utilizando espaço, tempo e atributos temáticos (MAGUIRE; LONGLEY, 2004, p. 3, tradução nossa). Nesse sentido, a necessidade do usuário pode ser atendida através de regras de negócio disponíveis em um banco de dados e em sistemas, de maneira que possibilite o compartilhamento e a troca de informações e aplicações. Essa capacidade de comunicar, executar serviços e transferir informações sem exigir muitos conhecimentos ao usuário sobre as tecnologias ou ferramentas subjacentes é o que o que chamamos de interoperabilidade. Uma forma de proporcionar essa interoperabilidade é através da abordagem da arquitetura orientada por serviços (Service-Oriented Architecture, SOA). 2.2Arquitetura Orientada por Serviços e Serviços Web O conceito de SOA é tratado por Josuttis (2008), que afirma ser uma abordagem ou um conjunto de valores que permitem tomar decisões durante a projeção de uma arquitetura de software. Conforme ele, o objetivo de SOA é estruturar sistemas distribuídos baseados em abstração das regras e das funções de negócio (JOSUTTIS, 2008, p.15) Além disso, ele afirma que SOA possibilita uma conexão diferenciada de sistemas diferentes de forma transparente para o usuário, ou seja, com alta interoperabilidade. Essa arquitetura orientada por serviços pode ser implementada através de serviços Web, que são definidos como um pedaço de lógica empresarial, localizado em qualquer lugar da Internet, que é acessível através de normas baseadas em protocolos da Internet, como HTTP ou SMTP (CHAPPELL, JEWELL, 2002, p.1). Em outras palavras, são um conjunto de aplicações distribuídas que se comunicam utilizando padrões de comunicação como por exemplo a Linguagem de Marcação Extensível (XML) e o protocolo HTTP. Segundo Ferris e Farrell(2003), serviços Web proporcionam benefícios, tais como a desagregação das interfaces dos serviços e a ligação dinâmica entre eles. Oliveira et al(2008) complementam dizendo que outras vantagens seriam: possibilitar o gerenciamento automatizado de processos de negócio, facilitar a integração entre sistemas, permitir o reuso de sistemas legados e favorecer a adaptação de aplicações a mudanças tecnológicas. 2.3Aplicação de SOA em Bancos de Dados Espaciais A OGC utiliza conceitos de SOA para viabilizar a interoperabilidade na utilização de dados espaciais por sistemas de diferentes empresas e diferentes tecnologias. Para isso, ela disponibiliza normas e especificações para as implementações de serviços Web que são capazes de receber ou transmitir dados espaciais. Conforme Davis (2007), através desses serviços é possível também configurar camadas de visualização dos dados geográficos de acordo com a necessidade do usuário, seja em forma de mapas ou dados. Neste sentido, os serviços permitem a execução de rotinas geográficas importantes como registros,

4 composições, visualizações e codificações de informação geoespacial (ALVES, 2007). Dentre os serviços propostos pela OGC destacamos: Web Map Service (WMS) permite criar mapas em formato imagem, a partir de dados geográficos. Nesse serviço, as informações podem ser trafegadas utilizando um navegador Web (BEAUJARDIERE, 2006). O cliente requisita através do Hypertext Transfer Protocol(HTTP), de acordo com as especificações e o serviço retorna informações em XML e imagens em formatos JPEG, GIF, PNG, etc. (PEREIRA, 2004). Web Feature Service (WFS) também possibilita a recuperação de dados geográficos, porém em formato vetorial. Além disso, permite a atualização dos dados armazenados, usando uma codificação em Geography Markup Language (GML), que é uma extensão de XML voltada para transporte e armazenamento de informações geográficas (VRETANOS, 2005). A versão de WFS que permite atualização é chamada de WFS-T (Web Feature Service Transaction) (VRETANOS, 2002). Web Coverage Service (WCS) permite trocas de informações espaciais em forma de coverages, ou seja, informações geoespaciais variáveis no tempo e no espaço (COSTA, 2007). Além disso, o WCS define uma rica sintaxe para requisições de dados, e retorna os dados originais com a sua semântica (em vez de imagens), que pode ser interpretada (WHITESIDE, EVANS, 2008). Catalogue Service for Web (CSW) permite a publicação ou localização de metadados geográficos. Neste serviço, o foco é a descoberta de fontes de dados e suas características, e não a obtenção das informações em si. (OLIVEIRA, 2007). Web Processing Service (WPS) especifica normas para execução de cálculos, algoritmos ou modelos em dados geográficos. Ele facilita a edição de processos espaciais e ligação de processos dos clientes (SCHUT, 2007). Segundo a OGC (2005) esses serviços possibilitam a integração dos dados, o que agiliza o trabalho e reduz custos de produção e manutenção em aplicações distribuídas. 3. Arquitetura estudada SOA é um conjunto de serviços que comunicam entre si (VASCONCELOS, GUIDINI, 2005). Conforme Jossuttis (2007), permitir o acesso a desses serviços pelos consumidores garantindo a interoperabilidade é o principal objetivo da infraestrutura de ambientes distribuídos. Isso porque ela é responsável pela integração entre diferentes linguagens e plataformas. Assim, para implementar uma arquitetura de SOA para dados geográficos é necessário construir uma estrutura de serviços Web, provedores, tecnologias e outros recursos, como mostra a Figura 1.

5 Figura 1: Arquitetura SOA aplicada a Dados Geográficos Fonte: DAVIS JUNIOR, FONSECA, CÂMARA, 2009 Na ilustração podemos observar o funcionamento da infraestrutura da seguinte forma. O provedor de dados cataloga o seu acervo no serviço de catálogo de metadados (etapa publicação). O usuário, através do software do cliente, busca um serviço no catálogo de serviços Web (etapa descoberta). Este verifica a existência de metadados sobre serviços que podem atender à demanda do usuário, e retorna ao software do cliente esses metadados. O catalogo de serviços Web possui informações como localização e normas para requisição do serviço. Então, o usuário, através de um Geoportal ou diretamente, requisita o serviço ao provedor de serviços e dados geoespaciais (etapa conexão). O provedor possui um banco de dados geográfico pronto para uso, porém encapsulado pela camada de serviços. Nesse sentido, o provedor retorna a resposta da solicitação do serviço ao usuário sob a forma de uma lista de dados disponíveis. O usuário seleciona o que lhe interessa (etapa seleção), e completa a requisição. O provedor, então, pode produzir o resultado solicitado e enviar de volta ao cliente (etapa execução) (PERCIVALL, 2002). O geoportal pode ser usado para viabilizar toda essa comunicação de modo interativo, incluindo a visualização do dado ao

6 final do processo. Não existindo um geoportal, ou havendo a necessidade de conduzir essa comunicação por meio de um software, a interação pode ser processar inteiramente por meio da troca de mensagens. Nesta arquitetura, as informações sobre a descrição do serviço, incluindo as suas capacidades, interface, comportamento e qualidade, podem ser obtidas a partir do próprio serviço, através de um conjunto padronização de funções (DAVIS JUNIOR, 2008). Essa ligação entre serviços é transparente para o usuário, independente de linguagem de programação e ambientes (DAVIS JUNIOR, ALVES, 2007). Um exemplo de aplicação dessa arquitetura é vista em projetos como INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in the European Community 2 ) que foi proposto em 2004 pela Comissão Européia com o princípio de disponibilizar dados espaciais, utilizáveis na formulação, implementação, monitoramento de atividades e avaliação das políticas da União Européia (Network Services Drafting Team, 2008). A criação da infraestrutura européia permite a interoperabilidade entre serviços espaciais que possibilitam identificação e acesso a informações geográficas por várias fontes (SNIG, 2009). Outro exemplo seria o Instituto Geográfico Português (IGP) que mantém um site baseado em padrões da INSPIRE e OGC, e que através dos serviços WMS e WFS disponibiliza catálogos como Cartografia de Risco de Incêndio Florestal e Continente e a Série Cartográfica de Portugal Continental (FURTADO, 2009). 4. Implementação Pensando na implementação da arquitetura estudada para sua utilização de forma eficiente e de baixo custo, foi construída uma infraestrutura para dados geográficos que permite a interoperabilidade entre aplicativos e tecnologias diferentes. Essa implementação é composta basicamente da configuração de três fases: banco de dados geográfico, serviço Web e software do cliente. O primeiro corresponde ao banco de dados alimentado com dados geográficos previamente disponíveis. O segundo se refere à conexão de um provedor de serviços Web OGC com o banco e a disponibilização dos serviços. O terceiro corresponde à visualização e acesso do cliente aos dados disponibilizados pelo serviço Web. Para o banco de dados, foi configurado um computador com sistema operacional Linux, distribuição Ubuntu. Nesse foram instalados o banco de dados PostgreSQL e sua extensão PostGIS. O Ubuntu 3 é uma distribuição utilizada em servidores e em computadores domésticos. Ela possui pacotes testados de instalação para o banco de dados PostgreSQL e PostGIS. O PostGIS é o gerenciador dos dados geográficos e permite a importação de arquivos geográficos do tipo shapefile (SHP). Esses arquivos são hoje a forma mais comum de intercâmbio offline de dados geográficos, pois seu formato é reconhecido por inúmeros sistemas SIG. Dados em formato shapefile podem ser encontrados em sites como de 2 INSPIRE - 3 UBUNTU-BR -

7 Geoprocessamento 4, que disponibiliza dados de unidades de conservação do IBAMA, e o GeoMinas 5, que oferece dados geográficos sobre o estado de Minas Gerais. Neste trabalho foram utilizados arquivos SHP do site GeoMinas, devido a disponibilidade dos arquivos no site e ao conhecimento da região. Para a alimentação do banco foi necessário realizar a conversão dos arquivos SHP para SQL através do comando shp2sql, um conversor de formato que acompanha o PostGIS: shp2pgsql -s 4291 municipiomg.shp municipiomg > municipiomg.sql No comando, -s 4291 indica o código SRID (identificação do sistema de referência espacial) referente ao Datum SAD69 e projeção UTM municipiomg.shp é o nome do arquivo shapefile que iremos converter para SQL, municipiomg é o nome da tabela que será criada no banco e municipiomg.sql é o nome do arquivo SQL a ser gerado neste mesmo diretório. Após a conversão o arquivo SQL foi executado, de modo a criar as tabelas no banco e carregá-las com os dados convertidos. Para a configuração do serviço Web, foi configurado um computador com sistema operacional Windows XP para demonstrar a compatibilidade dos serviços em sistemas operacionais diferentes. Neste sentido, foi instalado o Geoserver 6, que é um programa livre desenvolvido em Java que é capaz de prover os serviços OGC Web Map Service, Web Feature Service e Web Coverage Service da OGC (DAVIS, 2007). O GeoServer se conecta ao banco de dados de forma transparente para o usuário. Para isso foi criado um Data Store com as configurações referentes ao banco, como mostra a Figura 2. Conforme Pereira (2004), utilizar o serviço WMS é simples e fácil. Neste sentido, pensando na apresentação dos dados geográficos em forma de imagens de mapas, foi configurado o serviço WMS. Após a configuração do Data Store, foram definidos os tipos de recursos (FeatureType) que ficariam disponíveis para o cliente. Para cada camada do mapa são definidas as características que seriam exibidas: linha, ponto, polígono, etc.. Além disso, foram configurados os estilos visuais das linhas, polígonos e pontos. Na Figura 3 é possível observar que a configuração do estilo de polígono é feita em um arquivo XML, no qual são informadas as cores da linha e do preenchimento do polígono em formato hexadecimal. 4 Geoprocessamento - 5 GeoMinas - 6 GeoServer -

8 Figura 2: Configuração do Data Store no GeoServer Figura 3: Configuração do estilo do polígono

9 Para o software do cliente, foram testadas algumas soluções livres, como Quantum Gis, OpenLayers e udig. O primeiro mostrou incompatibilidade na apresentação dos dados o programa realiza a conexão ao GeoServer, porém não exibe o mapa especificado, mostra apenas páginas em branco e sem valores. O segundo foi utilizado para o desenvolvimento de um GeoPortal que apresenta os mapas disponíveis no GeoServer. E o terceiro foi usado para a visualização de vários mapas juntos e mostrar a simplicidade na operação do sistema por usuários inexperientes. No udig foi configurada a conexão com o GeoServer através da importação do WMS com a URL da sua operação GetCapabilities. Através dessa operação é possível obter informações sobre o serviço e as informações geoespaciais (PEREIRA,2004). 5. Resultados O resultado do trabalho pode ser observado na Figura 4, 5 e 6. A primeira e a segunda são imagens da execução do software udig que utiliza o serviço WMS provido pelo GeoServer para obter os dados que são apresentados em sua tela. Figura 4: Apresentação dos municípios de Minas Gerais através do programa udig A Figura 4 mostra o mapa da divisão político administrativa de Minas Gerais no formato de polígonos, e a Figura 5 apresenta o mapa da Figura 4 com o acréscimo de duas novas camadas: rodovias de Minas Gerais representadas por linhas e sedes administrativas dos municípios de Minas Gerais em forma de pontos.

10 Figura 5: Apresentação dos municípios, rodovias e sedes municipais de Minas Gerais Figura 6: Apresentação dos municípios de Minas Gerais através do Geoportal usando OpenLayer

11 A Figura 6 mostra o mapa da divisão político administrativa de Minas Gerais no Geoportal. Ele foi desenvolvido utilizando o OpenLayers 7 que é uma interface de programação de aplicativos (API) desenvolvida em JavaScript para exibir dados geográficos. Os dados são requisitados no GeoServer e apresentados no portal. O Geoportal aparesenta em menus a lista de mapas disponíveis para a apresentação. Sempre que o usuário clica em alguma área do mapa, o site exibe as informações referentes a ela, como mostrado na figura 6. Um site muito utilizado para acesso a mapas é o Google Maps 8. Esse site oferece mapas de endereços, terrenos com visualização de características físicas como vegetação e montanhas. No entanto, o Google Maps apresenta imagens estáticas, ou seja, conjunto fixo de camadas, níveis de zoom limitado e mapas pré-compilados. Além disso, os mapas são um conjunto de imagens que são apresentadas. Diferente do Google Maps, com a implementação deste trabalho é possível perceber que o WMS retorna uma imagem de cada vez, porém as camadas disponíveis podem ser combinadas de modo a dar mais liberdade ao usuário na construção de uma visualização. O objetivo do Google Maps é atender um grande número de pessoas com um produto pronto e sem processamento. Diferente deste trabalho, serviços WMS permitem que o usuário configure e combine os dados de acordo com suas necessidades. 6. Conclusão e trabalhos futuros Nesse trabalho foram implementados e testados vários dos componentes necessários para criar uma infraestrutura de dados espaciais baseados em serviços Web OGC. Foram utilizados o banco de dados PostgreeSQL com sua extensão PostGIS, que possibilitaram a inclusão das informações geográficas de diversas fontes, como fontes do site do GeoMinas. O serviço Web foi disponibilizado pelo aplicativo Geoserver, que viabiliza a criação de mapas a partir dos dados geográficos acessíveis em um banco de dados e sua disponibilização através do serviço WMS. A visualização dos mapas pelo cliente foi possibilitada pelo software udig e pelo Geoportal (usando o OpenLayers). O software do cliente permitiu a apresentação de vários mapas de uma mesma área e de características diferentes de forma a melhorar o estudo da região. O Geoportal permitiu o acesso aos mapas sem a necessidade da instalação de qualquer aplicativo na máquina do cliente, usando apenas um navegador Web. No desenvolvimento do ambiente foram utilizadas apenas ferramentas simples e sem custo de modo a permitir o acesso de vários usuários experientes ou inexperientes e aplicações diferentes. Como trabalho futuro, pretende-se pesquisar as formas de configurar e utilizar outros serviços como WFS e WCS, uma vez que o GeoServer possui suporte para os 7 OpenLayers - 8 Google Maps -

12 mesmos. Em seguida, serão estudados e testados a utilização desses serviços através do GeoPortal e do software. Pretende-se também, investigar as possibilidades de acesso a essa infraestrutura geoespacial por dispositivos móveis como celulares, de forma a possibilitar a disseminação e estudo das informações de maneira mais ágil. 8 Referências Bibliográficas Beaujardiere, Jeff De La. Opengis Web Map Server Implementation Specification. Open GIS Consortium, OGC , 15 mar Disponível em: <http://www.opengeospatial.org/standards/wms> Acesso em: 07 mar Bernard, Lars; Craglia, Max. Sdi - From Spatial Data Infrastructure to Service Driven Infrastructure. In Workshop on Cross-learning between Spatial Data Infrastructures, and Information Infrastructures, Enschede: Joint Research Centre of the European Commission, 2005, p. 8. Costa, Carlos Eduardo. Desenvolvendo um Middleware para a Integração de Servidores OLAP e Servidores de Mapa na Web f. Monografia (conclusão do curso) Universidade Federal de Santa Catarina. Departamento de Informática e Estatística, Florianópolis, SC. Davis Junior, C. A.. Considerations from the Development of a Local Spatial Data Infrastructure in Brazil. In: Research Workshop on Cross-Learning Between Spatial Data Infrastructures (SDI) and Information Infrastructures (II), 2005, Enschede, Holanda. Proceedings of the Research Workshop on Cross-Learning Between Spatial Data Infrastructures (SDI) and Information Infrastructures (II), v. único. p Davis Junior, C. A.. Spatial data infrastructures. In: Mehdi Khosrow-Pour. (Org.). Encyclopedia of Information Science and Technology. 2 ed. Hershey, Pennsylvania: IGI Global, 2008, v. VII, p Davis Junior, C. A.; Alves, Leonardo Lacerda. Geospatial Web Services. In: Shekhar, S.; Xiong, H.. (Org.). Encyclopedia of GIS. Berlin: Springer-Verlag, 2007, v., p Davis Junior, C. A.; Fonseca, Frederico Torres; CÂMARA, Gilberto. Understanding Global Change: The Role of Geographic Information Science in the Integration of People and Nature. In: Nyerges, T., Couclelis, H., McMaster, R.. (Org.). The SAGE Handbook of GIS and Society Research. Thousand Oaks, California: SAGE Publications, Davis, Scott. GIS for Web Developers. Dallas: The Pragmatic Programmers, 2007, 254. Chappell, David A.; Jewell, Tyler. Java Web Services. O`Reilly, p. Furtado, Danilo. Serviço de dados geográficos do Instituto Geográfico Português. Instituto Geográfico Português, Lisboa, 10p., 19 jan Disponível em: <http://mapas.igeo.pt/eslap2009/textos/danilofurtado/df_eslap2009.pdf>. Acesso em: 09 abr

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