RICERCA ITALIANA     

Interoperabilità e gestione cooperativa di dati geografici dinamici multidimensionali e distribuiti con strumenti GIS liberi e Open Source

Università degli Studi di Trento

Abstract

Il progetto ha come scopo la definizione dello stato attuale dell'interoperabilità e gestione cooperativa di dati geografici e lo sviluppo di metodi e sistemi per migliorarle utilizzando sistemi Free e Open Source Software (FOSS), indagando i benefici che ciò porta per quanto riguarda i servizi che utilizzano queste informazioni. Per raggiungere questo obiettivo è necessario tenere conto delle caratteristiche delle informazioni geografiche attualmente in uso, in particolare il fatto che queste informazioni sono dinamiche, multidimensionali e sono fornite da sorgenti diverse ed eterogenee.
La dinamicità delle informazioni riguarda sia il loro contenuto, esse cambiano cioè nel tempo anche con frequenza temporale elevata, sia nella loro struttura, la loro natura e quindi la loro schematizzazione cambia nel tempo.
Queste informazioni sono inoltre multidimensionali, oltre alle tre dimensioni spaziali, già di per sè non consuete in ambito GIS, si utilizza il tempo come ulteriore coordinata, potendo in questo modellizzare fenomeni dinamici, spesso espressi da serie temporali. Infine, l'utilizzo contemporaneo di sorgenti di dati diverse ed eterogenee rappresenta attualmente uno degli sviluppi più importanti nello sviluppo di sistemi per la gestione, analisi e visualizzazione di dati territoriali. Questo aspetto è particolarmente significativo per quanto riguarda i Location Based Services (LSB), in cui una applicazione client deve sfruttare al meglio tutte le informazioni disponibili nel proprio contesto.
Il progetto copre tutti gli aspetti dell'elaborazione delle informazioni spaziali per arrivare a questo risultato: l'unità di Trento studia l'interoperabilità delle basi di dati e la fornitura ai servizi di capacità di elaborazione sul lato server, l'unità di Como si occupa dei geoservizi per la distribuzione delle informazioni geografiche disponibili nelle basi di dati, l'unità di Palermo indaga la creazione di modelli tridimensionali in ambito urbano ed extraurbano e la loro fruizione attraverso geoservizi, ed infine l'unità di Cagliari, appoggiandosi a quanto realizzato dalle altre unità, realizza un prototipo di LSB che fornisce accesso ai servizi da parte di device mobili.
Viene in questo modo coperta tutta la filiera che porta dalla gestione efficiente dei dati geografici alla loro efficace distribuzione agli utenti finali.
Innanzitutto il progetto si occuperà, attraverso il contributo di tutte le unità operative, ciascuna per l'aspetto specifico che le compete, di effettuare una ricognizione degli standard esistenti ed in via di elaborazione per quanto riguarda gli aspetti di interoperabilità di data base e servizi, in particolare geoservizi, come definiti dall'OGC (Open Geospatial Consortium), 3D models e LBS.
Il progetto dell'unità di ricerca di Trento riguarda principalmente due aspetti dell'utilizzo di Database Management Systems (DBMS) per la gestione di dati geografici: l'interoperabilità tra basi di dati spaziali e DBMS diversi e la possibilità di effettuare elaborazioni server side sui dati contenuti nel database in modo interattivo attraverso un'interfaccia web, rendendo quindi disponibili ai servizi OGC le funzionalità di un DBMS spaziale. L'unità di Como si occuperà quindi di indagare la realizzazione di geoservizi aperti ed accessibili mediante protocolli standard ISO e OGC, in particolare OWS (Open Web Services), sperimentando diverse soluzioni per individuare la più idonea alla realizzazione di geoservizi anche in termini di sistemi software.
Lo sviluppo di modelli modelli 3D distribuiti di ambienti urbani ed extraurbani sarà portato avanti dall'unità di Palermo, con lo scopo di integrare un sistema che realizza tale modello con DBMS e geoservizi realizzati con soluzioni FOSS, mettendo a punto un modulo di navigazione tridimensionale per un sistema webgis FOSS.
Infine l'unità di Cagliari realizzerà un prototipo di LBS che implementa gli standard OGC, sperimentando sia le diverse tipologie di client, in particolare per quanto riguarda la localizzazione attraverso GPS, sia la realizzazione di server con software FOSS, sperimentando il funzionamento e l'affidabilità del sistema.

Un aspetto fondamentale del progetto è la volontà di utilizzare esclusivamente, per quanto possibile, sistemi FOSS (Free and Open Source Software) e di rilasciare quanto realizzato con licenze di questo tipo, fornendo quindi un contributo significativo all'avanzamento della gestione di informazioni geografiche in ambito FOSS. La caratteristica princiapale dei sistemi FOSS consiste nel fatto che il codice è aperto e quindi possono essere analizzati direttamente algoritmi e procedure implementate e che può essere modificato, restituendo alla comunità un nuovo software con funzionalità aggiuntive, ma con le stesse caratteristiche di riusabilità. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Paolo Zatelli Università degli Studi di TRENTO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto si pone come obiettivo finale la realizzazione di un sistema interoperabile per la gestione e la distribuzione di informazioni geografiche con sistemi FOSS. Questo obiettivo sarà raggiunto attraverso l'integrazione di diverse componenti ed assicurando la loro interoperabilità con l'adozione di standard sia per quanto riguarda i dati che per quanto riguarda i servizi.
Il sistema prevede la realizzazione a livello di prototipo dell'intero stack di servizi che portano dalla memorizzazione e gestione efficiente del dato per la sua diffusione e la realizzazione di modelli 3D per integrare tali servizi e di LBS per contestualizzarli.

Un primo obiettivo consiste nella definizione organica, attualmente non disponibile, del quadro degli standard esistenti e in discussione e degli standard de-facto, con analisi delle caratteristiche positive e negative di questi ultimi, nel campo della gestione delle informazioni geografiche e dei relativi servizi.

Per quanto riguarda la gestione efficiente dell'informazione geografica, gli obiettivi sono principalmente due: studiare da una parte l'interoperabilità delle basi di dati spaziali e dall'altra lo sfruttamento da parte dei sistemi che realizzano geoservizi delle funzionalità di un DBMS con estensione spaziale. Il raggiungimento del primo obiettivo comporta l'individuazione degli standard e delle tecniche che permettono l'interoperabilità sia delle basi di dati che dei DBMS, con la progettazione e la realizzazione di software FOSS che li implementano. La fase di studio di standard e tecniche indicherà se la soluzione migliore consiste nella realizzazione di un software standalone oppure di un modulo per un DBMS esistente.
Il secondo obiettivo sarà raggiunto attraverso lo sviluppo di interfacce fra i sistemi che realizzano i geoservizi (Web Map Server, Web Feature Server, Web Coverage Server, ecc.) e DBMS spaziali che rendano trasparente sia a chi realizza il servizio che, a maggior ragione, all'utente finale l'interazione tra geoservizi e DBMS spaziale.

Lo studio dei geoservizi e dei relativi standard ha poi come obiettivi la valutazione degli standard applicabili, la valutazione dei sistemi attualmente disponibili in ambito FOSS per la realizzazione di geoservizi ed il loro miglioramento attraverso la modifica del codice per il soddisfacimento degli obiettivi di interoperabilità. Infine lo studio sia teorico che pratico del prestandard OGC Web Process Service ha come obiettivo la valutazione della fattibilità di un sistema FOSS che implementa tale servizio.

Sempre nel campo dei geoservizi, un ulteriore obiettivo è investigare la possibilità dell'integrazione di un modello tridimensionale di ambienti urbani o extraurbani con applicativi FOSS per la gestione e la trasmissione di informazioni geografiche, in particolare un DBMS spaziale per quanto riguarda la gestione e geoservizi per la distribuzione.
Per realizzare questo obiettivo si dovranno studiare l'idoneità di un DBMS FOSS con estensione spaziale a gestire informazioni geometriche e topologiche secondo lo schema necessario al modello 3D ed implementare eventuali funzionalità mancanti, realizzando anche software di servizio per l'importazione dei dati. Ulteriori obiettivi sono l'investigazione della possibilità di interfacciare direttamente un sistema AutoCad con DBMS FOSS con estensione spaziale e la definizione di una struttura webgis per l'integrazione delle funzionalità 3D del modello all'interno dei geoservizi.

In relazione all'ultimo passaggio verso i fruitori delle informazioni geografiche, gli obiettivi sono lo studio e la definizione dell'architettura e dei componenti di un LBS, sia per quanto riguarda i mobile device che per quanto riguarda i server. Per i mobile device l'obiettivo è quello di valutare i sistemi disponibili, in particolare riguardo alla precisione nel posizionamento, per potere selezionare i più adatti agli scopi del progetto. Riguardo ai server, lo scopo è quello di definire una architettura basata su sistemi FOSS che, rispettando gli standard per garantire l'interoperabilità e assicurando al tempo stesso la necessaria affidabilità, permetta le prestazioni necessarie a fornire un servizio efficiente ai client. Per questo fine sarà realizzato un prototipo funzionante su cui verificare il raggiungimento di questi obiettivi.

Obiettivo del progetto è quindi fornire un significativo contributo allo sviluppo dell'insieme dei sistemi FOSS per la gestione delle informazioni geografiche per la realizzazione di un framework completo ed interoperabile per una gestione moderna delle informazioni territoriali.
Infine, la ricerca mira a ribadire la attuale posizione di rilievo della ricerca italiana nell'ambito dei sistemi FOSS per la gestione delle informazioni geografiche. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati attesi dalla ricerca rispecchiano naturalmente gli obiettivi della stessa e consistono quindi principalmente nella chiarificazione del quadro normativo e tecnico riguardo all'interoperabilità ed alla gestione cooperativa di dati geografici con strumenti GIS FOSS, nella creazione di software per la loro implementazione e nella messa a punto di prototipi per valutare l'efficacia di quanto realizzato.
Si realizzerà quindi un sistema interoperabile per la gestione e la distribuzione di informazioni geografiche con sistemi FOSS. Si arriverà a questo risultato attraverso l'integrazione delle diverse componenti realizzate dalle unità di ricerca, garantendo la loro interoperabilità mediante l'adozione di standard sia per quanto riguarda i dati che per quanto riguarda i servizi. Come risultati intermedi si metteranno a punto tutte le componenti di un prototipo dell'intero stack di servizi che portano dalla memorizzazione e gestione efficiente del dato, alla realizzazione di servizi per la diffusione del dato, di modelli 3D per integrare tali servizi e di LBS per contestualizzarli.
Il primo risultato della ricerca consisterà nella definizione organica e nella pubblicazione, al momento non disponibile, del quadro degli standard esistenti e in discussione e degli standard de-facto, con analisi delle caratteristiche positive e negative di questi ultimi, nel campo della gestione delle informazioni geografiche e dei relativi servizi.

Si metterà a disposizione uno studio sui geoservizi e sui relativi standard che fornisca una valutazione degli standard applicabili, dei sistemi attualmente disponibili in ambito FOSS per la loro implementazione e lo studio del miglioramento dei sistemi attraverso la modifica del codice per il soddisfacimento degli obiettivi di interoperabilità. Inoltre l'analisi sia teorica che pratica del prestandard OGC Web Process Service fornirà la valutazione della fattibilità di un sistema FOSS che implementa un LBS.
Un ulteriore risultato consisterà nello sviluppo di interfacce fra i sistemi che realizzano i geoservizi (Wwb Map Server, Web Feature Server, Web Coverage Server, ecc.) e DBMS spaziali che, a differenza di quanto è realizzabile con gli strumenti attualmente disponibili, rendano l'interazione tra geoservizi e DBMS spaziale trasparente sia a chi realizza il servizio che all'utente finale. Nel campo dei geoservizi, si otterrà inoltre il risultato dell'integrazione di un modello tridimensionale di ambienti urbani o extraurbani con applicativi FOSS per la gestione e la trasmissione di informazioni geografiche, in particolare un DBMS spaziale per quanto riguarda la gestione e geoservizi per la distribuzione, contemporaneamente saranno realizzati software di servizio per lo scambio di dati tra modelli tridimensionali esistenti e DBSM FOSS con estensione spaziale.
Altri risultati consisteranno nello studio e nella definizione dell'architettura e dei componenti di un LBS, sia per quanto riguarda i mobile device che per quanto riguarda i server, valutando i sistemi disponibili, in particolare riguardo alla precisione nel posizionamento, per potere selezionare i più adatti agli scopi del progetto e definendo una architettura basata su sistemi FOSS che, rispettando gli standard per garantire l'interoperabilità e assicurando al tempo stesso la necessaria affidabilità, permetta le prestazioni necessarie a fornire un servizio efficiente ai client. Per questo fine sarà realizzato un prototipo funzionante su cui verificare il raggiungimento di questi obiettivi.

In definitiva si raggiungerà il risultato di fornire un significativo contributo allo sviluppo dell'insieme dei sistemi FOSS per la gestione delle informazioni geografiche per la realizzazione di un framework completo ed interoperabile per una gestione moderna delle informazioni territoriali.

In sintesi si realizzeranno:
1. documentazione organica riguardante lo stato dell'arte degli standard esistenti, discussione e degli standard de-facto nel campo della gestione delle informazioni geografiche e dei relativi servizi
2. documentazione riguardo il grado di soddisfacimento degli standard al punto precedente da parte di sistemi FOSS
3. specifiche per la progettazione ed implementazione di sistemi FOSS che realizzano l'interoperabilità per i geoservizi ed i database spaziali
4. implementazione dei sistemi al punto precedente, rilasciati sotto licenze FOSS
5. prototipi che realizzano l'intera gerarchia dei servizi per distribuire informazioni geografiche attraverso geoservizi o LBS
6. materiale didattico sia per specialisti del settore che per utenti anche occasionali

Come specificato nella discussione dello stato dell'arte nel settore, le potenzialità applicative di quanto sviluppato nel progetto sono notevoli per la grande richiesta di servizi interoperabili nel settore della gestione e trasmissione di informazioni geografiche. Vengono infatti affrontati alcuni dei punti su cui si concentra lo studio e lo sviluppo nell'ambito dei sistemi per la gestione delle informazioni spaziali a livello internazionale.
Le possibili applicazioni dei risultati del progetto riguarderanno la condivisione delle basi di dati geografiche di tutte le entità, pubbliche o private, che operano sul territorio, sia con integrazione "orizzontale", per basi di dati simili per contenuto ma riferite a territori diversi, sia con integrazione "verticale", riguardante cioè basi di dati che riguardano la stessa regione ma con contenuti, e tipicamente scale nominali, diversi.
Si potrà quindi realizzare quella convergenza tra i fornitori di informazioni geografiche che rappresenta il passo obbligato per la realizzazione di servizi moderni ai cittadini, primi tra tutti quelli relativi all'e-government.

La scelta del modello di sviluppo proprio dei Free e Open Source Software (FOSS) massimizza l'impatto sulle applicazioni in quanto tutto quello che è realizzato durante il progetto viene inserito in un più ampio processo di sviluppo e quindi la sua utilità rimane anche oltre l'orizzonte temporale del progetto stesso.
Il software realizzato sarà infatti proposto per l'inserimento nei progetti FOSS esistenti per la gestione delle informazioni geografiche. In questo modo quanto sviluppato sarà immediatamente disponibile sia agli utenti finali sia agli altri sviluppatori che potranno assicurare sia la manutenzione del software che il suo ulteriore sviluppo ed integrazione con altri sistemi.
In particolare i risultati potranno essere utilizzati dalla Pubblica Amministrazione, che in Italia rappresenta il maggiore fornitore di dati geografici, ai suoi diversi livelli. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nell'ultimo periodo si è assistito ad una rapida evoluzione della quantità di dati geografici disponibili, della domanda di servizi legati alle informazioni geografiche e del modo in cui queste informazioni sono fruite. Questo è avvenuto in modo particolare riguardo le informazioni geografiche, non più utilizzate da un cerchia di specialisti, ma da una vasta platea di utenti, in modo spesso inconsapevole.
Questo da una parte ha aperto interessanti scenari per la costruzione di servizi nuovi ed integrati, dall'altra ha posto la sfida della creazione di nuovi paradigmi e servizi per la realizzazione delle infrastrutture tecniche per la fruizione di queste informazioni.
Sono necessarie quindi da un lato la realizzazione di sistemi idonei alla gestione integrata e trasparente del dato geografico, dall'altro la creazione di servizi per la diffusione efficace di tali informazioni verso l'utenza.
Attualmente quindi la ricerca e lo sviluppo nel settore della gestione delle informazioni geografiche sono tesi alla definizione del quadro teorico e alla realizzazione di servizi per la condivisione di informazioni direttamente o indirettamente riferite spazialmente, condivisione resa "intelligente" dalla fruizione attraverso LBS, in cui l'informazione geografica stessa è contestualizzata per il singolo utente, una volta nota la sua posizione.
Si mira ad assicurare la possibilità della condivisione delle informazioni attraverso la realizzazione di standard e servizi interoperabili. Gli attori principali di questi sviluppi sono gli enti preposti alla definizione di standard, in particolare riguardanti dati e servizi geografici, da una parte e la comunità di sviluppatori dell'altra.
La ricerca partecipa attivamente in entrambi i campi, fornendo modelli concettuali e prototipi per la loro implementazione.
Per quanto riguarda la definizione di standard riguardanti le informazioni geografiche, il lavoro procede su più livelli. A livello internazionale l'ISO (International Organization fo Standardization) opera attraverso il Comitato Tecnico 211, articolato secondo Working group per i diversi aspetti di gestione e trasmissione delle informazioni. A livello europeo la condivisione delle informazioni territoriali e la costruzione delle relative infrastrutture è il punto centrale della Direttiva INSPIRE (INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe) dell'Unione Europea, che riguarda la condivisione e l'interoperabilità delle informazioni geografiche sia tra Stati membri che tra i diversi livelli amministrativi, fino ad arrivare ai singoli cittadini.
In ambito nazionale operano sia UNINFO, che rappresenta l'ISO a livello nazionale, e di cui fanno parte alcuni tra i proponenti di questo progetto, e l'Intesa Gis: Intesa tra Stato, Regioni ed Enti Locali sui Sistemi Informativi Geografici (spesso indicata come Intesa Stato-Regioni).
Degli aspetti più propriamente legati alle informazioni geografiche si occupa l'OGC (Open Geospatial Consortium).
Il lavoro in atto, riguardante la definizione di standard, è complesso non solo perchè la mancanza di standard ha portato all'uso di numerosi formati proprietari ma soprattutto per l'adozione di modelli concettuali diversi in assenza di un quadro normativo definito. In questa situazione sono stati definiti alcuni standard ma da una parte manca ancora un quadro organico e dall'altra il rapido sviluppo delle applicazioni pone di fronte a problematiche sempre nuove.

Per quanto riguarda gli strumenti, lo stato dell'arte rispetto all'interoperabilità di DBMS spaziali riguarda lo sviluppo da una parte di driver specifici per coppie di client e server, dove DBMS possono agire sia come server che come client, dall'altra di servizi in grado di presentare con un' unica interfaccia DBMS diversi sia come modello di dati che come implementazione. Tuttavia manca ancora un approccio sistematico al problema, così come manca un approccio sistematico alla possibilità di rendere disponibili le funzioni di analisi di un DBMS spaziale ad un client generico.
Lo sviluppo dei geoservizi si sta indirizzando alla definizione degli standard da una parte e della struttura di riferimento per le implementazioni vere e proprie dei servizi. Rispetto ai servizi che riguardano modelli tridimensionali lo sforzo attuale è prevalentemente teso alla realizzazione di servizi funzionanti, senza l'utilizzo di standardizzazione sia rispetto alla modellizzazione ed ai formati dei dati che alle tecniche di trasmissione. Solo in tempi recentissimi sono stati realizzati servizi che implementano modelli tridimensionali basati in parte o completamente (ed è questo il caso di un modello realizzato da una unità del progetto) sul formato standard GML3 definito dall'OGC.
Nell'ambito dei LBS sono attualmente disponibili numerose implementazioni commerciali, legate all'esplosione della domanda di applicazioni, quelle più comuni relative alla "navigazione" per autoveicoli o alla tariffazione su base geografica, ma, nonostante l'esistenza di specifici standard ISO e OGC, l'interoperabilità di questi sistemi à ancora scarsa. Manca inoltre un progetto di riferimento per la realizzazione di LBS in ambito FOSS.

Parallelamente al rapido sviluppo legato alla disponibilità e richiesta di informazioni geografiche, si è assistito al crescente impiego di tecnologie e sistemi FOSS. Questo trend, presente in tutti i campi di applicazione di sistemi software, è particolarmente significativo nell'ambito dei sistemi per il trattamento di informazioni geografiche, sia perchè il modello di sviluppo aperto permette un circolo virtuoso fra la definizione di standard, che facilitano l'interoperabilità, e la realizzazione di sistemi che li implementano, sia perchè la complessità dei sistemi in questo campo rende ancora più vantaggioso un approccio distribuito e collaborativo allo sviluppo. Questo è testimoniato dal fatto che alcuni progetti FOSS per il trattamento di informazioni geografiche sono leader nel loro segmento di mercato, in particolare questo è vero nel settore dei geoservizi su web.
Gli approcci di tipo FOSS sono quindi ottimi nell'ambito della ricerca, perchè consentono al ricercatore di analizzare quanto è stato implementato, e sono di grande utilità per la didattica a tutti i livelli e per le applicazioni (si pensi ad esempio alla Pubblica Amministrazione) perchè sono altamente personalizzabili e non richiedono il pagamento di licenze per il loro utilizzo.
Il vantaggio dato dall'approccio "Open" allo sviluppo di questo tipo di applicazioni, ed in particolare alla interoperabilità dei sistemi che si occupano delle varie fasi della gestione, analisi e presentazione di dati geografici, è testimoniato dalla forte convergenza dei progetti più significativi in questo settore. Ciò ha portato nel 2006 a livello internazionale alla creazione della Open Source Geospatial Foundation (OSGEO), che riunisce sotto un'unica organizzazione con compiti di coordinamento e promozione i principali progetti FOSS per il settore geospaziale. A livello italiano nel 2007 si è costituita l'associazione Geospatial Free and Open Source Software, che si basa sulla storia decennale della comunità nazionale che si occupa di sistemi FOSS per il trattamento di informazioni geografiche ed è riconosciuto come Local Chapter italiano di OSGEO. Il Coordinatore di questo progetto è stato il primo presidente di questa associazione.
I partecipanti al progetto sono direttamente impegnati in queste due associazioni (GFOSS ha la propria sede presso il Politecnico di Milano, polo di Como), spesso con incarichi di primo piano. <<<