RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Consiglio Nazionale delle Ricerche - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Andrea Scianna

Descrizione

I recenti sviluppi nel campo dei GIS mostrano sempre più uno spostamento dell'attenzione verso applicazioni Web-GIS. Negli ultimi anni lo sviluppo dei due settori, GIS e Web-GIS, è andato sempre più chiudendosi, stante il fatto che la consultazione e l'uso dei GIS in remoto è diventato un aspetto fondamentale dell'intero settore; gli avanzamenti in questi settori hanno permesso la disponibilità, prima impensata, delle applicazioni GIS agli utenti comuni: esempi interessanti sono quelli di Google Maps, Windows Live Local di Microsoft e WorldWind della NASA.
Sinora, però, lo sviluppo maggiore si è ovviamente concentrato nel settore 2.5 D o 3D.
La ricerca avanzata è orientata, invece, a proporre modelli tridimensionali di ambienti urbani ed extraurbani, tali da potere essere fruiti tramite i cosiddetti “geo-services”. A questo ovviamente si accoppia l'altra esigenza fondamentale, peraltro ribadita dalla Direttiva europea INSPIRE, della collocazione di tali informazioni su server distribuiti geograficamente in relazione alle competenze istituzionali o territoriali degli enti che hanno prodotto o detengono tali dati; si può in tal modo dare luogo a sistemi di server connessi in rete, che forniscono servizi che si integrano (Sistemi Cooperativi) in modo da soddisfare le esigenze dell'utente remoto, costitutendo così quelle che possono essere denominate Infrastrutture Dati Territoriali Cooperative.
Alcuni interessanti esempi nel campo della ricerca avanzata sono quelli della iniziativa GDI NRW, del modello CityGML - la cui struttura è diventata standard OGC -, del progetto GRIFINOR dell'Università di Aalborg (interessante esempio di grid computing sui dati geografici).
Al momento il settore, a parte alcuni casi specifici come Google Maps, Windows Live Local e WorldWind, è caratterizzato da alti costi, e comunque da una rara standardizzazione – sia per i formati che per le tecnologie di trasmissione adottate -, dall'assenza di strumenti di elaborazione e meccanismi di accesso unificato alle informazioni 3D.
Attualmente la maggior parte dei prodotti cartografici standardizzati è ancora caratterizzata da una strutturazione bidimensionale; di recente sono invece nati alcuni modelli di strutturazione cartografica che si riferiscono in tutto (GIANT3D- Dipartimento di Rappresentazione dell'Università di Palermo) o in parte (CityGML) a standard universalmente riconosciuti, come il linguaggio GML3, definito di recente come standard dalll'OGC. Tale linguaggio permette di archiviare dati geografici, includendo sia le informazioni geometriche sia gli attributi, in un file di testo con codifica XML, rappresentando ad oggi lo standard per il trasferimento dell'informazione geografica.
Il CityGML nasce come metodo generale per la strutturazione di modelli di ambiente urbano, con scopi di visualizzazione, comprendendo anche le informazioni delle texture e per il rendering delle scene; il modello GIANT3D Model (Geographical Interoperable Advanced Numerical Topological 3-Dimensional Model) nasce come proposta di uno standard nazionale per la strutturazione di cartografia numerica 3D per GIS. Questo modello affonda le sue radici nella specifiche della Commissione Geodetica Italiana e dell'Intesa-GIS, il cui modello non è “full-3D”.
In linea con quanto è stato prodotto anche a livello europeo (vedasi il modello tedesco CityGML – http://www.citygml.org), nell'ambito del PRIN 2004 “Strutture evolute della cartografia numerica per i GIS e l’ambienteWEB ” è stato sviluppato, da questa unità di ricerca, un modello di strutturazione cartografica tridimensionale, denominato GIANT3D, le cui principali caratteristiche sono:
struttura conforme con le norme delineate da OGC e con gli standard ISO della serie 19100;
vincoli topologici definiti insieme con la geometria;
non utilizzo di oggetti ‘aggregati’;
oggetti strutturati utilizzando primitive 0, 1, 2, 3 D, con il vincolo che ogni primitiva deriva da quella di ordine interiore;
archi costituiti da uno o più segmenti e facce piane;
orientamento di ciascuna faccia memorizzata in maniera esplicita, usando la regola della mano destra;
suolo modellato utilizzando curve di livello e punti quotati (da cui è possibile derivare un DEM).

Allo stato attuale, i dati geografici possono essere strutturati secondo il modello anzidetto tramite un'applicazione di Autocad; questa applicazione consente di usufruire delle potenzialità di Autocad per la definizione delle geometrie del modello cartografico, archiviando le informazioni all'interno di un database Access.
Con questa configurazione nel database Access non vengono archiviate informazioni strutturate secondo le modalità proprie di un database spaziale, ma sotto forma di sole stringhe alfanumeriche.
Le informazioni geografiche, inclusi i loro attributi, possono essere quindi esportate nel formato GML3 tramite un altro modulo, appositamente scritto.
La ricerca intende indagare le possibilità di utilizzo di database open-source, al fine di archiviare dati geografici tridimensionali e rispondere ad interrogazioni tramite internet.
Allo stato attuale uno dei database spaziali open-source dalle maggiori potenzialità è PostgreSQL, con la sua estensione spaziale PostGIS (in tale ambito vengono utilizzate le librerie GEOS per il controllo di congruenza topologico spaziale): PostGIS ha fin dall'inizio seguito le specifiche aperte dell'OpenGIS "Simple Features Specification for SQL", in cui vengono definiti i tipi di oggetti GIS, le funzioni per la manipolazione e l'interazione con essi, nonché le tabelle dei metadati.
L'idea che sta alla base della presente proposta di ricerca è che in qualche modo, ancora da individuare, è possibile allocare all'interno di un database spaziale implementato tramite PostgreSQL e PostGIS tutte le informazioni geometrico-topologiche del modello già implementato. La fattibilità di tale operazione implicherebbe il passaggio da una struttura dati proprietaria (utilizzata nel precedente esperimento) ad una struttura dati organizzata ed allocata con modalità standardizzate. Uno dei possibili risultati di questa ricerca può essere quello di mettere a disposizione l'informazione GIS tridimensionale ad alto contenuto semantico per la consultazione tramite una piattaforma Web-GIS. Tale passo, che è attualmente di interesse nell'ambito di ricerche internazionali, è il primo necessario per la realizzazione di applicazioni GIS che supportino pienamente la terza dimensione, comportando la gestione topologica, operazioni booleane e di geoprocessing di livelli informativi a contenuto tridimensionale.
Un GIS 3D, infatti, pur dovendo dare la possibilità di esecuzione delle anzidette operazioni, deve innanzitutto consentire la gestione e fruizione di dati GIS tridimensionali, mediante visualizzazione e interrogazioni semplificate anche attraverso la rete internet. In particolare, l'analisi dei requisiti principali di una architettura orientata alla fornitura di servizi attraverso la rete ha individuato le problematiche di seguito elencate:
Integrazione di oggetti spaziali e non spaziali: gli utenti devono poter visualizzare (interrogare ed esplorare) o elaborare informazioni geo-spaziali attraverso operazioni unificate, standard.
Mantenimento di relazioni spaziali 3D: le relazioni spaziali che sono necessarie allo sviluppo di numerose applicazioni sono quelle di adiacenza, inclusione e appartenenza. Dal momento che la topologia rappresenta il modo più appropriato per codificare queste relazioni, l'allestimento della topologia 3D costituisce il punto di partenza per il raggiungimento dell'obiettivo fissato.
Informazioni sui comportamenti: le tecniche di realtà virtuale permettono la descrizione di meccanismi complessi, funzioni ed interrelazioni dinamiche fra gli oggetti di una realtà virtuale. Alcuni comportamenti possono essere così tipici per gli oggetti del mondo reale che la loro trasposizione nella rappresentazione virtuale costituisce un indispensabile strumento per la corretta visualizzazione ed esplorazione di un determinato fenomeno.
Consultazione rapida del database: i tempi di attesa per il reperimento di informazioni su internet è uno dei problemi che deve essere affrontato nel disegno di una struttura Web-GIS.
Abilità del database di operare con oggetti a scale diverse: molto spesso la 'qualità' delle informazioni richieste dagli utenti dipende dall'applicazione per cui vengono utilizzate; questo comporta la necessità di strutturare informazioni con differenti livelli di dettaglio, e, quindi, di verificare la capacità del database di gestire strutture dati consistenti.

Le successive fasi di sviluppo di procedure per l'esecuzione di operazioni sui dati (es. geoprocessing) non sono per il momento oggetto di sviluppo della presente ricerca, nella quale l'obiettivo generale è permettere l'archiviazione e la fruizione (visualizzazione ed interrogazione) del modello cartografico GIANT3D, che può essere visto come modello standard di cartografia numerica full 3D per GIS.
Tali obiettivi comportano:
la ricerca delle modalità di archiviazione del modello geometrico-topologico full 3D nel database spaziale, con l'eventuale sviluppo di nuovi moduli di gestione all'interno di un database spaziale open source come PostGIS, o con la possibile semplificazione di alcuni costrutti del modello, compatibilmente con gli standard OGC;
lo studio delle modalità di interrogazione del database spaziale 3D con gli attuali modelli tecnologici di interazione client-server a livello di “webgis-services”;
lo studio e la realizzazione di un modulo di navigazione tridimensionale che utilizzi i webgis-server di cui sopra.
Al fine di raggiungere l'obiettivo dell'allocazione dei dati su PostGIS, è necessario effettuare i seguenti passi:
studio delle potenzialità e delle funzioni di PostGIS;
eventuale implementazioni di nuove funzioni per consentire l'allocazione di informazioni coerenti con il modello GIANT3D;
creazione di un modulo software che consenta di importare in PostGIS i dati strutturati secondo lo schema file GIANT3D;
creazione di un modulo software che, analogamente a quello attualmente scritto e sperimentato dall'unità di ricerca, interagisca direttamente con un database PostGIS, all'interno dell'ambiente di lavoro Autocad;

Effettuata l'allocazione dei dati spaziali in un database open source, si pone il problema di consentire l'accesso a tali dati anche via internet; ciò impone la definizione di una struttura Web-GIS che consenta di eseguire interrogazioni direttamente sul database, con output in GML3.
Occorre verificare l'idoneità di tale linguaggio per la visualizzazione in tempo reale di set consistenti di dati tridimensionali su web, mediante l'utilizzo o successivo sviluppo di un browser internet per GML3. Il punto di partenza è un browser già implementato dall'unità di ricerca, capace di navigare su dati archiviati su supporto locale e strutturati in GML3 secondo lo schema GIANT3D. Tale browser è stato realizzato utilizzando due librerie open source, che hanno consentito di avere un codice multi-piattaforma, compilabile con i sistemi Windows, Linux e Macintosh.
Le librerie utilizzate sono Irrlicht (http://irrlicht.sourceforge.net/) per quanto riguarda il motore grafico e wxWidget (http://www.wxwidgets.org/) per quanto riguarda l’interfaccia grafica.
Irrlicht è un motore 3D ad alte prestazioni scritto in C++, utilizzabile anche in diversi linguaggi. Un grosso vantaggio di questo motore è che sfrutta sia le DirectX che le OpenGL rendendolo multi-piattaforma ed utilizzabile da diversi compilatori.
Irrlicht consente di effettuare diversi tipi di rendering, supporta diversi tipi di illuminazione e permette l'uso delle ombre in maniera molto semplice.
La comunicazione tra il browser e il server di dati deve essere basata sulle specifiche WFS, un’architettura client-server che consente di accedere, mediante un webservice, ai dati contenuti nel geo-database. Il client richiede i dati al webservice: questo analizza la richiesta, estrae dalla base di dati quelli richiesti e li spedisce al client in un messaggio XML, che in questo caso specifico deve essere GML3.

Schematizzazione dell'interazione tra client, webserver e dati


La ricerca sarà condotta attraverso tre fasi distinte:
verifica delle prestazioni di PostGIS relativamente all'archiviazione di strutture dati basate sul modello GIANT3D: 6 mesi;
studio delle funzioni, ed eventuale implementazione di nuove, per l'allocazione del modello GIANT3D su PostGIS: 6 mesi;
elaborazione di un software (modulo di software CAD) per interagire con database PostGIS, ai fini della modellazione e gestione topologica del modello GIANT3D: 12 mesi.