Sistema para la Interoperabilidad de Servicios y Datos GIS a través

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Sistema para la Interoperabilidad de Servicios y
Datos GIS a través de la Semántica.
Primer Autor: Borja Soutullo.
Resumen—El panorama tecnológico en cuanto a sistemas de
información geográfica ha dado un vuelco en los últimos años debido
a la reciente aparición de multitud de dispositivos con funcionalidad
de geoposicionamiento y a la popularización de servicios GIS. Con la
aparición de tanta oferta de servicios y funcionalidades, surge la
necesidad de buscar un modo de entender, comprender y usar
eficientemente dichas facilidades. A través de la semántica, y más en
concreto el proyecto LinkingOpenData, pretendemos llegar a
conseguir una plataforma de acceso semántico a servicios y datos
GIS a partir de conceptos de ámbito general.
Términos de índice: GIS, Aplicaciones
semántica,interoperabilidad GIS, LinkingOpenData
distribuidas,
I. INTRODUCCIÓN
E
l uso de herramientas basadas en Sistemas de Información
Geográfica (Geographic information system – Sistemas de
Información Geográfica) ha demostrado ser un medio eficaz
para la comunicación y la muestra de información. Las propias
aplicaciones GIS son cada vez más demandadas, y su uso se
está revelando necesario en cada vez más diversos campos de
aplicación [1][2][3].
Hasta hace poco, estas herramientas han venido asociadas a
un alto desembolso de capital y a una barrera técnica de
acceso que hacían de las mismas un recurso de difícil uso y
reutilización. Eran grandes sistemas, complejos y monolíticos,
con escasa interoperabilidad y orientados a un sólo sistema
[5]. Gracias a las nuevas herramientas GIS existentes en
Internet, y a la gratuidad de muchas de ellas está surgiendo
una gran cantidad de aplicaciones que están cambiando la
forma en que se trata y muestra la información, a la vez que
ofrecen al usuario y a otros sistemas una manera atractiva para
compartir la información de la que disponen. La web está
pasando de ser una web de contenidos a una web de
aplicaciones con las que interactuar [10] y construir otras
nuevas aplicaciones. Los actuales sistemas GIS y otras
aplicaciones que quieren hacer uso de parte de funcionalidad
GIS, utilizan internet como medio de acceder a informaciones
geográficas, datos, y herramientas de análisis.
SOA (Service Oriented Arquitecture – Arquitectura
Orientada a Servicios), como paradigma, entiende la manera
de construir aplicaciones a través de servicios reutilizables en
un entorno distribuido. Estos servicios se comunican unos con
otros en una arquitectura distribuida, en diferentes
Este artículo parte de un proyecto del plan Avanza llevado a cabo por
Cedetel. En dicho proyecto se utiliza un pseudo arquitectura SOA, que por la
naturaliza del curso de doctorado nos sirvió de inspiración para orientar el
informe o trabajo final.
localizaciones a través de protocolos conocidos. En este
contexto se encuadran los distintos servicios GIS disponibles
en la red, muchos de ellos publicados como servicios web, o a
través de interfaces de aplicación bien definidos.
El desarrollo de las aplicaciones GIS requeridas para
cumplir las expectativas de la sociedad se está convirtiendo en
un problema [3]. Debido a la expansión de las aplicaciones
GIS y su interacción con diversos dominios surge la
necesidad, no satisfecha, de que las aplicaciones y usuarios
sean capaces de interactuar entre sí [2][3]. Puesto que el GIS
es aplicable a múltiples dominios de creciente importancia
(monitorización de desastres, sistemas de control de flotas,
mapeo de informaciones…), los tipos de datos manejados y
los servicios asociados son cada vez más heterogéneos y
dispares, afectando la interoperabilidad [2][6]. El futuro del
GIS está en la combinación y compartición de distintos datos
y servicios GIS, de distintas aplicaciones en un entorno
distribuido [3]. Existen propuestas creadas para solucionar
estos problemas de interoperabilidad en aplicaciones GIS,
pero se centran normalmente en dominios muy concretos de
conocimiento o aplicación: servicios en tiempo real como
monitorización de sensores en desastres o para redes de
emergencia y redes vehiculares [][]. Si bien son válidos para
dichos dominios, su extrapolación a servicios o sistemas más
generales no es posible.
El desarrollo de los distintos estándares para cubrir las
necesidades crecientes de la web en cuanto al gis, también
busca solucionar esta problemática. Sin embargo, es algo
común, en el entorno de la red, que las distintas plataformas
GIS existentes trabajen con sus propios datos, muchas veces
legados de viejas aplicaciones sin estandarizaciones o
semántica. Así mismo los datos adolecen de falta de
significado, impidiendo un aprovechamiento óptimo de los
mismos.
Estos datos y servicios GIS existentes en la red podrían ser
complementarios y reutilizados entre las plataformas si se
resuelven los problemas de interacción inherentes a un entorno
heterogéneo, cambiante y distribuido, tanto a nivel de
dispositivos GPS como a nivel de plataformas GIS. La
resolución de este problema mejoraría la calidad de los
productos GIS, ahorrando recursos computacionales y
reduciendo los costes de los servicios. La semántica se
presenta como un punto de encuentro entre los consumidores
de estos recursos y los servicios disponibles en la red, de tal
manera que podremos saber si un servicio responde a nuestras
necesidades de uso y podremos ofrecer servicios que otros
usuarios (desarrolladores o sistemas inteligentes) sean capaces
de
usar
convenientemente.
Para
abordar
dicha
interoperabilidad se pretende generar una capa de abstracción
2
entre el usuario y los servicios, donde se comprueba la
semántica de la petición. Se pretende aplicar los resultados del
proyecto http://linkeddata.org/ para la interconexión de las
semánticas de las peticiones de servicios GIS junto con el uso
estandarizado de referencias GIS.
De lo anteriormente mencionado entendemos que
necesitamos dotar de semántica a los diversos servicios
existentes en la red, bajo un paradigma SOA. Los servicios
web se presentan como la manera de aglutinar y ofrecer
diversos servicios heterogéneos ofrecidos a lo largo de la red.
Los servicios web para soporte de GIS se convertirán en un
modelo importante en las próximas aplicaciones de internet
[7]. Si añadimos la palabra semántica a estos servicios, nos
encontramos que podemos interactuar con dichos servicios
para descubrir aquellos capaces de realizar la tarea solicitada,
elegir el más adecuado que se ajuste semánticamente a lo que
estamos solicitando, e invocarlo.
En el presente artículo queremos analizar la posibilidad de
cruzar datos de servicios y peticiones a través de una nube de
semántica y discutir si este proceso puede ser un medio
factible de resolver estos problemas de compartición y manejo
de datos y servicios geoespaciales heterogéneos dentro del
contexto general de uso de internet y no sólo para dominios de
conocimiento concretos.
En la sección II presentamos un caso de uso de la
funcionalidad perseguida. En la sección III empezamos a
entrar en detalle cómo llegamos a conseguir esa funcionalidad;
será a través de la estandarización y la semántica. En la
sección IV presentamos un sistema, no validado, para
implementar la solución presentada. Por último se hablará de
las conclusiones, trabajo futuro agradecimientos.
buscar un servicio (o en caso necesario componerlo) que siga
el razonamiento necesario para obtener esa respuesta. El
usuario (tal y como lo entiende foaf) vive en algún sitio. Este
lugar lo comprobamos con la dbpedia y consultamos su altura
con geonames.
Otro ejemplo viene de la mano de Juan, alumno de la
universidad de Sevilla y que quiere ver los personajes famosos
nacidos en la misma ciudad donde viven sus amigos. A través
de foaf nuevamente, se miran los amigos, a través de la
dbpedia consultamos los datos del los amigos con ciudad de
nacimiento, o bien transformamos las coordenadas de donde
están sus amigos en un lugar a través de geonames, y de ahí a
la dbpedia para preguntar por personas nacidas en ese lugar.
El ejemplo se podría aplicar a diversos ámbitos de uso,
como para emergencias, donde podríamos obtener
información de un edificio a través de sus coordenadas, buscar
los hospitales más cercanos y los números de teléfonos
asociados.
Como se ve, se proponen diversos ejemplos de uso
amparados la idea de la comunicación semántica de entre las
necesidades y los servicios.
La visión hacia la que nos estamos encaminando mediante
retazos de informaciones y tecnologías, y a la que se quiere
llegar consiste en un usuario final, desconocido que pueda
acceder a un catálogo de recursos, bien sean servicios, datos u
otra funcionalidad, agrupados dando soporte como una
plataforma global
II. EJEMPLO DE USO
Pedro es un programador que necesita información GIS
sobre datos generales en tiempo real. Su empresa se dedica a
la estadística y suele necesitar información referente a la
localización de diversos activos y realizar análisis en base a su
posición de manera eficiente. Su sistema actual deja la
posibilidad de implementar dicha funcionalidad, si bien no
resulta rentable en cuanto a recursos (tiempo y dinero)
necesarios.
Presentando su necesidad de datos en forma de una pregunta
realizada con términos dentro de ontologías, el sistema debería
ser capaz de entender, relacionar y ofrecer un servicio para
responder a esa pregunta. Así pues quiere saber a qué altura
vive cada uno de los consumidores de un producto X, ya que
necesita relacionar el uso de dicho producto con un parámetro
como la altura (se sospecha que el producto X, unas piruletas,
se consumen más cuando el aire tiene menos oxígeno)
Para ello presenta una pregunta al sistema basada en la
ontología FOAF (friend of a friend) y en los estándares OGC
(Open Geospatial Consortium) indicando que necesita saber la
altura (según lo que significa para el OGC o alguna ontología)
de un usuario (según lo que entiende foaf por usuario).
Esta pregunta es procesada por el sistema, que trata de
enlazar dichos conceptos a través de la nube semántica del
proyecto http://linkeddata.org/. Es capaz de enlazar los 2
conceptos a través de la dbpedia y geonames, y es capaz de
Figura 1: Una visión de la plataforma. Imagen obtenida de
¡Error! Marcador no definido.
III. GIS SEMÁNTICO
Nuestra propuesta de sistema se sustenta en dos ideas clave:
La primera es la posibilidad de dar acceso a un
compendio de recursos distribuidos, en base a
funcionalidad GIS.
- La segunda implica el poder ofrecer interoperabilidad de
servicios y comunicación semántica entre las necesidades
de usuario y los servicios disponibles.
-
A. ¿Porqué semántica y web semántica?
La Web Semántica es una Web extendida, dotada de mayor
significado, en la que cualquier usuario en Internet podrá
encontrar respuestas a sus preguntas de forma más rápida y
3
sencilla gracias a una mejor definición de la información. Al
dotar a la Web de más semántica (más significado), se pueden
obtener soluciones a problemas habituales en la búsqueda de
información gracias a la utilización de una infraestructura
común, mediante la cual, es posible compartir, procesar y
transferir información de forma sencilla. Esta Web extendida y
basada en el significado se apoya en ontologías que resuelven
los problemas ocasionados por una Web sin semántica alguna,
mejorando así el acceso a la información, ya que en ocasiones
esto se convierte en una tarea ardua, difícil y frustrante.
La semántica en la Web facilitará la comprensión y el uso
eficiente de los contenidos digitales no sólo por humanos, sino
también por las máquinas. Con la semántica y la generación de
metadatos, se opta por dar una estructura, marcar los recursos
con semántica explícita que pueda ser procesada por las
máquinas y dar un valor añadido a los recursos clasificados
(ya sean recursos web -web semántica-, o recursos físicos –
vídeos, libros, colecciones de items-). La generación de
de estándares abiertos e interoperables dentro de los Sistemas
de Información Geográfica. Persigue acuerdos entre las
diferentes empresas del sector que posibiliten la interoperación
de sus sistemas de geoprocesamiento y facilitar el intercambio
de la información geográfica en beneficio de los usuarios.
Anteriormente fue conocido como Open GIS Consortium.
Las especificaciones más importantes surgidas del OGC
que podemos enmarcar dentro del presente estudio son:
- GML: Lenguaje de Marcado Geográfico.
- WFS: Web Feature Service o Servicio de entidades
vectoriales que proporciona la información relativa a la
entidad almacenada en una capa vectorial (cobertura) que
reúnen las características formuladas en la consulta.
- WMS: Web Map Service o Servicio de mapas en la web
que produce mapas en formato imagen a la demanda para ser
visualizados por un navegador web o en un cliente simple.
- KML: Keyhole Markup Language.
semántica, quiere superar las limitaciones actuales
introduciendo en ella descripciones explícitas de
significado.
Para poder hacer compatible la semántica y a la vez
mantener los conceptos básicos de las clasificaciones
existentes, como pueden ser la compatibilidad,
compartición, descentralización, contribución, facilidad
de acceso y la apertura al crecimiento se impulsa el
concepto de las ontologías. Una ontología proporciona
un vocabulario de clases y relaciones para describir un
dominio, poniendo el acento en la compartición del
conocimiento y el consenso en la representación de éste.
1) WMS (Web Map Service)
El servicio Web Map Service (WMS) definido por el OGC
(Open Geospatial Consortium) produce mapas de datos
espaciales referidos de forma dinámica a partir de información
geográfica. Este estándar internacional define un "mapa" como
una representación de la información geográfica en forma de
un archivo de imagen digital conveniente para la exhibición en
una pantalla de ordenador. Un mapa no consiste en los propios
datos. Los mapas producidos por WMS se generan
normalmente en un formato de imagen como PNG, GIF o
JPEG, y ocasionalmente como gráficos vectoriales en formato
SVG (Scalable Vector Graphics) o WebCGM (Web Computer
Graphics Metafile).
2) WFS (Web Feature Service):
El servicio de publicación de objetos (WFS) permite
recuperar y modificar (consultar, insertar, actualizar y
eliminar) datos espaciales en formato vectorial codificados en
Geography Markup Language GML. Cada servicio puede
manejar uno o más tipos de fenómenos, cada uno de los cuales
tiene asociado un XML Schema que describe su estructura.
Para acceder y manipular estos fenómenos geográficos, el
estándar WFS define interfaces que operan mediante la
utilización de HTTP como plataforma de cómputo distribuido.
Gracias a esos interfaces, un usuario o servicio web puede
combinar, utilizar y gestionar información acerca de los
fenómenos que constituyen los mapas.
3) WCS (Web Coverage Service)
Web Coverage Service proporciona una interfaz que
permite realizar solicitudes de cobertura geográfica a través de
la web usando llamadas independientes a la plataforma. Las
coberturas son objetos (o imágenes) en una zona geográfica,
mientras que la interfaz WMS o portales de servicios de
mapas en línea como Google Maps, devuelve sólo una
imagen, que los usuarios finales no pueden editar o analizar
espacialmente.
Este servicio permite la obtención de datos geoespaciales en
forma de “coberturas”, es decir, información geográfica
espacial digital que representa fenómenos de variación
espacial (distribución continua), de modo que sean útiles para
la representación o como dato de entrada de modelos
científicos. Una cobertura define, por cada localización en el
dominio, un conjunto de campos que pueden ser valores
La web semántica, la semántica en la web, las ontologías en
dominios de conocimiento, están llamados a tener un papel
importante en el crecimiento de aplicaciones inteligentes en la
red.
Para dotar de semántica al sistema GIS propuesto hemos de
tener en cuenta en primer lugar las ontologías y dominios de
conocimiento referente a sistemas geográficos, y en segundo
lugar su relación con otras ontologías existentes. En esta línea
se ha avanzado la existencia de estándares aceptados por la
comunidad y ontologías que exponen información a lo largo
de toda la red.
Por otra parte, a través de los llamados servicios web
semánticos, cuya idea central es la del uso de descripciones
más completas y declarativas de los elementos que forman
parte de computación distribuida de una manera dinámica
(servicios, procesos, transacciones…) [4] obtendremos una
provisión de servicios de manera flexible, dinámica y que
facilitará la construcción de servicios mucho más complejos
(la eterna promesa de computación distribuida inteligente…)
Podremos usar los Servicios Web semánticos para:
- la selección e invocación de servicios de manera más
automática
- que varios mensajes de distintos servicios puedan
interactuar o entenderse.
- la composición de servicios de manera semi automática.
B. Estándares GIS como primera opción
El Open Geospatial Consortium (OGC) agrupa a más de
250 organizaciones públicas y privadas. Su fin es la definición
4
escalares (como una elevación) o valores vectoriales (como
valores de luminosidad en diferentes partes del espectro
electromagnético). Estos campos y sus valores son conocidos
como rango de la cobertura.
4) KML (Keyhole Markup Language)
KML es un lenguaje XML enfocado a la visualización
geográfica, incluyendo la anotación de mapas e imágenes. La
visualización geográfica incluye no sólo la presentación de
datos sobre el globo, sino también el control de la navegación
del usuario en el sentido de donde ir y donde mirar.
C. Linking Open Data
Como hemos venido comentando la necesidad real tras de
esta propuesta de sistema es la de la interoperabilidad real
entre las necesidades del usuario y los servicios disponibles en
un contexto GIS. Puesto que muchos problemas GIS
provienen de sistemas, software o situaciones de carácter
general o amplio, se ha de buscar una manera real y efectiva
de relacionar dichas necesidades con las posibilidades de la
red.
El proyecto Linking Open Data hace referencia a usar la
web para conectar datos que no estaban unidos, o al menos
para eliminar ese coste de enlazar datos en la red. En nuestro
caso lo usaremos para enlazar distintas informaciones con
datos y servicios GIS. Nos va a servir como capa aglutinadora
o como traductora universal, de tal manera que podamos
conectar la información, los datos, el conocimiento y los
servicios semánticamente.
Es necesario ver la figura 2 para entender hasta qué punto es
posible interconectar datos. Algunos ejemplos de datos
interconectados gracias al proyecto son:
- DBpedia: Un set de datos y servicios para accede a ellos
que contienen información extraida de la Wikipedia
expresada en forma de sentencias rdf (Contiene más de
218 millones)
- GeoNames: Proporciona la descripción en rdf de más de
6,5 millones de lugares georreferenciados a lo largo del
mundo
- Sensorpedia – Una iniciativa para exponer datos relativos
a sensors en la web.
Figura 2: Interconexión de datos mediante la semántica. Imagen
obtenida de http://linkeddata.org/
IV. SISTEMA PROPUESTO
El sistema propuesto, que se puede ver en la Figura 3,
ofrece a través de 4 capas de arquietctura una visión de cómo
el sistema debería ser diseñado para conseguir
interoperabilidad en el uso de servicios y datos GIS. EN
primer lugar nos encontramos con una capa de acceso al
sistema, donde el usuario/programador podrá acceder a partir
de unos datos y solicitar otros. Dirá qué tiene y qué necesita,
partiendo para definir ese punto de partida de las ontologías
disponibles. En caso de que no estén disponibles en la nube
semántica que supone el proyecto LinkingOpenData, la opción
sería la de incluirlas y enlazarlas. A través de este punto de
acceso a datos y servicios GIS, el usuario podrá usar,
componer o buscar información o funcionalidad, que será
ofrecida semánticamente a través del proyecto mencionado.
Así mismo, habrá un directorio de Servicios Web, recursos
REST y Servicios Web Semánticos que enlazan con dicha
nube. En el caso de los 2 primeros habrá que añadirles una
capa extra de semántica.
Transversalmente a todos ellos, la presencia de los
estándares definidos por el OGC, nos da una ventaja adicional
y un primer punto de aproximación a los servicios ofrecidos
por el sistema.
5
Figura 3: Sistema propuesto para la orquestación y uso de datos
y servicios GIS
Habrá que integrar sistemas 3D en un futuro no muy lejano,
y dotar de inteligencia a las aplicaciones. En redes vehiculares,
los tiempos de respuesta serán prioritarios…
Muchos campos abiertos para muchas aplicaciones posibles.
Todo un mundo por explorar, sin lugar a dudas.
VII. RECONOCIMIENTOS
Simplemente dar las gracias por el curso. Interesante y
didáctico, a la par que relativamente entretenido. Gracias a
Juan Ignacio y a Guillermo por tener paciencia con nosotros y
por plantearnos por primera vez el hecho de descubrir una
línea de investigación o una pregunta de tesis. Aún no he
podido plantear siquiera de cerca una respuesta.
Gracias también obviamente a los compañeros con quien
tantos artículos hemos discutido y comentado.
REFERENCIAS
Aunque no entramos en detalle de cómo implementar una
plataforma de este nivel, sí dejamos constancia de un par de
ideas. En primer lugar, debería haber un directorio de servicios
y datos, que deben estar enlazados con la nube semántica. En
segundo lugar, y de cara al usuario, debe haber la posibilidad
de valorar cuál es la información de partida, y si realmente
sirve de algo.
V. CONCLUSIONES
Con la aparición de nuevos dispositivos, nuevas
tecnologías, y nuevos servicios, se ha de replantear siempre las
ideas preconcebidas de los sistemas existentes. Así pues, como
hemos demostrado, frente a los mastodónticos y restringidos
sistemas GIS de antaño, se abre ahora la posibilidad de tener
un mundo GIS interdisciplinar de servicios y datos.
Cabe destacar en torno a este proyecto el concepto de
Internet de los servicios, que surge como punto de intersección
entre los paradigmas de la web 2.0 y el SOA. Así pues, la web
2.0 incorpora una filosofía social que debemos considerar
complementaria a la filosofía, centrada en la tecnología, que
define SOA, ya que ésta proporciona técnicas y principios de
diseño que facilita el uso activo de servicios y recursos web.
Frente a los nuevos retos y posibilidades que definen la
aparición de estos servicios GIS, se han de buscar nuevas
tecnologías que den respuesta a las necesidades surgidas. SOA
más semántica, apoyado sobre los estándares existentes,
forman un buen pack para dar solución a plataformas
multidispositivos GIS con servicios distribuidos.
VI. TRABAJO FUTURO
Cada vez más y más soportes físicos requieren de
funcionalidad gis en entornos altamente cambiantes (véase
sistemas basados en redes MANET donde la geolocalización y
la fiabilidad pueden jugar un papel importante). Además, los
usuarios exigen cada vez más aplicaciones más interacción y
versatilidad, los requisitos de accesibilidad se hacen cada vez
más estrictos… Todo ello implica sistemas de altas
prestaciones y altas funcionalidades, en un entorno altamente
cambiante.
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