Взросление мобильных географических служб

По статье Дэвида Магвайра,
директора по выпуску ПО ESRI,
в журнале GeoInformatics, март 2001 г.

Термин «Location services» был недавно предложен для описания нового направления применения географических информационных систем (ГИС). В этих приложениях географические данные и их обработка предоставляются в виде специальных служб по беспроводным сетям. Это означает, что простые маломощные устройства, такие как пейджеры и мобильные телефоны, теперь могут обеспечить преимущества географического подхода. Термин «мобильные географические службы» здесь более предпочтителен. Мобильная ГИС — это не традиционная ГИС, модифицированная для работы на малогабаритном компьютере, а система, основанная на использовании совершенно новой парадигмы (рис. 1).

Рис. 1. Ключевые элементы мобильных географических информационных систем.

Географические службы (услуги)

В этом контексте, служба — это серверное приложение, которое распространяет (рассылает) данные и/или результаты их обработки клиентам по запросу. Географические службы получают запросы от клиентов (пейджеров, телефонов, карманных ПК, ПК и т.п.) на географические данные и/или результаты их обработки (например, создание карты, геокодирование (адресный поиск), загрузку данных по какому-то району). Операции запроса, анализа и картирования выполняются на сервере, или, в случае более “продвинутого” клиента, на клиентском месте и на сервере. В любом случае результаты отображаются у клиента. Результатом может быть карта, список геокодированных адресов, или файл данных.

Важные свойства

Георграфическим службам присущи некоторые важные свойства: они всегда доступны (с учетом прав доступа и ограничений соединения), они могут поддерживать легковесных (простых) клиентов, они могут обслуживать несколько клиентов одновременно, они могут масштабироваться для поддержки большого числа обращений за счет добавления дополнительных машин. Web сайт с функциями создания и передачи карт является одним из примеров простой географической службы. Основанная на службах архитектура все более широко используется для создания традиционных корпоративных и новых мобильных географических клиентов.

Приложения

Деятельные люди, которые постоянно перемещаются и хотят использовать свое время более эффективно, все чаще обращаются к данным и услугам, связанным с географией. Своевременно предоставленные качественные географические данные и услуги обеспечиваются широким спектром новых мобильных географических приложений, таких как:
Картирование (выдача карт) — карты городских и сельских районов помогают найти географические пункты
Желтые страницы — электронные справочники, называемые географическими желтыми страницами, содержат разнообразную географическую информацию
Выбор пути — перемещение из одной точки в другую является стандартной необходимой для многих задачей, очень удачно решаемой с помощью основанных на Web географических служб
Определение местоположения — возможность определить положение определенного места на карте также обеспечивается мобильными географическими службами
Точно географически нацеленная реклама является сферой разнообразных потенциальных приложений
Динамичный трафик — некоторые телефонные операторы (например, Нокиа) взимают различную плату за услуги в зависимости от географического местоположения клиентов (абонентов)
Сбор данных — пользователи с «умными» мобильными географическими устройствами могут осуществлять сбор, оценку и анализ нужных данных прямо в поле (на месте работ)
Общественная безопасность — в США Федеральный комитет по коммуникациям (FCC) предоставил особый мандат службам спасения (E911) для определения местоположения звонящего по мобильному телефону.

Беспроводные сети

Самым обычным способом обращения к мобильным географических системам по беспроводным сетям в настоящее время являются коммерческие сотовые телефонные сети. Число сотовых телефонов во многих странах Европы и Азии уже превысило число обычных телефонов. Так, согласно данным газеты The Industry Standard, Europe от 19 октября 2000 г, в Финляндии и Норвегии более 75% действующих телефонов являются сотовыми. Для предоставления услуг по низко- и высокоуровневым беспроводным коммуникационным телефонным сетям имеется несколько возможностей (см. рис. 2).

Рис. 2. Беспроводная сеть и разработка приложений.

Коммуникационные протоколы высокого уровня

Телефонные протоколы низкого уровня имеют дело с побайтовой передачей данных по сети. Приложения более высокого уровня создают такие данные и преобразуют (кодируют) их в вид, который могут использовать географические приложения, программы и пользователи. В этом плане доступно много вариантов, таких как HTML, Compact HTML (I-Mode), WAP и XML. В системах более ранних протоколов использовался HTML, но при этом возникали многие ограничения. В Японии компанией NTT успешно внедрена система I-Mode, использующая компактную версию языка HTML и предлагающая некоторые ограниченные географические услуги (такие как желтые страницы).

WAP- бум

В последние несколько лет наблюдался бум, связанный с протоколом WAP (Wireless Access Protocol, стандарт беспроводных приложений для сотовых телефонов). Спецификация WAP предоставляет сравнительно простую и компактную версию XML (extended markup language), называемую WML (wireless Markup Language), которая позволяет обращаться к географическим службам с поддерживающего WAP телефона и возвращать карту в растровом формате bitmap. По мере усовершенствования клиентского аппаратного обеспечения и устранения ограничений по пропускной способности сетей интересы начали фокусироваться на использовании протоколов HTML и XML. HTML имеет дело с представлением данных, а XML поддерживает описание данных и их структуры. XML хорошо подходит для коммуникационных приложений мобильных географических служб, разрабатываются географические протоколы XML, включая Geography Markup Language Консорциума открытых ГИС (OGC) и более развитый протокол ArcXML от ESRI.

Малогабаритные клиентские устройства

Прогресс в производительности аппаратного обеспечения позволил создать небольшие, потребляющие мало энергии устройства, подходящие для мобильных географических приложений. Системы более высокого уровня имеют VGA дисплей (320 на 240 пикселов), 8-битные цвета, 32 Мб оперативной памяти и процессор с тактовой частотой 200 мГц и более. Вариантами операционной системы являются Windows CE, Palm OS, EPOS, JavaOS и Linux. Примерами таких устройств, показанных на рис. 3, являются: карманные ПК с ОС Windows CE, ручные PDA с Palm OS, умные телефоны (smartphone) с ОС EPOS, пейджеры со своими ОС.
Для поддержки мобильных географических клиентов эти устройства должны быть географически «инициированы», то есть они должны быть способны быстро и достаточно точно определить местоположение. Для устройств этого типа сейчас существует несколько альтернатив определение местоположения:

• Идентификация ячейки (Cell-ID). Системы сотовой телефонии делят территорию на географические районы (соты) обычно размерами в несколько километров, хотя в городских условиях они меньше — до 30 метров.
• Сотовая триангуляция. Определение местоположения сотового телефона может проводиться, исходя из триангуляции по трем или более базовым станциям.
• Системы спутниковой привязки (GPS). Они обеспечивают наилучшее качество определения местоположения. Возможно достижение точности менее 10 м. К ограничениям этого способа относятся необходимость прямой видимости (что особенно проблематично для городских «туннелей»), дополнительная стоимость оборудования и время, необходимое для получения сигнала.

Рис. 3. Примеры устройств, потенциально поддерживающих географические службы.

Сервер географических приложений

Современный сервер географических приложений предоставляет комплекс географических служб для мобильной ГИС и должен обеспечивать следующие возможности:

• Функциональность
  Высококачественное картографирование, географические и атрибутивные запросы, загрузку данных, справочную информацию, анализ близости (соседства) (то есть поиск ближайшего объекта заданного типа), геокодирование (адресный поиск), службы маршрутизации (выбора оптимального маршрута).
• Производительность
  Серверы приложений должны одновременно обрабатывать много запросов (потенциально, миллионы запросов в день).
• Масштабируемость
  Включает возможность одновременно работать и с очень большими наборами данных, и с очень большим числом прикладных запросов, а также возможность добавлять средства обработки без операций прерывания.
• Расширяемость
  Существенно, чтобы серверы приложений имели возможность расширения для поддержки новых служб и для обслуживания большего числа пользователей.
• Надежность
  Географические службы должны быть доступны в течение 24 часов 7 дней в неделю, и поддерживать готовые коммерческие технологии, такие как стандартное аппаратное оборудование, надежное и достаточно мощное современное программное обеспечение ГИС и СУБД.
• Базирование на стандартах
  Создание системы, основанной на принятых стандартах, обеспечит совместимость с будущими системами и приложениями.

Географическая база данных

Завершающим компонентом является географическая база данных. Управление данными и высокоскоростной доступ к большим базам данных обеспечивают возможность использования готовых коммерческих СУБД, таких как DB2, Informix, Oracle, или SQL Server. Одно и то же программное обеспечение может использоваться для хранения и управления и географическими, и связанными с ними атрибутивными данными.

Предлагаемые ESRI решения

ESRI разрабатывает программное ГИС обеспечение в течение более 30 лет и Интернет- службы — последние 5 лет. Ядром мобильных географических служб от ESRI является коммерческое сразу готовое к работе решение, называемое ArcGIS. Это интегрированное семейство программных продуктов, созданное для удовлетворения потребностей отдельных, корпоративных и распределенных ГИС пользователей. Общие черты систем ArcGIS показаны на рис. 4. Система ArcGIS способна обеспечить потребности клиентов любого уровня. Она может компоноваться как полнофункциональными настольными ГИС продуктами (такими как ArcInfo, ArcEditor и ArcView), так и продуктами среднего уровня на основе браузеров для обслуживания Web клиентов, и простыми клиентскими приложениями, такими как карманные ПК (продукт ArcPad) и мобильные телефоны. Клиенты высокого уровня могут работать в автономном режиме, а также в распределенном корпоративном окружении. Браузеры и мобильные клиенты преимущественно предназначены для работы с предоставляемыми серверами службами (рис. 5). Все эти клиенты могут использовать географические данные в файлах и на серверах данных. Комбинация клиента, сервера приложений и сервера данных известна как конфигурация в виде трехуровневой (трехзвенной) архитектуры.

Рис. 4. Архитектура программного обеспечения ArcGIS от ESRI.

Рис. 5. ArcPad — мобильное географическое программное обеспечение.

Основанные на серверах решения

Предлагаемые ESRI решения для мобильных географических служб, главным образом, основаны на ArcIMS. ArcIMS — это межплатформенное серверное приложение, которое обеспечивает следующую функциональность:

• Интерфейс к стандартным web серверам
• Поддержка многих типов данных
• Обработка брокерских запросов от многих пользователей
• Обработка запросов с выдачей данных в разном виде
• Картографирование (создания карт)
• Обработка объектов в потоковом режиме
• Географические и атрибутивные запросы
• Выполнение геокодирования
• Маршрутизация
• Загрузка и выгрузка данных
• Масштабирование для поддержки тысяч текущих запросов и миллионов ежедневных запросов к службам.

Соединение между клиентами и сервером(ами) осуществляется через специальную версию протокола XML, которая называется ArcXML и позволяет управлять географическими запросами и пересылкой данных. Самый простой клиент, такой как мобильный телефон или пейджер, может лишь посылать простые запросы (например, зуммирование (увеличение/уменьшение), панорамирование (перемещение), подключение и отключение слоев карты, центрирование карты по заданному адресу и показ ближайшего объекта). Запросы такой природы кодируются в потоке ArcXML и посылаются прямо клиенту, где проводится их обработка.
Решения на клиентском уровне
ArcPad является сравнительно простым готовым ГИС- приложением, работающим на карманных ПК. Это самодостаточное приложение с несколькими важными возможностями:

• Готовый ГИП (Графический интерфейс пользователя)
• Интерфейс, управляемый пером
• Задание символов для множества типов слоев
• Редактирование векторных объектов (точек, линий и полигонов)
• Редактирование атрибутов объектов
• Интерфейс к приемнику GPS
• Географические и атрибутивные запросы
• Интерфейс к географическим службам
• Средства настройки.

ArcPad может работать как совершенно самостоятельное приложение на устройстве типа карманного ПК. Он широко используется в разных прикладных областях, таких как сбор данных об окружающей среде и инженерных сетях, навигация транспортных средств, отображение военных карт. Он также может подключаться к серверу ArcIMS по беспроводным сетям (через модем), чтобы получить доступ к перечисленным выше службам ArcIMS (рис. 6).

Рис. 6. Мобильная географическая служба, основанная на пакетах ArcPad и ArcIMS.

Заключение

Мобильные географические службы — быстро расширяющаяся сфера применения ГИС. Сейчас наблюдается большой интерес к этой технологии, и очевидно, что многие организации получат реальные преимущества для развития бизнеса за счет использования географической информации в мобильном контексте — от желтых страниц и перестроения маршрутов движения до сбора данных. Тому уже имеется множество успешных примеров. По мере усовершенствования технологии (в особенности ускоренной передачи данных по телефону с внедрением систем 3G), это направление будет развиваться.