Výběr technologie pro městský GIS na WWW


Jiří Černý
Institut městské informatiky Praha
Žatecká 2
110 01 Praha 1
Tel: 02 244851 Fax: 24811902
E-Mail: JiriCe@imip.monet.cz

Abstrakt
          Příspěvek se zabývá zkušenostmi, získanými při přípravě aplikací GIS na WWW v Institutu městské Informatiky pro potřeby Intranetu městských úřadů i k informaci občanů na Internetu. Jsou stručně shrnuty potřeby městské správy v této oblasti, použité technologie, poznatky z testovacích řešení a perspektivy dalšího rozvoje.
Rozbor problému
           Téměř veškeré informace v městské správě obsahují primárně či zprostředkovaně prostorové souřadnice a pro jejich tvorbu, aktualizaci, analýzu a presentaci jsou proto vhodnými nástroji geografické informační systémy (GIS). V současné době je prakticky na každém městském úřadu k dispozici některý obecný geografický informační systém, v němž bývá vypracována aplikace, která slouží zpravidla k prohlížení základních map, popř. s vazbou na katastr nemovitostí, evidenci obyvatel a pod. Některé aplikace by měly sloužit i ostatním spolupracujícím subjektům (přímo řízené organizace, akciové společnosti i soukromé firmy) a k informování občanů a tedy pracovat jak v prostředí privátní městské sítě tak i veřejného Internetu.
           Pro současný stav je charakteristické, že aplikaci GIS včetně veškerých dat má instalovanou jeden nebo několik málo uživatelů na izolovaných počítačích nebo v nejlepším případě přistupují uživatelé ke sdíleným datům na serveru ze svých klientských aplikací. Efektivnímu využívání GIS při takovém způsobu práce brání tyto hlavní důvody:            Předmětem toho příspěvku jsou zkušenosti s volbou technologie GIS na WWW v podmínkách hlavního města Prahy, které byly získány v Institutu městské informatiky a na Magistrátě hlavního města. Specifikou Prahy je, že koncem roku 1998 bude vybudována rychlá městská síť MepNet, spojující magistrát, největší Obvodní úřady a městské organizace, na níž se budou provozovat i aplikace GIS (projekt MURIS - městský územně orientovaný informační systém, který má být ukončen v roce 1998). V dalším textu budou specifikovány hlavní typy uživatelů a aplikací GIS pro městskou správu tak i pro veřejnost. Budou stručně popsány technologie, které přicházejí v úvahu k praktickému nasazení, předvedeny některé konkrétní zkušenosti ze zkušebních aplikací a nastíněn plán budoucího rozvoje.

Obecné možnosti publikování map a GIS na Internetu
          Detailnější popis metod pro publikování map a tvorbu GIS v prostředí Internetu je pochopitelně mimo rozsah tohoto příspěvku a odkazuji proto na několik URL na Internetu, které jsou nejaktuálnějším zdrojem informací o tomto prudce se rozvíjejícím oboru [1-3]. Zcela obecně můžeme postupy rozdělit do těchto kategorií:
  1. Přímý přístup k aplikacím na unixovém serveru z X-terminálu, popř. v nejnovější době z PC na Windows NT 4.0 Terminal Server (či na Citrix WinFrame). Toto řešení je klasické v unixovém prostředí v místních sítích, v síti Windows NT se zdá být rovněž schůdné, jeho testováním se začínáme zabývat. Pro veřejný Internet je však prakticky nepoužitelné, protože X-protokol nepatří k bezpečným protokolům a téměř žádný server připojený k Internetu jej nepovoluje. Rovněž je dosti náročný na síťové prostředky a proto nepříliš vhodný k provozu po veřejné síti. Proto se v dalším touto technikou nebudu zabývat.
  2. Použití obrazových map s citlivými oblastmi ( "klikací mapy") v HTML stránce; uvádím pouze pro úplnost, použitelné pouze k publikování předem připravených rastrových obrázků, nikoliv pro skutečný GIS.
  3. Řešení založené na "třívrstvé WWW technice" : webovský prohlížeč-Web server-aplikační mapový server, používající http protokolu. Jeho výhody jsou všeobecně známé ( univerzální volně šířený klient - WWW prohlížeč, relativně rychlý a bezpečný provoz na veřejné síti). Pod pojmem GIS na Internetu/Intranetu se všeobecně rozumí tento přístup, kterému se v dalším tedy budu výhradně věnovat.
Metody tvorby GIS na Webu
           Zobrazení požadované mapy v okně webovského prohlížeče probíhá ve třech krocích, které používají http protokol:
  1. Webovský prohlížeč (klient) zašle dotaz WWW serveru, kde je vystavena požadovaná aplikace (HTML stránka s URL adresou, obsahující např. volání CGI skriptu - tj v našem případě programu, který vygeneruje HTML dokument a mapu v rastrovém či vektorovém formátu).
  2. WWW server pošle požadavek na vyvolání CGI skriptu aplikačnímu mapovému serveru
  3. mapový server CGI skript spustí a výsledek odešle WWW serveru. Ten jej doplní do HTML dokumentu, který se objeví v prohlížeči uživatele.
           Výsledný dokument obsahuje mapu v nejjednodušším případě jako rastrový obrázek (gif, jpeg), a obdobně může mít řešeny ovládací prvky. Potom stačí jakýkoliv grafický prohlížeč. To však není vhodné pro komplexnější řešení, které používá např. Javascript či javovské aplety pro grafické funkce, interakci s uživatelem nebo pro kvalitnější vzhled. Proto je nutná podpora těchto jazyků ve webovských prohlížečích, což splňují novější verze Microsoft Internet Exploreru i Netscape, i když se jejich interprety Javy či JavaScriptu v detailech liší a mohou ovlivňovat vzhled aplikace v prohlížeči. Opatrnost je nutná při komerčních řešeních, využívajících rozšíření prohlížečů (plug-in), které zpravidla se staršími verzemi prohlížečů nepracují korektně.
           Požadavky na hardware i software webovského serveru nejsou velké, je třeba pochopitelně povolit spouštění CGI skriptů, popř. používání analogických, ale bezpečnějších rozhraní Microsoft ISAPI či NSAPI od firmy Netscape, která vyžadují některé komerční systémy.
           Hardware mapového serveru musí splňovat některé poměrně náročné požadavky grafického software, které na něm běží. Software velkých producentů software pro GIS na WWW, rozšířených v ČR, však bohužel s výjimkou ArcView Internet Map Serveru z komerčních důvodů zatím není portováno na Unixové systémy, takže odpadá výhoda výkonných serverů a robustního operačního systému. Na platformě Intel/Windows NT je třeba pro rutinní aplikace používat rychlé Pentium II (popř. dvě CPU), cca 256 MB paměti, rychlou grafickou kartu s velkou (16 MB) pamětí a rychlé SCSI disky. Zkušenosti s uložením grafických dat na souborovém serveru jsou špatné i pro 100 Mbitový Ethernet, všechna data pro efektivní práci je třeba lokálně uložit na mapovém serveru, zajímavé budou zkušenosti s uložením grafických dat v relačních databázích. Mapový server poskytuje data v rastrovém (častěji) či ve vektorovém formátu, který je potom interpretován plug-inem prohlížeče.
           Webovský prohlížeč se v kontextu grafických a databázových aplikací označuje jako "lehký" klient, což nemusí být vždy pravda. Záleží totiž na rozdělení úkolů mezi mapový server a plug-in prohlížeče. Lze si představit, že mapový server je naprogramován tak, že na základě požadavku klienta pouze pošle požadovanou část vektorové mapy a databázovou tabulku a veškeré další práce probíhají v prohlížeči. Potom budou nároky na pracovní stanici mnohem větší než při pouhém zobrazení rastrového obrázku.
           Z firemních řešení GIS na WWW uvedu ty, jejichž software se v ČR používá:            Pro účely testování byla v IMIP vybrána platforma ESRI z evidentních důvodů - pražský Magistrát má zakoupenou multilicenci pro městskou správu a software této firmy je nejpoužívanějším GIS v institucích pražské městské správě. Je též pochopitelné, že nebudou-li k tomu zvláštní důvody, bude vždy nejvýhodnější používat software, který pracuje přímo s daty ve formátu ESRI, bez nutnosti konverze do jiného formátu. Zdůrazňuji, že v praxi je velmi důležitým hlediskem nejen cena komerčního produktu, ale často bude rozhodující cena licenčních poplatků, odvislých od počtu uživatelů. Pokud se používá uložení geografických dat v relačních databázích, je třeba pečlivě zkoumat interakci licenční politiky obou systémů. Během těchto prací se naskytla možnost vyzkoušet ve spolupráci s firmou Sitewell produkt MapGuide, který se poměrně rychle prosazuje na trhu. Tyto testovací platformy budou stručně charakterizovány.
          Software ArcView Internet Map Server firmy ESRI je určen k rychlému portování aplikací, vyvinutých v ArcView na WWW, používá rastrovou grafiku pro generovanou mapu. Dodávaný aplet Map Café, který v prohlížeči vytváří uživatelské prostředí s několika ikonami obdobnými jako v ArcView lze modifikovat v Javě, protože je k dispozici část zdrojového kódu, stejně tak jako vlastní aplikaci obvyklým způsobem v Avenue. Mapserver generuje pro každý View HTML stránku, kterou lze modifikovat. Zhruba lze říci, že ArcView Internet Map Server je vhodný pro jednoduché publikování map na Internetu, pokud nám nevadí obecně menší zobrazovací rychlost ArcView a omezené možnosti aplikace (např. nemožnost editace). Výhodou je, že pracuje i v unixovém prostředí.
          MapObjects Internet Map Server od téže firmy slouží k publikování aplikací GIS, vyvinutých pomocí MapOjects, což je kolekce ActiveX komponent realizujících funkce GIS a která je tedy využitelná v běžných vizuálních vývojových prostředích, používaných v 32 bitových MS Windows (VB, Visual C++, Borland Delphi). Výhodou je značná variabilita aplikací, jejich vyšší funkčnost a značně vyšší rychlost vykreslování ve srovnání s řešením pomocí ArcView.
          Mapový server je rozšířením MapObjects, takže pokud je uživatel nevlastní, musí současně zakoupit jejich licenci. Vývoj aplikace pro toto prostředí je pochopitelně ve srovnání s ArcView Internet Map Serverem náročnější.
           MapGuide firmy Intergraph používá na rozdíl od řešení ESRI používá vlastní vektorový formát pro komunikaci mezi prohlížečem a serverem, který je optimalizován pro přenos v pomalých sítích. Má propracovanou metodu pro řízení přístupu uživatelů ke prostředkům aplikace pomocí přístupových práv. Práci s vektorovými daty umožňuje plug-in pro Netscape Navigator a ActiveX komponenta pro Microsoft Internet Explorer. Z hlediska použití v IMIP je nevýhodou nutnost konverze do vlastního formátu MWF, která je však z formátů ESRI celkem přímočará. Budoucí verze by měly provádět tuto konverzi za běhu ve vyrovnávací paměti a tak přímo pracovat s formáty ESRI a rovněž by měly pracovat s geografickými daty, uloženými v relační databázi.
           Komerčních řešení je pochopitelně mnohem více, informace lze nalézt nejlépe na Internetu. Vlastní řešení jednoduchých serverů na bázi např. software ESRI nabízí několik firem i v České republice jako levnou alternativu k drahým řešením originálních firem; jejich možnosti jsou však omezené. K dispozici na Internetu je celá řada volného software, který může po otestování sloužit pro jednodušší řešení i jako inspirace pro vlastní vývoj. Nevýhodou je samozřejmě to, že pro ně nelze zaručit smluvní servis. Po zkušenostech s Linuxem lze konstatovat, že však někdy vyřešení problému s volným softwarem je rychlejší a kvalitnější dotazem v uživatelské konferenci než u komerčního systému se statisícovou placenou podporou. Pro zajímavost uvádím dva volné programy, s nimiž mám určité zkušenosti.
           Jednoduchá prohlížečka Jshape [8] na bázi javovských apletů, která pracuje s ArcView formátem Shapefile, s rastrovými obrázky i s připojenou databází. Je to řešení, které nepoužívá žádný mapový server, po přihlášení na WWW server se stáhne úvodní stránka a veškeré operace s mapovými vrstvy zajišťuje stažený aplet.
           Naproti tomu ForNet MapServer z University of Minesota., College of Natural Resources [9] je klasické řešení s mapovým serverem, produkujícím rastrové obrázky a webovský prohlížeč je zde v roli lehkého klienta bez nutnosti plug-inu či stahování většího apletu.

Aplikační oblasti GIS na WW v organizacích městské správy
          Odhlédneme-li od specifik hlavního města, daných organizačním členěním, velikostí a blízkostí centrálních úřadů, jsou požadavky na geografické informační systémy v městské správě univerzální a jejich konkrétní implementace jsou dány aktuálními požadavky úřadu, dostupností datových podkladů a samozřejmě finančními možnostmi. Konkrétní řešení je potom závislé na tom, zda jsou data uložena spolu s aplikací na izolované pracovní stanici, dostupná ze serveru LAN, je-li na úřadě používán Intranet, či se s aplikací pracuje po Internetu. Potenciální uživatele GIS lze rozdělit do tří skupin:
  1. Odborný uživatel, podrobně seznámený s problematikou GIS či zaškolený v užívání specializované aplikace. Typicky se jedná např. o referenty, používající aplikace pro údržbu základní územní identifikace, pracovníky odboru životního prostředí, kteří mají k dispozici analytické a vyhodnocovací aplikace. K nim patří i odborníci na GIS, používající samostatně základní nástroje (např. ARC/ONFO či ArcView).
  2. Běžný uživatel z městské správy a samosprávy. Jeho potřeby splňují aplikace k prohlížení všeobecně používaných map s připojenými databázemi, používání je intuitivní bez jakéhokoliv zaškolování. Uživatelé mají k dispozici několik předem připravených aplikací, každá obsahuje fixní sortiment mapových vrstev a připojených databází (např. parcelní mapa s připojenou evidencí nemovitostí čí územní plán). Uživatelé jsou rozděleni do skupin, přístup k jednotlivým aplikacím pomocí jména a hesla. Minimální funkce pro takové aplikace jsou:
  3. Veřejnost, která bude mít k dispozici podmnožinu dat a funkcí aplikace popsané v bodě 2. Např. hledání ulic a adres v mapě, cenové mapy pozemků, orientační mapy organizačního členění a působnosti městských a jiných úřadů, školské a zdravotnické spádové oblasti a pod. Tyto aplikace musejí být vypracovány s ohledem na maximálně jednoduché ovládání a vzhledem k předpokládanému velkému počtu uživatelů nesmějí být příliš náročné na systémové prostředky.
           V Praze jsou pro potřeby městské správy k dispozici tyto základní digitální mapové podklady:            Srovnáme-li v tomto kontextu současných možností webovských technologií GIS, je zřejmé, že mohou uspokojit většinu potřeb uživatelů městské správy. Požadavky veřejnosti, popsané v bodě 3, která přistupuje po Internetu je typickou aplikační oblastí těchto technologií, jinak neřešitelnou. Potenciál GIS na WWW je rovněž schopen zcela nasytit požadavky běžných uživatelů z městské správy a měl by být jednoznačným rozhodnutím, je-li v instituci provozován Intranet. Tito uživatelé rovněž mohou sdílet webovské aplikace po privátní městské síti ( v Praze MepNet). Konečně specializovaní uživatelé, specifikovaní v bodě 3 mohou ve většině případů být uspokojeni webovskými aplikacemi, i když pro některé případy, náročné na systémové prostředky (editace, analýzy, modelování) se budou stále využívat klasická řešení.

Testovací úlohy

           Vzhledem k tomu, v IMIP je k dispozici řada hotových aplikací v ArcView, byla jako prvá varianta vyzkoušen jejich převod do prostředí WWW pomocí ArcView Internet Map Serveru. Byla vybrána zjednodušená aplikace prezentace vybraných vrstev z Atlasu životního prostředí. Jako příklad uvádím úvodní stránku a jeden View v obr. 1 a 2.

Obr. 1 Atlas životního prostředí na WWW v ArcView Internet Map Serveru

           V systému MapGuide byla vypracována aplikace, jejíž úvodní stránka je na obr. 3. K vrstvám životního prostředí zda přibyla parcelní mapa s připojeným registrem nemovitostí. Ukázka výřezu z parcelní mapy se zakreslenou obálkou kolem parcely a výpisu z evidence nemovitostí je na obr.4

Obr. 2. Zobrazení radonového rizika na WWW v ArcView Internet Map Serveru

Obr. 3 (vodní stránka testovací aplikace v MapGuide

Obr. 4. Ukázka práce s parcelní mapou a registrem evidence nemovitostí v MapGuide

Výsledky ověřování a poznatky pro další postup
          Popsané aplikace byly ve zkušebním provozu na Intranetu IMIP a omezeně i na Internetu. Řešení pomocí ArcView Internet Map Serveru bylo pro naše účely pomalé, aplikace sestavená pomocí MapGuide pracovala dostatečně rychle. Zdánlivě paradoxně se vykreslovala mapa velmi pomalu pro ArcView s použitím Microsoft Internet Exploreru 4.0, verze 3.0 pracovala mnohem rychleji; Netscape v různých verzích takové anomálie nevykazoval Obě tyto aplikace byly provozovány na zapůjčeném software.
          Na základě vlastních i publikovaných poznatků bylo rozhodnuto, že v současné době je optimální z hlediska datových formátů, rychlosti i dostupnosti programátorských kapacit pro IMIP použít pro prvé reálné aplikace MapObjects Internet Map Server. V současné době je zde již instalován a probíhá vývoj prvých aplikací, určených k rutinnímu provozu ( informace o životním prostředí a hledání adres v Praze).
          Vzhledem k potenciálním možnostem lepší práce s formáty ESRI, bez nutnosti explicitní konverze v budoucích verzích MapGuide, bylo rozhodnuto v pokračování testování tohoto software, jako určitého způsobu rozložení rizika.
          Zajímavé budou zkušenosti s větším počtem uživatelů, z čehož vyplynou požadavky na konečný počet licencí mapového serveru i na hardware počítače. V době psaní příspěvku probíhá výběrové řízení Magistrátu na MURIS a k objektivnímu posouzení nabídek přispějí i tyto zkušenosti. Na konferenc budu prezentovat ústně jeho výsledky i další zkušenosti.

          Software pro testování ArcView Internet Map Server zapůjčila firma Arcdata s.r.o. a MapGuide firma Sitewell s.r.o., která vyvinula rovněž testovací aplikaci. Na vývoji aplikace v prostředí ArcView Internet Map Serveru pracovala firma Hydrosoft Veleslavín s.r.o.

Literatura

[ 1 ] Hnojil J.: Propojení WWW, GIS a kartografie.
http://gama.fsv.cvut.cz/~hnojil/konference/olomouc97.html
[ 2 ] Piewe B. GIS Online, ONWORD PRESS, 1997
http://kayenta.geog.byu.edu/gisonline
[ 3 ] http://www.lib.berkeley.edu/UCBGIS/intergis.html
[ 4 ] http://www.mapguide.com/
[ 5 ] http://www.esri.com/
[ 6 ] http://www.mapinfo.com/events/prosrv/proserver.html
[ 7 ] http://www.intergraph.com/iss/geomedia/webmap/
[ 8 ] http://shiuhlin.ml.org
[ 9 ] http://www.gis.umn.edu/fornet/docs/MapServer/