Jan Stankovič * , Markus Neteler **
* Institut Geoinformatiky
VŠB - Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava - Poruba
E - mail: jan.stankovic@vsb.cz
** ITC - irst
Via Sommarive 18
38050 Povo - Trento, Italy
E - mail: neteler@itc.it
The developments of the communications and mobile computing technologies in the last years opened new possibilities for in the field GIS applications. In this paper we propose a mobile experimental implementation of the open source and easily expandable GRASS GIS software in combination with Linux operating system run on handheld devices. There are some proprietary GIS software solutions for mobile or handheld devices commercially available on the market, but they are more focused on data logging tasks than providing full powered GIS support or data analysis functions. Experimental GRASS GIS for handheld computers makes a basement for applications that may provide near real time in the field computations, data processing and that require cooperation of several active mobile clients using wireless networking.
Vývoj v oblastech telekomunikací a mobilní výpočetní techniky v posledních letech otevřel nové možnosti pro GIS aplikace určené k využití v terénu. V tomto příspěvku nabízíme mobilní experimentální implementaci snadno škálovatelného open source GRASS GIS software v kombinaci s operačním systémem Linux na počítačích do dlaně - handheldech. Na trhu je nabízeno několik proprietárních GIS řešení určených pro mobilní zařízení nebo pro handheld počítače, ale ty jsou zaměřeny spíše na sběr dat, než na plnohodnotnou GIS podporu nebo analytické funkce prováděné nad daty. Experimentální GRASS GIS pro mobilní počítače tvoří základ pro aplikace které mohou provádět analýzy a zpracovávat data v terénu téměř v reálném čase a pro aplikace vyžadující spolupráci několika mobilních klientů s využitím bezdrátových komunikačních sítí.
Mobilní a komunikační technologie jsou v posledních letech předmětem intenzivního výzkumu a vývoje. Výsledky tohoto vývoje přinášejí nové možnosti v mnoha různých oblastech a v neposlední řadě také v oblasti Geoinformačních technologií (GIT). Naskýtá se nám možnost být při práci mobilní a přitom zůstat v kontaktu s dalšími pracovníky v terénu a zároveň v kontaktu s výpočetním výkonem a informačními zdroji, které máme k dispozici v zázemí. Přínosem využití mobilních technologií je zrychlení a zvýšení efektivnosti práce při získávání, zpracování a prezentaci dat téměř z jakékoliv oblasti. Svoboda pohybu při práci, která je nám nabízena současnými komunikačními technologiemi a miniaturizovanými počítači je ideálním prostředkem pro aplikace, které vyžadují rychlé manipulace s daty v terénu. Na trhu jsou již po nějaký čas dostupná různě vyspělá GIS řešení pro mobilní zařízení a počítače do dlaně, ale doposud žádné z nich neposkytlo možnost provádění komplexních analýz dat přímo v terénu. Mobilní GRASS (Geographic Resources analysis Support System)(GRASS2002) je přizpůsoben pro handheld PC s operačním systémem Linux a je schopen díky své škálovatelnosti a modularitě uživateli nabídnout v terénu téměř libovolné analytické funkce. Volný přístup ke zdrojovým kódům operačního systému Linux i ke zdrojovým kódům modulů systému GRASS dovoluje snadné přizpůsobení a doplnění funkcí mobilního GIS.
Obr č. 1 Mobilní GRASS GIS - Baby GRASS
Většina handheld PC s výkonnějšími procesory je distribuována s pevně předinstalovaným proprietárním operačním systémem Microsoft Windows CE. Tato skutečnost částečně omezuje vývoj aplikací a také funkční možnosti handheld PC jsou limitovány tím, co je podporováno a implementováno v operačním systému. Díky vývojářům firmy Hewlett Packard a komunitě dobrovolných vývojářů kódu GNU/Linuxu existuje možnost nahradit Windows CE v některých handheldech otevřeným operačním systémem Linux (Handhelds.org). Operační systém Linux promění handheld PC ve velmi škálovatelné zařízení, které je schopno provádět mnoho různorodých úkolů počínaje digitálním diářem nebo herní konzolou a konče použitím v roli síťového serveru nebo pracovní stanice pro GIS. Linux na handheldech si i přes to, že se jedná o velmi malá zařízení zachovává všechny výhody operačního systému postaveného na bázi UNIXu. Protože je Linux od počátku stavěn jako síťový operační systém je velmi snadné přistupovat k různým datovým sítím včetně sítí bezdrátových a to jak pomocí standardních tak pomocí nestandardních síťových protokolů. Uživatelsky konfigurovatelný přístup k lokálním datům uloženým v zabezpečeném souborovém systému a šifrované datové přenosy jsou samozřejmostí, stejně jako spolehlivost a stabilita operačního systému. Handheldy bohužel nejsou navrhovány pro uživatelsky snadno proveditelnou změnu operačního systému, který je výrobcem předinstalován v paměti typu ROM (EPROM). Jsou to speciální zařízení, zmačně se svou konstrukcí a architekturou lišící od standardních desktop nebo laptop počítačů. Nejsou vybaveny diskovými mechanikami, které by umožňovaly instalaci z běžných médií jako jsou diskety nebo CD a také zpravidla nemají klávesnici, pro vstup parametrů při instalaci. Jedinou standardní možností pro aktualizaci nebo přeinstalování operačního systému v handheldech je použití proprietárního servisního software na stolním počítači, proprietárních servisních balíčků dostupných u výrobce a sériového připojení k handheldu. Vývojáři Linuxu vytvořili speciální software umožňující zápis do paměti ROM a Linuxový zavaděč operačního systému, který nahrazuje stávající Windows CE zavaděč a je oproti němu vybaven mnoha dalšími vlastnostmi. S tímto zavaděčem je možné modifikovat "diskové oddíly" a data umístěná v ROM paměti handheldu za pomocí sériového připojení ke stolnímu počítači a s využitím libovolného programu pro emulaci terminálu. Zavaděč také umožňuje nahrát Linuxový "root image" do ROM paměti handheldu a následně zavést operační systém. Pak lze již snadno systém přizpůsobit svým potřebám prostřednictvím přidávání či odebírání modulárních balíčků. Velkou výhodou využití platformy OS Linux je její otevřenost a z otevřenosti vyplývající možnost úprav a přidávání nových funkcí do systému, stejně jako možnost využití nepřeberného množství stávajících open source aplikací, které mohou být upraveny a zkompilovány pro architekturu používanou u handheld PC.
V současné době je k dispozici několik distribucí GNU/Linuxu pro handheld PC. Linux lze provozovat například na handheldech Compaq iPAQ, HP Jornada, Sharp Zaurus a dalších.
Obr č. 2 Linux na handheld PC Compaq iPAQ 3780
Přenos aplikací na handheld PC vyžaduje předchozí optimalizaci programů a vývoj ovladačů určených pro speciální hardware a architekturu. Pro bezdrátové použití musí projít aplikace miniaturizací. (Di Penta et al. 2002). Počáteční práce na miniaturizaci GRASS GIS software byly zahájeny v rámci projektu WILMA (WILMA 2002), který je zaměřen na výzkum, vývoj a testování aplikací pro různé účely v bezdrátovém síťovém prostředí a na výzkum algoritmů a protokolů pro bezdrátové komunikace. Funkčně redukovaná experimentální verze GRASS GIS (Baby GRASS) byla extrahována z původního zdrojového kódu a může sloužit jako základna pro další GIS funkce. Zdrojové kódy byly nativně zkompilovány pro Compaq iPAQ 3870 na vývojovém clusteru hostovaném firmou Hewlett Packard (Compaq) v Cambridge Research Laboratory (http://www.crl.hpl.hp.com). Tento cluster je tořen skupinou systémů postavených na architektuře Intel ARM a je dostupný všem, kteří se chtějí účastnit nativního vývoje a testování Open Source aplikací a pro handheld PC s architekturou GNU/Linux armv4l. Další možností pro kompilaci kódu je křížová kompilace - "crosscompilation" pro platformu ARM na platformě x86 (běžné PC) za pomocí souboru nástrojů (ToolChain). Poslední a značně komplikovanou možností je vytvoření kompilačního prostředí přímo na vlastním cílovém handheld PC. Poslední oficiální verze GRASS GIS pro handheld PC (7/2002) se skládá z modulů vyjmenovaných v tabulce č. 1 Moduly GRASS GIS.
Obr č. 3 Vývojový cluster
Module name | Module description |
d.erase | Erase the contents of the active display frame |
d.measure | Measures the lengths and areas of features drawn by the user |
d.mon | To establish and control use of a graphics display monitor |
d.pan | Pan (move spatially) or zoom a raster, vector, or site map |
d.rast | Display a raster map and raster overlays in the display window |
d.sites | Displays points from a sites file in the display window |
d.site.labels | Labels points from a sites file in the display window |
d.vect | Display a vector map in the display window |
d.what.rast | Query the category contents of multiple raster map |
d.what.vect | Query a vector map layer within the current geographic region |
d.what.sites | Allows the user to interactively query site list descriptions |
d.where | Query the geographic coordinates of a point on the display |
d.zoom | Zoom a raster, vector or site map |
g.copy | Copy maps, icons, labels, regions, groups, or 3dviews |
g.list | List the maps, icons, labels, regions, groups, 3D views |
g.gisenv | Query present location and mapset |
g.mapsets | Query presently accessible mapsets or change access |
g.region | Set region to match default region, any map,... |
g.remove | Remove maps, icons, labels, regions, groups, or 3dviews |
g.rename | Rename maps, icons, labels, regions, groups, or 3dviews |
r.in.ascii | Convert an ASCII raster text file into a (binary) raster map layer |
s.in.ascii | Convert ASCII listing of site locations into a GRASS site list file |
tcltkgrass | Graphical user interface |
|
|
Several scripts. |
|
Tabulka č. 1 Moduly GRASS GIS
Mobilní GIS otevírá možnosti k tomu, abychom si mohli vzít výhody prostorových analýz a modelování sebou do terénu. Běžně se modelování a analýzy dat provádějí až poté, co je sběr dat ukončen a často velmi daleko od místa, kde byla data nasbírána. Často nás pak čekají nepříjemná překvapení například když zjistíme, že vzorkování nebylo dostačující pro danou analýzu nebo když jsme vynechali některé důležité prvky což vede ke zkresleným výsledkům modelování. Opakované nebo doplňkové měření v terénu může být velmi nákladné a často je dokonce nemožné vzhledem k časové proměnlivosti sledovaného fenoménu. Často se pak v průběhu pozdějšího zpracování provádějí aproximace chybějících dat což evidentně vede ke snížené přesnosti. Pro zajištění optimálního sběru dat je zapotřebí spouštět analýzy sledovaných dat přímo v terénu, sledovat výsledky a dynamicky na ně reagovat při dalším postupu. Možnost analýzy přímo v terénu můžeme využít například při tvorbě digitálních modelů terénu metodou prostorové interpolace dat získávaných několika různými přijímači GPS. Pokud budeme interpolovat přímo v terénu a zároveň počítat chybu interpolace a topografické parametry odhalíme okamžitě oblasti, kde chyba přesahuje povolenou mez a kde je proto potřeba zahustit vzorkování nebo odhalíme oblasti, kde je geometrie povrchu zachycena zcela nesprávně.
Dalším příkladem využití pokročilých GIS funkcí je modelování. Záchranné služby jsou často vybaveny silnou GIS základnou v centrech řízení zásahu nebo v centrech krizového řízení. Tato centra mají silný výpočetní a informační potenciál, přístup k databázím a informačním zdrojům (meteorologie apod.). Jsou schopna provádět rychle velmi komplikované modelování a analýzy nad krizovým územím a jsou schopna připravit filtrovaná a předzpracovaná data. Tato data mohou být prostřednictvím bezdrátových komunikačních technologií přenesena do mobilních počítačů v terénu a následně využita. Simulace připravené v centrech v praxi zpravidla nemohou přesně vystihnout situaci která reálně nastane a proto se data mohou přímo v terénu neustále aktualizovat a opakovaně spouštět simulace a generovat modely pro menší zájmová uzemí. Možnost autonomní analytické práce mobilního zařízení v terénu je zvláště cenná při rozhodování v případech, kdy vlivem rozsáhlých přírodních kalamit dojde k narušení funkce nebo úplnému vyřazení komunikační infrastruktury a přerušení spojení s centry. Tím se výpočetní výkon a výsledky simulací provedených na centrálních serverech stanou nedostupnými a zůstáváme odkázáni pouze na techniku a programové vybavení, které máme přímo v terénu.
Obr č. 4 Mobilní GRASS GIS - DMT
Obr č. 5 Mobilní GRASS GIS - TCL/TK grafické uživatelské rozhraní
Budoucí vývoj bude zahrnovat tvorbu uživatelského rozhraní, které v současné době není optimalizováno pro malý display mobilních zařízení a ovládání pomocí dotykového displeje. Jednou z možností řešení je integrace rozpoznávání hlasu a inteligentního grafického rozhraní.
Je nutné přepracovat systém zobrazování dat, který je příliš pomalý pro animace v reálném čase z důvodu nutnosti opakovaného překreslování podkladových rastrových map.
Pro tvorbu pokročilého mobilního prostředí GIS/GPS je zapotřebí vylepšit spolupráci GRASS GIS s jiným programovým vybavením za hranici pouhé jednoduché výměny dat. Spolupráce programů může být řešena s využitím meziprocesové komunikace nebo na síťové bázi.