1.2. Обзор программных решений и открытых стандартов
Существует несколько программных решений, имеющих программный интерфейс (API), который обеспечивает возможность написания производных приложений для работы с данными на виртуальном глобусе.
1.2.1. Google Earth browser plug-in
Первые версии приложения Google Earth имели COM API, который позволял писать расширения. Однако в последних версиях его отключили [50]. Вместо этого в 2008 году Google выпустил специальную версию Google Earth в виде плагина для браузера, который можно встраивать на веб-странички. Этот плагин обладает своим API, который позволяет управлять визуализацией данных в GE с помощью языка JavaScript [50]. Плагин работает только в операционных системах Windows и Mac OS X.
Функционал плагина для браузера повторяет функционал основной версии. Возможны создание, изменение и визуализация векторных данных: меток, ломаных линий, полигонов, 3D-моделей, аннотаций, наложений, управление камерой, запись и воспроизведение виртуальных туров. В основной версии все эти действия пользователь может выполнять мышкой. В браузерной версии эти действия могут быть автоматизированы программным образом. Можно загружать данные из разных источников, анимировать их, реагировать на действия пользователя.
Реализовать принципиально новый функционал API не позволяет. Поэтому возможное применение плагина Google Earth сильно ограничено.
1.2.2. NASA World Wind Java SDK
Первая версия NASA World Wind, вышедшая в 2004 году, была основана на платформе .NET работала только под Windows.
В 2007 году началась разработка новой версии NASA World Wind на языке Java [51]. Она называется World Wind Java SDK, имеет открытый исходный код, работает на любых операционных системах с поддержкой Java и OpenGL, и может встраиваться на веб-странички в виде Java-апплета.
World Wind Java SDK — это не готовое приложение, а набор компонентов, которые можно использовать для разработки собственных приложений для визуализации и анализа геопространственных данных на виртуальном глобусе, можно интегрировать в существующие приложения на Java. Вместе с WW Java SDK идёт набор демонстрационных приложений, каждое из которых иллюстрирует отдельные возможности WW.
Основные возможности: загрузка изображений поверхности Земли и карт высот из разных интернет-источников, доступных по протоколу WMS; использование локальных данных; экспорт текстур и карт высот в виде отдельных GeoTIFF-файлов; чтение векторных форматов файлов (KML, Shapefile); визуализация векторных данных (точки, линии, полигоны); визуализация 3D-моделей и аннотаций. Графический интерфейс пользователя реализуется через библиотеки AWT и Swing.
Благодаря открытости исходного кода, все эти компоненты можно дополнять, расширять и модифицировать под нужны конкретной задачи.
1.2.3. osgEarth
osgEarth — инструментарий с открытым исходным кодом для рендеринга рельефа и данных на рельефе виртуального глобуса [52]. osgEarth выпущен под лицензией LGPL и написан на C++. osgEarth основан на OpenGL и является надстройкой над графическим инструментарием OpenSceneGraph. osgEarth работает на любых операционных системах, которые поддерживают OpenGL, включая мобильные iOS и Android.
Также как и WW Java SDK, osgEarth можно использовать для разработки собственных приложений, либо для интеграции виртуального глобуса в существующие приложения.
Одно из основных отличий osgEarth в том, что исходные растровые данные для построения рельефа не обязательно заранее обрабатывать. osgEarth может работать с «сырыми» данными и генерировать рельеф динамически во время работы приложения. Предобработка данных может ускорить этот процесс. Генерируемый рельеф автоматически кэшируется, что позволяет ускорить работу приложения при последующих запусках.
Основные возможности такие же, как и в WW Java SDK: загрузка изображений поверхности Земли и карт высот из разных интернет-источников по протоколам WMS, WCS, TMS; использование локальных данных; чтение векторных форматов файлов (KML, Shapefile); визуализация векторных данных (точки, линии, полигоны); визуализация 3D-моделей и аннотаций. Добавить графический интерфейс пользовать можно либо с помощью фреймворка Qt, либо встроенной библиотеки виджетов.
Конфигурировать глобус можно либо в коде на C++, либо с помощью специального файла в формате XML. В нем указываются пути к слоям изображений, карт высот, пути к файлам с векторными данными. Можно задавать стили в формате CSS для векторных данных в зависимости от их атрибутов. Также можно использовать JavaScript для этих целей.
osgEarth может разбивать большие массивы векторных данных тайлы с уровнями детализации и подгружать их при приближении. Авторы osgEarth разработали протокол Tile Feature Service (TFS) для быстрой подгрузки таких данных в osgEarth [53].
1.2.4. Протоколы передачи данных
Существует множество открытых стандартов для хранения и передачи геопространственных данных. Стандартизацией занимается Открытый геопространственный консорциум, основанный в 1994 году. Все стандарты поддерживаются множеством приложений и библиотек, как проприетарных, так и свободных.
Web Map Service (WMS) — стандартный протокол для получения растровых изображений через интернет [54]. Был опубликован в 1999 году. Работает поверх протокола HTTP. Изображения могут генерироваться динамически на сервере, либо браться из кэша. WMS поддерживает 2 типа запросов: GetCapabilities для получения параметров WMS-сервера и GetMap для получения изображения с заданными границами, размерами и системой координат.
Недостатком WMS является то, что размеры запрашиваемого изображения могут быть любыми. Это затрудняет кэширование результатов и приводит к необходимости при каждом запросе генерировать выходное изображение заново. Предложено несколько модификаций для решения этого. Например, WMS-C и Tiled Web Map Service, которые допускают только запросы изображений с определенными границам.
Tile Map Service (TMS) — спецификация хранения растровых картографических данных в виде множества тайлов разных уровней детализации, распределенных по папкам [55]. Зная стандартную структуру папок, клиентское приложение может запрашивать необходимые тайлы с сервера по URL.
Web Map Tile Service (WMTS) — протокол для получения растровых изображений, который пришел на смену TMS и решает проблемы WMS [56]. Был опубликован в 2010 году. При получении запроса сервер может отправить либо изображение из кэша, либо сгенерировать его динамически.
Web Coverage Service (WCS) — протокол для получения покрытий через интернет [57]. Под покрытием подразумеваются данные, протяженные в пространстве и изменяющиеся во времени. В отличие от WMS, который возвращает статические изображения, WCS возвращает дополнительно метаданные, которые позволяют далее взаимодействовать с покрытием на клиенте.
Web Feature Service (WFS) — протокол для получения географических объектов через интернет [58]. Позволяет получать список объектов в заданной области, создавать новые объекты, удалять и изменять объекты. Сами данные передаются с сервера на клиент в формате Geography Markup Language (GML).
1.2.5. Форматы данных
Существует большое количество разнообразных форматов для хранения растровых и векторных данных.
GeoTIFF — формат для хранения растровых данных. Добавляет специальные метаданные к изображению: систему координат, проекцию, эллипсоид, датум, размеры и границы изображения.
Geography Markup Language (GML) — формат, основанный на нотации XML, для описания и хранения геопространственных данных. Формат может включать любую географическую информацию. Благодаря своей универсальности, формат используется для обмена данными между различными приложениями.
Keyhole Markup Language (KML) — формат, который используется для визуализации геопространственных данных [59]. Этот формат был разработан и начал использоваться в приложении Google Earth. Сейчас это открытый стандарт [60], и его поддерживает множество разных приложений. KML-файлы часто распространяются в виде ZIP-архива с расширением .kmz. В этом случае архив может также содержать дополнительные файлы: изображения, звуковые файлы, 3D-модели.
KML может содержать информацию геометрию (точки, линии, полигоны, 3D-модели), накладываемые изображения, аннотации. 3D-модели и сами изображения хранятся во внешних файлах, а в KML-файле содержатся только ссылки. Все координаты задаются в географической системе координат WGS84. Высоты можно задавать абсолютно или относительно рельефа. Внешний вид геометрии и задается с помощью стилей.
Дополнительно можно задавать положения камеры при просмотре и даже целые виртуальные «путешествия», которые включают подлеты к заданной точке, паузы, звуковые вставки, запуск аннотаций, изменение видимости геометрии.
Shapefile — формат хранения векторных геопространственных данных. Разработан компанией ESRI [61]. Не является открытым стандартом, однако это стандарт для обмена данными между геоинформационными системами. Помимо геометрических данных позволяет хранить атрибутивные данные.
|
