Entorno de desarrollo con software libre para aplicaciones goegráficas 3D

Cas illón, M.; Jo ge, P .A.; López, I. J.; Macías, A.; Ma ín, D.; Nebo , R. J.; Sabbagh, I.; Sánchez, J.; Sánchez, A .J.; Suá ez, J.P. y T ujillo, A.: (2008): En o no de desa ollo de so wa e lib e pa a aplicaciones geog á icas 3D: GEVIEMER (Ges o Vi ual de Eme gencias). En: He nández, L. y Pa eño, J. M. (Eds.), Tecnologías de la In o mación Geog á ica pa a el Desa- ollo Te i o ial. Se icio de Publicaciones y Di usión Cien í ica de la ULPGC. Las Palmas de G an Cana ia. Pp. 21-31. ISBN: 978-84-96971-53-0. ENTORNO DE DESARROLLO CON SOFTWARE LIBRE PARA APLICACIONES GEOGRÁFICAS 3D: GEVIEMER (GESTOR VIRTUAL DE EMERGENCIAS) Cas illón, M. 4 ; Jo ge, P. A. 2 ; López, I. J. 1 ; Macías, A. 2 ; Ma ín, D. 2 ; Nebo , R. J. 1 ; Sabbagh, I. 1 ; Sán- chez, J. 2 ; Sánchez, A. J. 2 ; Suá ez, J. P. 3 y T ujillo, A. 2 (1) Ins i u o Tecnológico de Cana ias. (2) Depa amen o de In o má ica y Sis emas. Uni e sidad de las Palmas de G an Cana ia. (3) Depa amen o de Ca og a ía y Exp esión G á ica en la Ingenie ía. Uni e sidad de las Palmas de G an Cana ia. (4) Ins i u o Uni e si a io SIANI. Uni e sidad de las Palmas de G an Cana ia. RESUMEN La supe icie a ec ada po incendios en G an Cana ia y Tene i e en Agos o de 2007 (ap oximadamen e 35.060 hec á eas) ue simila a la quemada en los úl imos 22 años en odo el A chipiélago Cana io. Sin duda, en los momen os cla e de incen- dios, cuando la p e ención se ha is o desbo dada, se impone una plani icación y ac uación en base a simulaciones p edic i- as que ayuden a minimiza los daños ocasionados. Los ges o es i uales po o denado p e enden se he amien as de ayu- da en es e p opósi o. Se p esen a un en o no de desa ollo obus o, uncional y lexible encaminado a c ea aplicaciones geog á icas 3D mul- icapa cen ado, en es a e apa de desa ollo, en la aplicación a un Ges o Vi ual de Eme gencias1 (Ge ieme ) con la capaci- dad de simulación y p edicción del uego en incendios o es ales. Se o ece una he amien a de u ilidad pa a el análisis y la oma de decisiones en incendios en Cana ias, con una isualización idimensional que pe mi e la in e acción en “ iempo eal”. El en o no, desa ollado con so wa e lib e y diseñado en base a una a qui ec u a po capas pe mi e adap a lo comple a- men e a las necesidades del usua io, o eciendo un ma co abie o a la especialización en aplicaciones conc e as. Se analizan en es a comunicación los po meno es del en o no, des acando las ca ac e ís icas del diseño del so wa e y las pa icula ida- des de Ge ieme . Palab as Cla e: ges o i ual, incendios, diseño so wa e, na egación 3D ABSTRACT The a ea a ec ed by o es i e in G an Cana ia and Tene i e du ing Augus 2007 (ap35.060 hec a es p oxima ely) was simila o he bu ned a ea in he las 22 yea s in he whole a chipelago. Undoub edly, in c i ical momen s and when o esigh has been exceeded, a planning and ac ion e o based on p edic ion simula ions ha help o minimise damages is needed. In his pu pose, compu e based i ual manage s in end o be help ul ools. We p esen a obus , unc ional and lexible sys em, ha is in ended o c ea e mul ile el geog aphical applica ions in 3D. In his s ep o de elopmen we ocus on he Eme gency Vi ual Manage (Ge ieme ). Ge ieme includes capabili ies o simu- la e and p edic he beha iou o o es i es. We p o ide an use ul ool o he analysis and decisions making in o es i e in he Cana ies ha includes h ee-dimensional isualiza ion o “ eal- ime” in e ac ion. 1 P oyec o inanciado po el Ins i u o Tecnológico de Cana ias. The p o ided sys em has been de eloped wi h open so wa e and designed using a le el based a chi ec u e ha pe mi s a ull adap a ion o he use equi emen s. As a esul , we p esen an open amewo k ha is sui able o implemen speci ic ap- plica ions. In his a icle we analyze he de ails o he p esen ed sys em and also ema k he design ea u es o he so wa e oge he wi h he special cha ac e is ics o Ge ieme . Key Wo ds: i ual manage , o es i e, so wa e design, 3D na iga ion INTRODUCCIÓN Cada año, especialmen e en época de al as empe a u as, millones de hec á eas de bosques son a asadas po incendios o es ales. Es a incidencia es especialmen e abusi a en países con climas ela i amen e “secos”, como España y o os luga es de la e ien e medi e ánea, y en zonas cálidas de Es ados Unidos y Aus alia. En pa icu- la , en las Islas Cana ias, sólo la supe icie a ec ada po incendios en G an Cana ia y Tene i e en Agos o de 2007 (ap oximadamen e 35.060 hec á eas) ue simila a la quemada en los úl imos 22 años en odo el A chipiélago. La espues a ins i ucional es á siendo con unden e: p e ención y al a demanda de sis emas que ayuden a con- segui una óp ima plani icación pa a la ex inción. Sin duda, en los momen os cla e de incendios, cuando la p e en- ción se ha is o desbo dada, se impone una plani icación y ac uación en base a simulaciones p edic i as que mini- micen los daños ocasionados. En esencia, se demanda que el plan de ope aciones pa a ex ingui un incendio o es- al disponga de una base sólida de in o mación que ga an ice una e icaz y ápida ac uación en las zonas a ec adas. Sin duda, es os plan eamien os son exigibles no sólo pa a el p oblema de los incendios o es ales, sino pa a cual- quie ipo de eme gencia que a ec e di ec amen e a los ciudadanos o a su en o no. Los ges o es i uales po o denado p e enden se he amien as de ayuda en es e p opósi o. Po ejemplo, aplicados al con ex o de incendios o es ales, en Viñedo e al. (2007) se ha p esen ado una aplicación pa a la ayuda a la plani icación de ex inción de incendios o es ales con so wa e lib e. En de Sa iá e al. (2007) el obje i o es la desc ipción de un sis ema in eg ado pa a la ges ión y di ección de incendios o es ales en Andalucía. Pazos e al. (2007) desa ollan una he amien a web pa a la simulación de la p opagación de incendios o es ales, con el es án- da W3C y usando básicamen e so wa e sin cos e, en la que des acan las capacidades de comunicación asínc ona y en pa alelo de la he amien a. Po su pa e, Thon e al (2007) diseñan un sis ema cen ado en las capacidades de simulación y p edicción del uego en un en o no de Realidad Vi ual, pa a la egión de su -es e de F ancia. En o- dos es os casos hay un cla o in e és en o ece he amien as in o má icas e icaces que ayuden a la oma de decisio- nes en caso de eme gencias (como puedan se los incendios o es ales), pa a minimiza los e ec os de as ado es de los mismos. En es e a ículo se p esen a un en o no desa ollado conjun amen e po el Ins i u o Tecnológico de Cana ias. y la Uni e sidad de Las Palmas de G an Cana ia, usando so wa e lib e y diseñado en base a una a qui ec u a po capas que pe mi e adap a lo comple amen e a las necesidades del usua io, o eciendo un ma co abie o a la especia- lización en aplicaciones conc e as. Se analizan en es a comunicación los po meno es del en o no, des acando las ca ac e ís icas del diseño del so wa e y las pa icula idades del Ges o Vi ual de Eme gencias (Ge ieme ), una especialización de es e. Los usua ios a los que es á des inado el en o no de desa ollo son, especialmen e, g upos de desa ollo pa icu- la es que puedan gene a aplicaciones conc e as o ien adas a un po encial clien e inal, y no a usua ios gene alis as. Algunos elemen os ca ac e ís icos de nues o en o no lo di e encian de o as pla a o mas conocidas en el cam- po de los sis emas GIS, como g SIG2 o A cView3. En pa icula se des acan, (i) una in e az g á ica que pe mi e la isualización de e enos y escenas idimensionales, (ii) dispone de capacidades pa a la comunicación en e dis in- os usua ios en iempo eal, (iii) es á desa ollado con so wa e lib e, median e un en o no de desa ollo comple a- men e abie o. Además, la conexión a se ido es emo os que u ilizan los es ánda es del Open Geospa ial Conso - 2 g SIG: h p://www.g sig.g a.es/ 3 A cView: h p://www.es i.com/so wa e/a c iew/ 22 ium4 (OGC) pa a la ges ión de se icios de localización geo-espaciales. Po o o lado, las ca ac e ís icas de nues- o desa ollo no son compa ables de o ma gene al con el conocido Google Ea h. Si bien el sis ema de isualiza- ción 3D posee simila es ca ac e ís icas, el p incipal alo añadido de nues o en o no es á en la posibilidad de c ea aplica i os conc e os y especí icos que in e ac úen con el e eno 3D. Es e es el caso del Ges o Vi ual de Eme - gencias, c eado inicialmen e especí icamen e pa a el ámbi o de Cana ias. La es uc u a de es e a ículo es como sigue: en la p ime a sección desc ibimos los obje i os del p oyec o que incluyen la c eación del en o no de desa ollo. En la sección 2 se da una isión gene al del en o no de desa ollo y en la sección 3 se desc iben las pa icula idades del diseño. La sección 4 mues a las di e sas aplicaciones del en- o no de desa ollo y sus posibilidades. Como ejemplo conc e o de aplicación, se desc iben en la sección 5 las ca- ac e ís icas del módulo de p edicción y simulación de incendios o es ales c eado como plugin del Ges o Vi ual de Eme gencias. El a ículo inaliza con las conclusiones. OBJETIVOS DE PROYECTO El p oyec o ha enido como in la c eación de un en o no de desa ollo con so wa e lib e pa a aplicaciones geog á icas 3D a pa i del cual su gió Ge ieme (Ges o Vi ual de Eme gencias). Pa a el mismo, se es ablecie on los obje i os conc e os siguien es: 1. Desa ollo de una he amien a in o má ica de na egación 3D sob e un e eno i ual, con posibilidad de aplica capas espaciales, e in eg a obje os y o os elemen os de in e és geog á ico. 2. C eación de un en o no de desa ollo mul ip opósi o con a qui ec u a obus a en su uncionalidad, lexible en su ac ualización y de so wa e lib e. 3. Exposición de un ejemplo de aplicación p ác ica en en o nos i uales den o de un equipo mul idisci- plina u o de la colabo ación de a ias en idades cana ias de I+D. 4. Gene ación de una comunidad con iloso ía de so wa e lib e al ededo del mismo. 5. Diseño de una a qui ec u a mul icapa, siendo la úl ima capa la de Aplicación, sob e la cual sus en a las especi icidades conc e as de aplicaciones geog á icas 3D (simulación de incendios, ca as o e c.) según las necesidades de usua io. 6. Uso de una es uc u a emo a de acceso a da os que ac úe de o ma e icien e y pe mi a ob ene esul a- dos en iempo eal. Asimismo, se ha ocalizado el p oyec o pa a el á ea de las Islas Cana ias y se o ien a a una audiencia especia- lizada en el dominio de la ges ión de eme gencias, do ándola de capacidades de simulación y p edicción del uego en incendios o es ales. El p oduc o inal es la aplicación del Ges o Vi ual de Eme gencias, denominado Ge ie- me . Como con ibuciones cien í icas del p oyec o, se o ecen las siguien es: 1. Un en o no de desa ollo, al que denominamos Capawa e. 2. Una he amien a pa a la na egación 3D en el e eno y desa ollado median e Capawa e aplicado a la Ges ión de Eme gencias (Ge ieme ). 4 Open Geospa ial Conso ium: h p://www.opengeospa ial.o g/ 23 3. Un módulo so wa e (llámese plugin) adap able a Capawa e, que se especialice en la simulación y p e- dicción de incendios o es ales. 4. Un Se icio Web accesible a a és de In e ne pa a la ealización de simulaciones y p edicciones de incendios o es ales VISIÓN GENERAL DEL ENTORNO DE DESARROLLO Capawa e nace como un p oyec o GPL (Gene al Public License). Se concibe como un sis ema de ep esen a- ción 3D de e enos con ep esen ación mul icapa de ecu sos de di e sa ipología y con posibilidad de desa ollo de aplica i os sob e odo ello. Se a a de un módulo undamen al y en el cual se ha p es ado especial a ención a su diseño, po los eno mes bene icios que p es a án a los dis in os ipos de aplicación posibles. Capawa e pe mi e, en pocas palab as, desa olla en o nos 3D geog á icos mul icapa. La po encia de pode ealiza aplica i os di ec amen e sob e un e eno 3D ab e un amplio abanico de aplicaciones a Capawa e. Con su ayuda puede hace se una composición de luga del escena io de abajo pa a pode isualiza lo en es dimensiones y ac ua en di e sos campos especí icos que impliquen una mejo a de la ges ión de nues o en o no na u al. Es posible c ea capas con elemen os 3D, capas de imágenes ás e y ec o iales, capas asociadas a bases de da os y ablas, e c. El p oduc o so wa e ob enido pe mi e la isualización de g andes ex ensiones de e enos ya que usa en odo momen o la mínima can idad de in o mación necesa ia pa a mos a la po ción de e i o io obse ada. Aquellas pa es que no son isibles no se p ocesan, po lo que las ca gas al p ocesado son las mínimas necesa ias en odo momen o. El usua io puede in e acciona con la escena e inclui ácilmen e in o mación di e sa den o del e eno. El en o no dispone de un impo an e ges o de con enidos. Los usua ios pueden inse a y manipula di e sos con enidos en la escena. Pueden añadi elemen os idimensionales, consul a in o mación sob e los mismos y mo- di ica sus p opiedades. La in o mación se o ganiza en o ma de á bol: a pa i de un nodo aíz, el usua io puede c ea ca pe as con enedo as o elemen os de di e sa índole den o de esas ca pe as. Capawa e pe mi e la conexión a se ido es emo os que u ilizan los es ánda es del OGC pa a la ges ión de se icios de localización geo-espaciales. Los da os leídos a a és de es os es ánda es se inco po an en “ iempo eal” den o de la escena, sin in e umpi la ejecución de la aplicación. El usua io, a medida que se desplaza po el e eno, a obse ando cómo se ac ualiza la in o mación de las capas conec adas a se ido es OGC. Ac ualmen e da sopo e al es ánda Web Map Se ice (WMS) pa a la ans e encia de imágenes geo- e e enciadas y, en el u u- o, da á sopo e a o os es ánda es de es a o ganización (WFS, KML). Asimismo, se da sopo e a bases de da os espaciales. Se pueden c ea bases de da os y ablas que sopo en da- os geo-espaciales así como conec a se a bases de da os en se ido es emo os. Ac ualmen e se u ilizan bases de da os Pos g eSQL a a és de su ex ensión a da os geo-espaciales, Pos GIS. Po su pa e, el mismo in eg a, den o de su iloso ía GPL, componen es de so wa e lib e pa a su ejecución. Conc e amen e es os componen es son: OpenSceneg aph, wxWidge s y Axis2. La Figu a 1 mues a un esquema que da una isión gene al de Capawa e. Se dis ingue la ipología de clien es que hace uso de los se icios de la capa, la posibilidad de sopo a di e en es plugins de aplicación, y el acceso a da os an o locales como ex e nos (OGC). 24 Figu a 1. Visión gene al de Capawa e Con OpenSceneG aph como mo o g á ico, Capawa e pe mi e la c eación y modi icación de nue as capas de da os median e el acceso a los se ido es emo os donde se encuen an. Po o o lado, el sis ema se puede i com- ple ando con nue as uncionalidades median e la p og amación y uso de plugins especí icos. Debido a es a escala- bilidad pod emos aumen a la po encia del sis ema inal. La posibilidad de ocaliza la he amien a sob e un e i o io conc e o hace posible aumen a el ni el de de a- lle y la can idad de los da os y ecu sos usados. Asimismo, pe mi e una o ien ación a la especialización en aplica- ciones conc e as, de o ma que podemos adap a lo a una uncionalidad singula y ans o ma lo o almen e pa a según que uso. DISEÑO DE UNA ARQUITECTURA BASADA EN CAPAS Se ha dedicado un es ue zo especial en el diseño so wa e del sis ema a desa olla . En conc e o se ha op ado po una a qui ec u a en capas ( e Figu a 2). En dicha a qui ec u a se dis ingue la capa más ce cana al usua io inal, la capa de aplicación Ge ieme +Plugins. Es a capa cons i uye una aplicación pa a la na egación 3D sob e el e e- no, con la posibilidad de u iliza capas apiladas sob e el e eno (al es ilo de capas de un p og ama CAD) con in- o mación de in e és especí ica según el ma co de aplicación. En la Figu a 3 se mues a un ejemplo de capas apiladas. Las dos siguien es capas engloban las uncionalida- des de Capawa e. Se a a de un SDK de desa ollo abie o con capacidades pa a el diseño de aplicaciones pa icu- la es en un ni el supe io , como po ejemplo de Ge ieme . Recien emen e se ha abie o un po al web con in o - mación disponible pa a Capawa e5. 5 Capawa e: h p://www.capawa e.o g 25 Figu a 2. A qui ec u a basada en capas. Figu a 3. Capas apiladas sob e el e eno del na egado de Capawa e. ALCANCE Y APLICACIONES DE CAPAWARE La p ime a de las aplicaciones plan eadas pa a Capawa e ha sido el Ges o Vi ual de Eme gencias. Es a apli- cación es una apues a decidida en la ges ión de las eme gencias en Cana ias con la ayuda de he amien as in o má- icas. En una si uación eal, Ge ieme , g acias a sus capacidades de comunicación emo a, p es a sus se icios y se comunica con di e sas en idades, como con di e sos se icios web emo os o locales de p edicción me eo ológica o de p edicción de incendios o es ales ( e Figu a 4). Asimismo, o os clien es geog á icamen e dis an es pueden accede in e ac i amen e a Ge ieme , con disposi i os ijos (o denado es, e minales, e c.) o mó iles (po á iles, PDA’s). Finalmen e, Ge ieme accede en iempo eal a o os se ido es, undamen ales pa a su uncionamien o, 26 como WMS, o de bases de da os geo-espaciales como Pos g eSQL. La Figu a 4 mues a un esquema de Ge ieme , donde se ap ecia su in e acción con Capawa e y de los componen es auxilia es pa a su uncionamien o. Figu a 4. Esquema gene al del ámbi o y aplicación de Ge ieme Las aplicaciones de Capawa e son bas an es y muy a iadas. Pode isualiza , sob e el e eno y en 3D un ob- je o, pe mi e un mejo análisis, comp ensión, ap endizaje, alo ación y es imación de eno me alo . La Figu a 5 mues a un ejemplo de esponsables y écnicos an e la oma de decisiones de un e en o en “ iempo eal” as una isualización del inciden es en su en o no eal. Las líneas más impo an es se desc iben a con inuación: 1. Comunicación: Ob ención de g an can idad de da os de in o mación p ecisa sob e un e i o io pa icula , aba cando la plani icación u banís ica, p oyec os de ob a ci il e c. 2. Análisis: Posibilidad de isualiza una ep esen ación o og á ica de un e i o io en 3D con la consiguien e mejo a en la e aluación inal, po ejemplo en adminis ación de e enos, p o ección ci il o p oyec os de ingenie ía ci il 3. Simulación: Ob ención de simulaciones numé icas sob e elemen os del e eno, en campos de la ingenie ía, medio ambien e, in aes uc u a ia ia, enómenos a mos é icos e c. 4. Educación: Inme sión i ual en las zonas geog á icas analizadas pa a geog a ía e his o ia, ecología, geo- mo ología y igilancia o es al 5. Na egación: Localización y con ol de ehículos e es es y aé eos median e GPS, po ejemplo pa a sis e- mas de na egación po á iles, cen os de con ol de lo as. 6. Ges ión: O ganización y ges ión de elemen os sob e un e i o io, egis o de la p opiedad, edes eléc icas, con ol de edi icaciones en e o os. 27 Figu a 5. Responsables y écnicos an e un e en o en iempo eal Capawa e no p e ende se compe encia de la aplicación Google Ea h ni de o as muchas simila es. Sin em- ba go Capawa e posee uncionalidades y ca ac e ís icas que pueden hace lo a ac i o pa a di e en es g upos de abajo elacionados con ac i idades en á eas geog á icas. PREDICCIÓN DE INCENDIOS FORESTALES EN GEVIEMER. G acias a la capacidad de Capawa e de sopo a plugins especí icos de aplicación, se ha dispues o módulo pa- a la simulación de incendios o es ales en gene al y pa a cualquie zona geog á ica. Con los da os ca og á icos de las islas Cana ias se ha desa ollado és e se icio pa a Cana ias en conc e o. A con inuación se desc iben, en es apa ados, las ca ac e ís icas de es e se icio. Simulación del uego Ge ieme hace uso de una e sión Open Sou ce de FARSi e6. Se a a de un so wa e desa ollado po el De- pa amen o de Ag icul u a de Es ados Unidos pa a la p edicción y análisis del compo amien o de incendios o es- ales. El se icio de p edicción de incendios o es ales desa ollado pa a Ge ieme se insc ibe y complemen a a la línea de p edicción ene gé ica iniciada ecien emen e po el Ins i u o Tecnológico de Cana ias y Red Eléc ica de España, en la cual se abaja en la es imación de las p oducciones de las pla a o mas o o ol aicas en Cana ias. Los ecu sos de es a pla a o ma pe mi i án a Ge ieme ealiza p edicciones enma cadas en las p óximas 48 ho as. Pa a ealiza las p edicciones sob e el compo amien o de los incendios, además de las condiciones me eo o- lógicas, el se icio abaja con modelos de combus ible ege al (condiciones de humedad y ipología de la masa o es al), co a uegos na u ales y a i iciales ci cundan es, y a iables geog á icas del en o no de la zona (pendien- es y o ien ación del e eno). Adicionalmen e, se pe mi e ealiza modi icaciones de las condiciones de en o no del incendio du an e la simulación, e o nando nume osas a iables desc ip i as del uego ( elocidad y di ección de p opagación, in ensidad del uego, al u a de las llamas, empe a u as de con o no, e c.) en dis in os ins an es de iempo. Con el aseso amien o de la Sección de Mon es de la Conseje ía de Medio Ambien e del Cabildo de La Palma, los ajus es iniciales del se icio se han ealizado pa a la isla de La Palma. Con su la ga expe iencia en la lucha con a los incendios o es ales en la isla, la Sección de Mon es del dicho Cabildo posee un amplio bagaje en el aná- lisis y con ol de es e ipo de si uaciones. 6 FARSi e: h p://www. i emodels.o g/con en / iew/112/143/ 28 Visualización del uego Pa a una mejo pe cepción de la si uación, se ha empleado mucho iempo en la ob ención de una isualización ealis a del uego. Pa a ello se han u ilizado dos sis emas de pa ículas: uno pa a la llama, y o a pa a el humo, e Figu a 6. La llama se ha o mado a pa i de a ios o og amas, omando como e e encia imágenes de uego eal, y ajus ando los pa áme os de las pa ículas ( iempo de ida, elocidad, anspa encia) has a da con la apa iencia deseada. Pa a el humo se han escogido pa ículas mucho más g andes, al e nando colo es g isáceos y neg os. Figu a 6. Rep esen ación de la llama (a) y del humo (b) Los pa áme os de cada sis ema ambién a ían lige amen e en unción de la dis ancia a la cáma a, ya que la isión que se quie e ob ene es di e en e. Finalmen e, la di ección del humo al ele a se depende á de la o ien ación y ue za del ien o en ese momen o. La Figu a 7 ilus a un e eno con un incendio o es al en simulación. Figu a 7. Ejemplo de e eno con la isualización de un incendio. A medida que el uego a a anzando, an o si es como esul ado del a ance de la simulación, o po nue a in- o mación añadida po los usua ios, el pe íme o del incendio a cambiando, y los sis emas de pa ículas an ex- pandiéndose pa a coincidi con el á ea indicada. A su ez, el usua io end á en odo momen o con oles de iempo pa a pausa , a anza o e ocede , y así pode ealiza un análisis de la e olución. Simulación en iempo eal El p oceso de la simulación del uego se ealiza g acias a la comunicación emo a en iempo eal. Capawa e dispone de un módulo que pe mi e la comunicación en e dis in os usua ios en iempo eal. La comunicación se ealiza en modo Pee o Pee (P2P) en el que cualquie usua io se puede conec a al o denado de o o usua io cual- 29