RGI-026: LBS-24-7 Tussenrapportage DP-3: Specifieke wensen en eisen op het gebied van plaatsbepaling, privacy en beeldvorming
Edward Verbree, Sisi Zlatanova en Edwin Wisse Redactie: Edward Verbree en Elfriede Fendel
GISt Rapport No. 38/RGI LBS-026-03
September 2005
RGI-026: LBS-24-7 Tussenrapportage DP-3: Specifieke wensen en eisen op het gebied van plaatsbepaling, privacy en beeldvorming
Edward Verbree en Sisi Zlatanova – TU Delft-OTB Edwin Wisse – NLR Redactie: Edward Verbree en Elfriede Fendel – TU Delft-OTB
GISt Rapport No. 38/RGI LBS-026-03 September 2005
Samenvatting
In het kader van het project LBS-24-7 uit het Ruimte voor Geo-informatie (RGI) programma is een definitiestudie uitgevoerd naar locatiegebonden diensten (Location Based Services) gericht op de handhaving van de rechtsorde en hulpverlening. In deze rapportage (DP-3) worden de specifieke wensen en eisen op het gebied van plaatsbepaling, privacy en beeldvorming geschetst.
ISSN:
1569-0245
Dit onderzoek is uitgevoerd in opdracht van: Ruimte voor Geo-informatie Postbus 508 3800 AM Amersfoort Koningin Wilhelminalaan 41 3818 HN Amersfoort © 2005
Websites:
Sectie GIS technologie Onderzoeksinstituut OTB TU Delft Jaffalaan 9, 2628 BX Delft Tel.: 015 278 4548; Fax 015-278 2745 http://www.otb.tudelft.nl http://www.gdmc.nl
Inhoudsopgave 1
Inleiding ........................................................................................... 1
2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3
Plaatsbepaling met satellietnavigatie .............................................. 3 Inleiding ..............................................................................................................3 GPS: plaatsbepaling..............................................................................................3 SBAS: correcties en integriteit..............................................................................3 Galileo: diensten ...................................................................................................4 Galileo en GPS gecombineerd ........................................................................4 Public Regulated Service...................................................................................4 Indoor navigatie.................................................................................................5 Nieuwe ontvangers...............................................................................................5 Pseudolites............................................................................................................6 Inertiële en magnetische navigatie .......................................................................6
3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
The third dimension in LBS: the steps to go................................... 7 Introduction .......................................................................................................7 3D positioning and geo-coding .......................................................................8 3D positioning with GNSS..............................................................................8 Sound based position......................................................................................10 Positioning using telecom networks .............................................................10 WLAN positioning..........................................................................................10 RFID-UWB positioning and Sensor Networks..........................................11 3D Data management.....................................................................................11 Protocols/standards for data exchange........................................................12 3D presentation ...............................................................................................13 Conclusions ......................................................................................................14 References.........................................................................................................15
Onderzoeksinstituut OTB
iii
iv
Onderzoeksinstituut OTB
1
Inleiding
In het kader van het RGI project LBS-24-7 is een definitiestudie verricht naar locatiegebonden diensten gericht op politietaken: handhaving van rechtsorde en hulpverlening. Gedurende de uitvoering van deze studie is het onderzoeksterrein verbreed naar de noodzakelijke geo-informatie infrastructuur voor LBS toepassingen bij politie, brandweer en ambulancediensten. Het project kent een viertal deelfasen, elk resulterend in een deelrapport. Het eerste rapport is gericht op de gebruikerswensen LBS met betrekking tot politietaken. Het tweede rapport biedt een inventarisatie van de hiervoor beschikbare en benodigde geo-informatiebestanden en geo-informatieservices. De weerslag van de workshop “Geo-informatie voor politie, brandweer en hulpverlening ter plaatse” is terug te vinden in het vierde deelrapport. Het derde onderzoeksthema: “Specifieke wensen en eisen op het gebied van plaatsbepaling, privacy en beeldvorming” is onderwerp van dit deelrapport. Hierbij is vooral gekeken naar de noodzakelijke continue beschikbaarheid van de locatiecomponent – zowel bij de plaatsbepaling als bij de eigenlijke ‘Location Based Service’. Dit rapport bestaat feitelijk uit een tweetal, afzonderlijke, delen. Het thema van het eerste deel is “Plaatsbepaling met satellietnavigatie”. Hierin is aandacht besteedt aan de mogelijkheden van Global Navigation Satellite Systems (GNSS) als GPS en, het in de zeer nabije toekomst operationele, Galileo. Hierbij is dan weer met name gekeken naar de noodzakelijke beschikbaarheid van de satellietsignalen en de mogelijkheden om de integriteit van deze wijze van plaatsbepaling te waarborgen. Aangezien de satellietsignalen binnenshuis in de bebouwde omgeving een onderkend probleem zijn, is ook kort aandacht besteed aan indoor navigatie. Het tweede deel van het rapport richt zich specifiek op de hoogtecomponent van de plaatsbepaling binnen LBS. Het antwoord op de vragen “wáár bevindt zich de hulpvragende?”, en “wáár moeten we zijn om de orde te handhaven” is namelijk niet alleen een adres of een (x,y) locatie van een gebouw of de plaats van het ongeval, maar bijvoorbeeld óók een aanduiding van een bepaalde verdieping van het gebouw. Dit probleem is beschreven is het Engelstalige artikel “The third dimension in LBS: the steps to go”, geaccepteerd voor het 3rd Symposium on LBS and TeleCartography, 28-30 November 2005, Vienna, Austria. Als leidraad is daarbij gekozen voor de ‘core services’ uit de Location Services (OpenLS) Implementation Specification van het Open Geospatial Consortium (OGC): directory, navigation (route), location utility, gateway en presentation. Het blijkt dat binnen deze specificatie geen rekening is gehouden met de z-coördinaat en dat er dus geen generieke Location Services bestaan voor 3D plaatsbepaling, 3D navigatie binnen gebouwen, het opvragen van 3D geo-informatie en het visualiseren van 3D geoinformatie op handheld devices.
Onderzoeksinstituut OTB
1
2
Onderzoeksinstituut OTB
2
Plaatsbepaling met satellietnavigatie
2.1
Inleiding
Op basis van de interviews kunnen al een aantal randvoorwaarden voor een satellietnavigatiesysteem vastgesteld worden. Het systeem moet: een nauwkeurigheid op meter-niveau; ook binnen gebouwen bruikbaar zijn; resistent zijn tegen stoorsignalen (voor speciale toepassingen). Er zijn een aantal nieuwe ontwikkelingen die aan deze eisen tegemoet zouden kunnen komen, waarmee satellietnavigatie voor de politie bruikbaar kan worden. Uit de workshop kwam naar voren dat voor gewone politietaken wordt GPS al goed genoeg geacht wordt. Het is echter ook bekend dat het huidige GPS signaal gemakkelijk te storen (jamming) of te misleiden (spoofing) valt. Bij jamming wordt het GPS signaal simpelweg weggedrukt door een zender op dezelfde frequentie. Door de zwakte van het GPS signaal is hiervoor maar heel weinig vermogen nodig en kan een stoorzender dus gemakkelijk meegenomen en verborgen worden. Bij spoofing wordt een nagemaakt GPS signaal uitgezonden wat ontvangers voor een satelliet aanzien, met het valse signaal worden bewust fouten geïntroduceerd in het systeem. Bij jamming ziet de gebruiker dat er iets mis is, maar bij spoofing kan de verstoring onopgemerkt blijven. Het is te verwachten dat met name de zware criminaliteit en terroristen gebruik zullen maken van jamming en spoofing apparatuur. Voor speciale gevallen heeft de politie dus een dienst nodig die minder gemakkelijk te storen of te misleiden valt. 2.1.1
GPS: plaatsbepaling
GPS is het welbekende satellietnavigatiesysteem waarmee al ruime ervaring is. Het is ontwikkeld voor militaire toepassingen maar vindt vooral de laatste jaren steeds meer toepassing in (consumenten) navigatiesystemen en handontvangers. 2.1.2
SBAS: correcties en integriteit
Nu al wordt een verbetering ten opzichte van een met GPS bereikt door toepassing satellite based augmentation systems (SBAS). SBAS omvat foutcorrecties en informatie over integriteit. Het signaal wordt via communicatiesatellieten uitgezonden. In de VS is WAAS al enige tijd operationeel, in Europa is EGNOS (bijna) beschikbaar. Met de foutcorrecties van SBAS is nu al een hoge nauwkeurigheid bereikbaar. De figuur rechts laat zien dat met gebruikmaking van EGNOS al een 95% zekerheid een locatie met een nauwkeurigheid van ongeveer 2 meter bereikt kan worden. Een van de belangrijkste verbeteringen die SBAS signalen bieden is informatie over integriteit. Met integriteit wordt aangegeven hoe goed het signaal op dat moment is. Een netwerk van grondstations meet de signalen van de GPS constellatie. Eventuele anomalieën Onderzoeksinstituut OTB
3
worden gesignaleerd. Wanneer een satelliet een onjuist signaal uit lijkt te zenden wordt dit via SBAS doorgegeven. Ontvangers met SBAS support kunnen deze satelliet dan negeren. Ook wordt de geschatte fout van een GPS plaatsbepaling berekend en uitgezonden. Een ontvanger heeft dan dus een verbeterde plaatsbepaling en heeft ook een idee hoe nauwkeurig de plaatsbepaling is. 2.1.3
Galileo: diensten
Galileo is het Europese satellietnavigatie systeem. Galileo is de Europese civiele tegenhanger van het Amerikaanse militaire GPS systeem. Het Galileo systeem biedt naast de plaatsbepaling die we al van GPS kennen en de correcties en integriteitinformatie van SBAS nog een aantal nieuwe ontwikkelingen. Door gebruik van meerdere frequenties en van anders gemoduleerde signalen moet een iets betere nauwkeurigheid gehaald kunnen worden. Galileo zendt ook informatie uit met correcties op fouten die voortkomen uit vertraging in de atmosfeer en informatie over de integriteit van het systeem (deze foutcorrecties worden nu ook al uitgezonden door de WAAS en EGNOS systemen.) Er zijn een aantal services voorzien voor Galileo: Open service. De open service is vergelijkbaar met het huidige civiele GPS signaal Safety-of-life service. De SOL service is gebaseerd op de open service maar biedt daarnaast informatie over de nauwkeurigheid en de integriteit van het signaal. Dit signaal is met name bedoeld voor toepassing in de luchtvaart waar met name informatie over de integriteit essentieel is. Commercial service. Ook gebaseerd op de open service maar uitgebreid met gecodeerde diensten welke door derden worden aangeboden. Public regulated service. De PRS is gecodeerd, de codering wordt bepaald door nationale overheden. Het signaal is spectraal gescheiden van de andere diensten. De laatste service is specifiek bedoeld voor toepassing in noodsituaties en door bijvoorbeeld leger en politie. 2.2
Galileo en GPS gecombineerd
Galileo en GPS zullen elkaar niet storen maar zijn tegelijk bruikbaar. In de praktijk betekent dit dus een verdubbeling van het aantal beschikbare satellieten. Dit zal de beschikbaarheid van satellieten in een stadsomgeving al belangrijk verbeteren (zie onderzoek TU). 2.3
Public Regulated Service
De PRS is een gecodeerd signaal specifiek bedoeld voor veiligheidstoepassingen. Hiervoor worden hulpdiensten, politie en militaire instanties genoemd. In crisissituaties kan de open service van Galileo (en GPS) uitgeschakeld worden, hetzij globaal of regionaal. PRS blijft onder deze omstandigheden beschikbaar. De PRS is hierom spectraal gescheiden van de andere Galileo signalen. Het moet beter beveiligd zijn tegen stoorsignalen en het wordt gecodeerd om niet 4
Onderzoeksinstituut OTB
geautoriseerd gebruik te voorkomen. In de figuur is te zien dat de PRS frequenties los staan van de overige Galileo services. Doordat het signaal gecodeerd wordt (de code-sleutels moeten door overheden uitgegeven en bewaakt worden) is het in principe niet mogelijk om het signaal te spoofen. Wegdrukken met een stoorzender kan altijd, maar de gebruiker weet in ieder geval wanneer hij gestoord wordt. In Tabel 1 staan de frequenties van Galileo en de nauwkeurigheid die ermee te halen is. Allen diensten worden over meerdere frequenties uitgezonden. Door combinatie van frequenties kunnen fouten ten gevolge van de atmosfeer gecorrigeerd worden. De open en commerciële diensten bieden een iets hogere nauwkeurigheid dan de PRS. Tabel 2 laat de alert levels van de diensten zien. Wanneer de berekende fout groter is dan het alert level is het systeem niet beschikbaar. Een alert moet binnen 10 seconden via de constellatie doorgegeven worden. Tabel 1 De Galileo services zijn over verschillende frequenties verdeeld. De PRS haalt bij gebruik van 2 frequenties een nauwkeurigheid van 6.5 meter t.o.v. 4 meter voor de andere services (bron: ESA). Signal
Service
Position Accuracy (horizontal, 95%)
Position Accuracy (vertical, 95%)
Availability of Accuracy
L1
OS, CS, SoL
15
35
99.5%
E5a
OS, CS, SoL
24
35
99.5%
E5b
OS, CS, SoL
24
35
99.5%
E5a + L1
OS, CS, SoL
4
8
99.5%
E5b + L1
OS, CS, SoL
4
8
99.5%
L1
PRS
15
35
99.5%
E6
PRS
24
35
99.5%
E6 + L1
PRS
6.5
12
99.5%
Tabel 2 Alert levels van de verschillende diensten. Wanneer de fout boven het alert level komt is de dienst “niet beschikbaar”. Dit moet voor de PRS binnen 10 seconden gesignaleerd worden (bron: ESA). OS, CS, SoL
PRS
E5b + L1
E6 + L1
Alert Limit (horizontal)
12 m
20 m
Alert Limit (vertical)
20 m
35 m
Time to Alert
5.2 s
10 s
Integrity Risk
2 x 10-7 over 150 s
2 x 10-7 over 150 s
Continuity
1 – (8 x 10-5) over 15 s
1 – (8 x 10-5) over 150 s
Availability
99.5%
99.5%
2.4
Indoor navigatie
2.4.1
Nieuwe ontvangers
Onderzoek heeft aangetoond de het wel degelijk mogelijk is om (met speciale ontvangers) binnen gebouwen GNSS signalen te kunnen ontvangen. Ontvangers worden gevoeliger en met betere rekenmethoden zijn de navigatiesignalen beter uit de achtergrondruis te halen. Het is te verwachten dat een verdere toename van rekenkracht in kleine ontvangers het mogelijk zal maken om binnen een positie te Onderzoeksinstituut OTB
5
kunnen berekenen met behulp van meer rekenintensieve ontvangersoftware. Deze toekomstige ontvangers maken gebruik van betere correlatoren waarmee een GNSS signaal in de ruis teruggevonden kan worden. Ook moet een dergelijke nieuwe ontvanger goed om kunnen gaan met gereflecteerde signalen (multipath) welke in een stadsomgeving optreden. 2.4.2
Pseudolites
Pseudolites zijn GNSS zenders die een signaal uitzenden wat overeenkomt met het signaal van GNSS satellieten. Dit signaal kan door ontvangers gebruikt worden voor het berekenen van een locatie. Wanneer pseudolites binnen ruimten opgehangen worden kunnen GNSS ontvangers dus ook binnen gebruikt worden. 2.4.3
Inertiële en magnetische navigatie
Wanneer een ontvanger in een gebouw gebruikt wordt waar binnen geen navigatiesignalen ontvangen kunnen worden kan eventueel overgegaan worden op inertiële navigatie. Hierbij wordt de locatie berekend door bewegingen te registreren met een versnellingsmeter en deze bewegingen te integreren. Dit principe wordt al gebruikt in moderne (experimentele) ontvangers. Een probleem hierbij is dat met name te voet een persoon teveel abrupte bewegingen maakt om versnellingsmeters te kunnen gebruiken.
6
Onderzoeksinstituut OTB
3
The third dimension in LBS: the steps to go1
3.1
Introduction
Location Based Services (LBS) are often referred to as ‘location-dependent’ GIS. Starting form this point, the analogy between 3D GIS and 3D LBS is quite straightforward. LBS have two more components compared to GIS: position determination and wireless communication. The simplest, trivial way of position determination is using global navigation satellite system. The accuracy and reliability of 3D satellite positioning has improved drastically in the last several years and the GPS receivers have become cheaper and affordable for everyday use. The bandwidth of the communications also increases. In many countries UMTS is already operational, which promises sufficient speed for transmissions of 3D data (often resulting in large amounts). What are then the bottlenecks for 3D LBS?
Figure 1: Request/response of GeoMobilty Server as the position is provided by the communication network
Open Geospatial Consortium (OGC) has prepared Location Services (OpenLS) Implementation Specifications for core services. In these specifications, the role of ‘GeoMobility Server’ is providing requested information considering the location of the user. The minimum number of services is also defined as directory, navigation (route), location utility, gateway and presentation (see Figure 1). The five core services are considered sufficient for a variety of use cases such as proximity (find something in a given area), fencing (alert users in a given area), navigation (compute route) and tracking (‘record’ the way a user) as specified in Torg et al 2005. 3D LBS have to be able to ensure the same set of services, i.e. proximity, fencing, routing and tracking but in 3D. Example of 3D requests would be ‘show to me all the electrical switches in a building’ (proximity) (see Figure 2), ‘tell me when I am outside a dangerous section of a building ‘(fencing), ‘compute a route to a safe exit’ (routing), ‘track this visitor all the way in the shopping centre’ (tracking).
1
Paper by Sisi Zlatanova and Edward Verbree accepted for presentation at the 3rd Symposium on LBS and TeleCartography, 28-30 November 2005, Vienna, Austria.
Onderzoeksinstituut OTB
7
Figure 2: request/response 'important power supply'
Figure 3: Centimeter-Accuracy Indoor Navigation using GPS-Like Pseudolites
In terms of core services as specified in OpenLS, 3D LBS have to provide: 3D location utility, i.e. 3D positioning and geo-coding; 3D navigation, i.e. route in multilevel constructions (buildings, viaducts, bridges, etc.); 3D directory, i.e. access to 3D data for example for tracking and fencing; 3D presentation, i.e. 3D visualisation on mobile, hand-held devices and the appropriate interface for this. The following sections address these challenging aspects in detail. 3.2
3D positioning and geo-coding
It is also in the name: a Location Based Service needs to be aware of the location of the user. Position determination can be done is several ways: by coordinates, address, ZIP code, etc. In fact, coordinates are hardly used. Descriptive postcodes and addresses, and linear reference systems like mileages marks along roads, are far more common to express a location than Cartesian reference systems. However, none of the exciting LBS or GIS-packages offer a kind of a Z-coding, thus a translation of e.g. ‘at the base of this dyke’ to ‘4.73 meter above NAP’. And no LBS can tell you what floor you are when you specify your location by only a GPS-coordinate. 3.2.1
3D positioning with GNSS
Theoretically, obtaining 3D coordinates at global scale is available. GPS-devices, and other receivers to Global Navigation Satellite Systems (GNSS) like Galileo can compute either Cartesian (X,Y,Z) or ellipsoidal (latitude, longitude, height) WGS84 coordinates. In multi-level 3D structures, the problem may come from two sides: geo-coding of the height and availability of satellites. The altitude is given as the distance to the WGS84 rotational ellipsoid and it is difficult to be linked to expressions used in daily (3D) life by references like ‘on/under the bridge’, ‘floor’, ‘base’, ‘ceiling’, ‘top’, etc. It is well-know that a GNSS-receiver cannot work inside or at other places with a poor satellite coverage. Many systems exists that claim to solve that problem by applying another type of measurement technique, although all these systems are bases at either a kind of distance measure, a kind of angle measurement, or a combination of both. If it is not possible to detect enough GPS satellites in lineof-sight, some close-range pseudolites transmitters could be also used. For example, the company Novariant offers the so-called Teralite XPS systems, a single frequency 8
Onderzoeksinstituut OTB
ground-based signal generator broadcasting XPS signals to mobile GPS+XPS receivers, (www.novariant.com/mining/index.cfm). For indoor use a more dedicated pseudolite-only setup could be used, like the system shown in Figure 3, (Kee, 2001). However, if the user is free to move in height, the transmitters should be arranged in a more enclosed setting to obtain a reliable 3D-position fix. It seams improbable, but television synchronization signals may be used to position a range of wireless devices that require location information. The system developed by Rosum provides according to their website: ‘accurate, reliable location indoors, outdoors and in dense urban location’ (www.rosum.com). The Rosum TV Measurement Module (RTMM) receives local TV and GPS signals, measures their timing, computes the pseudoranges and sends that information to the Location Server (LS). The LS computes the position of the RTMM and sends that location back to the RTMM or to the tracking application server (see Figure 4). In addition to the wide-area positioning system, Rosum also develops a limited-area, 3D positioning system. This system is used by first responders in emergency situations. Rescue personnel can be tracked from a field command center, reducing precious time spent giving location updates and eliminating blind searches in man-down situations, (see Figure 5).
Figure 4: Rosum TV-GPS Location Technology
Figure 5: TV-GPS Plus Fireground First Responder Tracking Application
Assisted GPS (AGPS) combines the better of two worlds: GPS and Mobile Networks. Simple stated (www.snaptrack.com/pdf/How_aGPS_works.pdf): When a caller makes a location request, the wireless network sends the approximate location of the handset (generally the location of the closest cell site) to the location server. The location server then tells the handset which GPS satellites should be relevant for calculating its position. The handset then takes a reading of the proper GPS signals, calculates its distance from all satellites in view and sends this information back to the location server. But still, in hard conditions like inside locations, it is still difficult to impossible to ‘see’ enough satellites and thus to obtain a position fix. Moreover, inside conditions and urban canyons are known to have multi-path problems, causing unreliable pseudo-ranges and thus fault determined positions.
Onderzoeksinstituut OTB
9
3.2.2
Sound based position
Bats are known to use ultra sound for tracking themselves. This property is also used by the Norwegian Sonitor Indoor Positioning System (IPS) to track and position tagged equipment and people indoors (www.sonitor.com). The tags transmit ultrasound and ones received by a set of microphones inside a room or corridor the positions and movement is calculated in real time, see. This kind of systems works only in special equipped environments, e.g. buildings. 3.2.3
Positioning using telecom networks
Mobile communication networks, like GSM, are used for commercial LBS applications as it is quite easy to reach a group of cellular phone users within the area of a certain base station (Cell of Origin) and send them for example an advertisement SMS. It is however also possible to position the users within a certain sector and range of the base station by Uplink Time Difference of Arrival. If that information is monitored over time and combined with a road network, the position of the cellular phone user can be detected in a more precise manner. The company LogicaCMG has developed the so-called Mobile Traffic Service where these locations are aggregated to real-time traffic information for the Dutch province of Brabant (www.mtslive.com), (actueleverkeersinformatie.brabant.nl). Precise Mobile Network positioning requires considerable adjustments to the current GSM network setup, or the use of next generation networks like UMTS. But due to the more or less planner configuration of the GSM/UMTS beacons, accurate and reliable 3D-positioning by mobile networks is not possible.
Figure 6: Layout testarea (a) and Contours (b) indicating the signal strength of Access Points
3.2.4
WLAN positioning
Each WLAN (Wi-Fi) network can be location enabled by signal strength calibration and fingerprinting. Within a neighborhood, i.e. an office, a map is made by a site survey of the reception of the WLAN access points. That is a challenging task, as the WLAN signals appear in an irregular pattern, since the propagation of signals is heavily affected by multipath effects, dead spots, noise, and interference in an indoor environment, see Figure 6 (Xiang, 2004) (Kaemarungsi, 2005). Once known, this map is ‘turn around’, to pin-point the location by a certain signal reception. One of the premier systems using this kind of ‘fingerprinting’ is the Ekahau’s patented positioning technology (www.ekahau.com). One limitation is the calibration of the 10
Onderzoeksinstituut OTB
system; first of all known positions should be linked to the signal strength of the WLAN access points. This process should be repeated when a major change in the configuration of the WLAN access points is made. 3.2.5
RFID-UWB positioning and Sensor Networks
Radio frequency identification (RFID) is a generic term that is used to describe a system that transmits the identity (in the form of a unique serial number) of an object or person wirelessly, using radio waves. There are different systems. Ultra Wide Band radio systems can be accurate to about 6 inch (15cm) indoors because they are much less affected by multipath distortion than conventional RF systems. Ubisense uses both Time Difference Of Arrival (TDOA) and Angle of Arrival (AOA) which greatly reduces the density of sensors required to cover an area over systems that use just TDOA (www.ubisense.net). 3.3
3D Data management
Once the 3D position is determined, 3D data have to be available and accessible. Currently, most of the 3D data are available as 2.5 surface data, 3D city models and 3D CAD models. Furthermore the 3D information exists but is ‘split ‘ between different organizations. For example, within the Netherlands the planimetry and height are maintained by two governmental organizations. The ‘Kadaster’ is responsible for the ‘horizontal component’ and ‘Rijkswaterstaat’ manage the ‘vertical component’ through the NAP benchmarks. One consequence of that organization is the mapping of the topography, as in the Dutch 1:10.000 scale TOP10Vector, which does not take the height value into account. At the moment the relative vertical situation is only expressed at certain ‘levels’. Depending on the position and the requested service different types of models and spatial operations could be needed. If the user is on the street, perhaps a 3D city model will suffice. If the user is inside a building, a tunnel or a bridge, a detailed 3D interior model might be required. Furthermore, 3D outputs for LBS can be in two forms: only retrieval of data for 3D visualisation and performing spatial operations (which are needed for example for 3D route calculations, 3D proximity, etc). Currently, retrieval of 3D data can be relatively easily organized (via Open Web services) from any system. Spatial analysis (3D routing, proximity) would require spatial operations. The common problem here is a lack of 3D operations and functions. Mathematical background for such operations exists but it still needs to be implemented in the systems. In this respect, last developments in Geo-DBMS are quite promising. Currently geoDBMS can maintain different models geometry, topology, and graph. While the geometric structure provides direct access to the coordinates of individual objects, the topological structure encapsulates information about their spatial relationships. A geometry model has been implemented in all mainstream DBMS (e.g. Oracle Spatial, Informix, Ingress, PostGIS, MySQL). Although the implemented spatial data types are 2D, 3D objects still can be stored. Topological implementation specifications are still under development, but commercial topological structures are already available (Laser-Scan Radius and Oracle Spatial 10g). A graph model is currently offered only by Oracle Spatial 10g. The combination of geometry model and graph model, i.e. the Network Data Model, can become a quite appropriate structure for 3D route Onderzoeksinstituut OTB
11
calculations. While route calculations can be performed on the graph, 3D geometry can be applied for 3D navigation along the route. 3.4
Protocols/standards for data exchange
Present specifications allow even at this moment 3D outputs. The work of the Open Geospatial Consortium (OGC) and the World Wide Web Consortium (W3C) is the most relevant to the geo-information specialists with their specification for Web services and eXtensible 3D language (X3D). The Web services define request/respond interfaces between an application (e.g. running on a hand-held) and GeoServer and X3D is the XML-based standard for 3D visualisation. The Web services are currently four (WMS, WFS, WTS and WCS). The Web service for 3D is the Web Terrain Service (WTS). WTS specification defines a standard interface for requesting 3D terrain scenes from a server capable of their generation. A WTS service supports two operations: GetCapabilities and GetView. The view is defined as a perspective image. To be able to create this view, a number of parameters have to be provided to the server: Point-of-Interest (POI), i.e. x,y,z of user focus; distance between the user and the POI; the vertical angle between the user and the POI; the horizontal angle between the north direction and the horizontal projection of the ‘user-POI’ line; and the Angle of View. The server returns a raster image of the 3D data. To be able to use this service for 3D navigation for example, a series of images have to be generated (at the server) by continuous round-trips to the server. The images can be further organized in a movie and send to the user. The disadvantage is that an interaction with/navigation trough data would not be possible. The Web Feature Service (WFS) is much more promising. The GetFeature request is an XML stream of vector data, i.e. Geography Markup Language (GML). GML geometry types allow for x, y and z-coordinates. Moreover GML version 3.0 introduces the 'Solid' geometry type, which can be used for 'full' 3D objects. GML 3.0 also offers the possibility to use a topological data structure (a 3D object as a TopoSolid with references to Faces, Edges and Nodes). This is to say theoretically GML does not have any limitations in maintaining 3D objects (geometry and/or topology). However, the GML output of a WFS service is not a 3D scene yet. It has to be transformed into a graphic format for which visualization software is available. In this respect the best candidate is X3D. X3D is the XML version of the Virtual Reality Modeling Language (VRML). VRML was launched in the nineties and became an ISO standard in 1997, but never was widely used for geo-applications. The size of the VRML file could become very big (due to lack of appropriate streaming and compressing techniques), which could result easily in bad performance. X3D has improved structure (i.e. Core profile, Interactive profile, Interchange profile, and MPEG-4 interactive profile) and much more possibilities to control the size of the file and render efficiently. It is actually designed for implementation using a ‘low-footprint engine’ as on mobile devices. X3D was approved by ISO as International Standard ISO/IEC 19775 in early 2005. To be able to visualize the 3D data, a X3D viewer has to run at the client (e.g. Cortona). De Vries and Zlatanova 2004 discuss an architecture that allows an 12
Onderzoeksinstituut OTB
application to request a 3D vector data. This approach can be applied for LBS as well, once accepted that the result of the request can be not only image but also other formats from the Standards Framework. The GeoMobility server then will act as a client to any GeoServer that contains 3D data. 3.5
3D presentation
Presentation of 3D data is still tricky. 3D visualisation (rendering) of the 3D outputs can be done in different ways: as a static 3D image, a video and as a vector model (allowing interaction). Furthermore, the parameters of the mobile devices can vary significantly: special devices (e.g. see-through glasses), portable PC to mobile cells. The type of device has huge influence on the possibilities for 3D visualization. In contrast to portable PC and tables, hand-held devices have many limitations: available memory, screen resolution and CPU. The type of operation system (Windows Mobile, SymbianOS, Smartphone, PalmOS, JV-Lite2, Linux, etc.) also varies. With these limitations even low-quality streaming video can be problematic. Currently most of the 3D visualization on mobile is provided as a streamed video (Zlatanova et al 2004). VRML browsers for 3D interaction are offered only for PocketPC by ParallelGraphics (i.e. Pocket Cortona http://www.parallelgraphics.com/products/). As discussed in the previous section interfaces between GeoMobility server and mobile devices are based on Web technologies. In this respect, several technologies might be important for 3D rendering on mobile: X3D, MPEG-4 and PDF. X3D is quite promising technology not only because of the features offered but also because of the attempts of the W3C to come to an agreement with other groups developing standards. Moving Picture Experts Group (MPEG) has accepted X3D for the 3D capabilities of MPEG-4. Furthermore special mobile 3D technologies to extend X3D are also being defined for MPEG-4. Adobe Acrobat also has step into third dimension and provided interactive 3D browser inside the PDF file (http://www.adobe.com/products/acrobat/aec.html). Since PDF reader is already offered for hand-held under Windows Mobile, it could be expected that the next step will be a 3D PDF file for hand-held. The size of the PDF file (rounding to MB) and the lack of PDF streaming technology are currently the main drawbacks. In general, the use of these standards in 3D application development for low-end consumer and embedded devices is still problematic, mostly because of the large footprint imposed by underlying implementations and heavy utilization of hardware acceleration. The two Java technology specifications the Mobile 3D Graphics API for J2ME (JSR 184) and the Java Bindings for OpenGL ES specification (JSR 239) were expected to help significantly in accelerating this process. Nokia working in collaboration with Motorola, Intel, Sony Ericsson, Symbian, Cingular Wireless and France Telecom led the Mobile 3D Graphics API. The Java Bindings was led by Sun Microsystems. While successful for game industry, they did not have a lot of influence on geo-applications. As it is well-known a large amount of geo-applications are running nowadays under Windows. But, Microsoft also increases its investments in mobile developments. For example Mio A701, the first GPS-enabled smart phone with Windows Mobile 5, is already on the market. The Microsoft interest in mobile computing can be a stimulator for many GIS vendors to provide browsers and applications for mobile. Onderzoeksinstituut OTB
13
Other non-standard solutions are also showing up. The typical polygon (triangle) rendering has a its concurrent, i.e. the volume-based graphics, which might bring advantages also for mobile computing (http://www.ngrain.com/alliances/files/NGrain2.pdf). A very elegant way of 3D LBS might be the usage of see-through glasses based on augmented reality approaches. Augmented reality offers a lot of advantages compared to traditional desktop and especially telephone cells due to: better understanding (the background view is real world) and faster retrieval and rendering (e.g. only the computed 3D route is visualised). However these systems are still unreliable and quite expensive for a daily use. 3.6
Conclusions
This paper has discussed four critical components of LBS in the light of the third dimension: positioning, interfaces, data management and visualization. The general conclusion is that sufficient technology possibilities for 3D exist (also Zlatanova and Verbree, 2003) but they have to be appropriately combined and connected. The role of geo-specialist in 3D LBS is to provide the 3D position and find (and deliver) the requested 3D data. Regarding 3D positioning we can conclude: As all systems are based on the same set of observable quantities (distance and angle) many correspondences exists in techniques and methodologies. To choose with system performs best in certain conditions depend on these circumstances. Important factors are: inside conditions, user controlled setup and maintenance of the reference beacons, active or passive targets, and the role of a GeoMobility Server. The integrity of the ‘space segment’ (the beacons) of all presented systems, except GNSS like GPS, is not controlled and maintained. This will lead to unreliable positioning of the targets. Most systems are presented as ‘stand alone’ solutions, due to commercial interests. As no system operates best under all circumstances, the reliability will be improved and ensured when the systems are more integrated. The OpenLS specification has to be further extended to work with Z-coordinates and provide 3D geo-coding. Regarding the interface, we firmly believe that the communication between GeoMobility Server and the mobile client will be based on Open Web Services, which still require appropriate 3D adaptations, e.g. for exchange of parameters needed to complete WTS and WFS. Apparently, it will not be possible to organize all the 3D data needed for 3D routing and other analysis on the same server where the GeoMobilty server will operate. 3D LBS will be based on a distributed system combining GIS, CAD and geo-DBMS. This poses great challenges to geo-specialist towards improving the performance by developing better 3D data organization, indexing, generalization and compression. All issues are already addressed in literature on 3D GIS. 3D visualization on mobile is not a problem anymore, but the geo-data have to be adapted for the device and the user. 3D generalization, usage of textures (or not), 3D
14
Onderzoeksinstituut OTB
symbolization, visualization clues for attention attraction, etc. are all tasks of geospecialists. 3.7
References
1.
Kaemarungsi, Kamol and Prashant Krishnamurthy, 2004, Modeling of Indoor Positioning Systems Based on Location Fingerprinting, IEEE INVOCOM, 2004, 11 p. Kee, Changdon, 2001, Centimeter-Accuracy Indoor Navigation Using GPS-Like Pseudolites, GPS World, November 2001. Togt, R., E. Beinat, S. Zlatanova, and H.J. Scholten, 2005, Location interoperability services for medical emergency operations during disasters, in: PJM van Oosterom, S Zlatanova & EM Fendel (Eds.), Geo-information for disaster management, Springer Verlag, Heidelberg, pp. 1127-1141. Vries, M. de and S. Zlatanova, 2004, Interoperability on the Web: the case of 3D geodata, in: P. Isaias, P. Kommers and M. McPherson (eds.), Proceedings of the IADIS International Conference e-Society 2004, Avila, Spain, July 16-19, pp. 667-674. Xiang, Z et al , 2005 A wireless LAN based positioning system, IBM Journal Res&Dev, Vol48, Sep/Nov, 2004, pp. 617-626. Zlatanova, S. and E. Verbree, 2004, User tracking as an alternative positioning technique for LBS, in Proceedings of the Symposium on Location Based Services & Telecartography, 28-29 January, 2004, Vienna, Austria, pp.109115. Zlatanova, S., D. Holweg and V. Coors, 2004, Geometrical and topological models for real-time GIS, in: Proceedings of UDMS 2004, 27-29 October, Chioggia, Italy, CDROM, 10 p. Zlatanova, S. and E. Verbree, 2003, Technological Developments within 3D Location-based Services, International Symposium and Exhibition on Geoinformation 2003 (invited paper), 13-14 October 2003, Shah Alam, Malaysia, pp. 153-160.
2. 3.
4.
5. 6.
7. 8.
Onderzoeksinstituut OTB
15
Eerder verschenen rapporten: 1. 2. 3. 4. 5.
6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.
25. 26. 27. 28.
GISt Report No. 1, Oosterom, P.J. van, Research issues in integrated querying of geometric and thematic cadastral information (1), Delft University of Technology, Rapport aan Concernstaf Kadaster, Delft 2000, 29 p.p. GISt Report No. 2, Stoter, J.E., Considerations for a 3D Cadastre, Delft University of Technology, Rapport aan Concernstaf Kadaster, Delft 2000, 30.p. GISt Report No. 3, Fendel, E.M. en A.B. Smits (eds.), Java GIS Seminar, Opening GDMC, Delft 15 November 2000, Delft University of Technology, GISt. No. 3, 25 p.p. GISt Report No. 4, Oosterom, P.J.M. van, Research issues in integrated querying of geometric and thematic cadastral information (2), Delft University of Technology, Rapport aan Concernstaf Kadaster, Delft 2000, 29 p.p. GISt Report No. 5, Oosterom, P.J.M. van, C.W. Quak, J.E. Stoter, T.P.M. Tijssen en M.E. de Vries, Objectgerichtheid TOP10vector: Achtergrond en commentaar op de gebruikersspecificaties en het conceptuele gegevensmodel, Rapport aan Topografische Dienst Nederland, E.M. Fendel (eds.), Delft University of Technology, Delft 2000, 18 p.p. GISt Report No. 6, Quak, C.W., An implementation of a classification algorithm for houses, Rapport aan Concernstaf Kadaster, Delft 2001, 13.p. GISt Report No. 7, Tijssen, T.P.M., C.W. Quak and P.J.M. van Oosterom, Spatial DBMS testing with data from the Cadastre and TNO NITG, Delft 2001, 119 p. GISt Report No. 8, Vries, M.E. de en E. Verbree, Internet GIS met ArcIMS, Delft 2001, 38 p. GISt Report No. 9, Vries, M.E. de, T.P.M. Tijssen, J.E. Stoter, C.W. Quak and P.J.M. van Oosterom, The GML prototype of the new TOP10vector object model, Report for the Topographic Service, Delft 2001, 132 p. GISt Report No. 10, Stoter, J.E., Nauwkeurig bepalen van grondverzet op basis van CAD ontgravingsprofielen en GIS, een haalbaarheidsstudie, Rapport aan de Bouwdienst van Rijkswaterstaat, Delft 2001, 23 p. GISt Report No. 11, Geo DBMS, De basis van GIS-toepassingen, KvAG/AGGN Themamiddag, 14 november 2001, J. Flim (eds.), Delft 2001, 37 p. GISt Report No. 12, Vries, M.E. de, T.P.M. Tijssen, J.E. Stoter, C.W. Quak and P.J.M. van Oosterom, The second GML prototype of the new TOP10vector object model, Report for the Topographic Service, Delft 2002, Part 1, Main text, 63 p. and Part 2, Appendices B and C, 85 p. GISt Report No. 13, Vries, M.E. de, T.P.M. Tijssen en P.J.M. van Oosterom, Comparing the storage of Shell data in Oracle spatial and in Oracle/ArcSDE compressed binary format, Delft 2002, .72 p. (Confidential) GISt Report No. 14, Stoter, J.E., 3D Cadastre, Progress Report, Report to Concernstaf Kadaster, Delft 2002, 16 p. GISt Report No. 15, Zlatanova, S., Research Project on the Usability of Oracle Spatial within the RWS Organisation, Detailed Project Plan (MD-NR. 3215), Report to Meetkundige Dienst – Rijkswaterstaat, Delft 2002, 13 p. GISt Report No. 16, Verbree, E., Driedimensionale Topografische Terreinmodellering op basis van Tetraëder Netwerken: Top10-3D, Report aan Topografische Dienst Nederland, Delft 2002, 15 p. GISt Report No. 17, Zlatanova, S. Augmented Reality Technology, Report to SURFnet bv, Delft 2002, 72 p GISt Report No. 18, Vries, M.E. de, Ontsluiting van Geo-informatie via netwerken, Plan van aanpak, Delft 2002, 17 p. GISt Report No. 19, Tijssen, T.P.M., Testing Informix DBMS with spatial data from the cadastre, Delft 2002, 62 p. GISt Report No. 20, Oosterom, P.J.M. van, Vision for the next decade of GIS technology, A research agenda for the TU Delft the Netherlands, Delft 2003, 55 p. GISt Report No. 21, Zlatanova, S., T.P.M. Tijssen, P.J.M. van Oosterom and C.W. Quak, Research on usability of Oracle Spatial within the RWS organisation, (AGI-GAG-2003-21), Report to Meetkundige Dienst – Rijkswaterstaat, Delft 2003, 74 p. GISt Report No. 22, Verbree, E., Kartografische hoogtevoorstelling TOP10vector, Report aan Topografische Dienst Nederland, Delft 2003, 28 p. GISt Report No. 23, Tijssen, T.P.M., M.E. de Vries and P.J.M. van Oosterom, Comparing the storage of Shell data in Oracle SDO_Geometry version 9i and version 10g Beta 2 (in the context of ArcGIS 8.3), Delft 2003, 20 p. (Confidential) GISt Report No. 24, Stoter, J.E., 3D aspects of property transactions: Comparison of registration of 3D properties in the Netherlands and Denmark, Report on the short-term scientific mission in the CIST – G9 framework at the Department of Development and Planning, Center of 3D geo-information, Aalborg, Denmark, Delft 2003, 22 p. GISt Report No. 25, Verbree, E., Comparison Gridding with ArcGIS 8.2 versus CPS/3, Report to Shell International Exploration and Production B.V., Delft 2004, 14 p. (confidential). GISt Report No. 26, Penninga, F., Oracle 10g Topology, Testing Oracle 10g Topology with cadastral data, Delft 2004, 48 p. GISt Report No. 27, Penninga, F., 3D Topography, Realization of a three dimensional topographic terrain representation in a feature-based integrated TIN/TEN model, Delft 2004, 27 p. GISt Report No. 28, Penninga, F., Kartografische hoogtevoorstelling binnen TOP10NL, Inventarisatie mogelijkheden op basis van TOP10NL uitgebreid met een Digitaal Hoogtemodel, Delft 2004, 29 p.
29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37.
GISt Report No. 29, Verbree, E. en S.Zlatanova, 3D-Modeling with respect to boundary representations within geo-DBMS, Delft 2004, 30 p. GISt Report No. 30, Penninga, F., Introductie van de 3e dimensie in de TOP10NL; Voorstel voor een onderzoekstraject naar het stapsgewijs introduceren van 3D data in de TOP10NL, Delft 2005, 25 p. GISt Report No. 31, P. van Asperen, M. Grothe, S. Zlatanova, M. de Vries, T. Tijssen, P. van Oosterom and A. Kabamba, Specificatie datamodel Beheerkaart Nat, RWS-AGI report/GISt Report No. 31, Delft 2005, 130 p. GISt Report No. 32, E.M. Fendel, Looking back at Gi4DM, Delft 2005, 22 p. GISt Report No. 33, P. van Oosterom, T. Tijssen and F. Penninga, Topology Storage and the Use in the context of consistent data management, Delft 2005, 35 p. GISt Report No. 34, E. Verbree en F. Penninga, RGI 3D Topo - DP 1-1, Inventarisatie huidige toegankelijkheid, gebruik en mogelijke toepassingen 3D topografische informatie en systemen, 3D Topo Report No. RGI-011-01/GISt Report No. 34, Delft 2005, 29 p. GISt Report No. 35, E. Verbree, F. Penninga en S. Zlatanova, Datamodellering en datastructurering voor 3D topografie, 3D Topo Report No. RGI-011-02/GISt Report No. 35, Delft 2005, 44 p. GISt Rapport No. 36, W. Looijen, M. Uitentuis en P. Bange, RGI-026: LBS-24-7, Tussenrapportage DP1: Gebruikerswensen LBS onder redactie van E. Verbree en E. Fendel, RGI LBS-026-01/GISt Rapport No. 36, Delft 2005, 21 p. GISt Rapport No. 37, C. van Strien, W. Looijen, P. Bange, A. Wilcsinszky, J. Steenbruggen en E. Verbree, RGI-026: LBS-24-7, Tussenrapportage DP-2: Inventarisatie geo-informatie en -services onder redactie van E. Verbree en E. Fendel, RGI LBS-026-02/GISt Rapport No. 37, Delft 2005, 21 p.
