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IPODLAS - a framework for coupling temporal simulation systems, virtual reality, and geographic information systems


Isenegger, Dani. IPODLAS - a framework for coupling temporal simulation systems, virtual reality, and geographic information systems. 2006, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary Environmental processes act in space and time and often vary over several spatial and temporal scales. Current software applications dealing with these processes emphasize properties specific to their particular application domain and tend to neglect other concerns. Temporal simulation systems (TSS) provide simulation models representing dynamic dependencies of complex processes but typically treat their spatial dimension only poorly. Virtual reality (VR) systems, on the other hand, offer photo-realistic 3-D visualization and high-level user interaction but disregard the link between the underlying data and the visualization. Geographic information systems (GIS) possess powerful functionality for spatial analysis, data integration, and storage, but favor a static view, generally lacking the representation of dynamics. This thesis presents IPODLAS, standing for interactive, process oriented, dynamic landscape analysis and simulation. To represent spatiotemporal, cross-scale processes IPODLAS applies functionality of the three domains TSS, VR, and GIS comprehensively by exploiting their complementary strenghts. Addressing methodological and experimental aspects the research questions of the thesis focus on the design activity of developing the IPODLAS system. Firstly, the development methodology to evolve a system such as IPODLAS is addressed. Secondly, it is studied whether standard GIS can provide the required spatial functionality. Finally, the design concepts and the software architecture of the IPODLAS system are specified. The main contributions of this research are the development methodology called IPODLAS approach, and the design of the software architecture for the IPODLAS system. The IPODLAS approach specifies a framework consisting of three case studies. Each provide data and simulation models on different scales, thus supporting a scale- sensitive representation of cross-scale processes. Use cases defined within the case studies capture the user requirements and are applied to derive the functionality listings specifying the functionality required to satisfy the user requirements. The IPODLAS approach constitutes a methodology for software development projects where integration of functionality from different domains and the consideration of scale is crucial. The functionality listings allow the specification of the required functions contributed by applications of the different domains, i.e. in particular the required GIS functionality. The software achitecture of the IPODLAS system has been developed applying the IPODLAS approach. The IPODLAS system embeds applications of the three domains as subsystems in a common software environment. Applying the blackboard architecture a central subsystem is designated to control the communication and synchronization of the IPODLAS system. Providing mediating functionality the central subsystem receives messages requesting services and dispatches them to the appropriate subsystem(s). The messages exchanged are encoded in XML and form the communication protocol of the IPODLAS system. The communication between the subsystems is realized by deploying communication interfaces on each subsystem establishing socket connections between them. The implementation of the software architecture in different evolving prototypes was used as proof of concept and for performance measurements. The thesis contributes a operational approach of dealing with interdisciplinary problems by combining functionality of the involved domains. The shift of focus from stand-alone applications to a network-centric approach and the growing consideration of interoperability standards form the technical background of this research. Regarding the thesis in this context the IPODLAS system constitutes a general communication model for distributed systems in a heterogeneous software environment. Zusammenfassung Natürliche Prozesse weisen räumliche und zeitliche Aspekte auf und variieren oft über mehrere räumliche und zeitliche Skalen. Softwareapplikationen, die für die Behandlung solcher Prozesse eingesetzt werden, können gut mit Problemen umgehen, die in ihr spezifisches Anwendungsgebiet fallen, neigen aber dazu, andere Aspekte zu vernach- lässigen. Simulationsapplikationen, die zeitorientierte Probleme modellieren (Temporal simulation systems, TSS), haben ihre Stärken in der Simulation von dynamischen Beziehungen, vernachlässigen typischerweise aber deren räumliche Dimension. Visualisierungsapplikationen (Virtual reality, VR) bieten natürlich wirkende 3D- Visualisierungen und ausgereifte Interaktionsmöglichkeiten, die Visualisierung erfolgt aber getrennt von den unterliegenden Daten. Geographische Informationssysteme (Geographical informations systems, GIS) haben ihre Stärken in der Analyse räumlicher Daten sowie deren Integration und Speicherung, haben aber einen statischen Blickwinkel und vernachlässigen die Repräsentation von Veränderungen. Diese Dissertation präsentiert IPODLAS, was für “interactive, process oriented, dynamic landscape analysis and simulation” steht. Für die Repräsentation von raum- zeitlichen, skalenübergreifenden Prozessen nützt IPODLAS die komplementären Stärken der Funktionalität aus den Gebieten TSS, VR und GIS. Die Forschungsfragen der vorliegenden Arbeit behandeln methodische und praktische Gesichtspunkte des Designs von IPODLAS. Zum Ersten wird auf die Methodologie eingegangen, die für die Entwicklung von IPODLAS verwendet wurde. Zweitens wird untersucht, ob Standard- GIS die dazu benötigte räumliche Funktionalität anbieten können. Die Designkonzepte und die Softwarearchitektur von IPODLAS sind Thema der dritten Forschungsfrage. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Dissertation sind die Entwicklungs- methodologie IPODLAS Approach und das Design der Softwarearchitektur des IPODLAS Systems. Der IPODLAS Approach beinhaltet ein Framework bestehend aus drei Case studies. Jede bietet Simulationsdaten und –modelle auf verschiedenen Massstabs- ebenen, wodurch die Repräsentation von skalenübergreifenden Prozessen unterstützt wird. Innerhalb der Case studies wurden Use cases entworfen, welche Benutzer- anforderungen spezifizieren. Ausgehend von den Use cases wurden Functionality listings generiert, welche die von den Benutzern verlangten Funktionen auflisten. Der IPODLAS Approach bietet eine Methodologie für Softwareprojekte an, welche Funktionalitäten von verschiedenen Gebieten und Massstabsebenen integrieren. Die Functionality listings spezifizieren die benötigten Funktion, welche die involvierten Anwendungsgebiete beisteuern müssen, dh. inbesondere die erforderlichen GIS-Funktionen. Der IPODLAS Approach wurde verwendet, um die Softwarearchitektur des IPODLAS Systems zu entwickeln. Das IPODLAS System bettet Applikationen der verschiedenen Anwendungsgebiete als Subsysteme in eine Softwareumgebung ein. Der Blackboard-Architektur entsprechend regelt ein zentrales Subsystem die Kommunikation und Synchronisation des IPODLAS Systems. Das zentrale Subsystem empfängt (mediates) und vermittelt Messages zum zuständigen Subsystem. Die XML-codierten Messages bilden das Kommunikationsprotokoll des IPODLAS Systems. Die Kommunikation wird durch Schnittstellen realisiert, welche auf die jeweiligen Subsysteme verteilt sind und diese über Sockets verbinden. Die Softwarearchitektur wurde in verschiedenen Prototypen implementiert und für Laufzeitmessungen verwendet. Die Dissertation zeigt einen operativen Ansatz bei welchem interdisziplinäre Probleme durch Kombiniation von Funktionalität der involvierten Anwendungsgebiete behandelt werden. Die Verschiebung des Fokus von isolierten hin zu vernetzten Applikationen und die wachsende Bedeutung von Interoperabilitäts-Standards bildet den technischen Hintergund dieser Arbeit. In diesen Kontext gestellt bildet IPODLAS ein allgemeines Kommunikationsmodell für verteilte Systeme in heterogenen Softwareumgebungen.

Abstract

Summary Environmental processes act in space and time and often vary over several spatial and temporal scales. Current software applications dealing with these processes emphasize properties specific to their particular application domain and tend to neglect other concerns. Temporal simulation systems (TSS) provide simulation models representing dynamic dependencies of complex processes but typically treat their spatial dimension only poorly. Virtual reality (VR) systems, on the other hand, offer photo-realistic 3-D visualization and high-level user interaction but disregard the link between the underlying data and the visualization. Geographic information systems (GIS) possess powerful functionality for spatial analysis, data integration, and storage, but favor a static view, generally lacking the representation of dynamics. This thesis presents IPODLAS, standing for interactive, process oriented, dynamic landscape analysis and simulation. To represent spatiotemporal, cross-scale processes IPODLAS applies functionality of the three domains TSS, VR, and GIS comprehensively by exploiting their complementary strenghts. Addressing methodological and experimental aspects the research questions of the thesis focus on the design activity of developing the IPODLAS system. Firstly, the development methodology to evolve a system such as IPODLAS is addressed. Secondly, it is studied whether standard GIS can provide the required spatial functionality. Finally, the design concepts and the software architecture of the IPODLAS system are specified. The main contributions of this research are the development methodology called IPODLAS approach, and the design of the software architecture for the IPODLAS system. The IPODLAS approach specifies a framework consisting of three case studies. Each provide data and simulation models on different scales, thus supporting a scale- sensitive representation of cross-scale processes. Use cases defined within the case studies capture the user requirements and are applied to derive the functionality listings specifying the functionality required to satisfy the user requirements. The IPODLAS approach constitutes a methodology for software development projects where integration of functionality from different domains and the consideration of scale is crucial. The functionality listings allow the specification of the required functions contributed by applications of the different domains, i.e. in particular the required GIS functionality. The software achitecture of the IPODLAS system has been developed applying the IPODLAS approach. The IPODLAS system embeds applications of the three domains as subsystems in a common software environment. Applying the blackboard architecture a central subsystem is designated to control the communication and synchronization of the IPODLAS system. Providing mediating functionality the central subsystem receives messages requesting services and dispatches them to the appropriate subsystem(s). The messages exchanged are encoded in XML and form the communication protocol of the IPODLAS system. The communication between the subsystems is realized by deploying communication interfaces on each subsystem establishing socket connections between them. The implementation of the software architecture in different evolving prototypes was used as proof of concept and for performance measurements. The thesis contributes a operational approach of dealing with interdisciplinary problems by combining functionality of the involved domains. The shift of focus from stand-alone applications to a network-centric approach and the growing consideration of interoperability standards form the technical background of this research. Regarding the thesis in this context the IPODLAS system constitutes a general communication model for distributed systems in a heterogeneous software environment. Zusammenfassung Natürliche Prozesse weisen räumliche und zeitliche Aspekte auf und variieren oft über mehrere räumliche und zeitliche Skalen. Softwareapplikationen, die für die Behandlung solcher Prozesse eingesetzt werden, können gut mit Problemen umgehen, die in ihr spezifisches Anwendungsgebiet fallen, neigen aber dazu, andere Aspekte zu vernach- lässigen. Simulationsapplikationen, die zeitorientierte Probleme modellieren (Temporal simulation systems, TSS), haben ihre Stärken in der Simulation von dynamischen Beziehungen, vernachlässigen typischerweise aber deren räumliche Dimension. Visualisierungsapplikationen (Virtual reality, VR) bieten natürlich wirkende 3D- Visualisierungen und ausgereifte Interaktionsmöglichkeiten, die Visualisierung erfolgt aber getrennt von den unterliegenden Daten. Geographische Informationssysteme (Geographical informations systems, GIS) haben ihre Stärken in der Analyse räumlicher Daten sowie deren Integration und Speicherung, haben aber einen statischen Blickwinkel und vernachlässigen die Repräsentation von Veränderungen. Diese Dissertation präsentiert IPODLAS, was für “interactive, process oriented, dynamic landscape analysis and simulation” steht. Für die Repräsentation von raum- zeitlichen, skalenübergreifenden Prozessen nützt IPODLAS die komplementären Stärken der Funktionalität aus den Gebieten TSS, VR und GIS. Die Forschungsfragen der vorliegenden Arbeit behandeln methodische und praktische Gesichtspunkte des Designs von IPODLAS. Zum Ersten wird auf die Methodologie eingegangen, die für die Entwicklung von IPODLAS verwendet wurde. Zweitens wird untersucht, ob Standard- GIS die dazu benötigte räumliche Funktionalität anbieten können. Die Designkonzepte und die Softwarearchitektur von IPODLAS sind Thema der dritten Forschungsfrage. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Dissertation sind die Entwicklungs- methodologie IPODLAS Approach und das Design der Softwarearchitektur des IPODLAS Systems. Der IPODLAS Approach beinhaltet ein Framework bestehend aus drei Case studies. Jede bietet Simulationsdaten und –modelle auf verschiedenen Massstabs- ebenen, wodurch die Repräsentation von skalenübergreifenden Prozessen unterstützt wird. Innerhalb der Case studies wurden Use cases entworfen, welche Benutzer- anforderungen spezifizieren. Ausgehend von den Use cases wurden Functionality listings generiert, welche die von den Benutzern verlangten Funktionen auflisten. Der IPODLAS Approach bietet eine Methodologie für Softwareprojekte an, welche Funktionalitäten von verschiedenen Gebieten und Massstabsebenen integrieren. Die Functionality listings spezifizieren die benötigten Funktion, welche die involvierten Anwendungsgebiete beisteuern müssen, dh. inbesondere die erforderlichen GIS-Funktionen. Der IPODLAS Approach wurde verwendet, um die Softwarearchitektur des IPODLAS Systems zu entwickeln. Das IPODLAS System bettet Applikationen der verschiedenen Anwendungsgebiete als Subsysteme in eine Softwareumgebung ein. Der Blackboard-Architektur entsprechend regelt ein zentrales Subsystem die Kommunikation und Synchronisation des IPODLAS Systems. Das zentrale Subsystem empfängt (mediates) und vermittelt Messages zum zuständigen Subsystem. Die XML-codierten Messages bilden das Kommunikationsprotokoll des IPODLAS Systems. Die Kommunikation wird durch Schnittstellen realisiert, welche auf die jeweiligen Subsysteme verteilt sind und diese über Sockets verbinden. Die Softwarearchitektur wurde in verschiedenen Prototypen implementiert und für Laufzeitmessungen verwendet. Die Dissertation zeigt einen operativen Ansatz bei welchem interdisziplinäre Probleme durch Kombiniation von Funktionalität der involvierten Anwendungsgebiete behandelt werden. Die Verschiebung des Fokus von isolierten hin zu vernetzten Applikationen und die wachsende Bedeutung von Interoperabilitäts-Standards bildet den technischen Hintergund dieser Arbeit. In diesen Kontext gestellt bildet IPODLAS ein allgemeines Kommunikationsmodell für verteilte Systeme in heterogenen Softwareumgebungen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Weibel Robert
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2006
Deposited On:20 Jun 2019 11:57
Last Modified:25 Sep 2019 00:11
Number of Pages:212
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005351340&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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