WBCMS – A service oriented web architecture for enhancing collaboration in biodiversity: The case of a species distribution modelling community Karla Donato.

WBCMS – A service oriented web architecture for enhancing collaboration in biodiversity: The case of a species distribution modelling community Karla Donato Fook Orientadores:Dr. Antônio Miguel V. Monteiro Dr. Gilberto Câmara 2009

Pesquisa de Biodiversidade Fonte: USDA - United States Department of Agriculture

Fonte: http://www.anbg.gov.au/cpbr/program/images/herbarium-compactus-bronwyn-2008-700.jpg http://www.brevardcounty.us/environmental_management/assets/photos/flora/herbarium_sheets_on_table.jpg Dados de Biodiversidade

Modelagem de Distribuição de Espécies Posição Geográfica Pontos de Ocorrência Distribuição Preditiva Modelo de Distribução de Espécies precipitação topografia tempetarura Variáveis Ambientais Algoritmo Fonte: Siqueira (2005)

Recuperação Ambiental Área contaminada – antes e depois do trabalho de recuperação em 2001 Companhia Mineira de Metais (CMM) Três Marias-MG Fonte: http://cienciahoje.uol.com.br/ controlPanel/materia/view/2419

Conservação de Espécies Callicebus Coimbrai & Callicebus barbarabrownae Fonte: Ibama

Impactos de mudanças climáticas

Expansão de espécies invasoras Fonte: USDA – United States Department of Agriculture / http://www.environment.gov.au/biodiversity/invasive/publications/cane-toad/ http://g1.globo.com/Noticias/Mundo/0,,MUL1063522-5602,00-MILHARES+DE+SAPOS+SAO+MORTOS+EM+FESTIVAL+NA+AUSTRALIA.html Bufo marinus

Colaboração

Comparar resultados

Executar novos experimentos

Questão 1 Como prover colaboração em uma rede de modelagem de distribuição de espécies?

Questão 2 Qual seria uma forma conveniente de compartilhar conhecimento de uma modelagem de distribuição de espécies utilizando a web?

Hipótese O framework conceitual dos serviços web provê uma base para o desenvolvimento de ambientes colaborativos para modelagens de distribuição de espécies

Pelargonium Cordifolium Callicebus Coimbrai & Callicebus barbarabrownae WBCMS Web Biodiversity Collaborative Modelling Services Contribuição

Suportar colaboração em uma Rede de Modelagem de Distribuição de Espécies: Compartilhamento de modelagens Objetivo geral

Além de dados de entrada, algoritmo utilizado e resultados obtidos, engloba informações sobre o ciclo do processo de modelagem, anotações e avaliação do pesquisador Modelagem de Distribuição de Espécies

Serviços Geoweb Aplicações em Biodiversidade Biodiversidade e Ambientes Colaborativos Trabalhos Relacionados

Serviços GeoWeb  Dynamic chaining GIS Web services  Arquitetura na qual aplicações cliente são dinamicamente encadeadas em vários padrões baseados em GIS Web Services (Alameh, 2003)  Road Blockage Service  Resolve tarefas mais complexas através do encadeamento de vários serviços simples (Bernard et al., 2003)

Serviços GeoWeb  Projeto AWARE (Available WAter REsources)  Explora como serviços de geoprocessamento distribuídos podem gerenciar grandes volumes de dados de Observação da Terra (Granell et al., 2007)  WS-GIS  Infra-estrutura de Dados Espaciais baseada em SOA para integrar fontes de dados espaciais heterogêneas (Leite-Jr et al., 2007)

Aplicações em Biodiversidade  Projeto WeBIOS ( Web Service )  Ferramenta para Pesquisa, Avaliação e Monitoramento da Biodiversidade que suporta consultas exploratórias sobre diversas fontes de dados de biodiversidade (WeBios, 2005)  Aondê Web Service  Suporta compartilhamento e gerenciamento de ontologia na web no domínio de biodiversidade (Daltio and Medeiros, 2008)  Projeto BioWired  Arquitetura P2P que suporta acesso a dados de biodiversidade em grandes bancos de dados distribuídos (Alvarez et al., 2005)

Aplicações em Biodiversidade  GBIF - Global Biodiversity Information Facility  Provê integração de dados de pontos de ocorrência dentro do portal de dados do Worldclim  Usa serviços web para a criação de modelos de distribuição de espécies (Hobern, 2005)  Lifemapper  Agrupamento de modelo e todas as projeções construídas para ele  Usuários podem executar modelagens com os parâmetros de sua preferência (http://www.lifemapper.org/ondemand)

Biodiversidade e Ambientes Colaborativos  Projeto BiodiversityWorld  Propõe uma maneira de utilizar ferramentas analíticas de biodiversidade sobre fontes de dados variadas (Jones et al., 2003; Pahwa et al., 2006)  Mo Porã  Ambiente para o compartilhamento de arquivos e dados entre grupos de pesquisa no Programa LBA – Large-Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia (Serique et al., 2007)

Biodiversidade e Ambientes Colaborativos  Projeto BioGeomancer  Projeto Colaborativo que visa melhorar a qualidade e quantidade de dados de biodiversidade (BioGeomancer, 2005)  Projeto Beija-flor  Abordagem baseada na internet para compartilhamento de dados científicos. Provê busca a dados pela coleta e organização de metadados (Horta and Gentry, 2008)

Metadados Serviços Geoweb Aplicações em Biodiversidade Biodiversidade e Ambientes Colaborativos

Trabalhos Relacionados Integração e compartilhamento de dados de biodiversidade, dados geográficos e ferramentas Visualização de resultados Execução de algoritmos utilizando serviços web

Não abordam Compartilhamento do processo da modelagem de distribuição de espécies

Arquitetura proposta Catalogação da modelagem de distribuição de espécies Reutilização de dados catalogados para a execução de novos experimentos Acesso a modelagens catalogadas

Contexto INPE Grupo de Geoinformática Pesquisa voltada para web Aulicino, 2006 Gioielli, 2006 Souza, 2008Xavier, 2008 Fook, 2009

Conceito-chave Instância de Modelo Modelagem de Distribuição de Espécies

Instância de Modelo Metadado + Instância de Modelo Resultados Nível 1 Geração do modelo Objeto modelado ISO19115

Instância de Modelo Metadado + Instância de Modelo Espécies Resultados Metadado + Nível 1 Geração do modelo Nível 2 Objeto modelado

Instância de Modelo Ocorrência Variáveis Ambientais Algoritmo Metadado + Instância de Modelo Espécies Ausência Resultados Metadado + + + + Dados Nível 1 Geração do modelo Nível 2 Objeto modelado

Instância de Modelo Ocorrência Variáveis Ambientais Algoritmo Mapa de Distribuição Índices de Avaliação Metadado + + Instância de Modelo Espécies Ausência Relatórios Resultados Metadado + + + + Dados Nível 1 Geração do modelo Nível 2 Objeto modelado

Prover respostas para Quais espécies estão sendo modeladas? De onde vieram os dados? Quais são as variáveis ambientais? Quais são os algoritmos? Se eu tenho uma questão, como posso buscar resultados semelhantes?

Arquitetura Geral do WBCMS WBCMS ModelProcessorAccessProcessorCatalogueProcessor Web Aplicações cliente Pesquisador Repositórios de Instâncias de Modelo Coleções de Biodiversidade WS_2WS_N Servidores de Mapas WS_1 Catálogo de Repositórios WFS (TeOGC)

Processador de Catálogo XML, Arquivos resultantes WMICS WMISS Processo de modelagem de distribuição de espécies Mapas Arquivos resultantes Aplicação Cliente WMCS WBCMS CatalogueProcessor Repositório Instância de Modelos dados de biodiversidade web services web services serviços web Metadados WMIPS Legenda: Aplicaçãocomponente WBCMS WS externo WMIPS: Web Model Instance Publisher Service / WMCS: Web Model Classifier Service WMICS: Web Model Instance Compose Service / WMSS: Web Model Instance Storage Service WFS (TeOGC)

Processador de Catálogo XML, Arquivos resultantes WMICS WMISS Processo de modelagem de distribuição de espécies Mapas Arquivos resultantes Aplicação Cliente WMCS WBCMS CatalogueProcessor Repositório Instância de Modelos dados de biodiversidade web services web services serviços web Metadados WMIPS Legenda: Aplicaçãocomponente WBCMS WS externo WMIPS: Web Model Instance Publisher Service / WMCS: Web Model Classifier Service WMICS: Web Model Instance Compose Service / WMSS: Web Model Instance Storage Service WFS (TeOGC) Orquestrar

Processador de Catálogo XML, Arquivos resultantes WMICS WMISS Processo de modelagem de distribuição de espécies Mapas Arquivos resultantes Aplicação Cliente WMCS WBCMS CatalogueProcessor Repositório Instância de Modelos dados de biodiversidade web services web services serviços web Metadados WMIPS Legenda: Aplicaçãocomponente WBCMS WS externo WMIPS: Web Model Instance Publisher Service / WMCS: Web Model Classifier Service WMICS: Web Model Instance Compose Service / WMSS: Web Model Instance Storage Service WFS (TeOGC) Compor

Processador de Catálogo XML, Arquivos resultantes WMICS WMISS Processo de modelagem de distribuição de espécies Mapas Arquivos resultantes Aplicação Cliente WMCS WBCMS CatalogueProcessor Repositório Instância de Modelos dados de biodiversidade web services web services serviços web Metadados WMIPS Legenda: Aplicaçãocomponente WBCMS WS externo WMIPS: Web Model Instance Publisher Service / WMCS: Web Model Classifier Service WMICS: Web Model Instance Compose Service / WMSS: Web Model Instance Storage Service WFS (TeOGC) Classificar

Processador de Catálogo XML, Arquivos resultantes WMICS WMISS Processo de modelagem de distribuição de espécies Mapas Arquivos resultantes Aplicação Cliente WMCS WBCMS CatalogueProcessor Repositório Instância de Modelos dados de biodiversidade web services web services serviços web Metadados WMIPS Legenda: Aplicaçãocomponente WBCMS WS externo WMIPS: Web Model Instance Publisher Service / WMCS: Web Model Classifier Service WMICS: Web Model Instance Compose Service / WMSS: Web Model Instance Storage Service WFS (TeOGC) Armazenar

Processador de Acesso WBCMS Server Requisição Instância de Modelo Aplicação Cliente Repositório de Instâncias de Modelo Arquivos uploaded WMS AccessProcessor WMIQS Legenda: AplicaçãoComponente WBCMS WS externo WMIQS: Web Model Instance Query Service / WFS: Web Feature Service WMIRS: Web Model Instance Retrieve Service / WMS: Web Map Service WMIRS WFS (TeOGC)

Processador de Acesso WBCMS Server Requisição Instância de Modelo Aplicação Cliente Repositório de Instâncias de Modelo Arquivos uploaded WMS AccessProcessor WMIQS Legenda: AplicaçãoComponente WBCMS WS externo WMIQS: Web Model Instance Query Service / WFS: Web Feature Service WMIRS: Web Model Instance Retrieve Service / WMS: Web Map Service WMIRS WFS (TeOGC) Consultar

Processador de Acesso WBCMS Server Requisição Instância de Modelo Aplicação Cliente Repositório de Instâncias de Modelo Arquivos uploaded WMS AccessProcessor WMIQS Legenda: AplicaçãoComponente WBCMS WS externo WMIQS: Web Model Instance Query Service / WFS: Web Feature Service WMIRS: Web Model Instance Retrieve Service / WMS: Web Map Service WMIRS WFS (TeOGC) Recuperar

Processador de Modelo RequisiçãoMapa de Distribuição de Espécie Aplicação Cliente Repositório de Instâncias de Modelo OMWS WBCMS Server ModelProcessor WMRS Legenda: AplicaçãoComponente WBCMS WS externo WMRS: Web Model Run Service / OMWS: OpenModeller Web Service

Processador de Modelo RequisiçãoMapa de Distribuição de Espécie Aplicação Cliente Repositório de Instâncias de Modelo OMWS WBCMS Server ModelProcessor WMRS Legenda: AplicaçãoComponente WBCMS WS externo WMRS: Web Model Run Service / OMWS: OpenModeller Web Service Executar novos modelos

Arquitetura Geral do WBCMS WBCMS ModelProcessorAccessProcessorCatalogueProcessor Web Aplicações cliente Pesquisador Repositórios de Instâncias de Modelo Coleções de Biodiversidade WS_2WS_N Servidores de Mapas WS_1 Catálogo de Repositories WFS (TeOGC)

Arquitetura Geral do WBCMS WBCMS ModelProcessorAccessProcessorCatalogueProcessor Web Pesquisador Repositórios de Instâncias de Modelo Coleções de Biodiversidade WS_2WS_N Servidores de Mapas WS_1 Catálogo de Repositories WFS (TeOGC) Aplicações Cliente

Protótipo do WBCMS – Web Biodiversity Collaborative Modelling Services Projeto OpenModeller

Diagrama de Classes

Aplicação Cliente de Catálogo Resultados modelagem OpenModeller status msg Instâncias de Modelo WBCMSWBCMS Instância de Modelo Web Services Dados Biodiversidade Pesquisador

Aplicação Cliente de Acesso Instância de Modelo Instância de Modelo Query Pesquisador WBCMSWBCMS Instâncias de Modelo

Exemplo Publicação da modelagem de distribuição da espécie Euterpe edulis Mart. para responder à questão “Qual é a distribuição potencial da espécie Euterpe edulis Mart. no Brasil?” Luciana Satiko Arasato

Conclusões Hipótese O framework conceitual dos serviços web provê uma base para o desenvolvimento de ambientes colaborativos para modelagens de distribuição de espécies Nossos experimentos demonstraram a viabilidade de nossas propostas e idéias

Conclusões O conceito de instância de modelo apresentado aqui é apenas o primeiro passo em direção a uma definição de modelos científicos Nosso trabalho indica a necessidade para futuras pesquisas na área de “modelagem de modelos”, que investiga formas de descrever computacionalmente modelos científicos

Contribuições Arquitetura do WBCMS Permite o compartilhamento de experimentos em uma Rede de Modelagem de Distribuição de Espécies Habilita pesquisadores a executar novos modelos baseados em outros Permite a comparação de resultados Protótipo do WBCMS

Futuras Direções Descrever a estrutura da instância de modelo de maneira formal Investigar métricas de reputação para avaliar instâncias de modelo Desafios Científicos Investigar formas para descrição computacional de modelos científicos

Futuras Direções Melhorar a visualização de estatísticas de reutilização das instâncias de modelo Desafios Tecnológicos Habilitar o pesquisador a inserir modelos derivados como novas instâncias de modelos no repositório Implementar um plug-in para publicação e acesso de instâncias de modelo no openModeller Desktop Tornar os Web Biodiversity Collaborative Modelling Services (WBCMS) disponível

Publicações relacionadas à tese Periódicos Fook, K. D. ; Amaral, S. ; Monteiro, A.M.V. ; Câmara, G. ; Ximenes, A. C; Arasato, L. S. Making species distribution models available on the Web for reuse in biodiversity experiments: Euterpe edulis species case study. Aceito para publicação pela revista Sociedade & Natureza. Fook, K. D.; Monteiro, A. M. V.; Câmara, G., Casanova, M. A.; Amaral, S. Geoweb services for sharing modelling results in biodiversity networks. Submetido à revista Transactions in GIS, e encontra-se em processo de adequação às primeiras sugestões dos revisores.

Publicações relacionadas à tese Eventos Fook, K. D. ; Amaral, S. ; Monteiro, A.M.V. ; Câmara, G. Web Service for Cooperation in Biodiversity Modeling. In: DAVIS, C.; MONTEIRO, A. M. V., eds., Advances in Geoinformatics, Springer, 2007. p. 203-216. Fook, K. D. ; Amaral, S. ; Monteiro, A.M.V. ; Câmara, G. ; Casanova, M. A. Sharing executable models through an Open Architecture based on Geospatial Web Services: a Case Study in Biodiversity Modelling. In: X Brazilian Symposium on GeoInformatics - GEOINFO 2008, Rio de Janeiro. Fook, K. D. ; Monteiro, A. M. V. ; Câmara, G. ; Amaral, S.. Geospatial web services applied to Biodiversity Modelling. In: Conferência Científica Internacional Amazônia em Perspectiva: Ciência Integrada para um Futuro Sustentável, 2008, Manaus.

Referências  ALAMEH, N. Chaining geographic information web services. IEEE Internet Computing, v. 7, n.5, p. 22-29, 2003.  ALVAREZ, D.; SMUKLER, A.; VAISMAN, A. A. Peer-To-Peer Databases for e-Science: a Biodiversity Case Study. Proceedings 20th Brazilian Symposium onDatabases and 19th Brazilian Symposium on Software Engineering, 2005.  AULICINO, L. C. M. WISS - Serviço Web para Segmentação de Imagens: Especificação e Implementação.São José dos Campos: INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2006.  BERNARD, L.; EINSPANIER, U.; LUTZ, M.; PORTELE, C. Interoperability in GI Service Chains-The Way Forward. In: 6th AGILE Conference on Geographic Information Science. Muenster, 2003. p.  BIOGEOMANCER, 2005, Georeferencing reveals biological importance.(BioGeomancer)(Brief Article) GeoWorld.  DALTIO, J.; MEDEIROS, C. B. Aondê : An ontology Web service for interoperability across biodiversity applications. Information Systems, v. 33, p. 724–753, 2008.  FREW, J.; BOSE, R. Earth System Science Workbench: A Data Management Infrastructure for Earth Science Products. In: 13th International Conference on Scientific and Statistical Database Management (SSDBM). Virginia, USA, 2001. p. 180-189.  GIOIELLI, F. L. P. Tecnologias e padrões abertos para o domínio geográfico na Web: Um estudo em ecoturismo.São José dos Campos: INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2006.  GRANELL, C.; DÍAZ, L.; GOULD, M. Managing Earth Observation data with distributed geoprocessing services. In: International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS 2007). Barcelona, Spain, 2007. p.  HORTA, L. M.; GENTRY, M., 2008, Beija-flor User’s Guide: An Internet-based Approach for Sharing Scientific Data in LBA, LBA / INPE-CPTEC.

 JONES, A. C.; WHITE, R. J.; PITTAS, N.; GRAY, W. A.; SUTTON, T.; XU, X.; BROMLEY, O.; CAITHNESS, N.; BISBY, F. A.; FIDDIAN, N. J.; SCOBLE, M.; CULHAM, A.; WILLIAMS, P. BiodiversityWorld: An architecture for an extensible virtual laboratory for analysing biodiversity patterns. In: UK e-Science All Hands Meeting. Cox, S.J., Nottingham, UK, 2003. p. 759-765.  LEITE-JR, F. L.; BAPTISTA, C. S.; SILVA, P. A.; SILVA, E. R., 2007. WS-GIS: Towards a SOA-Based SDI Federation. In: DAVIS, C.; MONTEIRO, A. M. V., eds., Advances in Geoinformatics, Springer, p. 247-264.  PAHWA, J. S.; WHITE, R. J.; JONES, A. C.; BURGESS, M.; GRAY, W. A.; FIDDIAN, N. J.; SUTTON, T.; BREWER, P.; YESSON, C.; CAITHNESS, N.; CULHAM, A.; BISBY, F. A.; SCOBLE, M.; WILLIAMS, P.; BHAGWAT, S. Accessing Biodiversity Resources in Computational Environments from Workflow Applications. In: The Workshop on Workflows in Support of Large-Scale Science. 2006. p.  SANTANA, F. S. ; MURAKAMI, E. ; SARAIVA, A. M. ; BRAVO, C. ; CORREA, P. L. P.. Uma arquitetura de referência para sistemas de informação para modelagem de nicho ecológico. In: 6o. Congresso Brasileiro de Agroinformática, 2007, São Pedro, São Paulo. Proceedings - 6o. Congresso Brasileiro de Agroinformática, 2007.  SERIQUE, K. J. A.; SANTOS, J. L. C. D.; COSTA, F. S.; MAIA, J. M. F. Mo Porã –Um sistema gerenciador de repositórios distribuídos e colaborativos no ambiente cientifico da Amazônia. In: Simpósio Brasileiro em Sistemas Colaborativos (SBSC'07).Anais do XXVII Congresso da SBC. Rio de Janeiro, RJ - Brazil, 2007. p. 1801-1812.  SIQUEIRA, M. F. Uso de modelagem de nicho fundamental na avaliação do padrão de distribuição geográfica de espécies vegetais. São Carlos: USP - Universidade de São Paulo, 2005.Doutorado em Ciências de Engenharia Ambiental  SOUZA, V. C. O. D. Geoportal global para centros de imagens de sensoriamento remoto.São José dos Campos: INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2008.  WEBIOS, 2005, WeBios: Web Service Multimodal Tools for Strategic Biodiversity Research, Assessment and Monitoring Project, http://www.lis.ic.unicamp.br/projects/webios.  XAVIER, E. M. A. Serviços geográficos baseados em mediadores e padrões abertos para monitoramento ambiental participativo na Amazônia.São José dos Campos: INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2008.

Meu muito obrigada... A meu orientador, Dr. Antônio Miguel Vieira Monteiro, por acreditar que eu conseguiria realizar este trabalho, por seu constante estímulo, paciência e por ter criado as diversas oportunidades para meu crescimento intelectual e emocional. A meu orientador, Dr. Gilberto Câmara, por seus constantes ensinamentos, motivação, incondicional suporte, e por ter contribuído para o meu crescimento no mundo científico. Aos membros da banca examinadora, pelo cuidado que tiveram ao ler este documento e pelas sugestões oferecidas. A meu esposo Inaldo e às minhas filhas Iracema e Mayara, que me apoiaram incondicionalmente. Este trabalho não seria realizado sem o amor, o carinho, o incentivo, a paciência e a compreensão deles. A meus pais, Carlos (in memorian) e Benedita, por todo amor e dedicação. A meus irmãos Karina, Klauber e Karolyne pelo carinho, fé e amizade. A meus amigos Evaldinolia, Eveline, Jeane, Lourdinha, Ilka, Sérgio, Adair, Olga, Pedro, Emerson, Eduilson, Giovana, Missae, Joice, Gilberto Ribeiro e Elienê por todo carinho e amizade. Aos colaboradores Dra. Silvana Amaral e Dr. Marco Antônio Casanova por suas contribuições, que foram fundamentais para este trabalho. A Dra. Marinez Siqueira por ter utilizado o protótipo e pelas sugestões.

Meu muito obrigada...

Lençóis Maranhenses

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