logo
дипломная часть

3.3.3 Сравнительный анализ Arcgis и saga gis

Цена. Безусловно, самым привлекательным параметром открытого программного обеспечения ГИС является цена лицензии, которая, как правило, отсутствует. Однако необходимо отметить, что открытость не обязательно является синонимом бесплатности. В первом пункте определения открытого ПО явным образом прописано, что выбор платного или бесплатного способа распространения ПО остается за его авторами

Тем не менее, подавляющее большинство открытого ПО ГИС распространяется бесплатно. Редким примером исключения является расширение ZigGIS, позволяющее работать с базами данных PostGIS в ArcGIS Desktop. Исходный код этого ПО распространяется свободно для персонального использования и обучения, обеспечение, готовое к использованию и предназначенное для коммерческой эксплуатации, требует покупки лицензии. Несмотря на значительную разницу в цене лицензий на коммерческое и открытое ПО, необходимо учитывать, что общая стоимость производства и владения открытым ПО тем не менее не является нулевой. Вне зависимости от типа ПО в цену необходимо включать затраты на установку, техническую поддержку, обучение и другие связанные расходы. Преимущество открытого ПО заключается в отсутствии разницы между ценой производства и ценой использования. Хотя стоимость производства открытого ПО определяется аналогично стоимости производства проприетарного, формирование цены для пользователя принципиально различно (рис. 14).

Рис.14 Концептуальное сравнение процесса формирование цены продукта для пользователя и производителя

Показательным примером является проект внедрения открытой ГИС QGIS в деятельность правительства кантона Солотурн (Швейцария). По предварительным расчетам, экономия только на лицензиях составила порядка 150–200 тыс. дол. Однако при реализации проекта пришлось потратить весьма значительные средства (около 30 тыс. дол.) на доработку программного продукта. Большая независимость от разработчика. Открытые ГИС, как и открытое ПО в целом, отражают современную тенденцию уменьшения зависимости пользователя программного обеспечения от разработчика. Очевидно, что эта проблема относительна, поскольку продолжительный опыт использования ПО, открытого или закрытого, так или иначе приводит к выстраиванию вокруг него технологической линейки, цена перехода с которой может оказаться больше, чем экономия на приобретении нового ПО. Однако пользователю открытого ПО ГИС гарантирована возможность внесения необходимых изменений самостоятельно.

Отказ ESRI от поддержки определенных языков программирования (VBA, VB6 для ArcGIS 9.4) и программных пакетов целиком (ArcView GIS 3.x) рационален с точки зрения производителя и позволяет сконцентрировать усилия на перспективных направлениях развития. Однако подобные шаги могут вызвать недовольство пользователей, которые уже интегрировали эти продукты в свои технологические линейки и отработали их поддержку в рамках своих организаций. Зачастую пользователи могут быть заинтересованы не в новом ПО, а в продолжении эксплуатации старого. Открытое ПО ГИС в данном случае дает больше гарантий продолжения поддержки программного продукта, в том числе самим пользователем.

Модель разработки. Открытость делает разработку ГИС более эффективной, главным образом за счет высокой модульности и использования готовых программных компонент. Для интерфейса часто используется QT, возможность обслуживания многочисленных векторных и растровых форматов обеспечивается GDAL/OGR, геометрические операции, как правило, реализуются на базе библиотеки GEOS/GeoTools. В последнее время в отдельные проекты выделяются и другие компоненты, необходимые в ГИС, например, расстановка подписей (PAL), проекционные преобразования (Proj.4), высококачественный рендеринг (AGG). Подобная модульность позволяет сфокусироваться на максимально эффективной реализации желаемого функционала и избежать повторной разработки уже существующего. Классическим доказательством эффективности такого подхода является библиотека абстракций GDAL/OGR, используемая для работы с более чем 100 растровыми и 30 векторными форматами не только практически во всех открытых ГИС, но и в проприетарных решениях, например, ArcGIS (модуль Inter-operability) и Google Earth. Однако сложность лицензионной ситуации, когда различные компоненты порой используют конфликтующие между собой лицензии, может затруднить развитие и распространение программного продукта на основе этих компонент.

Одним из положительных эффектов использования инструментария QT и Java является в целом лучшая кроссплатформенность открытых ГИС, способных работать под Windows, Mac OS, Linux. Однако это не обязательно верно для отдельных представителей семейства открытых ГИС.

Инновации. Быстрые темпы создания, привлечение разработчиков со всего мира и высокая модульность стимулируют инновационный характер открытого ПО. Внедрение новых, часто не совсем отработанных технологий не встречает противодействия, а скорее приветствуется. Так, поддержка весьма распространенных открытых баз пространственных данных PostGIS появилась в коммерческом ПО ГИС MapInfo и ArcGIS сравнительно недавно. Открытые же ГИС взаимодействуют с этими базами данных по меньшей мере 3–4 года. Быстрый рост функциональности порой негативно влияет на надежность и удобство пользования приложением, но это может быть скомпенсировано дополнительным тестированием широким сообществом пользователей.

Долгосрочный контроль ситуации. Многие из перечисленные выше преимуществ открытого ПО ГИС могут быть отнесены и к проприетарным программам при условии их качественного выбора. Однако полный контроль над продуктом в долгосрочной перспективе может предоставить только открытое ПО. Насколько нужен пользователю этот контроль, он должен решить сам.

Текущие проблемы

Функциональность и производительность. Недостаточная функциональность — ключевая проблема открытых ГИС, мешающая их массовому внедрению и обусловленная сравнительной молодостью отрасли и относительно небольшим числом разработчиков. В качестве примеров можно упомянуть отсутствие открытой реализации хранилища растровых данных (разработка ведется для PostGIS — WKTRaster), экзотичность форматов (ГИС GRASS наиболее эффективно работает со своими растровым и векторным форматами данных), слабо отлаженную поддержку ОС Windows (также ГИС GRASS). Открытые ГИС испытывают некоторые сложности при работе с большими наборами данных, расширенной символикой, им часто не хватает функциональности для подготовки высококачественных картографических произведений. Хотя разработчиками некоторых открытых ГИС делаются попытки копировать успешный пользовательский интерфейс (например, gvSIG и ArcView GIS), в целом открытое ПО ГИС в этом отношении является несколько более сложным в освоении, чем специально отлаживаемые «под пользователя» проприетарные решения.

Сложность лицензирования. Открытость кода не означает беззащитности интеллектуальной собственности его разработчиков. Они могут выбрать стратегию обеспечения открытости производных продуктов или отказаться от требования открыть исходный код производных продуктов. Осуществляется это посредством выбора лицензии, под которой распространяется продукт. Налагаемое условие может быть недостатком с точки зрения организаций, извлекающих коммерческую выгоду из распространения программного обеспечения. Так, ArcGIS или любой проприетарный продукт в большинстве случаев не может заимствовать исходный код открытого ПО ГИС, распространяемого под лицензией GPL, поскольку это потребует ее распространения и на продукт, использующий фрагменты исходного кода (так называемая вирусность лицензии). На продукты, использующие лицензии типа BSD (например, GDAL), накладываются менее строгие обязательства, которые в основном ограничиваются требованием четко указывать авторство кода, что, как показывает практика, приводит к их более широкому распространению. Однако такая «самоотверженность» является скорее исключением, чем правилом. В целом использование открытого кода в приложениях, планируемых к широкому распространению на коммерческой основе, требует предварительного анализа лицензионной ситуации.

Поддержка и надежность в целом. Несмотря на наличие больших и активных сообществ пользователей, их участники могут, но вовсе не обязаны предоставлять помощь в разрешении проблем с конкретным продуктом. Поддержка корпоративных пользователей пока слабо развита, число компаний, предоставляющих такие услуги, невелико даже за рубежом, в РФ они отсутствуют. Важность стабильности ПО ГИС осознается его разработчиками, которые все чаще прибегают к политике поддержки двух версий, одна из которых находится на пике возможностей и включает все новинки, а другая ограничена на предмет введения новых элементов в угоду стабильности и ориентирована на интенсивную работу над ошибками.

Встраиваемость в технологические процессы. При всех своих достоинствах открытое пользовательское ПО ГИС в целом является достаточно молодым, что признается его разработчиками и пользователями. На практике это выражается в неготовности организаций применять его для решения производственных задач. Отсутствие примеров успешного использования открытого ПО ГИС в технологических процессах приводит к неохотному его внедрению из-за «неизвестности». Помочь определиться с выбором открытой ГИС призваны проекты, подобные CASCADOSS, оценивающие основные открытые ГИС по более чем 50 параметрам с точки зрения их маркетингового, экономического и технологического потенциала. Однако в условиях интенсивного развития продуктов подобная информация быстро устаревает.

Модель бизнеса с использованием открытых ГИС

Как отмечают аналитики CNET (популярный интернет-портал, отслеживающий новые поступления и события в сфере высоких технологий), рост числа открытых решений обусловлен не столько альтруистическим настроем их создателей, сколько чисто прагматическими причинами. Открывая компоненты до того, как это сделают конкуренты, компании выравнивают баланс сил и противодействуют монополиям, лишая их возможности поглотить перспективные компании или технологии.

Попытаемся разобраться в причинах появления на рынке открытого ПО. Во многом они обусловлены движением от вертикально интегрированного бизнеса (компании контролируют все аспекты производства и распространения) к горизонтальному (компании сосредотачивают свои усилия на узких направлениях, полагаясь в остальном на содействие других специализированных компаний). Можно выделить три модели, отражающие различные условия проникновения на рынок открытых программных продуктов, — перезрелости, ориентированности на стандарты и ориентированности на инновации

Модель перезрелости реализуется в условиях жестко поделенного рынка, когда его основную долю зачастую занимает единственный коммерческий продукт. По мере роста популярности продукта его концептуальная модель и функциональные возможности начинают все более укореняться в сознании пользователя как единственно возможные для любой программы данной категории. Соответственно, базовым требованием к новому товару является воспроизведение определенного набора функций. Однако, как показывает практика, при соблюдении этого принципа ему очень сложно отвоевать хотя бы незначительную часть рынка даже при более низкой цене. Одним из возможных выходов из сложившейся ситуации является выпуск нового продукта под открытой лицензией, так как большинство пользователей отдадут предпочтение открытому продукту, сопоставимому по функциональным возможностям с коммерческим решением, но не требующему регулярных лицензионных отчислений (примером может служить Quantum GIS в качестве альтернативы ArcView).

Модель ориентированности на стандарты реализуется при наличии стандартов, отвечающих за соблюдение требований к программным продуктам определенного класса. В этом случае решения различных производителей становятся совместимыми друг с другом, обеспечивая равные условия конкуренции для коммерческого и открытого ПО (например, PostGIS как альтернатива ArcSDE).

Модель ориентированности на инновации реализуется при появлении на рынке продукта, не имеющего прямого конкурента в коммерческом секторе. В этом случае выпуск его под открытой лицензией также имеет ряд преимуществ (примером может служить GRASS). Рис. 3 иллюстрирует преимущества открытого ПО как для компаний, занимающихся его распространением, так и для конечных пользователей. Кривая спроса отражает потенциальное количество покупателей, готовых приобрести решение при некоторой цене, которая складывается из цены программного и аппаратного обеспечения и цены технической поддержки. Отчетливо видно, что при переходе от закрытого ПО к открытому продавец ИТ-решений (системный интегратор) имеет возможность снизить его цену, тем самым увеличив потенциальное количество покупателей и, соответственно, доход. Покупатель же при равной цене может приобрести ИТ-решение на базе открытого ПО, уже включающее в себя некоторый объем техподдержки, или на базе коммерческого продукта, но без техподдержки.

Рис 15. Границы сбыта и количество потенциальных покупателей в случае использования: a) проприетарного ПО; б) от крытого ПО

Даже успешные открытые программные продукты требуют технической поддержки и консультационных услуг. Именно на это и ориентируются компании, зарабатывающие на открытом ПО, основной доход которым приносит продажа не продукта, а услуг по его поддержке ( http://s3.cleverelephant.ca/geoworld-ramsey-2002-08.pdf ). В табл. 5 приведен список услуг американской компании OpenGeo, занимающейся поддержкой открытого ПО ГИС ( GeoServer, PostGIS, OpenLayers, GeoExt, GeoWebCache; http://opengeo.org/products/suite/matrix/factsheet_v8.pdf ). Услуги разнесены по трем уровням поддержки: базовый рассчитан в основном на организации, которым необходимо внедрить открытое ПО ГИС в бизнес-процессы, профессиональный и промышленный ориентированы на компании, уже использующие открытое ПО ГИС, поэтому включают в себя услуги по обновлению, разработке нового или модификации имеющегося ПО и конфигурированию оборудования.

Рис.16 Сравнение программ поддержки открытого ПО ГИС компании OpenGeo

Среди компаний, предоставляющих коммерческую поддержку открытому ПО ГИС, можно назвать еще DM Solutions Group (поддерживающую картографический Web-сервер UMN MapServer, и Refractions Research), оказывающую услуги по поддержке проектов, построенных на базе собственной открытой разработки PostGIS.

Вывод

Открытые пользовательские ГИС находятся еще на стадии взросления, но, безусловно, заслуживают внимания и учета в долгосрочном планировании, гарантируя существенную экономию на лицензиях, инновационность и эффективность разработки за счет использования готового программного кода. Открытые ГИС не отвечают на все вопросы и, по мнению авторов статьи, не ставят под угрозу существование проприетарных программных продуктов, но обеспечивают лучшие условия конкуренции. С одной стороны, использование такого ПО выгодно для небольших компаний, некоммерческих и общественных объединений, исследовательских, государственных и прочих организаций с многочисленными филиалами, где достаточно ограниченной функциональности. С другой стороны, открытые ГИС представляют собой инструмент конкурентной борьбы для компаний, чья основная прибыль не связана с продажами ПО (например, компаний-интеграторов). Использование открытых ГИС способно заметно уменьшить расходы и усилить конкурентные возможности. Тем не менее, ряд недостатков открытого ПО ГИС пока препятствует немедленному его внедрению в организациях в качестве основного. С улучшением поддержки открытых ГИС, развитием участия отечественных разработчиков в международных проектах и ростом общего уровня знания проблематики ГИС ситуация будет меняться в лучшую сторону. Важным начинанием могли бы стать пилотные проекты, показывающие уровень готовности открытых ГИС к реальной работе.

3.4. Создание карт бассейна реки Есиль c помощью программного комплекса ArcGIS

3.4.1 Алгоритм моделирования бассейна реки Есиль

Данный алгоритм предполагает обработку цифровой модели рельефа (ЦМР) функциями дополнительного модуля ArcGidro программного обеспечения ArcGis.

Рис.17 Алгоритм моделирования стока

Шаг1. В качестве цифровой модели рельефа использовалось данные полученные по результатам работы международной миссии SRTM (Shuttle radar topographic mission), которая проводилась 2000-2003 годах с целью получения данных цифровой модели рельефа (ЦМР) территории всей Земли (рис 18).

Рисунок 18. Цифровая модель рельефа северной части Казахстана

Для уменьшения объёма обрабатываемых данных, с мозаики ЦМР была оставленная только та территория, на которой размещается бассейн р.Есиль.(рис.19)

Рис.19 Цифровая модель рельефа на территорию бассейна реки Есиль

Шаг2. Удаления небольших ошибок и неточностей в растре поверхности рельефа. Для удаления небольших ошибок и неточностей в растре поверхности рельефа применяется функция Fill (Заполнение).

Локальные понижения (и пики) зачастую представляют собой небольшие ошибки, возникающие из-за разрешения данных или округления высот до ближайшего целого значения.

Локальные понижения должны быть заполнены для обеспечения более корректного выделения бассейнов и водотоков. Если локальные понижения не заполнены, выделенная дренажная сеть может иметь разрывы (рисунок 3,4,-7).

Инструмент Заполнение (Fill) использует эквиваленты нескольких инструментов, таких как Фокальный сток (Focal Flow), Направление стока (Flow Direction), Локальное понижение (Sink), Водосборная область (Watershed) и Заполнение зон (Zonal Fill) для обнаружения и заполнения локальных понижений. Выполнение инструмента - это итеративный процесс, который повторяется до тех пор, пока не будут заполнены все локальные понижения с учетом заданного ограничения по Z (по высоте). По мере того, как локальные понижения заполняются, на границе заполняемых зон могут создаваться новые локальные понижения, которые будут удалены во время следующей итерации.

Рис. 20 Профиль локального понижения до и после запуска инструмента Заполнение

Инструмент может также использоваться для удаления локальных повышений, которые являются ложными ячейками с высотой, большей, чем можно было бы ожидать, учитывая тренд окружающей поверхности.

Риc. 21 Профиль пика до и после запуска инструмента Заполнение

Рис. 22 ЦМР до и после применения операции заполнения (Fill)

Например, рассмотрим область локального понижения, где точка устья находится в 210 футах по высоте, а самая глубокая точка локального понижения – 204 фута (то есть разница составляет 6 футов). Если ограничение по z равно 8, это конкретное локальное понижение будет заполнено. Однако, если ограничение по z равно 4, это локальное понижение не будет заполнено, поскольку глубина понижения превышает разницу и оно будет считаться допустимым понижением.

Шаг3. Имея уточненное векторное покрытие реки Есиль на территорию Казахстана, которое было получено путем оцифровки космических снимков за период март-апрель 2014 года со спутника дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Landsat 8 OLI, выполняем операцию “врезания” в ЦМР (Assign Stream Slope). Такая операция корректирует ЦМР с учетом априорных данных о гидрографии.

Корректируем ЦМР с учетом априорных данных о гидрографии, получено путем оцифровки космических снимков за период март-апрель 2014 года со спутника дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Landsat 8 OLI (Вырезка Б)

Рис 22.Уточнение ЦМР с учетом имеющих данных о гидрографии

Шаг4.Функция Fill (Заполнение). Удаления небольших ошибок и неточностейв растре поверхности рельефа вызванных в ходе выполнения шага 3.

Шаг5. Построение растр поверхности направления стока. Для построения растра поверхности направления стока используется операция Flow Direction (Направление стока).

По результатам выполнения этой операции создается растр направления стока, где каждая ячейка (пиксель) содержит информацию о количестве направлений стока протекающих через данную ячейку (рисунок 6).

Рис. 23 Представление выполнения операции расчета направления стока

Этот инструмент использует поверхность в качестве входных данных и выдает растр, показывающий направление стока каждой ячейки.

Расстояние вычисляется между центрами ячеек. Следовательно, если размер ячейки принять за единицу, расстояние между двумя ортогональными ячейками будет равно 1, а расстояние между диагональными ячейками - 1,414 (квадратный корень из 2). Если максимальное понижение высоты до ближайших ячеек одинаково в нескольких направлениях, область соседства расширяется до тех пор, пока не будет найден самый крутой спуск.

Если найдено направление самого крутого понижения, выходной ячейке дается значение, представляющее это направление.

Если все соседние ячейки выше, чем обрабатываемая ячейка, такая ячейка будет рассматриваться как ошибка в данных; она должна быть заполнена до минимального значения высоты соседних ячеек. Сток будет осуществляться в эту ячейку. Однако в том случае, если локальное понижение размером в одну ячейку расположено на физическом краю растра, или в ее окрестностях есть хотя бы одна ячейка со значением NoData (нет данных), заполнения не происходит из-за недостаточной информации по соседним ячейкам. Чтобы ячейка могла рассматриваться как истинное локальное понижение размером в одну ячейку, для нее должна быть информация по всем соседним ячейкам.

Рис. 24 Растровое покрытие направления стока

Если сток из двух ячеек осуществляется друг в друга, они являются локальными понижениями с неопределенным направлением стока.

Ячейки, которые являются локальными понижениями, определяются с помощью инструмента Локальное понижение (Sink). Чтобы получить точное представление направления стока по поверхности, нужно заполнить локальные понижения до использования растра направления стока.

Шаг6. Суммарный сток. Суммарный сток создается путем выполнения операции Flow Accumulation. Растр поверхности суммарного стока строится на основании поверхности уклона, то есть растра поверхности направления стока, полученного на предыдущем шаге.

Инструмент Суммарный сток (Flow Accumulation) вычисляет суммарный сток как суммарный вес всех ячеек, впадающих в каждую ячейку вниз по склону выходного растра. Если не предоставлено растра весов, каждой ячейке назначается вес 1, а значением ячеек выходного растра является количество ячеек, впадающих в каждую ячейку.

На рисунке 6 наверху слева изображено направление перемещения из каждой ячейки, а на правом верхнем рисунке - количество ячеек, впадающих в каждую ячейку.

Рис. 25 Определение суммарного стока

Ячейки с высоким суммарным стоком - это участки концентрированного стока; они могут быть использованы для определения русел водотоков. Это описано в разделе Определение сетей водотоков. Ячейки с суммарным стоком, равным нулю, - это локальные топографические пики; они могут быть использованы для выделения хребтов или линий водораздела.

Рис. 26 Суммарный сток на территорию бассейна р.Есиль

Примером использования инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) с входным растром весов может служить определение количества дождевых осадков, попадающих в заданный бассейн. В таком случае входной растр весов может быть непрерывным растром, представляющим среднее количество дождевых осадков за определенный период. Выходные данные инструмента будут представлять количество осадков, протекающее через каждую ячейку, при допущении, что весь выпавший дождь стекает по поверхности и не существует перехвата осадков, нет испарения, и осадки не просачиваются в грунтовые воды. Этот процесс можно также рассматривать как количество дождевых осадков, которые выпадают на поверхность земли выше по склону относительно каждой ячейки.

Шаг 7. Идентификация ячеек водотока со значениями суммарного стока выше заданного (Stream Definition). Результаты выполнения инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) могут быть использованы для создания сети водотоков путем применения порогового значения для выбора ячеек с высоким суммарным стоком. Это выполняется с помощью функции Stream Definition.

Значение порога определяется либо как число клеток (по умолчанию 1%) всего растра или по площади водосбора в квадратных километрах.

Шаг 8. Идентификация водотоков.Идентификация водотоков выполняется с помощью функции Stream Segmentation (Сегментация потока). Результатом этой функции является растровая поверхность сегментов потока, с присвоенной уникальной идентификацией.

Идентифицируемые сегменты водотоков - это фрагменты дренажной сети между двумя последовательными соединениями, между соединением и устьем или между соединением и истоком.

Рис.27 Иллюстрация связей канала водотоков

Шаг.9 Операция Catchment Grid Delineation создает растровое покрытие водосборных территорий каждого потока.

Рисунок 28. Растровое покрытие водосборных территорий каждого потока

Шаг.10 Операция Catchment Polygon Processing создает векторное покрытие водосборных территорий каждого потока.

Рис. 29 Векторное покрытие водосборных территорий каждого потока

Шаг.11 Операция Adjoint Catchment Processing создает векторное покрытие

Рис.30 Векторное покрытие сети водотоков и водосборных территорий

Рис.31 Выделение бассейна реки Есиль

66