Гидрологические параметры реки Есиль

Таблица 1 Характеристика стока бассейна реки Есиль

 

Гидрологические параметры реки Есиль

 

Есиль относится к типу рек с исключительно снеговым питанием, дающим более 80 % годового стока. Режим реки отмечается ярко выраженным весенним половодьем, начало которого обычно приходится на 10-12 апреля, а пик - на третью декаду апреля, и длинной устойчивой меженью. Спад половодья растягивается до середины июля.

 

Таблица 2

Среднегодовой и максимальный расход воды в р. Есиль у г. Астаны

 

Годы Высота см* Максимальный расход, м3/сек Среднегодовой расход, м3/сек
122.0
75.9
98.8
110.0
70.3
* -средняя высота подъема уровня 696 см ** - данные последующих лет отсутствуют

 

Наибольший уровень в году (более 10 м), максимальный среднегодовой расход воды у г. Астаны при высоких половодьях с 1936 года. В особо многоводные годы уровень воды поднимается на 10-11 м над нулем графика у нижнего бьефа плотины Вячеславского водохранилища. За нуль графика принят уровень 86,4 метров БС (Балтийской системы). Выход воды на пойму происходит при подъеме воды на 940 см и выше. Выше в таблице 1 приведены значения максимальных подъемов уровня воды р. Есиль у г. Астаны при самых высоких половодьях, максимальных и среднегодовых расходов воды за несколько десятилетий.

В 80-90-е годы повторяемость наиболее высоких половодий, превышающих 10-метровую отметку, возросла: если за 30 лет, с 1936 по 1965 гг., таких случаев было 4, то за последующее 30-летие их наблюдалось 9, причем все они приходятся на период с 1985 г. В 1994 г. уровень подъема превысил 11 м, это максимальная отметка за весь период наблюдений.

Летне-осенняя межень продолжается от середины июля до середины октября. Плоский характер водосбора с множеством замкнутых понижений, малые уклоны русла реки и значительные ёмкости в пойме не способствуют повышению уровня воды в реке за счет летне-осенних дождей. Переход от летне-осенней межени к зиме не сопровождается падением уровня, а наоборот, процессы ледообразования на перекатах суживают течение и создают подпор для вышерасположенных плесов, от чего уровни на них несколько повышаются. Отчасти это объясняется и тем, что фронт льдообразования на реке продвигается против течения, т.е. с севера на юг.

Питание за счет притока подземных вод и водоотдачи поймой на участке в границах области незначительно, однако достаточно для поддержания постоянного стока воды в реке в течение летне-осенне-зимней межени. За время наблюдений отмечено пересыхание реки в 1937 году и перемерзание в 1936 - 39 и 1986 гг.

Среднемноголетняя величина среднегодового расхода р. Есиль у г. Астаны, рассчитанная по наблюдениям за 100 лет, составляет 76,0 м3/сек, по годам она значительно меняется. За этот период всего 8 раз среднегодовой расход был близок к этой величине. В 35 случаях он был выше нормы, до 280,0 м3/сек в 1908 году, и в 58 случаях - ниже нормы, уменьшаясь до 1,57 м3/сек в 1968 году. В течение столетия выделяется несколько периодов повышенной и пониженной водности.

Средний многолетний годовой сток бассейна р. Есиль составляет около 2,23 км3. Ледостав наступает во второй половине ноября, продолжительность ледостава 5 месяцев. Есиль относится к рекам с повышенной минерализацией воды, что обусловлено засушливостью климата водосборного бассейна и высокой солёностью подземных вод, подпитывающих реку. Минерализация р.Есиль меняется в зависимости от сезона и достигает 500-800 г/л в меженные периоды, вода жесткая. Кислородный режим удовлетворительный.

С 60-х годов сток регулируется водохранилищами - Вячеславским, Сергеевским, Петропавловским. Река Есиль - самая крупная водная артерия Северо-Казахстанской и Акмолинской областей и основной источник водоснабжения. В целом река маловодна, особую озабоченность вызывает прогрессирующее уменьшение ее стока в летний период, когда настолько понижается уровень реки, что местами обнажаются мелководные участки дна, несмотря на зарегулированность ее водохранилищами [14].


 

3.Использование ГИС для решения прблем хозяйственного и рекреационного назначения.

 

3.1 Построение цифровой модели рельефа по данным радарной топографической съемки SRTM

 

Цифровые модели рельефа (ЦМР) – одна из важных моделирующих функций геоинформационных систем, включающая две группы операций, первая из которых обслуживает решение задач создания модели рельефа, вторая – её использование.

Данный вид продукции является полностью трехмерным отображением реального рельефа местности на момент производства съемочных работ, что позволяет использовать его для решения различных прикладных задач, например: определение любых геометрических параметров рельефа, построение профилей поперечного сечения; проведение проектно-изыскательских работ;мониторинг динамики рельефа; вычисление геометрических характеристик (площади, протяженности, периметра) с учетом рельефа для нужд архитектуры и городского планирования; инженерных изысканий, картографии, навигации; расчет крутизны склонов, мониторинга и прогнозирование геологических и гидрологических процессов; расчет освещенности и ветрового режима для архитектуры и городского планирования, инженерных изысканий, экологического мониторинга; построение зон видимости для телекоммуникационных и сотовых компаний, архитектуры и городского планирования. Кроме того, ЦМР широко используются для визуализации территории в виде трехмерных изображений, тем самым, предоставляя возможность для построения виртуальных моделей местности (ВММ).

Традиционными источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат топографические карты, данные дистанционного зондирования (ДДЗ), данные спутниковых систем позиционирования, геодезических работ; данные промерных работ и эхолотирования, материалы фототеодолитной и радиолокационной съемки.

В настоящее время в некоторых развитых странах созданы национальные ЦМР, например, на территорию США, Канады, Дании, Израиля и других стран. На территорию РФ в настоящее время общедоступные данные подобного качества отсутствуют.

Альтернативным источником данных о высотах являются свободно распространяемые данные SRTM (Shuttle radar topographic mission), доступные на большую часть территории земного шара с разрешением модели 90 м. В данной дипломной работае будет применяться данные SRTM

версии 3.0.

 

3.1.1 Понятие цифровые модели рельефа (ЦМР)

 

Одним из существенных преимуществ технологий географических информационных систем над обычными «бумажными» картографическими методами, является возможность создания пространственных моделей в трёх измерениях. Основными координатами для таких ГИС-моделей, кроме привычных широты и долготы будут служить также данные о высоте. При этом система может работать с десятками и сотнями тысяч высотных отметок, а не с единицами и десятками, что было возможно и при использовании методов «бумажной» картографии. В связи с доступностью быстрой компьютерной обработки громадных массивов высотных данных становиться реально выполнимой задача создания максимально реальной цифровой модели рельефа (ЦМР) [1].

Под цифровой моделью рельефа принято понимать средство цифрового представления трёхмерных пространственных объектов (поверхностей, или рельефов) в виде трёхмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубины) и иных значений координаты Z, в узлах регулярной или непрерывной сети или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний. ЦМР – это особый вид трёх мерных математических моделей, представляющих собой отображение рельефа как реальных, так и абстрактных поверхностей [2].

История создания ЦМР

Изображение рельефа издавна интересовало людей. На древнейших картах крупные формы рельефа отображались как неотъемлемая составляющая ландшафта и как элемент ориентирования. Первым способом отображения рельефа были перспективные знаки, показывающие горы и холмы; однако еще с восемнадцатого столетия началась активная разработка новых, все более сложных способов. Перспективный способ с штриховой прорисовкой представлен на карте Пиренейских гор (1730 г.). Цвет для оформления пластики рельефа впервые был применен в Атласе кампании российских войск в Швейцарии (1799 г.). Первые эксперименты по созданию ЦМР относятся к самым ранним этапам развития геоинформатики и автоматизированной картографии первой половины 1960-х гг.. Одна из первых цифровых моделей рельефа местности была изготовлена в 1961 г. на кафедре картографии Военно-инженерной академии. Впоследствии были разработаны методы и алгоритмы решения различных задач, созданы мощные программные средства моделирования, крупные национальные и глобальные массивы данных о рельефе, накоплен опыт решения с их помощью разнообразных научных и прикладных задач. В частности, большое развитие получило применение ЦМР для военных задач [3].

 

 

3.1.2 Виды ЦМР

 

Наиболее широко распространённые представления поверхностей в ГИС являются растровое представление и модели TIN. Исходя из этих двух представителей исторически выделились две альтернативные модели ЦМР: основанные на чисто регулярных (матричных) представлениях поля рельефа отметками высот и структурные, одной из наиболее развитых форм которых являются модели на основе структурно-лингвистического представления.

Растровая модель рельефа – предусматривает разбиение пространства на далее не делимые элементы (пиксели), образуя матрицу высот – регулярную сеть высотных отметок. Подобные цифровые модели рельефа создаются национальными картографическими службами многих стран. Регулярная сеть высот представляет собой решетку с равными прямоугольниками или квадратами, где вершины этих фигур являются узлами сетки (рис 1-3).

Рис. 1. Увеличенный фрагмент модели рельефа показывающий растровую структуру модели [1].

 

Рис. 2 Отображение регулярной модели сети высот на плоскости [1].

 

Рис. 3 Трёхмерная модель рельефа окрестностей пос. Коммунар (Хакасия), построенная на основе регулярной сети высот /1/

 

Одним из первых пакетов программ, в котором была реализована возможность множественного ввода различных слоёв растровых ячеек, был пакет GRID (перевод с англ. – решетка, сетка, сеть), созданный в конце 1960-х гг. в Гарвардской лаборатории машинной графики и пространственного анализа (США). В современном широко распространённом ГИС-пакете ArcGIS растровая модель пространственных данных также носит название GRID. В другой популярной программе для расчёта ЦМР – Surfer регулярная сеть высот также именуется GRID, файлы такой ЦМР имеют формат GRD, а расчёт подобной модели называется Gridding.

При создании регулярной сети высот (GRID) очень важно учитывать плотность сетки (шаг сетки), что определяет её пространственное разрешение. Чем меньше выбранный шаг, тем точнее ЦМР – выше пространственное разрешение модели, но тем больше количество узлов сетки, следовательно, больше времени требуется на расчет ЦМР и больше места на диске. Например, при уменьшении шага сетки в 2 раза объём компьютерной памяти, необходимой для хранения модели, возрастает в 4 раза. Отсюда следует, что надо найти баланс. К примеру, стандарт на ЦМР Геологической съемки США, разработанный для Национального цифрового картографического банка данных, специфицирует цифровую модель рельефа как регулярный массив высотных отметок в узлах решетки 30х30 м для карты масштаба 1:24 000. Путем интерполяции, аппроксимации, сглаживания и иных трансформаций к растровой модели могут быть приведены ЦМР всех иных типов. [4]

Среди нерегулярных сеток чаще всего используется треугольная сеть неправильной формы – модель TIN. Она была разработана в начале 1970-х гг. как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек. В 1970-е гг. было создано несколько вариантов данной системы, коммерческие системы на базе TIN стали появляться в 1980-е гг. как пакеты программ для построения горизонталей. Модель TIN используется для цифрового моделирования рельефа, при этом узлам и ребрам треугольной сети соответствуют исходные и производные атрибуты цифровой модели. При построении TIN-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники (рис 4).

 

Рис. 4 Условие триангуляции Делоне. [4]

 

В пределах каждого треугольника модели TIN поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной поверхности точное прилегание к смежным участкам.

 

Рис.5. Трёхмерная модель рельефа построенная на основе нерегулярной триангуляционной сети (TIN). [1]

 

Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек (рис 5-6).

 

Рис. 6. Увеличенный фрагмент модели рельефа на рис. 5, показывающий треугольную структуру модели TIN. [1]

 

Основным методом расчёта TIN является триангуляция Делоне, т.к. по сравнению с другими методами она обладает наиболее подходящими для цифровой модели рельефа свойствами: имеет наименьший индекс гармоничности как сумму индексов гармоничности каждого из образующих треугольников (близость к равноугольной триангуляции), свойства максимальности минимального угла (наибольшей невырожденности треугольников) и минимальности площади образуемой многогранной поверхности.

Поскольку и модель GRID, и модель TIN получили широкое распространение в географических информационных системах и поддерживаются многими видами программного обеспечения ГИС, то необходимо знать достоинства и недостатки каждой модели, чтобы правильно выбрать формат хранения данных о рельефе. В качестве плюсов модели GRID следует отметить простоту и скорость её компьютерной обработки, что связано с самой растровой природой модели. Устройства вывода, такие как мониторы, принтеры, плоттеры и пр., для создания изображений используют наборы точек, т.е. также имеют растровый формат. Поэтому изображения GRID легко и быстро выводятся на такие устройства, так как на компьютерах легко выполнить расчёт для представления отдельных квадратов регулярной сети высот с помощью точек или видеопикселов устройств вывода.

Благодаря своей растровой структуре модель GRID позволяет «сгладить» моделируемую поверхность и избежать резких граней и выступов. Но в этом кроется и «минус» модели, т.к. при моделировании рельефа горных районов (особенно молодых – например, альпийской складчатости) с обилием крутых склонов и остроконечных вершин возможна потеря и «размывание» структурных линий рельефа и искажение общей картины. В подобных случаях требуется увеличение пространственного разрешения модели (шага сетки высот), а это чревато резким ростом объёма компьютерной памяти, необходимой для хранения ЦМР. Вообще, как правило, модели GRID занимают больше места на диске, чем модели TIN. Чтобы ускорить отображение больших по объёму цифровых моделей рельефа применяются различные методы, из которых наиболее популярный – построение так называемых пирамидальных слоёв, позволяющих при разных масштабах использовать различные уровни детальности изображения. Таким образом, модель GRID идеально подходит для отображения географических (геологических) объектов или явлений, характеристики которых плавно изменяются в пространстве (рельеф равнинных территорий, температура воздуха, атмосферное давление, пластовое давление нефти и т.п.). Как было отмечено выше, недостатки модели GRID проявляются при моделировании рельефа молодых горообразований. Особенно неблагополучная ситуация с использованием регулярной сети высотных отметок складывается, если на моделируемой территории чередуются обширные выровненные участки с участками уступов и обрывов, имеющими резкие перепады высот, как, например, в широких разработанных долинах крупных равнинных рек (рис. 7). В таком случае на большей части моделируемой территории будет «избыточность» информации, т.к. узлы сетки GRID на плоских участках будут иметь одни и те же высотные значения. Но на участках крутых уступов рельефа размер шага сетки высот может оказаться слишком большим, а, соответственно, пространственное разрешение модели – недостаточным для передачи «пластики» рельефа.

 

Рис. 7 Фрагмент трёхмерной модели рельефа долины Томи (красной стрелкой показан уступ второй надпойменной террасы на левобережье, высокий уступ на правобережье – склон междуречной равнины). Вертикальный масштаб в пять раз крупнее горизонтального [2].

 

Подобных недостатков лишена модель TIN. Поскольку используется нерегулярная сеть треугольников, то плоские участки моделируются небольшим числом огромных треугольников, а на участках крутых уступов, там, где необходимо детально показать все грани рельефа, поверхность отображается многочисленными маленькими треугольниками (рис. 8). Это позволяет более эффективно использовать ресурсы оперативной и постоянной памяти компьютера для хранения модели.

 

Рис. 8 Нерегулярная сеть треугольников [1].

 

К числу «минусов» TIN следует отнести большие затраты компьютерных ресурсов на обработку модели, что существенно замедляет отображение ЦМР на экране монитора и вывод на печать, т.к. при этом требуется растеризация. Одним из решений этой проблемы может быть введение «гибридных» моделей, сочетающих структурные линии TIN и способ отображения в виде регулярного набора точек. Ещё один существенный недостаток модели TIN – «эффект террас»,выражающийся в появлении так называемых «псевдотреугольников» – плоских участков в заведомо невозможной геоморфологической ситуации (например, по линии днища V-образных долин) (рис. 9).

Одна из основных причин – малое расстояние между точками цифровой записи горизонталей в сравнении с расстояниями между самими горизонталями, что характерно для большинства типов рельефа в их картографическом отображении.

 

Рис. 9 «Эффект террас» в долинах малых рек, возникающий при создании TIN на основе горизонталей без учёта структурных линий рельефа (в данном случае – гидросети) [2].

 

«Псевдотреугольники» возникают там, где все три вершины треугольника лежат на одной горизонтали. Появление таких морфологических артефактов нарушает морфографию и морфометрию моделируемого рельефа и снижает точность и качество самой модели и ее производных. Один из способов значительного улучшения качества и морфологического правдоподобия ЦМР состоит в расширении модели TIN путем ее структурирования – введения в нее сети тальвегов, водоразделов и линий перегибов и разрывов (бровок, уступов террас и т.п.) [1].

 

3.1.3 Данные радарной топографической съемки (SRTM)

 

Shuttle radar topographic mission (SRTM) – Радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (>60), самых южных широт (>54), а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы, с борта космического корабля многоразового использования «Шаттл». Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных. В течение этого времени с помощью метода называемого радарной интерферометрией, было собранно огромное количество информации о рельефе Земли, ее обработка продолжается до сих пор. Результатом съемки стала цифровая модель рельефа 85 процентов поверхности Земли (рис.9). Но определенное количество информации уже доступно пользователям. SRTM - международный проект, возглавленный Национальной Геопространственной Спецслужбой (NGA), НАСА, итальянским космическим агентством (ASI) и немецким Космическим Центром [9].

 

Рис. 10 Схема покрытия территории Земли съемкой SRTM [10].

 

Данные SRTM существуют в нескольких версиях: предварительные (версия 1, 2003 г) и окончательная (версия 2, февраль 2005 г). Окончательная версия прошла дополнительную обработку, выделение береговых линий и водных объектов, фильтрацию ошибочных значений. Данные распространяются в нескольких вариантах - сетка с размером ячейки 1 угловая секунда и 3 угловые секунды. Более точные односекундные данные (SRTM1) доступны на территорию США, на остальную поверхность земли доступны только трехсекундные данные (SRTM3). Файлы данных представляют собой матрицу из 1201´1201 (или 3601´3601 для односекундной версии) значений, которая может быть импортирована в различные программы построения карт и геоинформационные системы. Кроме того, существует версия 3, распространяемая в виде файлов ARC GRID, а также ARC ASCII и в формате Geotiff, квадратами 5´5 в датуме WGS84. Эти данные получены организацией CIAT из оригинальных высотных данных USGS/NASA путем обработки, которая обеспечила получение гладких топографических поверхностей, а так же интерполяцию областей, в которых отсутствовали исходные данные. [10]

Номенклатура данных производиться таким образом, название квадрата данных версий 1 и 2 соответствует координатам его левого нижнего угла, например: N45E136,где N45 является 45 градусов северной широты, а E136 является 136 градусов восточной долготы, буквы (n) и (e) в имени файла обозначают, соответственно, северное и восточное полушария.. Название квадрата данных обработанной версии (CGIAR) соответствует номеру квадрата из расчета 72 квадрата по горизонтали (360/5) и 24 квадрата по вертикали (120/5). Например: srtm_72_02.zip /крайне правый, один из верхних квадратов. Определить нужный квадрат можно используя сетку-разграфку (Рис.11.) [9].

 

Рис.11 Схема покрытия SRTM4 [9].

 

3.1.4 Оценка точности данных (SRTM)

Общедоступными являются значения высот в углах ячейки размером 3 на 3. Точность высот заявлена не ниже 16 м, но тип оценки этой величины - средняя, максимальная, средняя квадратическая ошибка (СКО) — не пояснен, что и не удивительно, поскольку для строгой оценки точности необходимы либо эталонные значения высот примерно такой же степени охвата, либо строгий теоретический анализ процесса получения и обработки данных. В связи с этим, анализ точности матрицы высот SRTM проводился не одним коллективом ученых разных стран мира. По оценкам А.К. Корвэула и И. Эвиака высоты SRTM имеют ошибку, которая для равнинной местности в среднем составляет 2,9 м, а для холмистой — 5,4 м. Причем значительная часть этих ошибок включает систематическую составляющую. Согласно их выводам, матрица высот SRTM подходит для построения горизонталей на топографических картах масштаба 1:50000 Но на некоторых территориях высоты SRTM по своей точности примерно соответствуют высотам, полученным с топографической карты масштаба 1:100000, а также может использоваться при создании ортофотопланов по космическим снимкам высокого разрешения, снятых с незначительным углом отклонения от надира [5].

 

3.1.5 Использвание данных SRTM для решения прикладных задач

 

Данные SRTM могут решать в различные прикладные задачи, различной степени сложности, например: для использования их при построении ортофотопланов, для оценки сложности предстоящих топографо-геодезических работ, планирования их проведения, а также могут оказать помощь при проектировании расположения профилей и других объектов еще до проведения топосъемки, полученные по результатам радарной съемки SRTM значения превышений точек местности могут быть использованы для обновления топоосновы территорий, где отсутствуют данные детальных топографо-геодезических работ. Этот вид данных является универсальных источником для моделирования земной поверхности, главным образом для построения цифровых моделей рельефа и цифровых моделей местности, но вопрос применимости радарных высотных данных SRTM в качестве альтернативы стандартным методам построения цифровой модели местности и рельефа, на наш взгляд, должен решаться в каждом случае индивидуально, в зависимости от поставленной задачи, характеристик рельефа и требуемой точности высотной привязки [5].

 

 

3.2.Методические рекомендации использования ГИС

3.2.1 Общее представление о ГИС

 

Термин "географическая информационная" система является до­словным переводом с английского "Geographic(al) information system". Различные определения ГИС, отражают историю эволюции ГИС как синтеза методов и средств, первоначально развивавшихся в системах автоматизированного проектирования, автоматизированного картографирования, цифровой обработки данных дистанционного зондирования и управления базами данных. Одно из первых определений ГИС в русской литературе гласит: "ГИС - это аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением природной средой и территориальной организацией общества".

Следует подчеркнуть два определяющих момента:

географические информационные системы, прежде всего, имеют дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и генерализованной в пространстве и времени;

используют законы информатики, которая в свою очередь есть "система знаний, относящихся к производству, переработке, хранению и распространению всех видов информации в обществе, природе и технических устройствах".

Изучение конкретного пространства - привилегия не только ГИС. Из­начально изучение пространственных форм объектов реального мира относится к основным задачам математики. Космическое и земное про­странство исследуется также физическими науками. Изучение прост­ранственных представлений действительности входит в задачи математико-картографического моделирования. Специфика геоинформационного изучения пространства состоит в использовании геоинформационных моделей действительности и в их разработке в комплексе с методами других наук. Но изучение только пространственного расположения - сильное сужение задачи, важен учет существа явлений, их пространственного состояния, структуры, взаимосвязей и функционирования.

Термин ГИС часто употребляется и в другом значении - он обозначает программное средство ГИС, программный продукт, ГИС-пакет, обеспе­чивающий функционирование ГИС как системы (ГИС ArcView , ГИС IDRISI).

 

3.2.2 Основные этапы развития ГИС

 

Начальный этап становления автоматизации обработки пространственной информации связан с открытием доступа к ЭВМ, в первую очередь на Западе, не только для пользователей-математиков и системных программистов и относится к концу 50-х годов. Начало положило создание достаточно простых картографических изображений, в основном картограмм, выводимых на геометрически неточное алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Первым значительным пакетом программ для этих целей стал SYMAP, выпущенный в 1967 году Гарвардской лабораторией машинной графики и пространственного анализа.

Первоначально ГИС предназначались для решения достаточно узких задач, в первую очередь инвентаризации земельных или экономических ресурсов, обработки статистической информации. Первые ГИС появились в Швеции в середине 60-х годов. В период 1963-1971 годов велась разработка Канадской лесной ГИС, которая до сих пор остается одной из крупнейших.

До 1980 года из-за высоких цен на аппаратуру интерес к этим техно­логиям в России проявляли лишь крупные государственные научные и производственные организации. Затем затраты на применение ЭВМ существенно снижались, примерно на порядок за каждые шесть лет. Основной причиной прогресса в ГИС-технологиях с начала 90-х годов, несомненно, явилось развитие и распространение электронно-вычис­лительной техники, и именно персональных компьютеров (ПК). Особенно сказались повышение быстродействия ПК, значительное увеличение оперативной и дисковой памяти, новых запоминающих устройств, повы­шение качества графических устройств ввода и вывода картографической и аэрокосмической информации. И конечно - доступность программных средств ГИС мирового уровня, допускающих многовариантное их использование. Крупные фирмы-производители программных ГИС-продуктов, такие как ESRI, ERDAS, INTERGRAF , предоставили свои пакеты бесплатно или с большими скидками целому ряду научных и образо­вательных организаций, что способствовало скорейшему освоению и использованию ГИС-технологий, позволило быстрее увидеть и оценить перспективы. Правда, это явление существенно затормозило процесс создания отечественных ГИС-продуктов, в теоретических разработках и в программном обеспечении отдельных модулей которых были уже достигнуты значительные результаты на начальных стадиях работ по автоматизации.

Потребность в использовании и создании ГИС, анализе количественных и качественных показателей пространственно привязанных объектов и явлений возникает в настоящее время у представителей различных областей деятельности и профессиональных знаний - науки, техники, образования, управления, маркетинга и многих других. Отсюда все возрастающий интерес к ГИС и геоинформационным методам.

Роль ГИС не ограничивается сбором, обработкой, хранением и передачей информации. Для наук о Земле ГИС стала одним из основных ин­струментов моделирования природных, хозяйственных, социальных процессов и ситуаций, изучения их связей и взаимодействий, прогнози­рования развития в пространстве и времени, получения новой качественной и количественной информации, а главное средством обеспечения (поддержки) принятия решений управленческого характера и представления выводов. Каждая из наук, имеющих дело с пространственно распределенной информацией, предоставляет целый ряд методов, которые в совокупности своей способствуют созданию и функционированию ГИС.

 

3.2.3 География и ГИС

 

Проникновение ГИС в практику научных географических исследова­ний началось с самого начала их развития в зарубежных странах. География посвящена изучению мира и места человека в нем и имеет длительные традиции пространственного анализа, обеспечивает методы для проведения такого анализа, предлагает пространственный взгляд на любое исследование. Общеизвестно, что географическая информация (география) доминирует в 70% объема циркулирующей информации. В отличие от других типов средств обработки информации, ГИС отражает концепцию геопространства, так как базируется на информации, привязанной к пространственным координатам и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и принятия решений по управлению.

Бытует мнение, что широкое распространение ГИС и опыт их эксплуатации в различных сферах деятельности существенно упрощают задачи географии, сводя их к заимствованию, усвоению и воспроизведению накопленного опыта - задаче сугубо технической. В действительности совокупности географической (или потенциально географической) ин­формации системы не образуют.

Географическое разнообразие реального мира бесконечно сложно, но в то же время оно может быть представлено в виде отдельных элементов или объектов. Преимущество ГИС состоит в том, что она позволяет рассматривать объекты в их географическом окружении и исследовать взаимосвязи между объектами, а изучение взаимосвязей и взаимозависимостей - основа географического моделирования. Возможности ГИС для быстрого и точного совмещения различных срезов информации становятся действенным инструментом ее анализа. Значение ГИС для географии определил А. М. Берлянт: "Развитие ГИС дает современной географии уникальный и может быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую может опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная со школ".

 

3.3 Программные продукты ГИС

3.3.1 Общая характеристика программного комплекса ArcGIS

 

ArcGIS – семейство программных продуктов нового поколения.

Разработано компанией ESRI, признанным лидером в создании и продвижении ведущих Геоинформационных Систем, с учетом передовых тенденций развития информационных технологий и растущих требований многочисленных пользователей. Платформа ArcGIS 9 является оптимальным решением для построения корпоративной ГИС, фундамента информационной системы эффективного управления крупными государственными и коммерческими организациями.

ArcGIS построена на основе стандартов компьютерной отрасли, включая объектную архитектуру COM, .NET, Java, XML, SOAP, что обеспечивает поддержку общепринятых стандартов, гибкость предлагаемых решений, широкие возможности взаимодействия. Фундаментальная архитектура ArcGIS обеспечивает ее использование во многих прикладных сферах и на разных уровнях организации работы: на персональных компьютерах, на серверах, через Web, или в «полевых» условиях.

ArcMap

ArcMap основное приложение ArcGIS Desktop. Оно используется для всех картографических задач, включая создание карт, анализ карт и редактирование данных. В этом приложении вы работаете с картами. У карты есть компоновка, содержащая собственно вид географических данных набор слоев карты, легенду, масштабные линейки, стрелки Севера и другие элементы.

В ArcMap есть два варианта отображения и работы с картой — в Виде географических данных и в Виде компоновки — в них можно решать разнообразные ГИС задачи.

ArcCatalog

Приложение ArcCatalog поможет структурировать и управлять всеми данными вашей ГИС. Оно предоставляет инструменты для поиска и просмотра географических данных, создания и просмотра метаданных, быстрого просмотра любого набора данных, а также инструменты для структурирования географических данных.

ArcToolbox это простое приложение, содержащее множество инструментов обработки геоданных (конвертация, проецирование, геообработка данных, оверлейный анализ, организация многолистных карт…). Есть две версии ArcToolbox: полная версия входит в ArcInfo (более 150 инструментов), облегченная - в ArcView и ArcEditor (20 наиболее часто используемых инструментов конвертации и управления данными

Их совместное использование позволяет решать ГИС задачи любой сложности в области картографирования, управления данными, пространственного анализа, редактирования данных и их геообработки. Помимо этого, ArcGIS 9 посредством служб (сервисов) ArcIMS предоставляет доступ к любым пространственным данным и ресурсам, представленным в Интернет.

ArcGIS Desktop это полнофункциональная, интегрированная, масштабируемая система, разработанная для самого широкого круга пользователей ГИС.

ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox разработаны для совместного использования при решении разных ГИС задач. Например, в ArcCatalog можно найти документ карты, затем открыть его в ArcMap, дважды щелкнув на нем в Каталоге. Далее можно внести в него изменения с помощью инструментов среды редактирования ArcMap.

Можно обращаться к данным, размещенным на других машинах, используя соединения с базами данных в ArcCatalog. Выбрав нужные данные, можно просто перетащить их и поместить в виде слоя в окно ArcMap. Можно также перетаскивать данные из ArcCatalog в окна инструментов ArcToolbox

После создания новых географических данных с помощью этих трех приложений, можно ввести описание (метаданные) для этих данных при помощи ArcCatalog.

Совместимые форматы данных

Один из базовых принципов ArcGIS - возможность работать со всеми вашими данными, хранящимися в файлах и в СУБД, а также с сервисами ArcIMS. ArcMap и ArcCatalog позволяют работать с широким спектром источников данных. Можно просматривать эти данные и организовывать их в ArcCatalog, создавать для них метаданные и управлять ими, искать источники данных по их содержимому. В ArcMap можно создавать слои карт на основе этих источников. Можно также формировать запросы на выборку данных, перепроецировать карты “на лету ”, реляционно соединять таблицы и анализировать карты, основанные на этих источниках данных.

Одной из наиболее важных функций является возможность работы в ArcMap и ArcCatalog с сервисами (службами)ArcIMS так же, как с любыми другими источниками данных вашей ГИС. Это выводит ArcMap в новый мир Интернет ГИС. То есть, в ArcMap можно выполнять любые картографические и аналитические операции над источниками данных, доступными через ArcIMS.

ArcView, ArcEditor и ArcInfo могут работать с данными в разных форматах (Персональная база геоданных, Набор данных САПР, Покрытия, Шейп файлы, Таблицы DBF, Растры, TIN, Чертежи САПР, Таблицы DAT), подключаться к реляционным базам данных через ArcSDE и web-сайтам ArcIMS, включая новый Metadata Server.

Приложения ArcGIS Desktop предлагаются в виде трех настольных программных продуктов, имеющих разные функциональные возможности

ArcView содержит полный набор инструментов картографирования и анализа, а также инструменты для простого редактирования и геообработки.

ArcEditor включает все функции ArcView плюс расширенные возможности редактирования покрытий и баз геоданных

ArcInfo, помимо функций вышеназванных продуктов, включает дополнительные инструменты геообработки. В него также входят приложения, унаследованные от ArcInfo Workstation (Arc, ARCPLOT ™, ARCEDIT ™ и др..)

Благодаря тому, что продукты ArcView, ArcInfo и ArcEditor имеют общую архитектуру, пользователи, работающие с любым из этих клиентских приложений, могут легко обмениваться результатами своей работы. Карты, данные, условные знаки, картографические слои, пользовательские инструменты и интерфейсы, отчеты, метаданные и т.д. доступны во всех трех продуктах. То есть, вам достаточно будет освоить одну, а не три различных архитектуры

Возможности любого из этих продуктов могут быть расширены использованием ряда дополнительных модулей, таких как ArcGIS Spatial Analyst, ArcPress ™... Информацию о дополнительных модулях смотрите в разделе “Дополнительные модули ArcGIS ”.

Организация ArcGIS Desktop

ArcGIS Desktop можно использовать на любом из трех уровней:
ArcView 10 один из трех настольных продуктов ArcGIS. В состав ArcView 9 входит три приложения: ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox для ArcView. Это набор мощных инструментов для картографирования, создания отчетов и картографического анализа

В ArcView 10 можно:

Взаимодействовать с картой посредством инструментов Перемещения и Масштабирования, Идентификации, Горячих связей и Гиперссылок на внешние приложения и URL, Интерактивной выборки, Подсказки карты, Окна обзора и Окна увеличителя, Пространственных закладок, Динамического обновления выборки между картой, таблицами и диаграммами.

Создавать карту посредством инструментов Отображения данных (прозрачные слои, перепроецирование векторных данных и растров «на лету», включая трансформацию датума), Классификации данных, Символов, Надписей, Компоновки и Печати (вставка заголовков и легенд, нескольких фреймов данных, мастера и готовые стили для создания легенд и сеток, экспорт в графические форматы и т.д.).

Анализировать карту посредством инструментов Операций выбора (Интерактивная выборка, Выбор по атрибуту, Выбор по местоположению), Операций анализа (Буфер, Вырезание, Слияние, Пересечение, Объединение, Пространственное соединение), Визуального представления и анализа (диаграммы и отчеты).

Создавать данные посредством инструментов Редактирования шейп-файлов и персональных баз геоданных, Трансформации растров, Поворота и отражения растров, Построения и редактирования пространственных объектов, Замыкания, Поддержки планшетного дигитайзера, Событий и геокодирования, Динамической сегментации

Управлять данными посредством инструментов Импорта проектов (.apr) и легенд (.avl) ArcView GIS 3.x, Инструментов поддержки данных (создание новых файлов данных, экспорт и импорт данных, прямая поддержка множества форматов), Управления табличными данными, Просмотра и редактирования метаданных, Поиска данных в ArcCatalog.

Задавать структуру приложений посредством Стандартного интерфейса Microsoft Windows, Фиксируемых панелей инструментов, Полностью интернациональной поддержки данных и атрибутов, Возможности настройки интерфейса, Расширения функций с использованием COM, Создания макросов в среде VBA, Вставки OLE объектов в ArcMap.

ArcEditor новый настольный программный продукт, появившийся в версии 9. Его функциональность больше, чем у ArcView, но меньше, чем у ArcInfo. ArcEditor содержит все функции ArcView 9. Помимо них добавляются возможности построения любых баз геоданных (персональных и многопользовательских) в ArcCatalog и расширенные возможности редактирования баз геоданных в ArcMap как то:

· Редактирование баз геоданных, хранящихся в многопользовательских СУБД,

· Редактирование баз геоданных, участвующих в сетях и отношениях

· Установка отношений между классами пространственных объектов и атрибутами,

· Создание и редактирование нескольких версий в многопользовательских базах геоданных,

· Разрешение конфликтов между версиями,

· Создание и редактирование объектов размеров,

· Определение атрибутов объектов размеров,

· Создание аннотаций, связанных с объектами в базе геоданных

· Создание и редактирование геометрических сетей,

· Редактирование покрытий (до версии 9).

При наличии доступа к СУБД через ArcSDE, в ArcEditor вы можете осуществлять редактирование и поддержку многопользовательских баз геоданных с использованием версий. Для этого имеются специальные инструменты управления версиями, например, инструментов слияния версий и разрешения конфликтов.

В инструменты управления данными добавлены

· Загрузка данных (включая растры) в многопользовательскую базу геоданных

· Создание подтипов в базах геоданных

Создание логических сетей в базах геоданных.

ArcInfo это наиболее мощное клиентское приложение ArcGIS Desktop. В ArcInfo входят все функции ArcView 10 и ArcEditor 10. Помимо этого, ArcInfo содержит полную версию приложения

ArcToolbox, поддерживающую расширенные функции геообработки, а также классические приложения ArcInfo Workstation (Arc, ARCPLOT, ARCEDIT, AML и ODE) с полной поддержкой всех функций системы. ArcInfo - это полнофункциональная ГИС система, позволяющая создавать и обновлять данные, решать картографические задачи, проводить анализ данных и карт

В области создания и управления покрытиями ArcInfo добавляет: редактирование данных геодезических съёмок (ARC COGO), векторизацию растров (ArcScan), создание и управление топологией, установку Z-значений в узлах, исходную среду редактирования покрытий, инструменты объединения.

В области пространственных отношений и анализа ArcInfo добавляет: инструменты поиска соседних территорий, полную динамическую сегментацию, анализ спроса и потребления (location/allocation), решение задач маршрутизации, запросы к регионам, оверлейные операции (Объединение, Пересечение, Идентичность

В области управления данными ArcInfo добавляет: полное приложение ArcToolbox, конвертация данных из более чем 30 форматов (ADS, DFAD, DIME, DLG, VPF, Etak, Grid, IGDS, SDTS, TIGER, SIF, DEM, DTM, DFAD, AMS, SLF, DTED и др.) в формат ArcInfo, чтения и конвертации нескольких растровых (ADRG, MOSS, NTIF, ERDAS, BSQ и др.) и САПР форматов (DXF, DGN, DWG и др.), построения геометрических сетей, проецирования данных, построения топологии, трансформирования данных, построения буферных зон и наложения карт, работы с листами карт, управления таблицами INFO

В области сред настройки ArcInfo добавляет: компоненты ODE (ARC Automation Server, ARCPLOT, ARCEDIT и Grid OCX), JavaBeans (Arc Bean, ARCPLOT Bean, ARCEDIT Bean и GRID Bean), AML – платформенно-независимый язык для разработки приложений в среде ArcInfo Workstation

Вы можете приобрести следующие лицензии на программное обеспечение ArcGIS Desktop: ArcView (фиксированная или плавающая), ArcEditor (фиксированная или плавающая) и ArcInfo (плавающая

Все настольные продукты имеют одинаковый интерфейс, дополнительные модули, инструменты разработчика и доступ к данным. Они также имеют прямой доступ на чтение к СУБД — например,к Oracle ® Spatial или Microsoft SQL Server

Фиксированная лицензия подразумевает, что можно устанавливать и использовать одну копию ArcView (ArcEditor) только на одной машине.

Плавающая же лицензия предоставляет пользователям ArcGIS Desktop более широкие возможности организации работы. Лицензионный менеджер, который поставляется с плавающей лицензией, позволяет устанавливать программное обеспечение ArcGIS Desktop на любое число машинЛицензионный менеджер, установленный в сети, отслеживает число копий продукта, запускаемых одновременно. Это означает, что программное обеспечение может быть установлено у большего числа пользователей, чем будут работать с ним одновременно. Это особенно удобно для организаций, часть сотрудников которых использует эти продукты эпизодически.

Предположим, например, что несколько человек в вашей организации работают с ArcEditor.

Приобретая лицензии ArcEditor, вы решаете, сколько нужно рабочих мест. Так как программное обеспечение может быть установлено на любом числе машин, с ним в разное время сможет работать любое число пользователей.

Число купленных лицензий определяет максимальное число пользователей, которые могут работать с программой одновременно. Лицензионный менеджер отслеживает число доступных лицензий. Как только пользователь запускает ArcEditor на своей машине, лицензионный менеджер “занимает ” одну лицензию. Когда пользователь выходит из ArcEditor, лицензия снова становится доступной.

Плавающая лицензия дает еще ряд преимуществ. Предположим, вы покупаете плавающую лицензию ArcView с целью редактирования простых векторных объектов. Вместе с этой лицензиией вы получаете лицензионный файл с ключевыми кодами доступа для ArcView. В дальнейшем вам может потребоваться редактировать многопользовательскую базу геоданных, а эта возможность предоставляется в ArcEditor. Так как у вас уже есть плавающая лицензия, то для получения доступа к функциям ArcEditor достаточно приобрести лицензию и получить ключевые коды ArcEditor. Сама программа уже у вас уже есть.

Или же, допустим, что ваша организация владеет плавающей лицензией ArcEditor, но в процессе работы могут потребоваться функции ArcInfo Workstation. Вы получите к ним доступ, купив лицензию ArcInfo.

Приобретение плавающих лицензий позволяет организации использовать множественные копии ArcGIS. При наличии соответствующих лицензий и ключевых кодов пользователи могут работать с продуктами трех уровней: ArcView, ArcEditor и ArcInfo.

Вы можете переключаться между продуктами, используя настройки в ArcGIS Desktop Administrator, который поставляется вместе с программным обеспечением (см.ниже).

Подробная информация по ключевым кодам доступа и лицензионному менеджеру ArcGIS приведена в руководстве License Manager’s Reference Guide на CD с программным обеспечением.

Дополнительные модули ArcGIS

В семейство программных продуктов ArcGIS входит набор дополнительных модулей, построенных в одной архитектуре и добавляющих специфическую функциональность к трем настольным продуктам (ArcView, ArcEditor и ArcInfo).

Одной из ключевых особенностей этих дополнительных модулей является то, что они работают со всеми настольными продуктами ArcGIS. Прежде, если пользователю требовалось выполнить, например, растровый анализ, он приобретал лицензию на дополнительный программный продукт в зависимости от основной ГИС-системы, которую он использовал. Так, например, для ArcView 3.х использовался модуль ArcView Spatial Analyst, а для ArcInfo - модуль ARC GRID. Теперь модуль ArcGIS Spatial Analyst может работать как с ArcView и ArcEditor, так и с ArcInfo. Такая особенность значительно уменьшает затраты на приобретение и обучение программным продуктам.

Ниже в таблице перечислены имеющиеся дополнительные модули и кратко описаны их возможности.

 

3.3.2 Общая характеристика программного продукта SAGA GIS

 

Идея разработки нового ПО возникла в конце 1990-х на кафедре физической географии (теперь –ландшафтной экологии) факультета геологических наук и географии Гёттингенского университета во время работы над несколькими научно-исследовательскими проектами. Исследования фокусировались в основном на анализе ЦМР для прогнозирования свойств почв, динамики физико-географических процессов связанных с рельефом, а также некоторых климатических параметров.

На тот момент рабочей группой использовалось несколько программ:

· SARA (System for Automated Relief Analysis), написанная на языке программирования FORTRAN77 и работающая в ОС UNIX;

· SADS (System for the Analysis and Discretisation of Surfaces) – язык С++ и ОС Windows;

· DiGeM (Digitalen Geländemodell) – также С++ и Windows.

И хотя каждая из них справлялся со своим предназначением, разрозненность функций и работа под разными ОС усложняли обмен данными. Кроме того, специфика исследовательских задач требовала разработки и внедрения новых специализированных методов пространственного анализа и моделирования. Это было сложно сделать, оперируя тремя отдельными инструментами. Поэтому прототипом нового ПО, которое смогло бы интегрировать существующие наработки и стало бы удобной базой для внедрения новых алгоритмов, был избран DiGeM. Именно на его основе и началась разработка System for Automated Geoscientific Analyses – SAGA.

 

Таблица 3

Oсновные этапы развития ГИС SAGA

конец 1990-х зарождение идеи разработки нового ПО на базе интеграции SARA, SADS, DiGeM
начало разработки SAGA на основе DiGeM
2002-2003 SAGA становится основным рабочим инструментом исследовательской группы
февраль 2004 SAGA 1.0 опубликована под Универсальной общественной лицензией GNU
июль 2004 начало работы над SAGA 2.0 (с использованием кросс-платформенной GUI-библиотекиwxWidgets, которая обеспечивает независимую от ОС разработку ПО)
август 2004 руководство пользователя SAGA V. Olaya
январь 2005 организация Ассоциации пользователей – SAGA User Group Association
февраль 2005 SAGA 1.2 и 2.0-beta представлена на CeBIT (Международная ярмарка ИТ, телекоммуникаций и ПО)
март 2005 SAGA 2.0 для ОС Windows и Linux
ноябрь 2005 первая конференция пользователей SAGA, Гёттинген
июнь 2006 выход SAGA 2.0(RC1)
июль 2006 первая международная конференция пользователей SAGA в рамках конференции и выставки по прикладной геоинформатике – Symposium und Fachmesse Angewandte Geoinformatik (AGIT), Зальцбург, Австрия
июнь 2007 выход SAGA 2.0.0
центр разработки сместился на кафедру физической географии Института географии Гамбургского университета
май 2008 A. Brenning публикует RSAGA
2008-2011 последовательный выход SAGA 2.0.3-2.0.8
июнь 2013 SAGA 2.1.0

 

После регистрации проекта в феврале 2004 на хостинге Открытого ПО SourceForge.net новая версия выходит минимум раз в год, а в 2010 и 2011 – дважды.

Рис 12. Динамика выхода новых версий

 

Динамика выхода новых версий SAGA и загрузок файлов инсталляции из репозитория на SourceForge.net за период с 20.02.2004 (регистрация проекта) по 01.07.2012

С учетом аналитической направленности основная целевая аудитория ПО - представители научно-исследовательских организаций. Национальными лидерами по пользовательской активности являются Германия (родина проекта), США, Россия и Китай, а в последние годы прирост формируется за счет Индии, Бразилии, Австралии, Румынии и других.

Рис 13. География пользователей ГИС SAGA

 

География сообщества пользователей ГИС SAGA на основании статистики загрузок файлов инсталляции из репозитория на SourceForge.net за период с 20.02.2004 по 01.07.2012

Движущие силы развития

Ключевыми фигурами, стоящими у истоков разработки ГИС SAGA, являются заведующий кафедрой физической географии Института географии Гамбургского университета проф., д-р Jürgen Böhner и научный сотрудник кафедры д-р Olaf Conrad. После выхода SAGA под Универсальной общественной лицензией GNU в 2004 году проект пополнился активными участниками и существенными вкладами:

· Victor Olaya – интеграция аналитических алгоритмов SAGA в библиотеку анализа пространственных данных SEXTANTE (Sistema Extremeno de Analisis Territorial), развитие системы и разработка модулей, руководство пользователя

· Tomas Schorr – геоинформационная поддержка точного земледелия в проекте GEOSTEP, совместимость с Linux, Unicode и 64bit, интерфейс SAGA-Python

· Volker Wichmann – диссертация на тему моделирования гравитационно-осыпных процессов, сотрудничество с Laserdata GmbH, поддержка и документация, развитие системы и разработка модулей;

· Vern Cimmery – документация и руководство пользователя для версии 2.0

· Alexander Brenning – плагин RSAGA, обеспечивающий доступ к модулям SAGA из среды R

· J. van de Wauw – поддержка и распространение версий для Linux (Debian, Ubuntu), исправление ошибок, разработка модулей,

а также многими другими, занятыми преимущественно доработкой модулей и документации.

Организации

Развитие SAGA подчиняется исследовательским интересам ее изобретателей, разработчиков и активных пользователей, которые являются представителями различных объединений. «Колыбелью» проекта стала кафедра физической географии Гёттингенского университета, а в 2007 году центр разработки переместился на кафедру физической географии Института географии Гамбургского университета. В «академическое ядро» поддержки SAGA также входят:

· Институт физической географии и ландшафтной экологии, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница;

· Центр геоинформатики Z_GIS, Зальцбургский университет;

· Отделение географии, Боннский университет;

· Кафедра физической географии, Католический университет Айхштет-Ингольштадта;

· Лаборатория ДЗ и ГИС, Кёльнский университет;

· Институт агроэкологии / RLP AgroScience федеральной земли Рейнланд-Пфальц.

Коммерческая сторона представлена компаниями:

· SciLands GmbH, Гёттинген - объединяет географический анализ с современными информационными технологиями для решения различных задач в сфере ландшафтных и геоэкологических исследований. Благодаря сотрудничеству с научно-исследовательскими и коммерческим организациями, SciLands внедряет ГИС SAGA в решение практических задач

· Laserdata GmbH, Иннсбрук - использует SAGA в качестве основы развития собственного ПО для обработки и анализа данных лидарной съемки – LiDAR Software (LiS). В результате такого взаимовыгодного сотрудничества SAGA совершенствует свои возможности обработки и анализа данных лазерного сканирования

Анализ ЦМР

Геоморфометрический анализ традиционно одна из сильных сторон SAGA. Весь набор доступных для расчета на основе ЦМР параметров и характеристик можно условно разделить на несколько тематических блоков:

· форма поверхности – угол наклона (Slope) и кривизны (Plan, Profile and Mean Curvatures, Convergence Index), шероховатость поверхности (Terrain Ruggedness Index), классификация элементов рельефа (Topographic Position Index, TPI Based Landform Classification);

· освещенность, видимость и количество тепла – солярная экспозиция склонов (Aspect), аналитическая отмывка рельефа (Analytical Hillshading), анализ зон видимости (Visibility), суммарная, прямая и рассеянная солнечна радиация (Potential Incoming Solar Radiation), температура земной поверхности (Land Surface Temperature);

· миграция вещества и энергии в твердом и жидком состоянии – комплексные индексы, оценивающие перераспределение твердого и жидкого стока (Topographic Wetness Index, SAGA Wetness Index, Mass Balance Index), потенциал площадной и линейной эрозии (LS Factor, Stream Power Index);

· гидрологический анализ – моделирование поверхностного стока (Catchment Area, Flow Width, Upslope Area), оконтуривание сети тальвегов и водосборных бассейнов (Channel Network, Drainage Basins).

Все это делает SAGA весьма полезной для тематического картографирования и прикладного анализа в геоморфологии, ландшафтоведении, почвоведении и гидрологии.

 

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 тем