Téma semestrální práce je porovnání analytických schopností GIS Open JUMP s ArcGIS. V úvodu práce je vysvětlen pojem GIS, možnosti, které nám nabízí ,a rozdělení do dvou skupin z hlediska pořizovancí ceny. V následující kapitole jsou stručně představeny a popsány softwary ArcGIS a Open JUMP a vyjmenovány jednotlivé analytické nástroje. Je zde uvedeno, jaká data budou pro potřeby semestrální práce použita. Následuje kapitola Porovnání, kde je u jednotlivých analytických nástrojů uvedeno, zda je software ArcGIS a Open JUMP nabízí, popřípadě v jaké formě. V závěru jsou poznatky shrnuty a uspořádány do tabulky.
Klíčová slova: GIS, open source software, komerční software, analytické schopnosti a nástroje GIS, Open JUMP, ArcGIS.
GIS, neboli geografický informační systém, je organizovaný soubor počítačového hardware, software a geografických údajů (naplněné báze dat) navržený pro efektivní získávání, ukládání, upravování, obhospodařování, analyzování a zobrazování všech forem geografických informací [1]. Z této definice vyplývá, že GIS není pouze nástrojem pro tvorbu, případně prezentaci map v digitální podobě, ale je také možné ho použít pro různé analýzy, ke zodpovězení otázek nad geografickými daty.
GIS lze rozdělit podle mnoha různých kritérií. Jedním z nich je software GIS, který se liší pořizovací cenou a možnostmi, které uživatelům poskytuje. Co se týče ceny sofwaru GIS, je možné si vybrat z volně dostupných programů (tzv. open source software) nebo programy, za jejichž používání je třeba zaplatit. Open source programů, označovaných často také jako „nekomerční“, je celá řada. Pro představu - například server oraganizace FreeGIS [2] obsahuje ve své databázi 326 softwarových produktů, ke dni 13.11.2007. Open source programy se vyznačují svobodou používání. Zdrojové kódy programů jsou totiž přístupné, a tak je možné software volně používat, modifikovat, případně včlenit do vlastních aplikací a distribuovat [3]. To jsou důvody, proč bývají mnohdy upřednostňovány před softwarem placeným. Nabízí se však otázka jejich funkcionality, a právě analytická funkcionalita bude v semestrální práci porovnávána. Jako příklad open source programů lze uvést GRASS, SAGA GIS, Open JUMP, JUMP, PostGIS, aj..Mezi placené softwary GIS patří například ArcGIS, IMAGINE VirtualGIS, IDRISI32, Mapper32 a další [4]. Ceny takovýchto softwarů se liší v závislosti na druhu licence a mohou se pohybovat v řádu několika desetitisíců i stotisíců korun českých.
Dalším kritériem softwaru GIS, zmíněném již v předchozím odstavci, jsou možnosti, které nám daný software poskytuje. Tzn. k jakým všem účelům a úkolům je možné jej použít. To samozřejmě souvisí mimo jiné i s cenou, za kterou daný software lze pořídit. Tato semestrální práce se zaměří na analytické schopnosti GIS. Analytické schopnosti GIS, respektive prostorové analytické schopnosti GIS, tvoří jádro systému GIS. Tedy to, co GIS odlišuje od ostatních informačních systémů [1]. V praxi se používají tzv. analytické nástroje. Jedná se o měřící funkce, nástroje na prohledávání databáze a mnohé další. Jednotlivé softwary nabízejí rozmanitou škálu různých analytických nástrojů. Maximálního využití analytických schopností softwaru lze dosáhnout vhodnou kombinací těchto nástrojů. To, jestli budou analytické schopnosti 100% využity, závisí na uživateli a jeho znalostech a dovednostech a také na typu aplikace.
V této semestrální práci budou porovnány analytické schopnosti „komerčního“ a „nekomerčního“ softwaru. Jako zástupce komerčního softwaru byl vybrán ArcGIS společnosti ESRI, z řad tzv. open source softwarů byl zvolen Open JUMP.
ArcGIS je produktem společnosti ESRI. Jedná se o systém softwarových programů pro tvorbu geografických dat, jejich správu a analýzu [4]. Díky výkonným nástrojům pro editaci, analýzu a modelování, spolu s bohatými možnostmi datových modelů a správy dat bývají softwary ArcGIS označovány jako nejkomplexnější GIS software [4]. ArcGIS nábízí svým uživatelům několik prostředí - ArcMap (ArcView, ArcEditor či ArcInfo) a ArcCatalog. Více informací o tomto softwaru je možné získat na webových stránkách společnosti ESRI, viz [5]. Pro účely této semestrální práce byla použita verze ArcGIS 9.2.
Open Jump, neboli Java Unified Mapping Platform, lze získat na domovských stránkách organizace Open JUMP, viz [6], zabívající se vývojem tohoto programu. Jak lze poznat již z názvu - program je napsán v jazyce Java, a je nezávislý na platformě. To umožňuje jeho spuštění nejen v operačním systému Windows firmy Microsoft, ale také v Linuxu, Unixu či Macintosh, což je bezesporu jeho velkou výhodou. Jedná se o vektorový GIS, nicméně umí přečíst i raster [6]. Základní verzi programu lze rozšířit instalací tzv. pluginů, které lze stáhnout na webových stránkách Open JUmp věnovaných pluginům, viz [7]. K účelům semestrální práce byla použita verze Open JUMP Pirol Edition 1.2B získaná na [8], která obsahuje navíc tzv. PIROL Tools, což je sada nástrojů umožňující navíc různé operace s daty.
Analytické nástroje lze podle [1] rozdělit následovně:
Měřící funkce,
nástroje na prohledávání databáze,
topologické překrytí,
mapová algebra,
vzdálenostní analýzy,
analýzy sítí,
analýzy modelu reliéfu a dalších povrchů,
statistické analýzy,
analýzy obrazů
a další...
Porovnání analytických schopností softwarů Open JUMP a ArcGIS bude provedeno na datech ArcČR 500 verze 1.2 z oblasti Plzeňského kraje, která jsou k dispozici na stránkách firmy ARCDATA Praha, viz [9].
Charakteristika jednotlivých analytických nástrojů je detailně popsána na stránkách přemětu Úvod do GIS (KMA/UGI), viz [1].
Měřící funkce lze v programu Open JUMP najít na liště pod ikonou žlutého pravítka (Measure Tool). Kliknutím na tuto ikonu se nástroj zaktivuje a je možné s ním měřit vzdálenost (v metrech, s přesností na decimetry), úhly (ve stupních, s přesností na desetiny úhlu) a plochu (v metrech čtverečních, s přesností na decimetry čtvereční). Lze také měřit v jiných jednotkách. Tuto možnost nalezneme v záložce Tools - Measure In Feet, kdy se zobrazí měřená vzdálenost nejen v metrech, ale zaroveń je převedena na stopy.
Také v programu ArcMap nalezneme měřící funkce na liště pod ikonou pravítka (Measure Tool). Kliknutím na tuto ikonu se otevře dialog, kde je možné si vybrat, jakou veličinu chceme měřit. Kromě měření vzdálenosti (Measure Line) a plochy (Measure An Area), se zde nachází možnost (Measure A Feature), kdy kliknutím na prvek vrstvy se nám objeví informace o jeho typu (bod, linie, polygon) a parametrech (souřadnice, délka, obvod, obsah), viz obrázek č. 1. Je zde také možnost výpočtu celkové sumy měřené veličiny a lze si vybrat z velkého množství jednotek.
Délkové jednotky:
Kilometry, metry, decimetry, centimetry, milimetry,
míle, námořní míle, yardy, stopy, palce,
desetinné stupně, stupně (minuty a vteřiny).
Plošné jednotky:
Kilometry, hektary, metry, ary,
míle, akry, stopy, yardy.
V ArcGIS je možné si zvolit, v jakém souřadnicovém systému s příslušným kartografickým zobrazením budou data zobrazena, a tím následně redukovat kartografické zkreslení měřených veličin. V záložce View je třeba vybrat Data Frame Properties a tam následně Coordinate System, kde si lze vybrat z velkého množství souřadnicových systémů. Problém kartografického zkreslení řeší v Open JMUP knihovna OGR.
V programu Open JUMP nalezneme dotazy na liště pod záložkou Tools - Queries. Zde máme na výběr ze tří možností:
Spatial Query (prostorový dotaz),
Attribute Query (atributový dotaz),
Simple Query (jednoduchý dotaz).
Prostorový dotaz je možné uskutečnit interaktivně, kdy z lišty vybereme Feature Info Tool (písmenko „i“ v modrém kruhu) a na daný geografický prvek klikneme myší. Objeví se dialogové okno s informacemi o vybraném geografickém objektu. Další možností prostorového dotazu je výše zmíněná cesta přes záložku Tools. Po kliknutí na Spatial Query se objeví dialog, kde je možné vybrat si vrstvy a prostorový vztah mezi nimi. Na obrázku č. 2 je pro ukázku řešen prostorový dotaz Najděte všechny lesy, jimiž prochází silnice. Z obrázku je patrné, že se v levé části dialogu nachází i krátký návod, jak provést prostorový dotaz. Atributové dotazy se provádějí analogicky. Pro ukázku se lze podívat na obrázek č. 3, kde je zobrazen výsledek dotazu Nejděte všechny silnice, jejichž třída je menší než 2. Open JUMP nám poskytuje ještě jeden způsob dotazování - a to v podobě Query Builderu, který se objeví po kliknutí na Simple Query. Jedná se o dialogové okno, ve kterém lze jednoduše a přehledně nastavit různé parametry dotazu, viz obrázekč. 4, kde byl proveden dotaz Najděte všechny toky, jejichž délka je 20 km a více.
V programu ArcMap se lze dotazovat přes záložku Selection. Tam máme na výběr Select By Attributes pro atributové dotazy nebo Select By Location pro prostorové dotazy. Po zvolení typu dotazu se, stejně jako v případě programu Open JUMP, objeví dialogové okno, kde je možné si vybrat vrstvy atd.. Pro porovnání vzhledu dialogového okna v ArcMapu se vzhledem dialogu v Open JUMPu (obrázek č. 2) je možné nahlédnout na obrázek č. 5. Také v ArcMapu se lze dotazovat na prostorový dotaz interaktivně, pomocí stejné ikony jako v případě Open JUMPu - tedy písmenko „i“ v modrém kruhu. Tato funkce je zde však uvedena pod názvem Identity.
Na obrázku č. 6 jsou uvedeny vztahy mezi vrstvami, které lze použít v případě prostorového dotazu, v programu ArcMap a Open JUMP.
ArcMap navíc oproti Open JUMP umožňuje tzv. řetězení dotazů, neboli kombinaci prostorových a atributových dotazů i jiných prostorových analýz, a to pomocí grafického programovacího jazyka ModelBuilder. Ten se spustí následovně: Pravým tlačítkem myši kliknout na ArcToolbox a v nabídce vybrat New Toolbox. Pravým tlačítkem kliknout na nově vytvořený toolbox a vybrat možnost New Model. Poté se model automaticky otevře a lze v něm pracovat. O práci v Modelbuilderu se lze dozvědět více v Řetězení prostorových analýz pomocí grafického programovacího jazyka ModelBuilder v programu ArcGIS, viz [12].
Kliknutím na ikonu červené krabičky, označené jako ArcToolbox, se v ArcMapu otevře nabídka všech analytických nástrojů, uspořádaných do logických skupin a poskupin. Nástroje pro topologické překrytí nalezneme ve skupině nástrojů nazvané Analysis Tools, kde vybereme podskupinu Overlay, která nabízí:
Intersect (průnik),
spatial Join (prostorové připojení),
union (sjednocení).
Jako ukázkový příklad bylo řešeno: Najděte všechny úseky silnic, které prochází lesem. Na výsledky a vzhled dialogového okna Intersect je možné se podívat na obrázek č. 7. Dialogová okna pro Spatial Join a Union vypadají obdobně a pracuje se v nich analogicky. ArcMap také nabízí topologickou operaci Clip a Update, kdy atributy nejsou spojovány, ale přejímány ze vstupní vrstvy. Clip ořízne vstupní vrstvu pomocí definovaných polygonů v druhé vrstvě [1]. Tuto možnost nalezneme opět v Analysis Tools a zde vybereme podskupinu Extract. Update vyjme tu část vstupní vrstvy, která bude aktualizovaná druhou vrstvou a místo ní vloží prvky z druhé vrstvy [1]. Update se nachází v ArcToolbox - Network Analyst Tools - Turn Feature Class. Nástroje pro topologické operace Erase a Split nebyly nalezeny.
Open JUMP nemožňuje stejné typy topologických operací jako ArcMap. V záložce Tools vybereme možnost Analysis a tam Overlay. Objeví se dialog, kde vybere vrtsvy, nad kterými proběhne operace. V levé části dialogu je uvedeno, co se stane provedením této operace. Z uvedeného textu vyplývá, že dialog nabízí pouze jeden druh topologické operace, a to průnik (Intersection), viz obrázek č. 8, kde je vyřešen stejný příklad topologického překrytí, jako byl řešen v ArcMapu. V záložce Tools - Analysis se nachází ještě možnost Spatial Join Geometry. Správnou kombinací vrtstev a vztahy mezi nimi lze i tímto způsobem provést topologické překrytí. Jako příklad bylo řešeno: Nalezněte všechny bažiny, které jsou celou svou plochou obsaženy v lese (tzn.polygon bažina se na nachází uvnitř polygonu les), viz obrázek č. 9. Možnost Union, tedy spojení 2 polygonových vrstev, zde nebyla nalezena.
Open JUMP neumožňuje operace mapové algebry, respektive OpenJUMP nenabízí analytické nástroje potřebné pro mapovou algebru. V ArcMapu jsou nástroje pro mapovou algebru umístěny v ArcToolbox - Spatial Analyst Tools - Map Algebra. Zde jsou k dispozici nástroje:
Multi Output Map Algebra,
single Output Map Algebra.
Open JUMP nabízí dva nástroje pro vzdálenostní analýzy. V záložce Tools zvolíme možnost Generate, kde si lze vybrat z:
Buffer (obálka),
create Thiesson Polygons.
Příklad vytvoření Thiessonových polygonů v Open JUMP lze shlédnout na obrázku č. 10 (Prostorová příslušnost k jednotlivým letištím). Jedná se o vytvoření „individuální plochy“ kolem každého ze vstupních bodů, které definují příslušnost dané lokality k nějbližším z objektů [1].
Také ArcMap poskytuje nejpoužívanější nástroj vzdálenostních analýz - obálku (buffer). Tento nástroj se nachází opět v ArcToolbox, v Analysis Tools vybereme Proximity. ArcGIS umožňuje také řešit další vzdálenostní analýzy, jako jsou např. vážená vzdálenost a nalezení nejlevnější cesty. Jedná se o náročnější a složitější analýzy, a potřebné nástroje nalezneme v ArcToolbox - Spatial Analyst Tools, viz obrázek č. 11. Konkrétní příklad nalezení nejlevnější cesty řešený v programu ArcGIS (postupy, použité nástroje atd.) je možné naleznout v Problém průchodnosti terénu a nalezení nejlevnější cesty (rastrová data), viz [10].
Mezi analýzy sítí patří dle [1] hledání konektivity, hledání optimální trasy, hledání cesty do nejbližšího zařízení a alokace zdrojů. Tyto analýzy Open JUMP neumožňuje řešit. V ArcMapu jsou k dispozici nástroje v ArcToolbox - Network Analyst Tools - Analysis, viz obrázek č. 12. Konkrétní příklad analýzy nad vektorovou sítí řešený v programu ArcGIS (postupy, použité nástroje atd.) je možné naleznout v Analýzy nad vektorovou sítí, viz [11].
Open JUMP nemá k dispozici analytické nástroje, které by bylo možné použít pro analýzy digitálního modelu reliéfu a dalších povrchů, jelikož není zaměřen na analýzu rastrů. Nicméně existují open source programy, které tyto analýzy umožňují. Je to např. SAGA GIS (hydrologické analýzy) nebo GRASS. ArcGIS je co se týče nástrojů k analýzám modelu reliéfu a dalších povrchů velmi dobře vybaven. V ArcToolbox je možné vybrat si například z 3D Analyst Tools nebo z Spatial Analyst Tools. Na obrázku č. 13 jsou uvedeny některé z nástrojů určených pro analýzy povrchů nabízených programem ArcGIS. Pomocí těchto nástrojů pak lze provádět analýzy viditelnosti, počítání objemů DMR, tvorbu vrstevnic, základní morfologické analýzy aj.
Open JUMP ve své verzi rozšířené o tzv. PIROL Tools nabízí několik statistických analýz. V záložce PIROL Tools - Data Processing Tools se nachází možnost vytvoření histogramu, viz obrázek č. 14. V záložce PIROL Tools je možné vybrat Statistics Toolbox. Poté se zobrazí okno, ze kterého je možné si vybrat:
Statistical Overview,
Pearson Correlation,
Kendall´s Tau Correlation,
Spearman´s Rho Correlation.
Statistical Overview poskytuje přehled o statistických veličinách jednotlivých atributů dané vrstvy - minimální a maximální hodnotu, medián, popř. modus, rozptyl, viz obrázek č. 15. Další 3 nástroje slouží k výpočtu korelace, tedy vzájemnému vztahu mezi dvěma veličinami, a to za použití různých druhů korelačních koeficientů.
Také nástrojů pro statistické anlýzy nabízí ArcMap dostatek. Lze je nalézt v ArcToolbox - Analysis Tools - Statistics, nebo v ArcToolbox - Spatial Statistics Tools, obojí viz obrázek č. 16. ArcMap také umožňuje práci s grafy - záložka Tools - Graphs. V ArcToolbox - Geostatistical Analyst Tools lze nalézt nástroje pro geostatistické analýzy, také viz obrázek č. 16. Jedná se o nástroje pro zkoumání prostorových dat, identifikaci odchylek dat, optimální prognózu, vyhodnocení a předpověď neurčitosti a pro tvorbu povrchu [5]. Více informací o těchto nástrojích lze získat na webových stránkách společnosti ESRI, viz [5].
Cílem semestrální práce bylo porovnání analytických schopností GIS Open JUMP s ArcGIS. Z provedeného srovnání vyplývá, že ArcGIS nabízí mnohem větší škálu analytických nástrojů, a tedy i možností práce s geografickými daty. Tento výsledek se dal očekávat vzhledem k tomu, že se jedná o profesionální software. Přesto existují oblasti, kde lze použít analytických nástrojů Open JUMP a dosáhnout tak stejných výsledků jako v případě použití ArcGIS. Například dotazování nástroje na prohledávání databáze, topologické překrytí - průnik aj.. A v případě, že Open JUMP nějaký analytický nástroj nenabízí, je možné použít jiný open source program, který daný nástroj k dispozici má (např. GRASS - nástroje pro analýzy modelu reliéfu). V následující tabulce jsou stručně shrnuty poznatky - výskyt porovnávaných analytických nástrojů v softwarech Open JUMP a ArcGIS
Tabulka 5.1. Tabulka - výskyt porovnávaných analytických nástrojů v softwarech Open JUMP a ArcGIS
| Analytický nástroj | Open JUMP | ArcGIS |
|---|---|---|
| Měřící funkce | ano | ano |
| Nástroje na prohledávání databáze | ano | ano |
| Topologické překrytí | ano | ano |
| Mapová algebra | ne | ano |
| Vzdálenostní analýzy | ano | ano |
| Analýzy sítí | ne | ano |
| Analýzy modelu reliéfu a dalších povrchů | ne | ano |
| Statistické analýzy | ano | ano |
Pozn.: Shrnutí uvedené v tabulce bylo provedeno z pohledu ESRI, proto mohou být informace ohledně výskytu jednotlivých analytických nástrojů v porovnávaných softwarech nepatrně zkreslené. Proto je třeba vyhledat si přesnější informace o jednotlivých analytických nástrojích ve výše uvedeném textu.
[[1]] Úvod do GIS [online]. URL:http://www.gis.zcu.cz/studium/ugi/elearning/index1.htm.
[[2]] FreeGIS.org [online]. URL:http://freegis.org/.
[[3]] Zahoďte papírové mapy [online]. URL:http://gis.zcu.cz/samostatnestranky/GISProKazdeho/JUMP-CestaDoSrni/ZahodtePapiroveMapy.html.
[[4]] Software GIS [online]. URL:http://mujweb.cz/www/honza-petra/Software9.htm?r=1633.
[[5]] ESRI [online]. URL:http://www.esri.com/software/arcgis/index.html.
[[6]] OpenJUMP.org [online]. URL:http://openjump.org/wiki/show/HomePage.
[[7]] Plugins [online]. URL:http://openjump.org/wiki/show/Plugins.
[[8]] Open JUMP Pirol Edition [online]. URL:http://www.al.fh-osnabrueck.de/jump-download.html.
[[9]] ARCDATA Praha [online]. URL:http://www.arcdata.cz/data/arccr#ukazka.
[[10]] Průchodnosti terénu, Nalezení nejlevnější cesty (analýzy dojezdu záchranky v Plzeňském kraji pomocí rastrů) [online]. URL:http://www.gis.zcu.cz/studium/apa/referaty/2006/Rehak_NalezeniNejlevnejsiCesty/.
[[11]] Analýzy nad vektorovou sítí [online]. URL:http://www.gis.zcu.cz/studium/apa/referaty/2006/Velharticky_AnalyzyNadVektorovouSiti/.
[[12]] Řetězení prostorových analýz pomocí grafického programovacího jazyka ModelBuilder v programu ArcGIS [online]. URL:http://www.gis.zcu.cz/studium/apa/referaty/2006/Novakova_ModelBuilder/.