CC BY
142
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Владимир Иванович Обиденко
Федеральное государственное унитарное предприятие, основанное на праве хозяйственного ведения «Сибирский научно-исследовательский и производственный центр геоинформации и прикладной геодезии» (ФГУП центр «Сибгеоинформ»), 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 80, генеральный директор, тел. 8-383-217-36-74, e-mail: [email protected],
http://www. sibgi. ru
В статье рассмотрены исторические аспекты картометрических работ по измерению размеров территории России, отмечены недостатки ранее применявшихся для этих работ технологических методов, предложены новые принципиальные подходы и технологическая схема выполнения данных работ, основанная на использовании геоинформационных технологий и геопространственной модели территории.
Ключевые слова: геоинформационные системы, геоинформационные технологии, геоинформационное пространство, определение метрических параметров территорий, картометрия, картометрический метод, картометрические измерения, вычисление, граница.
DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGIES FOR DETERMINING RUSSIAN FEDERATION TERRITORY METRIC CHARACTERISTICS: PRINCIPAL APPROACHES
Vladimir I. Obidenko
General director, Federal state unitary enterprise “Siberian Research and Production Centre of GIS and Applied Geodesy” (‘Sibgeoinform”centre), 80 Krasny prospect, Novosibirsk 630091, phone: 8383- 217-36-74, e-mail: [email protected], http://www.sibgi.ru.
Historical aspects of cartometric works on determining the size of Russian territory are considered. The drawbacks of the techniques, previously applied for these works, are mentioned. The new principled approaches and the technological scheme for these works implementation are given. The scheme is based on GIS technologies and geospatial model of the territory.
Key words: GIS, GIS technologies, GIS environment, determination of the territory metric characteristics, cartometry, cartometric techniques, cartometric measurements, calculation, boundary.
Метрические параметры территории Российской Федерации (площадь, длина сухопутных и морских границ, площадь материковой и островной части и т.д.) являются одними из ключевых характеристик, идентифицирующих нашу страну в качестве независимого государства, и рассматриваются наряду с прочими атрибутами государственности (герб, флаг, гимн) в качестве символов суверенитета. Кроме того, использование при планировании экономической деятельности государства, в статистических исследованиях, при публикации в
официальных источниках точных количественных характеристик размеров территории РФ и ее субъектов, является также крайне необходимым.
Проблема определения размеров таких больших объектов на Земле, как государство, человечеством всегда решалась через построение некоей модели, которая бы с возможной на данный момент времени степенью приближения к действительности, соответствующей текущему уровню знаний человечества об окружающем мире, отображала данный реальный объект и необходимость в такой модели была вызвана невозможностью его измерения как физикогеографического объекта непосредственно в природе. Традиционной моделью представления реальных объектов мира стала карта, именно по ней производились необходимые измерения объектов и именно поэтому картометрический способ стал традиционным методом определения размеров государства.
Исторически в России задаче определения размеров страны всегда придавалось большое значение и для ее решения привлекались лучшие специалисты и применялись самые современные технологии, имевшиеся на момент выполнения измерений. Первое определение размеров Российской империи выполнил в 1786 году академик Петербургской Академии Наук В. Л. Крафт по «Новой карте Российской Империи, разделенной на наместничества, сочиненной в 1786 г.». В то время, когда в Европе для геодезических расчетов и картометрических работ еще принимали Землю за шар и применяли формулы сферической геометрии, для своих измерений академик В. Л. Крафт принял сфероид со сжатием 1:200 в качестве модели Земли и вывел точную формулу площади сфероидической трапеции, ограниченной параллелями и меридианами земного эллипсоида (точную и в виде разложения в ряд), которую с успехом применил для определения размеров сфероидических поясов при картометрических измерениях Российской Империи, и которая в неизменном виде (за исключением принятых обозначений и количества членов в разложении) применяется и в наши дни [1].
После академика В. Л. Крафта в истории дореволюционной России измерения размеров Российской Империи выполнялись с регулярностью 1 раз в 15-20 лет (в общей сложности 9 раз) и каждый раз основанием для новых измерений служили географические открытия и присоединения новых территорий, успехи в картографировании страны, развитие техники и технологии измерений по картам [1]. В новейшей истории СССР и России определение размеров страны картометрическими методами выполнялось трижды: в 1939-1940 и 1947 гг., в 1958-1962 гг., в 1990-1994гг., при этом последние измерения были начаты как измерения СССР, а по факту завершились измерением Российской Федерации в ее административных границах, смежных с границами бывших союзных республик [2].
Общей характерной особенностью всех вышеуказанных работ по определению метрических параметров государства, являлось то, что при всё более прогрессирующей с годами техникой этих измерений, по сути применяемой технологии они были схожи в главном - они оставались картометрическими измерениями по аналоговым картам. Так улучшались
детальность, актуальность и точность карт, принятых для измерений, появлялись новые и усовершенствовались существующие средства картометрических измерений (курвиметры, палетки, планиметры, пропорциональные циркули и масштабные линейки и т.д.), разрабатывались новые методики измерений, но не изменялось главное - все измерения велись по бумажным картам вручную. Основными недостатками ранее применявшихся технологий определения метрических параметров территории страны предопределялись используемым традиционным картометрическим методом и заключались в следующем:
1. Большой объем ручных подготовительных и измерительных операций, которые необходимо выполнить по бумажным картам для определения метрических параметров таких больших объектов, как территория государства и, вследствие этого, большая трудоемкость этих работ. Так, при выполнении «... картометрических исчислений по проверке площадей СССР...» по тиражным оттискам топографических карт масштаба 1:100 000 во время измерений 1990-1994 гг. для проведения подготовительных работ по нанесению на топокарты линии государственной границы и определению координат ее поворотных точек традиционными картометрическими методами. только на окраинных листах карт (листах, по которым проходит государственная граница или граница административно-территориального подразделения) были задействованы мощности всех аэрогеодезических предприятий страны и работы выполнялись в течение 5 лет [2].
2. Ограниченность в построении модели исследуемых объектов. Эта ограниченность выражается в ее статичности и возможности представить и измерять объекты, метрические параметры которых требуется определить, только в той пространственной модели местности, которая задана проекцией, системой координат, масштабом аналоговой карты, принятой для картометрических измерений. Так, если карта создана в равноплощадной проекции, где с наименьшими искажениями отображена площадь объектов, то измерение по ней длин линий, периметров или углов с необходимой точностью либо невозможно, либо для этого потребуется предпринять огромные усилия по учету и исправлению вносимых проекцией бумажной карты искажений. Точно также по тиражным оттискам государственных топографических карт, созданных в конформной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера, картометрические измерения возможно выполнять только с тщательным учетом вносимых проекцией искажений.
3. Существенное влияние на точность картометрических измерений технических ошибок, вызванных деформацией бумаги, на которой напечатана карта, ошибок измерений картометрическими инструментами (палетками, планиметрами, курвиметрами, пропорциональным и измерительным циркулем и т.д.) которые полностью не устраняются даже при самой тщательной методике измерений.
4. Ограниченность в наборе метрических параметров объектов и территорий, которые могут быть определены по традиционной методике картометрических измерений. Так, стандартным набором метрических
характеристик государства, которые определялись в ранее выполненных измерениях, являлись площадь и длина границ территории страны и ее территориально-административных единиц. Определение же других метрических и морфометрических характеристик (площадь и длины границ на топографической поверхности Земли, точное определение средних, минимальных и максимальных высот территорий, определение геометрических центров субъектов государства и страны в целом и т.д.) было либо невозможно, либо вследствие крайней трудоемкости никогда не выполнялось.
За неполных два десятилетия, прошедших после завершения последнего измерения размеров территории страны, произошли революционные изменения в техническом и технологическом развитии человечества, связанные с компьютеризацией жизни общества и развитием информационных технологий. В геодезическо-картографической области это направление научнотехнического прогресса вначале использовалось для автоматизации технологических процессов. Затем появились новые виды продукции: цифровые модели местности, цифровые и электронные карты и атласы. В области географических наук применение компьютерных технологий привело к созданию и развитию географических информационных систем (ГИС) по анализу картографического изображения, а затем и моделей географического пространства. [3].
Существенное влияние научно-технический прогресс оказал и на производственные работы картографо-геодезической службы (КГС) Российской Федерации по геодезическому и картографическому обеспечению территории (ГКО) страны, заключающееся в том, что все в большей мере производственные работы основывались на современных компьютерных и цифровых технологиях, а результатами работы службы являлись новые виды продукции - цифровые топографические карты, планы и атласы. Наиболее массово государственные работы по созданию и обновлению цифровых топографических карт выполнялись в период 2006-2011 годов. В результате этих работ к концу 2011 года Федеральной службой государственной регистрации, кадастра и картографии (Росреестр) впервые в истории России на всю ее территорию была создана государственная цифровая топографическая масштаба 1:50 000 и в полном объектовом составе обновлена государственная цифровая топографическая карта (ЦТК) масштаба 1:100 000.
Кроме того, впервые в истории страны выполнены работы по созданию топографических материалов, в цифровом виде определяющих положение линии государственной границы на отдельных ее участках. Так, в 2011г. Росреестром совместно с Гидрографической службой министерства обороны РФ на территорию побережья РФ и ее островов в Северном ледовитом океане выполнены работы по созданию ЦТК масштаба 1:100 000 с целью определения положения исходных линий (ИЛ) РФ в данном регионе. По заказу Росреестра в первой половине 2012 г. для размещения на геоинформационном портале Росреестра будет создан векторный слой государственной границы Российской Федерации, по актуальности, детальности и точности полностью
соответствующий исходным картографическим материалам по делимитации, демаркации и иным документам по установлению и международнодоговорному оформлению государственной границы Российской Федерации, что впервые в истории картометрических измерений в России сделает возможным отграничить сухопутную границу РФ с точностью и детальностью, соответствующей ее уровню точности и детальности на первоисточнике.
Таким образом, к концу 2011 года на всю территорию Российской Федерации создан массив актуальных геопространственных данных в цифровой форме, чем на практике подтверждена замеченная отечественными учеными на самых начальных этапах ее формирования тенденция о переходе от геодезического и картографического обеспечения территорий к геоинформационному обеспечению территорий (ГИО) [3].
Совместно с технологией и программным обеспечением геоинформационных систем (ПО ГИС), нашедшим широкое применение в настоящее время в России, вышеуказанные актуальные цифровые геопространственные данные создают совершенно новую среду и новые возможности для моделирования географического пространства территории страны с целью его компьютерного отображения, изучения, анализа и решения по созданным моделям различных задач.
Одной из них таких задач, которую возможно наиболее оптимальным образом решить с использованием вышеуказанных информационных и технологических предпосылок, является задача определения метрических параметров территорий. Именно на реализацию этой задачи - разработки новой технологии определения метрических параметров территории Российской Федерации на основе ее геопространственной модели и с использованием геоинформационных технологий - направлены исследования, изложенные в настоящей статье.
При разработке новых подходов к определению метрических параметров территорий в общем случае и территории Российской Федерации, в частности, основанных на принципе перехода от методологии традиционных аналоговых картометрических измерений к технологии их определения, основанной на геоинформационных технологиях и геопространственной модели местности приняты следующие основные принципы:
1. Технология в возможной степени должна быть автоматизированной, использующей современные достижения цифровой картографии и ГИС;
2. Переход от модели территории в виде карты, созданной в некоторой картографической проекции поверхности эллипсоида вращения на плоскость в системе плоских прямоугольных координат, к геопространственной модели территории непосредственно на земном сфероиде в системе криволинейных геодезических координат;
3. Максимально возможное снижение технических ошибок измерений;
4. Создание возможностей для определения новых метрических и морфометрических параметров территорий, в том числе в 3-0 измерении;
5. Комплексная технология мониторинга картометрических параметров территории Российской Федерации, а не технология разового измерения.
В соответствии c вышеуказанными подходами разработана принципиальная технологическая схема выполнения работ по определению метрических параметров территории Российской Федерации с использованием геоинформационных технологий, которая приводится ниже на рис. 1.
Более подробно описание отдельных блоков принципиальной технологической схемы приводится ниже.
Блок исходных данных о государственной границе в идеале должен представлять собой официальную электронную базу данных государственных границ РФ (БДГГ), содержащую метрическое и семантическое описание линии государственной границы по всему периметру страны, установленных на ней пограничных знаков, а также топографических объектов местности, по которым в соответствии с Протоколом-описанием прохождения линии государственной границы проходит государственная граница. БДГГ должна быть создана путем сканирования и векторизации с соблюдением необходимых требований цифровой картографии всех карт из комплектов документов по установлению и международно-правовому оформлению государственной границы (далее -документы установления и международно-правового оформления государственной границы - ДУиМПОГГ), при этом метрическое описание линии государственной границы, пограничных знаков и топографических объектов, по которым проходит граница, должны быть топологически согласованы. По мере текущих изменений положения линии госграницы на отдельных ее участках вследствие вновь выполненных работ по демаркации или редемаркации, в БДГГ вносятся соответствующие изменения. В случае такой организации данных о госгранице детальность и точность определения положения линии государственной границы будет полностью соответствовать её положению на делимитационных или демаркационных картах, таким образом исключается одна из главных ошибок определения метрических параметров территории страны, вызванная неточным определением положения линии границы. Кроме того, организация мониторинга БДГГ позволит в дальнейшем организовать мониторинг метрических параметров территории страны по разработанной технологии.
Для апробации разработанной технологии в настоящих исследованиях на сухопутном участке границы будет использован векторный слой государственной границы Российской Федерации, который будет по заказу Росреестра создан в первой половине 2012г. по картографическим материалам делимитации и демаркации государственных границ.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема определения метрических параметров территории Российской
Федерации с использованием ГИС-технологий
Положение линии государственной границы Российской Федерации на море определяется положением исходных линий (ИЛ), которые утверждаются Правительством Российская Федерация и публикуются в Журнале «Извещение мореплавателям». На момент апробации разрабатываемой технологии и проведения практических картометрических работ по измерению размеров территории РФ будет использовано положение ИЛ, определенное последними решениями Правительства РФ. Однако после утверждения Правительством РФ результатов работ Росреестра, выполненных в 2011г. совместно с Гидрографической службой Министерства Обороны РФ по определению нового положения ИЛ в районе побережья РФ и ее островов в Северном ледовитом океане, в систему будет введено ее новая версия.
Блок исходных топографических данных включает в себя ЦТК, используемую для работ по определению метрических параметров страны (это может быть ЦТК масштаба 1:100 000 - 1:50 000 или крупнее на отдельные территории), данные о рельефе местности, применяемые для создания 3-0 модели и определения по ней метрических параметров территории на топографической поверхности (могут быть получены как с ЦТК, так и независимо по результатам фотограмметрических работ, лидарной съемки и т.д.), а также сведения о границах субъектов РФ и иных ее административнотерриториальных единиц (АТЕ).
В рамках апробации разрабатываемой технологии и проведения практических работ по определению размеров территории РФ источником всех видов вышеназванных данных (топография, рельеф, границы АТЕ) является ЦТК масштаба 1:100 000, обновленная Росреестром в 2011г. При этом положение линии границ субъектов РФ на этих ЦТК проверено редакторскими службами аэрогеодезических предприятий Росреестра, участвовавших в выполнении работ по обновлению, путем сверки с дежурными картами территориальных отделов государственного геодезического надзора Росреестра.
Блок геоинформационного программного обеспечения (ГИС ПО) включает в себя несколько геоинформационных программных продуктов профессионального уровня, позволяющих осуществлять стандартные операции с пространственной информацией (ЦТК, пространственные базы данных): импорт-экспорт векторных данных и связанных с ними баз семантических данных в наиболее распространенных форматах, одновременная визуализация графической и семантической информации о географически локализованных объектах, осуществление атрибутивного и пространственного анализа и представление результатов запросов в графическом и табличном виде, автоматизированное выполнение вычислительных операций с геометрией объектов карты (вычисление длины, площади, периметра, координат центроидов объектов карты), представление информации на карте в различных картографических проекциях и т.д. В соответствии с принятыми для разработки технологии принципиальными подходами, с целью исключения ограниченности модели территории в традиционном картометрическом методе, представляющей собой бумажную карту, созданной в фиксированной проекции, определение метрических параметров по новой технологии предлагается
осуществлять в гибкой, нефиксированной модели территории. При этом базовой моделью территории, наиболее приближенной по пространственному положению и степени искажения к ее оригиналу в природе, предлагается рассматривать проекцию территории на земной эллипсоид, а преобразование в другие модели и различные виды проекции осуществлять с целью выполнения контрольных определений.
Количество ПО ГИС более чем 1 предлагается использовать в методологических целях, для отбора наиболее оптимальных вариантов измерений и контроля выполненных определений.
В рамках апробации разрабатываемой технологии и проведения тестовых и практических работ по определению метрических параметров территории РФ тестировались следующие программные продукты: ГИС-Карта (Россия), ArcGIS (США), GeoMedia Professional (СШЛ) Контрольные определения выполнялись в ПО, разработанном в рамках настоящих исследований под руководством автора в ФГУП центр «Сибгеоинформ».
Блок нормативных документов является неотъемлемой частью технологии работ по определению метрических параметров территории страны и включает в себя существующие нормативно-правовые, нормативнотехнические документы в данной сфере, а также техническое задание на выполнение данного конкретного вида работ с заданными видами объектов или техническое задание на осуществление картометрического мониторинга территории РФ.
Экспериментальные и тестовые работы предусмотрены в Технологии как для выбора в рамках настоящих исследований оптимальных ПО ГИС, наиболее адаптированных для целей метрических измерений, так и для проверки новых видов ПО ГИС, которые могут появиться в будущем и по своим показателям будут соответствовать предъявляемым к ним требованиям, для проверки новых версий ранее использовавшегося в Технологии ПО, для проверки корректности ввода в ПО ГИС исходной топографической информации и сведений о государственной границе, представленных в новых форматах и видах.
При апробации разрабатываемой Технологии и проведении практических работ с ее применением по определению размеров территории РФ источником всей топографической информации и сведений о государственной границе (за исключением ИЛ) послужили ЦТК, представленные в формате SXF, тестированию подверглись указанные выше 5 видов ПО ГИС.
Первичное формирование пространственной базы данных территории (ПБДТ) РФ для выполнения работ по определению ее размеров потребует наибольших трудовых и временных затрат, поскольку в данном случае необходимо выполнить первичный ввод в ПБДТ всей необходимой исходной информации, в том числе выполнить:
- Импорт выбранных слоев из ЦТК масштаба 1:100 000 на всю территорию РФ (около 13500 номенклатурных листов);
- Проверка корректности импорта в части геометрии и семантики объектов;
- Сшивка (объединение) подлежащих картометрической обработке объектов из пономенклатурного представления в пообъектное;
- Ввод в ПБД сведений о положении линии государственной границы на суше и исходных линий на море.
В процессе дальнейшей эксплуатации технологии данный этап будет менее трудоемким, поскольку в систему потребуется вводить не все, а только изменившиеся данные (например, новое положение линии государственной границы на отдельном ее участке).
Этап определения метрических параметров территории РФ содержит в себе собственно процессы определения геометрических характеристик территорий и объектов штатными средствами выбранных ПО ГИС, а также контрольные их измерения и вычисления альтернативными методами. На этом же этапе осуществляется оценка точности выполненных определений и составляются каталоги с результатами работ.
Этап подготовки итоговых данных для публикации является заключительным при выполнении работ по определению метрических параметров территории Российской Федерации с применением геоинформационных технологий и включает в себя процессы создания требуемых отчетных документов, презентующих результаты картометрических измерений и вычислений территории РФ и ее субъектов в виде ведомостей, таблиц, картограмм, графиков, диаграмм и иных видов электронных документов.
Вышеуказанные принципиальные подходы, принятые для разработки новой технологии определения метрических параметров территории Российской Федерации, позволяют устранить недостатки ранее применявшихся для этих целей аналоговых методов картометрических измерений и выработать решение этой важной государственной задачи на уровне, соответствующем современному уровню развития геоинформационных технологий и методов работы с цифровой картографической информацией и пространственными данными.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волков, Н. М. Принципы и методы картометрии. - Ленинград: Издательство Академии наук. - 1950. С. 149, 283-314.
2. Технический отчет по исчислению полной площади Российской Федерации 19901994. Федеральная служба геодезии и картографии. Центральный картографо-геодезический фонд. -1994. С. 1-5.
3. Карпик, А. П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий. - Новосибирск. - 2002. С. 15-44.
© В.И. Обиденко, 2012
