Обновление топографических карт с помощью российских спутниковых данных

Отечественный космический аппарат «Ресурс-ДК», поставляющий данные с разрешением 1-3 метра позволяет решать широкий круг прикладных задач, в том числе и задачи крупномасштабного картографирования

Вряду картографических продуктов топографические карты занимают особое место. Эти карты и их производные имеют наибольшее распространение, применяются во многих областях современной социально-экономической жизни. В связи с активным развитием земельных отношений все большую роль играют кадастровые карты и планы. Ведение кадастра на современном уровне ставит задачу оперативного внесения изменений в текущие данные. В настоящее время для обновления содержания топографических карт и кадастровых планов одним из важнейших источников являются данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Под обновлением карт понимается приведение их в соответствие с современным состоянием отображаемой местности. Зачастую те или иные элементы содержания устаревают более чем другие, поэтому при обновлении карт технологические процессы составления элементов содержания карт требуются в меньшем объеме, чем при создании новой карты. Обновление проходит быстрее и с меньшими затратами, чем создание карты заново. Технологии обновления карт варьируют в зависимости от их назначения, масштаба, исходных материалов, объема работ, степени старения карт, используемого программного обеспечения и технических средств.

Становление методики работы с данными аэрофотосъемки как для топографического картографирования, так и для целей кадастра, произошло в 1930-1940-х годах и затем непрерывно совершенствовалось. В 1960-70-е годы велось усовершенствование нормативных документов. С началом космической съемки открылись новые перспективы в картографировании. Невысокое разрешение и технические средства, с использованием которых получали снимки на первоначальном этапе развития технологии дистанционного зондирования, позволяли использовать данные ДЗЗ только для мелкомасштабного картографирования, как общегеографического, так и тематического. В 2000-х годах на орбиту выходят спутники, позволяющие получать данные очень высокого (1-10 м) и сверхвысокого (=<1 м) разрешения (по классификации В. И. Кравцовой). В основном это зарубежные спутники. 15 июня 2006 года на орбиту выведен отечественный космический аппарат (КА) «Ресурс-ДК», поставляющий данные с разрешением 1-3 метра (Рис. 1). Полученные данные позволяют решать широкий круг прикладных задач, в том числе и крупномасштабного картографирования.

Быстроразвивающиеся технологи и космического наблюдения имеют ряд преимуществ по сравнению с аэрофотосъемкой:

• более низкая стоимость (до трех раз) комплекса работ по проведению съемки (особенно в малообжитых и труднодоступных районах) и обработке ее результатов для конечного потребителя;
• больший территориальный охват однократной съемки;
• упрощение процедур формирования фотопланов и исправления геометрических искажений в пределах одного кадра, что повышает геометрическую точность мозаики изображений;
• пространственное разрешение спутниковых данных стремительно приближается к разрешению аэрофотосъемки (до 0,41 метра).

Стоит отметить, что в настоящее время активно идет разработка генеральных планов городов и схем территориального планирования административных единиц разного ранга. В таких случаях привлечение данных ДЗЗ также способно облегчить и упростить задачу создания требуемых картографических материалов.

На топографических картах отображаются все элементы земной поверхности, при этом особые требования предъявляются к планово-высотной точности их отображения. Стоит заметить, что топографические карты для нужд землеустройства и земельного кадастра крайне ограничены в применении, что связано с избыточностью их содержания и недостатком информации об административных границах и границах землепользования, не входящих в содержание топографических карт.

В настоящее время наибольший интерес массовые потребители проявляют к топографическим картам масштаба 1:100 000. Связано это с тем, что карты этого ряда не являются секретными и доступ к ним не имеет ограничений, при этом их содержания достаточно для решения многих задач.

Традиционный путь составления карт этого типа - по картам более крупного масштаба, в данном случае - по карте масштаба 1:50 000. Она, в свою очередь, составляется по карте масштаба 1:25 000 и так далее. В силу особенностей технологического процесса содержание топографической карты масштаба 1:100 000 может устаревать уже в год выхода листа карты, особенно это относится к районам интенсивного социально-экономического развития (например, окрестности Москвы и других городов с населением более 1 миллиона жителей). В связи с этим потребность в оперативном картографировании стоит очень остро.

Как показывает опыт, обновление карт можно вести сразу для того масштаба, который необходим для решения той или иной задачи. Привлечение опытных специалистов-картографов, имеющих богатый опыт дешифрирования, позволяет проводит генерализацию данных высокого разрешения непосредственно в процессе дешифрирования, а именно: проводить отбор путей сообщения, вести корректную для конкретного масштаба отрисовку кварталов населенных пунктов, решать, в одну или в две линии показывать объекты гидрографии.

В качестве примера эффективного использования данных ДЗЗ в картографическом производстве представлена работа по обновлению топографической карты масштаба 1:100 000 на район города Краснозаводск Сергиево-Посадского района Московской области, находящийся на листах карты O-37-125 и O-37-137. Состояние местности на указанных листах дано на 1984 год. Район этот выбран как один из интенсивно развивающихся в Московской области. Для обновления использованы данные КА «Ресурс-ДК» 2008 года (Рис. 2).

Разрешение данных, полученных с КА «Ресурс-ДК», составляет 1-2 метра в панхроматическом диапазоне, что является достаточным для обновления карт, при этом полоса обзора одного маршрута составляет 36 километров.

Как показал анализ, ситуация на местности претерпела существенные изменения, в основном это связано с интенсивным социально-экономическим развитием района, учитывая его близость к Москве.

Увеличилась площадь застройки в населенных пунктах со сложившейся структурой, особенно в городе Краснозаводске (Рис. 3). Появились большие массивы дачной застройки в районах примыкания к Ярославскому шоссе и Ярославскому направлению Московской железной дороги, особенно в районе платформ 83-й километр и 90-й километр (Рис. 4), площадь вновь возникших дачных поселков достигает десятков гектаров, превышая по площади многие даже достаточно крупные сельские населенные пункты района. Появились новые безрельсовые дороги; часть полевых дорог, изображенных на топографической карте, на снимке не прослеживается. Разрешение данных «Ресурс-ДК» позволяет выявить наличие насыпей и выемок, необходимых к показу на картах указанного масштабного ряда.

Изменились контуры растительности, причем в некоторых местах достаточно существенно. Привлечение синтезированных данных ДЗЗ на определенный период съемки позволит разделить лесные массивы по составу пород на хвойные и лиственные.

В этом районе находится первая в нашей стране гидроаккумулирующая электростанция - Загорская ГАЭС. На момент составления топографической карты строительство комплекса ГАЭС только велось, контуры будущих водохранилищ нанесены пунктиром. В настоящее время ГАЭС успешно действует, готовится к вводу в эксплуатацию новая очередь сооружений, в связи с этим объекты гидрографии можно уверенно и корректно нанести на карту, используя в качестве основы данные ДЗЗ (Рис. 5). В то же время следует заметить, что ситуация с обновлением элементов рельефа не имеет простого решения, так как это выглядит с прочими элементами содержания. Для обновления рельефа необходимо либо использовать стереопары, либо привлекать информацию радиолокационного наблюдения.

Также невозможно обойтись без привлечения информации Росстата и местных органов статистики для получения сведений о числе жителей в населенных пунктах, об административно-территориальном делении всех уровней.

В технологическом процессе обновления карт также пока невозможно исключить работы по полевому обследованию камерально исправленных карт. Оно производится с целью дополнения их содержания необходимыми количественными (характеристики древостоя, грузоподъемность мостов и тому подобное) и качественными (материал покрытия автодорог, тип тяги на железных дорогах, тип растительности, характер грунта дна рек и тому подобное) характеристиками и собственными названиями. Выполняются они, как правило, после завершения камеральных работ.

Объем работ по полевому обследованию устанавливается конкретно на каждый лист карты по результатам камерального исправления, зависит от количества происшедших на местности изменений, а также от принятой технологии обновления карты и определяется утвержденным рабочим проектом.

Тем не менее основной массив данных возможно обновить по данным ДЗЗ. Исходными данными для работы по обновлению являются радиометрически и геометрически корректированные данные, впоследствии «привязанные» к топографической карте по опорным точкам. Естественно, что привязка данных ДЗЗ такого разрешения к топографической карте масштаба 1:100 000 не является вполне корректной, но тем не менее удовлетворяет требованиям точности, предъявляемым к карте данного масштабного ряда.

Следующим технологическим этапом является цифрование содержания топографической карты в программном комплексе ArcGIS. Тематические слои создаются на основе «Руководства по картографическим и картоиздательским работам. Часть 1. Составление и подготовка к изданию топографических карт масштабов 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000». Заполняются внутренняя база данных на лист карты: присваиваются названия объектам, указывается тип поселения, характер растительности, тип дорог и прочее. В результате проводится обновление содержания путем визуального дешифрирования, и, при необходимости, корректура. Отрисовка изменившихся элементов содержания проводится с учетом масштаба обновляемой топографической карты, то есть необходимо проводить генерализацию и принимать решение непосредственно в процессе дешифрирования.

Для оформления листа карты с учетом необходимых требований использована библиотека символов, разработанная компанией «ДАТА+» для работы в среде ArcGIS.

Как отмечалось выше, для успешного ведения кадастра и выполнения землеустроительных работ необходимо наличие планов, наиболее современно отражающих текущую ситуацию. Зачастую такие планы, имеющиеся на местах, даже не переведены в цифровую форму, не говоря уже о полноценном ведении ГИС. И при этом различные схемы развития городской среды строятся именно на таких морально и физически устаревших данных.

Совершенно очевидно, что для ведения кадастра в ближайшее время потребуется приведение имеющегося массива данных в цифровую форму, а затем его обновление. Обновление может вестись посредством инструментальной геодезической съемки. Но также для обновления могут использоваться данные ДЗЗ, причем, как отмечается специалистами, для качественного решения самого широкого круга задач необходимо проводить регулярное обновление данных - не реже, чем раз в год. Успешные примеры обновления картографических материалов имеют место, но в основном передовые технологии используются в крупных городах. При этом содержание ГИС, по сути являющейся картографической базой данных, составляют растровые слои, представленные старыми планами, данные ДЗЗ и векторные слои с максимально возможной атрибутивной информацией.

Применение данных очень высокого разрешения позволяет выполнять успешное обновление не только топографических обзорно-топографических карт, но и кадастровых планов до масштаба 1:10 000. Наличие актуальных планов такого масштаба очевидно, особенно в современных условиях активного развития крупных городов и их зон влияния.

В качестве примера обновления картографических материалов крупного масштаба представлен проект обновления кадастрового плана на часть города Долгопрудный Московской области по данным, полученным с КА «Ресурс-ДК».

В качестве исходного материала использован кадастровый план на часть города и прилегающие территории по состоянию на начало 1980-х годов. В качестве материала, используемого для обновления, применены данные «Ресурс-ДК».

Анализ полученных данных ДЗЗ показал, что местность претерпела существенные изменения, площадь застройки на территории, которая подлежала обновлению, увеличилась почти в два раза. В основном вновь построенные здания - малоэтажная коттеджная застройка (Рис. 6). Поскольку данные с КА «Ресурс-ДК» имеют очень высокое разрешение, проблем с дешифрированием и нанесением обновляемых элементов содержания не возникло.

Таким образом, с плановым наращиванием российской орбитальной группировки, особенно в части аппаратов детального наблюдения, использование данных ДЗЗ позволит проводить обновление топографических карт и кадастровых планов с требуемыми в современных условиях периодичностью и содержанием. Это позволит повысить эффективность работ, связанных с привлечением актуального картографического материала, особенно для отрасли строительства, поскольку позволит полностью или значительно исключить инструментальную съемку. Исключение инструментальной съемки повышает экономическую эффективность картосоставительских работ, поскольку обработка данных ДЗЗ ведется в камеральных условиях.

Накопленный опыт использования информации КА «Ресурс-ДК» при проведении картографических работ позволит в ближайшие годы эффективно применять данные перспективных КА «Ресурс-П», «Канопус-В», «Картограф» и других в целях обеспечения широкого круга потребителей актуальной картографической информацией.