CC BY
35
УДК 528.92
АВТОМАТИЗАЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕТРОСПЕКТИВНЫХ КАРТ ЗЕМЕЛЬНОГО УЧЕТА
Андрей Николаевич Бешенцев
Байкальский институт природопользования СО РАН, 670031, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, доктор географических наук, профессор РАН, заведующий лабораторией, тел. (3012)43-36-76, e-mail: [email protected]
В статье представлены результаты использования ретроспективных картографических материалов земельного учета при геоинформационном исследовании природопользования и трансформации природных ландшафтов в центральной части бассейна озера Байкал в XX в. Выполнен комплексный сравнительный анализ ретроспективных карт с современными картами, аналогичными по тематическому содержанию и масштабу. Дана характеристика ретроспективных карт, выполнена оценка их пригодности в качестве документов долгосрочного мониторинга регионального природопользования и трансформации природных ландшафтов. Разработана методика геометрической коррекции ретроспективных объектных слоев в программной среде Arc GIS. Разработана методика автоматизации ретроспективных карт на основе геоинформационной технологии. Представлен пример итоговой карты мониторинга землепользования в бассейне озера Байкал.
Ключевые слова: ретроспективные карты, картографический мониторинг землепользования, ГИС-технология, геометрическая коррекция.
Постановка задачи
В результате научно-технического прогресса в социуме сформировалась система регистрации земельных ресурсов в виде государственного института картографического обеспечения землеустроительной деятельности. Это первые работы Поместного приказа и Генерального межевания земель Российской Империи, картографирование в годы деятельности Переселенческого управления и столыпинской аграрной реформы, советский этап картографирования и современный этап - картографирование земельных ресурсов Российской Федерации [1]. Точные карты использования земель создаются уже около двухсот лет в единых картографических проекциях и системах координат, характеризуются единством картографируемых объектов и отображаемых параметров, преемственностью методик составления и принципов генерализации. Они представляют собой разновременные модели физико-географического состояния территории, являются исходной информацией для оценки и исследования процесса хозяйственного освоения территории и развития регионального землепользования и служат исходной информацией для метрической оценки трансформации природных геосистем.
Карта всегда являлась первичным инструментом оценки хозяйственного преобразования территории, так как, еще не имея физических и химических анализов, человек начал фиксировать динамику географической среды с помощью языка карты. Кроме того, ретроспективные карты являются историческим
источником и поэтому востребованы в различных областях территориальной деятельности. Они успешно используются в этноархитектурных [2] и историко-этнографических исследованиях [3], на основе их анализа составляются летописи катастроф [4], они несут ценную информацию по истории формирования российского государства [5]. Ретроспективные карты незаменимы при исследованиях динамики географических объектов, и в первую очередь изменений лесного покрова [6, 7], оценки динамики русел рек [8]. Они надежные источники для геоэкологического картографировании [9] и метрической оценки влияния природопользования на географическую среду [10-12].
Кроме того, в настоящее время интерес к ретроспективным картам связан с возможностями геоинформационной технологии, которая обеспечивает их формализацию в программной среде и позволяет совмещение разновременных объектных слоев в едином покрытии для последующего пространственно-временного моделирования [13]. Основной проблемой автоматизации ретроспективных карт является их привязка в геоинформационном поле и последующая геометрическая коррекция ретроспективных объектных слоев на современной топооснове [14]. Современные ГИС-программы позволяют успешно решать эти задачи [15-17].
В настоящее время различными ведомствами накоплены значительные массивы карт земельных ресурсов разных лет издания ГУГиК, Госкомзема и Роскартографии. Внедрение геоинформационной технологии позволяет автоматизировать механизм использования ретроспективных карт и требует методического обоснования их включения в современные исследования земельных ресурсов и антропогенного преобразования земной поверхности. Разработка методики автоматизации этих карт является актуальной задачей, поскольку обеспечит их централизованное хранение и использование в программной среде в качестве унифицированных и легитимных документов долговременного мониторинга регионального землепользования.
Материалы и методы
Ретроспективными картами считаются картографические произведения, утратившие свою актуальность для современной хозяйственной деятельности по причине значительных изменений отображаемой земной поверхности. При этом они имеют важное научное значение для исследования долговременных природных, социальных и экономических процессов, хозяйственного освоения территории, метрической оценки динамики и трансформации природных ландшафтов и т. п.
С 20-х гг. прошлого века на территории Байкальского региона организовано создание первых крупномасштабных земельно-ресурсных карт. Этими работами занимался Управзем Народного комитета по землеустройству Бурят-Монгольской АССР, широко используя опыт и материалы дореволюционного Межевого ведомства. После введения в 1924 г. единого масштабного ряда, ор-
ганы землеустройства создавали сельскохозяйственные карты в масштабах 1 : 50 000-1 : 200 000, отображающие размещение землепользователей, границы землепользований и сельскохозяйственных угодий, регистрируемых государственным учетом земель. Назначение карт земельного учета - отобразить особенности размещения сельскохозяйственных угодий, их размеры и очертания.
Объектом исследования являются листы Карты земельного учета масштаба 1 : 50 000, которые составлены в 1933-34 гг. Народным Комитетом по землеустройству (рис. 1).
Рис. 1. Фрагмент листа карты
Карта создана в поперечно-цилиндрической проекции Гаусса в трехградусной зоне. Обработка триангуляции выполнена на двух ориентировках эллипсоида Бесселя. В качестве дополнительных картматериалов при составлении анализируемых карт использовались материалы топографических съемок, горизонтальных съемок Переселенческого управления и Лесного управления Народного комитета по землеустройству Бурят-Монгольской АССР. Исследуемые карты - рукописные, первоначально картографическое изображение составлено карандашом, а затем вычерчено тушью. Все листы подписаны соста-
вителем, корректором и руководителем группы по земельному учету. Элементами содержания карт являются: математическая основа; гидрография; населенные пункты; дорожная сеть; земельные угодья; границы.
Для определения методики составления и принципов генерализации исследуемых карт был выполнен их сравнительный анализ с современными картами земельного учета административных районов масштаба 1 : 50 000, составленными Государственным комитетом по землеустройству Республики Бурятия в 1991-1993 гг. и листами топографических карт масштаба 1 : 50 000, составленными Роскартографией в 2005 г. Сравнительный анализ исследуемых карт позволяет сказать, что отбор элементов, выбранные способы изображения, соотношение элементов содержания и общий объем информации позволяют решать по ним задачи в соответствии с назначением. Анализ литературных источников, ретроспективных и современных картматериалов, полевые обследования позволяют сказать, что классификации элементов содержания правильно разработаны и использованы. При наличии отдельных ошибок, принятые приемы и параметры генерализации позволили авторам сохранить типичные особенности картографируемой территории и отобразить взаимную согласованность земельных угодий и остальных элементов содержания.
Автоматизация ретроспективных карт
Для определения точности анализируемых карт были использованы «Каталог геодезических координат» издания 1984 г. и листы топокарты масштаба 1 : 100 000, составленной Генеральным штабом в 1995 г. по материалам съемки 1992 г. Два произвольно выбранных листа оцениваемых карт были оцифрованы в программной среде Easy Trace и конвертированы в картографическую проекцию Меркатора. Аналогичные операции были выполнены с двумя листами современных топокарт. Затем на цифровых основах были выбраны по десять твердых точек для оценки точности планового положения контуров земельных угодий и оценки точности измерения площадей. При подготовке растровых покрытий для векторизации не учитывалась деформация носителя и ошибка сканирования. Векторизация покрытий осуществлялась одним оператором при шаге векторизации 100-500 м. Затем в программной среде Arc GIS посредством оверлейных операций было произведено совмещение разновременных слоев и выполнена оценка величин их планового несоответствия.
Оценка точности основывалась на регистрации плановых координат твердых (однозначно установленных на разновременных топоосновах) точек земной поверхности. Результаты оценки позволили выявить среднеквадратические ошибки положения на местности для: речной сети - до 200 м; дорожной сети -до 300 м; населенных пунктов - до 200 м; контуров - до 400 м. Необходимо отметить, что величина ошибки возрастает по мере удаления объекта от главной реки или дороги, по которым проходил съемочный ход. Также была выполнена оценка измерения площадей. Таким образом, анализ точности позволил вы-
явить относительно низкую и различную точность математической основы исследуемых карт.
Для минимизации геометрических искажений ретроспективных карт была разработана методика геометрической коррекции, представляющая собой совокупность последовательных технологических операций исправления ретроспективных векторных слоев на основе геометрических преобразований сети регистрационных точек. Регистрационные точки представляют собой картографируемые точечные объекты либо пересечения линейных объектов, однозначно установленные на современной и ретроспективной топоосновах.
Для организации долгосрочного мониторинга землепользования интерес на этих картах представляет только слой контуров земельных угодий, который необходимо привязать к современной топооснове. Привязка слоя земельных угодий осуществляется на основании параметров установленной картографической проекции по углам рамок съемочной трапеции, являющихся пересечениями меридианов и параллелей. Для каждого листа формируется массив регистрационных точек, в качестве которых поочередно были использованы характерные элементы контуров, неизменные в течение периода исследования. Это центры и стабильные границы населенных пунктов, дороги и их пересечения, служащие границами и углами контуров земельных угодий, а также реки и их устья. Затем, в результате аффинного преобразования в программной среде Arc GIS сети регистрационных точек выполняется координатная трансформация ретроспективных векторных слоев.
Автоматическая трансформация позволяет уменьшить ошибку планового положения до 20-50 м. На листах с хорошо развитой речной и дорожной сетью среднеквадратическая ошибка планового положения объектов уменьшалась до 20 м, а вблизи регистрационных точек было полное совмещение. На листах с бедной речной сетью вблизи регистрационных точек ошибка увеличивалась до 50 м, а на отдаленных участках она составляла 100 м. На обжитых территориях, с развитой дорожной сетью в качестве регистрационных точек целесообразно использовать пересечения дорог. В этом случае среднеквадратическая ошибка планового положения объектов снижается до 20 м.
Для последующей коррекции на ретроспективном слое вновь указываются координаты регистрационных точек и выполняется координатная трансформация посредством алгоритма «резиновый лист». В этом случае исправление геометрических искажений выполняется вручную векторами смещения. Чем больше регистрационных точек, тем выше точность первичной коррекции. Зная характер ошибок исследуемых карт, на разных листах целесообразно выбирать различные варианты расположения регистрационных точек. Например: располагать точки равномерно по листу либо неравномерно, выбирать точки, относящиеся к разным объектам, и т. п. Таким образом, в результате геометрической коррекции векторных слоев земельных угодий, были минимизированы их пространственно-геометрические искажения (рис. 2).
Рис. 2. Методика автоматизации ретроспективных карт в среде Arc GIS
Итоговый слой земельных угодий представляет собой совокупность векторных полигонов, где помимо координат границ объектов, автоматически определяются их метрические параметры, а атрибутивная информация характеризует тип объекта и особенности его использования (пашня, сенокос и т. п.). Атрибутивные таблицы создаются автоматически при экспорте каждого ретроспективного слоя в среду Arc GIS. Наполнение таблиц вручную осуществляет оператор ГИС.
Таким образом, в результате формализации ретроспективных карт земельного учета в программной среде можно говорить о создании геоинформационного ресурса, представляющего собой векторный слой (shp - файл) и однозначно соответствующую таблицу атрибутов (dbf - файл). Информационная структура базы данных ресурса разработана на основе элементов содержания современных землеустроительных карт. Ресурс представлен в цифровой форме при соблюдении общих правил описания, хранения и манипулирования данными и является основой для создания электронных карт. Он имеет математическую основу (картографическая проекция, масштаб, эллипсоид), аналогичную параметрам современных векторных слоев ГИС, имеет ту же систему классификации и кодирования и может быть использован при реализации всех аналитических операций ГИС.
Использование ретроспективных карт
При мониторинге центральной, наиболее освоенной части бассейна оз. Байкал, использованы листы сельскохозяйственной карты масштаба 1 : 100 000 издания 2005 г. В результате совмещения слоев «пашня 1934 г.» и «пашня 2005 г.» создано векторное покрытие «динамика пашни», регистрирующее площадь распаханности территории по двум временным срезам (рис. 3).
Рис. 3. Результат картографического мониторинга землепользования
Покрытие содержит атрибуты совмещенных слоев и метрические параметры вновь образовавшихся полигонов. Количественная оценка пространственных характеристик явления выполняется в пределах бассейнов рек. На основании интерактивного анализа покрытия «динамика пашни» пользователь может получить метрические данные, территориально характеризующие изменение явления, а также выделить участки современной, заброшенной и новой пашни, площади, распахиваемые во время всего периода, и т. п. Кроме того, совмещение покрытия со слоем «природные ландшафты» позволяет выявить приуроченность пашни к определенным типам ландшафтов и выполнить количественную оценку их трансформации. Таким образом, процесс картографического мониторинга представляет совокупность человеко-машинных операций по со-
вмещению ретроспективных геоданных и современных геоизображений с целью получения новой геоинформации о динамике долговременных процессов землепользования и их последствиях.
Заключение
Оцениваемые ретроспективные карты регистрируют пространственную и атрибутивную информацию земельных угодий центральной, наиболее освоенной части бассейна озера Байкал на 30-е гг. XX в. Они отображают последний временной срез функционирования скотоводческой системы природопользования, до административного принуждения к оседлости. Именно вторая половина 30-х гг. характеризуется возникновением постоянных бурятских населенных пунктов и строительством промышленных предприятий в регионе.
Минимизации искажений ретроспективных контуров земельных угодий позволяет использовать эти карты как метрические документы при оценке хозяйственного преобразования природных ландшафтов.
Таким образом, ретроспективные землеустроительные карты представляют собой важные исторические документы, которые могут быть использованы в качестве метрической основы долговременного мониторинга землепользования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Донцов А. В. Земельноресурсное картографирование: история картографирования земель России и его основные этапы // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. -2005. - № 10. - С. 66-76
2. Орфинский В. П. Старая карта как новый этноархитектурный источник // СагеНеа. -2014. - № 1 (11). - С. 116-118.
3. Псянчин А. В. Опыт и перспективы использования старых карт в историко-этнографических целях (на примере Уральского региона) // Интеграция археологических и этнографических исследований : сборник материалов. - Омск. - 1999. - С. 83-84.
4. Молоткова Ж. Старые карты - летопись катастроф // Энергия: экономика, техника, экология. - 2004. - № 2. - С. 66-68.
5. Носовский Г. В., Фоменко А. Т. Старые карты Великой русской империи (Птолемей и Ортелий в свете новой хронологии). - М. : Изд-во АСТ. - 2010. - 685 с.
6. Кукса И. В. Исследование динамики распространения лесов по космическим снимкам и старым картам : автореф. дис... канд. геогр. наук. - М., 1993. - 24 с.
7. Черепанова Е. С. Картографирование лесных ресурсов на разновременных картах Х1Х-ХХ1 вв. (территория Пянтежской лесной дачи) // Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края : сборник материалов. - Пермь, 2013. - С. 100-103.
8. Каргаполова И. Н. Использование старых русских карт для изучения динамики русел рек // Геодезия и картография. - 2007. - № 12. - С. 10-20.
9. Ермошин В. В., Ганзей С. С., Мишина Н. В. Старые топографические карты как информационный ресурс при геоэкологическом картографировании // Геоинформационное картографирование в регионах России : сб. материалов. - Воронеж, 2009. - С. 79-83.
10. Постников А. В. Старые карты как источник информации для изучения влияния хозяйства на среду (на примере Центральной России ХУШ-Х1Х вв.) // Известия русского географического общества. - 1980. - Т. 112. - № 5. - С. 419-424.
11. Силаев А. В. Картографический анализ состояния селитебных и распаханных территорий Тункинской котловины за последнее столетие // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2013. - № 2 (73). - С. 80-84.
12. Хромых О. В., Хромых В. В., Хромых В. С. Естественная и антропогенная динамика ландшафтов поймы Томи в окрестностях г. Томска // Вестник Томского государственного университета. - 2015. - № 400. - С. 426-433.
13. Бешенцев А. Н. Информационная концепция картографического мониторинга геосистем: дисс. ...д-ра геогр. наук. - Иркутск, 2013. - 281 с.
14. Бешенцев А. Н. Картографический мониторинг природопользования // Геодезия и картография. - 2011. - № 3. - С. 14-18.
15. Шмелев В. К. Географическая привязка старых карт (на примере карт города Москвы) // Приложение к журналу Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. Сборник статей по итогам научно-технической конференции. - 2015. - № 8. - С. 121-124
16. Кондратьев И. И. Картография XVIII столетия: от артефакта к источнику (методика топографической адаптации картографических материалов XVIII века) // Вестник Тверского государственного университета. Серия: история. - 2009. - № 2. - С. 90-98.
17. Разработка метода ретроспективного картографирования почвенного покрова земель населенных пунктов / Г. А. Уставич, Л. А. Пластинин, Я. Г. Пошивайло, И. П. Каретина // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 4/С. - С. 99-103.
Получено 23.03.2017
© А. Н. Бешенцев, 2017
AUTOMATION AND USE OF RETROSPECTIVE MAPS OF LAND REGISTRATION
Andrew N. Beshentsev
Baikal Institute of Nature Management SB RAS, 670031, Ulan-Ude, 6 Sakhyanovoy St., Dr. Sc., Professor of RAS, Head of Laboratory, phone: (3012)433676, e-mail: [email protected]
The article presents the results of the use of retrospective cartographic materials for land use registration in the geoinformation study of nature management and transformation of natural landscapes in the central part of the Lake Baikal basin in the 20th century. Comprehensive comparative analysis of retrospective maps with modern maps similar to thematic content and scale is given. The characteristics of retrospective maps are given, their suitability as documents for long-term monitoring of regional nature management and transformation of natural landscapes is assessed. A methodology for geometric correction of retrospective object layers in the Arc GIS software environment was developed. A technique for automating retrospective maps based on geoinformation technology has been developed. An example of the final map of land use monitoring in the Lake Baikal basin is presented.
Key words: retrospective maps, cartographic monitoring of land use, GIS-technology, geometric correction.
REFERENCES
1. Doncov, A. V. (2005). Land resource mapping: the history of mapping of the lands of Russia and its main stages. Zemleustrojstvo, kadastr i monitoring zemel' [Land management, Cadastre and Land Monitoring], 10, 66-76 [in Russian].
2. Orfinskij, V. P. (2014). The old map as a new ethnoarchitectural source. Carelica. [Carelica], 1(11), 116-118 [in Russian].
3. Psjanchin, A. V. (1999). Experience and prospects of using old maps for historical and ethnographic purposes (by the example of the Ural region). In Sbornik materialov Mezhdunarodnoy nauchno-metodicheskoy konferentsii: Integracija arheologicheskih i jetnograficheskih issledovanij
[Proceedings of International Scientific and Practical Conference: Integration of Archaeological and Ethnographic Research] (pp. 83-84). Omsk [in Russian].
4. Molotkova, Zh. (2004). The old maps - the chronicle of disasters. Jenergija: jekonomika, tehnika, jekologija [Energy: Economics, Technology, Ecology], 2, 66-68 [in Russian].
5. Nosovskij, G. V., & Fomenko, A. T. (2010). Starye karty Velikoj russkoj imperii (Ptolemej i Ortelij v svete novoj hronologii) [Old maps of the Great Russian Empire (Ptolemy and Ortelius in the light of the new chronology)]. Moscow: AST Publ. [in Russian].
6. Kuksa, I. V. (1993). Issledovanie dinamiki rasprostranenija lesov po kosmicheskim snimkam i starym kartam [Study of the dynamics of forest spreading through space images and old maps]. Сandidate's thesis. Moscow [in Russian].
7. Cherepanova, E. S. (2013). Mapping of forest resources on different maps of the XIX-XXI centuries. (The territory of the Pyantige Forest Cottage). In Sbornik materialov Mezhdunarodnoy nauchno-metodicheskoy konferentsii: Geoinformacionnoe obespechenie prostranstvennogo razvitija Permskogo kraja [Proceedings of International Scientific and Practical Conference: Geoinformation Support of the Spatial Development of Perm' Krai] (pp. 100-103). Perm': PGU [in Russian].
8. Kargapolova, I. N. (2007). Use of old Russian maps to study the dynamics of river beds. Geodezija i kartografija [Geodesy and Cartography], 12, 10-20 [in Russian].
9. Ermoshin, V. V., Ganzej, S. S., & Mishina, N. V. (2009). Old topographic maps as an information resource for geoecological mapping. In Sbornik materialov nauchnoi konferentsii: Geoinformacionnoe kartografirovanie v regionah Rossii [Proceedings of the Scientific Conference: GeoinformationMapping in the Regions of Russia] (pp. 79-83). Voronezh [in Russian].
10. Postnikov, A. V. (1980). Old maps as a source of information for studying the influence of the economy on the environment (on the example of Central Russia of the XVIII-XIX centuries). Izvestija russkogo geograficheskogo obshhestva [News of the Russian Geographical Society], 112(5), 419-424 [in Russian].
11. Silaev, A. V. (2013). Cartographic analysis of the state of the residential and plowed areas of the Tunkinskaya depression in the last century. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Irkutsk State Technical University], 2(73), 80-84 [in Russian].
12. Hromyh, O. V., Hromyh, V. V., & Hromyh, V. S. (2015). Natural and anthropogenic dynamics of Tomy floodplain landscapes in the vicinity of Tomsk. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Tomsk State University], 400, 426-433 [in Russian].
13. Beshentsev, A. N. (2013). Informacionnaja koncepcija kartograficheskogo monitoringa geosistem [Information concept of cartographic monitoring of geosystems]. Doctor's thesis. Irkutsk [in Russian].
14. Beshentsev, A. N. (2011). Cartographic monitoring of nature use. Geodezija i kartografija [Geodesy and Cartography], 3, 14-18 [in Russian].
15. Shmeljov, V. K. (2015). Geographic binding of old maps (for example, maps of Moscow). Prilozhenie k zhurnalu Izvestija vuzov. Geodezija i ajerofotosemka [Supplement to the journal Izvestiya Vuzov. Geodesy andAerophotography], 8, 121-124 [in Russian].
16. Kondrat'ev, I. I. (2009). Cartography of the XVIII century: from the artifact to the source (the method of topographical adaptation of cartographic materials of the XVIII century). Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Tver State University], 2, 90-98 [in Russian].
17. Ustavich, G. A., Plastinin, L. A., Poshivajlo, Ja. G., & Karetina, I. P. (2013). Development of a method for retrospective mapping of soil cover in settlements. Izvestija vuzov. Geodezija i ajerofotosemka [Izvestiya Vuzov. Geodesy and Aerophotography], 4/S, 99-103 [in Russian].
Received 23.03.2017
© A. N. Beshentsev, 2017
