CC BY
99
КАРТОГРАФИЯ И ГЕОИНФОРМАТИКА
УДК 528.9
КАРТОГРАФИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ БАЗОВЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Зоригма Зундуевна Пахахинова
ФГБУН Байкальский институт природопользования СО РАН, Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, инженер 2-й категории, тел. (902)162-54-56, e-mail: [email protected]
Эдуард Аюрович Батоцыренов
ФГБУН Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Россия, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, кандидат географических наук, научный сотрудник, тел. (902)458-52-80, e-mail: [email protected]
Андрей Николаевич Бешенцев
ФГБУН Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Россия, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, доктор географических наук, профессор РАН, заведующий лабораторией, тел. (902)458-50-85, e-mail: [email protected]
Статья освещает актуальную проблему современного информационного общества -использование базовых пространственных объектов и организация баз базовых пространственных данных для решения территориальных задач в сфере экономики, сельского хозяйства, транспорта, проектно-изыскательских работ, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций и т. п. В статье представлен опыт информационной регистрации базовых пространственных объектов и создания соответствующих базовых пространственных данных для мониторинга природопользования. Установлено их место и значение в инфраструктуре пространственных данных, отмечены проблемы надежности данных.
Разработана классификация базовых пространственных объектов, которая позволяет объединить в информационный массив основные топографические объекты и объекты различной ведомственной принадлежности, предложены уточнения отдельных наборов базовых пространственных объектов. Представлен практический пример создания базовых пространственных данных с помощью беспилотного летательного аппарата. Описана методика создания карт мониторинга природопользования посредством автоматизированной информационно-картографической системы, предложена классификация карт мониторинга природопользования.
Ключевые слова: базовые пространственные объекты, базовые пространственные данные, природопользование.
THE CARTOGRAPHIC REGISTRATION OF THE BASIC SPATIAL OBJECTS FOR MONITORING OF NATURE MANAGEMENT
Zorigma Z. Pakhakhinova
FGBUN Baikal Institute of Nature Management SB RAS, 670047, Russia, Ulan-Ude, 6 Sakhyanovoy St., Engineer 2nd category, tel. (902)162-54-56, e-mail: [email protected]
Eduard A. Batotsyrenov
FGBUN Baikal Institute of Nature Management SB RAS, 670047, Russia, Ulan-Ude, 6 Sakhyanovoy St., Ph. D., Research Fellow, tel. (902)458-52-80, e-mail: [email protected]
Andrew N. Beshentsev
FGBUN Baikal Institute of Nature Management SB RAS, 670047, Russia, Ulan-Ude, 6 Sakhyanovoy St., D. Sc., Professor of RAS, Head of Laboratory, tel. (902)458-50-85, e-mail: [email protected]
The article highlights the urgent problem of the information society - the use of the basic spatial objects and the organization of spatial databases to solve territorial problems in the sphere of economy, agriculture, transport, environmental survey, etc. The paper describes the experience of an information registration of the basic spatial objects and the creation of respective basic spatial data for nature management monitoring. Their place and importance in the spatial data infrastructure is defined, the problems of data reliability are marked out.
The classification of the basic spatial objects is developed, which allows to combine basic topographic objects and the objects of different department identity into an information array. The clarification of some basic sets of spatial objects is offered. The paper presents a practical example of the creation of the basic spatial data using unmanned aircraft. A method of creating nature management monitoring maps through an automated information and mapping system is described, the classification of nature management monitoring maps is recommended.
Key words: basic spatial objects, basic spatial data, nature management.
Постановка задачи
Важным сегментом современного информационного общества должна стать инфраструктура пространственных данных (ИПД), которая обеспечит упорядочивание создаваемых геоинформационных ресурсов, их более эффективное использование на разных уровнях территориальной деятельности за счет свободного доступа органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций и граждан к пространственным данным [1]. В этих условиях важное значение для хозяйственной деятельности приобретают долговременно устойчивые географические объекты или базовые пространственные объекты (БПО), характеризующиеся постоянством местоположения и качественно-количественной сущности. Цифровые сведения об этих объектах являются главным сегментом формируемой ИПД и представляют собой базовые пространственные данные (БПД), служащие основой для различных видов деятельности: природопользования, проектно-изыскательских работ, обороны, ликвидации ЧС и других мероприятий, связанных с использованием территории. В этих данных нуждаются органы управления и планирования, государственные и частные корпорации, представители среднего и малого бизнеса, от-
дельные граждане, деятельность которых связана с использованием земной поверхности как пространственного ресурса.
В Байкальском регионе известен успешный опыт создания ИПД для территориального управления Иркутской областью [2]. Известны работы по созданию системы БПД на примере административного района Новосибирской области [3], подсистемы актуализации БПД по населенным пунктам Красноярского края [4], а также работы по созданию ГИС-полигонов для оценки согласованности и точности БПД [5].
Процесс регистрации БПО и создания соответствующих БПД предполагает решение ряда сложных технических, технологических и организационных задач, что под силу не каждой организации. До недавнего времени основными легитимными пространственными документами были государственные топографические карты. В последнее десятилетие, по причине постоянной реструктуризации, топографо-геодезическая служба не может обеспечить оперативную съемку БПО и актуализацию БПД. Кроме того, данные о пространственных объектах, содержащиеся на топографических картах, планах городов, в геодезических сетях длительное время использовались для решения задач обеспечения обороноспособности и национальной безопасности страны, что определило необходимость их засекречивания [6]. Поэтому различные крупные компании и ведомственные организации, такие как, например нефте- и газодобывающие корпорации, ОАО «РЖД» [7], МЧС и другие, формируют ведомственные ИПД и создают свои специфические базы БПД. Такое положение дел ведет к использованию различных координатных систем и дублированию картографо-геодезических работ, создаваемые БПД ограничены ведомственными регламентами, имеют различную точность привязки, специальные форматы, не унифицированы, а иногда и противоречивы [8]. Использование различных технических решений и отсутствие единого технологического подхода при картографировании БПО сдерживает создание национальной ИПД и развитие отраслей экономики, нуждающихся в унифицированных и надежных БПД.
В сложившихся условиях роста потребности населения в оперативном доступе к пространственным данным назрела необходимость методического обоснования информационной регистрации и картографирования БПО как географического базиса мониторинга и оценки регионального природопользования. Это связано с активной информатизацией хозяйствующих субъектов, увеличением числа задач, требующих использования цифровых БПД, повсеместным внедрением геоинформационной технологии как средства эффективного их использования, развитием информационно-телекоммуникационных сетей, использованием средств глобального позиционирования, мобильных картографических систем. Таким образом, разработка общей концепции картографирования БПО и создания единой базы БПД для оптимизации природопользования является перспективным научно-исследовательским направлением. Разработка классификации БПО и методики их картографирования являются важными практическими задачами.
Базовые пространственные объекты
Любая карта древности, при отсутствии координатной сетки, содержит определенный набор БПО, служащих ориентирами и отличающихся минимальными искажениями. Это, прежде всего, береговая линия, главная река, дорога, вычерченные с особой тщательностью и точностью. Отдельный БПО - пространственный объект, пространственные данные о котором являются основой для удостоверения местоположения других пространственных объектов [9]. Все БПО представляют устойчивые физико-географические образования, отличаются постоянством местоположения и однозначно регистрируются в аналоговых документах и информационных системах.
Выбор БПО для решения конкретной задачи осуществляется с учетом позиционной точности, возможности их поддерживания в актуальном состоянии, наличия правовой защиты от разрушений и экономической целесообразности длительного использования. Кроме того, важнейшей характеристикой БПО является возможность их повторного многократного обследования широким кругом участников территориальной деятельности. Национальный стандарт определяет список наборов основных БПО и позволяет дополнительно включить иные объекты, в отношении которых установлена целесообразность их ведения в статусе базовых [9].
Для формализации БПО в информационной среде и их картографирования разработана система классификации и кодирования, которая определяет совокупность элементарных объектов в наборе БПО. Главной функциональной задачей этой системы является однозначная идентификация каждого моделируемого объекта и его атрибута, обеспечивающая возможность эффективного поиска необходимых данных в информационном массиве. Классификация БПО заключается в разделении всего множества объектов земной поверхности на подмножества в соответствии со сходными физико-географическими и социально-экономическими признаками. В основу классификации БПО положены принципы классификации объектов цифровых топографических карт [10]. Она основана на иерархическом методе классификации и позволяет однозначно определять принадлежность всех объектов к классификационным группировкам. Таким образом, в качестве открытых БПО следует использовать следующие наборы объектов (таблица).
Правила описания БПО регламентированы соответствующими нормативными документами [11, 12, 13, 14]. По нашему мнению, в набор БПО «строения (здания)» в качестве самостоятельных объектов целесообразно включить «границы населённых пунктов» и «границы селитебной территории». Кроме того, для возможности открытой публикации БПД и их беспрепятственного использования при решении хозяйственных территориальных задач набор БПО «территории, создание и предоставление пространственных данных которых регламентировано в законодательстве РФ требованиями к государственной тайне» включить в набор «объекты кадастрового деления», использовать этот набор в ведомственных информационных системах, применение которых регламентировано ФЗ «О государственной тайне».
Таблица
Классификация базовых пространственных объектов
№ п/п Набор базовых Базовые пространственные объекты Базовые пространственные данные
пространственных объектов Планово-высотные Атрибутивные
1 Геодезические 10. Пункты геодезической сети координаты название,
пункты 11. Точки съёмочной сети центральной класс триангуля-
12. Реперы и марки нивелир- точки ции, класс нивели-
ной сети 13. Межевые знаки рования
2 Единицы терри- 20. Субъекты РФ координаты название,
ториального де- 21. Административные рай- границ административный
ления оны 22. Муниципальные образования статус, площадь
3 Объекты кадаст- 30. Кадастровый округ координаты кадастровый
рового деления 31. Кадастровый район 32. Кадастровый квартал 33. Территории, использование БПД которых регламентировано ФЗ «О государственной тайне» границ номер, площадь
4 Земельные участ- 40. Земельные участки координаты номера кадастро-
ки границ вого квартала, номер участка, форма собственности, категория, площадь
5 Лесные кварталы 50. Лесные кварталы координаты границ номер квартала, площадь
6 Поверхностные 60. Реки постоянные координаты название, направ-
водные объекты 61. Реки пересыхающие центральной ление и скорость
62. Моря 63. Озёра линии объекта и береговой течения, ширина, глубина, характер
64. Водохранилища линии грунта дна, высота обрыва берега, площадь
7 Объекты 70. Железные дороги координаты номер, ширина
транспортной сети 71. Автомагистрали 72. Усовершенствованное шоссе 73. Шоссе 74. Автомобильные дороги без покрытия 75. Полевые дороги 76. Лесные дороги 77. Грунтовые проселочные дороги 78. Трубопроводы центральной линии объекта проезжей части, количество проездных полос (путей), материал покрытия, ширина земляного полотна
Окончание таблицы
№ п/п Набор базовых пространственных объектов Базовые пространственные объекты Базовые пространственные данные
Планово-высотные Атрибутивные
8 Особо охраняемые природные объекты 80. Заповедники 81. Национальные парки 82. Заказники 83. Особо охраняемые природные объекты координаты границ, центральной линии и точки объекта тип объекта, название, площадь
9 Населенные пункты, строения (здания) 90. Жилые здания 91. Промышленные здания 92. Социально-культурные здания 93. Границы селитебной территории координаты центральной точки и границ тип здания, название, адрес, материал постройки, площадь, форма собственности, категория
Кодирование БПО заключается в присвоении им, их признакам и значениям этих признаков числовых обозначений в соответствии с определенными правилами, которые обеспечивают возможность их выделения из множества данных. Классификатор БПО представляет собой систематизированный перечень наименованных объектов местности, каждому из которых присвоен числовой код. Для кодирования объектов используется серийно-порядковый метод, где кодами служат числа натурального ряда с закрепленной отдельной серией этих чисел за объектами классификации с одинаковыми признаками.
Регистрация базовых пространственных объектов и создание базовых пространственных данных
Регистрация БПО представляет собой процесс однозначного и подробного отображения их метрических и субстанциональных параметров в геоинформационном поле на основании картографической проекции. Информация о статическом состоянии БПО представлена в виде цифровых разновременных слоев и таблиц атрибутов [15]. Регистрация БПО осуществляется посредством полевого и камерального способов создания картографической информации.
В камеральных условиях для создания БПД используются ДДЗ либо ранее изданные карты. В полевых условиях регистрация пространственных параметров объектов осуществляется с помощью топографических съемок и глобального позиционирования. Субстанциональные характеристики регистрируются геофизическими и геохимическими приборами, посредством отбора проб и т. п. Регистрация БПО в БИП СО РАН в полевых условиях выполняется посредством технологии локальной околоземной съемки с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Для регистрации БПО используется БПЛА Phantom 3 Professional. В обычном режиме аппарат набирает высоту до 500 м. В устройстве используется трехосная стабилизация камеры и подвес, обеспечивающий высокое
качество фото и видео. Использовалась встроенная камера Sony Exmor разрешением 12 Mp, которая позволяет записывать видео высокого разрешения, а также фото в форматах JPEG и DNG. В дополнительных сведениях аэроснимка фиксируются высота съемки и координаты (до секунды). Среднее разрешение - 1 пиксель на 20 см с высоты 500 м. При подъеме на 500 м охват при вертикальной полосе съемки составляет примерно 1 000 на 500 м или примерно 0,65 км , что в ландшафтной иерархии соответствует уровню урочища или подурочища.
При регистрации БПО важной процедурой является создание цифровой модели рельефа, обеспечивающей создание планово-высотных БПД и анализ морфометрических характеристик местности [16]. Для обработки аэроснимков применялась программа Agisoft PhotoScan, версия 1.2.0. Она позволяет создавать высококачественные 3D картографические изображения объектов на основе матрицы высот модели относительно заданной поверхности (DEM), а также сохранять ортофотоплан и DEM в различных форматах и системах координат. Процесс обработки аэроснимков полностью автоматизирован и не требует предварительной калибровки камер или их ручной маркировки. Полученная модель (ортофотоплан и DEM) в формате GeoTiff в проекции WGS 1984 экспортируется в среду ArcGIS 10.2. для последующей аналитической обработки и картографирования (рис. 1).
Рис. 1. Создание базовых пространственных данных на основе аэроснимков БПЛА (цифровой модели рельефа)
Векторизация и наполнение таблиц атрибутов отснятых БПО осуществляется в полуавтоматическом режиме посредством геоинформационного проекта среды Лге018 (рис. 2).
Гёя Ы1 «« ЬДА Ь—Ч г I В И ■ I .1 -•' лан Г №
1-П I ^ ; " 4 ^ « +■ - и: а а Щ вн
Рис. 2. Пример регистрации населенного пункта и объектов транспортной сети с помощью БПЛА в программе Лге018
Векторные БПО и соответствующие БПД хранятся в корпоративной информационно-картографической системе (ИКС). Для составления карт мониторинга природопользования (аграрного, селитебного, лесопользования и т. п.) пользователь загружает необходимые БПО и формирует базовую картографическую основу. Разработка содержания базовой основы для каждой карты производится в зависимости от поставленной цели и задач мониторинга. Элементы содержания загружаются из ИКС в соответствии с регламентированным доступом. В зависимости от архитектуры используемой ГИС пользователя доступ к БПО может обеспечиваться средствами Веб-клиента или настольного клиента ИКС, различающихся по способу обработки пользовательских запросов.
При составлении карт мониторинга природопользования все операции выполняются на машине пользователя. Поиск и загрузка БПО осуществляются на основании системы запросов с возможностью реализации различных критериев. Набор условий поиска можно сохранить для последующего использования. Пользователь может самостоятельно составлять необходимые ему базовые основы, которые сохраняются в персональном списке и доступны по требованию.
Итоговые карты мониторинга природопользования целесообразно делить на следующие:
- инвентаризационные, отображающие современное состояние объектов природопользования;
- оценочные, характеризующие динамику объектов природопользования в пределах природных или антропогенных территориальных единиц (бассейнов рек, административных районов);
- аналитические, отображающие параметры динамики объектов;
- синтетические, отображающие взаимосвязи динамики различных объектов, дифференциацию и пространственно-временную структуру динамики территории;
- комплексные, отображающие различные проявления динамики одного процесса либо нескольких процессов и представляющие их оценку;
- прогнозные, показывающие тенденции и сценарии дальнейшего развития объектов природопользования.
Печать карт осуществляется через подсистему доступа средствами малотиражной полиграфии.
Выводы
Современное внедрение технических инноваций в научно-исследовательскую, проектно-изыскательскую территориальную деятельность, а также в обыденную жизнь, значительно облегчает и делает доступным для любого пользователя процедуры обследования и измерения БПО. При этом появляется избыточное множество нестандартных БПД сомнительного происхождения и точности. Использование геоинформационной технологии и организация специальных ГИС БПО, на основе предложенной классификации, позволит автоматизировать процесс регистрации и картографирования БПО для решения научных и практических задач, исключить их дублирование и обеспечить надежность БПД. Кроме того, информационная регистрация дает возможность обработки и использования значительных массивов БПД, повышает оперативность и производительность работ, снижает уровень субъективизма.
Ортотрансформированные изображения, получаемые на основании данных БПЛА, являются важным источником информации, позволяющими выявлять существующие пространственные объекты, пространственные данные о которых отсутствуют в государственных и муниципальных информационных ресурсах, у поставщиков БПД и операторов ИПД. Эти данные могут использоваться в качестве доказательств для разрешения конфликтов между БПД об объектах одной и той же территории, предоставленными из различных юридически значимых источников, а также для выявления нарушений земельного и градостроительного, лесного, водного законодательства и во многих других случаях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ Р 52571-2006. Географические информационные системы. Совместимость пространственных данных. Общие требования. - Введ. 2007-01-01. - М. : Изд-во Стандар-тинформ, 2006. - 7 с.
2. ГОСТ 28441-99. Картография цифровая. Термины и определения. Взамен ГОСТ 28441-90; введ. 2000-07-01. - Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации; М. : Изд-во Стандартинформ, 2005. - 8 с.
3. ГОСТ Р 51606-2000. Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Введ. 2001-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2000. - 3 с.
4. Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных РФ: распоряжение Правительства РФ от 21 августа 2006 г. № 1157-р.ю [Электронный ресурс]. -Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
5. ГОСТ Р 52439-2005. Модели местности цифровые. Каталог объектов местности. Требования к составу. Введ. 2006-07-01. - М. : Изд-во Стандартинформ, 2006. - 53 с.
6. ГОСТ Р 53339-2009. Национальный стандарт Российской Федерации. Данные пространственные базовые. Общие требования. Введ. 2010-01-01. - М. : Изд-во Стандарт-инфор, 2009. - 7 с.
7. Главатских Л. Ю. Опыт создания системы базовых пространственных данных на примере Новосибирского района // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск : СГГА, 2009. Т. 3. - С. 210-213.
8. Правила установления на местности границ объектов землеустройства. Утв. Постановлением Правительства РФ от 20.08.2009 № 688, п. 4. [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
9. Верещака Т. В., Билибина Н. А. Проблемы обновления топографической информации базовой составляющей инфраструктуры пространственных данных // IX научная конференция по тематической картографии «Тематическое картографирование для создания инфраструктур пространственных данных»: сб. материалов в 2 т. (Иркутск, 9-12 ноября 2010 г.). - Иркутск: Изд-во Институт географии им. В. Б. Сочавы СО РАН, 2010. Т. 1. -С. 82-85.
10. Токарев А. В. Разработка подсистемы актуализации базовых пространственных данных по населенным пунктам Красноярского края // International Conference «Computational and Informational Technologies in Science, Engineering and Education» (CITech-2015): сб. материалов (Almaty, Kazakhstan, 24-27 September 2015г.). - Novosibirsk : Institute of computational technologies of SB RAS, 2015. - С. 359-366.
11. Российская Федерация. Законы. О государственном кадастре недвижимости: федер. закон [принят Гос. Думой 4 июля 2007 г.: одобр. Советом Федерации 11 июля 2007 г.] [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
12. Российская Федерация. Законы. О наименованиях географических объектов: федер. закон [принят Гос. Думой 17 октября 1997 г.: одобр. Советом Федерации 3 декабря 1997 г.] [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
13. Российская Федерация. Законы. Об особо охраняемых природных территориях: федер. закон [принят Гос. Думой 15 февраля 1995 г.: одобр. Советом Федерации 14 марта 1995 г.] [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
14. Оскорбин Н. М., Ротанова И. Н., Суханов С. И. Создание ГИС-полигонов для оценки согласованности и точности пространственных данных в условиях Алтайского края // Известия Алтайского государственного университета. - 2013. - № 1/1 (77). - С. 138-142.
15. Создание инфраструктуры пространственных данных для управления регионом / И. В. Бычков, В. М. Плюснин, Г. М. Ружников, А. Е. Хмельнов, А. С. Гаченко // География и природные ресурсы. - 2013. - № 2. - С. 145-150.
16. Состав и особенности описания базовых пространственных данных железнодорожной сети Российской Федерации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gisa.ru/41656.html.
Получено 06.04.2016
© З. З. Пахахинова, Э. А. Батоцыренов, А. Н. Бешенцев, 2016
