CC BY
47
ГЕОДЕЗИЯ
УДК 528.9; 004.9
ТЕХНОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДАННЫМ
Владимир Иванович Обиденко
Открытое акционерное общество «Сибирский научно-исследовательский и производственный центр геоинформации и прикладной геодезии» (ОАО «Сибгеоинформ»), 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 80, генеральный директор, тел. (383)217-36-74, e-mail: [email protected]
В статье дано описание основных технологических операций, входящих в состав разработанной технологии точного определения метрических параметров территории Российской Федерации по геопространственным данным, включающих в себя: формирование по акту Российской Федерации, основное и контрольное определение метрических параметров территории Российской Федерации, оценку точности полученных результатов.
Ключевые слова: технология, определение метрических параметров территории, база пространственных данных, программное обеспечение ГИС.
TECHNOLOGY OF DEFINITION OF METRIC PARAMETERS OF TERRITORY OF THE RUSSIAN FEDERATION UNDER THE GEOSPATIAL DATA
Vladimir I. Obidenko
Joint Stock Company «The Siberian research and industrial center of the geoinformation and geodesy», Russia 630091, Novosibirsk, 80 Krasny prospect, director general, tel. (383) 217-36-74, e-mail: [email protected]
In article the description of the basic technological operations which are a part of developed technology of definition of metric parametres of territory of the Russian Federation under the geospatial data, including is given: creation on DTM in scale 1:100 000 Bases of the spatial data on territory of the Russian Federation, the basic and control definition of metric parametres of territory of the Russian Federation, an estimation of accuracy of the received results.
Key words: technology, definition of metric parametres of territory, Base of the spatial data, GIS-software.
3
Геодезия
Определение размеров территории Российской Империи, СССР и России традиционно, в течение более двух столетий, осуществлялось по аналоговой технологии: измерения выполнялись палетками, планиметрами, курвиметрами, пропорциональными циркулями, масштабными линейками и т. д. по бумажным картам с ручной обработкой результатов измерений [2]. Однако аналоговый метод измерения размеров территории страны обладает рядом недостатков, главным из которых является его большая трудоемкость, вследствие чего последние картометрические исчисления по проверке площадей СССР 1990-1994 гг. даже с привлечением потенциала всех аэрогеодезических предприятий страны выполнялись в течение пяти лет [6].
Перевод картографо-геодезического производства в России на цифровой формат, а также появление программного обеспечения геоинформационных систем (ПО ГИС) для работы с цифровыми топографическими картами (ЦТК) объективно требуют разработки новой технологии для решения важной государственной задачи по определению метрических параметров территории Российской Федерации, базирующейся на современных методологических и технологических подходах.
Основные методологические и технологические основы для разработки новой компьютерной технологии определения метрических параметров территории Российской Федерации предложены автором в [3, 4] и заключаются в следующем:
- переходе от измерений размеров территории Российской Федерации на карте в некоторой проекции эллипсоида на плоскость в системе плоских прямоугольных координат к измерениям непосредственно на поверхности земного сфероида в системе криволинейных геодезических координат;
- автоматизации процессов подготовки исходных цифровых картографических данных к измерениям, формирования из ЦТК базы пространственных данных (БПД) на всю территорию страны, непосредственно измерений метрических параметров территории Российской Федерации и оценки точности полученных результатов;
- максимальном снижении технических погрешностей измерений до значений не менее чем на порядок ниже картографических погрешностей;
- обязательном контроле основных результатов измерений, полученных в одном прикладном программном обеспечении, путем повторных их определений в другом.
На основе исследования наиболее распространенных в Российской Федерации ГИС (ГИС «Карта» (Россия), ArcGIS (США), GeoMedia Professional (США), MapInfo (США)), установлено, что соответствующего уровня точности инструментарий для измерения геометрических характеристик объектов (протяженность, площадь) непосредственно на поверхности эллипсоида имеется только в ПО ГИС GeoMedia Professional. При этом, даже в этой ГИС в системе криволинейных геодезических координат, невозможно измерить площадь всей территории Российской Федерации как единого объекта из-за имеющейся ошибки вычисления площадей объектов, пересекающих или примыкающих к
4
Геодезия
меридиану 180°, где алгоритм вычислений дает сбой и площади указанных объектов определяются с ошибкой, в десятки и сотни раз превышающей размеры объекта.
Кроме того, наряду с проблемой собственно измерения геометрических характеристик объектов, при выполнении практических работ по определению метрических параметров территории Российской Федерации требуется решить массу других вспомогательных специфических задач, прежде всего, по подготовке исходного картографического материала (ИКМ) к измерениям и формированию БПД на основе ЦТК, инструментарий для решения которых отсутствует в пакетах ГИС в стандартной их поставке.
В этой связи в рамках разработки автоматизированной технологии определения метрических параметров территории Российской Федерации и, прежде всего, для подготовки исходных ЦТК к измерениям и выполнения независимого измерения геометрических характеристик объектов разработана специализированная программа метрических измерений под названием GeoOper, состоящая из программных блоков формирования объектов БПД и определения их метрических параметров.
В блоке метрических измерений программы GeoOper реализован собственный алгоритм вычисления площадей объектов на поверхности эллипсоида, описание и исследование которого дано в [4], а также встроен модуль оценки точности результатов измерений по разработанной автором методике, изложенной в [5].
С учетом выработанных принципиальных и методологических основ, результатов проведенных исследований ПО коммерческих ГИС, разработанных алгоритмов и реализующей их специализированной программы GeoOper, определение метрических параметров территории Российской Федерации, их контроль и оценку точности получаемых результатов предлагается осуществлять по разработанной технологии, схема которой представлена на рисунке.
Описание технологических операций, выполняемых в соответствии с данной технологической схемой в процессе подготовки данных и непосредственного определения метрических параметров территории Российской Федерации, приводится ниже.
Формирование базы пространственных данных на территорию Российской Федерации:
а) подготовка картографических материалов, принятых в качестве исходных для определения метрических параметров территории Российской Федерации, к измерениям.
Начинается с процедуры импорта требуемых объектов из ЦТК (файлы в формате SXF) во внутренний формат базы данных (БД) программы GeoOper. Принципиально важным здесь является то, что импорт и хранение данных в БД GeoOper на данном этапе осуществляется в проекционной системе координат ЦТК, то есть без искажений в метрике объектов;
б) контроль длины сегментов границ объектов.
5
6
г
Экспорт в Shape-файлы
Контрольные измерения
ПО GeoMedia
L, S 2D
на эллипсоиде
ПО ArcGis
S 2D на эллипсоиде
Блок формирования БПД GeoOper
Сегментация объектов для 3D-измерения L
Ввод высоты h в метрику объектов
Фильтрация по h
Сегментация объектов для 2D-измерения L
Преобразование x, y, h в B, L, H
Сшивка и объединение
База пространственных данных (БПД) РФ
Г
±
Блок измерений GeoOper
Вычисление метрических параметров: L в 2D; L в 3D; S в 2D; центроиды
Уравнивание S в 2D
Оценка точности
Формирование электронного каталога
Рис. Технологическая схема определения метрических параметров территории РФ по ЦТК масштаба 1 : 100 000
Геодезия
Геодезия
Как было показано в [4], обязательным условием методически корректного измерения геометрических характеристик объектов на эллипсоиде является контроль за тем, чтобы длины сегментов границ объектов не превышали заданной величины.
В технологии этот контроль осуществляется в программе GeoOper (функция «Контроль линейных сегментов») путем проверки длин сегментов границ в метрике всех объектов ЦТК, подлежащих измерениям, на соответствие заданной величине и, в случае ее превышения, разделения данного прямолинейного сегмента границы на отрезки равной длины, каждый из которых короче допустимой величины. Допуск на максимальную длину прямолинейного сегмента границы объекта ЦТК может быть установлен, исходя из масштаба ЦТК и требуемой точности вычисления площади объектов на эллипсоиде.
В рамках апробации настоящей технологии для объектов ЦТК масштаба 1 : 100 000, участвующих в измерениях метрических параметров, этот допуск установлен равным 800 м, исходя из результатов проведенных исследований [4], показавших, что при такой максимальной длине сегментов государственной границы погрешность определения площади территории Российской Федерации по используемому в технологии алгоритму будет на два порядка ниже картографической погрешности ее измерения.
Детализация метрического описания объектов осуществляется в прямоугольной системе координат ЦТК с соблюдением прямолинейности исходных сегментов границ, геометрии объекта в целом и его топологической согласованности со смежными объектами;
в) построение матрицы высот с целью определения метрических параметров объектов на топографической поверхности Земли на территорию каждого субъекта Российской Федерации.
Осуществляется штатными средствами ПО «Панорама» с использованием информации о рельефе ЦТК. Размер ячейки матрицы высот выбирается, исходя из оптимального сочетания критериев точности построенной модели рельефа и размера получаемого файла матрицы высот. В процессе тестирования разработанной технологии на территорию Российской Федерации по ЦТК масштаба 1 : 100 000 была построена матрица высот с размером ячейки 30 м;
г) детализация метрического описания объектов ЦТК, протяженность которых предполагается определять на топографической поверхности.
Осуществляется отдельно от остальных объектов. Данная операция осуществляется с помощью программы GeoOper аналогично процедуре, описанной в п. б), с единственным различием в допуске на максимальную длину сегментов границ объектов, которая для этих объектов ЦТК масштаба 1 : 100 000 на этапе апробации технологии задана равной 100 м.
Детальность метрического описания этих объектов выбрана равной 100 м (1 мм в масштабе карты), исходя из необходимости более точного учета перегибов форм рельефа местности по линии границы объекта (особенно в горной местности), протяженность которого на топографической поверхности подле-
7
Геодезия
жит определить. После указанной операции объекты с помощью соответствующего инструмента программы GeoOper экспортируются в файлы формата SXF в системе координат ЦТК;
д) определение абсолютных высот поворотных точек границ объектов, полученных согласно п. г), и ввод их в качестве третьей координаты в метрическое описание объектов.
Осуществляется штатными средствами ПО «Панорама» по построенной в соответствии с п. в) матрице высот.
Таким образом, метрическое описание объектов, протяженность которых подлежит BD-измерению, получено в виде прямолинейных сегментов границ, длиной менее 100 м каждый, при этом все поворотные точки границы имеют 3 координаты, включая высоту. Очевидно, что такое излишне детальное с точки зрения определения 2D-длины линии на эллипсоиде описание метрики объекта оправдано только необходимостью более точного учета рельефа по линии его границы и лишь там, где этот рельеф действительно меняется экстремально.
В равнинной местности, где рельеф местности изменяется плавно, такое детальное метрическое описание является избыточным также и из соображений учета рельефа, поэтому с целью уменьшения числа излишних (неинформативных) точек границ объектов и, тем самым, снижения размера БПД, целесообразно осуществить фильтрацию объектов с трехмерной метрикой по критерию идентичности уклонов смежных сегментов границ объектов;
е) фильтрация метрики объектов, подлежащих BD-измерению.
Осуществляется с одновременным соблюдением двух условий:
- для двух смежных сегментов границы объекта, составляющих на плоскости прямую линию (прямолинейность проверяется с высокой точностью), по значениям абсолютной высоты точек вычисляется величина различия углов наклона местности, сравнивается с установленным допуском и, в случае непревышения допуска, средняя точка между двумя смежными сегментами удаляется;
- процедура повторяется для следующих точек границы объектов до тех пор, пока для двух смежных сегментов с идентичным в пределах допуска углом наклона местности не сформирован за счет объединения 100-метровых сегментов прямолинейный участок, длина которого превышает допуск для 2D-измерения (800 м). В этом случае восстанавливается и сохраняется объединение сегментов, предшествующее недопустимой его длине, и процесс фильтрации начинается со следующего сегмента границы.
В результате такой фильтрации в метрике объектов, протяженность которых необходимо определить на топографической поверхности, сохраняются только информативные точки, содержащие необходимую и достаточную информацию о профиле рельефа местности по линии их границ;
ж) по формулам, приведенным в [1], осуществляется перевычисление метрики всех объектов, участвующих в измерениях, из плоской прямоугольной системы координат ЦТК (СК 1995) в систему криволинейных геодезических координат на поверхности эллипсоида Красовского;
8
Геодезия
з) сшивка объектов в слоях картографической информации, участвующих в измерениях, из фрагментированного представления в виде участков и сегментов объектов на каждом НЛ ЦТК в единые объекты, цельные в пределах ареала их распространения, и формирование единой базы данных пространственных объектов на территорию Российской Федерации;
и) экспорт сформированной на территорию Российской Федерации БПД в системе криволинейных геодезических координат на поверхности эллипсоида из внутреннего формата программы GeoOper в Shape-файлы (обменный файл ArcGIS) и в файлы формата SXF (обменный формат ПО «Панорама»).
Экспорт в Shape-файлы предусмотрен в технологии для формирования БПД в ГИС, внешних по отношению к БД программы GeoOper, и контрольного измерения метрических параметров измеряемых объектов в этих ГИС.
Экспорт объектов БПД в SXF используется для измерения площади объектов на топографической поверхности, которое выполняется в ПО «Панорама» по построенной в этом ПО матрице высот.
Наряду с функциями экспорта в программе GeoOper предусмотрены функции импорта из указанных форматов. Функция импорта из SXF необходима для ввода в GeoOper исходных картографических данных в виде номенклатур ЦТК.
Функция импорта из Shape-файлов используется для приема в БПД картографической информации, представленной в коммерческих ГИС.
Определение метрических параметров территории Российской Федерации в специализированной программе GeoOper
Основное определение метрических параметров территории Российской Федерации, ее субъектов и иных объектов, участвующих в измерениях, по разработанной технологии осуществляется в среде программы GeoOper в соответствии с изложенными в [4] алгоритмами. Выполняемые при этом операции и получаемые результаты приводятся ниже:
а) вычисляется периметр, площадь каждого субъекта Российской Федерации на поверхности эллипсоида, а также периметр и площадь объекта «Материковая территория РФ».
По разности площади объекта «Материковая территория РФ» и суммы площадей 83 субъектов РФ вычисляется невязка площади суши РФ A S, которая путем уравнивания распределяется в виде поправок в площади субъектов Российской Федерации, в результате которого уравненные площади субъектов Российской Федерации SYF. вычисляются по формуле:
83
I s;- Spф
sy, = s; - ^-----s;, (i)
I s;
i=1
2
где S'i - измеренная площадь i-го субъекта Российской Федерации, м ;
2
S№ - площадь объекта «Материковая территория РФ», м .
9
Геодезия
Следует отметить, что вследствие топологической согласованности границ смежных субъектов Российской Федерации вышеуказанная невязка площади суши Российской Федерации AS не содержит в себе картографических ошибок, а является следствием технической ошибки измерений. Таким образом, суммарная ошибка определения площади территории Российской Федерации будет равняться сумме общей картографической ошибки и технической ошибки измерения;
б) вычисляется протяженность и площадь на поверхности эллипсоида иных объектов, участвующих в измерениях, для которых не предусмотрена процедура уравнивания и оценки точности полученных результатов;
в) определяется протяженность объектов на топографической поверхности Земли;
г) определяются геометрические центры субъектов Российской Федерации и материковой части территории Российской Федерации;
д) по данным о средней высоте каждого субъекта над поверхностью эллипсоида, определенной по матрице высот в ПО «Панорама», а также с использованием величины среднего радиуса кривизны сфероида, вычисленного в геометрическом центре каждого субъекта, определенные на эллипсоиде площади субъектов Российской Федерации перевычисляются на среднюю высоту территорий путем ввода редукционных поправок в площади субъектов за переход от поверхности эллипсоида на среднюю высоту субъекта по известной формуле:
P = Р + Р
1 Н 1 эл. ^ 1 эл.
2Я И.
ср
R
+ ■
2 ^ ср.
R
у J
(2)
где Рн, Рэл. - площадь субъекта Российской Федерации на средней высоте субъекта и на поверхности эллипсоида, соответственно, м2;
Иср. - средняя высота субъекта Российской Федерации, м;
Ry - средний радиус кривизны эллипсоида Красовского в геометрическом центре субъекта Российской Федерации, м, вычисляется по следующей формуле:
R
a\f\
у 1 - e2 • sin2Б,
ср.
(3)
где а, е - большая полуось и эксцентриситет эллипсоида;
Вср. - широта геометрического центра субъекта Российской Федерации.
Геометрический центр субъекта Российской Федерации (центроид) вычисляется по формулам:
1 п
Бс,= -13;
n i=1
(4)
10
Геодезия
К.=1 , (5)
П i= 1
где Вср., Lcp. - координаты центроида субъекта;
Bi, L - координаты текущей поворотной точки границы субъекта;
n - количество поворотных точек в границе субъекта;
е) в соответствии с разработанной методикой [5] выполняется автоматизированная оценка точности определения площади территории каждого субъекта Российской Федерации, площади материковой территории Российской Федерации, площади территории Российской Федерации с учетом территориальных вод и полной площади территории Российской Федерации;
ж) после завершения процесса определения метрических параметров объектов и оценки точности полученных результатов осуществляется автоматизированное формирование электронного каталога с результатами определения метрических параметров территории Российской Федерации.
Электронный каталог позволяет пользователю в интерактивном режиме получать требуемые метрические характеристики (площадь на эллипсоиде и на топографической поверхности, протяженность всего периметра границ и по смежеству с соседней территорией на эллипсоиде и на топографической поверхности) интересующих объектов и территорий (островная, материковая, сухопутная и полная территория Российской Федерации, территория субъекта Российской Федерации).
Определение метрических и морфометрических характеристик территории Российской Федерации в коммерческих ГИС
В соответствии с принятыми принципиальными подходами к определению метрических параметров территории Российской Федерации по геопространственным данным с использованием геоинформационных технологий [3] геометрические характеристики объектов, определенные в среде программы GeoOper, рекомендуется проконтролировать в коммерческих ГИС, где измерения этих характеристик осуществляются с аналогичным основным определением уровнем точности.
Проведенное тестирование ПО коммерческих ГИС подтвердило, что для контрольных измерений объектов на поверхности эллипсоида может быть использовано ПО ГИС GeoMedia Professional (площади и протяженность) и ArcGIS (площадь). После экспорта информации из БПД GeoOper в Shape-файлы осуществляется ее импорт в указанные ГИС, и с использованием стандартных средств метрических измерений этих ГИС определяется контрольное значение периметров и площадей объектов на поверхности эллипсоида (GeoMedia Professional) и вычисление площади объектов в равноплощадной проекции в ArcGIS. Результаты контрольных измерений сравниваются с результатами, полученными в программе GeoOper, и используются для оценки точности измерений в режиме 2D.
11
Геодезия
Для выполнения всех операций, связанных с созданием трехмерной модели рельефа (матрицы высот) на территорию Российской Федерации и вычислением по ней необходимых геометрических характеристик объектов в режиме 3D, использовалось ПО «Панорама».
Применение ПО «Панорама» в качестве инструмента для создания 3D-модели рельефа территории Российской Федерации целесообразно с точки зрения минимизации трудовых затрат и возможных потерь качества информации в процессе экспорта большого объема ЦТК на всю территорию страны (13 277 НЛ в масштабе 1 : 100 000) из файлов формата ЦТК (SXF, обменный формат ПО «Панорама») в формат иных ГИС. Кроме того, в ПО «Панорама» имеется необходимый инструментарий для создания матриц высот и выполнения по ним пространственного анализа, достаточный для решения задачи вычисления морфометрических характеристик объектов, возникающей в процессе определения метрических параметров территории Российской Федерации.
В процессе апробации технологии по матрице высот в ПО «Панорама» определялись:
- абсолютные высоты поворотных точек границ субъектов Российской Федерации;
- точные значения минимальных, максимальных и средних абсолютных высот территории субъектов Российской Федерации и страны в целом;
- площадь территории субъектов Российской Федерации и страны в целом на топографической поверхности Земли.
С использованием трехмерных координат поворотных точек границ субъектов Российской Федерации в программе GeoOper вычислялась протяженность границ субъектов и страны в целом на топографической поверхности Земли. Для этого объекты, подлежащие измерению в режиме 3D, с использованием соответствующих инструментов программы GeoOper экспортировались из БД GeoOper в файлы формата SXF, где средствами ПО «Панорама» по матрице высот определялись абсолютные высоты поворотных точек их границ, а затем осуществлялся обратный импорт объектов с трехмерными координатами во внутренний формат программы GeoOper.
Величины максимальной, минимальной и средней абсолютной высоты территории каждого субъекта Российской Федерации являются самостоятельными морфометрическими характеристиками, кроме того, средние высоты субъектов и территории страны в целом использованы для вычисления по ним в соответствии с вышеприведенной методикой редукционных поправок для приведения измеренных на поверхности эллипсоида площадей к средней высоте территорий.
Измерение объектов в ПО «Панорама» осуществляется в системе геодезических координат относительно эллипсоида Красовского, в которой построена матрица высот.
Таким образом, разработанная технология предоставляет набор всех необходимых инструментов для нового определения метрических параметров территории Российской Федерации по геопространственным данным, включая
12
Геодезия
средства для формирования БПД из ЦТК на всю территорию Российской Федерации, определения метрических параметров территории Российской Федерации, их контроля и оценки точности, формирования электронного каталога результатов измерений. Для выполнения отдельных технологических процессов в технологии используется как специализированная программа GeoOper (формирование БПД из ЦТК, основное определение метрических параметров, оценка точности, создание электронного каталога результатов измерений), так и ПО коммерческих ГИС (формирование матрицы высот и определение по ней метрических и морфометрических характеристик территорий, контрольное измерение метрических параметров территории Российской Федерации).
Практическое применение данной технологии позволит впервые в истории России провести точное определение актуальных метрических параметров территории РФ не по аналоговой, а по современной безбумажной технологии - по цифровым топографическим картам масштаба 1 : 100 000.
Эффективность разработанной технологии заключается в расширении перечня метрических параметров территории Российской Федерации и ее субъектов, определяемых с ее применением (включая ЭЭ-измерение), повышении точности полученных результатов в 2,8 раза по сравнению с предыдущим измерением, а также в существенном снижением трудоемкости работ: новое определение расширенного набора метрических параметров территории Российской Федерации выполнено небольшим коллективом ОАО «Сибгеоинформ» в течение 2012 г., в то время как картометрические измерения размеров страны в 1990-1994 гг. выполнялись силами всех аэрогеодезических предприятий в течение 5 лет.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ Р 51794-2008. Глобальные навигационные спутниковые системы. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. - М.: Стандартин-форм, - 2009. - 16 с.
2. Волков Н.М. Принципы и методы картометрии. - Л.: Изд-во Академии наук, 1950. -С. 149, 157, 28Э-314.
3. Обиденко В.И. Принципиальные подходы к разработке технологии определения метрических параметров территории Российской Федерации // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в Э т. Т. 2. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 24-33.
4. Обиденко В.И. Методологические подходы и алгоритмы определения метрических параметров территории Российской Федерации на земном сфероиде с использованием геоинформационных технологий // Геодезия и картография. - 2012. - № 4. - С. Э9-45.
5. Обиденко В.И. Методика оценки точности определения метрических параметров территории Российской Федерации по цифровым топографическим картам // Геодезия и картография. - 2012. - № 5. - С. 44-50.
6. Технический отчет по исчислению полной площади Российской Федерации 19901994. Федеральная служба геодезии и картографии. Центральный картографо-геодезический фонд. - 1994. - С. 1-5.
Получено 17.07.2012
© В.И. Обиденко, 2012
13
