Авторизация

Логин:
Пароль:
Восстановить пароль
Регистрация
  • Форум
  • Блоги
  • Контакты
  • Новости
  • Продукты
  • Отрасли
  • Обучение
  • Поддержка
  • События
  • О компании
  • 4 (51) | 2009 Опыт использования ретроспективных топографических карт в географических исследованиях

    Бешенцев А.Н., к.г.н., зав. лабораторией

    Лубсанов А.А., вед. инженер

    Байкальский институт природопользования СО РАН, Лаборатория геоинформационных систем, г.Улан-Удэ, тел.: (3012) 433622, e-mail: abesh@binm.bscnet.ru, Web: www.baikalgis.com

     

    Authors describe a method of retrospective maps automation in ArcGIS and present some examples of these maps application in modern geographical researches.

     

    Актуальность исследования

    В настоящее время во всех сферах территориальной деятельности накоплены значительные массивы географических материалов. Наиболее востребованы и актуальны источники, отображающие пространственные параметры земной поверхности: топокарты, планы, чертежи, космоснимки и т.п. Основу пространственных данных составляют карты разных лет издания, которые представляют собой разновременные срезы физико-географического и социально-экономического состояния территории и служат в качестве исходной информацией для метрической оценки процесса освоения природных ландшафтов.

    Именно карта выступает первичным инструментом мониторинга хозяйственного освоения территории, поскольку, еще не имея физических и химических анализов, человек начал фиксировать динамику географической среды с помощью языка карты. Активное внедрение геоинформационной технологии позволяет оптимизировать использование разновременных карт для решения широкого круга исследовательских и прикладных задач. Таким образом, разработка методики создания геоинформационных ресурсов на основе ретроспективных карт является актуальной задачей.

    Ретроспективные карты

    Процесс освоения Сибири и Дальнего Востока в конце XIX века сопровождался развитием государственной геодезической сети и крупномасштабным картографированием занимаемых территорий. Наибольший массив картографической информации того времени представлен листами топографической карты, созданной Корпусом военных топографов в 1896-1914 гг. Карты масштаба 2 версты в 1 дюйме (1: 84 000) составлены в поперечно-цилиндрической проекции Гаусса в шестиградусной зоне на эллипсоиде Бесселя и отпечатаны литографским способом (рис. 1). Геодезической основой карт является сеть опорных тригонометрических пунктов, полученная методом триангуляции, главный метод съемки – засечки с построением изображения в поле на мензуле. Инструментальные ходы прокладывались по главным рекам и дорогам. Территория вдоль инструментальных ходов снималась в виде полосы шириной от 2 до 5 км, районы между полосами инструментальной съемки картографировались глазомерно, с использованием межевых материалов.


    Рис. 1. Фрагмент листа карты.

     

    Оценка пригодности ретроспективных карт для современных географических исследований

    Анализ достоверности и полноты содержания карт проведен совместно с изучением географической литературы, картографических материалов и статистических источников начала XX в. На динамичных участках географической среды были выполнены полевые обследования, проведены опросы местных жителей. Для определения приемов составления и принципов генерализации осуществлён сравнительный анализ ретроспективной карты со сходной по назначению современной картой – листами топографической карты масштаба 1: 100 000, созданной Генеральным штабом в 1989 г. Сравнительный анализ позволяет сказать, что отбор элементов содержания, принятые классификации, цензы и нормы генерализации, выбранные способы изображения на исследуемых картах соответствуют современным. Хотя и выявлены отдельные ошибки, авторам удалось сохранить типичные особенности картографируемой территории и отобразить взаимную согласованность топографических объектов. Правильное отображение принятых классификаций картографируемых объектов достигнуто выделением в содержании логических смысловых групп и закреплением за ними определенных графознаков.

    Для анализа геометрической точности исследуемых карт несколько ретроспективных и современных листов были векторизованы с помощью пакета Easy Trace по отдельным слоям и конвертированы в исходную картографическую проекцию. Векторизация слоёв осуществлялась одним оператором при шаге векторизации 100 - 500 (м). С помощью оверлейных операций было произведено совмещение разновременных слоёв и выполнена оценка величин их планового и высотного несоответствия. Оценка точности основывалась на регистрации изменения координат положения твёрдых точек земной поверхности. Проведенный анализ выявил относительно низкую и различную точность математической основы ретроспективных топографических карт. Тем не менее, на основании комплексного анализа оцениваемых карт, можно говорить о возможности их использования в среде ArcGIS совместно с современными картографическими материалами. Этому способствуют единая картографическая проекция, единство картографируемых объектов и их характеристик, сходство принятых классификаций, преемственность методов составления и принципов генерализации. Несмотря на низкую геометрическую точность математической основы, исследуемые карты являются высоко информативными документами и подробно отображают физико-географическое состояние и систему природопользования территории в начале XX века.

    Автоматизация карт

    Минимизация геометрических искажений ретроспективной топоосновы осуществляется в процессе автоматизации (обработки) листов карт в среде ArcGIS. Для решения этой задачи разработана методика геометрической коррекции, представляющая собой совокупность технологических операций исправления векторных слоёв на основе ряда геометрических преобразований сети регистрационных точек. Регистрационные точки представляют собой точечные объекты, либо пересечения линейных объектов, однозначно установленные на современной и ретроспективной топоосновах. Привязка листов карт осуществляется на основании параметров исходной картографической проекции по углам рамок съёмочной трапеции. Для каждого листа формируется массив регистрационных точек, в качестве которых поочерёдно были использованы геодезические пункты, отметки высот, центры населенных пунктов, устья рек, пересечения дорог, культовые объекты. В результате аффинного преобразования различных вариантов сети регистрационных точек выполняется координатная трансформация ретроспективных векторных слоёв.

    Установлено, что наименьшую ошибку планового положения объектов даёт преобразование по устьям рек. На листах с хорошо развитой речной сетью среднеквадратическая ошибка планового положения объектов уменьшалась до 20 м, а вблизи регистрационных точек было полное совмещение. На листах с редкой 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 необжитых территорий с преобладанием низкогорного рельефа в качестве регистрационных точек целесообразно использовать отметки высот, но в этом случае ошибку удается снизить лишь до 100 м. Для последующей коррекции на ретроспективной топооснове 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.


    Рис. 2. Методика автоматизации ретроспективных карт в среде ArcGIS.

     

    В процессе автоматизации ретроспективных карт (рис. 2) осуществляется послойная векторизация элементов содержания и создание таблиц атрибутов слоёв, которые формируются автоматически при экспорте в среду ArcGIS. Наполнение таблиц вручную осуществляет оператор ГИС. Например, тема «промышленные объекты» представляет собой точечный слой, где каждому объекту при проецировании в картографическую проекцию присваиваются однозначные геодезические координаты, а атрибутивная информация переносится с карты (кирпичный завод, мельница и т.п.). Тема «сельскохозяйственные объекты» представляет собой полигональный слой, 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.). В результате формализации карт можно говорить о создании геоинформационных ресурсов, представляющих собой совокупность ретроспективных векторных слоёв (шейп-файлы) и однозначных таблиц атрибутов (таблицы dbf), размещённых в среде ArcGIS в виде отдельного массива ГИС «Мониторинг природопользования в бассейне озера Байкал».

    Использование геоинформационных ресурсов

    Созданные геоинформационные ресурсы имеют математическую основу (картографическая проекция, масштаб, эллипсоид), аналогичную параметрам современных векторных слоёв действующей ГИС, имеют ту же систему классификации и кодирования и могут быть использованы при реализации всех аналитических операций ArcGIS. Они фиксируют физико-географическое состояние территории в момент строительства и ввода в эксплуатацию Транссиба и являются основным материалом при исследованиях воздействия магистрали на географическую среду Байкальского региона. Также они отображают предреволюционное природопользование региона, а именно существование двух отдельных систем природопользования – земледельческой и полукочевой скотоводческой.

    В результате оверлейных операций с ретроспективной и современной топоосновами создано цифровое рабочее покрытие, регистрирующее, в координатах картографической проекции, состояние географических объектов по двум временным срезам. Покрытие содержит все атрибуты совмещаемых слоёв и метрические характеристики вновь образовавшихся полигонов. На его основе можно создавать карты-реконструкции состояния территории (рис. 3а), фиксировать пространственную динамику процессов природопользования (рис. 3б,в), а также выполнять надёжную оценку трансформации природных ландшафтов (рис. 3г).

        
    Рис. 3.
    Геоинформационное моделирование процесса освоения территории.

     

    Для интерактивной работы с ресурсами разработана система геоинформационных запросов, представляющая собой совокупность автоматизированных алгоритмов среды ArcGIS. Например, первым шагом реализации запроса «Отобразить динамику распашки природных ландшафтов в XX в.» является визуализация слоя «природные ландшафты» (рис. 4). Затем выполняется совмещение ретроспективного и современного слоя «пашня» и последующее совмещение результирующего слоя со слоем «природные ландшафты». Количественная оценка пространственных параметров явления выполняется в пределах бассейнов рек. Динамика распаханности типов ландшафтов оценивается как изменение процентного соотношения распаханной площади отдельного ландшафта ко всей площади выдела на данной территории (рис. 4а). На основании анализа рабочего покрытия пользователь может получить количественные данные, характеризующие изменение явления, выделить участки современной пашни, участки заброшенной пашни, участки новой пашни, участки, распахиваемые в течение всего времени и т.п., а также получить метрические характеристики в виде графической либо табличной модели (рис. 4 б, в).


    Рис. 4. Пример реализации геоинформационного запроса.

     

    Заключение

    Геоинформационные ресурсы на основе ретроспективных карт могут быть использованы в различных областях территориальной деятельности. В первую очередь, они являются метрической базой мониторинга природопользования территории, поскольку представляют результат первой геодезической съёмки отображаемой части России. Большой объём содержательной информации этих карт позволяет использовать их при исследовании долговременных природных (опустынивание, заболачивание и др.) и социально-экономических (миграция населения и др.) процессов. Отдельные результаты исследования размещены на сайте www.baikalgis.com




    Версия для печати