Разработка и исследование методики определения формы и размеров территорий по геопространственным данным

Актуальность темы

исследования. Форма и размеры территории Российской Федерации (полная площадь на поверхности эллипсоида, на средней высоте над уровнем моря и на физической поверхности Земли, площадь суши, площадь окраинных внутренних вод и территориального моря, длина сухопутных и морских границ, размеры материковой и островной части и т. д.) в ее закрепленных в соответствии международной конвенцией границах являются одними из ключевых характеристик, идентифицирующих страну в качестве независимого государства. Актуальные и достоверные данные о форме и размерах территорий субъектов Российской Федерации, являющихся основой ее федеративного устройства, необходимы для объективной оценки и наиболее полной реализации потенциала основных государственно-правовых образований страны. Использование при планировании экономической деятельности, в статистических исследованиях, при публикации в официальных источниках актуальных и точных данных о размерах территории РФ и ее субъектов является также крайне необходимым.

Исторически в России вопросу определения размеров территории страны всегда придавалось большое значение и, начиная с конца XVIII в., эта важная государственная задача решалась с регулярностью 4—5 раз в столетие, при этом последний раз размеры территории РФ определялись в 1990;1994 гг.

Характерно, что все работы по определению размеров территории Российской Империи, СССР и России выполнялись по аналоговой технологии: измерения выполнялись палетками, планиметрами, курвиметрами, пропорциональными циркулями и масштабными линейками и т. д. по бумажным картам с ручной обработкой результатов измерений. Однако такой аналоговый метод определения формы и размеров территории страны обладает рядом недостатков, главные из которых перечислены ниже: а) большая трудоемкость выполняемых работ по картометрическим измерениям и вычислениям требуемых параметров. Так, при выполнении картометрических исчислений по проверке площадей СССР по тиражным оттискам топографических карт масштаба 1: 100 000 во время последних измерений (1990;1994 гг.) для проведения подготовительных работ по нанесению на топо-карты линий государственной и областных границ и определению координат их поворотных точек традиционными картометрическими методами только на окраинных листах карт (листах, по которым проходит государственная граница или граница административно-территориального образования) были задействованы мощности всех аэрогеодезических предприятий страны, работы выполнялись в течение 5 лет [71]- б) ограниченность модели территории в виде бумажной топографической карты для измерений, выражающаяся в ее статичности и способности представлять территории, геометрические характеристики которых требуется определить, только в той пространственной модели местности, которая задана проекцией, системой координат, масштабом аналоговой карты, принятой для кар-тометрических измерений. Так, бумажная карта, созданная в некоторой проекции, наиболее подходящей для измерения по ней с наименьшими искажениями одних геометрических характеристик территории, например площадей, для измерения длин линий, периметров или углов с необходимой точностью либо непригодна, либо для этого потребуется предпринять огромные усилия по учету и исправлению вносимых проекцией искаженийв) ограниченность перечня геометрических параметров, характеризующих форму и размер территории, которые могут быть определены по традиционной методике картометрических измерений. Так, в ранее выполненных измерениях из возможных параметров, описывающих форму и размер территории государства, определялись лишь площадь территории страны и ее областей и только в измерениях 1990;1994 гг. получена длина государственной границы. Определение же других геометрических и морфометрических характеристик (площадь и длина государственных границ и границ административно-территориальных образований на топографической поверхности Земли, длина сухопутной и морской границы, точное определение средних, минимальных и максимальных высот территорий, геометрические центры субъектов государства и страны в целом и т. д.) по картометрической технологии либо невозможно, либо вследствие крайней трудоемкости никогда не выполнялосьг) точность определения формы н размеров территорий по бумажным картам существенно ограничивается картографическими и техническими ошибками, вызванными деформацией бумажной карты, смещением красок при печати карт, погрешностями измерений картометрическими инструментами, которые полностью не устраняются даже при самой тщательной методике измерений.

В то же время, за неполных два десятилетия, прошедших после завершения последнего измерения размеров территории страны, произошли революционные изменения в техническом и технологическом развитии человечества, связанные с компьютеризацией жизни общества и развитием информационных технологий [8-И, 33, 36, 45, 56]. В геодезическо-картографической области это направление научно-технического прогресса вначале использовалось для автоматизации технологических процессов. Затем появились новые виды продукции: цифровые модели местности, цифровые и электронные карты и атласы. В области географических наук применение компьютерных технологий привело к созданию и развитию географических информационных систем (ГИС) по анализу картографического изображения, а затем и моделей географического пространства [3, 19−21, 38, 42, 69, 75, 76]. В этой сфере на государственном уровне принят ряд концептуальных документов [31,40,41, 70].

Под влиянием общего процесса информатизации общества существенное изменение с момента последнего измерения размеров территории России произошло и в принципах картографо-геодезического обеспечения территории страны. Оно заключалось в том, что все в большей мере производственные работы основывались на современных компьютерных и цифровых технологиях, а результатом работы картографо-геодезической службы страны являлись не аналоговые (бумажные) карты, а совершенно новый вид продукции — цифровые топографические карты, планы и атласы. В результате процессов информатизации картографо-геодезической службы страны к 2012 г. Федеральной службой государственной регистрации, кадастра и картографии (Росреестр) впервые в истории России на всю ее территорию была создана актуальная, обновленная в полном объектовом составе государственная цифровая топографическая карта масштаба 1: 100 ООО, а в практику широко вошли новые инструменты для работы с ЦТК — программное обеспечение географических информационных систем.

ЦТК как один из видов новой, цифровой формы представления информации о географическом пространстве, один из элементов в семействе геопространственных данных и ПО ГИС, как инструмент для работы с геопространственными данными предоставляют новые возможности для компьютерного моделирования геопространства с целью его изучения и анализа. Таким образом, появление ЦТК и ПО ГИС, являющихся одними из составляющих структуры геопространственных данных, создает совершенно новые условия и предпосылки, обусловливающие необходимость и актуальность пересмотра ранее применяемой аналоговой методики картометрических измерений для определения геометрических характеристик территории страны, требует выработки новых подходов, соответствующих научно обоснованных решений важной государственной задачи по определению формы и размеров территории РФ и ее субъектов на совершенно новом методическом и технологическом уровне, соответствующем современному развитию геодезии, технологий географических информационных систем и цифровой картографии. Решение данной задачи является актуальным и имеет важное народно-хозяйственное значение.

Актуально решение данной задачи также и в связи с потребностью практики. Так, Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии (Росреестр) организовала в 2012 г. новые работы по измерению размеров территории РФ. Разработка методики определения формы и размеров территорий с использованием геопространственных данных и ее применение для нового измерения размеров территории РФ позволит решить эту важную народно-хозяйственную задачу на современном научно-техническом уровне и удовлетворить запросы органов государственной власти и общества в актуальных и более точных данных о пространственных свойствах территории Российской Федерации и ее субъектов.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в разработку теории и практики определения формы и размеров территорий глобальных размеров, в том числе территории Российской империи, СССР и России, внесли Крафт В. Л., Шуберт Ф. И., Зернов Н. Е., Струве Ф., Швейцер Г., Стрельбиц-кий И. А., Тилло А. А., Шокальский А. М., Волков И. М., Богинский В. М., Ко-ленеченкова Т. В., Рацер Я. Н. Однако основой выполнения работ по определению формы и размеров территории России вплоть до последних измерений страны 1990;1994 гг., являлся аналоговый метод картометрических измерений со всеми присущими ему недостатками.

Задача определения формы и размеров территории страны цифровым методом, лишенным недостатков аналоговой технологии и позволяющим с достаточной точностью и оперативностью определять актуальные геометрические характеристики территории РФ, до настоящего времени не ставилась и никем не решалась. Вопросы автоматизированного формирования из ЦТК единой на всю страну базы пространственных данных (БПД) объектов, участвующих в определении формы и размеров территории РФ, не решены. Не проведены сравнительные исследования возможностей тех или иных ПО ГИС для решения данной задачи. Методика оценки точности результатов определения геометрических параметров территории РФ по геопространственным данным не разработана.

Все это и определяет актуальность постановки и решения задачи разработки автоматизированной методики определения формы и размеров территорий по геопространственным данным.

Цель исследования. Целью настоящего исследования является разработка, исследование и внедрение методики и технологических решений, позволяющих с высокой степенью автоматизации и точности определять по геопространственным данным актуальные параметры, характеризующие в численном виде форму и размеры территории Российской Федерации и ее субъектов, а также организовать в дальнейшем их мониторинг.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи: а) выполнен анализ методик, ранее применявшихся для определения размеров территории России, и определены их основные недостаткиб) разработаны методические основы и технологические решения определения формы и размеров территории РФ по геопространственным даннымв) выполнены исследования точности определения формы и размеров территорий в наиболее распространенных в Российской Федерации ПО ГИС: ArcGIS, ГИС Карта, GeoMedia Professional, Mapinfoг) разработаны вопросы автоматизации технологического процесса определения формы и размеров территории Российской Федерации, включающие:

1) алгоритмы и программное обеспечение для формирования из ЦТК единой базы пространственных данных объектов, участвующих в измерениях, и независимого определения формы и размеров территории РФ и ее субъектов;

2) механизм автоматизированного формирования электронного каталога результатов измерения данных, характеризующих в численном виде форму и размеры территории РФ и ее субъектовд) разработана методика оценки точности определения по ЦТК данных, характеризующих форму и размеры территории РФ и ее субъектове) разработана организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территорий Российской Федерацииж) с использованием разработанных методических и технологических решений проведены практические работы по определению геометрических параметров, характеризующих форму и размеры территорий субъектов РФ, входящих в состав Сибирского Федерального округа.

Объект и предмет исследований. Объектом настоящих исследований являются методы и приемы определения формы и размеров больших по величине территорий в общем случае и территории Российской Федерации в частности.

Предметом исследований являются методические и технологические решения и разработки для автоматизированного компьютерного определения формы и размеров территорий на поверхности земного сфероида по геопространственным данным.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований. Теоретические и практические исследования выполнялись на базе научных основ и математического аппарата сфероидической геодезии, сферической тригонометрии, математической статистики и теории математической обработки геодезических измерений, последних достижений в области географических информационных систем и структуры геопространственных данных. При выполнении исследований и практической апробации полученных результатов были использованы эталонные цифровые модели пространственных объектов, официальные документы по делимитации и демаркации государственной границы Российской Федерации, архивные материалы и документы ЦКГФ по кар-тометрическим работам прошлых лет, наиболее распространенные в РФ ПО ГИС (Агс018, ГИС Карта, веоМесИа, Мар1пК)), а также специализированное ПО, разработанное в рамках настоящих исследований.

На защиту выносятся: а) методические решения по определению на поверхности земного эллипсоида формы и размеров больших по величине территорий по геопространственным даннымб) технологические решения, включающие разработанные алгоритмы и программное обеспечение для точного определения формы и размеров территории Российской Федерации и ее субъектов по геопространственным данным, предложения и рекомендации по организации мониторинга данных о форме и размерах территории Российской Федерации и ее субъектовв) методика оценки точности определения параметров, характеризующих форму и размеры территории РФ по ЦТК с использованием ПО ГИС.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем: а) разработанные теоретические и методические решения для точного определения на поверхности эллипсоида формы и размеров больших территорий по геопространственным данным являются основополагающими, поскольку базируются на строгом математическом аппарате сфероидической геодезии и технологии ГИСб) разработанные технологические решения, алгоритмы и программное обеспечение позволяют оптимально использовать современные ЦТК и БПД для решения задачи точного определения актуальных параметров, описывающих форму и размеры территории РФ и ее субъектовв) разработанная методика оценки точности отличается достоверностью, надежностью и оперативностью определения параметров, описывающих форму и размеры территории Российской Федерации по ЦТКг) предложенная организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территории Российской Федерации является инновационной, поскольку строго, логично и последовательно интегрирует отдельные технологические решения в единый технологический процесс.

Научная и практическая значимость работы. Полученные в работе результаты исследований, разработанные новые теоретические и методические решения задачи точного определения на эллипсоиде формы и размеров глобальных по величине территорий, разработанные принципы автоматизации процессов определения формы и размеров территорий, включая алгоритмы и программное обеспечение, предложенная методика оценки точности полученных результатов и рекомендации по организации мониторинга данных о форме и размерах территорий являются научной и технической основой геодезических работ по актуализации данных, описывающих форму и размеры территории Российской Федерации в целом и ее субъектов в отдельности на современном техническом и технологическом уровне.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Тематика диссертации соответствует пункту 4 — «Разработка новых принципов, методов, технических средств и технологий геодезических измерений для определения геометрических и физических параметров Земли, ее поверхности, объектов, явлений и процессов на ней, в том числе для производства наземных топографических съемок» паспорта научной специальности 25.00.32 -«Геодезия».

Апробация и реализация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Научно-техническая конференция «Отечественные разработки в области геодезии и картографии и их применение в хозяйственной и оборонной деятельности страны», 1 марта 2012 г., МоскваМеждународный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10−20 апреля 2012 г., Новосибирск.

Результаты исследований, изложенные в диссертации в виде автоматизированной методики определения формы и размеров территорий по геопространственным данным и методики оценки точности полученных результатов, внедрены в производство ОАО «Сибгеоинформ» при исполнении государственного заказа Росреестра на определение актуальных данных о форме и размерах территории Российской Федерации и ее субъектов по ЦТК масштаба 1: 100 000.

В результате применения разработанной в рамках настоящих исследований методики при выполнении практических работ получены актуальные точные геометрические параметры, характеризующие в численном виде форму и размеры территорий РФ, при этом некоторые величины (площадь поверхности территории РФ и ее субъектов, а также протяженность государственных и областных границ и на топографической поверхности Земли, площади водной и сухопутной поверхности на материковой и островной частях территории РФ, точные значения экстремальных и средних высот для каждого субъекта РФ и т. д.) определены впервые. Применение разработанной методики на практике позволило существенно повысить точность и снизить трудоемкость выполнения работ по определению размеров территории РФ и ее субъектов. Определенные по разработанной в рамках настоящих исследований методике геометрические параметры, описывающие форму и размеры территории страны, имеют точностные характеристики в 2,5 раза выше точности последних картометрических измерений 1990;1994 гг., при этом автоматизация технологических процессов в новой методике позволила во много раз снизить трудовые и временные затраты на определение размеров территории РФ и ее субъектов: все производственные работы усилиями только коллектива ОАО «Сибгеоинформ» выполнены в течение 1 года, в сравнении с 5-летним сроком картометрических измерений 1990;1994 гг., когда для этих работ были привлечены производственные мощности всех аэрогеодезических предприятий страны. Применение разработанной методики на практике позволяет отказаться от дорогостоящих и трудоемких разовых определений формы и размеров территории страны, а организовать эти работы в режиме мониторинга.

б) результаты исследования точности определения формы и размеров территорий в наиболее распространенных в Российской Федерации ПО ГИС (ArcGIS, ГИС «Карта», GeoMedia Professional, Mapinfo) позволили выработать рекомендации по их применению для целей определения формы и размеров территорий РФв) разработана целесообразная в производственном использовании методика автоматизированного определения формы и размеров территорий Российской Федерации, включающая:

1) алгоритмы и программное обеспечение для формирования на основе ЦТК единой БПД объектов, участвующих в измерении, и независимого определения формы и размеров территории РФ и отдельных ее субъектов;

2) методику контроля определения геометрических параметров территорий РФ в ПО ГИС: ArcGIS, GeoMedia Professional;

3) механизм автоматизированного формирования электронных каталогов результатов определения геометрических характеристик, описывающих форму и размер территорийг) разработана методика оценки точности определения по ЦТК параметров, определяющих форму и размеры территорий РФ, позволяющая оценить степень их достоверности и надежностид) предложена инновационная организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территорий Российской Федерации, отличающаяся своей строгостью, логикой и оптимальным составом взаимосвязанных процессове) результаты исследований, изложенные в диссертации, внедрены в подведомственном предприятии Росреестра ОАО «Сибгеоинформ» для исполнения в рамках государственного контракта с Росреестром работ по новому определению размеров территории Российской Федерации и ее субъектов. Применение данной технологии позволило впервые в истории России провести точное определение актуальных данных о форме и размерах территорий РФ по современной безбумажной технологии — по цифровым топографическим картам масштаба 1: 100 ООО.

Таким образом, поставленная перед диссертантом задача разработки, исследования и внедрения методики определения формы и размеров территорий РФ по геопространственным данным решена.

С внедрением результатов выполненных в диссертации разработок и исследований решена важная научно-техническая задача оптимального определения актуальных данных, характеризующих форму и размеры территории РФ и ее субъектов с необходимой и достаточной точностью.

Эффективность разработанной методики заключается в расширении перечня определяемых геометрических параметров территории Российской Федерации и ее субъектовв повышении точности полученных результатов в 2,5 раза по сравнению с используемым до сих пор аналоговым картометрическим методом, а также в существенном снижении трудоемкости работ.

Таким образом, поставленная цель диссертационной работы достигнута, а предусматриваемые ею задачи реализованы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований показано, что метод картометрических измерений по бумажным картам, применявшийся в России для определения размеров территории страны вплоть до последних работ 1990;1994 гг., не отвечает современному уровню развития геодезической науки и практики. В настоящее время на всю территорию РФ созданы актуальные ЦТК масштаба 1: 100 ООО, а также появилось ПО ГИС как новое средство работы с ЦТК. Цифровая форма картографических данных, а также новые инструменты для работы с нимиПО ГИС — требуют применения новых, современных подходов и цифровых методов решения этой важной народнохозяйственной задачи.

Показано, что в настоящее время нет отработанной технологии определения формы и размеров территорий РФ по геопространственным данным. Вопросы автоматизированного формирования из ЦТК единой на всю страну БПД объектов, участвующих в определении формы и размеров территории РФ и ее субъектов, не решены. Не проведены исследования применимости по точностным характеристикам тех или иных ПО ГИС для решения данной задачи. Методика оценки точности результатов определения параметров, описывающих форму и размеры территорий РФ по ЦТК, не разработана.

Обоснована целесообразность разработки, исследования и внедрения методики определения формы и размеров территории страны по геопространственным данным, которая обеспечит решение важной народнохозяйственной задачи определения актуальных, более точных параметров, характеризующих форму и размеры территории страны и ее субъектов, а также ведение их мониторинга.

Основные научные и практические результаты, полученные в ходе исследований, заключаются в следующем: а) разработана теоретически обоснованная методика определения формы и размеров глобальных по величине территорий и территории Российской Федерации с использованием геопространственных данных;