Картографическое обеспечение населенных пунктов: альтернативное решение
Проведенные исследования не имеют целью доказать необходимость полной замены аэросъемки космической. Но они свидетельствуют о том, что существует альтернатива традиционным методам, которая может быть весьма полезной в современных условиях
Потребность населенных пунктов в картографических материалах обусловлена в основном задачами подготовки градостроительной документации и проведения кадастровых и землеустроительных работ.
Согласно Градостроительному кодексу РФ [2], органы местного самоуправления поселения обеспечивают подготовку документации по планировке территории на основании генерального плана поселения, правил землепользования и застройки (ч. 5 ст. 45). При отсутствии документов территориального планирования с 1 января 2012 г. не допускается осуществлять подготовку документации по планировке территории (ч. 6 ст. 45), в том числе запрещается выдача разрешений на строительство (ч. 3 ст. 51).
По экспертной оценке, на 1 января 2010 г. обеспеченность поселений страны градостроительной документацией составляла 28%. Таким образом, за полтора года необходимо подготовить оставшиеся 72% документов, для чего сначала по картографическим материалам нужно будет разработать генеральные планы поселений, а затем на их основе — правила землепользования и застройки.
Наиболее остро проблема стоит для средних и малых городов и поселков с населением 10–100 тыс. жителей. Как известно, именно они составляют основную долю населенных пунктов России. В соответствии с Инструкцией [4] для таких поселений различные виды градостроительной документации разрабатываются на базе картографической основы масштаба 1:2000–1:5000. Однако, как правило, топографическая основа средних и малых поселений пребывает в плачевном состоянии: карты либо устарели, либо отсутствуют вовсе.
Общепринятой практикой решения этой проблемы является проведение аэросъемки с последующим изготовлением карт (реже фотопланов), но жесткие сроки выполнения работ, установленные федеральными законами [2, 3], а также экономические факторы вынуждают искать и иные возможности.
Так, известны случаи создания фотопланов масштаба 1:2000 по материалам космической съемки со спутников типа GeoEye-1 или WorldView-1 [3, 6, 8, 9]. Анализ публикаций выявил некоторые особенности таких работ. В частности, фотопланы получают с использованием точной цифровой модели рельефа (ЦМР), подготовленной, например, на основе карт масштаба 1:2000. Но для большинства малых населенных пунктов столь подробная информация о рельефе отсутствует. Кроме того, в публикациях речь идет о точности фотопланов, которая оценена ошибкой планового положения некоторого числа контрольных точек и характеризует скорее «привязку» фотоплана к рабочей системе координат, а не точность распознавания и координирования характерных точек местности.
Рис. 1. Экспериментальный участок на снимке GeoEye-1 (синим цветом отмечены наземные контрольные точки)
С учетом указанных особенностей на предприятии «Уралгео-информ» при поддержке компаний «Совзонд» и GeoEye (США) была проведена экспериментальная работа по оценке возможности замены материалов аэросъемки на космические снимки с целью картографического обеспечения средних и малых населенных пунктов. В процессе эксперимента решались следующие задачи:
— оценка точности внешнего ориентирования и ортотрансформирования космических снимков;
— оценка точности ЦМР, полученной по стереопаре космических снимков;
— определение возможности распознавания элементов местности на космических снимках с точки зрения объектового состава топографических карт;
— оценка точности координирования объектов местности по космическим моно- и стереоснимкам.
Тестовый участок площадью 100 км2 был выбран в Республике Башкортостан (рис. 1) — это всхолмленная местность с перепадом высот 140–260 м. Населенные пункты представлены районным центром с числом жителей 10,4 тыс. человек и несколькими поселками сельского типа. Дорожная сеть состоит из усовершенствованных шоссе, грунтовых, полевых автодорог. В северной части тестового участка проходит железная дорога. Межселенная территория пересекается реками шириной до 5 м и занята преимущественно пашнями. Встречаются небольшие участки леса, луга.
С КА GeoEye-1 выполнена стереоскопическая съемка экспериментального участка и получен комплект панхроматических и мультиспектральных стереоснимков с пространственным разрешением 0,5 и 2,0 м соответственно. Подробную информацию о снимках GeoEye-1 можно найти в [10].
Фотограмметрическая обработка заключалась в ориентировании стереопары снимков, построении по ним ЦМР и фотоплана. Для проведения работы использованы два пункта триангуляции 2 класса, сохранившиеся на местности и опознанные на космических снимках, и 27 опознаков, определенных в поле методами спутниковой геодезии. Рабочей системой координат была выбрана СК–95. Ориентирование снимков выполнялось разными методами (RPC, DLT, параллельно-перспективная модель) с различным числом опорных точек. Результаты представлены на рис. 2 и свидетельствуют о том, что:
— точность коэффициентов RPC для одиночных снимков не одинакова и зависит от угла наклона снимка: средняя квадратическая ошибка (СКО) положения контрольных точек в плане составила 4,61 м для снимка с углом наклона 15° и 11,6 м для снимка с углом наклона 28°;
— при ориентировании стереопары RPC-методом без опорных точек СКО положения контрольных точек составила в плане 2,9 м (что соответствует масштабу карт 1:10 000), по высоте — 16,1 м;
— при использовании одной опорной точки точность ориентирования снимков RPC-методом повышается до 0,54 м в плане и 0,58 м по высоте (СКО положения контрольных точек), что соответствует требованиям к картам масштаба 1:2000 при высоте сечения рельефа 2 м. Увеличение числа опорных точек не ведет к улучшению точности ориентирования;
— непараметрические методы (DLT, параллельно-перспективная модель) могут дать сравнимую с RPC-методом точность ориентирования при хорошем распределении и большом числе опорных точек.
Рис. 2. Средние квадратические ошибки положения контрольных точек после ориентирования стереопары космических снимков GeoEye-1 (а — в плане; б — по высоте)
Цифровая модель рельефа создавалась по стереопаре космических снимков путем построения TIN и регулярной ЦМР с шагом 3 м. Оценка точности выполнялась по контрольным точкам (31) и показала СКО по высоте 0,43 м, что позволяет говорить о построении горизонталей с высотой сечения 2 м. При сравнении с ЦМР, полученной по аэроснимкам, существенных расхождений не выявлено.
С помощью подготовленной ЦМР выполнено ортотрансформирование космических снимков. Точность фотоплана также оценивалась по контрольным точкам. Результаты представлены на рис. 3 и показывают, что согласно Инструкции [5] получен фотоплан масштаба 1:2000.
Рис. 3. Ошибки положения контрольных точек на фотоплане (ЦМР получена фотограмметрическим методом по стереопаре GeoEye-1)
Как известно, фотопланы могут быть изготовлены не только по стереоскопическим, но и по моноскопическим снимкам. В случае использования материалов космической съемки это значительно сократило бы затраты. Однако при таком подходе необходима сторонняя ЦМР. Как правило, ее получают картометрическим способом по горизонталям и отметкам высот топографических карт. Принимая во внимание повсеместное отсутствие крупномасштабных карт на территории малых населенных пунктов, можно рассчитывать лишь на топографические карты масштаба 1:25 000 с высотой сечения рельефа 5 м, которые существуют для всей территории России.
Точность координирования объектов местности
С экспериментальной целью по картам масштаба 1:25 000 была построена ЦМР, а затем с ее помощью выполнено ортотрансформирование снимка GeoEye-1, имеющего угол наклона 15°. Оценка точности фотоплана показала среднюю ошибку 0,88 м, а разброс ошибок составил от 0 до 1,8 м. На графике (рис. 4) ясно видно, что полученный фотоплан не удовлетворяет точности масштаба 1:2000 (допустимая ошибка 0,5 мм в масштабе плана). Таким образом, при отсутствии точной ЦМР для изготовления фотопланов в масштабе 1:2000 необходимо применять стереоснимки.
Рис. 4. Ошибки положения контрольных точек на фотоплане (ЦМР получена картометрическим методом по картам масштаба 1:25 000)
Следующим этапом экспериментальной работы стало определение дешифровочных возможностей космических снимков GeoEye-1. Основой для анализа служил Классификатор [1]. Выявлено, что на снимках GeoEye-1 удается распознать более 80% нужных объектов, причем надежность распознавания по стереоснимкам выше, чем по фотопланам (рис. 5). Полученные результаты по объектам сведены в Альбом образцов топографического дешифрирования, с которым можно ознакомиться на сайте ФГУП «Уралгеоинформ» ( http://www.ugi.ru ).
Рис. 5. Дешифрирование элементов местности по космическим снимкам GeoEye-1 (А — дешифрирование без проблем; В — дешифрирование возможно; С — требуется полевое обследование; D — дешифрирование невозможно)
Для ответа на вопрос о точности координирования тех или иных объектов местности по космическим стереоснимкам и полученным фотопланам масштаба 1:2000 были измерены координаты углов многоэтажных капитальных зданий, домов частной застройки, заборов и опор ЛЭП. Их истинные координаты были определены путем фотограмметрического сгущения опорной планово-высотной сети, выполненного по архивным аэроснимкам.
Точность определения координат объектов колеблется от 0,6 до 1,0 м в зависимости от их типа и способа измерения координат (таблица). Использование космических стереоснимков позволяет улучшить качество опознавания точек изображения на 25%. Из таблицы видно, что по точности дешифрирования космические снимки GeoEye-1 незначительно уступают аэроснимкам.
Обобщая полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
— в целях картографического обеспечения малых и средних населенных пунктов можно использовать космические снимки с разрешением 0,5 м и лучше;
— создание единой картографической основы должно выполняться стереотопографическим методом;
— контурная часть может быть представлена в виде топографической карты или фотоплана масштаба 1:2000;
— рельеф местности может быть представлен в виде ЦМР с ошибкой 0,4 м или горизонталями с высотой сечения 2 м.
Проведенные исследования не имеют целью доказать необходимость полной замены аэросъемки космической. Но они свидетельствуют о том, что существует альтернатива традиционным методам, которая может быть весьма полезной в современных условиях.
Список литературы
1. 26288412-1.1–07. Стандарт ФГУП «Уралгеоинформ». Карты и планы цифровые топографические. Сквозной классификатор объектов цифровых топографических карт и планов. Система классификации и кодирования. Правила цифрового описания. — Екатеринбург: ФГУП «Уралгео-информ», 2007.
2. Градостроительный кодекс РФ от 29 декабря 2004 г. № 190-ФЗ. — http://www.consultant.ru/popular/gskrf (электронный ресурс).
3. Зубарев А.Э. Обработка стереопары космических изображений сенсора GeoEye-1. — www.racurs.ru/www_download/articles/Test_GE-1.pdf (электронный ресурс).
4. Инструкция о порядке разработки, согласования, экспертизы и утверждения градостроительной документации. — http://www.consultant.ru/online/base/?req=doc;base=LAW;n=41063 (электронный ресурс).
5. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. ГКИНП(ГНТА)-02-036–02. — М.: ЦНИИГАиК, 2002.
6. Лютивинская М.В., Нейфельд И.Г. Использование данных ДЗЗ сверхвысокого разрешения для целей кадастрового учета // Геоматика. — 2009. — № 2. — С. 76–82.
7. Федеральный закон от 24 июля 2007 г. № 221-ФЗ «О государственном кадастре недвижимости» (в ред. от 27 декабря 2009 г.). — http://base.garant.ru/12154874.htm (электронный ресурс).
8. Cheng P., Chaapel Ch. Automatic DEM Generation Using WorldView-1 Stereo Data with or without Ground Control Points // GeoInformation. — Oct./Nov. 2008. — P. 34–39.
9. Fraser C.S., Ravanbakhsh M. Geoeferencing from Geoeye-1 imagery: early indications of metric performance. — http://www.isprs.org/proceedings/XXXVIII-1-4-7_W5/paper/Fraser-207.pdf (электронный ресурс).
10. GeoEye Product Guide v1.0.1 // GeoEye, 2009. — 57 c.
RSS
Реклама
