Бешенцев А.Н., Лубсанов А.А.
Байкальский институт природопользования СО РАН

К настоящему времени во многих областях человеческой деятельности накоплены значительный объем пространственно-временных геоданных, основу которых, как правило, составляют картографические материалы. Тематические и топографические карты разных лет издания представляют собой разновременные модели физико-географического состояния территории и являются исходной информацией для оценки и изучения развития различных объектов и явлений. Любая деятельность осуществляется на конкретной территории, и поэтому пространственно-метрические характеристики такого развития являются определяющими. Тематические карты содержат обширную атрибутивную информацию об изменениях географической среды, но, как правило, обладают низкой геометрической точностью. Топографические карты создаются более 200 лет в единых картографических проекциях, единых географических координатах и являются пространственно-метрической базой для оценки и анализа динамики географической среды. Таким образом, решение проблемы локализации тематической информации на точной геометрической основе, а также разработка технологии использования ретроспективных карт при исследовании изменений географической среды представляются важными практическими задачами.
Для их решения авторами выполнен комплексный анализ комплекта ретроспективных карт масштаба 1:84 000, издания 1894–1912 гг. Говоря об обстоятельствах создания анализируемых карт следует сказать, что в 1877 г. правительство России предложило вести съемки исключительно для нужд армии, и в результате военное ведомство отказалось от работы во внутренних частях страны и сосредоточило усилия на точных топосъемках полуверстного масштаба, а с 1907 г. на двухверстных съемках в пограничных районах Сибири и на Дальнем Востоке. Карты масштаба 2 версты в 1 дюйме (1:84 000) составлены в поперечно-цилиндрической проекции Гаусса в шестиградусной зоне по двум ориентировкам на эллипсоиде Бесселя и отпечатаны литографским способом. Геодезической основой карт является сеть опорных тригонометрических пунктов, полученная методом триангуляции, главный способ съемки — засечки с построением изображения непосредственно в поле на мензуле. При крайней разреженности триангуляции местное геодезическое обоснование создавалось в виде системы инструментальных ходов 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. Для уточнения привязки природных и социально-экономических объектов широко использовались планы генерального межевания начала XIX в.
Для определения приемов составления и принципов генерализации исследуемых карт применялся способ сравнения ретроспективной карты со сходной по назначению, но более новой и точной картой. В качестве сравниваемой были использованы листы карты масштаба 1:100 000, созданной Генеральным штабом в 1989 г. по материалам съемки 1952 г.
Анализ геометрической точности исследуемых карт основывался на оценке точности планового положения тригонометрических пунктов, высотных отметок, речной и дорожной сети, населенных пунктов, сохранившихся культовых объектов и контуров, измерения площадей, а также на определении ошибок в положениях горизонталей по высоте и в заложениях горизонталей. Для определения точности анализируемых карт были использованы Каталог геодезических координат издания 1974 г. и листы топографических карт масштаба 1:100 000, составленные Генеральным штабом в 1989 г. Два произвольно выбранных листа ретроспективных карт были оцифрованы в программе Easy Trace, в виде отдельных слоев выше перечисленных объектов и посредством программы ArcInfo конвертированы в картографическую проекцию Меркатора. Аналогичные операции были выполнены с двумя листами современных топографических карт. Затем на цифровых слоях были выбраны по десять опорных точек для каждого оцениваемого объекта. С помощью оверлейных операций разновременные слои были совмещены и произведено компьютерное определение величин планово-высотного несоответствия. Результаты оценки точности позволили выявить средние квадратические ошибки планового положения для: тригонометрические пункты — до 2 мм; речная сеть — до 2 мм; дорожная сеть — до 2 мм; населенные пункты — до 3 мм; контуры — до 4 мм; высотные отметки — до 5 мм. Необходимо отметить, что значение ошибки возрастает по мере удаления объекта от главной реки или дороги, по которым проходил съемочный ход. Проведенный анализ позволил выявить относительно низкую и различную точность картографируемых объектов.
Таким образом, было установлено, что основной проблемой при автоматизации ретроспективных картографических материалов является устранение несоответствия их пространственно-геометрических характеристик с современными. Для решения этой проблемы была разработана методика геометрической коррекции, позволяющая построить единую топологическую линейно-узловую структуру. Эта методика представляет собой последовательный ряд технологических и аналитических операций на основе математических алгоритмов программы ArcInfo.
1. Редакционно-подготовительные работы (сбор и оценка картографических материалов, изучение территории, разработка редакционных указаний).
2. Ввод разновременных пространственных данных (сканирование, векторизация по слоям объектов, экспорт в ArcInfo).
3. Подготовка пространственных данных к использованию (создание, редактирование и реконструирование топологии).
4. Создание реляционной базы данных (разработка единой системы классификации и кодирования, ввод разновременных атрибутивных данных по слоям).
Единая система классификации и кодирования разновременной атрибутивной информации разработана на основе классификатора Роскартографии для цифровых топографических карт. Он представляет собой унифицированную легенду цифровой модели и определяет однозначную идентификацию каждого моделируемого объекта и его атрибута и отражает семантическую сторону объектов, обеспечивая возможность эффективного поиска необходимых данных в информационном массиве.
5. Проекционные преобразования слоев (выбор регистрационных точек, аффинное преобразование, оценка точности преобразования).
Все объектные слои преобразовываются в проекцию Меркатора (команда TRANSFORM). В зависимости от нагрузки слоя используется от шести до десяти регистрационных точек.
6. Геометрическая коррекция (исправление геометрических искажений).
Исправление геометрических искажений выполняется векторами смещения при начальной установке длины и направления (команда ADJUST).
7. Создание объектных покрытий (совмещение разновременных слоев, устранение осколочных полигонов, реконструирование топологии).
После совмещения разновременных слоев необходимо устранить осколочные полигоны при заданном цензе отбора (команда ELIMINATE).
8. Создание разновременной цифровой модели территории (совмещение объектных покрытий).
Чем больше регистрационных точек, тем выше точность исправления. Зная характер ошибок исследуемых карт на разных листах, в зависимости от содержания, целесообразно выбирать разные варианты расположения регистрационных точек. Например: располагать точки равномерно/неравномерно по листу; выбирать точки, относящиеся к разным объектам.
Методика геометрической коррекции была опробована на 16 листах ретроспективных карт. В качестве регистрационных точек для начального проекционного преобразования поочередно были использованы пересечения меридианов и параллелей, отметки высот, центры населенных пунктов, устья рек, пересечения дорог, культовые места. Было установлено, что наименьшую ошибку планового положения объектов дает преобразование по устьям рек. На листах с хорошо развитой речной сетью средняя квадратическая ошибка планового положения объектов уменьшалась до 0,2 мм, а вблизи регистрационных точек было полное совмещение. На листах с бедной речной сетью вблизи регистрационных точек ошибка увеличивалась до 0,3–0,5 мм, а на отдаленных участках она достигала 1–1,5 мм. На обжитых территориях, с развитой дорожной сетью, в качестве регистрационных точек целесообразно использовать пересечения дорог. В этом случае средняя квадратическая ошибка планового положения объектов снижается до 0,2–0,5 мм. Для необжитых территорий с преобладанием низкогорного рельефа в качестве регистрационных точек целесообразно использовать отметки высот, но в этом случае ошибку удается уменьшить лишь до 1,0–1,5 мм. После аффинного преобразования векторами смещения удалось, на сколько позволяет человеческий глаз, совместить ретроспективные и современные объектные слои. После их объединения появились осколочные полигоны, которые были удалены при цензе отбора 0,1 мм. Затем все объектные покрытия были совмещены, и создана разновременная цифровая модель территории для исследования динамики географической среды.
Таким образом, отчасти была решена проблема совместимости пространственно-геометрических характеристик разновременных карт. На основании геометрической коррекции ретроспективных карт можно говорить о том, что они представляют собой точные модели физико-географического состояния территории начала прошлого века, являются надежными документами для оценки динамики географической среды и пригодны для совместного использования с современными топографическими картами.