Источник:http://www.nbuv.gov.ua/Portal/natural/Rrm/2011_94/33.pdf
УДК 528:001:681.51:622.85
Ю.Н. ГАВРИЛЕНКО, д-р техн. наук, проф., Д.Ю. ГАВРИЛЕНКО, Е.А. КАРПОВА, Донецкий национальный технический университет
СОЗДАНИЕ КАДАСТРА ТЕРРИКОНОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ НА ОСНОВЕ ГИС И ИНТЕРНЕТ ТЕХНОЛОГИЙ
Приведен анализ наиболее распространенных картографических сервисов и их возможностей для картографирования и мониторинга терриконов угольных шахт. Выполнена апробация технологии в пределах г.Донецка, в процессе которой векторизовано более 100 терриконов и созданы трехмерные модели терриконов.
Постановка задачи. В настоящее время в Украине под породными отвалами занято около 150 тыс. га плодородных земель, причем площади, отведенные под отвалы, из года в год увеличиваются. Кроме отчуждения больших площадей земельных угодий, породные отвалы коренным образом изменяют и преобразуют природный ландшафт, а вследствие самовозгорания, ветровой и водной эрозии загрязняют воздушный и водный бассейны, почву, источники водоснабжения. Особой остроты вопрос учета и мониторинга состояния терриконов приобретает в связи с массовым закрытием нерентабельных угольных шахт [1].
Терриконы - объекты, которые занимают особое место в таких сферах, как: экология (являются экологически опасными объектами), землеустройство и кадастр (необходимо знать и уметь определять их границы и следить за их изменением), промышленность (являются составной частью процесса производства, а также могут стать вторичным сырьем), рекультивация земель и т.д. В настоящее время учет терриконов бессистемен, различные ведомства по-разному хранят и представляют данные о терриконах. Поэтому возникает актуальный вопрос об учете и мониторинге состояния терриконов, учитывая, что в Украине большинство картографических материалов устарело. Решение данной задачи традиционными геодезическими методами займет длительное время и потребует значительных финансовых вложений. Единственным выходом в сложившейся ситуации является использование для указанных целей современных ГИС и Интернет технологий.
Основной современных тенденций развития Интернет-технологий является формирование независимой web-среды, в которой пользователи являются уже не сторонними наблюдателями, а активными участниками формирования и изменения информационного пространства. Аналогичные тенденции наблюдаются и в сфере web-картографирования, ГИС+Интернет, которые демократизируют картографию и картографическое моделирование. Именно совместное использование ГИС+Интернет явились основными факторами становления нео-географии [2]. Миллионы пользователей становятся прямыми участниками геоинф-ормационного моделирования, а картографическая информация становится общечеловеческим и экономически значимым предметом потребления. Наблюдается создание множества проектов, которые реализуют концепцию открытого доступа до предварительно обработанных высококачественных электронных карт и космических снимков. Происходит стандартизация географической информации и геоинформационных сервисов. Расширяются возможности персональной настройки этих сервисов с возможностью интегрирования собственных данных потребителей с геопространственными данными из Интернет.
Современные средства и методы работы с геопространственной информацией, реали-зованные в картографических сервисах, отличаются от традиционных карт и геоинф-ормационных систем тремя основными признаками [2]:
использованием географических, а не картографических, систем координат;
применением растрового, а не векторного представления географической информации в качестве основного;
использованием открытых гипертекстовых форматов представления геоданных.
Картографические сервисы. Одной из трех основных технологий представления пространственной информации в Интернет являются картографические сервисы (геосервисы). Большинство из них предоставляют спутниковые снимки и различные карты, а также всевозможную пространственно привязанную информацию (например, достопримечательности, автомобильные пробки и т.п.). Именно космические или аэроснимки, являются основным и важнейшим источником визуально воспринимаемой информации о характере местности. Кроме непосредственного предоставления картографической информации многие сервисы имеют инструментарий API для использования карт в пользовательских Интернет-ресурсах [3, 4].
Выделяются Веб-ориентированные картографические сервисы (web-based maps), которые представляют собой Веб-приложение и работают в браузере [5-07], и сервисы, имеющие собственную оболочку-навигатор (virtual globus), но при этом картографические данные, используемые в них загружаются из сети Интернет [811].
Характеристики наиболее популярных веб-ориентированных картографических сервисов приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Сравнительная таблица веб-ориентированных картографических сервисов
| Параметры | Google Maps | Карты Yandex | Bing Maps | Yahoo! Maps | Карты mail.ru | Visicom Maps | Kosmos-nimki.ru |
| Наличие API |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
+ |
+ |
| Возможность отображать полигоны |
+ |
+ |
- |
- |
- |
+ |
+ |
| Возможные виды картографической основы | Спутник Карта Гибрид Рельеф | Спутник Карта Гибрид | Спутник Карта | СпутникКарта Гибрид | Спутник Карта | Карта | Спутник Карта Гибрид |
| Поддержка форматов описания пространственных данных | KML | YMapsML, KML | Скрипты Bing Maps AJAX Control, KML | GeoRSS 2.0 | NMEA, GPX, WPT, KML | GML, KML |
Одним из самых популярных форматов обмена географической информацией и размещения ее на картографических сервисах является язык KML (Keyhole Markup Language). KML создан на основе стандарта XML и использует основанную на тегах структуру с вложенными элементами и атрибутами. Изначально KML являлся форматом для размещения информации в сервисах компании Google, однако в связи с большой популярностью этих сервисов и удобством описания данных, в 2008 году Open Geospatial Consortium принял формат KML в качестве стандарта [12].
Целенаправленный анализ схемы KML документа [12] позволяет сделать вывод, что для описания пространственных данных, характеризующих терриконы, этот формат полностью удовлетворяет, а для представления атрибутивной информации существует несколько вариантов, имеющие широкие возможности по настройке. Кроме того большинство рассмотренных сервисов (см.табл. 1) поддерживают KML формат.
Характеристики картографических сервисов, представляющих собой отдельные приложения, приведены в табл.2.
Таблица 2 -Сравнительная таблица картографических сервисов, представляющие собой самостоятельные приложения
| Параметры | Google Earth | NASA World Wind | SAS. Планета | WW2D |
| Вид отображения | 3D | 3D | 2D | 2D |
| Отображение пользовательских данных | KML | KML, SHP | KML | KML |
| Слои с дополнительной информацией | Границы и названия, метки, фотографии Panoramio, дороги, 3D здания, ocean, street view, weather, gallery, global awareness, парки и места отдыха, географические объекты, категории мест, транспорт, трафик и др. | Land Sat 7, SRTM, MODIS, Country & (USA) State Borders, Place names и др. (поддержка плагинов) | Большое количество слоев с различных сервисов | Land Sat 7, SRTM, MODIS, Country & (USA) State Borders, Place names и др. (поддержка плагинов) |
| Функции | Поиск объектов, добавление меток, многоугольников и пути, поиск компаний, прокладывание маршрута, измерение расстояний, импорт данных GPS | Поиск объектов, измерение расстояний, компас, Scientific Visualization Studio, Web Mapping Server Browser | Измерение расстояний, сохранение части карты, поиск объектов средствами Google и Яндекс, добавление меток, импорт данных GPS | Поиск объектов |
В этой категории можно выделить программы Google Earth (Планета Земля) и NASA World Wind, которые представляют собой трехмерную модель планеты и обеспечивают полное покрытие материков космическими снимками различного качества. Обе программы имеют возможность отображать рельеф. Для отображения пользовательской информации на карте программы имеют возможность работы с файлами в формате KML.
Кроме программ-оболочек глобусов существуют программы отображения картографической информации на плоскости, например, независимые проекты SAS. Планета и WW2D.
Одной из особенности подобных картографических сервисов является работа в режиме offline. Удобство состоит в том, что клиент может пользоваться картографическими данными, предварительно закачав их, и отображать интересующую информацию при отсутствии доступа в сеть Интернет.
Большинство картографических сервисов предоставляют картографическую информацию в системе координат WGS-84 с использованием проекции UTM [3,4,7]. В то же время пространственные данные в Украине представляются в системах координат СК-42 или СК-63 с использованием проекции Гаусса-Крюгера. Поэтому для связи с существующими картографическими материалами необходимо выполнить ряд преобразований. Наибольшую сложность в этом процессе представляет переход из пространственной системы координат WGS-84 в пространственную систему СК-42. Так как известны лишь приближенные параметры перехода между этими системами, то необходимо производить их уточнение методом последовательных приближений по четким контурам.
В целом, можно выделить следующие преимущества использования картографических серверов для предоставления пространственной информации различного назначения:
наличие готовой картографической основы;
наличие основных инструментов навигации;
поддержка большинством сервисов стандартных форматов обмена пространственной информацией KML, GML и т.д.;
у многих сервисов имеется инструменты API для встраивания карты в сторонние веб-ресурсы и настройки отображения различных пространственных данных;
возможность работы в режиме offline.
К недостаткам картографических сервисов можно отнести следующее:
различные системы координат в существующих в нашей стране картографических материалах и на сервисах;
на некоторых картографических сервисах картографическая основа уже ортотрансформирована с использованием грубой модели рельефа и тем самым в нее внесены неисправимые ошибки;
возможности представления пространственной и атрибутивной информации ограниченны форматом представления пользовательских данных;
атрибутивная информация не связывается непосредственно с объектом и задается с помощью специального отдельного объекта;
невозможность регулярного обновления растрового покрытия, космических снимков высокого разрешения:
Исходя из выполненного анализа следует признать, что картографический сервис Google Earth (Планета Земля) на сегодняшний день является наиболее приемлемым выбором для развития открытых, бесплатных, общедоступных геоинформационных приложений.
Векторизация терриконов. Одной из весомых составляющих процесса векторизации фотоизображения с целью создания отдельного геоинформационного продукта является процесс дешифрирования изображения. Для повышения достоверности дешифрирования необходимо использовать дополнительные пространственные характеристики объекта (форму, размер, текстуру и структуру поверхности), а также непрямые признаки - ассоциации (например, расположение терриконов рядом с шахтами).
Процесс определения границ нижней бровки террикона (основания террикона) осуществляется с помощью дешифрирования. При этом целесообразно использовать предметное и логическое дешифрирование. Первое выполняется путем сравнения изображений и объектов в натуре. Объекты опознаются по прямым дешифровочным признакам: по форме, размеру, тону, рисунку и структуре изображения.
Второй тип дешифрирования основан на использовании закономерных взаимосвязей компонентов ландшафта [13]. Через характеристику объектов, непосредственно изображенных на снимках, логическим путем делают заключение о наличии и свойствах объектов, которые скрыты, но связаны с первыми закономерными связями.
Как показала практика при векторизации полигонов основания терриконов целесообразно использовать перспективные изображения терриконов (рис. 1).
С использованием описанной технологии выполнена векторизация более 100 терриконов, расположенных на территории г.Донецка. Границы каждого террикона создавались в виде полигона с использованием космических снимков 2007 и 2009 гг., представленных на Google Earth. На основе этой работы был сформирован KML-файл, в котором кроме координат полигона, задавался условный номер террикона и описание его местоположения.
Преобразования координат. При векторизации координаты точек границ терриконов определяются геодезической широтой и долготой в системе координат WGS-84. Для представления контуров терриконов на существующих картографических материалах необходимо перевычислить эти координаты в плоские прямоугольные координаты в системе координат 1942 г.. (СК-42).
Для этого необходимо осуществить следующую цепочку действий:
1. Переход от геодезических координат WGS-84 к прямоугольным координатам WGS-84.
2. Переход от прямоугольных координат WGS-84 к прямоугольным координатам СК-42.
3. Переход от прямоугольных координат CK-42 к геодезическим координатам CK-42.
4. Переход от геодезических координат CK-42 к плоским прямоугольным координатам CK-42 в проекции Гаусса-Крюгера.
5. При необходимости переход от плоских прямоугольных координат в СК-42 к плоским прямоугольным координатам в системе СК-63 или в местной системе координат.
Указанный алгоритм реализован в специально разработанной программе, исходными данными для которой является полученный в Google Earth KML-файл. Результаты перевычислений формируются в файле SHP-формата. Этот формат является внутренним форматом графических данных ГИС-пакетов ArcView и ArcGIS, но может импортироваться и другими ГИС продуктами.
Контуры терриконов, полученные с использованием картографического сервиса, были сопоставлены с их положением на топографических картах масштаба 1:10 000 более чем 20-25 летней давности. Оценка, выполненная по 30 контурам, показала, что минимальные расхождения составили 2,0 м, максимальные - 21,5 м, при среднем значении - 9,9 м. Полученные данные свидетельствуют о том, что с использованием предлагаемой технологии можно вполне достичь точности, соответствующей масштабу 1:10 000. Учитывая нечеткие контуры основания отвалов, можно констатировать, что эта точность достаточна для решения большинства практических задач.
Создание трехмерных моделей терриконов. Трехмерные модели терриконов, которые необходимы для решения многих проектных и экологических задач, могут разрабатываться на основе двух принципиальных подходов:
создание индивидуальных моделей для каждого конкретного террикона.
создание нескольких универсальных моделей для различных форм терриконов (конус, усеченный конус, двойной усеченный конус, неправильная форма).
Для точной трехмерной модели необходимо создание достаточно подробной цифровой модели поверхности террикона и качественные фототекстуры для различных периодов года. Построение цифровой модели требует определения отметок с относительно высокой относительной точностью, чего добиться на картографических сервисах по космическим снимкам достаточно сложно. Такую работу можно выполнить с использованием наземной цифровой фотосъемки. Однако в этом случае временные и финансовые затраты будут весьма ощутимыми. Для ведения кадастра терриконов в большинстве случаев достаточно иметь приближенные трехмерные модели терриконов, построение которых целесообразно осуществлять с использованием второго подхода.
Большинство трехмерных моделей объектов создается в отдельных приложениях без возможности привязки к ситуации. В программном приложении Google SketchUp имеется возможность создавать модели относительно простых трехмерных объектов и помещать их в Google Earth.
Процесс создания универсальных трехмерных моделей терриконов включает следующие операции.
1. На полученном из геосервиса снимке типичного террикона обрисовывается контур основания террикона, создавая, таким образом, поверхность в виде плоскости.
2. По отметке вершины террикона и горизонтальному расстоянию от вершины до точек на контуре основания определяются углы наклона поверхности.
3. Вытягивают поверхность основания на высоту террикона (рис. 2а). Для моделей терриконов в форме усеченного конуса с помощью масштабирования уменьшают верхнюю поверхность (рис. 2б), чтобы угол между наклоненной гранью и основанием был равен вычисленным углам наклона.
4. Выполняют заполнение текстур, для чего можно использовать стандартные или создать собственные на снимков терриконов.
5. Для помещения созданной модели в Google Earth экспортируют ее как 3D-модель.
6. Помещают модель в Google Earth, «насаживая» ее на существующий террикон, с последующим «горячим редактированием»: поворот, масштабирование, изменение высоты (рис.2в).
Выводы. Основные результаты выполненных исследований состоят в следующем:
1. Современные картографические сервисы позволяют использовать их для сбора данных о пространственном положении, формах и размерах терриконов угольных шахт.
2. Векторизацированные данные о пространственном положении терриконов могут быть импортированы в ГИС системы в принятых в нашей стране системах координат с точностью не грубее масштабов 1:10 000.
3. Разработанные унифицированные трехмерные модели терриконов могут быть использованы экологами, землеустроителями и специалистами в области рекультивации земель при решении широкого круга практических задач.
Список литературы
1. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины / [Гавриленко Ю.Н., Ермаков В.Н., Кренида Ю.Ф. и др.]; под ред. Ю.Н.Гавриленко и В.Н. Ермакова. - Донецк: «Норд-Пресс», 2004. - 632 с.
2. Неогеография: особенности нового подхода: [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://edu.of.ru/vdmcako/default.asp?ob_no=49687 - Название с титул. экрана.
3. API Карт Google [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://code.google.com/intl/ru/apis/maps/index.html - Название с титул. экрана.
4. Яндекс. Карты на вашем сайте [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://api.yandex.ru/maps/ - Название с титул. экрана.
5. Карты Google [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://maps.google.ru/ - Название с титул. экрана.
6. Яндекс. Карты [Электронный ресурс]; Режим доступа: maps.yandex.ru/ - Название с титул. экрана.
7. Bing Maps [Электронный ресурс]; Режим доступа: www.bing.com/maps/ - Название с титул. экрана.
8. Google Планета Земля [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://earth.google.com/intl/ru/ - Название с титул. экрана.
9. NASA World Wind [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://worldwind.arc.nasa.gov/ - Название с титул. экрана.
10. SAS.Планета [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://sasgis.ru/sasplaneta/ - Название с титул. экрана.
11. WW2D [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://sourceforge.net/projects/ww2d/ - Название с титул. экрана.
12. OGC KML [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://www.opengeospatial.org/standards/kml - Название с титул. экрана.
13. OGC KML Official Schemas [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://schemas.opengis.net/kml/ - Название с титул. экрана.
14. Мониторинг состояния окружающей среды и эколого-географическое картографирование [Электронный ресурс]; Режим доступа: http:// http://csr.spbu.ru/publications - Название с титул. экрана.