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

Обиденко, Владимир Иванович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка и исследование методики определения формы и размеров территорий по геопространственным данным
ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование методики определения формы и размеров территорий по геопространственным данным"

На правах рукописи

005054722

Обиденко Владимир Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ТЕРРИТОРИЙ ПО ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДАННЫМ

25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 НОЯ 2012

Новосибирск - 2012

005054722

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

Работа выполнена ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия».

доктор технических наук, профессор Карпик Александр Петрович. Мазуров Борис Тимофеевич доктор технических наук, профессор, Сибирская государственная геодезическая академия, профессор кафедры высшей геодезии;

Тимофеев Александр Николаевич кандидат технических наук, ООО «Новосибирский инженерный центр», заместитель директора.

ОАО Уральский региональный информационно-аналитический центр «Уралгеоинформ» (г. Екатеринбург).

Защита диссертации состоится « 29 » октября 2012 г. в 15-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА». Автореферат разослан « 28 » сентября 2012 г.

Ведущая организация -

Ученый секретарь диссертационного совета

Середович В.А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 19.09.2012. Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 главных 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 века, 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 картометрическими инструментами по бумажным картам вручную. Однако такой аналоговый метод определения формы и размеров территории страны обладает рядом недостатков, главными из которых являются его большая трудоемкость, невозможность исключения ряда технических погрешностей измерений, ограниченность перечня геометрических параметров территории, которые могут быть определены по традиционной методике кар-тометрических измерений.

Со времени последнего определения размеров территории РФ на всю страну созданы актуальные цифровые топографические карты (ЦТК) масштаба 1:100 ООО, а в практику широко вошли новые инструменты для работы с ЦТК -программное обеспечение географических информационных систем (ПО ГИС). 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., Стрель-бицкий И. А., Тилло А. А., Шокальский А. М., Волков И. М., Богинский В. М., Коленеченкова 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 недостатки;

б) разработаны методические основы и технологические решения определения формы и размеров территорий РФ по геопространственным данным;

в) выполнены исследования точности определения формы и размеров территорий в наиболее распространенном в Российской Федерации программном обеспечении по ГИС: ArcGIS, ГИС Карта, GeoMedia Professional, Mapinfo;

г) 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;

д) разработана методика оценки точности определения данных, характеризующих форму и размеры территории РФ и ее субъектов;

е) разработана организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территорий Российской Федерации;

ж) 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 картометрическим работам прошлых лет, наиболее распространенные в РФ ПО ГИС (АгсСГБ, ГИС Карта, СеоМеШа, Мар1пй>), 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 данным;

б) 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 субъектов;

в) методика оценки точности определения параметров, характеризующих форму и размеры территории РФ по ЦГК 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 по величине территорий п о геопространственным данным являются основополагающими, поскольку базируются на строгом математическом аппарате сфероидической геодезии и технологии ГИС;

б) 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 субъектов;

в) разработанная методика оценки точности отличается достоверностью, надежностью и оперативностью определения параметров, описывающих форму и размеры территории Российской Федерации по ЦГК;

г) 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., г. Москва; Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., 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.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 научных статьях, из них 2 статьи — в реферируемом журнале «Геодезия и картография», входящем в Перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 149 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 84 наименования, и приложений. Работа содержит 12 таблиц, 13 рисунков, 5 приложений.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 012-2011.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и реализации результатов работы, ее структура, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел «Анализ состояния вопроса по определению формы и размеров территории Российской империи, СССР и России» посвящен анализу ранее выполненных работ по определению размеров территории России и применявшихся при этом методик измерений. Приводится историческая справка о кар-тометрических измерениях, выполненных в период с 1786 по 1994 г. в Российской империи, СССР и России для определения размеров территории государства.

Отмечается, что, начиная с первого измерения размеров территории Российской Империи, выполненного в 1786 году академиком Петербургской Академии Наук Крафтом В. Л., определения формы и размеров территории российского государства выполнялись с регулярностью 1 раз в 15-20 лет. В новейшей истории СССР и России определение размеров страны выполнялось трижды, при этом последние измерения были выполнены в 1990-1994 гг. Все вышеуказанные работы по определению формы и размеров территории государства выполнялись методом картометрических измерений по бумажным картам.

Основными недостатками методик, ранее применявшихся для определения формы и размеров территории страны, являлись: большой объем ручных операций и высокая трудоемкость работ, ограниченный перечень геометрических и морфометрических характеристик, которые возможно определить по бумажной карте, в том "числе невозможность автоматизированного определения пространственных характеристик территории в трехмерном измерении, существенное влияние на точность картометрических измерений технических ошибок, полностью не устранимых даже при самой тщательной методике измерений.

Отмечается противоречие между сложившейся практикой картометрических работ, выполняемых в России с целью определения формы и размеров территории государства, и новыми возможностями, предоставляемыми современным видом представления картографической информации - ЦТК, а также средствами для работы с ними — ПО ГИС. Для разрешения данного противоречия предложено разработать методику, основанную на новых подходах, соответствующих современному уровню развития информационных технологий, с учетом всех имеющихся достижений в области геодезии, ГИС и цифровой картографии.

Во втором разделе «Методические подходы и теоретические основы определения формы и размеров территории России по геопространственным данным» изложены новые методические подходы к определению геометрических характеристик территорий глобальных размеров, приведены теоретические основы для точного определения на эллипсоиде параметров, характеризующих форму и размер больших по величине территорий, дана технологическая схема определения формы и размеров территорий РФ по ЦТК.

При определении геометрических параметров территорий глобальных размеров по геопространственным данным предложено перейти от модели территории в виде карты, созданной в картографической проекции поверхности эллипсоида на плоскость в системе плоских прямоугольных координат, к геопространственной модели территории непосредственно на земном сфероиде в системе криволинейных геодезических координат. В новой методике предлагается контролировать длину сегментов границ в «метрике» объектов ЦТК с тем, чтобы она не превышала заданной величины, определяемой в зависимости от масштаба карт и заданной точности измерений. Для ЦТК масштаба 1 : 100 ООО предельная величина сегмента границы установлена равной 800 м, при этом обеспечивается техническая погрешность измерения площади территории РФ ±0,2 км2. Прямолинейные сегменты границы больше заданной величины предлагается разделять на отрезки допустимой длины с сохранением геометрии объекта ЦТК и его топологической согласованности со смежными объектами.

К разрабатываемой методике сформулированы требования, главными из которых являются: требование о максимальной степени автоматизации, о создании механизмов контроля определения параметров, характеризующих форму и размер территорий, о минимизации технических погрешностей измерений, о создании возможностей для определения новых геометрических и морфомет-рических параметров территорий, в том числе в трехмерном измерении, о создании предпосылок для организации мониторинга данных, описывающих форму и размеры территории РФ и ее субъектов.

Для определения формы и размеров территорий глобальных размеров на поверхности эллипсоида в системе криволинейных геодезических координат используется математический аппарат сфероидической геодезии, позволяющий преобразовать метрическое описание объектов ЦТК из плоской прямоугольной системы координат в систему криволинейных геодезических координат БПД, вычислить длину дуги геодезической линии, площадь сфероидической трапеции, а также протяженность объектов на топографической поверхности Земли.

В третьем разделе «Разработка и исследование алгоритмов и программного обеспечения для определения формы и размеров территорий» представлены результаты исследования точности определения геометрических характеристик территорий в ПО ГИС, а также разработки и исследования алгоритмов и специализированной компьютерной программы для определения формы и размеров территорий.

Для исследования выбраны следующие ПО ГИС, наиболее распространенные в РФ: ГИС «Карта», ArcGIS, GeoMedia, Mapinfo. Результаты исследования показали, что для определения размеров территорий РФ на поверхности эллипсоида может быть использовано ПО GeoMedia Professional (для измерения протяженности и площадей) и ПО ArcGIS для измерения площадей.

Показано, что наряду с проблемой измерения геометрических характеристик объектов при выполнении практических работ по определению формы и размеров территорий РФ требуется решить задачи по подготовке объектов ЦТК к измерениям и формированию БПД на основе ЦТК, инструментарий для решения которых отсутствует в стандартно поставляемых пакетах ПО ГИС.

С целью решения задачи определения формы и размеров территорий РФ, и, прежде всего, для подготовки объектов ЦТК к измерениям и независимого измерения их геометрических характеристик, в рамках диссертационных исследований разработана специализированная компьютерная программа GeoOper, состоящая из блоков для формирования БПД, определения их геометрических параметров и оценки точности полученных результатов.

Отдельный программный модуль GeoOper предназначен для вычисления по специальным алгоритмам на поверхности эллипсоида пространственных характеристик территорий глобальных размеров и оценки точности их определения.

Для вычисления на поверхности эллипсоида площади полигона произвольной формы и размеров автором предложен следующий алгоритм.

Для полигона ABDEFG (рисунок 1), площадь которого требуется определить, выбирается некоторая базовая параллель (В = const), широта которой меньше широты самой южной точки измеряемого полигона, и, при последовательном обходе полигона в направлении часовой стрелки (указано стрелкой на рисунке 1), вычисляются площади четырехугольников, образованных этой параллелью, сегментами границы полигона и дугами меридианов, соединяющих поворотные точки границы полигона с этой базовой параллелью. В нашем случае это площади четырехугольников АВ2\, ÄD32, DE43, EF54, FG6 5, GA16. Площадь непосредственно искомого полигона ABDEFG вычисляется как сумма площадей указанных четырехугольников, при этом положительный или отрицательный вклад каждого четырехугольника в общую площадь полигона зависит от направления обхода его вершин, задаваемого направлением движения по вычисляемому полигону ABDEFG. Так, в нашем случае, площади четырехугольников АВ2\, FG65, GA16 будут вычитаться из общей площади (обход вершин в них против часовой стрелки), а площади четырехугольников ÄD32, £>£43, EF54 - суммироваться (обход вершин в них по часовой стрелке).

Рисунок 1 - Схема вычисления площади полигона на эллипсоиде

Геодезическая линия

В связи с отсутствием точных формул для вычисления на эллипсоиде площади произвольного четырехугольника, каждый из вышеуказанных четырехугольников (например, ЛВ21) вычисляется как сумма площадей формирующих его двух фигур: сфероидической трапеции АС21 (точка С выбирается на пересечении дуги меридиана В2 с параллелью, проходящей через точку А, т. е. ВА = В с) и сфероидического треугольника ABC.

Площадь трапеции АС1\ вычисляется по известной (точной) формуле площади сфероидической трапеции.

Вторая фигура, составляющая четырехугольник ABU, - треугольник ABC, образован параллелью (на юге), меридианом (на западе) и сегментом границы

объекта, представляющей собой геодезическую линию (рисунок 2).

В связи с отсутствием точной формулы для вычисления площади такого треугольника на эллипсоиде, а также в связи с малым размером треугольника Рисунок 2 - Малый сфероидический (предполагается, что сегменты границ

треугольник на эллипсоиде °бъектов на ЧТК масштаба 1 : 100 ООО

не превышают 1 км), в данном алгоритме предлагается длины всех его сторон вычислять как длины геодезических линий на эллипсоиде, а площадь сфероидического треугольника S вычислять по теореме Люилье как площадь сферического треугольника со сторонами, равными сторонам сфероидического треугольника на сфере, равновеликой по площади эллипсоиду Красовского:

/¿á//D ---

/ c Ja ß=cons^_—-— \

3 r 1

S = 4ÄzarctgA|tg^ |tg

ilZ?- Itgl ^

где Qs= ° * c

— полупериметр;

о а a b а с е» = "Г. е4 = "Г. 0с = "Г - его стороны; л л К '

R - радиус сферы, равной по площади поверхности эллипсоиду Кра-

совского (Л = 6 378 109 м).

В разработанном алгоритме предлагается оценивать точность аппроксимации малого сфероидического треугольника сферическим треугольником путем сравнения суммы площади Si вычисленного треугольника ABC и площади S2' треугольника ADB, дополняющего его до сфероидической трапеции CADB (рисунок 3), с площадью этой трапеции и осуществлять уравнивание площадей сфероидических треугольников за невязку площади образуемой ими сфероидической трапеции по формуле:

5 = 5 - х ' -г--5 . (2)

- ' + '

Тестирование данного алгоритма на Рисунок 3 - Сфероидическая эталонных объектах показало, что техническая трапеция

точность вычисления площади полигонов произвольной формы и размеров на поверхности эллипсоида по разработанному алгоритму составляет в относительном измерении 1/90 ООО ООО, что при определении площади всей территории Российской Федерации составит 0,2 км2. Отмечается, что такой уровень точности алгоритма приемлем для целей определения формы и размеров территории Российской Федерации.

Алгоритм вычисления протяженности объектов на поверхности эллипсоида в программе йеоОрег построен на принципе вычисления длин геодезических линий между смежными точками границ объектов, получаемых из решения обратной геодезической задачи на эллипсоиде по способу Бесселя с модификацией данных формул, выполненных Т. УтсегЛу. Тестирование данного алгоритма программы СеоОрег, проведенное путем вычисления как

отдельных геодезических линий протяженностью до 11 ООО км, т ак и периметров эталонных объектов площадью до 1 миллиона км2 показал, что вычис ленные в веоОрег протяженности отличаются от теоретических не более чем на 4,6 см при протяженности объекта 16,5 тысяч километров, средняя и средне-квадратическая погрешность определения периметра 83 эталонных объектов составила 0,004 м и ± 0,011 м соответственно.

Протяженность объектов на топографической поверхности Земли Ь в программе йеоОрег определяется как сумма пространственных векторов между смежными точками границ объектов, вычисляемых по их пространственным прямоугольным координатам по формуле:

ь=£ь, (3)

где Ь = Мх-Х. )2+(¥-¥. )2+(г~г. )2; (4)

1 V ' 1-1 ' <-1 '

п - число сегментов границы;

Х,У,2- прямоугольные пространственные координаты точки, м. Итогом проведенных исследований являются рекомендации по применению протестированных и разработанных алгоритмов и компьютерных программ для определения формы и размеров территорий РФ, суть которых сводится к необходимости сочетания в разрабатываемой методике как специализированной программы СеоОрег для формирования из ЦТК БПД и основного определения искомых геометрических параметров, так и коммерческого ПО ГИС для контрольных измерений, а также определения некоторых геометрических и морфо-метрических характеристик в трехмерном измерении.

В четвертом разделе «Технология определения формы и размеров территорий Российской Федерации по геопространственным данным» приведена технологическая схема определения формы и размеров территорий РФ по ЦТК (рисунок 4), а также дано описание этапов и укрупненных технологических процессов, осуществляемых по новой методике. 16

Рисунок 4 - Технологическая схема определения формы и размеров территорий РФ по ЦТК

Первый этап работ - формирование из 13 277 НЛ ЦТК масштаба 1 :100 ООО, покрывающих территорию РФ, БПД объектов, участвующих в измерениях -выполняется в программе ОеоОрег и частично в ПО ГИС Карта. На данном этапе объекты ЦТК импортируются из формата создания БХР (формат ПО ГИС Карта) в БД ОеоОрег, проверяются на допустимость длин прямолинейных сегментов границ, по матрице высот, созданной в ПО ГИС «Карта», в их «метрику» вводится третья координата (высота), метрическое описание объектов. перевычисляется из СК ЦТК в СК БПД (система криволинейных геодезических координат на поверхности эллипсоида). Окончательным этапом формирования БПД является автоматическая сшивка объектов из фрагментированного представления в виде участков и сегментов объектов на каждом НЛ ЦТК в единые объекты, цельные в пределах ареала их распространения.

На втором этапе в ОеоОрег осуществляется основное определение параметров, характеризующих форму и размеры территории РФ и ее субъектов (площадь и протяженность на поверхности эллипсоида, протяженность на топографической поверхности Земли, координаты геометрических центров, площадь на средней высоте территории над уровнем моря), а также в автоматизированном режиме осуществляется оценка точности полученных результатов и формирование электронного каталога результатов измерений. Электронный каталог результатов измерений предоставляет пользователю возможность в интерактивном режиме запрашивать и получать необходимые параметры, описывающие форму и размеры территории РФ или ее субъектов.

Отдельный блок процессов по методике осуществляется в коммерческом ПО ГИС. В ПО ГИС «Карта» строится матрица высот и по ней определяются экстремальные и средние высоты территорий, их площади на топографической поверхности Земли. В ПО ОеоМесНа, АгсМЗ осуществляется контрольное определение метрических параметров территорий. Обмен данными между ОеоОрег и коммерческим ПО ГИС осуществляется с помощью функций импорта/экспорта, встроенных в программу ОеоОрег для форматов 8ХБ (ГИС «Карта») и БНАРЕ-Шез (АгсОГС, ОеоМесПа).

В этом же разделе приведена методика оценки точности определения по ЦТК параметров, характеризующих форму и размеры территорий, предложенная автором в развитие разработок профессора Волкова Н. М. по оценке точности результатов картометрических измерений по бумажным картам.

Показано, что суммарная картографическая средняя квадратическая ошибка (СКО) определения площади территории, приходящейся на один номенклатурный лист (НЛ) ЦТК Мк, включает в себя погрешности исходной аналоговой карты А/к а, погрешности получения и регистрации растра аналоговой карты, по которому создавалась ЦТК МКР, погрешности векторизации линии границы Мкв при создании ЦТК и определяется по формуле:

М\, Mj, Мз, Mit — погрешности определения площади территории, приходящейся на один НЛ бумажной топографической карты, вызванные соответственно погрешностями определения координат пунктов ГТС и их нанесения на карту, съемочного обоснования и съемки, картосоставления и графической точностью карты.

Величины погрешностей Мк, Мед, Мер, Мкв, вычисленные для масштабов 1 : 25 000-1 : 100 000, приведены в таблице 1.

Алгоритмы вычисления площадей в ПО ГИС оперируют со всей метрикой объекта и не связаны с граничными учетными трапециями, по которым велись измерения в картометрическом методе, поэтому СКО определения площади территории по ЦТК, в том числе полной площади территории РФ, предложено вычислять исходя из периметра, а не из количества НЛ ЦТК, пересекаемых границей данной территории.

(5)

(6)

Таблица 1 - Картографические СКО определения площади территории РФ, приходящейся на один граничный номенклатурный лист ЦТК

Масштаб карты СКО определения площади территории на 1 НЛ ЦТК (км'1)

МКА Мер Мкв Мк

100 000 ± 0,383 ± 0,346 ±0,036 ±0,518

50 000 ±0,131 ±0,106 ±0,011 ±0,169

25 000 ± 0,046 ± 0,027 ± 0,003 ±0,053

Для СКО определения площади территории по ЦТК МКр предложена формула, которая для масштаба 1 : 100 ООО имеет вид:

МКР=МК- Р , (7)

кр к роооо

где Р — периметр измеряемой территории, м.

В данном разделе предложена организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территории РФ.

Необходимость организации мониторинга данных о форме и размерах территории РФ и ее субъектов вызвана изменениями в положении линии государственной границы РФ в результате проведения процессов делимитации, демаркации и редемаркации государственной границы, а также изменением границ между субъектами РФ вследствие периодически производимых по взаимному согласию субъектов уточнений в их размежевании.

Для организации процесса мониторинга данных о форме и размерах территории РФ и ее субъектов предлагается базу пространственных данных границ (БПДГ), полученную по разработанной методике, постоянно поддерживать в актуальном состоянии путем текущего дежурства всех изменений в государственных границах территории РФ и границах ее субъектов, а также путем дополнения данными о границах муниципальных образований.

База пространственных данных границ, являясь по сути одним из видов базовых пространственных данных формируемой инфраструктуры пространст-20

венных данных (ИПД) РФ, будет официальным ресурсом, предоставляющим всем заинтересованным пользователям сведения о государственной границе, границах административно-территориальных единиц РФ, а также основой для определения с использованием разработанной технологии актуальных геометрических параметров, характеризующих форму и размер территории РФ и ее административно-территориальных образований.

Пятый раздел «Опыт по применению методики для определения формы и размеров территорий Российской Федерации» содержит отчет об определении размеров территорий субъектов РФ, входящих в состав Сибирского федерального округа (СФО), выполненный с применением разработанной в рамках диссертационных исследований методики, а также анализ и оценку точности полученных результатов.

Отмечается, что по новой методике определен расширенный перечень геометрических параметров территорий, в том числе впервые определены площадь и протяженность границ субъектов в трехмерном измерении. СКО определения площади субъектов СФО, вычисленная по предложенной методике, по сравнению с измерением 1990-1994 гг. повысилась в 2,8 раза, существенно повысилась точность определения экстремальных и средней высот территорий субъектов, а также точность вычисления поправок за переход от площади территорий на поверхности эллипсоида к их площади на средней высоте над уровнем моря.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

картографических данных, а также новые инструменты для работы с ними - ПО ГИС - требуют применения новых, современных подходов и цифровых методов решения этой важной народно-хозяйственной 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 народно-хозяйственной 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;

б) результаты исследования точности определения формы и размеров территорий в наиболее распространенных в Российской Федерации ПО ГИС (Агс-GIS, ГИС Карта, GeoMedia Professional, Mapinfo) позволили выработать рекомендации по их применению для целей определения формы и размеров территорий РФ;

в) 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 территорий;

г) разработана методика оценки точности определения по ЦТК параметров, определяющих форму и размеры территорий РФ, позволяющая оценить степень их достоверности и надежности;

д) предложена организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территорий Российской Федерации, являющаяся инновационной и отличающаяся своей строгостью, логикой и оптимальным составом взаимосвязанных процессов;

е) результаты исследований, изложенные в диссертации, внедрены в производство подведомственного предприятия 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 безмубажной 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 субъектов; в повышении точности полученных результатов в 2,8 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.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1 Обиденко, В. И. Методологические подходы и алгоритмы определения метрических параметров территории Российской Федерации на земном сфероиде с использованием геоинформационных технологий [Текст] / В. И. Обиденко // Геодезия и картография. - 2012. - № 4. - С. 39-45.

2 Обиденко, В. И. Методика оценки точности определения метрических параметров территории Российской Федерации по цифровым топографическим картам [Текст] / В. И. Обиденко // Геодезия и картография. - 2012. - № 5. - С. 44-50.

3 Обиденко, В. И. Принципиальные подходы к разработке технологии определения метрических параметров территории Российской Федерации [Текст] / В. И. Обиденко // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. Т. 2. - Новосибирск : СГТА, 2012. - С. 24-33.

4 Обиденко, В. И. Технология определения метрических параметров территории Российской Федерации по геопространственным данным [Текст] / В. И. Обиденко // Вестник СГТА, вып. 3(19). Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 24-30.

5 Обиденко, В. И. Разработка и исследование специализированной программы для определения метрических параметров территории Российской Федерации [Текст] / В. И. Обиденко // Вестник СГТА, вып. 3(19). Новосибирск: СГГА, 2012.-С. 46-51.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Обиденко, Владимир Иванович

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ИМПЕРИИ, СССР

И РОССИИ.

1.1 Определение формы и размеров территории дореволюционной России.

1.2 Определения формы и размеров территорий СССР и России.

1.2.1 Измерения размеров территории СССР 1939-1940 гг., 1947 г.

1.2.2 Измерения размеров территории СССР 1958-1962 гг.

1.2.3 Методика определения формы и размеров территории Российской Федерации 1990-1994 гг.

1.3 Основные недостатки методик определения формы и размеров территории России.

1.4 Новые подходы к определению формы и размеров территорий в современных условиях.

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

ПО ГЕОПРОСТСРАНСТВЕННЫМ ДАННЫМ.

2.1 Методические подходы к определению формы и размеров территории Российской Федерации по геопространственным данным.

2.2 Разработка обобщенной технологической схемы выполнения работ по определению формы и размеров территорий России.

2.3 Теоретические основы определения формы и размеров территорий на эллипсоиде.

2.3.1 Преобразование метрического описания объектов из системы координат ЦТК в систему координат базы пространственных данных.

2.3.2 Вычисление длины геодезической линии и площади трапеции на поверхности эллипсоида.

2.3.3 Определение протяженности объектов на топографической (физической) поверхности Земли.

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ

И РАЗМЕРОВ ТЕРРИТОРИЙ.

3.1 Исследование точности определения параметров, характеризующих форму и размеры территорий, в коммерческом ПО ГИС.

3.1.1 Выбор ПО ГИС для исследований.

3.1.2 Исследование точности определения размеров территорий в коммерческом ПО ГИС.

3.1.3 Анализ результатов исследования коммерческого ПО ГИС.

3.2 Разработка и исследование алгоритмов и специализированной компьютерной программы для определения формы и размеров территорий.

3.2.1 Обоснование необходимости разработки алгоритмов и специализированной компьютерной программы для определения формы и размеров территорий.

3.2.2 Определение протяженности объектов на поверхности эллипсоида

3.2.3 Определение площади объектов на поверхности эллипсоида.

3.2.4 Определение протяженности объектов на топографической поверхности Земли.

3.3 Рекомендации по применению алгоритмов и программного обеспечения для определения формы и размеров территории Российской Федерации.

4 ТЕХНОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДАННЫМ.

4.1 Формирование базы пространственных данных на территорию Российской Федерации.

4.2 Определение формы и размеров территории Российской Федерации в специализированной компьютерной программе.

4.3 Определение геометрических и морфометрических характеристик территории Российской Федерации в коммерческом ПО ГИС.

4.4 Мониторинг данных о форме и размерах территорий Российской

Федерации.

4.5 Методика оценки точности определения данных, характеризующих форму и размеры территории РФ и ее субъектов.

5 ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ТЕРРИТОРИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.

5.1 Определение размеров территорий субъектов РФ, входящих в состав Сибирского Федерального округа.

5.2 Анализ и оценка точности полученных результатов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 искажений; в) 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 выполнялось; г) 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.

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

2) механизм автоматизированного формирования электронного каталога результатов измерения данных, характеризующих в численном виде форму и размеры территории РФ и ее субъектов; д) разработана методика оценки точности определения по ЦТК данных, характеризующих форму и размеры территории РФ и ее субъектов; е) разработана организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территорий Российской Федерации; ж) 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.

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 данным; б) 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 субъектов; в) 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 ГИС; б) 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 субъектов; в) разработанная методика оценки точности отличается достоверностью, надежностью и оперативностью определения параметров, описывающих форму и размеры территории Российской Федерации по ЦТК; г) 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.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

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., Москва; Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск.

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.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Обиденко, Владимир Иванович

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 РФ; в) разработана целесообразная в производственном использовании методика автоматизированного определения формы и размеров территорий Российской Федерации, включающая:

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 территорий; г) разработана методика оценки точности определения по ЦТК параметров, определяющих форму и размеры территорий РФ, позволяющая оценить степень их достоверности и надежности; д) предложена инновационная организационно-функциональная схема мониторинга данных о форме и размерах территорий Российской Федерации, отличающаяся своей строгостью, логикой и оптимальным составом взаимосвязанных процессов; е) 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.

Эффективность разработанной методики заключается в расширении перечня определяемых геометрических параметров территории Российской Федерации и ее субъектов; в 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.

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 ними -ПО ГИС - требуют применения новых, современных подходов и цифровых методов решения этой важной народнохозяйственной задачи.

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;

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Обиденко, Владимир Иванович, Новосибирск

1. Багратуни, Г. В. Курс сфероидической геодезии Текст. / Г. В. Багратуни. -М.: Геодезиздат, 1962. 252 с.

2. Беспалов, Н. А. Методы решения задач сфероидической геодезии Текст. / Н. А. Беспалов. М.: Недра, 1980. - 287 с.

3. Берлянт, А. М. Геоинформационное картографирование Текст. /

4. A. М. Берлянт. М. : Астрея, 1997. - 64 с.

5. Буткевич, А. В. Исследования по решению вычислительных задач сфероидической геодезии Текст. / А. В. Буткевич. М. : Недра, 1964. - 259 с.

6. Бугаевский, Л. М. Математическая картография: учебник для вузов / Л. М. Бугаевский. М. : Златоуст, 1998. - 400 с.

7. Волков, Н. М. Принципы и методы картометрии Текст. / Н. М. Волков. -Л. : Изд-во Академии наук, 1950. С. 149, 157, 283-314.

8. Гайдаев, П. А. Математическая обработка геодезических сетей Текст. / П. А. Гайдаев. М.: Недра, 1977. - С. 62-53.

9. Геоинформатика Текст.: учеб. пособие для вузов. В 2 кн. Кн. 1 / Е. Г. Капралов, А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов и др.; под ред. В. С. Тикунова. М.: Академия.-2008.-384 с.

10. Геоинформатика Текст.: учеб. пособие для вузов. В 2 кн. Кн. 2 / Е. Г. Капралов, А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов и др.; под ред. В. С. Тикунова М. : Академия.-2008.-384 с.

11. Геоинформатика Текст. / А. Д. Иванников, В. П. Кулагин, А. Н. Тихонов,

12. B. Я. Цветков. М. : МАКСПресс, 2001. - 349 с.

13. Баранов, Ю. Б. Геоинформатика Текст. : толковый словарь основных терминов / Ю. Б. Баранов, А. М. Берлянт, Е. Г. Капралов. М. : ГИС-Ассоциации, 1999.-204 с.

14. Геоинформационная система «Карта 2011» : руководство пользователя. Версия 11. Ногинск : Панорама, 1991-2010. - 139 с. - 1 электрон, опт. диск. (БУБ+Я).

15. Геоинформационная система «Карта 2011» : руководство пользователя. Версия 11. 2011. Ногинск: Панорама, 1991-2012 Электронный ресурс. - Режим доступа: http://gistoolkit.ru/download/doc/mapguide.pdf. - Загл. с экрана.

16. ГКИНП (ГНТА)-05-253-01. Основные положения по картографическому обеспечению делимитации государственной границы РФ Текст. М., 2001. -40 с.

17. ГКИНП (ГНТА)-05-255-01. Руководящий технический материал по картографическому обеспечению делимитации государственной границы Российской Федерации Текст. М., 2001. - 24 с.

18. ГКИНП (ГНТА)-14-270-03. Правила контроля отображения границ на картах, предназначенных для открытого опубликования и с пометкой «Для служебного пользования» Текст. М., 2003. - 11 с.

19. ГКИНП (ГНТА)-14-272-03. Основные положения по топографо-геодезическому и картографическому обеспечению демаркации государственной границы РФ Текст. М., 2003. - 20 с.

20. ГКИНП (ГНТА)-06-278-04. Руководство пользователя по выполнению работ в системе координат 1995 года (СК-95) Текст. М. : ГЩИИГАиК, 2004. -138 с.

21. ГОСТ Р 50828-95. Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты Текст. М. : Госстандарт России, 1996.- 19 с.

22. ГОСТ Р 51353-99. Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание Текст. -М. : Госстандарт России, 2000.- 8 с.

23. ГОСТ 28441-99. Картография цифровая. Термины и определения Текст. Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2000.- Юс.

24. ГОСТ Р 51605-2000. Карты цифровые топографические. Общие требования Текст. М. : Госстандарт России, 2000. - 6 с.

25. ГОСТ Р 51606-2000. Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации Текст. М.: Госстандарт России, 2000. - 4 с.

26. ГОСТ Р 51607-2000. Карты цифровые топографические. Правила цифрового описания картографической информации. Общие требования Текст. -М. : Госстандарт России, 2000. 6 с.

27. ГОСТ Р 51608-2000. Карты цифровые топографические. Требования к качеству Текст. М. : Госстандарт России, 2000. - 10 с.

28. ГОСТ Р ИСО 19105-2003. Географическая информация. Соответствие и тестирование Текст. М.: Госстандарт России, 2004. - 16 с.

29. ГОСТ Р ИСО 19113-2003. Географическая информация. Принципы оценки качества Текст. М. : Госстандарт России, 2004. - 24 с.

30. ГОСТ Р 52438-2005. Географические информационные системы. Термины и определения Текст. М. : Стандартинформ, 2006. - 11 с.

31. ГОСТ Р 52572-2006 ГИС. Координатная основа. Общие требования Текст. М. : Стандартинформ, 2006. - 12 с.

32. ГОСТ Р 51794-2008. Глобальные навигационные спутниковые системы. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек Текст. М.: Стандартинформ, 2009. - 16 с.

33. Распоряжение Правительства РФ от 20.10.2010 № 1815-р «О государственной программе Российской Федерации "Информационное общество (20112020 годы)"». Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.rg.rU/2010/l Шб/тГоЬзсИез^о-зке-сЬк.Мт!. - Загл. с экрана.

34. Докладная записка «По вопросу об измерении и вычислении размеров территории СССР и его политико-административных подразделений» Текст. -М.: ЦКГФ. 8 с.

35. Журкин, И. Г. Геоинформационные системы Текст. / И. Г. Журкин, С. В. Шайтура. М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2009. - 272 с.

36. Закатов, П. С. Курс высшей геодезии Текст. / П. С. Закатов. М. : Недра, 1976.-С. 346-347.

37. Запорожченко, A.B. Картографические проекции и методика их выбора для создания карт различных типов. Руководство картографа Электронный ресурс. / А. В. Запорожченко. Режим доступа: http://gistoolkit.ru/download/doc/projections.pdf/. - Загл. с экрана.

38. Иванников, А.Д. Геоинформатика Текст. / А. Д. Иванников, В. П. Кулагин, А. Н. Тихонов, В. Я. Цветков. М. : МАКС Пресс, 2001. - 349 с.

39. Инструкция по исчислению площадей субъектов Российской Федерации на основе материалов картометрических работ 1990-1994 гг. Текст. : утв. директором ЦКГФ 22.08.95. М. : ЦКГФ, 1995. - 3 с.

40. Карпик, А. П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий Текст. / А. П. Карпик. Новосибирск: СГГА, 2002.-С. 15-44.

41. Карякин, В. А. Методы решения геодезических задач на эллипсоиде Текст. / В. А. Карякин. М. : Недра, 1990. - 156 с.

42. Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации. Распоряжение Правительства РФ от 21 августа 2006 г. № 1157-р Электронный ресурс. Режим доступа: http://ggc.ru/index.php/ipddocs/idea. - Загл. с экрана.

43. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 17 декабря 2010 г. № 2378-р. «Концепция развития отрасли геодезии и картографии до 2020 года». Электронный ресурс. Режим доступа : http://www.rg.ru/2011/01/11/geodeziya-site-dok.html. - Загл. с экрана.

44. Кошкарев, А. В. Геоинформатика Текст. / А. В. Кошкарев, В. С. Тику-нов; под ред. Д. В. Лисицкого. М. : Картгеоцентр-Геодезиздат. - 1993. - 213 с.

45. Куштин, И. Ф. Геодезия Текст. : учебно-практическое пособие / И. Ф. Куштин, В. И. Куштин. Ростов н/Д. : Феникс, 2009. - С. 158.

46. Куштин, И. Ф. Сфероидическая геодезия Текст. : учеб. пособие / И. Ф. Куштин. Ростов н/Д : РИСИ, 1982. - 110 с.

47. Лурье, И. К. Геоинформационное картографирование Текст. : учеб. / И. К. Лурье. М. : КДУ, 2010. - 424 с.

48. Морозов, В. П. Курс сфероидической геодезии Текст. / В. П. Морозов. -М.: Недра, 1979.-С. 34.

49. Нейман, 10. Д. Математическое введение в сфероидическую геодезию Текст. : конспект лекций / Ю. Д. Нейман, Н. Д. Дроздов. М. : МИИГАиК, 1978.-68 с.

50. Обиденко, В. И. Методика оценки точности определения метрических параметров территории Российской Федерации по цифровым топографическим картам Текст. / В. И. Обиденко // Геодезия и картография. 2012. - № 5. - С. 44—50.

51. Основные положения по созданию топографических карт масштабов 1 : 10 000, 1 : 25 000, 1 : 50 000, 1 : 100 000 Текст. М.: РИОВТС, 1956.-9 с.

52. Паниди, Е. А. Оценка метрических свойств картографических изображений и картометрия средствами ГИС Текст. : автореф. дис. на соиск. учен.степ. канд. техн. наук по спец. 25.00.35. «Геоинформатика» / Е. В. Паниди. -СПб. : СПбГУ, 2012.-22 с.

53. Побединский, Г. Г. Использование цифровых карт для информационных систем различного назначения Текст. / Г. Г. Побединский, С. В. Еруков // Геодезия и картография. 2006. - № 4. - С. 17-26.

54. Правила цифрового описания картографической информации цифровых и электронных карт. Ч. 1. Общие положения и особенности цифрового описания объектов Текст. М.: ТС МО РФ, 29-й НИИ МО. - 16 с.

55. Правила цифрового описания картографической информации цифровых и электронных карт. Ч. 2. Правила цифрового описания объектов Текст. М. : ТС МО РФ, 29-й НИИ МО. - 16 с.

56. Российская Федерация. Законы. О государственной границе Российской Федерации № 4730-1 от Оіапреля 1993 г. Текст. : федер. закон: по состоянию на ноябрь 2011 года. М.: Ведомости СНД и ВС РФ, 29.04.1993, № 17, ст. 594.

57. Сайт национального статистического бюро США Электронный ресурс. Режим доступа : http://www.census.gov/geo/www/. - Загл. с экрана.

58. Сайт общеевропейской организации Еврогеографика Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.eurogeographics.org/products-and-зетсез/еигоЬои^агутар. - Загл. с экрана.

59. Сайт национальной геодезической службы США Электронный ресурс. -Режим доступа : http://www.ngs.noaa.gov/TOOLS/. Загл. с экрана.

60. Сайт национальной геодезической службы Австралии Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ga.gov.au/geodesy/datums/. - Загл. с экрана.

61. Серапинас, Б. Б. Математическая картография Текст. : учеб. / Б. Б. Се-рапинас. М.: Издательский центр «Академия». - 2005. - 336 с.

62. Скворцов, А. В. Геоинформатика Текст. / А. В. Скворцов. М.: Изд-во Томского ун-та, 2005. - 263 с.

63. Стратегия развития информационного общества в российской Федерации, утверждена Президентом РФ № ПР-212 от 7 февраля 2008 г. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.insor-russia.ru/ru/programs/officdoc/1230. -Загл. с экрана.

64. Технический отчет по исчислению полной площади Российской Федерации 1990-1994. Федеральная служба геодезии и картографии. Центральный картографо-геодезический фонд. М., 1994. - С. 1-5.

65. Урмаев, Н. А. Сфероидическая геодезия Текст. / Н. А. Урмаев. М. : ВТС, 1955.- 168 с.

66. Условные знаки для топографических карт масштабов 1 :25 ООО, 1 : 50 ООО, 1 : 100 ООО Текст. М. : ВТУ ГШ, 1983. - 94 с.

67. Условные знаки морских карт и карт внутренних водных путей Текст. -М. : ГУНиО МО СССР, 1985. 65 с.

68. Цветков, В. Я. Геоинформационные системы и технологии Текст. / В. Я. Цветков. М. : Финансы и статистика, 1998. - 288 с.

69. Цифровая картография и геоинформатика Текст. : краткий терминологический словарь / Е. А. Жалковский и др.; под общ. ред. Е. А. Жалковского. -М. : Картгеоцентр-Геодезиздат, 1999. 46 с.

70. Яковлев, Н. В. Практикум по высшей геодезии (вычислительные работы) Текст.: учеб. пособие для вузов / Н. В. Яковлев, Н. А. Беспалов, В. П. Глумов и др.; под ред. Н. В. Яковлева. М. : Недра, 1982. - 368 с.

72. ArcGIS. Картографические проекции Электронный ресурс. Режим доступа :http://grinikkos.com/Donlowd/61/ArcGIS%209. l/ArcGIS%209%20%ca%e0%f 0%f2%ee%e3%f0%e0%f4%e8%f7%e5%fl%ea%e8%e5%20%ei%fD%ee%e5%ea% f6%e8%e8.pdf. Загл. с экрана.

73. Calculating the area and centroid of a polygon Электронный ресурс. -Режим доступа : http://local.wasp.uwa.edu.au/~pbourke/geometry/polyarea/. Загл. с экрана.

74. Deakin, R. E and Hunter, M. N. Geodesies on an Ellipsoid Bessels Method Text. // School of Mathematical and Geospatial Sciences, RMIT University, January 2007.

76. Maplnfo Professional. User's Guide, (с) 1992- 2000 Maplnfo Corporation Электронный ресурс. 1 электрон, опт. диск (DVD+R). - 713 с.

77. Vincenty Т. Direct and Inverse solutions of geodesies on the ellipsoid with application of nested equations Text. // Survey Review. 1975. - Vol. 23, No. 176. -P. 88-93.

Информация о работе

Обиденко, Владимир Иванович
кандидата технических наук
Новосибирск, 2012
ВАК 25.00.32

Диссертация

Разработка и исследование методики определения формы и размеров территорий по геопространственным данным - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы