Дистанционное зондирование Земли в целях топографического картографирования

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в результате хозяйственной деятельности изменения территории достигли около 85% от общей площади суши, и эта территория продолжает постоянно меняться. Изучение столь огромных площадей практически невозможно при использовании только традиционных методов. В этой ситуации на помощь приходит метод изучения земельных ресурсов дистанционным зондированием из космоса. Эта процедура представляет собой комбинацию различных способов съемки природной среды с использованием фотографической, сканерной, телевизионной, радиолокационной и другой специальной аппаратуры, и также визуальных наблюдений.Спутниковые снимки являются основой для разработки традиционных карт природы по материалам космических снимков и помогают при создании карт, отражающих текущее состояние природной среды. Космическая съемка помогла сделать картографирование более дешевым и простым.Топографические карты используются во всех областях человеческой деятельности, они необходимы работникам сельского хозяйства и экономистам, метеорологам и почвоведам, этнографам и железнодорожникам, геофизикам и вулканологам, а также для охраны окружающей среды. Ни одна научная или промышленная отрасль не может обойтись без карт, и, конечно же, надежная оборона страны была бы немыслима без них.В работе будут рассмотрены такие важные вопросы:основные виды и характеристики космических снимков;современные системы получения космических изображений;рассмотрены преимущества использования космических снимков при топографическом картографировании;применение геоинформационных систем в картографировании.I. ПОНЯТИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИМетоды дистанционного зондирования окружающей среды представляют собой разнообразную и разнообразную область науки и техники, которая быстро развивается. Современные методы дистанционного зондирования объектов, в частности в области освоения космоса, наук о Земле и экономической практики, открыли новый этап исследований и разработок.B настоящее время большую часть данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) получают c искусственных спутников Земли (ИCЗ). Большой обзор земной поверхности c высоты спутника, высокая скорость перемещения спутниковых датчиков и возможность настройки сигналов в нескольких спектральных диапазонах позволяют получать огромные объемы данных. Широта охвата территории является характерной особенностью дистанционных методов исследования Земли. Организация работ по изучению поверхности Земли, основанная на сочетании аэрокосмических методов c небольшим объемом наземных исследований, которые проводятся на ограниченном числе опорных маршрутов и ключевых участков, позволяет значительно сократить сроки производства работ и снизить их стоимость. [6].Данные дистанционного зондирования являются важнейшим источником оперативной информации о природной среде, который используется при изучении земной поверхности, создании и поддержании в актуальном состоянии тематических карт, а также для других целей. Методы дистанционного зондирования основаны на получении информации о земной поверхности путем регистрации приходящего от нее электромагнитного излучения, отраженного или собственного. Возможность опознавания различных объектов и изучение их свойств дистанционными методами обусловлены тем, что поглощение, рассеивание, отражение и излучение электромагнитной энергии в различных зонах спектра специфичны для каждого типа земной поверхности и объектов, расположенных на ней. Анализ спектральных характеристик объектов, структурных и текстурных особенностей изображений позволяет получить информацию для их последующего дешифрирования и интерпретации [1]. 1.1 Основные виды и характеристики космических снимковОсвоение космоса осуществляется с помощью искусственных спутников Земли, межпланетных автоматических станций, долговременных автоматических станций, пилотируемых космических аппаратов. В большинстве случаев данные ДДЗ представлены в виде спутниковых изображений (снимков), которые передаются по радиоканалам в цифровом виде на наземную станцию. Под понятием «снимок» понимают двумерное изображение, получаемое дистанционно, в результате регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения земной поверхности и предназначенное для обнаружения, качественного или количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрования, измерения и картографирования. При многозональной съемке формируется серия геометрически совмещенных снимков в нескольких узких зонах спектра электромагнитных волн. Совокупность зональных снимков значительно более информативна, чем снимки в одном спектральном диапазоне [2]. Существует несколько параметров, определяющих возможность дешифрования спутниковых снимков, это масштаб, пространственное разрешение, обзорность и спектральные характеристики.Масштаб и обзорность спутниковых снимков позволяют идентифицировать объекты разного уровня, снятые в одно и то же время и в одном и том же режиме съемки.Показатель масштаба съемки зависит от двух важнейших параметров: высоты съемки и фокусного расстояния объектива. В зависимости от наклона оптической оси космические фотоаппараты позволяют получать плановые и перспективные снимки.Обзорность снимков космических снимков охватывает большую площадь по сравнению с аэрофотоснимками. Для сравнения, один снимок из космоса охватывает площадь как 10 000 аэрофотоснимков. В то же время большие территории охватываются одновременно в одних и тех же условиях, что позволяет изучать региональные и зональные закономерности, а также глобальные явления, проводить исследования в мировом масштабе. Термин «разрешение» в современных публикациях применяется к нескольким характеристикам снимков [9]: 1. пространственное разрешение – размер пикселя на местности; 2. радиометрическое разрешение – число бит, которыми кодируется яркость (диапазон значений яркости); 3. спектральное разрешение – число, положение и ширина каналов (фиксируемых спектральных диапазонов); 4. временное разрешение – частота, с которой может быть произведена съемка интересующей области земной поверхности. Основной характеристикой космических снимков служит пространственное разрешение (рис. 1), подразделяющее космические снимки на следующие классы:очень низкого разрешения 10000-100000 м.;низкого разрешения 300-1000 м;среднего разрешения 50-200 м.;относительно высокого разрешения 20-40 м.;высокого разрешения 10-20 м.;очень высокого разрешения 1-10 м.;сверхвысокого разрешения 0,3-0,9 м.Рис. 1 Сравнение пространственного разрешения среднего, высокого и сверхвысокогоВ результате космической съемки возможно получение фотографические, телевизионные, радиолокационные и сканерные изображения (рис. 2).Рис. 2 Классификация космических снимков по спектральным диапазонам и технологии получения изображений [2]Фотографические космические снимки являются результатом покадровой регистрации собственного или отраженного излучения земных объектов на светочувствительную пленку, произведенной с высот до нескольких километров. Стоит отметить, что фотографическая съемка является самым информативным видом съемки из космоса.Съемка может осуществляться в одной спектральной зоне и одновременно в разных, более узких зонах электромагнитного спектра. В таком случае съемку можно разделить на однозональную и многозональную.Под многозональной космической съемкой понимают съемку местности одновременно в нескольких узких зонах спектра (не только в видимом диапазоне, но и в ультрафиолетовом, инфракрасном и радиодиапазонах). Для этого используются многозональные космические фотокамеры с несколькими объективами, оснащенными разными светофильтрами.Телевизионные снимки и телевизионные панорамы получают с помощью передающих телевизионных камер (видиконов). Изображение передается на наземные станции для приема дистанционной информации в режиме реального времени и экспонируется по кадрам на фотопленку. Телевизионная съемка применяется для оперативного картографирования и мониторинга (слежения) за процессами, происходящими на Земле.В настоящее время более часто стали использовать многоспектральные оптико-механические системы – сканеры, установленные на космических аппаратах.Это устройство поэлементно просматривает местность поперек движения носителя и посылает лучистый поток в объектив, а далее на точечный фотоприемник, где световой сигнал преобразуется в электрический сигнал. Наземная аппаратура преобразует эти сигналы в изображения. Сканерные снимки можно получать во всех спектральных диапазонах, но наиболее эффективными являются видимый и инфракрасный диапазоны. При полете съемка ведется непрерывно и поэтому сканирование охватывает широкую непрерывную полосу местности. Масштаб сканерного снимка вдоль линии движения носителя остается постоянным, но вдоль строки сильно уменьшается к краям. Хотя сканерные изображения по качеству уступают кадровым фотографическим, их оперативность в цифровой форме дает огромное преимущество перед другими видами съемок. Радиолокационная съемка производится с помощью активных аэрокосмических съемочных систем − радиолокаторов бокового обзора. Она обеспечивает получение изображений из космоса независимо от погодных условий, времени суток благодаря принципу активного радара, который заключается в отправке сигналов с использованием излучающей антенны и приеме отраженных сигналов, преобразовании их в изображения и извлечении данных о разности фаз отправленного и отраженного сигнала.Локационные снимки − это снимки в микроволновом диапазоне радиоволн с длинами от 1 мм до 1 м. Благодаря боковому обзору на снимках отчетливо изображается рельеф местности и его детали. Радиолокация позволила впервые картографировать рельеф Луны и планет [5].Инфракрасная (ИК) или тепловая съемка основана на обнаружении тепловых аномалий, возникающих в результате регистрации теплового излучения объектов на поверхности Земли под воздействием эндогенного тепла или солнечного излучения. Этот вид съемки очень популярен в геологии. ИК- диапазон условно можно разделить на три части (в микрометрах):ближний ИК (0,74-1,35);средний ИК (1,35-3,50);дальний ИК (3,50-1000).При совместном отображении разных компонентов геосферы (литосферы, гидросферы, биосферы, атмосферы) снимок позволяет изучить их связи. Космические снимки обеспечивают:.изучение процессов в атмосфере;.взаимодействие атмосферы и океана;.проявление гидродинамики течений.При комплексном методе все это дает ряд преимуществ, что облегчает дешифрование и дает возможность применение снимков для создание тематических карт.За счет регулярной космической съемки обеспечивается постоянное получение космических снимков с заданным интервалом (годы, месяцы, дни и т.д.), что невозможно реализовать другими методами.Спутниковые снимки также можно использовать в качестве модели местности. Изображения представляют собой пространственно-временные модели, которые позволяют на их основе изучить временные изменения, используя принцип пространственно-временных рядов.1.2 Современные системы получения космических изображенийНа сегодняшний день космические системы являются основным источником получения дистанционной информации о земных объектах. Эти технические устройства включают в себя следующие элементы:.космический аппарат;.бортовая аппаратура дистанционного зондирования, установленная на космическом аппарате; .средства регистрации и накопления данных дистанционного зондирования на борту носителя; .средства передачи информации на наземные пункты приема; .наземные средства обработки космической информации [4]. Оптико-электронные спутниковые системы дистанционного зондирования Земли предоставляют пространственную информацию о поверхности Земли в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн электромагнитного спектра. Мировая группировка спутников ДЗЗ насчитывает около 500 космических аппаратов, из которой Китай обладает самой большой группировкой – 84 аппарата, США имеет 50 крупных аппаратов и около 150 малых спутников для съемки Земли. Страны ЕС располагают в общей сложности 49 спутниками, Японии – 28 спутниками, Индии – 18 спутниками, у России – 11 космических аппаратов ДЗЗ.Отечественная космическая система Ресурс, действующая с середины 70­х гг. ХХ в. создавалась как общегосударственная, непрерывно действующая система изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды, которая ранее предоставляла два вида геоинформации − базовую (фотографическую) и оперативную (передаваемую по радиоканалам). Система включала автоматические космические аппараты фотографической съемки Ресурс-Ф и оперативного наблюдения за сушей Ресурс-О. Спутники оперативного наблюдения Ресурс-О, оснащенные системами оптико­электронной съемочной системы, которые в течение нескольких лет работали на орбитах высотой 600-900 км, регулярно передавали по радиоканалам на наземные пункты приема видеоинформацию не сочень высокой детальности.Спутники Ресурс-Ф предназначены для получения детальной съемки местности с высоты 200-300 км в течение нескольких недель с возвращением спускаемого аппарата с отснятой фотопленкой на Землю. Подсистема Ресурс-Ф проработала четверть века.За это время запущено более 100 фотографических спутников, с помощью которых получены детальные снимки всей территории России и отдельных районов на различных континентах, включая Антарктиду. Со временем уровень детализации спутниковых снимков, предоставляемых оптико­электронными съемочными системами, повысилась, и необходимость в фотографических спутниках отпала [8].Согласно Федеральной космической программе России на 2006-2015 годы, которая финансировалась из федерального бюджета, помимо уже запущенных спутников Ресурс-ДК1 и Метеор­М №1, была запущена серия метеорологических спутников, геостационарный спутник Электро-Л, а также новые ресурсные спутники Ресурс-П и Канопус-В.В настоящее время на рынке данных дистанционного зондирования представлено очень большое количество источников спутниковых данных различного пространственного разрешения. Американские приборы MODIS, установленные на спутниках Terra, Aqua позволяют получать изображения с низким пространственным разрешением (250, 500, 1000 м в разных спектральных каналах), американские радиометры AVHRR, установленные на спутниках NOAA (пространственное разрешение 1000 м), китайские 20-канальные радиометры MERSI, установленные на спутниках Feng Yun (пространственное разрешение 250, 1000 м) и некоторые другие.Спутниковые снимки среднего пространственного разрешения получают со спутников Landsat-5,7,8 (США, пространственное разрешение 15/30/100 м), Sentinel (США, пространственное разрешение 10/20/60 м), Spot-2,4 (Франция, пространственное разрешение 10/20 м), Terra, прибор Aster (США, пространственное разрешение 15/30/90 м), Deimos-1 (Испания, пространственное разрешение 22 м), UK-DMC2 (Франция, пространственное разрешение 22 м). Космические спутники ALOS (Япония, PRISM/AVNIR-2, пространственное разрешение 2,5/10 м, архив с октября 2006 по апрель 2011 г.), Spot-5 (Франция, пространственное разрешение 2,5/5/10 м), Spot-6,7 (Франция, пространственное разрешение 1,5/6 м), FORMOSAT-2 (Тайвань, пространственное разрешение 2/8 м), KazEOSat-2 (Казахстан, пространственное разрешение 6,5 м) поставляют изображения в панхроматическом и многозональном режиме с высоким пространственным разрешением (до 5 м).В мире за последние пару десятков лет на орбиту было выведено несколько спутников сверхвысокого пространственного разрешения: Ikonos (США, 1999-2015 гг., пространственное разрешение 0,82/3,2 м), OrbView (США, 2003-2007 гг., пространственное разрешение 1/4 м), QuickBird (США, 2001-2014 гг., пространственное разрешение 0,61/2,44 м), EROS B (Израиль, с 2006г., пространственное разрешение 0,7 м), WorldView-1,2,3,4 (США, 2007/2009/2014/2016 гг., пространственное разрешение до 30 см), GeoEye-1 (США, 2008 г., пространственное разрешение 0,41/1,85 м), RapidEye (Германия, 2008 г., пространственное разрешение 5 м), Pléiades-1A/1B (Франция, 2011/2012 г., пространственное разрешение 0,5/2 м), KOMPSAT-3 (Корея, 2012 г., пространственное разрешение 0,7/2,8 м), БКА (Белоруссия, 2012 г., пространственное разрешение 2,1/10,5 м), Göktürk-1А (Турция, Италия, Франция, 2016 г., пространственное разрешение 0,7/2,8 м), PerúSat-1 (Перу, 2016 г., пространственное разрешение 0,2/2 м) и некоторые другие. II. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В КАРТОГРАФИИАэрокосмические материалы широко используются в картографии, особенно космические материалы, которые, будучи более экономичными, по детальности приближаются к аэрофотосъемке. Эти материалы имеют важные преимущества перед другими источниками для составления карт: .обзорность космических снимков – от глобального охвата до десятков километров при детальной съемке – позволяет экономично картографировать обширные пространства; .съемка из космоса одной и той же территории с разным разрешением и генерализацией позволяет одновременно создавать и обновлять карты разных масштабов, устраняя необходимость составлять карты более мелких масштабов по крупномасштабным, что неизбежно продлевает процесс картографирования; центральная проекция, в которой создается изображение, близка к ортогональной при большой высоте центра проектирования, что упрощает фотограмметрическую обработку при создании карт; повторные съемки с определенными интервалами позволяют выполнять динамическое картографирование и мониторинг быстро меняющихся во времени процессов и явлений; картографирование труднодоступных районов - пустынь, болот, высокогорных районов, полярных островов, Антарктиды, решается проблема съемки других планет и их спутников; выразительность и наглядность космических изображений вызвали появление новых видов картографической продукции – фотокарт и спутниковых карт биофизических характеристик поверхности Земли; всестороннее представление всех компонентов ландшафта Земли на снимке способствует правильной передаче пространственных взаимосвязей объектов, которые будут нанесены на карту [6]. Стоит отметить, что аэрокосмические снимки нашли различное применение в картографии при составлении и оперативном обновлении топографических карт, создании тематических карт и фотокарт, картографировании малоизученных и труднодоступных районов. Картография рассматривает картографирование как задачу с точки зрения обобщения и визуализации данных. Преобразование пространственного содержимого и атрибутов с эталонной карты на целевую карту выполняется на основе масштабирования с использованием операторов обобщения.Дистанционное зондирование рассматривает это как процесс распознавания образов. В дистанционном зондировании основной задачей является классификация пикселей, имеющих одинаковые спектральные характеристики, с помощью статистических подходов [12].Способы использования этих спутниковых снимков в картографических целях:.создавать или пересматривать обычные топографические карты путем прямой интерпретации данных изображений;.создание карт спутниковых изображений с использованием интегрированной информации в изображениях;.создание тематических карт с использованием карт спутниковых снимков в качестве базовых карт для создания карт или путем извлечения информации из данных изображений.Преимущества дистанционного зондирования из космоса перед аэрофотосъемкой при мелкомасштабном картографировании очевидны, однако при создании крупномасштабных карт космическая съемка во многих случаях предпочтительнее аэрофотосъемки. Например, если картографируемая территория невелика или расположена в отдаленной или малонаселенной местности, спутниковые снимки будут дешевле и быстрее их можно получить, а также безопаснее при съемке населенных пунктов и некоторых других объектов.Спутниковые снимки иногда устраняют определенные организационные трудности − например, при картографировании приграничных районов отпадает необходимость в межгосударственной координации полетов с использованием аэрофотосъемочной аппаратуры. Спутниковые снимки также больше подходят для мониторинга.На рисунке 3 приведен список наиболее популярных в настоящее время систем сканирования с указанием наиболее крупного масштаба карт, которые могут быть созданы на основе изображений, полученных этими системами. Важно иметь в виду, что в некоторых случаях также может быть достигнута более высокая точность, но для целей массового производства необходимо точно ориентироваться на приведенные значения.Рис. 3 Сканерные съемочные системы, используемые для создания топографических карт [7]2.1 Создание фотокартВыразительное и наглядное отображение местности на космических изображениях вызывает естественное желание использовать их в дополнение к карте, а иногда и вместо нее. В результате это привело к созданию особого вида картографической продукции − фотокарт. В 50-е годах прошлого века начали создавать относительно крупномасштабные фотокарты в масштабе до 1:50 000 с использованием материалов аэрофотосъемки. Из-за неоднородности и пестроты мозаичного фотоизображения, собранного из множества изображений, было невозможно построить высококачественные фотокарты в меньшем масштабе. Благодаря появлению спутниковых снимков с высоким пространственным разрешением и генерализацией, получаемых в самых разных масштабах и разрешениях, этот новый тип картографических продуктов быстро развивался. Началось производство высококачественных фотокарт в масштабе 1:100 000 и меньше, но производственное изготовление фотокарт стало возможным только после накопления фондов снимков с обширных территорий.Космические снимки, полученные с первой продолжительно действующей орбитальной станции «Салют-4» завершился созданием серии фотокарт южных республик бывшего Советского Союза. После нескольких месяцев работы первого американского ресурсного спутника Landsat из почти 600 снимков была смонтирована фотокарта США, которая затем была воспроизведена в широком диапазоне масштабов от 1:250 000 до 1:5 000 000. Впоследствии с помощью спутниковых снимков Landsat были созданы фотокарты многих стран и даже континентов. С появлением более совершенных и детальных космических снимков вырос интерес к фотокартам туристических объектов, национальных парков. Стала традиционной красочная печать фотокарт из снимков Тематического Картографа Landsat с впечатыванием на обороте топографической карты того же масштаба. Массовое распространение получили фотокарты городов, созданные по детальным снимкам SPOT [6]. Данные ДЗЗ получаемые со спутников SPOT являются потенциальным источником для картографических карт в масштабе 1:50 000 и меньше. Точность плана ≥ 20 м и точность высоты ≥ 8 м подходят для этого масштаба, при этом большой объем требуемой информации может быть извлечен, хотя и с увеличением времени выполнения полевых работ.Точечные изображения содержат огромное количество информации, которую можно оптимально использовать для целей пересмотра карты, когда интерпретация изображений менее важна, чем распознавание областей изменений. С помощью наложения цифровых данных обнаружение изменений для средних масштабов может быть оптимизировано. Большая площадь, занимаемая каждым изображение, значительно ускорило бы этот процесс [11].При помощи цифровой печати и использования моделей рельефа выразительность фотокарт повысилась. Так, на основе спутниковых изображений AVHRR/NOAA была создана отличная серия фотокарт с отмывкой рельефа суши и морского дна на основе цифровой модели. Фотокарта Антарктиды, созданная по радиолокационным снимкам со спутника Radarsat, где ледниковые потоки подчеркнуты на контрастном изображении ледяного рельефа. Помимо общих географических фотокарт, создаются специальные фотокарты объектов и явлений, требующие своевременного наблюдения за их динамикой (снежный покров континентов, морского леда в Северном Полярном море и т. д.).Иногда как дополнение фотокарты используют тематическую нагрузку – результаты дешифрирования геологических структур, контуры типов почв, такие фотокарты можно рассматривать как тематические фотокарточки.Фотокарточки могут также включать специальные виды спутниковой картографической продукции, полученной путем обработки данных съемки и расчета различных индексов, определяющих распределение биофизических свойств поверхности Земли, часто в глобальном масштабе. Наиболее распространенными являются карты индекса растительности и индекса цвета вод океана, который коррелируется с содержанием фитопланктона.Фотокарты могут также включать специальные типы спутниковых карт, которые создаются на основе обработки данных съемки путем расчета различных индексов для определения распределения биофизических свойств поверхности Земли, часто в глобальном масштабе. Наиболее распространенными являются карты индекса растительности и индекса цвета океанской воды, которые коррелируют с содержанием фитопланктона.Под фотопланом понимаю фотографическое изображение местности в заданном масштабе, полученное в результате монтажа трансформированных аэрофотоснимков.Трансформированием называют преобразование одной центральной проекции с наклонной плоскостью в другую с горизонтальной плоскостью проекции. Оно помогает устранить искажения, полученные вследствие наклона оптической оси и несоблюдения высоты фотографирования.В географических исследованиях фотопланы и фотокарты применяются не только как самостоятельные картографические работы, но и как фотоосновы для тематических карт. Стоит отметить, что математические элементы фотоосновы должны полностью отвечать требованиям, предъявляемым к математическим элементам соответствующих топографических карт (масштаб, проекция, нарезка листов). Общая географическая нагрузка должна быть минимальной, чтобы это не повлияло на фотографическое изображение местности. На фотооснове картографическая сетка не вычерчивается, а обозначается выходами меридианов и параллелей за внутренней рамкой. Картографическими знаками наносят водную сеть, рельеф, крупные населенные пункты и их основные дороги, политико-административные границы.Технология изготовления фотооснов включает два этапа: .фотограмметрическая обработка; .картографические работы, включающие нанесение на фотоплан общегеографических элементов содержания (при этом совмещают два процесса – дешифрирование снимков и составление основы карты). 2.2 Составление и обновление топографических карт Топографическая карта - это географическая карта универсального использования, на которой подробно изображена местность. Топографическая карта содержит информацию об опорных геодезических пунктах, рельефе, гидрографии, растительности, почве, хозяйственных и культурных объектах, дорогах, коммуникациях, границах и других объектах. Полнота и точность содержания топографических карт позволяют решать технические задачи.Топографическое картографирование проводится с целью обеспечения исследовательских и прикладных программ по изучению глобальных изменений окружающей среды топографической информацией и информацией о природе земной поверхности.Топографические карты дают представление об окружающем нас мире и позволяют нам ориентироваться в нем, одинаково подробно отображая все видимые элементы местности. На них показаны рельеф, гидрография, растительность, почвы и грунты, населенные пункты, дорожная сеть, социально-экономические и другие объекты, позволяющие комплексно оценить территорию.С помощью топографических карт мы получаем представление об окружающем нас мире, возможность ориентироваться в нем, одинаково детализируя все видимые элементы местности. На них представлены рельеф, гидрография, растительность, почвы и почвы, населенные пункты, дорожная сеть, социально-экономические и другие объекты, которые позволяют провести всестороннюю оценку территории.Все топографические карты подразделяют на следующие типы в зависимости от масштаба: топографические планы − до 1:5 000 включительно; крупномасштабные топографические карты − от 1:10 000 до 1:200 000 включительно; среднемасштабные топографические карты − от 1:200 000 (не включая) до 1:1 000 000 включительно; мелкомасштабные топографические карты − менее 1:1 000 000. Чем меньше знаменатель численного масштаба, тем крупнее масштаб. Номенклатура - это система нумерации отдельных листов топографических карт и планов разных масштабов. Схема взаимного расположения отдельных листов называется разграфкой.На карте мира практически нет пустых мест – топографические карты покрывают почти всю поверхность суши нашей планеты, хотя не все карты при этом одинаково детализированы, и большая часть этих карт не обновляется систематически. Труднодоступные районы высокогорья, пустыни, марши, приполярные ᴏострова особенно слабо изучены.Не стоит забывать, что современный мир очень изменчив (рис. 4): появляются и увеличиваются по площади населенные пункты, строятся дороги, сети связи и инженерные сооружения, разрабатываются новые районы добычи полезных ископаемых, вырубаются леса, изменяется структура землепользования, Β результате чего топографические карты постоянно обновляются. Россия хорошо обеспечена общими географическими картами, вся территория покрыта картами в масштабах 1:25 000, 1:100 000 и более мелких, около 30 % территории покрыто картами масштаба 1:10 000. Карты в масштабах 1:200 000 и 1:1 000 000 выпущены не только в традиционном печатном формате, но и в цифровом виде. Международные общегеографические карты передают внешний облик суши и акваторий всей планеты в обзорных масштабах, наиболее известны среди них карты 1:1 000 000 и 1:2 500 000.Создание новых карт требуются нечасто, только в случаях значительных изменений, таких как строительство новых городов или крупных объектов.Рис. 4. Фрагмент топографической карты г. Иркутска, составленной по состоянию местности на 1981 г. (А), спутниковый снимок сверхвысокого разрешения 2010 г.(Б) (по материалам Google Earth): отчетливо читается увеличение зон жилой и дачной застройки, изменение плановых очертаний береговой лини р. Ангары в районе о-ва Конный, появление нового моста через р. АнгаруТрадиционно аэрофотоснимки используются в качестве основного материала для топографических карт. Космические цифровые снимки открывают новые возможности: более дешевые повторные съемки, больший охват территории и меньшие искажения, связанные с рельефом местности. Кроме того, стал проще процесс генерализация изображений на мелкомасштабных картах: вместо трудоемкого упрощения крупномасштабных карт можно напрямую использовать пространственные изображения среднего разрешения. Таким образом, использование пространственных изображений становится все более распространенным и может стать наиболее важным методом обновления топографических карт в будущем.При создании и обновлении топографических карт предъявляются более высокие требования к разрешению и возможностям стереообработки материалов пространственных изображений. При графической точности (0,1 мм) снимки для стереофотограмметрической обработки для создания карт масштаба 1:100 000 должны иметь разрешение не более 10 м, а для дешифрирования ряда топографических объектов более высокое разрешение – 1–2 м. Для составления топографических карт требуются спутниковые снимки более высокого разрешения, чем для их обновления [6]. Опыт создания топографических карт на основе космических снимков высокого и сверх высокого разрешения привел к требованию необходимости разрешения 0,1 мм на местности в масштабе карты, например, 0,1 мм x 50000 = 5 м для масштаба карты 1:50 000 или 1 м разрешения для масштаба карты 1:10 000 (рис. 5) [10].Рис. 5 Необходимое разрешение на местности для создания топографических карт [10]Обратите внимание, что при создании и обновлении топографических карт определенного масштаба одни и те же типы спутниковых снимков подходят или не подходят для разных элементов содержимого графических карт.Снимки Landsat 7 ЕТМ+ и Terra ASTER с размером пикселя 15 м позволяют компилировать многие элементы содержания карт масштаба 1:200 000 и меньше. Некоторые параметры, такие как длина, ширина и материал мостов, изображаемых на картах 1:200 000, невозможно получить из снимков, поэтому необходимо привлекать дополнительные источники данных. Пространственные данные используются на всех этапах построения и сгущения фотограмметрических сетей для планового обоснования топографических съемок и высотного обоснования мелкомасштабных съемок. Имея богатый опыт дешифрирования аэрофотоснимков, возможно, за счет дешифрования спутниковых снимков достичь контурной нагрузки. С помощью цифровых фотограмметрических систем выполняют автоматические стереоизмерения, строят цифровые модели рельефа и трассируют горизонтали, изготовляют ортофотопланы и графические оригиналы карт. На основе спутниковых снимков также создаются карты обзорно-топографические карты без перехода от крупных к средним и мелким масштабам. Имеется опыт создания на основе спутниковых изображений общегеографических карт, например, базовой карты страны масштаба 1:2 500 000, составленной из фотопланов на основе спутниковых изображений масштаба 1:1 000 000.При обновлении карт по снимкам в первую очередь определяют степень устаревания карт и отмечают основные направления обновления, к которым относятся территории сельскохозяйственного развития, интенсивной добычи полезных ископаемых, городского, дорожного, гидротехнического строительства, где обновление происходит через 1-2 года, в то время как в малонаселенных районах обновление достаточно проводить через 5-10 лет. Степень устаревания зависит от того, требуется ли полное обновление с повторным созданием оригинала карты или можно ограничиться внесением корректив в издательский оригинал карты камеральным путем. Использование спутниковых изображений для обновления карт сокращает продолжительность, трудоемкость процесса и редактирования карт. Сокращается время на подбор источников, на ознакомление с особенностями территории и упрощается генерализация. Это повышает детализацию и точность карт.Обновление карты на фотопланах происходит, когда изменения контура превышают 40% или плановая точность карты не соответствует требованиям, предъявляемым к ней. Процесс создания фотоплана включает в себя: сгущение опоры, преобразование изображений, изготовление фотоплана и репродукций к нему, дешифрирование.Спутниковые снимки с очень высоким разрешением могут использоваться для создания крупномасштабных топографических карт даже в более сложных условиях городских районов. Геометрическая точность не является ограничивающим фактором для масштаба карты; она ограничена информационным содержанием изображений.2.3 Тематическое картографированиеТематическая карта - это форма представления знаний, ориентированная на улучшение качества передаваемой информации.Тематические картографические материалы - это фактически тематические карты различного назначения и масштаба, к ним относятся схемы землепользования, планы лесопользования и т.д., а также материалы для полевых тематических съемок (схемы, контуры, крупномасштабные планы).В технологической системе географических исследований в космосе конечным звеном остается производство тематических карт и другой картографической продукции на основе фотографий, качество которых зависит не только от их эстетического восприятия, но и от степени доверия к выполненным исследованиям.Результаты комплексных географических исследований с использованием аэрокосмических снимков чаще всего представляются в виде взаимосогласованных тематических карт, отражающих пространственные закономерности, качественные и количественные характеристики исследуемой территории.Космические снимки широко используются для обновления геологических, геоморфологических, гидрологических, океанологических, метеорологических, ландшафтных, почвенных и лесоустроительных карт и других карт.Спутниковые снимки дают возможность ускорить подготовку и обновление тематических карт, а также открывать новые явления и создавать новые типы карт. К примеру, на спутниковых снимках отображается облачные системы, оперативная съемка которых позволяет метеорологам составлять прогнозы и отслеживать такие опасные природные явления, как ураганы. Кроме того, геологи используют мелкомасштабные спутниковые снимки для составления карт линеаментов и кольцевых структур с целью поиска полезных ископаемых. Эти структуры не видны на крупномасштабных аэрофотоснимках.Каждый тип тематической карты имеет свой собственный метод составления и обновления по спутниковым снимкам с определенной комбинацией рисунка снимка и значений яркости в каждой точке (соответствующей спектральной отражательной способности поверхности, ее температуре или другим характеристикам, в зависимости от типа снимка). Использование космических изображений при составлении тематических карт позволяет отображать больше деталей и, таким образом, приводит к большему совпадению карт с естественным природном рисунком.В отличие от топографических картах к тематическим картам требования точности нанесения положения объекта, как правило, несколько ниже. Поэтому по одним и тем же снимкам можно составлять тематические карты более крупного масштаба. Например, панхроматические изображения, получаемые со спутников IRS с пространственным разрешением 5,8 м, подходят для создания определенных элементов содержания топографических карт масштаба 1:50 000, а для целей тематического картографирования, в зависимости от тематики карт – вплоть до масштаба 1:10 000. Большинство спутниковых снимков имеют разрешение первые десять метров соответствующее размерам многих объектов на поверхности Земли. Космические снимки, получаемые с ресурсно-картографических спутников хорошо передают рельеф и структуру внешнего покрова Земли (почвы, растительности) а, следовательно, и ландшафта, который является ценным материалом для тематического картографирования. Внешний вид ландшафтов выражается в сочетании форм рельефа, гидрографии, растительности и объектов социально-экономических объектов, населенных пунктов, обработанных земель, дорожной сети и изменяется в зависимости от сезона.Пространственное тематическое картографирование включает в себя изучение экологических проблем и глобальных изменений. Так глобальные карты состояния атмосферы, тропосферы, характеристик радиации, озонового слоя, облаков, ветров, океана и многих других особенно разнообразны по содержанию. В нашей стране накоплен самый большой опыт тематического картографирования на основе космической информации в ходе работы по программе Комплексной картографической инвентаризации природных ресурсов. Созданы серии карт геологического строения, почв, растительности, ландшафтов, использования земель и т.д. Они отражают текущее состояние природных ресурсов, антропогенную нарушенность и загрязнение природной среды, содержат оценку природных условий и ресурсов и дают прогноз ожидаемых изменений. Серии карт были созданы для ряда важнейших хозяйственных районов России – Ставрополья, Тверской области, Калмыкии, Прибайкалья, Южной Якутии [6].Роль информации о космических исследованиях в географическом прогнозировании возрастает. Например, космические программы НАСА (EOS и др.) ставят задачу к 2025 году выполнить десятилетние прогнозы полей метеорологических характеристик, годовые прогнозы осадков на региональном уровне, пятидневные прогнозы ураганных перемещений с точностью до 30 километров, ежечасные предупреждения об извержениях вулканов и землетрясениях, получасовые предупреждения о торнадо.III. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ КАРТВ настоящее время значительно возросла роль компьютерной графики и графических информационных технологий в процессе создания картографических произведений. Внедрение компьютеров в картографию началось с комбинированных методов, когда часть работы выполнялась вручную, а часть – на компьютере. По сути, это были вычислительные наборы названий географических объектов. Машинописные названия печатались лазерным принтером на съемном клеевом слое, а затем наклеивались на издательский позитив. Кроме того, компьютерный набор служил источником для верстки указателей названий географических объектов, прилагаемых к картам или атласам. Следующим этапом стала разработка графических программных пакетов. Они использовались для создания условных знаков, а также для оформления публикаций со слайдами, рисунками и рекламными блоками. Изначально для этих целей использовались коммерчески доступные программные продукты, например CorelDRAW, который считается одним из самых простых в освоении для начинающих пользователей.На следующем этапе произошел переход к полной автоматизации цикла подготовки издания карт с использованием настольных издательских систем − текстовых, графических и версточных программных продуктов. В этом случае не только подписи названий, условные знаки, рекламные блоки, но и вся карта составлялась и оформлялась на компьютере. Однако в пакетах настольных издательств отсутствовали средства связи с базами данных, возможность работы с картографическими проекциями и т. д. Все это картографы получили в свое распоряжение только с внедрением геоинформационных систем. Геоинформационная система (ГИС) − это система для сбора, хранения, анализа и графического отображения пространственных (географических) данных и связанной с ними информации о необходимых объектах.ГИС включает в себя возможности систем управления базами данных, редакторов растровой и векторной графики и аналитических инструментов и используется в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях.Выделяют три концептуальные модели представления в ГИС пространственной информации, основанные на разных свойствах реальности, необходимых для ее интерпретации и анализа: объектно-ориентированную модель;сетевую модель;модель географических полей.Объектно-ориентированная модель подчеркивает индивидуальность явления и подходит для моделирования реальности.Сетевая модель отлично подходит для построения и изучения транспортных потоков и их оптимизации, гидрологии, коммуникаций и средств связи.Цель модели географического поля состоит в том, чтобы представить и изучить реальные и непрерывные географические распределения.Программный комплекс геоинформационных систем может выполнять предварительную обработку входных данных, визуализацию, фильтрации, спектральный анализ, анализ рельефа, коррекцию изображения, классификацию, построение трехмерных моделей, построение топографических карт с координатной привязкой.Первые версии ГИС существовали только на рабочих станциях под операционной системой UNIX. Надо отметить, что полный переход в производстве карт на современные ГИС-технологии сопряжен с рядом трудностей, прежде всего с финансовыми − стоимость программного и технического комплекса исчисляется не одной сотней тысяч долларов. Такие данные обладают определенными преимуществами для базового картографирования, поскольку они точны, легкодоступны и представлены в привычном формате карты [15].Примером программно-аппаратного комплекса позволяющего осуществлять практически все этапы технологического цикла − от ввода данных с использованием, например, обработки космических снимков, до вывода издательских позитивов стал комплекс фирмы INTERGRAF. Но такие инструменты из-за их высокой стоимости в большинстве случаев недоступны для массового картографического производства. Сегодня недорогие компьютерные инструменты широко распространены в нашей стране. Современная технологическая цепочка создания карт основана на использовании геоинформационных систем, наиболее распространенные программные средства, применяемые для предварительной и тематической обработки данных: MapInfo Professional, ERDAS Imagine, ER Mapper, ENVI, ArcGIS, IDRISI.Подготовительная и редакторская работа заключается в сборе и анализе исходных материалов, разработке рекомендаций по обобщению элементов контента, подготовке макета специального содержания и т. д.Процесс сканирования представляет собой преобразования исходного картографического материала в растровый (точечный) вид. В отличие от векторных изображений, растровые изображения описываются не кривыми, а сеткой точек (пикселей). Каждая точка имеет свой уникальный цветовой код. Работать с растровыми изображениями так же просто, как с существующей отдельной точкой, а не с контурами объектов, как в векторной графике. Векторизация − это процесс получения цифровой векторной формы изображения. Это способ математического описания объектов в виде набора векторов определенной длины и ориентации. Векторизация означает создание реальной цифровой карты [14]. Геометрическая коррекция проводится для устранения ошибок при сканировании бумажных материалов, а также для перевода проекции исходной карты в проекцию создаваемой. Такая последовательность действий объясняется тем фактом, что для исправления растрового изображения требуется значительно больше оборудования и времени, чем для исправления векторной информации.Расположение объектов описывается геометрическими образами. Геометрия всегда связана со свойствами объекта – качественными и количественные характеристиками. Основные формальные модели пространственных объектов основаны на понятиях пространственной размерности: точка, линия, площадь (многоугольник), объемная фигура, ячейка.Точка характеризуется своим положением в пространственных координатах этого пространства, при этом не имеет длины. Линия состоит из двух или более объектов нулевой размерности, имеет длины и относится к одномерным объектам (можно измерить длину). Полигон имеет два измерения (двумерный объект) периметр и длину и первая и последняя точки совпадают Объект, имеющий, по меньшей мере, четыре двумерных объекта, относится к типу трехмерных фигур. Ячейка - это объект или часть объекта, представленная элементом деления земной поверхности линиями регулярной сети (двумерной). В целях последующего импорта данных в издательские настольные системы их необходимо преобразовать в форматы обмена, поскольку издание означает, что разработчики ГИС-систем лишь создают твердую распечатку на принтере или плоттере, разрешение которых низкое. Кроме того, это очень дорого (печать нескольких копий карты на плоттере обходится дороже, чем печать всего тиража). То есть большинству ГИС-систем не способны создавать высококачественные позитивные изображения на прозрачной бесцветной подложке для воспроизведения карт. Однако многие ГИС-системы не имеют передовых графических инструментов, которые можно было бы использовать для создания традиционной карты.Подготовка к цветоделению состоит в улучшении цветовых тонов, повышении четкости по отколиброванной системе, объединении слоев карты в один, что позволяет в значительной степени уменьшить общий размер файла. Главная задача процесса цветоделения − конвертировать изображение из компьютерной системы цветов RGB (красный, зеленый, синий) в полиграфическую CMYK (синий, пурпурный желтый, черный) систему. В полиграфии цветные изображения представлена в CMYK системе, в которой в качестве составных или триадных цветов выбраны синий, пурпурный и желтый (cyan, magenta, yellow). Они поочередно наносятся на бумагу, создавая любой цвет и его оттенок. Черный цвет добавлен в триаду потому, что при наложении трех основных цветов идеальный (насыщенный) черный цвет не образуется. Его называют Key-color. Переход из RGB в CMYK осуществляется через программные фильтры, где учитываются все будущие установки печати от системы основных триадных красок, их баланса до бумаги, на которой будет осуществлена печать. Цветоделение − сложный процесс, от которого зависит качество изданной карты [5].После цветоделения получается 4 канала (плоскости), затем каждый канал выводится на пленку методом фотовывода, после чего выполняется последовательная печать четырьмя красками CMYK, в итоге получается полноцветное изображение.При методе офсетной печати с цветоделенных позитивов изготавливаются печатные формы − пластины, покрытые специальным светочувствительным составом. После специальной обработки чернила прилипают к тем местам печатной формы, которые не были освещены (непрозрачны на позитиве) при печати, которая и отпечатывается на листе бумаги. Печатная машина состоит из четырех секций (по одной для каждой краски). Когда бумага пропускается через эти секции на нее поочередно наносят эти краски, создавая общий рисунок картографического изображения.Многолетний опыт показывает, что создание геоинформационных продуктов в картографической форме, интегрированных в географические информационные системы, а также получение базовой информации инфраструктуры пространственных данных является основным направлением практического и научного аэрокосмической видеоинформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы, анализа изученной информации можно сделать ряд выводов относительно изученного материала.В настоящее время возрос интерес к получению космических снимков, так как расширяются возможности практического использования результатов этой деятельности. Благодаря инновационным космическим технологиям открылись новые возможности, например:.оперативность получения и достоверность информации;.повышение точности расчетов и оценки регулярного мониторинга;.снижение затрат на картографирование;.повышение качества управленческих решений по поставленным задачамКосмические снимки нашли различные применения в картографии для быстрого составления и обновления топографических карт, создания тематических карт и фотокарт, картографирования малоизученных и труднодоступных территорий. Профессиональная обработка данных дистанционного зондирования Земли позволяет создавать широкий спектр картографической продукции, имеющей непосредственное практическое применение в сфере промышленного, инфраструктурного и социально-экономического развития изучаемой территории.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ахмад Чеман Джамал Ахмад Разработка и исследование методики обработки космических снимков для целей мониторинга застроенных территорий в Ираке// Афтореферат, Москва, М.- МИИГАиК. – 2013.2. Жуков В.В., Егоров С.Б. Многозональные аэрокосмические съемки Земли. – М. – 1981. – 302c.3. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмические методы географических исследований: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования/ Ю.Ф.Книжников, В.И.Кравцова, О.В.Тутубалина. − 2-е изд., перераб. и доп. − М.: Издательский центр «Академия», 2011. – С. 12-14.4. Малинников В.А., Стеценко А.Ф., Алтынов А.Е., Попов С.М. Мониторинг природной среды аэрокосмическими средствами. Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Изд. МИИГАиК. 2008 г., 145 с.5. Пономарчук А.И. Дистанционное зондирование в картографии: практикум: учеб. пособие / Пономарчук, Е. С. Черепанова, А. Н. Шихов; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. – Пермь, 2013. – 100 с.6. Сутырина Е. Н. Дистанционное зондирование земли : учеб. пособие /Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013. – 165 с.7. Титаров П.С. «Использование космических данных дистанционного зондирования Земли для тематического и топографического картографирования», Инженерная геология, март 2007 г., 42-46 стр.8. Токарева О.С. Обработка и интерпретация данных дистанционного зондирования Земли: учебное пособие / О.С. Токарева. – Томск: Томский политехнический университет. – 2010. – 148 с.9. Харазми Р., Чабан Л.Н., Каркон Варносфадерании М., Паниди Е. А., Митрофанов Е.М.. Оценка точности различных методов контролируемой классификации в аридных территорий// Изв. Вузов. «Геодезия и Аэрофотосъемка». – 2017. – № 5.- С. 106-110.10. Buyuksalih G., Karsten Jacobsen «Topographic mapping from space», 4th EARSel Workshop on Remote Sensing for Developing Countries/GISDECO 8, Istanbul, Turkey, June 4-7, Istanbul, Turkey – 2008. – 11 p.11. Gugan D.J., Dowman I.J. «Topographic Mapping from SPOT Imagery», Photogrammetric engineering and remote sensing, Vol. 54, No. 10, –1988. – 6 p.12. Keskin M., Ahmet Ozgur Dogru «An evaluation for the use of remote sensing data in map production», 4th International Conference on Cartography & GIS, 18-22 June, Albena, Bulgaria – 2012. – 44 p.13. Kyriacos Themistocleous, Diofantos G. Hadjimitsis, Toula Onoufriou «GIS, Remote Sensing and Cartography for Mapping and Managing Quarries and Mines in Cyprus», Conference: 2nd International Conference on Cartography and GISAt: Borovets, Bulgaria, – 2008. – 11 p.14. Mаrtensson Ulrik «Introduction to Remote Sensing and Geographical Information Systems», Department of Physical Geography and Ecosystems Sciences Lund University, Sweden, – 2011. – 55 p.15. Paul Aplin «Remote sensing: Base mapping», Progress in Physical Geography 27(2). 2003. – 275-283 pp.