БАЗИ ДАННИ ЗА РЕЛЕФА НА ТЕРИТОРИЯТА НА РЕПУБЛИКА БЪЛГАРИЯ СЪЗДАДЕНИ ПО ТОПОГРАФСКИ КАРТИ 1:50000 и 1:25000

Д-р инж. Димитър Игнатов Петров

Развитието на съвременните технологии за събиране на геопространствени данни позволи получаването на данни за релефа и местността със висока степен на подробност и детайлност. Независимо от това създаването на модели на релефа на база информация получена по картографски материали с по дребен мащаб намира своето приложение, особено когато се касае за създаването на общо функционални модели на релефа върху обширни територии.  Целта на настоящата статия е да се даде публичност за наличието на една достатъчно надеждна и точна база данни за релефа на територията на република България създадена още през периода 1987-1992 г.

В съвременни условия особено след няколкото сериозни инциденти съпроводени с наводнения и жертви Министерството на околната среда и водите разработи редица документи свързани с управлението на речните басейни ПУРБ и такива за управлението на риска от наводнения ПУРН. В изпълнение на тези планове се възлагат и разработват, конкретни материали за оценка на риска от наводнения обхващащи различни по размери територии за изследване. Практиката от разработването на такива доклади и оценки доказва че за изпълнението на задачата е целесъобразно използуването на модели на релефа с различна плътност на точките включени в модела и осигуряващи различна точност на представяне на земната повърхност. Оценката на изискванията към изпълнението на тези и други подобни задачи е ясен показател за нарасналото търсене на геопространствени данни в т.ч. и данни за релефа в цифров вид. При това трябва да се отбележи констатацията на специалистите работещи по тези въпроси [1], относно приложимостта модели на релефа създадени с използуването на различни източници на топографска информация и технологии за нейното събиране. Това отговаря на практиката и логиката на използуването на моделите на релефа и доказва, твърдението за че изискванията към тяхната детайлност и точност (следователно към източника на пространствени геоданни от който са създадени) са различна при решаването на една или друга задача и те се определят от редица фактори основен от които е изискваното ниво на детайлност на представяне на релефа съобразно конкретиката на решаваната задача.

В този смисъл твърденията, че LIDAR технологията като най-съвременен метод за високоплътностно лазерно сканиране на земната повърхност е най-подходящ и  единствено препоръчителен за събиране на геопространствени данни  за местността в т.ч. и за релефа, не са достатъчно коректни. Отчитайки съотношението – потребителска – финансова стойност следва да се има в предвид, че при създаване на ЦМР на големи територии (от порядъка на дестки и стотици хиляди квадратни километри) освен към проблема свързана с финансовата стран на използуването на LIDAR технологията, се добавят и редица технически проблеми свързани както с определено завишените изисквания към възможностите на хардуера и софтуера използуван за обработка на данните, така и с необходимостта от значителния обем техническа работа по филтрирането на получените облаци от точки. Това се отнася особено за процеса на класификацията и сортировката на обгромния брой точки от облака с цел преминаване от DSM (Digital Surface Model) към  TIN (Triangulated Irregular Network), DEM (Digital Elevation Model) или друг тип цифров модел на релефа.  Така например по информация изнесена в [2] при лидарни даннни покриващи територия от порядъка на 40 хиляди хиляди квадратни километри с плътност 2-5 м. скоростта на обработка е била около 500 км² за седмица.

Изхождайки от това и без да се отричат и противопоставят достойнствата на LIDAR технологията на останалите класически технологии за събиране на геоданни считам, че следва да се отдаде дължимото и на такива бази данни и модели на релефа които вече са създадени в нашата страна чрез приложението на тривиални за настоящия момент, но модерни към момента на тяхната реализация технологии – такива като оцифряване и дигитализиране на топографски карти от различен мащаб.

Доказателство за недостатъчната оценка на тази възможност дължаща се може би по-скоро на липсата на информация за наличието на такава огромна база данни за релефа на страната е разработвания в МРРБ проект „Оптимизиране и интегриране на геопространствена информационна система (ГИС)на МРРБ“ на стойност 371 118 лв., финансиран по програма „Административен капацитет“. В раздела „Източници на данни“ за проекта, в качеството на източник на данни за релефа е записано: „Релеф – от програма за картиране на земната повърхност към NASA – SRTM V2 (Suttle Radar Topography Mission). Т.е. вместо да се разчита на наличната и създадена вече база данни се предвижда използуването на данни за релефа получени чрез радарна интерферометрична снимка изпълнена от борда на американския кораб за многократно използуване „Шатъл“ през февруари 2005г.  При това за територията на страната е достъпна само базата от трисекундни данни (SRTM3), която съдържа модел на релефа с размер на клетката 90 м.

Целта на настоящото изложение е да се опише детайлно съдържанието на една технология разработена още през 1992 г. по която е създадена база данни за релефа покриващ цялата територия на Република България, която по своята точност и плътност не отстъпват, а може би в определна степен са по-достоверни от тези предоставяни от  „Suttle Radar Topography Mission“

Базата от данни създадена във бившата Военно Географската Служба бившата (ВТС) на Българската армия е  – изработена още през периода 1987-1992 г. в специално създадедено за целта т.н. „Отделение за цифрови топографски карти“ на бившия Военно картографски институт – в гр. Троян във взаимодействие с формирана в „Института по съобщенията“-София група за дигитализиране.

По това време България е член на Варшавския договор и по тази линия през 1986 г. [3] се приемат основните документи по информационното осигуравана на Автоматизираните Картографски Системи (АКС) като в практически план изхождайки от военни съображения се дава приоритет на създаването на цифров модел на релефа.

В изпълнението на възприетата програма през 1987 г. от служители и специалисти работещи по това време във Военно Картографския Институт – в гр. Троян се започна разработката на технология за създаване на база данни за релефа чрез оцифряване (дигитализиране) на карто-издателски оригинали на релефа за топографска карта в М1:50 000 и частично 1:25 000.

По това време дигитализирането беше една от най-модерните технологии за получаване на геопространствени данни в цифров вид, като в същото време възможностите на наличната в нашата страна изчислителната техника в сравнение със сегашното състояние бяха безкрайно слаби. Достатъчно е да се отбележи само факта, че по това време най-масовите компютри бяха осем битовите Правец – 8 и едва беше започнало производството на шестнадесет битовите Правец-16 с вграден в тях твърд диск и операционна система MSDOS. Липсваха каквито и да са графично ориентирани програмни системи. Във Военно картографския институт (ВКИ) беше инсталирана електронно изчислителна машина ИЗОТ 1016C – СМ-4 произведена  в заводите ИЗОТ – гр. София, която се явява прототип на американската PDP-11- фиг.1.

Фиг. 1 Електронно изчислителна машина PDP-11

Операционната система на тази машина DOS-РВ позволяваше многозадачна работа и поддържаше периферия която включваше три дискови устройства (фиг.2) със сменяеми дискови пакети по 29 MB всеки един от тях, магнетофон за четене и запис на данните върху магнитна лента, четец на перфокарти и перфоленти и барабанен принтер. Към машината бяха закачени седем терминала (работни места) единият от които се намираше в машинната зала  и беше системен.  Програмирането се осъществяваше на Fortran 7, който въобще не е ориентиран за създаване на графични приложения, а и самите терминали нямаха графични възможности.

Фиг. 2 Дискови устройства със сменяеми дискови пакети

Независимо от това на машината се решаваха редица задачи в интерес на геодезическото и картографското производство в това число и изчертаване на различни графични материали. Технологията на работа включваше подготовка с помощта на разработените приложни програми на СМ-4 на файлове с плотерни команди, които след това се изпълняваха на външно устройство (плотер).  За целта се използуваше прецизен плотер AvioTAB – Ta2 (фиг.3), като връзката между плотера и машината се осъществяваше посредством магнитни ленти записвани върху магнетофона на ЕИМ и четени от УПДМЛ – 

Фиг. 3 Високо точен плотер AvioTAB Ta2

магнетофон носещ пълното название – „Устройство за подготовка на данни на магнитна лента“ (Фиг. 4)

На база на наличната електронно изчислителна техника и периферия следваше да се създаде технологията за създаване на базата данни за релефа чрез дигитализиране на картоиздадтелски оригинали за релефа. Освен наличната електронно изчислителна техника технологията за дигитализиране следваше да се съобрази и със създадения на базата на прецизен координатограф Wild (фиг.5) дигитайзер. При него марката за обхождането на графичния контур е монтирана върху микро-камера позволяваща увеличено наблюдение на картографския оригинал и придвижвана с помощта на два щурвала по един за всяка от осите Х и У – подобно на щурвалите на фотограметричния апарат. Преобразуването на движенията по осите в цифрови стойности се извършва с помощта на селсини, а регистрираните цифрови стойности се записват в реално време върху магнитна лента чрез УПДМЛ. Т.е. дигитализирането се извършваше на „тъмно“ без текущ визуален контрол за застъпване, пропуски, повтаряния на дигитализираните контури (хоризонтали) и т.н.

Фиг. 5 Прецизен координатограф от фотограметричен апарат Wild

Предвиждания обем от работа – няколко хиляди оригинала и възможностите на наличната електронно-изчислителна и друга специална техника изискваше създаването на технология осигуряваща висока производителност  и тотален контрол на всеки етап. На база натрупания макар и малък опит и с оглед осигуряването на възможности за създаване на алгоритми за контрол на получената цифрова информация технологията за дигитализиране включваше следните основни етапи и дейности:

I^ви  Етап – Подготвителен – включващ:

1. Създаване на необходимите графични и текстови материали – диазокопие на релефа, диазокопие на подробностите + хидрографията, бланка за семантични данни;

2. Подготовка на диазокопието на релефа. Целта на този етап бе да се извърши съответната предварителна обработка на картния материал позволяваща максимална автоматизация в дейността (лишени от мисъл действия) на оператора работещ на дигитайзера, което беше важен момент по отношение както на повишаване на производителността на труда, така и за намаляване на предпоставките за допускане на технически грешки по време на дигитализирането. Подготовката на картографския оригинал се извършваше от най-добре подготвените специалисти топографи умеещи добре да четат релефа и познаващи основите на Гаусовата проекция и включваше:

– Отбелязване на необходимите опорни точки и линии позволяващи многократно поставяне на оригинала в едно и също положение успоредно на координатните оси на дигитайзера и задаване не едно и също координатно начало за отчитане на машинните координати;

– Нормализация на хоризонталите – включваща: – номериране на всеки хоризонтал, определяне на височината му, задаване на посоката на дигитализиране – така, че по -голямата височина (нарастването на височините) да остава от ляво по посока на движението по време на дигитализирането, записване на други семантични данни за хоризонтала. Особено място при нормализацията на хоризонталите заема кодировката за разположение на хоризонтала в пределите на картния лист, необходимо за последващия контрол на вече дигитализираните данни. Данните от нормализацията се изписват в специална бланка за семантични данни. Кодировката  на   хоризонталите включва  следните  символи  образуващи  двуцифрено число (признак за разположение на хоризонтала) формиран по следните правила:

Фиг. 6 Система за кодиране на хоризонталите

 II^ри Етап – Дигитализиране.

Дигитализирането включва последователно въвеждане на семантичните данни от клавиатурата на УПДМЛ и последващо обхождане на хоризонтала с марката на дигитайзера в указаната посока. Регистрацията на машинните координати се извършва по време, което осигурява неравномерна стъпка на дискретизация съобразена с моментната кривината на хоризонтала. Точността на дискретизация е 1 ikm = 0.025 мм.

III ^ти Етап – последваща обработка на дигитализираните данни.

            Последващата обработка на дигитализираната информация включваше визуален и програмен контрол на оцифренните данни.

– Визуалният контрол се осъществяваше чрез изчертаване на контролно копие от дигитализираните данни върху плотера Aviotab TA2 и неговото визуално сравнение  с оригинала. На контрол подлежеше наличието на пропуснати, дублирани или застъпени (кръстосани) хоризонтали, както и правилната посока на дигитализиране.  

– Програмният контрол беше предназначен за проверка основно на семантичната информация и преобразуване на машинните (дигитайзерни) координати в правоъгълни координати в Гаусовата координатна система. За целта от служителите на изчислителния център към ВКИ бяха създадени следните потребителски програми:

            – CHEKTER  – за формална проверка и преобразуване на дигитализираната информация;

            – UPSEM – за коригиране на семантичните данни за хоризонталите;

            – COPRE – за формиране на плотерен файл за изчертаване на контролно копие;

            – SAVTER –  за запис на информацията за дадена номенклатура във файл за съхранение и обмен като съвкупност от точки с техните координати и височини;

            – RSTER – за възстановяване на информацията за хоризонталите – обратна на SAVTER;

            – PCHSEM – за формиране на файл със семантични данни за хоризонталите от зададената номенклатура картен лист с цел сверка на данните от базата с тези от предварителната подготовка;

            – SAVMT – запис върху магнитна лента за обмен с ЕИМ

            – RSMT – възстановява информацията от магнитна лента – обратна на SAVMT;

            – E – за прехвърляне на файлов от УПДМЛ към ЕИМ СМ-4

По тази технология през периода 1987-1992 г. са дигитализирани над 1300 картни листа в М1:50 000. Средната норма за об работка на един картен лист включваща подготовка, дигитализиране, проверка и архивиране – около 19 работни дни, при среден брой на хоризонталите в листа – от 1200 – до 2500 при средна дължина на хоризонтала в рамките на картния лист около 2 м. Това означава, че за изпълнение на задачата с марката на дигитайзера са проследени линии с обща дължина  около 4 800 000 м.  Освен това са дигитализирани 20 картнилиста в мащаб 1:25000 за проходите през Стара планина покриващи обща площ около 2000 кв.км.

Тази огромна по своя обем и сложност (за тогаващното състояние на техниката) задача е изпълнена от специално създадено за целта «Отделение цифрови топографски карти» в състав:

1. м-р Радослав Цанков Джамбазов-началник  на отделението до февруари 1992 г. и архиватор на данните на ЕИМ СМ-4

2. п/п Георги Найденов Георгиев ( началник след февруари 1992 г.)

3. п/п Илия Илиев

4. м/р Сашко Петров Петров

5. к-н Георги Тончев Гладков-проверител

6. к-н Богдан Минков Чернев

7. ст.л-т Венелин Иванов

8. ст.л-т Румен Райков

9. в.сл.Румяна Михова

10 в.сл. Мариета …..

11. ст.л-т Младен Маринов

12. к-н Иван Йовев

13. в.сл. Меглена Петрова – оператор на Авиотаб ТА2

Като краен резултат е създадена база от данни за релефа разпределена по картни листове в М 1:50000 със следните характеристики:

–          променлива плътност на точките съобразно хоризонталната разчлененост на релефа;

–          средна грешка на височините – 3-5 м;

–          координатна система – Гаусова – 1942 г.;

Освен, че създадената база данни за релефа е подходяща за формиране на TIN, DEM или друг тип функционални модели на релфа – например ЦМР на база мултиквадратични функции, тя притежава следните  важни достойнства:

1.) Данните отразяват състоянието на „голия релеф“ и са с определена степен на генерализация отговаряща на мащаба на използвания картен материал. Това позволява тяхното използуване при изработването на общо функционални цифрови модели на релефа, които не изискват изобразяването на микроформите на релефа и свръх детайлност на земната повърхност. Това е особено важно когато се търси създаването на модели на релефа върху големи територии;

2.) Точността на данните 3-5 м е напълно достатъчна за моделиране на процеси свързани с оценка на лавинно опасни райони в планините, а така също и оценка на последствията от въздействието на стихийни природни бедствия – пожари, въздушни радиоактивни замърсявания, замърсявания на почвите и водите и др.

3.) Наличната база данни е подходяща за формиране на единен модел на релефа за цялата територия на страната, който след това да се надгражда (по принципа на пирамидните изображения) с по детайлни цифрови модели на релефа върху отделни райони съобразно тяхната важност.

В заключение следва да се отбележи, че потребителските качества на  наличните във Военно географската служба на страната данни за релефа, дават основание за тяхното включване в цитирания в началото на настоящата статия проект  „Оптимизиране и интегриране на геопространствена информационна система (ГИС) на МРРБ“ с цел осигуряване на тяхната достъпност и възможности за поддържане и обновяване. Разбира се това следва да се осъществи след провеждане на съответните процедури по оценка на степента на класифицираност на данните от компетентните за това органи.

Литература:

1.      Център за приложение на спътникови зображения – РЕСАК – „Оценка на потенциални бъдещи наводнения в Дунавски район и определяне на индикативни райони с риск от наводнения“ – Доклад по договор № 1/2011 от 16.09.2011 за изпълнение на обществена поръчка: „Консултантски услуги за подпомагане на Басейнова дирекция за управление на водите в Дунавски район с център Плевен приразработване на Предварителна оценк ана риска от наводнения“.

2.      И.Н.Горькавый ВМиК МГУ – „Разработка и исследование методики обработки и классификации трехмерных данных лазерного сканирования“ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук – Москва – 2011

3.      Минко Цанев Минков „Спомени на полк.о.з. Минко Цанев Минков, началник на ВТО-ГЩ от септември 1991г. до 31.12.1991г., касаещи службата му във Военнотопографската служба на Българската армия“ – Клуб топографи „Ак. Вл. Христов“ – https://topo.dir.bg

Уточнение

По технически причини в миналия брой на Геомедия е допусната грешка при печата в статията „Възход на ГНСС методите за прецизно единично определяне на местоположение (РРР) в реално време и възможностите им за високоточни приложения“ на Аспарух Камбуров от Българската геоинформационна компания.

Таблица 3 на статията да се чете в този вид:

Табл. 3. Trimble CenterPoint RTX – регионална услуга за определяне на местоположение в реално време с висока точност

Редакцията на Геомедия се извинява за досадната грешка както на автора, така и на читателите.