В.И. Бумблис

Бумблис В.И.
МУ "Информационный центр г. Нижнекамска"

Проблемы функционального и ресурсного порядка, которые затрагивают жизнедеятельность в среде обитания, в принципе не могут быть решены только на уровне экономического анализа. Тем более что современный экономический анализ уже существенно удалился от классических принципов экономики (как искусства определения и распоряжения ограниченными ресурсами) и от принципов системотехники. Современный экономический анализ стал базироваться на критериях "текущей актуальности" и "биржевых игр", в то время как когда планирование ущербных последствий от нерациональной деятельности и организация предупреждения ущербов оказались за бортом не по своей воле. Нерациональность потребления ограниченных ресурсов оказывается угрозой нарушения устойчивости природных систем уже в настоящее время. В подтверждение достаточно привести высказывание Джона Пита, американского исследователя устойчивости систем жизнедеятельности - "цивилизация уже привела к множеству негативных устойчивых изменений в окружающей среде, хотя за период жизнедеятельности человечества Земля так и не увеличила своих размеров и ресурсов, если не считать упавшие метеориты и оседающую космическую пыль".

Представленная выше ситуация достаточно четко была представлена еще полстолетия назад в известной географам работе Мориса Гарсни "Размерности (сфера) региональных наук" (Morris E. Garsney, "The Dimensions of Regional Science", Papers and Proc. оf the Regional Science Association, II, 1956, p.2-9). В работе особо подчеркивалось, что решение проблем в среде обитания требует обязательного функционального анализа ресурсных составляющих на уровне полноценных системотехнических проектов регионального развития. В свою очередь, общепринятое понятие "системотехника" предполагает постоянный учет того обстоятельства, что любой объект или процесс в среде обитания имеет место, прежде всего, "благодаря своему окружению". Системотехника отображения множества функционально взаимосвязанных объектов и процессов в среде обитания и предписывается тому, что именуется как Географическая Информационная Система (ГИС). Острый дефицит объективных критериев оценок обнаруживается именно в системной области, для функциональных взаимосвязей составляющих жизнедеятельности. Иначе говоря, частные оценки качества составляющих не всегда являются объективными оценками "последствий частного качества для качества объектов окружения". В результате и по сей день сохраняется проблема, которую отечественный писатель и философ А.И. Герцен более века назад определил в своих "Письмах об изучении природы", как использование "частных фактов, большей частью отрывочных и худо обследованных".

Увеличение скоростей неблагоприятных и опасных процессов в среде обитания, обусловленных как естественными, так и техногенными обстоятельствами, уже поставило на повестку дня актуальность перехода к так называемым динамическим ГИС (Temporal GIS, TGIS), которые уже успешно внедряются археологами и геологами (например, создание динамической базы данных Геологической службой США (USGS Temporal Database) на основе систематизации фондовых карт и аэрокосмической информации за период порядка 100 лет. Для экономистов, с их критерием "текущей актуальности", такие системы особого интереса пока не представляют, а зря.

Среда обитания имеет свои сложные формы и содержание. Все происходящее в этой среде в любых случаях, изначально и неизменно связано с поверхностью Земли, которая одновременно является как пространственным, так и функциональным ресурсом. Профессор Императорского Новороссийского университета А. Клоссовский утверждал в своем Общем курсе метеорологии (Одесса, "Экономическая" типография, 1908) "как велика должна быть сложность той поверхности, которая названа геоидом".

Рассматривая приоритеты в определении проблем географического пространства обитания, будет уместным отметить, что еще в середине XVIII века отечественный географ и экономист-историк П.И. Рычков, из села Спасское (близ Бугульмы) Оренбургской губернии, анализировал существенное влияние рельефа на множество областей деятельности, в том числе и на такую важнейшую и первостепенную для жизни область, как земледелие. Уникальная "Топография Оренбургской губернии" П.И. Рычкова, которая была высоко оценена самим М.В. Ломоносовым, и по настоящее вре

рис. 1

мя остается интеллектуальным образцом региональных географических исследований. Сегодня интеллектуальные (смысловые) акценты географии зачастую подменяются так называемыми геоинформационными (точнее, компьютерными и сетевыми) технологиями.

Рельеф территорий является ресурсом-гегемоном для многих составляющих среды обитания, как естественных, так и техногенных. Изменения рельефа, в рамках общей геодинамики, обуславливаются сложным переплетением естественных и техногенных факторов. В свою очередь, эти изменения оказывают и обратные воздействия на указанные факторы. При анализе рельефа, как ресурса, следует интегрально рассматривать его "недвижимость" (как своеобразный несущий фундамент для естественных и техногенных объектов) и "движимость" (как сложную геодинамику). Также следует учитывать, что современная геодинамика и гидрогеодинамика, обусловленные техногенными факторами, в ряде случаев по скорости и масштабам могут превосходить естественные геологические процессы и определяются как техногенный гипергенез геологической среды.

Начиная с XX века технологическая уязвимость твердой земной поверхности нарастает. Но именно эта поверхность и является пространственным базисом материального производства, размещения зданий и сооружений, сельскохозяйственной деятельности и многого другого, в том числе и существования гидрографической сети, формирования и разгрузки подземных вод. Актуальность полноценного отношения к рельефу (и геодинамическим процессам) в экономической и иной техногенной деятельности, A Priori, представлена в уникальном исследовании Л.Л.Розанова (Технолитоморфная трансформация окружающей среды, Москва, "Изд-во НЦ ЭНАС", 2001). Достаточно привести наглядную мировую статистику из указанной монографии порядка 80 % опасных оползневых процессов, которые официально квалифицируют как стихийные явления, по сути таковыми не являются. Это - очевидные последствия нерациональной и безответственной деятельности в погоне за "экономической" прибылью. Автор настоящего доклада, при очередных "раскопках" Фонда геологической информации Республики Татарстан обнаружил геологический отчет Л. Розанова (очевидно предок Л.Л. Розанова), датированный 1943 годом. В отчете описывались масштабные оползневые процессы на правобережье реки Волга и в зоне устья реки Свияга. Парадоксально, но факт, что с пренебрежением к оползневым процессам именно в указанной зоне через 60 лет строится "элитная" горнолыжная трасса, причем при наличии ряда обоснованных и резких отрицательных заключений со стороны гидрогеологов высочайшей квалификации Татарского геологоразведочного управления ОАО "Татнефть" (ТГРУ). Из таких заключений следовало, что планируемая трасса окажется "ползучей".

В настоящее время территории, а точнее элементы, определяемые как "земельные участки" или "недвижимость", успешно регулируются в двух основных направлениях в определении правовладения (или передачи в аренду) и в организации сбора налогов.
Существующая государственная (муниципальная) система кадастра недвижимости пока и преимущественно акцентируется на земельных участках и строениях, хотя определение объектов недвижимости по Гражданскому Кодексу РФ имеет более широкую трактовку (в том числе, к недвижимости следует относить и ресурсы недр и инженерные транспортные сети, но до этого у специалистов по кадастру недвижимости руки пока не доходят). В принципе и по официальным нормативно-правовым документам недвижимость является экономическим объектом, имеющим определенную функциональную стоимость, по которой и должны определяться налоговые ставки. Именно поэтому в земельном кадастре должны присутствовать не только геодезические примитивы плана земельного участка, но и качественные характеристики этого участка, в том числе показатели рельефа, геодинамики, гидрогеологии и т.п. (см. Е.Б. Тикунов, "Автоматизированная система ведения кадастра объектов недвижимости", Москва, Московский колледж архитектуры и менеджмента в строительстве, 2004).

Указанные качественные характеристики территорий (участков) и должны определять объективные ограничения на функциональное использование земельных участков. Тем не менее, правообладатели земельных участков и соответствующих кадастровых планов этих участков не смогут показать Вам сведений о качественных характеристиках своего участка. В ряде земельных бюро и иных организациях п

рис. 2

землеустройству Вам пояснят, что характеристики рельефа Вашего участка (а дискретность изолиний высот должна быть не более 0.1 м) отнесены к категории "государственная тайна" (!). В дополнение к этому, если собирать мозаики из планов соседних участков как интегральные кадастры, то можно обнаружить и множество взаимных пересечений планов участков, которых в натуре не существует, хотя налоги на недвижимость (участки) продолжают успешно собираться, а стоимость по сути недостоверных "геодезических съемок" оказывается немалой.

Если с отсутствием детальных сведений о рельефе в области генерального территориального планирования можно условно согласиться, то, что тогда делать земледельцам, для которых гравитационные стоки воды по рельефу поверхности издревле являются притчей воязыцех и именуются "плоскостной эрозией". Аналогичные проблемы сопровождают и гидрогеологов, от которых требуют составления динамических моделей переноса загрязнений подземными водами в регионах нефтяного промысла. У гидрогеологов есть качественные сведения о стратификации горизонтов подземных вод относительно уровня поверхности, но сведения о детальном рельефе самой поверхности и по настоящее время остаются острым дефицитом, хотя проблема обеспечения качественного питьевого водоснабжения постоянно осложняется.

Что же делать в условиях насильственной и некорректной политики "удержания принципов секретности". Единственным разумным актом будет внимательное прочтение Гражданского Кодекса РФ, который утверждает, что "тайной" является неизвестность третьим лицам". Иначе говоря, все, что уже публично или является предметом купли- продажи на открытом коммерческом рынке, в принципе и законодательно не может квалифицироваться и объявляться как государственная, служебная и иная тайна, тем более, когда речь идет о едином для всех географическом пространстве бытия (естественных, техногенных и антропогенных объектов) и жизнедеятельности.

На рубеже XX и XXI веков состоялась уникальная триада глобальных геоинформа-ционных технологий высокого пространственного разрешения для широкого и публичного, в том числе и муниципального, применения многоспектрального картирования (QuickBird, разрешение на местности при визировании в надир порядка 0.6 м), радиолокационной топографии поверхности/возвышений (SRTM, разрешение по шкале высот порядка 1 м и плановой сетке модели порядка 30 м) и спутниковой геодезии (GPS, субметровые геодезические определения). Если первая и третья компоненты уже достаточно известны для широкого пользователя и муниципальной администрации, то новейшие глобальные модели возвышений, Digital Elevation Model, DEM (не путать с традиционным рельефом "открытой" поверхности, Digital Terrain Model, DTM) требуют определенных пояснений.

Следует начать с того, что поставка многоспектральных изображений высокого разрешения, по спецификациям заказчиков, уже осуществляется с предварительной коррекцией (ортотрансформированием) планово-высотных искажений координат объектов, обусловленных перспективами на рельефе местности (Digital Elevation Model Correction). Для случая многоспектральных данных QuickBird в служебном файле формата IMD в таких случаях указывается, что коррекция проводилась по грубой (Coarse) модели возвышений. В то же время и в том же служебном файле приводятся не такие уж грубые значения высот (возвышений) для углов условного кадра многоспектрального изображения (параметры HAE, дискретность с точностью до 1 см). После ряда независимых частных экспертиз многоспектральных данных QuickBird, полученных на различные даты с интервалом порядка не менее 1 года, можно утверждать, что пространственная совместимость указанных данных находится на уровне порядка 3 м для исходной картографической проекции UTM и системы координат WGS-84 (c коррекцией по референц-эллипсоиду EGM96). Последующие переходы от указанных картографических и геодезических основ к федеральным форматам типа Гаусса-Крюгера или местным системам координат службы земельного кадастра (для Республики Татарстан "Система-Т2") следует ожидать повышения степени несоответствий плановых координат в силу "не аутеничности" различных систем. Наиболее настойчивым относительно геодезической точности следует пояснять, что все эти системы есть различные аппроксимации поверхности реального геоида Земли на плоскость и вообще, один галлон, как

Рис. 3

мера объема жидких тел, в Англии соответствует 4.5 л, но в США это будет уже 3.7 л.

Формализация геопространственных данных, которая и составляет сущность географии, и, в первую очередь, координатные определения объектов и факторов и их формальное геометрическое (картографическое) представление, использует множество способов, обусловленных историей, научными и прикладными исследованиями, государственными и отраслевыми порядками. Реальное географическое пространство (поверхность Земли) оказывается не просто сжатой сферой (эллипсом), а достаточно сложной формой (геоидом). Характеристика геоида определяется сложной совокупностью распределения масс в теле Земли и астрофизическими аспектами, поэтому любая попытка отобразить эту поверхность на плоскость неизбежно приведет к геометрическим искажениям различного порядка. Современная практика спутниковой геодезии (GPS, Geographic Positioning System, и IGS, Internationаl GPS Service) обеспечивает получение уникальных сведений о геоиде Земли, который аппроксимируют различными эллиптическими моделями (референц-эллипсоидами), специфичными для географических территорий различных стран. В международной практике космических исследований Земли (Remote Sensing), спутниковой геодезии и спутниковой навигации (GPS) и географических информационных систем (GIS, Geographic Information System) используется мировая геодезическая система координат (по общему земному эллипсоиду EGM96) и универсальная картографическая проекция Г. Меркатора (UTM). В отечественной практике используется эллипсоид Ф.Н. Красовского, близкий к эллипсоиду EGM96. В отечественной картографии для перехода от геодезических (угловых) координат (широта, долгота) к плоским прямоугольным координатам используется картографическая проекция Гаусса-Крюгера, которая также имеет определенные отличия от универсальной проекции UTM (по началу координат, ориентации осей и линейным масштабам).

Особой характеристикой геоида Земли является рельеф, иначе отклонение поверхности геоида в данной точке ("абсолютные высоты") относительно поверхности аппроксимирующего эллипсоида. В отечественной практике в качестве начала системы нормальных высот над референц-эллипсоидом Красовского (система координат 1942 года, СК-42) устанавливается положение Кронштадского футштока (Балтийская система высот, БСВ).

В практике создания глобальных цифровых моделей возвышения поверхности Земли используется референц-эллипсоид EGM96, в частности для моделей, созданных по результатам космической радиолокационной топографии миссией Шаттла (Shuttle Radar Topography Mission, SRTM). 11-ти дневная миссия SRTM была организована в феврале 2000 года (зимний период для России) по проектам Национального геопространственного разведывательного агентства (National Geospatial-Intelligence Agency, NGA) и Администрации по аэронавтике и космическому пространству (National Aeronautics and Space Administration, NASA), США. Новейшая редакция глобальной модели SRTM (Ver. 2.0) проведена в 2004 году с целью качественного представления береговых линий, токов поверхностных вод и специального сглаживания орографических аномалий эрозионного порядка (эрозионных врезов).

Если для территории США синтезируются цифровые модели SRTM30 (дискретность высот 1 м, интеграция всех высот объектов по апертуре/сетке 30х30 м на местности или по углу поля зрения порядка 1-ой угловой секунды), то для остальных территорий до широт порядка 60 градусов синтезируются модели SRTM90 (дискретность высот 1 м, интеграция всех высот объектов по апертуре/сетке 90х90 м на местности или по углу поля зрения порядка 3-х угловых секунд). Глобальные модели SRTM-GTOPO30 для всех широт синтезируются с дискретностью высот 1 м и интеграции всех высот объектов по апертуре/сетке 1х1 км на местности или по углу поля зрения порядка 30-ти угловых секунд. Для региона Поволжья и территории Республики Татарстан доступна модель типа SRTM90. Следует учитывать, что исходное инструментальное пространственное разрешение системы радиолокационного топографирования можно оценить на уровне сетки порядка 15 х 15 м, если предположить, что синтез базовых моделей соответствует правилам выборки (теореме отсчетов или "сэмплирования").

Предварительную квалифицированную экспертизу геодезического качества моделей SRTM90 целесообразно провести параллельно с экспертизой данных о рельефе, п

Рис. 4

едставленных на официальных федеральных (РФ) топографических картах, а также картах ГУГК и ВТУ ГШ МО СССР. Из рисунка 1, на котором совмещены данные изолиний высот с дискретностью 20 м, полученные по картам масштабов М 1:200 000 и М 1:100 000, следуют достаточно серьезные несоответствия хода изолиний, даже если учитывать особенности фрактальной геометрии при переходах в масштабном ряде карт.

Экспертиза геодезического качества модели SRTM90 проводилась в следующем порядке, с одновременным "раскрытием" информационного потенциала SRTM90. Предварительно проводилась интерполяция исходной сетки модели 90х90 м до пространственного разрешения 5.6 х 5.6 м (16-ти кратная интерполяция). С целью исключения эффектов муарового порядка, алгоритм интерполяции предусматривал интеграцию ортогонального и диагонального методов (наилучшие результаты достигаются при гексагональном методе). Поскольку исходная модель SRTM90 является целочисленной по шкале высот (дискретность 1 м), перед интерполяцией сетки необходимо перевести значения высот в формат с плавающий запятой (FP). Результаты интерполяции до сетки повышенного разрешения определялись как модификация SRTM06 и также представлялись в системе координат WGS-84.

Далее, с ориентировкой отметок высот по отечественным топографическим картам, на многоспектральных космических изображениях высокого разрешения в исходной системе координат WGS-84 проводилось распознавание положения центров геодезических пунктов для открытых участков местности, и регистрировались координаты этих пунктов. После этого, по указанным координатам определялись значения высот пунктов по модифицированной модели SRTM06. В результате экспертизы составлялась сравнительная таблица высот и строилась карта изолиний по модифицированной модели с индексацией опорных высот. Из анализа полученных данных следует два важных вывода. Первый по интегральной статистике отклонений определено, что отечественная Балтийская система высот (по крайней мере, для территории эксперимента пгт Камские Поляны, Республика Татарстан), отличается от исходной системы высот SRTM06 на +5.9 м. Отклонения высот по модифицированной модели SRTM06 относительно отметок высот, представленных на топографических картах, не превышает значений +/- 1 м, с учетом указанного смещения. Для информационного геодезического обеспечения региональных проектов развития полученный результат является значимым обстоятельством. В итоге, после указанного смещения шкалы высот модели SRTM06 на +5.9 м была синтезирована региональная модель возвышений объектов местности, индексированная как SRTMс.

Поскольку исходная модель соответствует сетке 90х90 м, следует ожидать плановую точность хода изолиний рельефа на модифицированной модели SRTMс порядка +- 45 м. Финальная коррекция (общее смещение) плановых координат SRTMс требует использования данных гидрографической сети, полученных в результате интеллектуальной интерпретации многоспектральных изображений высокого разрешения. Процедура коррекции проводится таким образом, чтобы линии водотоков (на открытой местности) проходили по тальвегам эрозионной (овражной) сети. Результат описанных процедур наглядно представлен на рисунке 3. Кстати, на официальных топографических картах водотоки и тальвеги зачастую не совпадают.

Естественно, что полученная модифицированная модель SRTMс, сама по себе, не решает проблем идентификации элементов микрорельефа с размерностью в несколько метров. Однако совместная интерпретация данных SRTMс и многоспектральных данных высокого разрешения QuickBird обеспечивает качественное синтезирование тематических карт микрорельефа на основе общих градиентов поверхности и полутоновых цветовых условных аномалий на изображениях. Более того, линии поверхностных эрозионных водотоков, четко идентифицируемые по детальным многоспектральным изображениям, являются мощной и достоверной основой для коррекции хода изолиний высот модифицированной модели SRTMс. В результате обеспечивается синтез качественной модели возвышений с плановой сеткой порядка 6 х 6 м с дискретностью шага изолиний высот как минимум 2 метра!

Следует учитывать определенное различие между традиционным пониманием "цифровая модель рельефа поверхности Земли, как геологического объекта" и пониманием цифровой интегральной (в пределах фрагмента сетки 90х90 м) модели возвышений SRTM90. Для перехода

Рис. 5

от второй модели к первой требуются определенные априорные сведения относительно типа и геометрических характеристик объектов, возвышающихся над поверхностью и попадающих в "элементарные площадки" сетки 90х90 м. Так например, для территорий городской застройки указанная процедура примитивно реализуется по данным о проективной площади и высотах строений. По указанным обстоятельствам на модели SRTMс четко идентифицируются и лесные ареалы в виде "плато" возвышений относительно открытой местности. Рассмотренные обстоятельства определяют и определенные смещения изолиний высот береговых линий для случаев залесенных береговых зон.

Процедура пространственной интерполяции модели SRTM90 правомерна для пространственной детализации градиентов рельефа, но ни коим образом для выявления объектов с высокой пространственной детальностью, в первую очередь детальных эрозионных врезов. В то же время, для ряда объектов, имеющих протяженные (линейные) структуры, такое выявление имеет место, причем достаточно качественное и результаты синтеза модели SRTMс оказываются достаточно интересными и значимыми для заключения о целесообразности использования модели в строительной практике, в проектах развития территорий, ИСОГД в целом, в проектах ландшафтного земледелия и других тематических проектах. Особыми направлениями использования модели являются проекты защиты территорий и поселений от неблагоприятных факторов, прежде всего таких, как паводковые и ливневые бедствия (затопление и подтопление), оползневые процессы и развитие эрозионной сети. Так например, на основе модели SRTMс и данных интерпретации эрозионных токов по многоспектральным данным высокого разрешения обеспечивается возможность раннего предупреждения нарушения биопродуктивности земель.

Пока и в большинстве случаев ограничиваются традиционной "драпировкой" моделей возвышений многоспектральными изображениями в рамках стереометрии. Однако дальнейшее целесообразное развитие событий в области геоинформатики приводит к однозначному выводу о необходимости интегрального представления многоспектральных данных высокого разрешения и цифровых моделей возвышений для проведения совместного анализа отношений между факторами рельефа и остальными факторами, в первую очередь для выявления геодинамических и гидрогеодинамических процессов (рисунок 4). Корректность анализа геодинамики может потребовать и привлечения новейших геофизических данных (тектонических карт). На регион Республики Татарстан имеются уникальные информационные ресурсы данных высокоточной аэромагнитной и других видов геофизических исследований, которые позволяют синтезировать тектонические карты вплоть до региональных масштабов порядка М 1:25 000 (рисунок 5). Уникальным качеством последних авторских (В. Бумблис) редакций модели SRTMс является эффективное прогнозирование паводковых процессов для полной гидрографической сети региона, для оценки гидрологических и гидрогеологических факторов воздействия на устойчивость и функциональную безопасность транспортных инженерных сетей, зданий и сооружений поселений и промышленных зон. Необходимо учитывать, что создание и сертификация полноценных территориальных кадастров требует обязательного включения полноценных цифровых (аналитических) моделей рельефа и региональных геофизических карт, в противном случае, как заявил Г. Брэннон, один из признанных исследователей в области ГИС, "принятие решений в пространственно дисфункциональном мире без полноценных карт оказывается нонсенсом".

В качестве итога необходимо отметить, что все представленное выше соответствует актуальным целям развития современной цивилизации - достижению принципов Всеобщего Управления Качеством (Total Quality Management). Кстати, эти принципы уже были разработаны в нашем отечестве почти век назад и великолепно представлены в "Антологии русского качества", опубликованной агентством "Стандарты и качество" в 2000 г. Поэтому, давайте исключим "новое как хорошо забытое старое" и примем "новое как уважение к старому, особенно уважение к историческому опыту ошибок в жизнедеятельности".

В заключение автор хочет выразить признательность фонду GLCF Университета штата Мэрилэнд, США (Global Land Cover Facility, University of Maryland Institute for Advanced Computer Studies) и лично г-ну Александрову М.Ю. (Гео-Альянс, Москва) за содействие в подготовке настоящего доклада.