Цифровые пространственные модели — для экономики и обороны страны
Вплоть до конца ХХ столетия основным источником информации о земной поверхности и расположенных на ней объектах служили топографические карты. Однако передать на небольшой площади данные об обширных территориях, к тому же расположенных на шаровидной поверхности, невозможно без принятия неких условностей, касающихся масштаба, различных обозначений. Эти вынужденные компромиссы и приводили к искажениям и неточностям отображаемой на картах информации.
Но главный недостаток топографических карт — жесткие ограничения по составу объектов и их характеристик. Так как отобразить на листе бумаги информацию обо всех объектах местности, как природных, так и антропогенных, в полной мере невозможно, пришлось отобрать лишь самые общие данные, достаточные для формирования представления о территории.
Но для эффективного управления военными действиями, инфраструктурой отраслей народного хозяйства требуется намного более детальная информация об объектах. Поэтому для каждой отрасли создаются десятки и сотни видов карт, схем, планов, картографических документов специального назначения. Собственными фондами пространственных данных располагают ведомства, управляющие лесным, водным и сельским хозяйством, геологией, транспортной инфраструктурой, энергоснабжением, коммунальным хозяйством, и некоторые другие.
Содержание специальных картографических документов обеспечивает функционирование отрасли. Однако сегодняшние жесткие требования к эффективности управления, его автоматизация требуют все более детальной и точной информации (в том числе пространственных данных) об объектах управления. Следствие этого — практически непрерывные съемки земной поверхности и объектов в интересах то одной, то другой отрасли. Используются все имеющиеся средства получения пространственных данных — традиционные полевые работы, космическая и аэросъемка, лазерное сканирование.
Однако если на территории ведется, например, крупное строительство или возникла чрезвычайная ситуация, необходима комплексная информация. Тогда даже простой сбор пространственных данных потребует значительных усилий и времени. Проблемой становится и совмещение разнородной информации из разных источников. Держатели отраслевой геоинформации используют для своих карт собственные разграфки, проекции, системы координат, каталоги объектов местности. Свести, совместить весь объем информации крайне тяжело. Еще сложнее осмыслить, уяснить особенности местности и отдельных объектов на ней.
Каждый специалист, занимавшийся проектированием строительства даже не слишком сложных объектов, знает, как много исходных данных всевозможных ведомств и организаций нужно получить для разработки проекта, сколько согласований нужно получить до его реализации. Но даже получение всех исходных данных не гарантирует высокого качества проекта. Актуальность полученных из разных источников данных может отличаться на годы и десятилетия, а различие систем координат, как правило, приводит к значительным ошибкам в совмещении данных. Поэтому при строительстве новых объектов, возведении их в водоохранных зонах нередки случаи вскрытия и разрушения подземных коммуникаций. Потребность в единстве геоданных еще более возрастает в чрезвычайных ситуациях, когда требуется максимальная оперативность их получения.
Огромное значение имеют пространственные данные для обороноспособности страны. Неполнота, неточность топографических карт, низкая оперативность их обновления даже с использованием современных технологий становятся серьезным препятствием для планирования боевых действий. Владение наиболее полной информацией о местности, где разворачиваются боевые действия, в современных условиях обеспечивает колоссальные преимущества.
Вполне логичным решением проблем, создаваемых разрозненностью, рассредоточением пространственных данных, стало бы формирование общего государственного геоинформационного фонда (ГГФ), создаваемого и функционирующего по единым правилам, обязательным для всех ведомств и организаций, участвующих в процессах получения и использования геоинформации. Подобный подход был практически нереальным, когда единственным средством представления информации о местности служили бумажные карты и планы.
Возможность объединить разрозненные геоданные от различных поставщиков и источников возникла с появлением компьютеров, способных принять, обработать, совместить и хранить в памяти огромные объемы информации. Электронные устройства способны представлять данные не в специфическом картографическом виде, для понимания которого требуется определенный уровень знаний, а в удобном для восприятия любым человеком виде. Примером может служить трехмерная визуализация на экране той или иной территории, отображаемой с любой степенью детальности. Это не исключает возможности в любой момент практически мгновенно сформировать и получить графический документ, максимально приближенный к традиционной карте, топографической или специальной.
Возникает понятие цифровой модели, свободной (в отличие от цифровых карт) от всяких условностей традиционной картографии. Огромным преимуществом цифровых моделей перед картами становится отсутствие ограничений на состав отображаемых на модели объектов. Состав топографической карты легко дополняется объектами и другими характеристиками территорий, содержащимися на широком спектре специальных карт. Более того, цифровая модель может содержать не только стационарные, жестко привязанные к местности, объекты, но и перемещающиеся. В ряде случаев они способны послужить серьезным подспорьем для наиболее полного уяснения особенностей определенной местности.
Например, фиксация автомобиля, вездехода и т. п. на лесной поляне свидетельствует о ее транспортной доступности даже в том случае, если ни один из имеющихся в наличии картографических документов не дает информации о проложенных туда дорогах, просеках, других путях сообщения. Зафиксированная скорость движения автомобиля по какой-либо дороге расскажет о ее качестве и состоянии покрытия лучше, чем отмеченные на карте заведомо устаревшие сведения.
В силу этого спектр объектов, отображаемых на цифровой модели, значительно расширяется. Но это не потребует от пользователя запоминания огромного количества условных знаков, что совершенно необходимо для чтения традиционной карты. При выводе на экран цифровая модель может представляться в виде приближенного к действительности изображения — своего рода трехмерного макета, который можно рассматривать с разных точек зрения, вращать, наклонять.
Еще одним средством, позволяющим облегчить потребителю работу с цифровой моделью, являются метаданные. Вспомогательными сведениями о том, из каких источников и когда получены данные, с какой точностью они представлены, может снабжаться каждая единица содержащейся в цифровой модели информации. Подробные метаданные позволяют быстро отбирать для показа только необходимую в данный момент информацию и отсеивать все остальное.
Наконец, единая пространственная модель позволяет выполнять компьютерное моделирование различных процессов. Типичным примером может служить моделирование состояния линии электропередачи при заданных погодных условиях. Какой может быть предельная нагрузка при указанной температуре, влажности, силе ветра? Без точной и детальной трехмерной модели линии и прилегающих к ней объектов решить эту задачу невозможно. Проще решаются задачи моделирования мощности и направления водных потоков в результате таяния снегов или летних ливней.
Моделирование подобных процессов предоставляет потребителям возможность оценивать их эффективность, выбирать оптимальные варианты, составлять прогнозы, планировать защитные мероприятия. Достоверность и точность подобных оценок и прогнозов будет тем выше, чем точнее и полнее содержащаяся в единой пространственной модели информация. Например, для моделирования размывов водными потоками недостаточно данных о рельефе, получаемых с топографической карты. Необходимо знать и типы слагающих его грунтов.
Конечная цель всяких боевых действий — подавление сопротивления противника — достигается прежде всего за счет преимущества в качестве и оперативности разведывательно-информационного обеспечения. Оно минимизирует время принятия решений. Важную роль в этом процессе играет наличие исчерпывающих сведений о местности, то есть ее точной, детальной и актуальной модели.
Единая цифровая модель не только территории страны, но и мирового пространства, могла бы стать основой государственного геоинформационного фонда. (ГГФ) Предложения о его формировании были сформулированы и обоснованы еще в конце XX века, однако до настоящего времени не реализованы.
Ориентирование Федеральной службы геодезии и картографии на осуществление радикальных перемен в системе геоинформационного обеспечения страны и преодоление противоречий между общегосударственными потребностями и отдельными ведомствами, имеющими свои геоинформационные фонды, сдвинуло бы с мертвой точки эту проблему и послужило началу формирования ГГФ, необходимость в котором очевидна.
После перевода в цифровую форму практически всего объема бумажных топографических карт (в том числе и безнадежно устаревших) был предпринят ряд паллиативных шагов, сводящихся к преобразованию полученных цифровых топографических карт (ЦТК) в более современную форму. Последним из этих мероприятий стал широковещательный проект о создании ЕЭКО — Единой электронной картографической основы, являющейся, по сути, все тем же набором ЦТК. В окончательный тупик дело зашло после череды передачи геоинформационного обеспечения в ведомства, для которых традиционная картография и современная геоинформатика представляются второстепенными задачами.
В то же время очевидно, что для всех отраслей необходимы не абстрагированные изображения, а детальные, полные и точные цифровые модели объектов, рельефа, местности, инженерных сетей и т. п.
Требования систем управления (в том числе автоматизированных) по детальности, точности практически одинаковы для всех отраслей, и набор таких требований может быть сведен воедино для всех областей управления. Отраслевая специфика, как правило, отличается только наборами атрибутивных данных.
Точность представления данных, необходимых для проектирования строительства, реконструкции, модернизации, реставрации, в том числе в военной сфере, контроля за его ведением, колеблется от 1,0 см до 10–15 см. Этой точности достаточно и для оценки с использованием пространственной модели геометрических параметров технического состояния и при планировании различных видов работ технического обслуживания и ремонта.
Необходимость перехода от цифровых карт, от ЕЭКО и прочих паллиативов к универсальному средству коренной модернизации геоинформационного обеспечения страны сегодня очевидна. Практически полностью созрели и технические предпосылки для такой меры. Наличие мощных вычислительных средств представления и хранения информации, различных технологий оперативного сбора и обработки данных о земной поверхности, мощных каналов связи для передачи практически неограниченных массивов данных делают вполне реальным создание Единой государственной пространственной модели (ЕГПМ).
Но основной проблемой является не техническая, а организационная сторона вопроса. Формирование ЕГПМ может начаться лишь после создания подчиненного непосредственно правительству Федерального оператора пространственных данных (ФОПД). Его основными функциями должны стать сбор, обобщение геоданных, получаемых от различных ведомств, и оперативное предоставление их потребителям. Однако первой задачей ФОПД явится разработка необходимых правовых актов, организационно-распорядительной и нормативно-технической документации, регламентирующей взаимоотношения всех поставщиков и потребителей геоданных.
Необходимо разработать согласованные и взаимосвязанные отраслевые нормативно-технические документы, которые определят требования к формированию и ведению отраслевых пространственных моделей инфраструктуры, на основе которых будет создаваться и развиваться ЕГПМ.
Наиболее сложными среди технических аспектов работы ФОПД станут предварительная (перед включением в состав ЕГПМ) верификация данных, поступающих из различных источников и поставщиков, оценка их качества, планирование съемок и обновлений ЕГПМ.
Постоянное поддержание актуальности и достоверности ЕГПМ — необходимое условие ее существования и функционирования. При этом нужно добиваться, чтобы вновь поступающие данные имели заведомо более высокую точность и детальность, чем те, которые они заменяют. Только таким путем ЕГПМ может постепенно освободиться от ошибок и искажений, привнесенных при ее формировании исходными данными, то есть цифровыми картами.
В таких условиях оптимальной технологией обновления становится лазерное сканирование. Его преимущества — почти абсолютная точность, детальность, высокая оперативность обработки данных. Всего десять лет назад эта технология была слишком дорогой, однако появление малогабаритных лазерных сканеров и беспилотных носителей позволило снизить стоимость получения данных путем лазерного сканирования на порядок.
Лазерное сканирование (с земли, с мобильного или воздушного носителя) в сочетании с другими передовыми технологиями сбора данных (видео-, инфракрасная, мультиспектральная, ультрафиолетовая съемки и проч.) даст возможность не просто формировать модели местности, но и получать реальные данные о техническом состоянии расположенных на ней технологических комплексов — линий электропередачи, электроподстанций, путей сообщения, трубопроводов и т. п.
Лазерное сканирование позволяет легко, почти в автоматическом режиме сравнивать вновь поступившие данные с ранее сформированной моделью и выявлять различия, отклонения, изменения. Это предоставляет возможность проводить аналитическую работу: определять тенденции происходящих на местности процессов, прогнозировать изменения технического состояния антропогенных объектов.
Особое значение приобретает лазерное сканирование с беспилотных летательных аппаратов в районе боевых действий. Оперативное выявление изменений на местности и актуализация пространственных моделей станет важным элементом разведывательной деятельности. В военное время эту задачу предстоит решать воздушно-космическим и прочим средствам разведки, построенным на основе применения отечественных аппаратно-программных средств и систем, включая пилотируемые и беспилотные летательные аппараты. При этом обновление моделей должно осуществляться с учетом специфических для различных видов и родов войск требований к формам представления и качеству получаемых данных.
Понятно, что необходимым условием боевого применения лазерного сканирования (впрочем, как и иных технологий дистанционного зондирования) является полное избавление от аппаратуры зарубежного изготовления, которая в настоящее время занимает господствующее положение на отечественном геоинформационном рынке. Вследствие этого уже сегодня в срочном порядке должны быть подготовлены и поставлены задания на разработку элементов отечественной технологии лазерного сканирования, в том числе:
универсального модуля импульсного лазерного сканера для использования как в стационарном, так и в мобильном режиме, с характеристиками: объем — до 2 л, масса — до 2 кг, потребляемая мощность 100 Вт, тактовая частота 400–1000 кГц;
нормативной документации для цифровых моделей местности, в том числе каталогов объектов, правил их цифрового описания, требований к точности с учетом специфики отдельных отраслей;
комплекса прикладного программного обеспечения для обработки данных лазерного сканирования и сопутствующей информации, формирования моделей объектов с учетом отраслевой специфики;
комплекса прикладного программного обеспечения для работы с цифровыми моделями в интересах управления отдельными отраслями (в том числе и для автоматизированных систем управления) и в процессах управления войсками.
Однако эффективный обмен пространственными данными (в том числе полученными с использованием космической съемки, лазерного сканирования и т. п.) в ходе боевых действий станет возможным лишь при наличии необходимых ресурсов телекоммуникационной и вычислительной инфраструктуры на поле боя. Она должна быть беспроводной, широкополосной, закрытой, адаптивной, обладать необходимой заданной пропускной способностью и включать, помимо полевой сети связи, центры передачи и обработки данных.
При этом вычислительные ресурсы, структура и ресурсы сети связи должны своевременно (в идеале автоматически) адаптироваться к угрозам и темпам развития обстановки, ведения боевых действий. Подобная телекоммуникационно-вычислительная инфраструктура может быть создана на основе беспроводной широкополосной сети передачи данных, включающей подвижные коммутационные центры и базовые станции, терминальные устройства боевых машин, командиров подразделений и отдельных военнослужащих. Задача является достаточно сложной, однако вполне решаемой с использованием имеющегося сегодня опыта построения сетей связи поколений 2G–5G.
Сформулированные выше предложения намечают пути выхода из тупика, в котором сегодня находится отечественная геоинформатика. Реализация предложений позволит решить ряд насущных и наболевших вопросов как в отраслях народного хозяйства, так и в сфере разведывательно-информационного обеспечения войск в ходе планирования боевых действий и управления войсками на поле боя.
А. РУСЛАНОВ, советник генерального директора компании «Информтехпром»
А. РОГАЧЕВ, главный инженер компании «Информтехпром», лауреат премии Правительства РФ
