ГИС алгоритмдері сандық топографиялық картаға түсіруді қалай автоматтандырады

Бүгінгі қарқынды дамып келе жатқан цифрлық әлемде дәл және жаңартылған топографиялық карталарға деген қажеттілік бұрын-соңды болмағандай. Жер бетіндегі табиғи және адам қолымен жасалған ерекшеліктердің егжей-тегжейлі бейнеленген бұл карталар қала құрылысы мен апаттарды басқарудан бастап ауыл шаруашылығы мен ұлттық қауіпсіздікке дейінгі барлық нәрсе үшін өте маңызды.

Дегенмен, көптеген елдер, соның ішінде Украина, прогреске кедергі келтіретін ескірген картаға түсіру жүйелерімен күресуде. Стадников пен әріптестерінің 2025 жылы жарияланған жақында жүргізген зерттеуінде кеңістіктік деректерді жинайтын, талдайтын және визуализациялайтын құралдар - геоақпараттық технологиялар (ГИТ) сандық топографиялық карталарды жасау мен күтіп ұстауды қалай автоматтандыра алатыны зерттеледі.

Қазіргі заманғы топографиялық карталарға деген қажеттілік

Топографиялық карталар тек ландшафттардың суреттері ғана емес, сонымен қатар шешім қабылдау үшін маңызды құралдар болып табылады. Бұл карталар жер бедерінің 3D перспективасын қамтамасыз ете отырып, биіктікті, су айдындарын, жолдарды және өсімдіктерді бейнелеу үшін контур сызықтарын, белгілерді және түстерді пайдаланады.

Украинада осы карталардың 70%-ден астамы кеңес дәуірінен қалған, негізінен әскери мақсатта жасалған. Бұл ескірген карталарда су тасқынын модельдеу үшін жер биіктігі немесе қала құрылысына арналған жер шекаралары сияқты қазіргі заманғы қажеттіліктер үшін маңызды мәліметтер жетіспейді.

Одан да жаманы, соңғы бес жылда әрбір жарты онжылдық сайын қайта қарау туралы заңды талапқа қарамастан, 10%-ден аз карта жаңартылды. Бұл кідірістің нақты салдары бар.

Мысалы, ескірген карталар соғыстан зардап шеккен қалаларды қалпына келтіру жұмыстарын қиындатады немесе жер сілкіністерін – топырақ пен тас беткейлерден сырғанап түскен кезде болатын табиғи апаттар – болжайды, бұл Украинаға жылына шамамен $200 миллион инфрақұрылымдық залал келтіреді.

Зерттеуде бұл карталарды жаңғырту тек техникалық жаңарту ғана емес, сонымен қатар экономикалық және әлеуметтік тұрақтылық үшін қажеттілік екені атап өтілген.

Автоматтандырылған сандық топографиялық картаға түсіру дегеніміз не 

Автоматтандырылған сандық топографиялық картаға түсіру дегеніміз - Жер бетінің ерекшеліктерінің, мысалы, биіктік, жер бедері, су айдындары және адам жасаған құрылымдардың егжей-тегжейлі көріністерін адамның минималды араласуымен жасау, жаңарту және қолдау үшін озық технологиялар мен бағдарламалық жүйелерді пайдалану.

Қолмен түсіру және жобалауға негізделген дәстүрлі әдістерден айырмашылығы, ADTM адамның минималды араласуымен жоғары дәлдіктегі, динамикалық және масштабталатын карталарды жасау үшін географиялық ақпараттық жүйелер (ГАЖ), дрондар, LiDAR (жарықты анықтау және қашықтықты өлшеу), спутниктік суреттер және жасанды интеллект (ЖИ) сияқты озық технологияларды пайдаланады.

Бұл тәсіл қала құрылысы, ауыл шаруашылығы, апаттарды басқару және ұлттық қауіпсіздік сияқты салаларда төңкеріс жасауда. Мысалы, Дүниежүзілік банктің 2023 жылғы есебінде ADTM жүйесін енгізген елдер картаны жаңарту шығындарын қолмен жасалатын әдістермен салыстырғанда 40–60%-ге азайтып, жоба мерзімдерін 70%-ге жеделдеткені айтылған.

Украинада 70%-ден астам топографиялық карталар ескірген күйінде қалып отырғандықтан, ADTM соғыстан кейінгі қалпына келтіру және экономикалық қалпына келтіру үшін маңызды құрал ретінде қарастырылады.

Географиялық ақпараттық жүйелер (ГАЖ) қалай жұмыс істейді

Қазіргі заманғы картографияның негізінде – карта жасау ғылымы мен өнері – Географиялық ақпараттық жүйелер (ГАЖ) жатыр. Бұл жүйелер кеңістіктік ақпаратты өңдеу үшін аппараттық құралдарды, бағдарламалық жасақтаманы, деректерді және әдістерді біріктіреді, бұл географиялық орындармен байланысты деректерді білдіреді. Зерттеу ГАЖ-ны төрт негізгі бөлікке бөледі.

1. Бірінші, дрондар (пилотсыз ұшу аппараттары немесе ҰҰА), спутниктер және жоғары ажыратымдылықтағы сканерлер сияқты аппараттық құралдар шикі деректерді жинайды. Мысалы, дрондар ландшафттардың егжей-тегжейлі суреттерін дәстүрлі әдістердің құнынан әлдеқайда төмен бағамен түсіре алады.
2. Екінші, ArcGIS (күрделі модельдеуге арналған премиум құрал) немесе QGIS (тегін, ашық бастапқы кодты балама) сияқты бағдарламалық жасақтама бұл деректерді өңдейді, суреттерді өңделетін карталарға айналдырады.
3. Үшінші, деректердің өзінде координаттар мен биіктіктер сияқты кеңістіктік мәліметтер, сондай-ақ жерді пайдалану, халық тығыздығы немесе топырақ түрі сияқты сипаттамалық деректер бар.
4. Ақырында, векторлау сияқты әдіснамалар - растрлық кескіндерді (JPEG сияқты пиксельге негізделген форматтарды) векторлық форматтарға (өңделетін жолдар мен пішіндер) түрлендіру процесі - және кеңістіктік талдау бұрын қол еңбегін қажет ететін тапсырмаларды автоматтандырады. Бұл компоненттер бірге картаны жылдамырақ және дәлірек жасауға мүмкіндік береді.

Заңды және технологиялық кедергілерді картаға түсіру

Украинаның заманауи картаға түсіру жолындағы сапары қиындықтарға толы. 1998 жылғы сияқты қатаң заңдар Топографиялық-геодезиялық және картографиялық қызмет туралы заң—карта жасау мен жаңартуды реттейтін ереже — барлық картографиялық жұмыстарды Украинаның ұлттық геокеңістіктік органы болып табылатын МемлекеттікГеоКадастрда тіркеуді талап етеді.

Бұл сапаны бақылауды қамтамасыз еткенімен, сонымен қатар бюрократиялық кідірістерді тудырады. 2022 жылдан бастап әскери жағдай күрделіліктің тағы бір деңгейін қосты: әуеден түсіру енді Украина Қауіпсіздік қызметінің рұқсатын талап етеді, бұл процесс үш айдан алты айға дейін созылуы мүмкін.

Сонымен қатар, Ұлттық геокеңістіктік деректер инфрақұрылымының геопорталдарына — карталар мен кеңістіктік деректер жиынтығын орналастыратын онлайн платформаларға — кіру тек тексерілген пайдаланушылармен шектеледі, бұл көпшіліктің қатысуын шектейді.

Технологиялық тұрғыдан алғанда, мемлекеттік органдар көбінесе үйлесімсіз бағдарламалық жасақтама мен жіктеу жүйелерін пайдаланады. Мысалы, бір агенттік ArcGIS пайдалануы мүмкін, ал екіншісі AutoCAD Map-қа сүйенуі мүмкін, бұл 30% деректерінің қайталануына және ресурстардың ысырап болуына әкеледі.

Бұл бөлшектену Украинаға жылына шамамен $5 миллион доллар көлемінде артық далалық жұмыстарға шығын әкеледі, мұнда бір аумақты әртүрлі топтар бірнеше рет зерттейді.

Топографиялық деректерді жинауда төңкеріс жасайтын дрондар

Зерттеудің ең перспективалы тұжырымдарының бірі - деректер жинау үшін дрондарды немесе пилотсыз ұшу аппараттарын (ПҰА) пайдалану. ПҰА - камералармен немесе сенсорлармен жабдықталған қашықтан басқарылатын ұшақтар.

Спутниктік түсірілім сияқты дәстүрлі әдістердің құны 500 және шаршы километрге 1000, бірақ дрондар ұқсас нәтижелерге тек $to$100. Кейбір негізгі тұжырымдарға мыналар жатады:

• Оңтайлы кескін қабаттасуыЛопес Бенто және т.б. (2022) дрон ұшуларында 70% бүйірлік және 50% алға қарай қабаттасу дәлдікті сақтайтынын және ұшу уақытын 40%-ге қысқартатынын анықтады.
• Қиғаш фотосуретЧенг пен Мацуока (2021) тік және 45 градус бұрышты кескіндерді біріктіру көлбеу жер бедерінің 3D модельдеуін жақсартатынын, биіктік қателіктерін <1 метрге дейін азайтатынын көрсетті.

Осы артықшылықтарға қарамастан, Украинада дрондарды пайдалану шектеулі болып қала береді. 2023 жылы тек 15% муниципалитетінде ғана ұшқышсыз ұшу аппараттарына негізделген зерттеулерге рұқсат болды, бұл негізінен соғыс кезіндегі әуе кеңістігінің шектеулеріне байланысты болды. Дрондарға қолжетімділікті кеңейту миллиондаған қаражатты үнемдеуге және карта жаңартуларын жеделдетуге мүмкіндік береді.

Қателерді азайту үшін карталарды автоматтандыру

Автоматтандыру – адамның минималды араласуымен тапсырмаларды орындау үшін технологияны пайдалану – зерттеу ұсыныстарының негізі болып табылады. Карталарды 4800 dpi (дюймге нүктелер) сканерлерімен цифрландыру арқылы тіпті ең ұсақ бөлшектер – контур сызықтары (тең биіктіктегі нүктелерді байланыстыратын сызықтар) немесе меншік шекаралары сияқты – сақталады.

Цифрландырылғаннан кейін, ГАЖ бағдарламалық жасақтамасы жаңа әуе суреттеріндегі өзгерістерді анықтап, дерекқорларды нақты уақыт режимінде жаңарта алады. Мысалы, дрон фотосуретінде байқалған жаңа ғимаратты картаға бірнеше сағат ішінде қосуға болады, бұл бұрын бірнеше аптаға созылатын тапсырма еді.

Кеңістіктік талдау құралдары су тасқыны немесе көшкін сияқты тәуекелдерді қолмен қолданылатын 75% әдісімен салыстырғанда 95% дәлдігімен есептеу арқылы дәлдікті одан әрі арттырады. Бұл құралдар қатты жаңбыр кезінде судың қалай ағып кетуі мүмкін сияқты сценарийлерді модельдеу үшін алгоритмдерді пайдаланады.

Одессадағы пилоттық жоба келесі артықшылықтарды көрсетті: автоматтандырылған векторлау — сканерленген карталарды өңделетін векторлық қабаттарға түрлендіру — әрбір карта парағына еңбек шығындарын $12,000-ға азайтты, сонымен бірге егжей-тегжейлілікті жақсартты. Автоматтандыру адамның қатысуын жоймайды, керісінше оны сапаны бақылау сияқты стратегиялық міндеттерге бағыттайды.

Картографиядағы дағдылардағы олқылықтарды жою

Жаңғыртуға кедергі келтіретін маңызды фактор - білікті мамандардың жетіспеушілігі. Украиналық картографтардың сауалнамасы 65%-де кеңейтілген ГИС дайындығының жоқтығын көрсетті, бұл көптеген адамдарды ескірген құралдарға сүйенуге мәжбүр етеді, мысалы Жаһандық карта жасаушы, негізгі ГАЖ бағдарламалық жасақтамасы.

Бұл олқылықты жою үшін зерттеу сертификаттау бағдарламалары мен семинарларды ұсынады. Университеттермен ГАЖ курстарын ұсыну үшін серіктестік кеңістіктік деректерді басқару саласындағы біліктілікті растайтын сараптама болып табылатын АҚШ ГАЖ маманы (GISP) сертификаты сияқты сәтті үлгілерді көрсете алады.

QGIS (Quantum GIS) сияқты тегін, ашық бастапқы кодты бағдарламалық жасақтама бойынша практикалық оқыту бұл дағдыларды көбірек адамдар үшін қолжетімді етеді.

Өзбекстанның тәжірибесі үлгі ретінде қызмет етеді: ұқсас оқыту бағдарламаларын енгізгеннен кейін, ел екі жыл ішінде картаны жаңарту тиімділігін 50% арқылы арттырды. Білім беруге инвестиция салу тек технологиямен ғана шектелмейді - бұл жұмысшыларды өзгерістерді жүргізуге мүмкіндік беру туралы.

Сонымен қатар, Украинаның 2018 жылдан 2021 жылға дейінгі Норвегияның Картографиялық қызметімен ынтымақтастығы құнды сабақтар береді. 8 миллион долларға бағаланған жоба НАТО стандартындағы белгілерді және орталықтандырылған бұлттық дерекқорды пайдаланып, 1:50 000 масштабтағы ұлттық карталарды жаңартты.

1:50 000 масштабы картадағы бір бірлік жердегі 50 000 бірлікке тең екенін білдіреді, бұл егжей-тегжейлілік пен қамту арасындағы тепе-теңдікті қамтамасыз етеді. Бұл тәсіл деректердің қайталануын азайтып, артық шығындарды 15 миллионға үнемдеуге мүмкіндік берді.

Азаматтар ауыл шаруашылығы және апаттарды жоспарлау үшін карталарға тегін қол жеткізді, бұл қоғамдастықтың қатысуын арттырды. Бұл серіктестік сәтті болғанымен, егжей-тегжейлі қалалық жоспарлау үшін қолданылатын кішігірім масштабты карталар (1:500-ден 1:5000-ге дейін) әлі де қаржыландырылмай отыр, себебі олар көбінесе жетіспейтін жергілікті бюджеттерге сүйенеді.

Мұндай ынтымақтастықты кеңейту Украинаға картографиялық тәжірибені стандарттауға және халықаралық қаржыландыруды қамтамасыз етуге көмектесе алады.

Жаңартылған топографиялық карталардың экономикалық әсері

Топографиялық карталарды жаңғыртудың артықшылықтары техникалық жетілдірулерден әлдеқайда асып түседі. Мысалы, топырақ эрозиясына бейім Карпат тауларындағы көшкін қаупін болжайтын ГАЖ модельдері алдын алу шаралары ретінде жыл сайын $50 миллион үнемдеуге мүмкіндік береді.

Черкассы фермерлері жерді пайдалануды оңтайландыру үшін топырақ эрозиясы карталарын пайдаланғаннан кейін егін өнімділігінің 20% бойынша өскенін байқады. Бұл карталар топырақтың құнарлылығын жоғалтып жатқан аймақтарды анықтайды, бұл фермерлерге жабық дақылдар отырғызуға немесе егінді кезектестіруге мүмкіндік береді.

Харьков сияқты қалаларда интерактивті 3D карталар метрополитенді кеңейтуді жеңілдетіп, жоспарлау уақытын алты айға қысқартты. Соғыстан кейінгі қалпына келтіру жұмыстары 12 000 қираған ғимаратты қалпына келтіру және 30% ауылшаруашылық жерлерін минасыздандыру үшін жаңартылған карталарға көп көңіл бөледі. Бұл мысалдар дәл карталардың экономикалық өсімді қалай арттыра алатынын және өмір сүру сапасын қалай жақсарта алатынын көрсетеді.

Қорытынды

Стадников пен әріптестерінің зерттеуі айқын көріністі көрсетеді: Украинаның картаға түсірудегі қиындықтары техникалық және жүйелік сипатқа ие. Дрондар, автоматтандыру және ГИС тиімді шешімдер ұсынса, табыс қаржыландыру тапшылығы, бюрократиялық кідірістер және біліктілік тапшылығы сияқты терең мәселелерді шешуге байланысты.

Бірыңғай стандарттар бойынша деректерді орталықтандыру жылына $10 миллион үнемдеуге мүмкіндік береді, ал дрондарға шектеулерді жеңілдету деректерді жинауды жеделдетеді. Ашық геопорталдар арқылы карталарға қоғамдық қолжетімділік азаматтарға қоғамдастықты жоспарлауға үлес қосуға мүмкіндік береді.

Әлем климаттық әрекеттер мен ақылды қалалар үшін кеңістіктік деректерге көбірек сүйеніп келе жатқандықтан – тиімділікті арттыру үшін технологияны пайдаланатын қалалық аумақтар – Украинаның сапары басқа елдер үшін жол картасы ретінде қызмет етеді. Инновациялар мен институционалдық реформаларды қабылдау арқылы нақты уақыт режимінде қатесіз топографиялық картаға түсіру арманы жүзеге асады – және оның жемісі ұрпақтан-ұрпаққа сезілетін болады.

Дереккөз: Стадников, В., Лихва, Н., Мирошниченко, Н., Костюк, В., & Дорожко, Ю. (2025). Сандық топографиялық карталарды әзірлеу мен қолдауды автоматтандыру үшін геоақпараттық технологиялардың әлеуетін зерттеу. Қолданбалы зерттеулердің африкалық журналы, 11(1), 146-156.