Kā ĢIS algoritmi automatizē digitālo topogrāfisko kartēšanu

Mūsdienu strauji mainīgajā digitālajā pasaulē nepieciešamība pēc precīzām un atjauninātām topogrāfiskajām kartēm nekad nav bijusi lielāka. Šīs kartes — detalizēti Zemes virsmas dabisko un cilvēka radīto veidojumu attēlojumi — ir būtiskas visam, sākot no pilsētplānošanas un katastrofu pārvaldības līdz lauksaimniecībai un valsts drošībai.

Tomēr daudzas valstis, tostarp Ukraina, cīnās ar novecojušām kartēšanas sistēmām, kas kavē progresu. Stadņikova un kolēģu nesenajā pētījumā, kas publicēts 2025. gadā, tiek pētīts, kā ģeoinformācijas tehnoloģijas (GIT) — rīki, kas vāc, analizē un vizualizē telpiskos datus — var automatizēt digitālo topogrāfisko karšu izveidi un uzturēšanu.

Kritiskā nepieciešamība pēc modernām topogrāfiskajām kartēm

Topogrāfiskās kartes ir vairāk nekā tikai ainavu zīmējumi — tās ir svarīgi lēmumu pieņemšanas rīki. Šajās kartēs tiek izmantotas kontūrlīnijas, simboli un krāsas, lai attēlotu augstumu, ūdenstilpes, ceļus un veģetāciju, nodrošinot reljefa 3D perspektīvu.

Ukrainā vairāk nekā 70% no šīm kartēm ir datētas ar padomju laiku un galvenokārt paredzētas militārai lietošanai. Šīm novecojušajām kartēm trūkst detaļu, kas ir būtiskas mūsdienu vajadzībām, piemēram, zemes augstuma plūdu modelēšanai vai īpašumu robežu pilsētu attīstībai.

Vēl ļaunāk, pēdējo piecu gadu laikā ir atjauninātas mazāk nekā 101 TP3 tūkstoši karšu, neskatoties uz juridisku prasību tās pārskatīt ik pēc pieciem gadiem. Šai kavēšanai ir reālas sekas.

Piemēram, novecojušas kartes sarežģī kara izpostīto pilsētu atjaunošanas centienus vai prognozēt zemes nogruvumus — dabas katastrofas, kas rodas, augsnei un iežiem noslīdot nogāzēs —, kas Ukrainai infrastruktūras bojājumu veidā izmaksā aptuveni 14200 miljonus eiro gadā.

Pētījumā uzsvērts, ka šo karšu modernizācija nav tikai tehnisks uzlabojums, bet gan nepieciešamība ekonomiskās un sociālās stabilitātes nodrošināšanai.

Kas ir automatizētā digitālā topogrāfiskā kartēšana? 

Automatizētā digitālā topogrāfiskā kartēšana attiecas uz progresīvu tehnoloģiju un programmatūras sistēmu izmantošanu, lai izveidotu, atjauninātu un uzturētu detalizētus Zemes virsmas elementu, piemēram, augstuma, reljefa, ūdenstilpņu un cilvēka veidotu struktūru, attēlojumus ar minimālu cilvēka iejaukšanos.

Atšķirībā no tradicionālajām metodēm, kas balstās uz manuālu uzmērīšanu un rasēšanu, ADTM izmanto progresīvas tehnoloģijas, piemēram, ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (ĢIS), dronus, LiDAR (gaismas noteikšanas un diapazona noteikšanas), satelītattēlus un mākslīgo intelektu (AI), lai ģenerētu ļoti precīzas, dinamiskas un mērogojamas kartes ar minimālu cilvēka iejaukšanos.

Šī pieeja revolucionizē tādas nozares kā pilsētplānošana, lauksaimniecība, katastrofu pārvaldība un valsts drošība. Piemēram, Pasaules Bankas 2023. gada ziņojumā tiek lēsts, ka valstis, kas ievieš ADTM, ir samazinājušas karšu atjaunināšanas izmaksas par 40–60% un paātrinājušas projektu termiņus par 70% salīdzinājumā ar manuālajām metodēm.

Ukrainā, kur vairāk nekā 70% topogrāfisko karšu joprojām ir novecojušas, ADTM tiek uzskatīta par kritiski svarīgu instrumentu pēckara atjaunošanai un ekonomikas atveseļošanai.

Kā darbojas ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (ĢIS)

Mūsdienu kartogrāfijas — karšu veidošanas zinātnes un mākslas — pamatā ir ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (ĢIS). Šīs sistēmas apvieno aparatūru, programmatūru, datus un metodes, lai apstrādātu telpisko informāciju, kas attiecas uz datiem, kas saistīti ar ģeogrāfiskām atrašanās vietām. Pētījumā ĢIS tiek iedalīta četrās galvenajās daļās.

1. Pirmais, Tādas iekārtas kā droni (bezpilota lidaparāti jeb UAV), satelīti un augstas izšķirtspējas skeneri vāc neapstrādātus datus. Piemēram, droni var uzņemt detalizētus ainavu attēlus par daudz zemākām izmaksām nekā tradicionālās metodes.
2. Otrais, Programmatūra, piemēram, ArcGIS (augstākās kvalitātes rīks sarežģītai modelēšanai) vai QGIS (bezmaksas, atvērtā pirmkoda alternatīva), apstrādā šos datus, pārvēršot attēlus rediģējamās kartēs.
3. Trešais, paši dati ietver telpiskas detaļas, piemēram, koordinātas un augstumus, kā arī atribūtu informāciju — aprakstošus datus, piemēram, zemes izmantošanu, iedzīvotāju blīvumu vai augsnes tipu.
4. Visbeidzot, tādas metodoloģijas kā vektorizācija — rastra attēlu (uz pikseļiem balstītu formātu, piemēram, JPEG) konvertēšanas process vektoru formātos (rediģējamos ceļos un formās) — un telpiskā analīze automatizē uzdevumus, kas agrāk prasīja manuālu darbu. Kopā šie komponenti nodrošina ātrāku un precīzāku karšu izveidi.

Juridisko un tehnoloģisko šķēršļu pārvarēšana kartēšanā

Ukrainas ceļš uz mūsdienīgu kartēšanu ir pilns ar izaicinājumiem. Stingri likumi, piemēram, 1998. gada Likums par topogrāfiski-ģeodēzisko un kartogrāfisko darbību— noteikums, kas regulē karšu izveidi un atjaunināšanu, — nosaka, ka visi kartēšanas darbi ir jāreģistrē Ukrainas valsts ģeotelpiskās informācijas iestādē StateGeoCadastre.

Lai gan tas nodrošina kvalitātes kontroli, tas rada arī birokrātiskus kavējumus. Kopš 2022. gada kara stāvoklis ir pievienojis vēl vienu sarežģītības slāni: gaisa apsekojumiem tagad ir nepieciešamas Ukrainas Drošības dienesta atļaujas, un šis process var ilgt trīs līdz sešus mēnešus.

Turklāt piekļuve Nacionālās ģeotelpisko datu infrastruktūras ģeoportāliem — tiešsaistes platformām, kurās tiek mitinātas kartes un telpisko datu kopas — ir pieejama tikai verificētiem lietotājiem, tādējādi ierobežojot sabiedrības līdzdalību.

Tehnoloģiju jomā valdības aģentūras bieži izmanto nesaderīgu programmatūru un klasifikācijas sistēmas. Piemēram, viena aģentūra var izmantot ArcGIS, bet cita paļaujas uz AutoCAD Map, kā rezultātā rodas 30% datu dublēšanās un resursu izšķērdēšana.

Šī sadrumstalotība Ukrainai ik gadu izmaksā aptuveni 14,5 miljonus dolāru lieku lauka darbu dēļ, kuros vienu un to pašu teritoriju vairākas reizes apseko dažādas komandas.

Droni revolucionizē topogrāfisko datu vākšanu

Viens no pētījuma daudzsološākajiem atklājumiem ir dronu jeb bezpilota lidaparātu (UAV) izmantošana datu vākšanai. UAV ir attālināti vadāmi gaisa kuģi, kas aprīkoti ar kamerām vai sensoriem.

Tradicionālās metodes, piemēram, satelītattēli, maksā no 500 un 1000 uz kvadrātkilometru, bet droni var sasniegt līdzīgus rezultātus tikai par $to$100. Daži galvenie secinājumi ir šādi:

• Optimāla attēlu pārklāšanāsLopes Bento et al. (2022) atklāja, ka 70% sānu un 50% priekšējā pārklāšanās dronu lidojumos saglabā precizitāti, vienlaikus samazinot lidojuma laiku par 40%.
• Slīpa fotogrāfijaČengs un Macuoka (2021) pierādīja, ka vertikālu un 45 grādu leņķī esošu attēlu apvienošana uzlabo slīpa reljefa 3D modelēšanu, samazinot augstuma kļūdas līdz <1 metram.

Neskatoties uz šīm priekšrocībām, dronu izmantošana Ukrainā joprojām ir ierobežota. 2023. gadā tikai 15% pašvaldībām bija atļaujas veikt bezpilota lidaparātu (UAV) apsekojumus, galvenokārt kara laika gaisa telpas ierobežojumu dēļ. Dronu piekļuves paplašināšana varētu ietaupīt miljonus un paātrināt karšu atjaunināšanu.

Karšu automatizācija kļūdu samazināšanai

Automatizācija — tehnoloģiju izmantošana uzdevumu veikšanai ar minimālu cilvēka iejaukšanos — ir pētījuma ieteikumu stūrakmens. Digitalizējot kartes ar 4800 dpi (punkti collā) skeneriem, tiek saglabātas pat vissīkākās detaļas, piemēram, kontūrlīnijas (līnijas, kas savieno vienāda augstuma punktus) vai īpašumu robežas.

Kad ĢIS programmatūra ir digitalizēta, tā var noteikt izmaiņas jaunajos aerofotoattēlos un atjaunināt datubāzes reāllaikā. Piemēram, jaunu ēku, kas pamanīta drona fotoattēlā, var pievienot kartei dažu stundu laikā, kas iepriekš aizņēma vairākas nedēļas.

Telpiskās analīzes rīki vēl vairāk uzlabo precizitāti, aprēķinot tādus riskus kā plūdi vai zemes nogruvumi ar 95% precizitāti, salīdzinot ar 75% manuālajās metodēs. Šie rīki izmanto algoritmus, lai simulētu scenārijus, piemēram, kā ūdens varētu plūst spēcīga lietus laikā.

Pilotprojekts Odesā demonstrēja šādas priekšrocības: automatizēta vektorizācija — skenētu karšu pārveidošana rediģējamos vektoru slāņos — samazināja darbaspēka izmaksas par 12 000 eiro uz vienu kartes lapu, vienlaikus uzlabojot detaļas. Automatizācija neizslēdz cilvēka ievadi, bet gan novirza to uz stratēģiskiem uzdevumiem, piemēram, kvalitātes kontroli.

Prasmju trūkumu novēršana kartogrāfijā

Būtisks šķērslis modernizācijai ir apmācīta personāla trūkums. Ukrainas kartogrāfu aptauja atklāja, ka 65% trūkst padziļinātas ĢIS apmācības, liekot daudziem paļauties uz novecojušiem rīkiem, piemēram, Globālais kartētājs, pamata ĢIS programmatūra.

Lai pārvarētu šo plaisu, pētījumā tiek ierosinātas sertifikācijas programmas un semināri. Sadarbība ar universitātēm ĢIS kursu piedāvāšanā varētu atspoguļot tādus veiksmīgus modeļus kā ASV ĢIS profesionāļu (GISP) sertifikācija — akreditācija, kas apstiprina kompetenci telpisko datu pārvaldībā.

Praktiska apmācība bezmaksas, atvērtā pirmkoda programmatūrā, piemēram, QGIS (Quantum GIS), padarītu šīs prasmes pieejamas lielākam cilvēku skaitam.

Uzbekistānas pieredze kalpo kā paraugs: pēc līdzīgu apmācību programmu ieviešanas valsts divu gadu laikā palielināja karšu atjaunināšanas efektivitāti par 50%. Investīcijas izglītībā nav tikai tehnoloģijas — tās ir par darbinieku iespēju paplašināšanu pārmaiņu veicināšanā.

Turklāt vērtīgas mācības sniedz Ukrainas sadarbība ar Norvēģijas Kartogrāfijas dienestu no 2018. līdz 2021. gadam. Projekta ietvaros, kura izmaksas bija 8 miljoni, tika atjauninātas 1:50 000 mēroga nacionālās kartes, izmantojot NATO standarta simbolus un centralizētu mākoņdatubāzi.

Mērogs 1:50 000 nozīmē, ka viena vienība kartē ir vienāda ar 50 000 vienībām uz zemes, nodrošinot līdzsvaru starp detalizāciju un pārklājumu. Šī pieeja samazināja datu dublēšanos, ietaupot 15 miljonus lieku izmaksu.

Iedzīvotāji arī ieguva bezmaksas piekļuvi kartēm lauksaimniecības un katastrofu plānošanai, veicinot sabiedrības iesaistīšanos. Lai gan šī partnerība bija veiksmīga, mazāka mēroga kartes (no 1:500 līdz 1:5000), ko izmanto detalizētai pilsētplānošanai, joprojām nesaņem pietiekamu finansējumu, jo tās ir atkarīgas no vietējiem budžetiem, kas bieži vien ir nepietiekami.

Šādas sadarbības paplašināšana varētu palīdzēt Ukrainai standartizēt kartēšanas praksi un nodrošināt starptautisku finansējumu.

Atjaunināto topogrāfisko karšu ekonomiskā ietekme

Topogrāfisko karšu modernizācijas ieguvumi sniedzas daudz tālāk par tehniskiem uzlabojumiem. Piemēram, ĢIS modeļi, kas prognozē zemes nogruvumu riskus Karpatu kalnos — reģionā, kas ir pakļauts augsnes erozijai, — preventīvajos pasākumos varētu ietaupīt 1 TP4 T50 miljonus gadā.

Čerkasu lauksaimnieki jau ir novērojuši ražas pieaugumu par 20% pēc tam, kad zemes izmantošanas optimizēšanai tika izmantotas augsnes erozijas kartes. Šīs kartes identificē apgabalus, kuros augsne zaudē auglību, ļaujot lauksaimniekiem stādīt segkultūras vai veikt ražas maiņu.

Tādās pilsētās kā Harkiva interaktīvās 3D kartes vienkāršoja metro paplašināšanu, samazinot plānošanas laiku par sešiem mēnešiem. Pēckara atjaunošanas centieni lielā mērā balstīsies uz atjauninātām kartēm, lai atjaunotu 12 000 iznīcinātu ēku un atmīnētu 30% lauksaimniecības zemes. Šie piemēri uzsver, kā precīzas kartes var veicināt ekonomikas izaugsmi un uzlabot dzīves kvalitāti.

Secinājums

Stadņikova un kolēģu pētījums skaidri parāda: Ukrainas kartēšanas izaicinājumi ir gan tehniski, gan sistēmiski. Lai gan droni, automatizācija un ĢIS piedāvā spēcīgus risinājumus, panākumi ir atkarīgi no dziļāku problēmu, piemēram, finansējuma trūkuma, birokrātisku kavējumu un prasmju trūkuma, risināšanas.

Datu centralizācija saskaņā ar vienotiem standartiem varētu ietaupīt 1 TP4 T10 miljonus gadā, savukārt dronu ierobežojumu atvieglošana paātrinātu datu vākšanu. Publiska piekļuve kartēm, izmantojot atvērtus ģeoportālus, varētu dot iespēju iedzīvotājiem piedalīties kopienas plānošanā.

Tā kā pasaule arvien vairāk paļaujas uz telpiskajiem datiem klimata rīcībai un viedajām pilsētām — pilsētu teritorijām, kas izmanto tehnoloģijas efektivitātes uzlabošanai —, Ukrainas ceļš kalpo kā ceļvedis citām valstīm. Pieņemot inovācijas un institucionālas reformas, sapnis par reāllaika, kļūdu nesaturošu topogrāfisko kartēšanu ir sasniedzams, un ieguvumi būs jūtami vēl paaudzēm ilgi.

Atsauce: Stadnikov, V., Likhva, N., Miroshnichenko, N., Kostiuk, V., & Dorozhko, Y. (2025). Ģeoinformācijas tehnoloģiju potenciāla izpēte digitālo topogrāfisko karšu izstrādes un uzturēšanas automatizēšanai. African Journal of Applied Research, 11(1), 146.–156. lpp.