Як алгоритми ГІС автоматизують цифрове топографічне картографування

У сучасному швидкоплинному цифровому світі потреба в точних та актуальних топографічних картах ще ніколи не була такою великою. Ці карти — детальні зображення природних та створених людиною об'єктів на поверхні Землі — є важливими для всього, від міського планування та ліквідації наслідків стихійних лих до сільського господарства та національної безпеки.

Однак багато країн, включаючи Україну, борються із застарілими картографічними системами, які перешкоджають прогресу. Нещодавнє дослідження Стаднікова та його колег, опубліковане у 2025 році, досліджує, як геоінформаційні технології (ГІТ) – інструменти, що збирають, аналізують та візуалізують просторові дані – можуть автоматизувати створення та підтримку цифрових топографічних карт.

Критична потреба в сучасних топографічних картах

Топографічні карти – це більше, ніж просто малюнки ландшафтів, вони є життєво важливими інструментами для прийняття рішень. Ці карти використовують контурні лінії, символи та кольори для зображення висот, водойм, доріг та рослинності, забезпечуючи тривимірну перспективу місцевості.

В Україні понад 70% цих карт датуються радянськими часами та розроблені переважно для військового використання. Ці застарілі карти не містять деталей, необхідних для сучасних потреб, таких як рельєф місцевості для моделювання повеней або межі власності для міської забудови.

Ще гірше те, що за останні п'ять років було оновлено менше 10% карт, попри законодавчу вимогу переглядати їх кожні півдесятиліття. Ця затримка має реальні наслідки.

Наприклад, застарілі карти ускладнюють зусилля з відновлення пошкоджених війною міст або прогнозують зсуви — стихійні лиха, що трапляються, коли ґрунт і каміння сповзають зі схилів, — що щорічно коштують Україні приблизно 1420 мільйонів рупій у вигляді пошкодження інфраструктури.

У дослідженні наголошується, що модернізація цих карт — це не просто технічне оновлення, а необхідність для економічної та соціальної стабільності.

Що таке автоматизоване цифрове топографічне картографування 

Автоматизоване цифрове топографічне картографування — це використання передових технологій та програмних систем для створення, оновлення та підтримки детальних зображень особливостей поверхні Землі, таких як висота, рельєф, водойми та штучні споруди, з мінімальним втручанням людини.

На відміну від традиційних методів, що базуються на ручному геодезичному обстеженні та кресленні, ADTM використовує передові технології, такі як геоінформаційні системи (ГІС), дрони, LiDAR (система виявлення та визначення дальності світла), супутникові знімки та штучний інтелект (ШІ), для створення високоточних, динамічних та масштабованих карт з мінімальним втручанням людини.

Цей підхід революціонізує такі галузі, як міське планування, сільське господарство, ліквідація наслідків стихійних лих та національна безпека. Наприклад, у звіті Світового банку за 2023 рік оцінюється, що країни, які впроваджують ADTM, зменшили витрати на оновлення карт на 40–601 TP3T та прискорили терміни виконання проектів на 701 TP3T порівняно з ручними методами.

В Україні, де понад 70% топографічних карт залишаються застарілими, ADTM розглядається як критично важливий інструмент для післявоєнної відбудови та економічного відновлення.

Як працюють геоінформаційні системи (ГІС)

В основі сучасної картографії — науки та мистецтва картографування — лежать геоінформаційні системи (ГІС). Ці системи поєднують апаратне забезпечення, програмне забезпечення, дані та методи для обробки просторової інформації, яка стосується даних, пов'язаних з географічними місцями. Дослідження поділяє ГІС на чотири ключові частини.

1. По-перше., обладнання, таке як дрони (безпілотні літальні апарати або БПЛА), супутники та сканери високої роздільної здатності, збирає необроблені дані. Дрони, наприклад, можуть робити детальні зображення ландшафтів за ціною, що значно дешевше, ніж традиційні методи.
2. Другий, програмне забезпечення, таке як ArcGIS (преміальний інструмент для складного моделювання) або QGIS (безкоштовна альтернатива з відкритим кодом), обробляє ці дані, перетворюючи зображення на карти, які можна редагувати.
3. Третій, самі дані містять просторові деталі, такі як координати та висоти, а також атрибутивну інформацію — описові дані, такі як землекористування, щільність населення або тип ґрунту.
4. Нарешті, Такі методології, як векторизація — процес перетворення растрових зображень (піксельних форматів, таких як JPEG) у векторні формати (редаговані контури та фігури) — та просторовий аналіз автоматизують завдання, які раніше вимагали ручної праці. Разом ці компоненти забезпечують швидше та точніше картографування.

Подолання правових та технологічних бар'єрів у картографуванні

Шлях України до сучасного картографування сповнений труднощів. Суворі закони, такі як 1998 року Закон про топографо-геодезичну та картографічну діяльність—нормативний акт, що регулює створення та оновлення карт, — вимагає реєстрації всіх картографічних робіт у Держгеокадастрі, національному геопросторовому органі України.

Хоча це забезпечує контроль якості, це також створює бюрократичні затримки. З 2022 року воєнний стан додав ще один рівень складності: для аерофотозйомки тепер потрібні дозволи від Служби безпеки України, і цей процес може тривати від трьох до шести місяців.

Крім того, доступ до геопорталів Національної інфраструктури геопросторових даних — онлайн-платформ, що розміщені на картах та просторових наборах даних — обмежений для перевірених користувачів, що обмежує участь громадськості.

У технологічному плані державні установи часто використовують несумісне програмне забезпечення та системи класифікації. Наприклад, одна установа може використовувати ArcGIS, а інша — AutoCAD Map, що призводить до дублювання даних 30% та марнування ресурсів.

Така фрагментація щорічно коштує Україні приблизно 145 мільйонів рупій через надмірні польові роботи, коли одна й та сама територія обстежується кілька разів різними командами.

Дрони революціонізують збір топографічних даних

Одним із найперспективніших висновків дослідження є використання дронів, або безпілотних літальних апаратів (БПЛА), для збору даних. БПЛА – це дистанційно керовані літальні апарати, оснащені камерами або датчиками.

Традиційні методи, такі як супутникові знімки, вартістю між 500 та 1000 на квадратний кілометр, але дрони можуть досягти аналогічних результатів лише за $to$100. Деякі ключові висновки включають:

• Оптимальне перекриття зображеньЛопес Бенто та ін. (2022) виявили, що бічне перекриття 70% та пряме перекриття 50% під час польотів дронів забезпечує точність, скорочуючи час польоту на 40%.
• Коса фотографіяЧенг та Мацуока (2021) продемонстрували, що поєднання вертикальних зображень та зображень під кутом 45 градусів покращує 3D-моделювання похилої місцевості, зменшуючи похибки висот до <1 метра.

Незважаючи на ці переваги, використання дронів в Україні залишається обмеженим. У 2023 році лише 15% муніципалітетів мали дозволи на проведення досліджень за допомогою БПЛА, значною мірою через обмеження повітряного простору воєнного часу. Розширення доступу до дронів може заощадити мільйони та пришвидшити оновлення карт.

Автоматизація карт для мінімізації помилок

Автоматизація — використання технологій для виконання завдань з мінімальним втручанням людини — є наріжним каменем рекомендацій дослідження. Завдяки оцифруванню карт за допомогою сканерів із роздільною здатністю 4800 dpi (точок на дюйм) зберігаються навіть найдрібніші деталі, такі як контурні лінії (лінії, що з'єднують точки однакової висоти) або межі власності.

Після оцифрування програмне забезпечення ГІС може виявляти зміни в нових аерофотознімках та оновлювати бази даних у режимі реального часу. Наприклад, нову будівлю, помічену на фотографії з дрона, можна додати на карту за лічені години, завдання, яке раніше займало тижні.

Інструменти просторового аналізу ще більше підвищують точність, розраховуючи такі ризики, як повені чи зсуви, з точністю 95% порівняно з 75% у ручних методах. Ці інструменти використовують алгоритми для моделювання сценаріїв, таких як течія води під час сильної дощу.

Пілотний проєкт в Одесі продемонстрував такі переваги: автоматизована векторизація — перетворення сканованих карт на редаговані векторні шари — знизила витрати на оплату праці на 1–4 тис. фунтів стерлінгів на аркуш карти, одночасно покращуючи деталізацію. Автоматизація не виключає людського втручання, а перенаправляє його на стратегічні завдання, такі як контроль якості.

Подолання прогалин у навичках картографії

Значною перешкодою для модернізації є брак кваліфікованого персоналу. Опитування українських картографів показало, що 65% не мають передової підготовки з ГІС, що змушує багатьох покладатися на застарілі інструменти, такі як Глобальний картограф, базове ГІС-програмне забезпечення.

Щоб подолати цю прогалину, дослідження пропонує програми сертифікації та семінари. Партнерство з університетами для пропонування курсів з ГІС може бути подібним до успішних моделей, таких як сертифікація US GIS Professional (GISP) – кваліфікація, що підтверджує знання в управлінні просторовими даними.

Практичне навчання роботі з безкоштовним програмним забезпеченням з відкритим кодом, таким як QGIS (Quantum GIS), зробило б ці навички доступними для більшої кількості людей.

Досвід Узбекистану слугує взірцем: після впровадження аналогічних навчальних програм країна протягом двох років підвищила ефективність оновлення карт на 50%. Інвестування в освіту — це не лише технології, а й розширення можливостей працівників для впровадження змін.

Крім того, співпраця України з Картографічною службою Норвегії з 2018 по 2021 рік пропонує цінні уроки. Проєкт, вартість якого становила 8 мільйонів, оновив національні карти масштабу 1:50 000 з використанням символів стандарту НАТО та централізованої хмарної бази даних.

Масштаб 1:50 000 означає, що одна одиниця на карті дорівнює 50 000 одиниць на місцевості, що забезпечує баланс між деталізацією та охопленням. Такий підхід зменшив дублювання даних, заощадивши 15 мільйонів на зайвих витратах.

Громадяни також отримали безкоштовний доступ до карт для сільського господарства та планування дій у разі стихійних лих, що сприяло залученню громади. Хоча це партнерство було успішним, карти меншого масштабу (від 1:500 до 1:5000), які використовуються для детального міського планування, залишаються недостатньо фінансованими, покладаючись на місцеві бюджети, яких часто бракує.

Розширення такої співпраці може допомогти Україні стандартизувати свої методи картографування та забезпечити міжнародне фінансування.

Економічний вплив оновлених топографічних карт

Переваги модернізації топографічних карт виходять далеко за рамки технічних удосконалень. Наприклад, моделі ГІС, що прогнозують ризики зсувів у Карпатських горах — регіоні, схильному до ерозії ґрунту, — могли б щорічно заощаджувати 1450 мільйонів фунтів стерлінгів на превентивні заходи.

Фермери Черкас вже спостерігають зростання врожайності сільськогосподарських культур до 20% після використання карт ерозії ґрунту для оптимізації землекористування. Ці карти визначають ділянки, де ґрунт втрачає родючість, що дозволяє фермерам садити покривні культури або проводити чергообіг.

У таких містах, як Харків, інтерактивні 3D-карти спростили розширення метро, скоротивши час планування на шість місяців. Зусилля з повоєнної відбудови значною мірою залежатимуть від оновлених карт для відновлення 12 000 зруйнованих будівель та розмінування 30% сільськогосподарських угідь. Ці приклади підкреслюють, як точні карти можуть стимулювати економічне зростання та покращувати якість життя.

Висновок

Дослідження Стаднікова та його колег малює чітку картину: проблеми картографування в Україні є як технічними, так і системними. Хоча дрони, автоматизація та ГІС пропонують потужні рішення, успіх залежить від вирішення глибших проблем, таких як нестача фінансування, бюрократичні затримки та прогалини у навичках.

Централізація даних за єдиними стандартами може заощадити 1410 мільйонів доларів щорічно, а послаблення обмежень на використання дронів пришвидшить збір даних. Публічний доступ до карт через відкриті геопортали може надати громадянам можливість зробити свій внесок у планування громади.

Оскільки світ дедалі більше покладається на просторові дані для дій щодо зміни клімату та розвитку «розумних міст» — міських районів, які використовують технології для підвищення ефективності, — шлях України слугує дороговказом для інших країн. Завдяки впровадженню інновацій та інституційних реформ мрія про топографічне картографування в режимі реального часу без помилок стає досяжною, а винагорода відчуватиметься протягом поколінь.

Довідка: Стадніков, В., Ліхва, Н., Мірошниченко, Н., Костюк, В. та Дорожко, Ю. (2025). Дослідження потенціалу геоінформаційних технологій для автоматизації розробки та підтримки цифрових топографічних карт. Африканський журнал прикладних досліджень, 11(1), 146-156.