Геоматика и геопространственная информация

Как современные цифровые технологии помогают военным достичь превосходства в области геопространственных данных 16 Июнь 2015, 10:32

Информация о пространственных параметрах и события, имеющие географическую привязку — основа для успешного проведения любой военной операции. И современное «цифровое боевое пространство» — в современном английском языке все чаще можно встретить термин digital battlespace — сулит новые перспективы в повышении общей ситуационной осведомленности и проведении скоординированных маневров. Тем не менее факты остаются фактами: военному контингенту НАТО в Афганистане приходилось использовать бумажные карты, созданные еще в Советском Союзе. А боевые операции в Африке проводятся с мелкомасштабными общегеографическими картами или устаревшими описаниями местности.

Военная картография сегодня

Цифровая эпоха породила целый ряд новых научных дисциплин. Геоматика — одна из них. Соответствующий термин, обозначавший направление исследований на стыке географии и информатики, впервые ввел в употребление в начале 1980-х канадский геодезист Мишель Паради (Michel Paradis), считавший, что цифровые технологии радикально изменят его область профессиональной деятельности.

Геоматика как прикладная дисциплина включает геодезическую съемку и картографию, а также фотограмметрию (использование фотоснимков для топосъемки и составления карт) и дистанционное зондирование. Кроме того, в геоматику входят технологии, связанные с геопространственными информационными системами (geospatial information systems, GIS) и системой глобального позиционирования (GPS).

У людей, знакомых с географией в объеме школьного курса, может сложиться ложное представление, что за несколько сотен лет существования картографии — в ее современном понимании — была проведена геодезическая съемка всей поверхности Земли. Однако это далеко не так. Картография сегодня является непрерывным процессом, так как окружающая нас среда постоянно меняется (вспомним ледниковые покровы, береговые зоны или вырубку лесов).

Но что еще более важно, сегодня значительно выросли требования к качеству соответствующей информации — появление высокоточной навигации и систем наведения открыли новое измерение и для более тщательного анализа поверхности Земли. Сегодня точные геопространственные данные необходимы буквально повсюду — экспедиционным подразделениям для зачистки пути следования от фугасов, спецгруппам, ведущим боевые действия в городских условиях, подводникам — в районах со слабо исследованным морским дном.

Сбор данных:
точные и быстрые датчики

Ремесло военного топографа не кануло в Лету, как может показаться на первый взгляд, но его инструменты значительно изменились. Так, датчики для наземных измерений постепенно интегрировали в себя лазерные технологии для высокоточного измерения дальности. Значительно выросла и точность определения координат — благодаря появлению спутниковых систем глобального позиционирования GPS и ГЛОНАСС, а начиная с 2014 года — их европейских и китайских аналогов, Galileo и Beidou.

Дифференциальная точность
В некоторых регионах планеты для точного определения координат местонахождения используется дифференциальная система GPS (DGPS). Например, последнее поколение приемников серии Trimble Pro вкупе с подпиской на сервис европейской геостационарной службы навигационного покрытия EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) предлагает субметровую точность и при этом обладает немалой стойкостью к атмосферной и пространственной деградации сигналов — результирующие измерения наземных опорных точек, особо важных для геодезии и картографии, практически безошибочны.

В отдаленных или контролируемых противником районах сложность безопасного доступа к наземным измерениям, а также многочисленные помехи (лиственные деревья, строения) привели к развитию — начиная с 1940 годов — методов дистанционного зондирования. Быстрое развитие аэрофотосъемки позволило фиксировать информацию об обширных поверхностях земли и моря, а использование методов многоточечной триангуляции обеспечило доступ к точным координатам, лишенным влияния помех.

Стереоскопическая аэрофотосъемка является источником информации об изменении высот местности. Распространение датчиков и технологий цифровой обработки изображения значительно ускорило развитие фотограмметрии, открыв новые возможности для интеграции данных, полученных в разных областях электромагнитного спектра — комбинация лазерных, инфракрасных, оптических и радиочастотных методов позволяет собирать информацию в любое время суток и в том числе, находясь выше уровня облаков. 
В фотограмметрии используются различные источники. Один из них — низковысотная аэрофотосъемка (на снимке — Лагуна-Бич, Калифорния)
Использование видеосредств имеет массу дополнительных преимуществ — от использования недорогих сенсоров до доступности информации с датчиков в реальном времени. Simactive, канадский разработчик ПО для фотограмметрии, недавно представила новую версию своего пакета Correlator 3D, готовую к работе с системами датчиков небольших беспилотников. Но наиболее заметные изменения в авиационном дистанционном зондировании начались с интеграцией активных датчиков, работающих в невидимом диапазоне. Так, лидары, использующиеся для лазерного сканирования земной поверхности, идеально подходят для регистрации небольших перепадов высот. Изначально разработанный для измерения полога лесонасаждений и береговой эрозии лидар превратился в основное средство для создания цифровых моделей рельефа (digital elevation models — цифровое представление изменения высот рельефа дополненное слоем флоры и объектов, созданных человеком).
Кроме того, наблюдение с воздуха получило немалую выгоду из прогресса в развитии цифровых видеосистем, генерирующих полнокадровое видео (full motion video, FMV) с постоянно увеличивающимся разрешением и расширенным набором метаданных, включая геолокационные. Специализированные решения, использующие такое видео, активно используют метаданные, корректируя ошибки, присущие мобильным платформам, для создания картографической информации и данных о важных объектах. 

Беспилотная картография: полный контроль

Недавно созданная 2d3 Sensing предоставляет специалистам возможность использования точек привязки между собранной визуальной информацией и эталонной картой. Для каждого видеокадра независимое от типа сенсоров ПО может отображать положение платформы и траекторию полета, а также точку, в которую была направлена камера. Дополнительные телеметрические данные помогают определить координаты каждого пикселя, что позволяет подготовить геопространственную информацию, пригодную для использования разведкой или целеуказания. Совместно с ESG Elektroniksysteme компания разработала для ВМС Германии систему формирования, использования и дальнейшего распространения полученных изображений для использующихся немецким флотом беспилотников Northrop Grumman/Airbus Defence & Space EuroHawk. Harris предоставляет схожую возможность для пользователей комплекса FAME, который собирает, индексирует и предоставляет полученную видеоинформацию заинтересованным сторонам, хотя и с меньшим разрешением на покадровом уровне.

Еще больший толчок развитию систем визуализации с воздуха и дистанционному зондированию дало начало космической эры. Так как спутниковые комплексы формирования изображений менее подвержены влиянию атмосферных помех и имеют предсказуемые искажения, космическая разведка становится приоритетной в сборе данных о больших регионах Земли, тем более что она не имеет ограничений, связанных с суверенным воздушным пространством отдельных стран мира. Первые спутники ДЗЗ, появившиеся в 1960-х, были одним из наиболее ценных стратегических активов, служащих для получения информации о территории противника и средством для разрешения кризисных ситуаций — до тех пор, пока цифровые камеры и услуги коммерческих спутников не стали массово доступны.

Возможности дистанционного зондирования Земли значительно выросли с появлением радаров с синтезированной апертурой, благодаря чему стало возможным получать изображения в любое время суток и при любых погодных условиях. Их меньшее разрешение и чувствительность к перепадам высот превратило спутники, оснащенные подобной аппаратурой, в идеальный инструмент для создания цифровых моделей рельефа, что расширило возможности традиционной картографии.

Планировщик для спутника

Для доступа к инструментам спутникового ДЗЗ операторы сегодня используют специальные приложения Satellite Toolkit (AGI) и STK/Scheduler and Collection Planning & Analysis Workstation (CPAW) от Orbitlogic.

Последний, в рамках контракта с Центром геопространственной разведки Армии США (US Army’s Geospatial Centre), полученного MDA Information Systems по программе Remote Ground Terminal, предоставляет возможности планирования сбора визуальной информации со спутников при работе с коммерческими поставщиками.

Благодаря использованию коммерческих спутников военные пользователи могут сфокусировать ограниченные ресурсы спутников-разведчиков на видовой разведке и определении объектов для нанесения ударов, в то время как коммерческие операторы, столкнувшиеся с ограничениями по использованию ресурсов, полагаются на специализированные приложения, управляющие доступом к средствам космического ДЗЗ. 
Немалое значение имеет и возможность совместного использования космических ресурсов. Новые модели взаимодействия позволяют значительно ускорить обновление изображений особо важных регионов. Вместе с тем возрастает важность использования наземных опорных точек, упрощающих коррекцию неизбежных ошибок.

Использование данных: мощное ПО

Даже самые современные датчики бесполезны без соответствующего программного обеспечения для проведения калибровки, коррекции, фильтрации и интерпретации полученной информации. И здесь особое значение приобретает растущее количество получаемых от датчиков метаданных, которые расширяют возможности по предварительному сбору данных. Некоторые из «вручную» интерпретируются операторами, другие — упрощают автоматизацию соответствующих процессов. Для работы с такими данными обычно используется системы TCPED (Tasking, Collection, Processing, Exploitation and Dissemination, «задачи, сбор данных, обработка, использование, распространение).
Коммерческое ПО имеет тенденцию к стиранию различий между фотограмметрией (обработка визуальных данных, полученных с датчиков) и геопространственными информационными системами (извлечение и анализ особенностей определенной территории в базах данных для управления картографическими данными и информацией о перепадах высот). Даже в Adobe Photoshop сегодня есть возможности обработки изображений, которые могут пригодиться картографам — например, инструменты для измерений, фильтры исправления искажений для плоских поверхностей, а также средства для сглаживания цветов и текстур.
Программное обеспечение от Leica Geo Systems и Intergraph — обе компании входят в группу Hexagon Geosystems — представляет возможности интеграции и анализа данных, полученных с множественных датчиков. Другой пакет ПО — от Erdas Imagine — используется для работы с потоковыми данными от систем датчиков, идентификации и коррекции неточной информации, а также создания высокоточных изображений с последующей ее передачей на системы С2 (управление) и ISR (разведка, наблюдение, рекогносцировка).
Программный пакет от Erdas Imagine позволяет обрабатывать информацию от систем датчиков
Другие примеры — TCPED-решения от BAE Systems и Overwatch Systems Geospatial Operations (OSGO, входит в промышленную группу Textron). Если BAE Socet GXP представляет собой ПО двойного назначения, то RemoteReview, программный пакет от OSGO, уже отвечает самым строгим требованиям, предъявляемым Пентагоном.
За пределами США сложно найти специализированные военные картографические решения. Британия недавно объявила о начальной боевой готовности одной из составляющих своей программы Picasso, армейской геопространственной разведывательной системы, разрабатываемой Lockheed Martin UK Information Systems. Реализация программы Field Deployable Geoint (FDG) была доверена промышленной группе Socrates под руководством Lockheed Martin UK. В ее рамках согласно требованиям Британской объединенной группы разведывательных сил (British Joint Force Intelligence Group) были созданы 11 мобильных двухместных контейнеров-рабочих мест для эксплуатации в боевых условиях. Французский вариант — Moyens Géographiques Projetables — разрабатывался Thales и уже использовался в Афганистане и Мали для предоставления геопространственных систем экспедиционным силам и был высоко оценен за практичный набор средств и инструментов. 
Встречаются и другие TCPED-решения — израильский IAI/Elta Systems EL/S-8994RT Ricent, пакет от южноафриканской Geo Data Design, французский Actint от Airbus Defence & Space — какие-то из них могут на равных тягаться с лидерами рынка, другие предоставляют лишь базовый набор функций.

Информационные решения: мир ГИС

Геопространственные информационные системы (ГИС) объединяют, используют и анализируют геопространственные данные, представляя их в виде растровых или векторных слоев, перед подготовкой универсальных или специальных геопространственных информационных продуктов. По сути, ГИС обычно находились где-то посередине между системами сбора данных и системами их использования. Но сегодня имеется тенденция расширения возможностей ГИС за счет внедрения современных средств обработки информации, поступающей с датчиков — для использования информации, полученной со средств видовой разведки, лидаров, видео. Другой тренд — обеспечение растущей потребности в решениях, ориентированных на бизнес, но созданных военными картографами. Еще сильнее запутывают ситуацию спутниковые операторы, которые разрабатывают собственные сервисы ГИС. Более того, практически каждое военное или сделанное на заказ решение по работе с геопространственной информацией включает интерфейс или модули коммерческой ГИС. Но количество полноценных решений для военного использования на самом деле не так велико. Требования к таким продуктам касаются максимально точной геопривязки, контроля качества, а также наличия специальных инструментов, таких как редактирование координатной сетки или работа с тактическими условными знаками.

FalconView: образец для подражания

FalconView — один из немногих ранних примеров ПО для специализированной военной картографии. Разработанная для работы под Windows Технологическим институтом Джорджии в середине 1990-х эта программа была бесплатной и предназначалась для ВС США (преимущественно — для ВВС и спецназа).

Falcon View продолжает пользоваться огромной популярностью — сегодня ее используют около 40 тыс. военных специалистов. Успех этого приложения для работы с растровыми картами привел к тому, что даже в новейших — и более совершенных — программных продуктах используется интерфейс, позаимствованный из FalconView.

Коммерческий спрос

Рынок ГИС все активнее смещается в сторону создания коммерческих приложений, и на нем есть лишь несколько ключевых игроков. Безусловным лидером здесь является Esri, которой принадлежит 35% глобального рынка решений военного назначения. В США активное распространение их пакета Commercial Joint Mapping Tool KIT (CJMTK) в начале 2000-х превратило компанию в ключевого поставщика Пентагона, который сегодня покупает и распространяет пакет Esri ArcGIS в Вооруженных силах США (роль системного интегратора играет Northrop Grumman).
В набор функций и модулей ArcGIS входит буквально все, что может понадобиться специалисту по работе с геопространственными данными — от формирования изображений и интеграции данных с лидаров до специальных шаблонов для систем C4I.
Очередным успехом Esri можно считать решение руководства НАТО по применению ArcGIS в качестве центрального компонента ГИС в С2-архитектуре этого военного блока.
Свою долю рынка пытаются отхватить и другие игроки. Например, Intergraph со своим пакетом GeoMedia GIS (на иллюстрации). Но позиции дуэта Esri-Microsoft сегодня можно считать непоколебимыми.
Несмотря на бурное развитие ГИС и появление функциональных расширений к ним, у военных пользователей все еще имеется необходимость в специализированных решениях. Даже самые мощные коммерческие приложения, несмотря на высокоуровневую автоматизацию и возможности вроде монтажа аэрофотоснимков в режиме реального времени или мгновенной идентификации строений из неоднородных картографических данных, имеют свои недостатки. Например, они нередко «сглаживают углы», выравнивая или упрощая данные полученные с датчиков, они могут снижать точность и отслеживаемость, что неприемлемо в случае военного применения. Именно поэтому наиболее совершенные военные решения, имеющие отношение к геопространственной информации, все еще используют собственные алгоритмы на этапах от обработки данных до анализа.

Распространение геопространственных решений: стандартизированные и сервис-ориентированные

Ключевую роль в стандартизации играет Открытый геопространственный консорциум (OGC), в который активно инвестирует Национальное агентство геопространственной разведки США (NGA). Консорциум выполняет роль коммуникационного «хаба» для всех компаний, работающих на рынке — от крупнейших разработчиков ГИС и системных интеграторов до поставщиков аппаратных компонентов. Кроме того, OGC задает нужное направление в развитии соответствующих программных стандартов и даже самостоятельно разрабатывает собственные — стандарт Geopackage (GPKG), «упаковывающий» растровую, векторную и символьную информацию в формат базы данных и облегчающий обмен информацией между неоднородными средами, сегодня на равных конкурирует со стандартами, разработанными крупными игроками.
В распространении геопространственных информационных решений играют важную роль и распределенные архитектуры. В силу ряда причин их внедрение на тактическом уровне пока тормозится — соответственно, использование таких функций, как быстрый браузинг, цифровое моделирование рельефа с высоким разрешением, виртуальные «пролеты» над районом проведения военных операций сегодня используются довольно редко.
Геопространственные технологии становятся все более высокоинтегрированными и обладают возможностями, которые ранее были невообразимыми. Но за красивой оболочкой интерфейсов стоят жесткие требование, строгий экспертный подход, контроль качества — все это приходится учитывать на каждом этапе внедрения соответствующих систем.

Большие геопространственные данные

Распространение доступных датчиков и их растущая точность создают проблемы хранения и поиска информации как для операторов, так и для пользователей. Например, коммерческий спутник ДЗЗ WorldView-2, принадлежащий компании DigitalGlobe, ежедневно генерирует около 1 терабайта данных, а разведывательный беспилотник, круглосуточно наблюдающий за обширным районом — несколько петабайт. Таким образом, геопространственные системы уже сегодня рассматриваются как один из приоритетных кандидатов на работу с облачными сервисами и системами обработки больших данных. 
WorldView-2 — коммерческий спутник, предназначенный для наблюдения Земли, принадлежит компании DigitalGlobe. Спутник WorldView-2 входит в группу из 6 спутников (QuickBird, WorldView-1, WorldView-2, WorldView-3, GeoEye, IKONOS).
Уважаемые читатели! Вы ознакомились с вводным разделом статьи "Геономика и геопространственная информация".

Полностью текст материала, включающего разделы "Составляем сухопутные карты", "Карты для авиации",
"Картография океанов"  "Картография для «городских джунглей»", можно прочитать на страницах журнала Technowars.