Как создаются карты: краткая история картографии

Человечество нуждалось в картах всегда. Сотни лет назад мореплаватели и путешественники уже нанесли расположение материков, большинства островов, крупных рек и гор. К началу 20 века «белых» мест на карте мира практически не осталось, но все-таки точность местоположения большинства объектов оставляла желать лучшего.

Так выглядели карты в XVI веке: кругосветное путешествие Френсиса Дрейка, обратите внимание на очертания материков

Новый виток в развитии картографии появился благодаря возможности аэросъемки местности, а позже и спутниковых систем. Наконец-то люди смогли решить тысячелетнюю задачу — создание идеального объекта ориентирования с максимальной точностью. Но даже тогда все проблемы не закончились.

Требовалось создание инструмента, который бы мог обрабатывать не только спутниковые снимки, но и информацию, которую, например, могут знать только местные жители. Так появились сервисы OpenStreetMap (OSM) и Wikimapia. Давайте более подробно обсудим то, как оцифровывается и становится картой реальный мир.

Фиксация местности

Первые карты появились тысячи лет назад. Конечно, это были непривычные в современном понимании карты, а скорее схемы, где прямыми и волнистыми линиями изображались изгибы рек морей, вершины гор и т.д. Недавно была найдена похожая схематическая карта районов Мадрида возрастом около 14 тысяч лет.

Позже были изобретены компас, телескоп, секстант и другие навигационные приборы, которые в период Великих географических открытий позволили масштабно изучить и нанести на бумагу тысячи географических объектов. Ярким примером этому служит карта Хуана де ла Коса, датированная 1500 годом. Именно середину прошлого тысячелетия принято считать расцветом картографии. Примерно в то время были изобретены основные картографические проекции, математические методы и принципы построения карт. Но все равно этого было недостаточно, чтобы создавать точные карты.

Карта Хуана де ла Коса, 1500 год. На ней уже есть очертания Нового Света

Новый этап в картографии начался с топографической наземной съемки местности, а позже и аэросъемки. Первая снимки труднодоступных участков были сделаны с борта самолета в 1910 году. После аэросъемки местности следует сложный процесс дешифрования изображений. Каждый объект нужно распознать, выявить качественные и количественные характеристики и после зарегистрировать результаты. Проще говоря, нужно учесть три основополагающих фактора: оптику изображения, его геометрию и размещение в пространстве.

Далее идет этап создания рельефа местности. Для этого используются контурно-комбинированный и стереотопографический метод. При первом с помощью геодезических приборов определяются основные высоты местности и затем на снимки наносятся горизонтали географических объектов. При втором методе два снимка накладываются друг на друга таким образом, чтобы получить подобие трехмерного изображения местности, а далее с помощью приборов определяются контрольные высоты.

Появление аэрофотосъемки в XX веке позволило создавать более точные карты и учитывать рельеф местности

Спутниковая съемка

Сейчас наземной- и аэросъемкой занимаются все меньше, а на смену им пришли спутники дистанционного зондирования Земли. Спутниковые снимки открывают перед современными картографами намного более широкий спектр возможностей. Помимо данных о рельефе снимки спутников помогают строить стереоизображения, создавать цифровые модели местности, определять смещение и деформацию объектов и так далее.

Спутники условно можно разделить на обычные и сверхвысокого разрешения. Естественно для фотографирования тайги или океана не нужны очень качественные фотографии, а для определенных территорий или задач спутники, фотографирующие в сверхвысоком разрешении просто необходимы. К таким спутникам, например, относятся модели Landsat и Sentinel, отвечающие за глобальное изучение состояния окружающей среды и безопасности с точностью пространственного разрешения до 10 метров.

Эпоха спутниковой съемки довела точность карт до разрешения 10 метров

Спутники регулярно передают терабайты данных в нескольких спектрах: видимом, инфракрасном и некоторых других. Информация из невидимого для глаза человека спектра позволяет отслеживать изменение рельефа, состояние атмосферы, океана, появление пожаров и даже рост сельскохозяйственных культур.

Данные со спутников принимают и обрабатывают непосредственно их владельцы или официальные дистрибьюторы, такие как DigitalGlobe, Airbus Defence and Space и другие. На основе данных Global Land Survey (GLS), получаемых преимущественно от проекта Landsat было создано множество различных сервисов. Спутники Landsat создают снимки всего земного шара в реальном времени с 1972 года. Именно этот проект остается для всех картографических сервисов главным источником информации при проектировании карт мелкого масштаба.

Спутниковые снимки предлагают широкий спектр данных обо всей земной поверхности, но обычно компании закупают фотографии и данные опционально и для отдельных территорий. Для густонаселенных районов изображения детализируются, а для менее населенных — снимаются в низком разрешении и в общих чертах. В районах с облачностью спутники делают снимки несколько раз, пока не добиваются желаемого результата.

На основе спутниковых снимков и замеров местности создаются векторные карты, которые потом продаются компаниям, печатающим бумажные карты или создающим картографические сервисы (Google Maps, Яндекс.Карты). Самостоятельно составлять карты на основе данных со спутников очень сложное и дорогостоящее занятие, поэтому многие корпорации покупают готовые решения на основе Google Maps API или Mapbox SDK и затем доработать какие-то детали собственным штатом картографов.

Проблемы спутниковых снимков и OpenStreetMap

В теории для того, чтобы создать векторную карту достаточно снимка со спутника и графического редактора или сервиса, с помощью которого можно срисовать с изображения все объекты. Но на деле все не совсем так: практически всегда реальные объекты на поверхности земли не соответствуют цифровым данным на несколько метров.

Искажение происходит из-за того, что все спутники фотографируют под углом к Земле на большой скорости. Поэтому в последнее время для уточнения местоположения объектов стали использовать фото- и видеосъемку, и даже трекинг автомобилей. Также для создания точных карт крайне необходима ортокоррекция — преобразование снимков со спутника, сделанных под углом в строго вертикальные изображения.

Картографические данные, полученные со спутников, требуют коррекции в ручном режиме

И это только малая вершина айсберга. Построили новое здание, на реке появился брод, а часть леса вырубили — все это практически невозможно быстро и точно обнаружить с помощью спутниковых снимков. В таких случаях на помощь приходит проект OpenStreetMap и подобные, работающие по схожему принципу.

OSM — это некоммерческий проект созданный в 2004 году, который представляет собой открытую площадку для создания глобальной географической карты. Любой желающий может внести свой вклад в повышение точности карт, будь то фотоснимки, GPS-треки, видеозаписи или простые знания местных жителей. Комбинируя эту информацию и спутниковые снимки, создаются карты максимально приближенные к реальности. В какой-то степени проект OSM схож с Википедией, где люди со всего мира трудятся над созданием бесплатной базы знаний.

Любой пользователь может самостоятельно редактировать карты, а после проверки и одобрения этих изменений сотрудниами проекта, обновленная карта становится доступной для всех. В качестве основы для создания карт используются GPS-треки и спутниковые снимки компаний Bing, Mapbox, DigitalGlobe. Из-за коммерческих ограничений карты Google и Яндекс нельзя применять.

Открытые картографические проекты позволяют любому человеку присоединиться к созданию точных карт

Чтобы привязать или сместить объекты со спутникового снимка используются геоданные. С помощью GPS-приемника нужно записать как можно большее число точек треков вдоль линейных объектов (дорого, береговой черты, рельсовых путей и т.д.), а после нанести их на спутниковые снимки. Обновлением названий различных объектов с привязкой к геопозиции занимаются компании Yelp, TripAdvisor, Foursquare и др., которые самостоятельно вносят их на OpenStreetMap и Google Maps.

Итог

Прогресс не стоит на месте и картография не стала исключением. Уже сейчас создаются сервисы на основе машинного обучения и нейронных сетей, которые способны самостоятельно добавлять объекты, определять густонаселенные территории и делать анализ карт. Пока что, эта тенденция еще не сильно видна, но в ближайшем будущем, возможно, редактировать карты в OSM людям не придется совсем. Картографы считают, что будущее за автоматическим созданием карт, где машинное зрение будет использоваться для моделирования объектов с точностью до сантиметра.

Для тех, кто хочет знать больше

• Не взлетело: что случилось со сверхзвуковой пассажирской авиацией
• Летающие машины: секретный проект основателя Google Ларри Пейджа
• Как нам обустроить Марс: планы Илона Маска по терраформированию
• От «Лунохода» до Curiosity: эволюция внеземных машин
• Невероятная история советского интерНета, рожденного в Киеве