„Вселената се осветява от слънцето, човек – от знанието.“

Към настоящия момент геоинформационните системи (ГИС) намират широко приложение във всички сфери на информационната дейност, в това число и във военната област. Например, на основата на ГИС „Панорама” се разработва информационно осигуряване на щабовете на ВМФ. Като правило, преимуществото на използването на ГИС в сравнение с хартиените карти се обосновава с това, че в ГИС може да се включи всякакъв набор от геопространствена информация. Този набор може да има всякакъв обем, той може да бъде обновяван и да се модифицира, може мигновено да се премине към търсения мащаб, към елипсоид и картографска проекция, може да се построи „триизмерен модел” на местността, мигновено да се изчислят множество картометрически задачи, да се оптимизира управлението на динамическите процеси с отчитане на геопространствената информация и т.н. Освен това, счита се, че в ГИС може да се съвместяват данни, получени от различни източници (навигационни, топографски карти, спътникови снимки с високо разрешение), и получаването на високо точни геопространствени масиви от данни. Всичко това впечатлява действително, нищо подобно хартиените карти не позволяват да се прави.

Но сравнението на хартиените карти с ГИС не е съвсем коректно. Хартиената карта – това е плод на творчеството на специалист – картограф, който създава схематично непрекъснато едновременно изображение на местността с отчитане на всички закони в картографията.

Хартиената карта – това е неразривно цялостно представяне на геопространствената среда, способ за съхранение, визуализация и решаване на картомертрически задачи за единен физически обект. (действително, „три в едно”). Всички хартиени карти са подобни по структура, форма и съдържание.

ГИС – това е съвършено друг тип организация на информацията. Това е програмна система, създавана от различни колективи програмисти, които не винаги следват картографските закони. В ГИС няма нищо единно и непрекъснато. В различните ГИС еднакви са само общите принципи: деление на основните части – база за геоинформация, система на визуализация и система за решаване на картометрически задачи, и използване на числов формат с плаваща точка за координатната система. Вътре в тези части се използват различни алгоритми, формати и програмни средства.

Като принципиален източник на противоречия между хартиените карти и ГИС служат различията в способа на обработка на геопространствената информация. Хартиените карти се създават от специалисти – картографи по експертни методи за картографията. Възникващите при създаването на хартиените карти противоречия се изчистват с помощта на опита и интуицията на експерта – картограф. В ГИС геопространствената информация се обработва на основата на програмни алгоритми, в които не е възможно да се включат нито експертните методи на картографите, нито да се автоматизират решенията на проблемните ситуации. Компютърът „не знае” за тях. А проблеми с обработката на геопространствените данни при използване на ГИС за осигуряване на ВМФ възникват от голямото множество. Като източник за тях служат, от една страна някои противоречия на свойствата на самите изходни геопространствени данни, а от друга – особеностите на функциониране на изчислителната техника при обработка на информацията.

По-долу ще бъдат разгледани само някои проблеми, свързани със съгласуваността на разнородна (навигационна и топографическа) информация, с решаването на картометрическите задачи и с визуализацията в ГИС.

За входни данни в ГИС обикновено служи информация, приведена от хартиените карти, а точността на тези данни се определя от точността на мащаба на съответната карта. Трудности с векторизацията на хартиените карти няма. В базата от данни в ГИС може да се включи всякаква информация, само тя да удовлетворява формалния формат на входните данни. Но, ако картографките особености на изходната информация са противоречиви, то указаната свобода на включване в базата на ГИС на такива разнородни данни може да доведе до загубата на ефективност от използването на ГИС.

Хартиените карти традиционно се делят на топографски и навигационни по причина на принципни различия в математическите системни височинни и пространствени координати. Всеки опит за включване в единната база на ГИС на навигационна и топографска информация води до проблеми в съгласуването на височината и пространствената информация. Очевидно е, че в хартиените карти такива отсъстват.

С не еднородността на навигационната и топографската информация са свързани два проблема:

1. Съгласуване на пространствени координати с различна точност от земната повърхност.

2. Привеждане към единна височинна основа на навигационната и топографската информация (дълбочини и височини).

Първият проблем се състои в това, че ширината и дължината за топографските и навигационните карти имат различен смисъл. В действителност в картографията съществуват два типа координати на земната повърхност – астрономически (географски) и геодезически. Астрономическите координати се използват в навигационната картография, а геодезическите – в топографската картография. Линейната разлика между значенията на астрономическите и геодезическите координати зависят от локалната величина на наклона на отвесната линия и може да достигне сто и повече метра (3-4”). На рис. 1 е представено схематичното пояснение на различията между астрономическите и геодезическите координати.

Рис. 1. Различия между астрономическите и геодезическите координати.

Нормалата към земния елипсоид в точка М съответства на астрономическите координати в точка М. Отвесната линия в точка М съответства на геодезическите координати на точката М. Ъгъл u характеризира различията на астрономическите и геодезическите координати в точка М.

Но, освен това обстоятелство, съществуват много други източници на несравнимост на пространствените координати от различните източници. В действителност, всички координати имат погрешност в измерването. Съществуват два основни източника на погрешност: самите процедури на измерване и изменение на динамиката на планетата Земя. И двата източника са обективни и не изключваеми. Но ако величината на погрешността е за сметка на измерването и може да се оцени, то оценката на втората се получава по-сложно. За това е необходимо измерване на кинематиката на движението на Земята: прецесия и нутация на оста на Земята, изменение на формата на геоида и т.н. Погрешността в координатите за сметка на тези причини има порядък по-голям от ъглова секунда.

По този начин, изходната информация за пространствените координати на геопространствените обекти са съществено различно точни. При което в по-голямото си множество точността на пространствените координати е неизвестна. Това води до съществена неопределена погрешност при изчисляване на картометрическите величини, например, разстояния и пеленги между два геопространствени обекта, зададени с пространствени координати с различна точност.

Освен това, в автоматизираната система проблема със съгласуването на пространствените координати с различна точност съществено се усложнява от особеностите на изчислителните операции с пространствени координати, които се извършват с използването на аритметически процесори в ЕИМ. Използването на компютри предизвиква лъжлива илюзия за повишена точност на обработката и при съхранение на пространствените координати. На практика, от теоретична гледна точка значенията на пространствените координати формално се представят с действителни числа без погрешност, но съвременните компютри не поддържат свойствата на аритметическите операции с действителни числа. Това води към това, щото реалната погрешност на пространствените координати в резултат на компютърното представяне и обработка да получават допълнително изкривяване. Може да се каже, че тази страна на проблема се заключава в не съвместимостта на интервалните значения на измерените координати от точковоте им представяне в компютърната система. Разрешаването на този проблем е възможно по пътя на използването, в компютърното представяне на пространствените координати, на специална числова система, добре адаптирана към аритметичните операции в ЕИМ: p – адически числа и (или) безкрайни дроби (дърво на Щтерн-Броко).

При създаването на базата на ГИС, включваща навигационни дълбочини и топографски височини, възниква проблем с привеждането към единна височинна основа на навигационната и топографската информация. Геодезическите височини на територията на Русия както топографските, така и навигационните, трябва да се отчитат от единна нула, например, нулата от Балтийската височинна система. Формално на топографските и на навигационните карти се отбелязва, че височините са дадени в Балтийската система на височините. В действителност, но, ако топографските височини имат геодезическо привързване към геодезическия репер на Балтийската система, то това не може да се каже за навигационните дълбочини. Действително, в съответствие с Правилата на Хидрографската служба № 35 (ПХС-35) в морета с приливи височинната нула, от която се отчитат дълбочините се явява най-ниското теоретично ниво на прилива (НТН). В съответствие с ПХС-35 значението на това ниво се разчита по данни от ежечасовите брегови наблюдения за нивото на морето на основата на алгоритъм, разработен преди 100 години. След това се изчисляват геодезичната височина на НТН на основата на геодезическото привързване на рейката, по която се е провело наблюдението на колебанията на нивото.

Ако са известни геодезическите височини на НТН, то никакви проблеми по сравнението на топографическите височини и навигационните дълбочини няма. Това е тривиална задача. Но тази задача е неразрешима в случай, ако геодезическата височина на НТН е неизвестна. На навигационните карти геодезическата височина на НТН не е приведена. Поради това задачата по съгласуването на височините се превръща в проблем.

Особено ясно този проблем се вижда в определянето на геодезическата височина на бреговата линия (линията на уреза на морето) на навигационните карти, която в съответствие с ПГС-35 трябва да съответства на положението на височината на НТН. Най-ниското теоретично ниво винаги е по ниско от средното ниво на морето по определение. Поради това линията на брега на навигационните карти за морета с приливи винаги имат геодезическа височина съзнателно по-ниска от нулата на Балтийската система на височините. На колко по-ниско? Това е отделен въпрос. Приливните колебания съществено се изменят по протежение на морските брегове, поради това височината на НТН в различните точки от акваторията е различна, и поради това геодезическата височина на навигационната брегова линия се мени по протежение на брега. Информация за геодезическото привързване на НТН по протежение на морските брегове в Русия няма. Поради това съществува проблем в привеждането на топографическите и навигационните дълбочини към единна система на височините.

По-горе този проблем се формулира приложно към приливните морета. Но тя е справедлива и за без приливните морета. Работата е в това, че за тези морета нулата за отчет на дълбочините се явява средното много годишно ниво на морето (10 години). За него също е необходимо да се знае неговото геодезично привързване към Балтийската система на височините. И значението на това привързване също не е известно, както и за приливните морета.

Освен това, проблема се задълбочава от това, че средното ниво на морето се мени с времето и се явява сложна пространствено времева функция, зависеща от много причини, в това число от положението на геоида на Земята. На рис. 2 е приведен график на мигновеното положение на повърхността на приливното ниво на входа в Дуврския пролив в Северно море.

Рис. 2. Пример за моментното положение на повърхността на приливното ниво на входа на Дуврския пролив от Северно море (с течение на времето тази повърхност се „превърта”, изменя своята форма.

Това води до проблеми при оценка на разликите между дълбочините на подводната точка и височината на точка на сушата. В балистическите задачи по разчет на стрелбата на корабната артилерия това води до значителни грешки.

Към настоящия момент съществуват всички условия, за снемането на този проблем. Основен от тях се явява използването на разработената в Русия методика за изчисляване на приливните колебания на откритите акватории по данни от бреговите наблюдения за приливите. Аналози на тази методика няма нито зад граница, нито в отечествени публикации.