company_banner

Как создаются карты

    image
    Нарисованная от руки карта в Массачусетском музее современного искусства


    Современным картографам гораздо проще, чем их коллегам из прошлого, создававшим далекую от идеала схему с весьма приблизительными расчетами местоположения объектов. До начала XX века картография менялась медленно и, хотя белых пятен к тому моменту почти не осталось, точностью карты похвастаться не могли.


    С началом эры аэросъемки местности картографы получили отличный инструмент, позволявший составить детальный план любой территории. Спутниковая съемка должна была, по идее, завершить тысячелетнюю работу по созданию идеального инструмента ориентирования, но картографы столкнулись с новыми проблемами.


    Как инструмент решения картографических проблем и ошибок, появился проект OpenStreetMap (OSM), на основе данных которого существует наш сервис MAPS.ME. В OSM огромное количество данных: не только обрисованные спутниковые снимки, но и информация, которую знают только местные жители. Сегодня мы подробнее расскажем, как оцифровывается и становится картой реальный мир.


    Фотофиксация местности


    image
    Возраст этой карты — 14 000 лет


    Первые карты появились еще в период первобытной истории. Изгибы рек, гребни, овраги, скалистые пики, звериные тропы — все объекты обозначалось простыми насечками, волнистыми и прямыми линиями. Последующие карты недалеко ушли от первых схематичных рисунков.


    Изобретение компаса, телескопа, секстанта, других приборов морской навигации, и последовавший вслед за этим период Великих географических открытий, привели к расцвету картографии, но карты все еще оставались недостаточно точными. Использование различных приборов и математических методов не могло стать решением проблемы — в конце концов, карты рисовал человек, используя описание или схемы, созданные на натуре.


    Новый этап в развитии картографии начался с топографической съемки. Впервые наземные съемочные работы для изготовления топографических карт начали выполняться в 16 веке, а первые аэрофототопографические съемки труднодоступных территорий были выполнены в 1910-е годы. В России как кадастровые, так и пресловутые «карты генштаба», точность и покрытие которых на тот момент времени оказались беспрецедентными, создавались топографами с помощью теодолита.


    image
    Пример дешифрования середины прошлого века


    После аэросъемки необходим длительный и сложный этап дешифрования. Объекты на снимке нужно выявить и распознать, установить их качественные и количественные характеристики, а также зарегистрировать результаты. Метод дешифрования основывается на закономерностях фотографического воспроизведения оптических и геометрических свойств объектов, а также на взаимосвязях их пространственного размещения. Проще говоря, учитываются три фактора: оптика, геометрия изображения и пространственное размещение.


    Для получения данных о рельефе используются контурно-комбинированный и стереотопографический методы. При первом методе непосредственно на местности с помощью геодезических приборов определяют высоты важнейших точек поверхности и затем на аэрофотоснимки наносят положение горизонталей. Стереотопографический метод подразумевает частичное перекрытие друг другом двух снимков таким образом, чтобы на каждом из них изображался один и тот же участок местности. В стереоскоп этот участок выглядит как трехмерное изображение. Далее по этой модели с помощью приборов определяют высоты точек местности.


    Спутниковая съемка


    image
    Пример стереопары со спутника WorldView-1


    Схожим образом, создавая стереоизображение, работают и спутники. Информацию по рельефу (и многие другие данные, включая радарную интерферометрию — построение цифровых моделей местности, определение смещений и деформаций земной поверхности и сооружений), предоставляют радарные и оптические спутники дистанционного зондирования Земли.


    Спутники сверхвысокого разрешения фотографируют не все подряд (бескрайние сибирские леса не нужны в высоком разрешении), а по заказу для определенной территории. К таким спутникам относятся, например, Landsat и Sentinel (на орбите находятся Sentinel-1, ответственный за радарную съемку, Sentinel-2, ведущий оптическую съемку поверхности Земли и изучение растительности, и Sentinel-3, наблюдающий за состоянием мирового океана).


    image
    Изображение Лос-Анджелеса, снятое спутником Landsat 8


    Спутники присылают данные не только в видимом спектре, но и в инфракрасном (и еще нескольких других). Данные из невидимых для глаза человека диапазонов спектра позволяют анализировать типы поверхности, следить за ростом сельскохозяйственных культур, выявлять пожары и многое другое.


    image


    image


    Изображение Лос-Анджелеса включает в себя полосы частот электромагнитного спектра, соответствующие (в терминологии Landsat 8) диапазонам 4-3-2. Landsat обозначает красный, зеленый и синий сенсоры как 4, 3 и 2 соответственно. Полноцветное изображение появляется при комбинации изображения с этих сенсоров.


    Принимают и обрабатывают данные владельцы спутников и официальные дистрибьютеры — DigitalGlobe, e-Geos, Airbus Defence and Space и другие. В нашей стране основными поставщиками спутниковых снимков являются «Российские космические системы», «Совзонд» и «Сканэкс».


    image


    Множество сервисов создано на основе наборов данных Global Land Survey (GLS) от US Geological Survey (USGS) и NASA. GLS получают данные преимущественно от проекта Landsat, создающего спутниковые фотоснимки всей планеты в реальном времени с 1972 года. С помощью Landsat можно получить сведения обо всей земной поверхности, а также об ее изменениях за последние десятилетия. Именно этот проект для всех публичных картографических сервисов остается главным источником данных дистанционного зондирования Земли по мелким масштабам.


    image
    Багамские острова с точки зрения MODIS


    Сканирующий спектрорадиометр среднего разрешения MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) расположен на спутниках Terra и Aqua, являющихся частью комплексной программы NASA EOS (Earth Observing System). Разрешение получаемых изображений грубее результатов большинства других спутников, но охват позволяет получать ежедневную глобальную коллекцию снимков практически в режиме реального времени.


    Мультиспектральные данные полезны для анализа земной поверхности, океана и атмосферы, позволяя в оперативном режиме (буквально за несколько часов) изучать изменения облаков, снега, льда, водных объектов, состояние растительности, отслеживать динамику наводнений, пожаров и т.д.


    image


    «Living Atlas of the World» — атлас, содержащий карты и данные, посвященные множеству тем: населению, бизнесу, ландшафту, климату, транспорту и др.


    Геопортал Роскосмоса — бесплатный (частично) источник данных. Спутниковые снимки предоставлены Роскосмосом и NASA, картографические данные — OpenStreetMap и Росреестром, средства поиска — GeoNames и OpenStreetMap Nominatim.


    image


    Кроме спутников есть еще одно перспективное направление «вертикальной» съемки — получение данных с дронов. Так компания DroneMapper отправляет дроны (редко — квадрокоптеры) для съемок фермерских угодий — получается экономичнее, чем использовать спутник или самолет.


    Спутники предоставляют огромное количество разнообразной информации и могут сфотографировать всю Землю, но компании заказывают данные только для нужной им территории. В связи с дороговизной спутниковой съемки, компании предпочитают детализировать территории крупных городов. Все, что считается малонаселенной местностью, обычно снимается в самых общих чертах. В регионах с постоянной облачностью спутники делают новые и новые снимки, добиваясь четкого изображения и повышая затраты. Впрочем, некоторые IT-компании могут позволить себе закупать снимки целыми странами. Например, Bing Maps.


    На базе спутниковых снимков и замеров на местности создаются векторные карты. Обработанные векторные данные продают компаниям, печатающим бумажные карты и/или создающим картографические сервисы. Рисовать карты самостоятельно по спутниковым снимкам дорого, поэтому многие компании предпочитают купить готовое решение на базе Google Maps API или Mapbox SDK и доработать собственным штатом картографов.


    Проблемы спутниковых карт


    image


    В простейшем случае, чтобы нарисовать современную карту, достаточно взять снимок со спутника или его фрагмент и перерисовать все объекты в редакторе или в каком-нибудь сервисе online interactive map creator. На первый взгляд в примере выше из OSM все отлично — дороги выглядят, как и должны выглядеть. Но это только на первый взгляд. На самом деле эти цифровые данные не соответствуют реальному миру, так как они искажены и сдвинуты относительно реального расположения объектов.


    Спутник фотографирует под углом на большой скорости, время фотографирования ограничено, снимки склеиваются… Ошибки накладываются друг на друга, поэтому для создания карт стали использовать фото- и видеосъемку на местности, а также геотрекинг автомобилей, который является очевидным доказательством существования определенного маршрута.


    image
    Пример снимка, на котором возникла проблема из-за плохой орторектификации: у воды треки легли отлично, а на горе справа — съехали


    Рельеф, условия съемки и тип камеры влияют на появление искажений в снимках. Процесс устранения искажений и преобразования исходного снимка в ортогональную проекцию, то есть такую, при которой каждая точка местности наблюдается строго вертикально, называют орторектификацией.


    image
    Перераспределение пикселей на изображении в результате ортокоррекции


    Использовать спутник, который снимал бы только над заданной точкой, затратно, поэтому съемка ведется под углом, который может достигать 45 градусов. С высоты в сотни километров это приводит к значительным искажениям. Для создания точных карт качественная орторектификация жизненно необходима.


    Карты быстро теряют актуальность. Открыли новую парковку? Построили объездную дорогу? Магазин переехал по другому адресу? Во всех этих случаях устаревшие снимки территории становятся бесполезны. Не говоря уже о том, что множество важных деталей, будь то брод на реке или тропа в лесу, не видны на снимках из космоса. Поэтому работа над картами — это процесс, в котором невозможно поставить финальную точку.


    Как делают карты OpenStreetMap


    image
    Изображение


    OpenStreetMap — некоммерческий картографический проект, в котором сообщество пользователей со всего мира создает открытую, бесплатную географическую карту. Для создания карт применяют данные с персональных GPS-трекеров, аэрофотографии, видеозаписи, спутниковые снимки, а также знания человека. Ближайший проект, с которым можно сравнить OSM — это Википедия. Аналогичным образом в OSM любой пользователь редактирует карту, а данные проекта распространяются на условиях свободной лицензии.


    В OpenStreetMap используют в качестве основы для карт GPS-треки, записанные пользователями, и спутниковые снимки от компаний Bing, Mapbox, DigitalGlobe. Карты коммерческих компаний, например Google и Яндекса, нельзя использовать из-за юридических ограничений.


    Снимки привязываются к местности автоматически на этапе получения. Сканы также можно привязать с помощью опорных точек с известными координатами, полученными из треков либо ассоциированными с пунктами геодезической сети.


    При редактировании карт снимки со спутников в OSM всегда сдвигаются так, как показывают записанные на земле треки, компенсируя большинство ошибок. Есть масса приложений, позволяющих записывать GPS-треки и делиться ими, например, Geo Tracker, Strava (Android) и GPX Tracker (iOS).


    Создатель карты на спутниковом снимке первым делом рисует дороги, используя данные треков. Поскольку треки описывают перемещение в географических координатах, по ним легко определить, где именно проходит дорога. Затем наносятся все остальные объекты. Недостающие и площадные объекты создаются по снимкам, а подписи, указывающие на принадлежность объектов либо дополняющие их справочной информацией, берутся из наблюдений или реестров.


    Чтобы создать карту, наполненную различной информацией, используют географическую информационную систему (ГИС), предназначенную для работы с геоданными — для их анализа, преобразования, аналитики и печати. С ГИС можно создать свою собственную карту с визуализацией любых данных. В ГИС для карт можно добавить данные Росстата, муниципальных образований, министерств, ведомств — все так называемые геопространственные данные.


    Откуда берутся геоданные


    image


    Итак, спутниковые снимки сдвинуты относительно реальности в несколько десятков метров. Чтобы сделать действительно точную карту, нужно вооружиться навигатором (GPS приемником) или обычным телефоном. А затем с помощью приемника или приложения в телефоне записать максимальное количество точек трека. Запись осуществляется вдоль линейных объектов, расположенных на земле — подойдут реки и каналы, тропинки, мосты, ж/д и трамвайные пути и т.д.


    Одного трека никогда не бывает достаточно для любого участка — сами они тоже записываются с определенным уровнем погрешности. В дальнейшем спутниковая подложка выравнивается по множественным трекам, записанным в разное время. Любая другая информация берется из открытых источников (или дарится провайдером данных).


    Трудно представить карты без информации о различных компаниях. Сбор локальных данных об организациях с привязкой к GPS-позиции делают Yelp, TripAdvisor, Foursquare, 2ГИС и другие. Сообщество (включая непосредственно представителей локального бизнеса) самостоятельно вносит данные на OpenStreetMap и Google Maps. Не все большие сети хотят сами заморачиваться с добавлением информации, поэтому обращаются к компаниям (Brandify, NavAds, Mobilosoft и другие), помогающим размещать филиалы на картах и следить за актуальностью данных.


    image


    Иногда информация об объектах реальной местности добавляется на карты через мобильные приложения — сразу, в полевых условиях человек имеет возможность точно актуализировать картографические данные. В MAPS.ME для этого есть встроенный редактор карт, через который уточненные данные поступают напрямую в базу OpenStreetMap. Достоверность информации проверяют другие участники OSM-сообщества. В «обратную сторону» данные из OSM поступают в MAPS.ME в «сыром» виде. Прежде чем оказаться на экране смартфона пользователя, они обрабатываются и упаковываются.


    Будущее: нейросети-картографы


    image


    В Facebook рассказали, что они использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы найти дороги на спутниковых снимках. Но фактчекинг уже делали люди, которые проверяли дороги и «склеивали» их с данными OSM.


    image


    Сервис для обмена фотографиями с геометками Mapillary в прошлом году добавил функцию, которая обеспечивает семантическую сегментацию изображений объектов. Фактически они смогли разделить изображения на отдельные группы пикселей, соответствующие одному объекту с одновременным определением типа объекта в каждой области. Люди делают подобное очень легко — например, большинство из нас могут идентифицировать и находить автомобили, пешеходов, дома на изображениях. Однако компьютерам тяжело было ориентироваться в огромном массиве данных.


    Используя глубокое обучение на свёрточной нейронной сети, в Mapillary смогли в автоматическом режиме выявить 12 категорий объектов, которые чаще всего встречаются в дорожной сцене. Их метод позволяет добиться прогресса и по другим задачам машинного зрения. Игнорируя совпадения между движущимися объектами (например, облаками и транспортными средствами) можно значительно улучшить цепочку процессов преобразования исходных данных в двухмерную или стереоскопическую картинку. Семантическая сегментация Mapillary позволяет получить приблизительную оценку плотности растительности или наличия тротуаров на некоторых территориях городов.


    image
    Юго-Запад Москвы нейросеть поделила на зоны в зависимости от типа застройки


    В проекте CityClass проводится анализ типов городской застройки при помощи нейросети. Делать карту функционального зонирования города долго и однообразно, но можно обучить компьютер отличать промышленную зону от жилой, а историческую застройку от микрорайона.


    image


    Группа ученых из Стэнфорда натренировала нейросеть предсказывать уровень бедности в Африке по дневным и ночным спутниковым снимкам. Сначала сетка находит крыши домов и дороги, а потом сопоставляет с данными об освещенности территорий в ночное время.


    Сообщество продолжает следить за первыми шагами в области автоматического создания карт, и уже использует машинное зрение для рисования некоторых объектов. Трудно сомневаться в том, что будущее будет принадлежать картам, создаваемым не только людьми, но и машинами.

    Mail.Ru Group 279,83
    Строим Интернет
    Поделиться публикацией
    Комментарии 10
    • +2
      Пользуясь случаем спрошу — в maps.me вроде нет инструмента «линейка», удобная штука, приходится за ней в яндекскарты ходить, а тут есть ещё и инструмент для определения площади участка. Планируете такие штуки?
      • 0
        Почему для увеличения детализации снимков дроны не используются в городской местности? Нет в этом необходимости, или проблемы с легализацией полетов?
        • +1
          Используются, просто это пока не массовое явление по ряду причин.
          • 0
            Снимками с мавиков карты будут бесконечно долго пополняться. Это должно быть специализированное автономное решение, поменял аккумулятор — полетело дальше секторами снимки делать.
        • +3
          Не совсем в тему, но давно хотел спросить — зачем вы убрали из карт замечательную фичу когда можно было выделить себя на карте и увидеть свою текущую скорость? Даже иконка менялась, от велосипеда до самолета. Потом после одного обновления фича вдруг исчезла, вместо этого показывается невероятно полезная информация — дистанция меня до меня. Тоесть 0. Вот я честно говоря не понимаю, ну почему в современном мире обновления должны приносить боль? Зачем вырезать приятные мелочи? Когда-то, точно так же, Google Maps из удобного и быстрого приложения с кучей фишек из Google Labs превратилось во что-то крайне странное, медленное, с неприятной цветовой гаммой при которой все сливается в сплошную кашу. Ну зачем, а?
          • +3

            Помню, в далеком 90-91 годах пришлось поработать на стереографе по стереопарам с аэрофотосъемки, делали крупномасштабные топографические карты. Только закончил школу, было очень интересно поначалу. Штурвалами (X и Y) "летаешь" над отснятой местностью в объемном изображении, "графопостроитель" с механическим приводом от тех же штурвалов чертит карандашом на планшете твою тректорию "полета". А потом долго и кропотливо перьевыми ручками обводишь начерченное, рисуешь и пишешь все обозначения — вот это уже было не интересно :)

            • 0
              Романтика, ностальгия, я аж чуть не всплакнул. Потом на компьютере тоже самое делали. ENVI, не знаю есть ли сейчас этот софт и развивается ли.
              • +1

                Судя по гуглу — да, живет еще :)
                У нас где-то за пол-года до моего увольнения поставили компьютер Нейрон и плоттер А1, но ума им так и не дали. Помучали пару месяцев какую-то картографическую программу, в которой надо было все рисовать руками с нуля и на этом картографическое применение компьютеров при мне закончилось :)
                Чуть позже поставили аж 80286 с цветным дисплеем и жестким диском! :)) Его даже не пытались приспособить по картографию.
                Зато там началась карьера программиста, т.к. во всей экспедиции никто кроме меня с компьютерами дела до этого не имел, а я даже умел писать программы на Бейсике :)

            • +2
              Из-за того, что maps.me берет данные не только из OSM, но и с букинга — получаются проблемы.

              1. Слишком длинные названия разнообразных апартаментов визуально загаживают карту. Нередки случаи, когда в России в спальных районах название состоит из «Апартаменты блаблабластудия 25 м кв недорого».

              2. Искал я как-то один гестхаус на Шри-Ланке. В букинге он был чуть ли не в паре километров от реального местоположения — ну, я и отметил реальные координаты его в OSM. Теперь в maps.me два экземпляра этого гестхауса. Причем, похоже, более приоритетный показ у того, что с букинга. По опыту из разных стран, данным с букинга можно более или менее доверять только в крупных городах.

              • 0

                Ставил приложение 'чемодан без ручки'. Острой редкостный, как по качеству карт, так и по качеству ПО. А когда от них прилетела тысяча пушей с каким-то проукраинским калом, снес нахрен это дерьмо. Никому не рекомендую.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое