Следующим этапом эволюции топографических карт станут трехмерные интерактивы, показывающие, как реки меняются, а ландшафты размываются с точностью до сантиметра.
«Мы никогда не сделаем карты лучше, чем эта», - говорит Мэтт Нолан, исследуя трехмерную топографическую карту реки Токлат в национальном парке Денали. С таким же успехом он может смотреть на подборку спутниковых изображений высокого разрешения. Карта настолько точна, что на ней есть маркеры, указывающие на изменение русла реки летом.
Нолан, 49-летний гляциолог и профессор Университета Аляски в Фэрбенксе, создал карту, используя новую картографическую технику под названием «Фотограмметрия структуры из движения» (SfM), или «фодар», как Нолан называет свою версию, которая использует съемку: комплектация GPS. Этот метод сочетает в себе цифровые фотографии, обычно сделанные с воздуха, с очень сложными алгоритмами и программным обеспечением для создания трехмерных топографических карт с точностью до нескольких сантиметров в масштабе, в некоторых случаях, до тысяч квадратных миль. Подумайте о новом и улучшенном Google Планета Земля, но с разрешением в 100 раз выше. Карты могут отображать все, от арктических ландшафтов до береговых линий и коралловых рифов, и когда фотографии делаются с течением времени, скажем, каждые две недели или каждый месяц, они могут показать, как ландшафты меняются в зависимости от времени года с беспрецедентной точностью.
SfM в основном работает следующим образом: скажем, вы хотите узнать точный маршрут для восхождения и катания на лыжах на северной стене пика Лонгс в Колорадо. Вы бы использовали дрон или пилотируемый самолет, чтобы сфотографировать область, которую хотите нанести на карту (дроны намного эффективнее для небольших участков; самолеты необходимы для картирования более широкой полосы), с частями разных снимков, перекрывающихся, чтобы связать всю область через диапазон изображений. Затем вы вставляете изображения в специальное программное обеспечение, некоторые версии которого являются проприетарными, а некоторые - бесплатными для всех, и программа выдавала бы трехмерную карту.
Технология немного вызывающая и сложная, но, по словам тех, кто наблюдал безудержный рост использования фотограмметрии SfM за последние пять лет, она может произвести революцию в картах, которые являются ключом к решению ряда социальных проблем, например, где строить карты. дороги, мосты и аэропорты; измерение ущерба от штормов; и прогнозирование береговой эрозии на основе прошлых наблюдений.
«Когда я впервые использовал его, я был потрясен», - говорит геолог-исследователь Геологической службы США (USGS) Джонатан Уоррик. «Это было так элегантно и так просто».
Сама фотограмметрия - по сути, с использованием двухмерных фотографий для построения трехмерного изображения - существует уже более 60 лет. Но до появления цифровой фотографии и огромных улучшений программного обеспечения кому-то приходилось идентифицировать объекты на фотографиях и проводить кропотливые измерения и вычисления для построения карты. «Это было очень трудоемко», - говорит Уоррик. «Теперь компьютеры могут делать эту работу. Они могут сопоставлять объекты на фотографиях - взять дерево на одном изображении и сопоставить его с тем же деревом на другом изображении. А еще они могут делать все расчеты и геометрические измерения ».
Диапазон приложений огромен, особенно когда готовый продукт представляет собой так называемую карту «временных рядов», т. Е. тот, который включает в себя фотографии одной и той же местности, сделанные за определенный период времени для сравнения. Нолан нанес на карту ледники и водоразделы в хребте Брукс на Аляске, чтобы объяснить, как меняются глубина снежного покрова, ледниковый лед и морской лед, и все это имеет решающее значение для отслеживания последствий изменения климата. Геологическая служба США использует этот метод для изучения прибрежной эрозии от побережья Калифорнии до Кейп-Код, а также для составления карт коралловых рифов на Мауи. А Национальное управление океанических и атмосферных исследований тестирует свой потенциал - с помощью беспилотных летательных аппаратов и пилотируемых самолетов - для измерения ущерба, нанесенного ураганом на Атлантическом побережье. Специалисты также могут использовать его, чтобы определить, разрушаются ли дороги и мосты; и где дикие животные собираются по своим следам в тундре.
В прошлом месяце в журнале The Cryosphere была опубликована статья, в которой подробно описывалась работа Нолана и ски-альпиниста Кита ДеЛорье в 2014 году по определению высочайшего пика в американской Арктике. Используя фодар, слово Нолан, полученное из лазерной техники под названием Lidar, которая производит высококачественные карты, но без фотографий и за гораздо более высокую стоимость, дуэт доказал, что давно предполагаемый самый высокий пик в регионе, гора Чемберлен, на самом деле был просто третья по высоте вершина, вопреки тому, что было показано на старой карте Геологической службы США. Статья привлекла изрядное внимание средств массовой информации, но Нолан считает, что она затмила реальную историю о том, насколько огромен потенциал техники картографии.
Он настолько убежден, что перестал подавать заявки на исследовательские гранты через университет в мае этого года и вместо этого сосредоточился исключительно на своем картографическом бизнесе Fairbanks Fodar. «Я уже получил в пять раз больше своей годовой зарплаты как профессор, и я театральный деятель и, по сути, вершина айсберга», - говорит он.
По одному контракту с Департаментом природных ресурсов Аляски Нолану было выплачено 300000 долларов за нанесение на карту участка малонаселенной береговой линии протяженностью 1600 миль и шириной в одну милю, где местные деревни подвергаются риску нарастания штормовых нагонов, которые могут разрушить инфраструктуру. которые построены слишком близко к уровню моря или сливают сточные воды из так называемых отстойников для сточных вод. В течение года он летал на своей Cessna 170 в течение 29 дней и 120 часов, делая снимки через дыру в своем самолете за сиденьем пилота - до 10 000 снимков в день на стандартную цифровую зеркальную камеру Nikon.
Триггер автоматизирован и подключен к устройству GPS геодезического класса, связывая каждое изображение с точным местоположением. В зависимости от того, на какой высоте Нолан летит при съемке изображений (обычно от 1000 до 4000 футов), разрешение может быть настолько высоким, что каждый пиксель изображения представляет собой всего лишь десять сантиметров расстояния от земли. Он может определить, где земля проседает на один дюйм от одного полета к другому - тенденция, которая не только сообщает дорожным рабочим, где может появиться их следующий проект по техническому обслуживанию, но и где земля более устойчива для будущего строительства дороги. «Вы действительно хотите увидеть, где возникают эти проблемы, прежде чем они станут катастрофическими, чтобы у вас было время их смягчить и разобраться», - говорит Нолан.
Хотя лидар по-прежнему является традиционным способом создания топографических карт из-за его высокой точности, он может стоить заказчику до 10 раз дороже, чем фотограмметрия SfM, и требует дорогостоящего оборудования, недоступного для большинства ученых. В 2012 году, когда Уоррик и его коллега захотели создать временную карту движения наносов после крупнейшего в истории США сноса плотины на реке Эльва в Вашингтоне, у них было два варианта, учитывая имеющиеся в их распоряжении средства: использовать лидар и пролететь над рекой. долину один раз, или используйте фотограмметрию SfM и пролетайте над долиной дважды в неделю в течение двух лет.
«Я как бы смотрю на это, как на некоторых лунных ученых, сидящих вокруг кулера с водой и говорящих:« Ну, разве не неплохо было бы завтра подняться на Луну, взять несколько камней и ответить на этот вопрос, который у нас есть? »- говорит Нолан. «У нас есть технология, позволяющая летать на Луну, но это просто смехотворно дорого, поэтому мы этого не делаем. То же самое и с fodar: у нас была технология для создания супер классных топографических карт, но это было слишком дорого, поэтому мы никогда этого не делали. Теперь это доступно, и теперь мы начинаем его использовать. Мы можем напрямую измерить изменения в сантиметровом масштабе на тысячах квадратных километров ».
Несмотря на его высокую стоимость, большинство экспертов полагают, что лидар - многомиллиардная отрасль - никогда не исчезнет, потому что он по-прежнему удивительно точен, а его лазеры делают то, чего не удается добиться фотограмметрическим камерам SfM: проникают в полог леса, чтобы обеспечить точное расстояние до земли, если не изображение местности. Тем не менее, более дешевая и, в некоторых отношениях, более динамичная техника SfM создает нишу, которую необходимо расширять благодаря предоставляемому им фотографическому инструменту.
Уоррик говорит: «Я, безусловно, считаю это важной частью нашего будущего».