« ...»

2

Содержание

Введение

1 Размерность модели объектов кадастрового учета

1.1 Модели представления объектов кадастрового учета

1.1.1 2D модель кадастра

1.1.2 2,5D модель кадастра

1.1.3 3D модель кадастра

1.1.4 4D и 5D модели кадастра

1.2 Зарубежный опыт создания 3D кадастра

1.3 Возможности перехода России на трехмерный кадастровый учет.... 32 1.3.1 Особенности регистрации пространственных объектов в России.. 33 1.3.2 Российско-нидерландский проект «Создание модели трехмерного кадастра объектов недвижимости в России»

2 Моделирование пространственных объектов в кадастрах различной размерности

2.1 Традиционные 2D модели

2.2 Виртуальные 3D модели

2.3 Реальные 3D модели

3 Разработка методики расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре

3.1 Алгоритм расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре

3.2 Экономическое обоснование необходимой точности построения моделей объектов недвижимости для целей 3D кадастра.... 3.3 Основные положения методики расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре

Заключение

Список литературы

Приложение А Графики зависимости объема зданий от их кадастровой стоимости

Приложение Б Расчет средних квадратических ошибок определения объемов

Приложение В Графики зависимости средней квадратической ошибки определения объема от объема объектов капитального строительства

Приложение Г Стоимость обмерных работ

Приложение Д Вычисление цены ошибки определения объема объектов капитального строительства по районам г. Москвы............... Приложение Е Графики зависимости цены ошибки определения объема от точности определения высот объектов капитального строительства

Приложение Ж Блок-схема методики расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре

Введение Актуальность темы. Городская среда характеризуется сложной организационной структурой и пересечением интересов различных владельцев недвижимости, которые необходимо постоянно поддерживать в равновесии для обеспечения устойчивого и эффективного развития города. Интенсификация землепользования в крупных городах является следствием дефицита земельных ресурсов. В связи с этим объекты недвижимости могут располагаться над/под или непосредственно на земной поверхности. На практике это обстоятельство приводит к неопределенности и неоднозначности традиционной (двумерной) регистрации объектов по их 2D проекции на земельный участок как в границах городов и мегаполисов, так и на землях вне населенных пунктов. В итоге возникает необходимость рассматривать городское землепользование в трехмерном пространстве.

В научных публикациях предлагаются 2-х, (2,5), 3-х, 4-х и даже 5-ти мерные модели (кадастры). Вопросам создания многомерных кадастровых систем посвящены работы Беляева В.Л., Вандышевой Н.М., Шаврова С.А., Jantien E. Stoter, Christiaan Lemmen, Peter van Oosterom, Sisi Zlatanova, Rik Wouters, Sudarshan Karki, Rod Thompson, Kevin McDougall, Paul van der Molen и др.

В настоящее время проблема точности определения характерных точек границ объектов недвижимости является актуальной и одной из наиболее дискуссионных в современном 2D кадастре. Особенно важен этот вопрос для 3D кадастра в связи с растущей сложностью объектов инфраструктуры и плотно застроенных территорий. Данное диссертационное исследование является первой попыткой научно-обоснованного подхода к решению поставленной задачи.

Своевременность исследования подтверждается принятием в ноябре 2012 года международного стандарта ISO 19152 «Географическая информация – Модель предметной области для управления недвижимостью (LADM)», поддерживающего трехмерное представление объектов недвижимости, а также планом мероприятий «Повышение качества государственных услуг в сфере государственного кадастрового учета недвижимого имущества и государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним», утвержденным распоряжением Правительства РФ от 01.12.2012 г. №2236-р, в соответствии с которым предусмотрено введение возможности внесения в ГКН сведений об объекте недвижимости с описанием его в трехмерном пространстве.

Объектами исследования выступают трехмерные модели объектов недвижимого имущества, расположенные над поверхностью, под поверхностью или непосредственно на поверхности земельного участка. Предметом исследования является требуемая точность построения трехмерных моделей объектов недвижимости.

Цель диссертационного исследования заключается в разработке методики расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре с учетом технических и экономических критериев.

Поставленная цель достигается путем последовательного решения следующего комплекса задач:

изучение особенностей n-мерных кадастровых систем с целью выработки рекомендаций по применению возможных концептуальных моделей многомерных кадастров, подходящих к российской действительности;

анализ зарубежного и отечественного опыта регистрации пространственных объектов недвижимости с целью выбора наиболее эффективных решений при переходе России на кадастровый учет трехмерных объектов;

исследование существующих моделей построения трехмерных объектов недвижимости и современных методов получения пространственных данных для последующего их использования при моделировании;

разработка алгоритма расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре;

экономическое обоснование необходимой точности создания трехмерных моделей объектов для целей кадастра.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

Методика расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре, включающая:

алгоритм расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре;

экономическое обоснование необходимой точности построения моделей объектов недвижимости для целей 3D кадастра.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Выработан алгоритм расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре, созданный в результате проведенного эксперимента для объектов капитального строительства (далее ОКС), расположенных на территории шести районов Москвы.

2. Получены формула средней квадратической ошибки определения объема здания с различной формой контура застройки и рабочая формула средней квадратической ошибки определения объема здания, используемая для практических вычислений при кадастровом учете объектов недвижимости, представленных в трех измерениях.

3. Предложен оригинальный экономический подход к обоснованию точности построения трехмерных моделей объектов недвижимости для решения задач в 3D кадастре.

Теоретическая и практическая значимость. Методика расчета точности построения моделей объектов недвижимости для 3D кадастра может применяться для расчета необходимой точности создания трехмерных моделей объектов инфраструктуры для любой категории земель. Полученные результаты можно использовать для совершенствования существующих методик по расчету стоимости кадастровых работ при кадастровом учете недвижимости в 3D.

Методология и методы исследования. Методологической основой диссертации явились методы системного анализа, экспериментальный метод, методы математической статистики и теории ошибок измерений, математическое моделирование, методы 3D моделирования.

Всё вышеизложенное определило структуру диссертационной работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена изучению теоретических вопросов, связанных с размерностью моделей кадастрового учета, проанализирован международный опыт создания трехмерных кадастровых систем с целью выявления преимуществ и проблем, связанных с введением 3D кадастра, описаны как зарубежные, так и российские пилотные проекты по созданию трехмерных моделей городов с возможностью их дальнейшего применения при переходе к трехмерной регистрации недвижимого имущества.

Во второй главе исследованы способы получения пространственных данных, а также существующие методы построения моделей трехмерных объектов с использованием полученной информации.

В третьей главе описано проведенное экспериментальное исследование для объектов капитального строительства, расположенных на территории шести административных районов г. Москвы, с целью определения необходимой точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре, представлено теоретическое и экономическое обоснование полученных результатов, на основе которых предложена методика расчета точности построения моделей объектов недвижимости в 3D кадастре.

Степень достоверности. Все расчеты, выполненные в диссертационном исследовании, базируются на актуальной информации справочного сервиса «Публичная кадастровая карта» официального сайта Росреестра об объектах капитального строительства, расположенных на территории московского мегаполиса.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на – 1-й научно-практической конференции НП «Объединение профессионалов топографической службы» «История, современное состояние и перспективы развития геодезии, картографии, кадастра и ДЗЗ» (Москва, март 2012 г.);

– 67-й, 68-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, апрель 2012 г., 2013 г.);

– 17-й Всероссийской конференции «Организация, технологии и опыт ведения кадастровых работ» (Москва, ноябрь 2012 г.);

– VI-й Международной научно-практической конференции «Науки о Земле на современном этапе» (Москва, ноябрь 2012 г.);

– 4-й Всероссийской научно-технической интернет-конференции «Кадастр недвижимости и мониторинг природных ресурсов» (декабрь 2013 г.).

Материалы диссертации используются при создании модели трехмерного кадастра недвижимости на территории Нижнего Новгорода филиалом Федерального государственного бюджетного учреждения «Федеральная кадастровая палата Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии» по Нижегородской области.

Результаты исследовании внедрены в учебный процесс факультета экономики и управления территориями Московского государственного университета геодезии и картографии при изучении студентами дисциплин «Информационные системы кадастра и регистрации», «Кадастр недвижимости», «Современные проблемы землеустройства и кадастров», «Автоматизированные системы проектирования и кадастров».

Основные результаты выполненных исследований опубликованы в шести работах [35-40], в том числе четырех статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

1 Размерность модели объектов кадастрового учета Рождение идеи увеличения размерности кадастровых данных о недвижимости приходится на рубеж двух тысячелетий и исходит из недр самых старых традиций кадастра северной Европы [65-67,82]. Именно там, в условиях постоянно увеличивающейся нагрузки на земельные ресурсы в городах, особенно в мегаполисах, и совершенствования технологий строительства, приведших к появлению многофункциональных объектов недвижимости со сложной инфраструктурой и освоению подземных пространств, встали проблемы корректного представления таких объектов недвижимости в системах государственного учета и налогообложения. В такой ситуации одному земельному участку могут соответствовать различные сооружения, находящиеся над/под или непосредственно на поверхности земли. Нередкими являются ситуации, когда конструкции сооружений пересекаются или вклиниваются одна в другую, отдельные части сооружений выходят за границы земельного участка или относятся к разным формам собственности, а расположение одного объекта недвижимости над другим является самой распространенной ситуацией развития в городах.

Естественным образом идеи n-мерного описания таких объектов связаны с общим, невероятно быстрым прогрессом информационных технологий (и дисциплин, лежащих в их основе), позволившим реально, а не в абстрактных построениях ставить и решать проблемы моделирования, связанные с увеличением размерности пространственных данных в такой сугубо утилитарной отрасли как кадастры.

В традиционных информационных моделях, основанных на теории множеств, описание объектов недвижимости в кадастре может быть представлено следующим образом:

где K(t) – база данных объектов недвижимости;

G(xi) – элементы системы, связанные с метрикой объекта;

A(di) – элементы системы, связанные с семантикой объекта;

t – время описания объекта.

Семантическая часть этого ресурса подробно описана и реализована во многих учетных системах, в частности, в ГКН. В данной работе наш интерес сфокусирован на описании геометрических параметров объектов учета, размерность которого сегодня обсуждается очень широко.

Строго говоря, с теоретической точки зрения надо ставить вопрос об увеличении размерности этих данных под условием их некоррелированности. Привлеченные данные должны вписываться в некий ортонормированный базис e{x1, x2, …, xn}, в котором новое измерение в предполагаемой n-мерной модели кадастра не может быть линейной комбинацией остальных. Тогда, и только тогда новое измерение может быть принято равноправным и дополнять существующие сведения о пространственных характеристиках объекта недвижимости [40].

Многие годы традиционный кадастр соответствовал требованиям и задачам по управлению территориями и недвижимостью. До недавнего времени работы по учету земель и неразрывно связанной с ней недвижимостью проводились с привлечением бумажных планово-картографических документов. С внедрением геоинформационных технологий эти документы стали вести в цифровой форме, но в 2D формате с объединением описательной (семантической) части в геореляционной модели. Это дало возможность анализировать явления и события, учитывая реальное пространственное местоположение объекта и его характеристики. В настоящее время представление кадастровых карт в 2D формате уже недостаточно для того, чтобы решать весь комплекс задач, в том числе по кадастру, территориальному планированию, благоустройству городских территорий, развитию инвестиционного строительства и многих других.

Данная глава содержит исследование такого аспекта кадастра как размерность, также в ней проанализирован опыт зарубежных стран при создании 3D модели кадастра и рассмотрены возможности перехода к трехмерному учету и трехмерной регистрации объектов недвижимости в России.

1.1 Модели представления объектов кадастрового учета Практически во всех странах, где действует институт кадастра, границы объекта недвижимости определяются по его проекции на условную уровневую поверхность (на горизонтальную плоскость). Следовательно, метрика единиц кадастрового учета в планово-картографических документах кадастра представлена в двух измерениях. В этом случае границы недвижимости определяются функцией К=f(x,y) или K*=f(B,L), где x, y – координаты характерных точек объекта недвижимости в прямоугольной (например, в проекционной или геоцентрической), a B, L – в геодезической системе координат. По этой причине во многих странах объектами недвижимости и кадастра считаются исключительно земельные участки. Кадастровые карты показывают ситуацию в плане и не содержат никаких данных о высоте [47].

Двумерный кадастр неадекватно отражает фактическое состояние имущества на местности. Объекты недвижимости могут располагаться над, под или непосредственно на поверхности одного земельного участка. На практике это обстоятельство приводит к неопределенности и неоднозначности традиционной (двумерной) регистрации объектов по их 2D проекции на земельный участок (рисунок 1).

Рисунок 1 – Жилой дом по адресу: г. Москва, М. Левшинский пер., д.5/ Примерами такой «многослойной» собственности являются здания со сложной конструкцией (рисунок 2а), жилые комплексы (рисунок 2б), различные подземные сооружения, например метро (рисунок 2в), подземные коммуникации (рисунок 2г) и т.п.

Рисунок 2 – Примеры сооружений, индивидуальное определение которых невозможно в Отечественное законодательство не содержит концепции «размерности прав». Земельный Кодекс Российской Федерации [1] определяет земельный участок скорее как двумерный (часть земной поверхности), а не трехмерный объект.

Однако в соответствии с Федеральным законом от 24.07.2007 г. №221-ФЗ «О государственном кадастре недвижимости» [2] помимо земельных участков, кадастровому учету подлежат также здания, сооружения, помещения, объекты незавершенного строительства, имеющие определенно трехмерный характер. Чтобы определить права в объеме, необходимо создать новые правовые институты и иметь 3D модель кадастра, но в некоторых странах применяется промежуточная 2,5D размерность кадастра.

2,5D модель кадастра занимает промежуточное (компромиссное) положение между 2D и 3D мерным кадастром. В 2,5D кадастре границы недвижимого имущества описываются функцией K=f(x,y,h), где h принимает дискретные значения, например, на уровне пола h=0, на уровне потолка – h=H. Такие модели удобно применять к трехмерным объектам, которые представимы блоками высотой Н (рисунок 3). Тогда каждому индексу ID блока ставится в соответствие двумерный «черно-белый» план К=f(x,y). Белый цвет K на этом плане представляет недвижимость для h=0, а черный – h=H. При этом дело не в цвете элементов плана, а в бинарности его цветов. Такой план есть не что иное, как трехмерная модель блока. Проблема возникает в отображении 3D поверхностей. В этом случае применить данную модель невозможно.

2,5D мерный кадастр обладает тремя преимуществами перед другими моделями кадастра. Во-первых, он применим практически ко всем зданиям. Вовторых, он в большинстве случаев позволяет установить права в объеме. И, наконец, он существенно проще и рентабельней, чем 3D кадастр [47].

Рисунок 3 – Описание трехмерных объектов, имеющих блочную конструкцию, в 2,5D кадастре Практическим примером использования парадигмы 2,5D кадастра является Единый государственный реестр недвижимого имущества Белоруссии (ЕГРНИ).

На рисунке 4 и в таблице 1 по-разному отображена одна и та же графическая модель данных ЕГРНИ с позиций размерности [47].

Рисунок 4 – 2,5D идентификация объектов недвижимого имущества в ЕГРНИ Белоруссии На рисунке 4 показано, как в ЕГРНИ определяется в объеме недвижимый имущественный комплекс А. Имущественный комплекс состоит из земельного участка В, здания С, расположенного над земельным участком, сооружений D, расположенных ниже поверхности земельного участка.

Описание такого имущественного комплекса в объеме ЕГРНИ обеспечивают четыре 2D модели. Все они пронумерованы числами 1, 2, 3, 4 на рисунке 4.

В частности:

1) 2D модель земельного участка.

Граница земельного участка в ЕГРНИ идентифицируется каталогом координат ( x, y) или (, ).

2) 2D модели капитального строения В.

В ЕГРНИ капитальное строение в объеме идентифицируется множеством 2D моделей. Одна 2D модель обеспечивает горизонтальное позиционирование капитального строения на земельном участке. Остальные 2D модели обеспечивают 2D описание блоков (этажей) в вертикальном измерении капитального строения.

Топологические отношения входимости «земельный участок – капитальные строения» вычисляются по иерархии листов А, С регистрационной книги или по кадастровой карте.

Позиционирование капитального строения на земельном участке осуществляется на кадастровой карте и в ситуационном плане технического паспорта капитального строения (модель 2-1 на рисунке 4).

Цифровая кадастровая карта является документом ЕГРНИ. Ситуационный план как часть технического паспорта – также документ ЕГРНИ. Он хранится в базе данных реестра характеристик ЕГРНИ в цифровой форме, и к нему имеется доступ.

Вертикальное позиционирование имеет место путем нумерации по вертикали каждого отдельного этажа (блока) капитального строения (модель 2-2 на рисунке 4). Каждая вертикально позиционированная единица в ЕГРНИ идентифицируется 2D поэтажным планом (множество моделей 2-3 на рисунке 4).

Поэтажные планы, как часть технических паспортов, являются документами ЕГРНИ. Они также хранятся в реестре характеристик недвижимого имущества ЕГРНИ в цифровой форме, и к ним также возможен доступ.

3) 2D модели подземных сооружений.

В ЕГРНИ подземные сооружения позиционируются только в плане. Данные о линейно-протяженном подземном сооружении находятся в другом разделе ЕГРНИ, чем земельные участки, которые оно пересекает. Поэтому топологические отношения перекрытия земельных участков и подземных сооружений, в отличие от надземных, вычисляются только по цифровой модели местности (цифровой карте).

4) 2D модели вычлененных изолированных помещений.

2D планам каждого вычлененного помещения положено храниться в реестре характеристик недвижимого имущества ЕГРНИ в цифровой форме. К ним возможен доступ. Топологическое отношение входимости «капитальное строение – вычлененное помещение» вычисляется исходя из структуры регистрационной книги (листы D для изолированных помещений размещаются за листами С капитальных строений, в которые они входят).

2,5D кадастр не позволяет строить трехмерную кадастровую карту, но позволяет самое важное – идентифицировать часть имущества в объеме.

Инфологическую модель базы данных ЕГРНИ Белоруссии с позиций размерности можно представить исходя из таблицы 1 [47]:

Таблица 1 – Вариант инфологической модели ЕГРНИ Белоруссии Недвижимый имущественный комплекс Кадастровый номер: 5000000000 Земельный участок Уникальный идентификатор в базе данных: UID_A UID капитальных строений на земельном участке: UID_C1, UID_C Границы:

Прочие характеристики: … Капитальное строение UID_C Инвентарный номер: 500/С- Наименование сооружения: здание жилое Количество уровней (этажей): Продолжение таблицы Границы: план с индексом 500/С- Первый уровень (этаж 1): план с индексом 500/С- Второй уровень (этаж 2): план с индексом 500/С- Третий уровень (этаж 3): план с индексом 500/С- UID изолир. помещений в капитальном строении: UID_D1, UID_D Прочие характеристики: … Изолированное помещение UID_С1/UID_D Инвентарный номер: 500/D- Наименование сооружения: квартира Границы: план с индексом 500/D- Прочие характеристики: … Изолированное помещение UID_С1/UID_D Инвентарный номер: 500/D- Наименование сооружения: магазин Границы: план с индексом 500/D- Прочие характеристики: … Капитальное строение UID_C Инвентарный номер: 500/С- Наименование сооружения: искусственный водоем Границы: план с индексом 500/С- Прочие характеристики: … Положим, недвижимый имущественный комплекс образован земельным участком, на котором расположено два капитальных строения – жилое здание и искусственный водоем. Жилое здание состоит из двух изолированных помещений – квартиры и магазина.

Такой недвижимый имущественный комплекс имеет тот же идентификатор, что и земельный участок – кадастровый номер. В примере 5000000000 (таблица 1).

Запись о земельном участке в базе данных состоит из отдельных полей.

Часть полей, которые не имеют к размерности отношения, обозначены как «прочие характеристики». Ряд полей UIDC1, UID_C2 (UID - уникальный идентификатор записи в базе данных) указывают путь к записям в отношении капитальных строений. Таким образом обозначается топология входимости капитальных строений в земельный участок. 2D определение границ имеет форму последовательных чисел (x, y) координат.

Запись UID_C1 о здании с инвентарным номером 500/С-8542 также состоит из полей. Часть полей, которые не имеют к размерности отношения, обозначены как «прочие характеристики». Ряд полей UID_D1, UID_D2 указывают путь к записям в отношении изолированных помещений. Поле «количество уровней (этажей)» определяет число вертикальных позиций в здании. Часть полей указывают путь к 2D планам каждого уровня. Это делается путем указания в данных полях индексов соответствующих планов, помещенных в реестр характеристик недвижимого имущества ЕГРНИ: 500/С-8542 02, 500/С-8542 03 и 500/С-8542 04. Поле «границы» указывает путь к 2D ситуационному плану с индексом 500/С-8542 01.

Белорусская модель 2,5D кадастра, очевидно, не является трехмерным в формальном понимании, однако, в отношении зданий и большинства сооружений обеспечивает поддержку регистрации «трехмерных прав», то есть прав на объекты, выраженные в объеме. В этом смысле он является более современным, чем традиционные 2D кадастры многих стран Европы и мира [47].

Стоит отметить, что в списке Всемирного банка Doing Business по регистрации сделок с недвижимостью на конец 2012 года Белоруссия занимала 4-е место из 183, тогда как Россия находилась лишь на 45 месте [31].

В большинстве стран-членов Европейской экономической комиссии ООН (США, Великобритания, Швеция и др.) земельный участок давно определяется как трехмерный объект недвижимости (рисунок 5). Под земельным участком понимается конус от центра земли, секущий земную поверхность по границе участка и уходящий вверх в космическое пространство [20]. В земельный участок входят залежи минерального сырья, которые так или иначе обособлены от поверхности земли, здания или части зданий (которые разделены горизонтально, вертикально или иным образом).

Вследствие данного определения права на земельный участок делятся в вертикальном направлении. Права включают также сервитуты, права и другие выгоды, которые имеются над/под или на поверхности земли или из нее извлекаются.

Обычно права на такой земельный участок регулируются по вертикали различными отраслями законодательства: о недрах, о воздушном пространстве, земельным и гражданским законодательством [47].

Рисунок 5 – Земельный участок - США, Великобритания, Швеция Необходимость перехода к 3D кадастровому учету обусловлена следующими факторами:

1) значительным увеличением стоимости недвижимости 2) увеличением числа тоннелей (метро), кабелей, трубопроводов (вода, электричество, канализация, телефонные и телевизионные кабели) 3) ростом числа подземных парковок, зданий над дорогами, мостов, эстакад, сооружений на сваях и других многоуровневых зданий 4) внедрением трехмерного подхода в других областях (3D ГИС, лазерное сканирование), который делает кадастровую регистрацию в 3D технологически осуществимой В университете Дельфт (Нидерланды) в 2003 году выполнялось исследование Jantien Stoter, направленное на изучение потребностей, возможностей и недостатков 3D кадастра [67]. В результате были созданы три концептуальные модели 3D кадастра (рисунок 6):

полный 3D кадастр – трехмерное пространство разделено на объемы или трехмерные участки без наложений и промежутков.

гибридный кадастр – сохранение 2D кадастра и дополнительная регистрация трехмерных объектов.

3D признаки в действующей кадастровой системе – сохранение 2D кадастра с внешними ссылками на цифровые представления трехмерных ситуаций.

Наряду с вышеперечисленными концептуальными моделями 3D кадастра совместной рабочей группой Международной федерации геодезистов были разработаны следующие варианты реализации трехмерного кадастра:

1). Минималистичный 3D кадастр. В этом случае трубопроводы, кабели и иные линейные объекты не рассматриваются как объекты недвижимого имущества и не регистрируются в кадастре, что исключает большинство подземных объектов. Здания отображены на двумерной карте отдельным слоем. Информация о помещениях содержится в кадастровой базе данных в виде поэтажных планов.

Минималистичный 3D кадастр защищает большинство объектов над поверхностью земли. Для остальных 3D объектов (подземных) добавляется определенный символ к двумерной карте, который имеет связь с документом, содержащим информацию о реальном пространственном положении объекта. Преимуществом данного варианта реализации 3D кадастра является простота осуществления с использованием существующих технологий, однако, исключенные 3D объекты могут привести к различным проблемам, в частности, в регистрации прав на такие объекты и обеспечении гарантий прав собственников.

2). Топографический 3D кадастр не предусматривает создание собственной геометрии для правового пространства объектов, его определяют, ссылаясь на границы физических объектов. Преимущество: при имеющемся наборе достоверных 3D топографических данных, этот вариант может служить основой для создания 3D кадастра. Недостатки: топографический 3D кадастр предполагает, что правовой объект может существовать только в случае существования его физического аналога. Топографический 3D кадастр является несовместимым с принципами ведения большинства существующих двумерных кадастров, основанных на регистрации прав на объекты недвижимости, т.е. формировании правовых пространств вокруг физических 3D объектов недвижимости на основе строительных, пожарных, санитарных, охранных норм, а также на основе ограничений и обременений прав.

3). Правовой 3D кадастр, построенный с помощью многогранников (полиэдральный). 3D объемные участки имеют свою собственную геометрию, сходную с существующим 2D кадастром, построенным с использованием полигонов. При данном варианте реализации 3D кадастра геометрия представлена с помощью полиэдра – объемной фигуры, ограниченной плоскими гранями. Преимущества: относительно легко выполнимый с использованием существующей технологии (базы данных, ГИС/CAD системы) и схож с полигональным подходом в 2D. Недостатки: не поддерживает топологическую структуру данных и не предусматривает создание искривленных поверхностей.

4). Правовой 3D кадастр, не использующий многогранники (неполиэдральный). Схож с предыдущим вариантом реализации 3D кадастра, но позволяет отображать искривленные поверхности, такие как цилиндрические и сферические участки, которые получаются в результате создания буферных зон, а также более сложные искривленные поверхности, включая NURBS. Преимущества: больше типов 3D объектов может быть зарегистрировано в кадастре. Недостатки: не так легко выполним при применении существующей технологии и не имеет топологической структуры.

5). Топологический правовой 3D кадастр. 3D объемные участки связаны между собой топологически с использованием узлов, граней, поверхностей и объемных примитивов. Топологический 3D кадастр является самым эффективным.

Пространство разделяется на правовые 3D объекты. В этом случае 3D объект касается со всех сторон соседних объектов. Преимущества: исключается дублирование данных при хранении информации о границах объектов, улучшенный контроль качества данных (нет перекрытий и пересечений). Недостатки: имеются сложности в реализации с использованием современных технологий [78].

При переходе к одной из концептуальных моделей 3D кадастра и возможному варианту его реализации неизбежно возникают нормативно-правовые, технологические и экономические проблемы. При этом необходимо ответить на вопросы:

1) как устанавливать правовой статус многоуровневой собственности?

2) как определять границы недвижимости кроме традиционных 2D границ?

3) какие права могут использоваться и как их применять?

4) как регистрировать права и ограничения к недвижимости, представленной в трех измерениях?

Правовые институты трехмерных прав и различные юридические аспекты их создания наиболее полно изучены в докторской диссертации Jenny Paulsson из Шведского Королевского технологического колледжа [73].

С технологической точки зрения требуется выбрать модель представления недвижимости в 3D пространстве, ее объектный состав, масштаб и структуру данных. Это должно найти отражение в разработке состава метаданных для 3D кадастра недвижимости. Так как система управления базами данных существенная часть архитектуры, то возникает еще одна проблема – как моделировать трехмерные объекты (топологически и геометрически).

Необходимо определить программно-аппаратное обеспечение для поддержания кадастровой регистрации в трехмерных ситуациях. В последние годы в ГИСтехнологиях и системах автоматизированного проектирования сделано множество разработок, позволяющих решить некоторые из перечисленных проблем. Уже существуют системы, с помощью которых можно описать и нанести на карту сложные инженерные сооружения; доступны технологии, на основе которых любой вид недвижимости можно представить в трех измерениях. Эти системы имеют разные функциональные возможности и стоимость.

Следует обеспечить доступ к кадастровой регистрации широкому спектру пользователей. В век информационных технологий доступ к кадастровой информации может быть обеспечен через Интернет. В этом случае, соблюдая меры по защите интеллектуальной собственности и режима конфиденциальности, можно сократить сроки и снизить стоимость проектирования городских объектов.

С экономической точки зрения работы по внедрению 3D кадастра весьма затратны и длительны. Поэтому особенно в посткризисный период развития экономики, одной из актуальных задач является определение этапов перехода к 3D кадастровой регистрации недвижимости с соблюдением преемственности и посильности финансового бремени, которое вынуждены будут нести государство, бизнес и физические лица [46].

Менее известны работы с предложениями увеличения размерности описания объектов недвижимости в т.н. 4D и 5D моделях кадастра [58,84,85,87]. Обоснованно предлагается использование следующих вариантов увеличения размерности пространственных данных объектов кадастрового учета (таблица 2):

Таблица 2 – Варианты представления пространственных данных в кадастре представления Примечание – D(imention) – метрика, Т(ime) – время, S(cale) – масштаб.

Из представленных в таблице комбинаций кроме пространственного ЗD аспекта существует временной аспект – четвертое измерение кадастра, и пятый – масштаб представления кадастровых данных.

Говоря о временном измерении кадастра, различают три «типа» временной привязки в кадастровых базах данных:

Тип 1. Время совершения транзакции на сервере баз данных (системное время), которое автоматически вноситься в базы данных. Например, дата и время поступления в on-line режиме сведений о недвижимости в кадастровую трехмерную модель территории. Оно вносится в системные журналы в соответствии с таймером сервера баз данных. Причем это время, жестко связано с метрикой объекта.

Тип 2. Время, имеющее юридическое значение. Например, дата и время государственной регистрации прав на недвижимое имущество в БД территориальных органов юстиции.

Тип 3. Временной интервал, то есть продолжительность действия права пользования недвижимостью, например, длительность права аренды или срочность сервитута [47].

В базах данных кадастра недвижимости, в том числе отечественных, время вносится как один из атрибутов в записи об объектах недвижимого имущества.

Это в большинстве случаев означает невозможность оптимального 4D-поиска сведений по недвижимости (одновременному поиску по пространственным и временным критериям в одном запросе), но позволяет реализовать запросы последовательно, в том числе в отношении времени, например, какие переходы права собственности на данное имущество имели место в 2002 г., или какие земельные участки имелись в данном населенном пункте 01 мая 2012 г.

Привлечение к набору координатных описаний объекта недвижимости (на плоскости или в трехмерном пространстве) масштаба теоретически позволяет разделять объекты недвижимости по территориальному охвату с одновременным описанием точности позиционирования недвижимости в пространстве или на плоскости. Нам не известны примеры применения данного параметра в реальных моделях кадастра и пока он является некоторой абстракцией.

Поиск путей перехода от 2D кадастров к 3D кадастрам интенсивно ведется в Нидерландах [69-71], Израиле [50,95,96], Швеции [52,73,74], Норвегии [63,93], Финляндии [51], Венгрии [49,62], Дании [57], Польше [72], Греции [56,76], Турции [59,60], Китае [88-90], Сингапуре [77,94], Канаде [64], Австралии [54], странах Латинской Америки [55] и многих других.

Изучением проблем, возникающих при регистрации трехмерных объектов недвижимости, занимаются рабочие группы Международной федерации геодезистов (FIG): Комиссия 3 (Spatial Information Management) и Комиссия 7 (Cadastre and Land Management). К настоящему моменту уже проведены три международных семинара по 3D кадастру (ноябрь 2001 г., ноябрь 2011 г., октябрь 2012 г.), в ноябре 2014 года планируется проведение четвертого семинара.

Переход к 3D кадастровому учету в развитых странах определяется сложившейся национальной юридической системой, технологией и типом кадастровой регистрации. На сегодняшний день большинство стран разработали свои собственные системы управления недвижимостью. Однако различия в реализации данных систем затрудняют процессы обмена информацией через границы, интеграции рынков недвижимости, повышения инвестиционной привлекательности стран. Тем не менее, разные системы в значительной мере одинаковы: они все основаны на отношениях между людьми и недвижимостью, связанных правами (собственности или пользования), и на которые во многих странах влияет развитие информационно-коммуникационных технологий.

Участники земельных отношений сталкиваются с быстрым развитием техники и технологий (Интернет, базы геопространственных данных, стандарты моделирования, открытые системы и ГИС), а также с растущим спросом на новые услуги, развитием рынка (электронное правительство, устойчивое развитие, электронная передача прав на недвижимость и интеграция государственных данных и систем). Прогресс в информационных и сетевых технологиях диктует требования унификации и стандартизации форматов данных, структур систем и протоколов обмена.

Основным инструментом для развития и совместимости информационных систем является моделирование. Оно создает основу для взаимодействия между системами на глобальном, региональном и местном уровне.

В 1998 году по заданию Международной федерации геодезистов группой под руководством Jrg Kaufmann и Daniel Steudler была опубликована работа «Кадастр 2014: видение будущего кадастровых систем» [75]. Перед группой была поставлена задача: изучить проекты кадастровых реформ в развивающихся странах.

При этом два элемента исследовались наиболее детально: проводящаяся автоматизация кадастра и все возрастающее значение кадастра как части больших земельно-информационных систем. Основываясь на анализе тенденций, рабочая группа разработала видение кадастровых систем, то есть как они могли бы выглядеть и работать через 20 лет, начиная с 1994 года, какие изменения могут произойти, их причины и технологии, при помощи которых эти изменения могут быть воплощены.

Основываясь на существовавших системах кадастра и анкетном опросе, рабочая группа приняла шесть основных положений по развитию системы кадастра в последующие 20 лет:

1). Кадастр 2014 будет отражать полное правое положение земель, включая публичные права и ограничения.

2). Кадастровые системы вынуждены будут иметь лучшие организационные структуры и учитывать требования будущего, отдельных лиц и общества в целом.

3). Карты потеряют свою функцию хранилища информации и будут служить только для её предоставления, полученной из сохраненных моделей данных.

4). Бумага и карандаш исчезнут из кадастра.

5). Кадастр 2014 будет высоко приватизирован.

6). Государственный и частный сектор работают рядом. Кадастр 2014 будет полностью самоокупаемым.

Таким образом, Международной федерацией геодезистов были заданы основные векторы развития кадастра.

Наряду с положениями «Кадастра 2014» выделяют дополнительные характеристики кадастра будущего [41]:

перевод карт на бумажной основе в электронный вид будет выполняться с более высокой точностью;

смена фокуса с земельного участка на объект собственности;

кадастр перестанет быть двумерным и станет 3D/4D;

кадастровые данные будут обновляться и оцениваться в реальном времени;

будущие кадастры будут объединяться в региональные и глобальные кадастровые сети;

кадастры будущего лучше будут моделировать органическую природную Глобализация экономических систем и рынков земель требует глобальных систем управления. Идея создания общей модели предметной области возникла на конгрессе FIG в Вашингтоне, США в апреле 2002. Начальная версия 0.1 была представлена в сентябре 2002 на встрече Открытого геопространственного консорциума (OGC) в Ноордвик, Голландия [83]. Эта версия была названа Core Cadastral Domain Model (CCDM) – основная модель предметной области кадастра.

Финальная версия 1.0 была представлена на конгрессе FIG в Мюнхене в октябре 2006 под именем «Version 1.0 of the FIG Core Cadastral Domain Model» [53].

При стандартизации CCDM преследовались две основные цели: предотвращение повторных исследований и построение схожих по функциональности структур систем; внедрение общих для разных стран модулей кадастровых систем. Вторая цель очень важна для создания стандартизированных информационных сервисов международного содержания.

Логическим развитием CCDM стала модель предметной области для управления недвижимостью Land Administration Domain Model – LADM, которая с 01 ноября 2012 года приобрела статус международного стандарта ISO 19152 «Geographic information - Land Administration Domain Model (LADM)» [13]. Разработанная с помощью языка унифицированного моделирования UML данная модель является концептуальной схемой, которая базируется на концепции «Кадастр 2014». Она поддерживает все возрастающий уровень использования трехмерного отображения объектов недвижимости и охватывает основную часть информационных компонентов, относящихся к управлению земельными ресурсами (в том числе над водой и землей, а также ниже поверхности земли).

Модель LADM включает четыре базовых пакета, относящихся к:

1) субъектам (людям и организациям);

2) основным административно-территориальным единицам, правам, обязанностям и ограничениям;

3) пространственным объектам (парцеллам, зданиям, инженерным сетям);

4) источникам пространственной информации (съемкам) и пространственному отображению (геометрии и топологии) [22].

В дальнейшем LADM должна послужить основой для создания национальных и региональных профилей. При этом возможно применение дополнительных атрибутов, операторов, ассоциаций, классов, расширяющих данную модель в зависимости от конкретного региона или страны.

Как ожидается, внедрение базовой модели земельного администрирования будет стимулировать разработку приложений и ускорит осуществление надлежащих систем управления земельными ресурсами, которые будут поддерживать устойчивое развитие той или иной территории. Стандарт уже получил признание и поддержку в FAO, ООН и в нескольких странах. Внедрение LADM уже началось в Нидерландах, Австралии и др. странах.

Несмотря на то, что принятый международный стандарт определяет терминологию для управления земельными ресурсами и недвижимостью, на сегодняшний день понятия «3D участок» не существует ни в одной кадастровой системе.

Основными кадастровыми единицами большинства стран являются двумерные земельные участки. Описание трехмерного пространства можно найти в межевых планах или в правоустанавливающих документах. Юридический статус здания или строения можно узнать из прав, которые зарегистрированы на поверхностных участках. Классической ситуацией для многих стран является наличие поэтажных планов, которые содержатся в соответствующих государственных реестрах (Land Book, Land Registry), но не на кадастровой карте. Однако в Австралии, Хорватии, Норвегии, Швеции и на Кипре возможно получить доступ к отсканированным изображениям поэтажных планов сразу через двумерную кадастровую карту.

В Италии наряду с земельным кадастром ведется кадастр зданий (Cadastre of Buildings), включающий в себя описание каждого здания. В Испании существует следующая система трехмерной регистрации: на кадастровой карте отображается 3D модель здания, включая границы прав внутри здания. Данное представление основано на принятом стандарте высоты 3 м от одного этажа до другого. Фактическая высота может отличаться от моделируемой, тем не менее, этот подход придает зданиям и объектам собственности внутри зданий реалистичный вид (рисунок 7) [86].

Рисунок 7 – Трехмерное представление зданий в кадастре Испании Во многих странах при регистрации помещений 3D участок ограничивается стенами, полами и потолками. В основном границы, установленные таким образом, проходят через центр стен или иного общего имущества. Шведское законодательство не нормирует и не требует определенной точности измерения вертикальной протяженности. В этом смысле границы объема являются приблизительными. Считается, что такое состояние удовлетворяет потребностям населения, и нет необходимости необоснованно увеличивать стоимость кадастра точными измерениями высот. Но это не означает, что точные границы не вправе установить кадастровый инженер. Когда формируется 3D границы здания, то в объем включается определенное количество воздушного пространства вокруг здания. Это делается, чтобы обозначить права необходимого доступа для обслуживания здания по высоте или права установки выдающихся конструкций, например, спутниковых антенн [47]. В отсутствии инструкций и правил по данному вопросу во Франции также могут быть установлены виртуальные границы.

В большинстве случаев законодательство предполагает, что 3D участок должен находиться в границах поверхностного двумерного участка. В Нидерландах здание может располагаться на нескольких земельных участках. В Норвегии и Швеции 3D объекты также могут быть созданы над/под несколькими поверхностными участками. В Квинсленде (Австралия) 3D участок изначально должен лежать в границах 2D участка, однако, раздел поверхностного участка не влияет на изменение 3D участка.

Особое место в регистрации 3D объектов и прав занимают инженерные сети.

Эти сети часто пересекают несколько земельных участков и таким образом имеют, кроме высоты или глубины, собственный трехмерный характер. С 2007 г. в Нидерландах стала обязательна регистрация прав на все типы кабелей и трубопроводов. При этом каждому объекту присваивается свой собственный номер. В Швеции, преимущественно в Женеве, различные коммуникации включаются в кадастровую базу данных похожим образом.

Некоторые государства ведут разработки в области кадастровой регистрации коммуникаций, особенно Дания, Венгрия, Израиль, Италия. В Австралии существуют «карты коммуникаций», в Хорватии – реестр коммуникаций. В других странах учет инженерных сетей не встречается, или возможен только в ограниченных случаях, как, например, в Турции, где только высоковольтные ЛЭП регистрируются в кадастре. Регистрация остальных сетей ведется на муниципальном уровне и совмещена с кадастровыми данными [86].

Признанным лидером по внедрению технологии 3D кадастра являются Нидерланды. Для создания благоприятных условий с целью перехода к трехмерной регистрации в этой стране разрабатываются пилотные проекты.

С марта 2010 г. по июнь 2011 г. проводился пилотный проект по созданию трехмерной модели города Роттердама, в котором принимали участие Кадастр Нидерландов, Комитет по инфраструктуре пространственных данных, Комитет по геодезии, Министерство инфраструктуры и окружающей среды и более 65 частных, общественных и научных организаций [24].

Первым шагом при создании виртуальной модели Роттердама стало конвертирование карт в 3D модели, далее были добавлены ортофото изображения, предоставленные муниципалитетом города, затем вручную происходило наложение текстур объектов (рисунок 8):

Рисунок 8 – Этапы создания виртуальной модели г. Роттердама В итоге была построена объектно-ориентированная модель, которая дает гораздо больше возможностей, чем просто визуализация данных. По каждому объекту (земельному участку, зданию, помещению и т.д.) можно получить пространственную и административную информацию (рисунок 9).

Один из вариантов использования данной модели – это ее применение для введения 3D кадастра в Нидерландах.

1.3 Возможности перехода России на трехмерный кадастровый учет Задача по развитию трехмерного кадастра в Российской Федерации поставлена перед Минэкономразвития России и Росреестром планом мероприятий («дорожной картой») «Повышение качества государственных услуг в сфере государственного кадастрового учета недвижимого имущества и государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним», утвержденным распоряжением Правительства Российской Федерации от 01.12.2012 №2236-р [3].

На первом этапе (март 2014 года) реализации соответствующего мероприятия «дорожной карты» должны быть внесены изменения в Закон о кадастре; к марту 2015 года – в ведомственные нормативные правовые акты, устанавливающие порядок ведения государственного кадастра недвижимости, порядок предоставления сведений, внесенных в государственный кадастр недвижимости, а также форму документов, в виде которых они будут предоставляться, требования к форме технического плана здания (помещения, сооружения, объекта незавершенного строительства) и требования к его подготовке и др. На третьем этапе (март 2017 г.) должно быть осуществлено организационно-технологическое внедрение (доработка учетных систем Росреестра, разработка XML-схем и пр.). При этом представляется, что обязательность описания объекта недвижимости в трехмерном пространстве может быть установлена для отдельных категорий объектов недвижимости (сложные по конфигурации здания, сооружения) [42].

1.3.1 Особенности регистрации пространственных объектов в России В настоящее время система государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним и государственного кадастрового учета объектов недвижимости России основана на двумерном представлении объектов, включая земельные участки, здания, помещения, сооружения, объекты незавершенного строительства. Однако существующий подход не исчерпывает всех ситуаций в реальном трехмерном мире, которые могут в том числе затруднить постановку на кадастровый учет таких объектов и, как следствие, регистрацию прав на них.

Важно подчеркнуть, что законодательство Российской Федерации в сфере земельных отношений и управления земельными ресурсами не содержит упоминаний о 3D объектах, в то же время отсутствуют и препятствия для кадастрового учета и государственной регистрации 3D парцелл.

При регистрации прав на здание его контур представляет собой замкнутую линию, образуемую проекцией внешних границ ограждающих конструкций (стен) на горизонтальную плоскость, проходящую на уровне примыкания здания к поверхности земли. В площадь не включаются арки, проезды в зданиях, пилястры, а также подземные конструктивные элементы (подземные парковки). В случаях, когда здание расположено на столбах (сваях), контур образуется проекцией внешних границ стен. При этом местоположение столбов (свай) не определяется.

В графической части технического плана здания проекция подземных элементов не отображается, однако, проекция надземных (например, галерей) – показывается специальным условным знаком (рисунок 10) [5]:

Рисунок 10 – Чертеж контура здания в техническом плане, где штрихпунктирной линией В соответствии с Федеральным законом от 24.07.2007г. №221-ФЗ «О государственном кадастре недвижимости» при постановке на кадастровый учет помещения обязательному включению в технический план подлежат поэтажные планы с указанием местоположения соответствующего помещения [2].

Инженерные сети также подлежат государственному кадастровому учету в России. В кадастровую базу данных включаются координаты характерных точек контура на основании технического плана сооружения. В случае если сооружение является подземным, то его контур на земельном участке определяется как совокупность контуров только тех элементов, которые находятся на поверхности земли. Проекция подземных элементов отображается специальными условными знаками в графической части технического плана. Линейные объекты могут изображаться не только контуром. Это может быть линия, соединяющая опоры (в случае надземной линии электропередачи) или соединяющая точки выхода этого объекта на поверхность земли (подземное сооружение). В итоге кадастровому инженеру предложено три варианта описания на выбор: контур, линия, соединяющая точки (для линейных объектов), и радиус. Комбинация этих трех вариантов позволяет инженеру описывать сложные сооружения [23].

На основании разрешения на ввод объекта в эксплуатацию, проектной документации или технического паспорта кадастровым инженером определяются тип и значение основной характеристики сооружения. Для линейных объектов указывается протяженность, а для подземных сооружений – глубина залегания [6].

В России наряду с зарубежными странами ведутся разработки в области трехмерного представления пространственных данных. Так в Московской области была разработана геоинформационная система для г. Дубны, заказчиком которой стала администрация наукограда. Целью создания ГИС Дубны является обеспечение администрации города и других руководителей муниципальных структур комплексной, достоверной и актуальной картографической информацией с возможностью ее всестороннего анализа для оперативного принятия управленческих решений [28].

Большой вклад в развитие 3D кадастра в России внес совместный российсконидерландский проект. На основе положительного опыта проекта и тестирования разработанного прототипа были сформулированы рекомендации для перехода к трехмерному кадастровому учету, в том числе по совершенствованию российской нормативно-правовой базы и по организации 3D кадастра [34].

1.3.2 Российско-нидерландский проект «Создание модели трехмерного В период с мая 2010 г. по июнь 2012 г. в рамках программы «Правительство для правительства» (G2G) и в соответствии с приказом Росреестра от 08 апреля 2011 г. №П/106 выполнялся проект «Создание модели трехмерного кадастра объектов недвижимости в России» между Федеральной службой государственной регистрации, кадастра и картографии России и Агентством кадастра, регистрации земель и картографии Нидерландов [29,30,61,78-81].

Цель российско-нидерландского проекта по созданию системы трехмерного кадастра в России заключалась в оценке возможности введения 3D кадастра, более точно отражающего реальную ситуацию, для совершенствования кадастрового учета и обеспечения гарантии прав.

Реализация проекта включала решение следующих задач:

анализ международного опыта в создании трехмерного кадастра с целью выбора наиболее эффективных решений для их адаптации к условиям Российской Федерации;

анализ законодательной базы в сфере государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним и государственного кадастрового учета объектов недвижимости в Российской Федерации с целью оценки возможности введения трехмерного кадастра;

создание модели трехмерного кадастра недвижимости для условий Российской Федерации;

разработка прототипа на основе модели трехмерного кадастра;

отработка технологии подготовки данных для обеспечения 3D кадастра на примере пилотных объектов;

проведение апробации прототипа в условиях пилотного региона;

проведение учебного семинара для специалистов Росреестра и кадастровых инженеров;

разработка предложений и рекомендаций по правовым и организационным аспектам в целях создания благоприятных условий для развития 3D кадастра в России.

В качестве пилотного региона для реализации проекта была определена Нижегородская область. Для проекта были выбраны три типичных трехмерных объекта на территории Нижнего Новгорода:

а) здание Теледома (около телевизионной башни) по ул. Белинского, 9/1.

Права различных пользователей записаны по отдельности в реестре прав. В сумме в здании находятся 20 трехмерных единиц с 10 различными собственниками. Здание имеет интересные выступы (один нависает над соседним участком, на котором расположен магазин, а другой над дорогой/тротуаром), также в нем находится подземная парковка. На двумерной кадастровой карте на земельном участке отображается только основание здания (рисунок 11).

б) жилой комплекс по ул. Невзоровых (рисунок 12), включающий 7 помещений для нежилых целей и 88 квартир, из которых шесть в ипотеке. Подземная парковка и земельный участок находятся в долевой собственности. Данный комплекс является объектом незавершенного строительства.

в) газопровод среднего давления, принадлежащий на праве собственности ООО «Нижегородоблгаз» Длина газопровода составляет 72,73 м, диаметр 50 мм.

Он пересекает земельный участок с К№52:18:0060085:21, на котором расположен комплекс музейных зданий. Газопровод имеет два выхода – земельные участки с К№52:18:0060085:150 и 52:18:0060085:216 (рисунок 13) [68].

Предложенная концептуальная модель трехмерного кадастра базируется на принципах стандарта ISO 19152 LADM. Модель адаптирована к российским условиям и ориентирована на 5 видов объектов недвижимости (земельные участки, здания, помещения, сооружения и объекты незавершенного строительства).

Исходя из существующей в России 2D системы кадастрового учета и регистрации прав, в качестве рабочей модели был выбран вариант полиэдрального юридического 3D кадастра, базирующийся на представлении 3D объектов в виде полиэдров (многогранников) – объемов, ограниченных плоскими гранями. Криволинейные поверхности объектов типа трубопроводов и кабельных линий аппроксимируются мульти-полилиниями с диаметром. Для технической реализации было выбрано решение, которое использует существующий 2D портал и реализует его связь с новым 3D просмотрщиком. Такое решение является наиболее быстро реализуемым и требует минимальных изменений, опираясь на функционал, поддерживаемый существующим 2D порталом.

Для разработки прототипа и его последующей апробации по пилотным объектам был получен и обработан в соответствии с требованиями разрабатываемого прототипа комплекс данных, включающий:

топографическую основу и цифровую модель рельефа;

данные государственного кадастра недвижимости (границы кадастровых кварталов, земельных участков и их характеристики);

сведения о государственной регистрации прав на земельные участки, здания, помещения и сооружения;

техническую документацию (технические паспорта с поэтажными планами и др.).

С целью отработки прототипа 3D кадастра с использованием поэтажных планов и дополнительной информации были подготовлены трехмерные модели зданий, отражающие объемные характеристики помещений с одновременным отображением в условных цветах соответствующих правообладателей.

Каждому объекту недвижимости соответствует сводная атрибутивная таблица, включающая основные данные из государственного кадастра недвижимости, государственной регистрации и технические характеристики объекта.

Разработанный прототип работает в среде Internet Explorer с плагином для 3D просмотрщика (рисунок 14).

Рисунок 14 – Окно 3D просмотрщика на геопортале ГКН РФ Интерфейс состоит из трех основных частей, включая:

1) собственно 3D просмотрщик (3D Viewer), позволяющий реализовать различные возможности визуализации объекта и его отдельных частей, включая поворот, масштабирование, включение/отключение различных слоев, а также ряд специальных функций, например, «идентифицировать» и «выдвинуть этаж» для более детального просмотра;

2) окно «Отбор» (Select), реализующее различные опции для отбора и визуализации 3D парцелл в границах 3D объекта в соответствии с заданными критериями;

3) окно «Результаты отбора» (Selection Results), позволяющее просматривать информацию по отобранным объектам.

На примере пилотных объектов нидерландскими и российскими специалистами в апреле 2012 г. была проведена апробация разработанного прототипа с участием специалистов системы Росреестра и кадастровых инженеров, целью которой являлась оценка реализованных функциональных возможностей, определение направлений дальнейших разработок, анализ возможностей использования данных 3D кадастра. Результаты апробации показали положительное отношение к возможностям введения 3D кадастра и позволили наметить пути дальнейшего развития с учетом потребностей потенциальных пользователей.

Специалистами Росреестра было отмечено, что при создании условий для введения 3D кадастра и поддержке производственной системы не ожидается существенных дополнительных затрат на регистрацию прав и кадастровый учет трехмерных объектов. В то же время преимущества огромны: более подробное описание объектов и прав на них, существующих ограничений и обременений в сложной ситуации, где интерес общества очень высок из-за высокой стоимости недвижимости в плотной городской застройке.

Кроме того, применение трехмерного кадастра согласуется с современным уровнем развития информационных технологий Росреестра. По этой причине после первоначальной разработки системы трехмерного кадастра дополнительные затраты практически не нужны, а ее введение не повлияет на процессы регистрации прав и кадастрового учета. При этом также следует учитывать, что новые объекты кадастрового учета (новые здания или сооружения) в настоящее время зачастую архитектурно проектируются (CAD) непосредственно в 3D. Таким образом, лишь с небольшими дополнительными усилиями (при наличии четких инструкций) можно использовать 3D модели объектов для кадастрового учета и регистрации прав.

Развитие работ по введению трехмерного кадастра и взаимодействие с потенциальными пользователями позволит выявить наиболее эффективные пути реализации и уточнить состав информационных продуктов, создаваемых с использованием данных 3D кадастра по сложным объектам недвижимости, как в целях совершенствования государственной регистрации прав и кадастра недвижимости, так и для расширения предоставления услуг в электронном виде различным категориям потребителей [30].

Из аналитического обзора моделей представления кадастровых данных следует, что Россия существенно отстает в развитии кадастровой системы по отношению к западно-европейским странам. Чрезвычайно быстрое, во многом хаотическое развитие градостроительной ситуации в крупных городах РФ заставляет искать (или следовать своим путем) приемлемые для России модели систем кадастрового учета трехмерных объектов недвижимости.

На наш взгляд, введение модели 3D кадастра уже сейчас целесообразно для крупных городов, миллионников, таких как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Казань, Екатеринбург с развитой инженерной инфраструктурой, наличием опыта ведения традиционного кадастра недвижимости и высокого кадрового потенциала.

Но реальность такова, что на сегодняшний момент в России в целом наиболее вероятным и возможным является применение определенных 3D признаков в текущей двумерной кадастровой системе, поскольку это не влечет за собой коренных изменений общей структуры кадастровой информации, больших экономических затрат и повышения квалификации специалистов. Данный вариант может послужить мостом для постепенного перехода на модель полного 3D кадастра.

Очевидно, что вопросы управления территориями и недвижимостью в России приобретают с каждым годом всё большую актуальность. Совершенствование законодательства и внедрение новых технологий кадастра будет способствовать получению более четкой, объективной, достоверной, наглядной кадастровой информации относительно объектов недвижимости, которая в свою очередь будет иметь экономический и социальный эффект.

2 Моделирование пространственных объектов в кадастрах различной В соответствии с Федеральным законом «О государственном кадастре недвижимости» государственный кадастровый учет объектов недвижимости в России осуществляется на основе двумерных кадастровых карт, представляющих собой составленные на единой картографической основе тематические карты, на которых в графической и текстовой форме воспроизводятся кадастровые сведения:

1) о земельных участках, зданиях, сооружениях, об объектах незавершенного строительства;

2) о прохождении Государственной границы Российской Федерации;

3) о границах между субъектами Российской Федерации, границах муниципальных образований, границах населенных пунктов;

4) о территориальных зонах, зонах с особыми условиями использования территорий;

5) о кадастровом делении территории Российской Федерации;

6) о местоположении пунктов опорных межевых сетей [2].

Приказом Министерства экономического развития от 19.10.2009 г. № устанавливается перечень видов и состав кадастровых карт [4]. В соответствии с ним различают:

публичные кадастровые карты, на которых воспроизводятся общедоступные кадастровые сведения, в том числе границы населенных пунктов, границы земельных участков и контуры объектов недвижимости, расположенных на участках, кадастровые номера земельных участков, зданий и сооружений;

дежурные кадастровые карты, предназначенные для использования органом кадастрового учета при ведении государственного кадастра недвижимости;

карты территорий муниципальных образований, предназначенные для использования органами местного самоуправления соответствующего муниципального образования;

карты территорий субъектов РФ, предназначенные для использования органами исполнительной власти субъектов РФ. Такие карты представляют собой совокупность кадастровых карт муниципальных образований в пределах территории соответствующего субъекта РФ.

Объекты кадастрового учета, отображенные на кадастровых картах, являются пространственными объектами, положение и конфигурация которых описывается в координатной форме. Таким образом, объект ГКУ – это цифровое представление объекта реальности (цифровая модель объекта капитального строительства, земельного участка и пр.), описывающее его местоположение, набор описательных характеристик, атрибутов и пространственные связи с другими объектами (топологические отношения).

Наиболее употребительными представлениями пространственных данных являются векторное (координатное) и регулярно-ячеистое (растровое).

Представление о векторном и ячеистом модельном описании основных типов объектов в 2D модели показано на рисунке 15:

Рисунок 15 – Модели представления данных: а) векторная (координатная) модель;

На основании любой из этих моделей выстраивается определенная организация пространственных данных для решения той или иной бизнес-задачи. Основная информационная бизнес-задача в ГКН – автоматизированный кадастровый учет объектов недвижимости, расположенных в пределах определенной территории. Информационному моделированию подлежат объекты кадастрового учета и территория их нахождения.

В случае векторного представления пространственное (координатное) описание объектов в 2D моделях может быть реализовано одним из трех элементарных графических объектов (графических примитивов), используемых в компьютерной графике: точкой, линией (полилинией) и полигоном. Поскольку векторное представление сегодня доминирует в ГИС продуктах, используемых, в частности, в кадастре, в таблице 3 приведено описание данных графических примитивов, при помощи которых моделируются практически все объекты в реальном мире [33]:

Таблица 3 – Графические примитивы, используемые в 2D моделях Наименование графи- Координатное описание ческого примитива (метрика) примитива Линия/полилиния Xl1, Yl1; Xl2, Yl2, … Xln, Yln – Тип представления (Line/Polyline) координаты начала, изло- (условный знак), Существующая система государственного кадастра недвижимости Российской Федерации основана на представлении пространственных объектов в виде двумерных полигонов, не связанных между собой топологически, граница между двумя соседними участками повторяется (дублируется) в кадастровой базе данных.

Для позиционирования на плоскости или в пространстве векторных объектов задается система отсчета [14]. В большинстве двумерных ГИС применяются плоские системы координат – декартова прямоугольная (x, y) или плоские проекционные системы координат, используемые в математической картографии. Из-за размеров Российской Федерации для точного определения координат на кадастровой карте используются несколько координатных систем (трех градусные зоны). В каждом регионе для кадастровых целей применяют специальные местные системы координат.

Одним из необходимых условий, предъявляемым к качеству пространственных данных двумерных карт, является точность. Точность координатного описания объектов и объем показываемых условными знаками свойств объектов жестко связаны и задаются масштабом карты. Точность метрики объектов цифровой топографической карты (ЦТК) должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 51608-2000 для ЦТК, создаваемой по картографическим материалам, или соответствующим нормативным документам для ЦТК, создаваемой по иным исходным материалам [15].

Качество цифровой топографической карты характеризуется совокупностью свойств, обуславливающих её пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с её назначением. Для ведения ГКН требования к точности и методам определения координат характерных точек границ земельного участка, а также контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке устанавливаются Приказом Минэкономразвития России от 17 августа 2012 г. №518 г.

Координаты характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства определяются с точностью определения координат характерных точек границ земельного участка, на котором расположены здание, сооружение или объект незавершенного строительства [7].

Перечень семантических характеристик пространственных объектов соответствует атрибутам объекта, качественным и количественным его показателям, которые могут быть получены в ходе обработки данных или генерируются системой автоматически (к последнему типу атрибутов принадлежат, например, значения площадей и периметров полигональных объектов).

При объединении пространственного описания объекта и его атрибутивных характеристик используются уникальные идентификаторы. В результате создается геоинформационный объект с уникальным координатным и семантическим описанием. Вследствие того, что географическая (пространственная) информация об объекте объединяется с семантической, хранящейся в реляционной СУБД, модель такого типа называют геореляционной.

Классификация геообъектов может осуществляться по определенным заранее классификационным признакам в соответствии с решаемой в ГИС задачей. В информационных системах ГКН унаследован топографический подход к классификации объектов в соответствии со специально разработанным документом – классификатором топографической информации, разработанным Военнотопографической службой. Этот классификатор построен по иерархическому принципу. Описание объектов в нем передается 8-значными кодами, каждая его позиция несет информацию об объектах на каждом уровне деления классификатора. Как правило, глубина деления классификационных признаков доведена до условного знака на традиционных бумажных картах. Код классификатора несет информацию об объектах местности, независимо от способа их локализации на карте. Так, один и тот же объект, например, здание, может передаваться на картах разного масштаба либо точечным, либо полигональным примитивом и, независимо от класса, к которому он принадлежит, данный объект будет всегда иметь один и тот же код.

Используя классификационный признак объекта, который является теперь одним из его атрибутов, становится удобным визуализировать пространственные объекты на экране, регулируя их «видимость» по требованию оператора. У оператора создается иллюзия помещения определенных групп объектов с одним классификационным признаком в некие слои, расположенные один под другим как это показано на рисунке 16 [33].

Рисунок 16 – Классы объектов и слои цифровой кадастровой карты Представляется, что объекты одного класса помещены в один слой, в котором можно управлять визуализацией этих объектов. Корневой уровень классификатора разделяет все топографические (пространственные) объекты на восемь основных классов с соответствующим кодом:

10000000 – математическая основа карты (пункты государственной геодезической сети);

20000000 – гидрография (объекты гидpогpафической сети, объекты суши, омываемые водой, гидротехнические сооружения для хозяйственного использования водных ресурсов);

30000000 – населенные пункты и их структурные части;

40000000 – промышленные, сельскохозяйственные и социально-культурные объекты;

50000000 – дорожная сеть (железные и автомобильные дороги, дорожные сооружения);

60000000 – рельеф (горизонтали, отметки высот, обрывы и т.д.);

70000000 – растительность и грунты;

80000000 – границы, ограждения и прочие объекты.

Такой уровень организации пространственных данных уже позволяет представлять их в виде электронной карты на экране при помощи соответствующего программного обеспечения. Удобство такого представления цифровых пространственных данных терминологически закрепило понятие слоя (как вместилища совокупности однотипных объектов местности) в ГИС индустрии на долгие годы.

Но данное понятие свойственно двумерному представлению пространственных данных и не соответствует трехмерной визуализации моделей объектов. Здесь, очевидно, понятие слоя неприемлемо, а понятие класс объекта инвариантен для любого (двумерного или трехмерного) вида моделирования местности [33].

Современный уровень развития геоинформационных систем предполагает описание пространственных данных в трехмерном виде, что позволяет представлять данные в виде 3D моделей территорий с фотореалистичным отображением объектов.

Потребность в реалистичном отображении объектов окружающего мира увеличивает значимость трехмерного моделирования. При этом можно выделить два основных класса 3D моделей: виртуальные и реальные. Коренное отличие виртуальной модели от реальной заключается в отсутствии в первой модели информации о точном определении пространственного положения объекта в вертикальном направлении, то есть она содержит достаточно условное значение третьей координаты z (высоты) в заданной точке (x, y).

В этом случае, как правило, создается структура данных, в которой значение z или высоты h каждой точки записывается в качестве атрибута. При этом значение z может быть использовано в перспективных построениях для создания трехмерных изображений. Поскольку это не истинное трехмерное представление, его часто именуют 2,5-мерным.

Для представления четко выраженных объектов наблюдается прогресс в векторном 3D моделировании. Широко распространены и используются векторные геометрические модели, изучаются векторные топологические модели, и успешно испытываются некоторые удачные прототипы (1Spatial, CC-modeller и т.д.), появляются модели сетевых объектов [91].

Геометрические модели являются самыми подходящими к 3D моделям, они объединяют объекты и их координаты. Такие модели являются простыми и быстродействующими, но приводят к большому объему данных (набор координат может повторяться несколько раз для описания одних и тех же свойств).

Существуют следующие основные подходы при моделировании пространственных объектов:

а) представление с помощью границ (Bounded representation или В-rep);

Это наиболее общий подход к описанию тел, который состоит в представлении тела совокупностью ограничивающих его объем оболочек, грани и ребра которых заданы параметрически. Каждая оболочка строится из набора стыкующихся друг с другом поверхностей произвольной формы, содержащих полную информацию о своих границах и связях с соседями, что дает возможность выполнять над телами множество операций, сохраняя при этом единый способ их внутреннего устройства. Представление тел с помощью границ позволяет моделировать объекты произвольной формы и сложности [19].

б) плоскогранное представление (Faceted representation или Faceted);

При данном подходе для описания тел используются только плоские поверхности, что значительно упрощает выполнение операций над объектами. Для описания криволинейных поверхностей плоскогранное представление может аппроксимировать их некоторым количеством пластин треугольной или четырехугольной формы.

Аппроксимация поверхности моделируемого объекта треугольными пластинами, отстоящими от нее на расстоянии, не превышающем некоторой заданной величины, называется триангуляцией (рисунок 17) [19].

Рисунок 17 – Пример триангуляции простой трехмерной области (призма с двумя Самой используемой векторной полигональной структурой (моделью) пространственных данных является треугольная нерегулярная сеть (Triangulated Irregular Network – TIN). Она строится путем объединения известных точечных значений в серии треугольников по алгоритму триангуляции Делоне. Модель используется для представления поверхности в виде совокупности смежных трехмерных треугольных граней, которые не перекрываются.

Триангуляция области будет триангуляцией Делоне, если внутри описанной вокруг каждого треугольника окружности отсутствуют вершины других треугольников. Триангуляция Делоне строит треугольники по возможности близкие к равноугольным (не допускает построение неоправданно вытянутых треугольников).

Благодаря своей «нерегулярности» TIN-модель является более гибкой по сравнению с растровой и позволяет более компактно и с меньшими погрешностями описать поверхности с вложенными формами. К таким поверхностям относятся топографические поверхности. Поэтому TIN-модель обычно используется для построения цифровых моделей рельефа.

Модель рассматривает узлы или точки сети как первичные элементы. Топологические отношения устанавливаются путем создания в базе данных для каждой узловой точки указаний на соседние узлы. Пространство, окружающее территорию, моделируемую TIN, определяется фиктивной узловой точкой. Данный процесс упрощает процедуру описания топологии приграничных точек.

База данных TIN-модели содержит три набора записей: список узловых точек, список указателей и список треугольников. Список (таблица) узловых точек содержит номера узловых точек, их координаты, количество соседних узловых точек и исходное положение идентификаторов этих соседних точек в списке указателей. Узловые точки на границе рассматриваемой области используют как указатель фиксированного значения. Список (таблица) указателей для каждой узловой точки содержит номера соседних узловых точек. Список соседних узлов начинается от северного направления и соответствует ходу часовой стрелки.

Списки узловых точек и указателей содержат всю существенную атрибутивную и топологическую информацию, поэтому они используются во многих приложениях [48].

в) метод конструктивной твердотельной геометрии (Constructive Solid Geometry или CSG);

Подобный подход может быть использован для определения трехмерных кадастровых участков. Конструктивная твердотельная геометрия оперирует примитивами, к которым, как правило, относят прямоугольную призму, треугольную призму, сферу, цилиндр, конус. Над примитивами и полученными из них телами можно выполнять различные операции (в первую очередь булевы операции). При применении данного метода сложные фигуры могут образовываться присоединением простых объемов или вычетом частей из объектов (рисунок 18).

Созданные геометрические тела имеют преимущество из-за очень простых ограничений по оценке точности, а также с их помощью легко можно вычислить объем и площадь объектов [92].

Рисунок 18 – Объект, построенный с помощью простых геометрических тел г) нормальный политоп;

Частным случаем построения объектов с помощью простых геометрических тел является «нормальный политоп». Он определяется как объединение ряда выпуклых фигур (рисунок 19).

Основная черта этого подхода заключается в том, что определенная комбинация полупространств и выпуклых областей является надежной, значительно упрощая процесс оценки точности [92].

д) объекты, построенные с помощью выдавливания;

Многие пространственные объекты можно получить путем движения плоского контура по заданной траектории (направляющей движения). В случае если направляющей движения контура служит отрезок прямой, то в результате будет получено тело выдавливания (рисунок 20):

Рисунок 20 – Городская модель, созданная методом выдавливания (экструзии) Трехмерные объекты могут быть созданы с помощью выдавливания в большинстве ГИС и CAD программных обеспечениях. Это удобный способ визуализации 3D кадастровых данных, где характерные высоты объектов, высоты объектов с постоянным значением высоты и иногда высотные отметки поверхности земли могут использоваться для формирования трехмерного изображения. Этот метод применяется для построения 3D изображений в простых ситуациях, где не требуется использование аналитических средств. Оценка точности данных связана с геометрией 2D основного участка и значением высоты вытянутого 3D объекта. В этом случае сложнее проверить точность данных для соседних объектов различной высоты и выполнить объединение 3D объемов с 3D территориями [92].

На практике при описании объема виртуальных 3D моделей V = f (x, у, h), где h – протяженность в вертикальном направлении, возможно двумя способами.

Первый способ состоит в измерении h в каждой точке объекта с координатами х, у. При этом h может являться константой для всех x, у. Второй способ применяется, когда описание состоит из ссылок на стены, потолок, крышу, пол. Общепринято, что границы, установленные таким образом проходят через центр стен или иного общего имущества [47].

Реальные 3D модели – это создание истинных трехмерных представлений, структур данных, в которых местоположение фиксируется в трех измерениях (x, y, z). При этом вертикальная координата z – это не атрибут, а элемент местоположения точки. Такой подход позволяет регистрировать данные в нескольких точках с одинаковыми координатами.

Для позиционирования в пространстве векторных объектов должна быть задана система отсчета. Это может быть пространственная прямоугольная система координат (x, y, z), либо система координат на сфероиде (B, L, H). Также для точного определения координат объектов в пространстве по аналогии с 2D требуется создание специальных местных пространственных систем координат.

Для построения реальных трехмерных моделей зданий, сооружений и иных объектов необходимо сначала провести измерения и получить пространственные координаты. Для этого используют следующие методы:

тахеометрическая съемка фотограмметрические методы лазерное сканирование Как правило, геодезисты или другие специалисты, проводящие измерения, используют современное оборудование, в первую очередь электронные тахеометры, которые позволяют получать координаты точек с точностью нескольких миллиметров. Принцип работы электронного тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до нее. Отражателем в общем случае служит специальная призма, которая крепится на поверхности объекта. Измерение двух углов (вертикального и горизонтального) и расстояния дает возможность вычислить трехмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Такой метод эффективен при съемке разреженной, малозагруженной объектами площади, однако, сложность, с которой приходится сталкиваться при креплении отражающих призм (на большой высоте, в труднодоступном месте), зачастую оказывается непреодолимой.

Относительно недавно появились безотражательные тахеометры, работающие без специальных отражателей. Безотражательные тахеометры идеально подходят в тех случаях, когда размещение отражателя на объекте затруднено из-за его расположения, высоты, дальности нахождения и других причин. Применение данных тахеометров может значительно сократить сроки выполнения работ, но тем не менее, специалисту придется затратить значительное время при проведении съемки в условиях плотной застройки и на больших по площади территориях [44]. Для решения этих проблем используют фотограмметрические методы.

Фотограмметрическими называют методы сбора информации, применяющие технологии получения и обработки различных фотоснимков. Снимки могут быть получены посредством космической съемки (с искусственных спутников Земли), аэрофотосъемки (со специально оборудованных самолетов, имеющих аэрофотокамеры), съемки с малых носителей (вертолеты, мотодельтапланы, авиамодели, беспилотные летательные аппараты), наземной съемки (фототеодолиты, камеры для наземной съемки, любительские фотокамеры).

Развитие фотограмметрии от появления фотографии как средства получения изображений до недавнего времени шло, главным образом, по линии решения задач, возникающих при проведении наземных съемок и аэрофотосъемок для целей картографирования. Использование фотограмметрии для измерений близко расположенных объектов (инженерной фотограмметрии) ограничивалось необходимостью использования дорогостоящей и низкопроизводительной аналоговой измерительной техники (стереокомпараторов, стереометров, стереопланиграфов).

Однако распространение высокопроизводительной вычислительной техники, с одной стороны, и совершенствование средств получения цифровых изображений, с другой стороны, обусловили необходимые предпосылки для появления высокоэффективных цифровых аппаратно-программных комплексов для практической инженерной фотограмметрии. В последние десятилетия стало возможным применять методы машинного зрения для решения задач бесконтактных измерений и создания реальных трехмерных компьютерных моделей объектов сложной формы, и, тем самым, обеспечивать высокую точность и высокую степень автоматизации измерений.

Основными задачами, которые требуется решить при определении трехмерных координат точек объекта фотограмметрическими методами, являются следующие:

1) выбор конфигурации съемки.

Качество измерений существенно зависит от выбранных масштаба съемки, расположения съемочных камер, собственной формы объекта, а также от ограничений, налагаемых условиями съемки. Поэтому для обеспечения требуемых показателей качества модели в каждом конкретном случае необходимо для заданного класса объектов решать задачу выбора количества, параметров и расположения камер.

2) задача калибровки.

Под задачей калибровки понимаются определение адекватной математической модели съемки (геометрии получения изображения) и оценка параметров данной модели.

3) задача стереоотождествления.

Проблема стереоотождествления заключается в идентификации на разноракурсных (стерео) снимках соответствующих двумерных изображений одной и той же заданной трехмерной точки поверхности объекта и высокоточном измерении ее координат на этих изображениях.

4) задача расчета трехмерных координат точек объекта сложной формы.

Стереосистема машинного зрения может определить трехмерные координаты тех точек объекта, которые одновременно видны обеими камерами. Поэтому даже для простых поверхностей по стереопаре изображений может быть восстановлена лишь частичная модель (фрагмент) объекта [45].

Сравнительно молодым направлением в области высокоточных измерений является лазерное сканирование. Предпосылкой к его возникновению и развитию стало появление безотражательных лазерных тахеометров, а также GNSSтехнологий (Global Navigation Satellite System), дающих возможность быстро и точно определять координаты на местности с помощью спутниковой информации.

Принцип действия лазерных сканеров, независимо от их типа и назначения, основан на измерении расстояния от источника лазерного импульса до объекта.

Пучок лазера, выходящий из излучателя, отражается от поверхности обследуемого объекта. Отраженный сигнал поступает в приемник сканера, где по задержке времени (импульсный метод) или сдвигу фаз (фазовый метод) между излученным и отраженным сигналом определяется требуемое расстояние. Зная координаты сканера и направление импульса, можно определить трехмерные координаты точки, от которой отразился импульс.

Сканер выполняет измерения с очень высокой частотой (до нескольких сотен тысяч измерений в секунду), в результате чего получается большой объем координатных данных, с высокой точностью и полнотой описывающих обследуемый объект. Изначально «сырые измерения» представляют собой набор («облако») точек, который необходимо представить в виде чертежей или схем в формате CAD.

Никакое существующее программное обеспечение не может в настоящее время успешно разрешить проблему распознавания образов ни в автоматическом, ни в полуавтоматическом режиме с той степенью достоверности, которая необходима пользователю. Именно по этой причине весь процесс обработки данных требует участия человека. Процесс обработки зависит от желаемого конечного результата, это может быть непосредственно само облако точек, триангуляционная поверхность (TIN), набор сечений, план, сложная трехмерная модель, либо набор измерений (длины, периметры, диаметры, площади, объемы).

Существуют лазерные сканеры наземного и воздушного базирования, в последнем случае речь идет о съемке с борта вертолета или самолета (рисунок 21).

При этом различают технологии наземного и воздушного лазерного сканирования, отличающиеся областями применения и точностью получаемых результатов.

Воздушное лазерное сканирование, как правило, выполняется в комплексе с цифровой аэрофотосъемкой [43].

Рисунок 21 – Технология лазерного сканирования (а – наземное лазерное сканирование, б – Наземный лазерный сканер устанавливается в точке с заранее измеренными координатами и сканирует окружающие объекты. При необходимости, для получения полной картины, производится сканирование с нескольких точек/ракурсов, после чего облака отражений «сшиваются» в единый массив.

Регулируемая поверхностная плотность измерений позволяет получать данные об объектах с полнотой, ранее доступной лишь фотограмметрическим методам, при этом процесс постобработки значительно проще. Основные области применения наземного сканирования – внутренняя и наружная съемка и моделирование архитектурных сооружений, промышленных объектов (строительные площадки, цеха, электроподстанции, горные выработки и т.п.).

Дальность действия наземных сканеров обычно лежит в пределах от единиц до сотен метров. Поверхности, построенные по множеству полученных прямым измерением точек, моделируют реальный объект с точностью до 3-5 мм.

Воздушные лазерные сканеры устанавливаются на такие носители как самолет или вертолет и предназначены для съемки больших участков местности с воздуха в процессе полета. Так как положение и ориентация сканера непрерывно меняются, такие системы укомплектовываются GPS приемником и инерциальной системой IMU (Inertial Measurement Unit), в реальном времени измеряющими положение и ориентацию носителя/сканера в пространстве. Для повышения точности измерений координат используют базовые GPS станции, которые дают информацию для вычисления дифференциальных поправок, учитывающих погрешности распространения сигналов спутников. Как правило, совместно со сканирующей системой на носитель устанавливается цифровая фотоаппаратура, позволяющая производить аэрофотосъемку одновременно с лазерным сканированием.

Дальность действия воздушных сканеров – от нескольких сотен до нескольких тысяч метров. Точность фиксации отражений по высоте – 10-15 см, в плане – 1/2000 высоты полета, что обусловлено существенной дивергенцией лазерного луча. Таким образом, при съемке местности с высоты 500 м, плановая точность будет не хуже 25 см. Плотность отражений обычно составляет от единиц до сотен точек на 1 м2 и зависит от частоты генерируемых импульсов и высоты полета.

Возможность фиксации нескольких откликов от каждого импульса позволяет получать лазерные отражения от поверхности земли, скрытой растительностью, т.е.

восстанавливать рельеф местности там, где это невозможно сделать с помощью традиционной аэрофотосъемки. Воздушное сканирование применяется для съемки как площадных, так и протяженных инфраструктурных объектов (дороги, трубопроводы, линии электропередач и т.д). Результаты воздушной лазерной съемки применяются в проектировании, инвентаризации объектов, картографии и многих других областях.

К основным преимуществам технологии лазерного сканирования, несомненно, можно отнести высокую скорость и оперативность съемки, недостижимую любыми другими методами измерений. В области обследования линий электропередач воздушная лазерная съемка сегодня является практически мировым стандартом. При этом нельзя забывать о правовых вопросах. Например, для проведения любой аэросъемки требуется пройти долгий путь получения соответствующих разрешений, связанных как с вопросами секретности, так и с вопросами использования воздушного пространства. Это может занимать весьма значительное время, что отрицательно влияет на оперативность.

Основным результатом лазерного сканирования является облако трехмерных точек, с той или иной точностью описывающих геометрические параметры объекта съемки. Количество лазерных отражений, полученных при съемке объекта обследования, часто составляет сотни миллионов и даже миллиарды. Обработка таких массивов данных и формирование на их основе конечных продуктов для пользователей в различных отраслях деятельности сегодня является наиболее трудоемкой составляющей лазерной технологии [43].

На сегодняшний день имеются успешно реализованные пилотные проекты по созданию 3D кадастра как в ряде зарубежных стран [24,64,71,76,89,93,96], так и в Российской Федерации [29,30,61,78-81]. Данные проекты показали реальную возможность внедрения технологии трехмерного кадастра при применении различных методов построения моделей объектов недвижимости и сбора пространственной информации о них.

В связи с тем, что современные методы получения пространственных данных позволяют моделировать реальный объект недвижимости с точностью до нескольких миллиметров, встает вопрос о необходимой точности построения трехмерных моделей для решения задач в кадастре.