Я работаю в стартапе в области климатических технологий, и хотя в моих обязанностях не входит непосредственная работа с геопространственными данными (по крайней мере, пока что), этот аспект нашей работы меня очень интересует. Недавно я наткнулся на кажущееся безобидным сообщение в Slack о том, что у нас меньше информации по одному из проектов по углеродным компенсациям из-за проблемы с смещением GPS в Китае.
Это, естественно, заинтересовало меня — я не знал, что китайские геопространственные данные могут отличаться от данных других стран. Разве это не одна из немногих областей, где мы все согласны с правильным подходом?
Чем больше я погружался в эту тему, тем больше интересных вещей находил, и тем больше это казалось логичным с китайской точки зрения. Так что я решил поделиться этой историей здесь. Мы рассмотрим следующее:
- Различия между уличным видом и спутниковым видом в Китае.
- Почему китайские карты выглядят так странно по сравнению с остальным миром?
- Почему китайское правительство хочет иметь другую систему?
- Есть ли способ точно картографировать Китай?
- Что это значит для мира?
Различия между уличным видом и спутниковым видом в Китае.
Если вы никогда не смотрели на цифровую карту Китая, я призываю вас сделать это сейчас — сначала, если вы посмотрите на уличный вид, он выглядит как любая другая карта, с которой вы сталкивались. Однако, если наложить спутниковый вид, вы увидите, что что-то не так.
Посмотрите на это изображение из Google Карт района центрального Шанхая в уличном виде и спутниковом:
При увеличении изображения реки Хуанпу это становится особенно заметным. Много активности в водоеме!
Сначала кажется, что все немного смещено — почему это так и можно ли это исправить?
Почему китайские карты выглядят так странно по сравнению с остальным миром?
С первого взгляда кажется, что спутниковые снимки, которые у нас есть для Китая, означают, что уличный вид был неправильно наложен — все нужно сдвинуть немного влево (или на запад), и оно снова совпадет со спутниковым изображением. Простое решение!
Однако мы можем увидеть, почему это не так просто, если прокрутить до другой части этой реки — здесь вы все еще можете видеть проблему с выравниванием реки, но мост Сюпу также немного севернее на спутниковом виде, чем на уличном.
Значит ли это, что нам нужно сдвинуть все немного на север и немного на запад, чтобы выровнять их? Не совсем: рассмотрите изображение ниже в Пекине. Парк Лунтан сильно отклонен от того места, где он должен быть (спутниковое изображение должно быть смещено на север и восток, что отличается от того, что мы видели ранее), но обратите внимание, что Храм Неба расположен более или менее корректно.
Что здесь происходит? Есть ли какая-то закономерность в этой системе картографирования?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно сделать шаг назад и поговорить о том, как картографируется Земля. Карты мира используют системы отсчета, известные как геодезические датумы, которые используют различные базовые точки по всему миру для якорения позиционных измерений.
GPS использует Всемирный геодезический стандарт 1984 года (или WGS-84) в качестве своего стандарта отсчета. Национальное агентство геопространственной разведки (NGA) в США поддерживает WGS-84. Это означает, что де-факто большинство мира подписалось на американские картографические соглашения.
Несколько стран установили свои собственные геодезические данные, включая Россию и Китай. Датум Китая называется GCJ-02, что переводится как «Нелинейный алгоритм конфиденциальности топографической карты» (название «GCJ» происходит от китайского «гуо-це-цзю»).
Вот где это становится интересным — GCJ-02 основан на WGS-84, но с применением специального алгоритма обфускации. Эффект от этого заключается в том, что к широте и долготе добавляются случайные смещения, варьирующиеся от 50 м до 500 м.
Возвращаясь к нашим примерам карт, это объясняет, почему иногда уличный вид и спутниковый вид выглядят выровненными, а иногда полностью расходятся; почему иногда смещение кажется примененным в северо-западном направлении, иногда на юг, иногда на юго-восток и т. д.
Теперь мы знаем, что происходит с нашей картой — спутниковые изображения в Китае отличаются от GPS-координат, которые у нас есть для местоположений внутри страны, из-за случайного смещения (случайного направления и случайного размера), применяемого алгоритмом обфускации. Это отвечает на вопрос о том, что происходит, но дальше в нашей повестке дня стоит ответ на вопрос, почему китайское правительство выбирает такой подход.
Какова цель этой другой системы?
В 2002 году китайское правительство приняло Закон о геодезии и картографии. Первые две статьи этого закона объясняют, почему Китай намеренно обфусцирует данные WGS-84, и вкратце гласят, что закон был разработан для того, чтобы:
- Способствовать развитию геодезии и картографии в интересах национального экономического строительства.
- Способствовать картографированию для укрепления национальной обороны.
- Способствовать картографированию для социального развития.
Интересно, что дальнейшие статьи закона утверждают, что только уполномоченные субъекты, одобренные китайским государством, могут заниматься геодезическими и картографическими работами, и в итоге это означает, что картографировать Китай разрешено только 14 компаниям (на момент написания).
Если учесть выделенные выше три интереса, единственный, который требует секретности и государственного одобрения, это вторая цель, укрепление национальной обороны. Если бы речь шла только о экономическом или социальном улучшении, то имело бы смысл, чтобы любая компания, независимо от того, китайская она или нет, предлагала услуги картографирования.
Так что теперь мы знаем, что картографировать Китай разрешено только 14 компаниям... но нам известно, что многим компаниям нужно картографировать Китай. Например, компании вроде Pepsi захотелось бы иметь некоторые логистические карты для планирования доставок, а компании вроде Google хотелось бы включить Китай в Google Карты, чтобы пользователи могли иметь целостный опыт/планировать свой следующий отпуск. Как эти субъекты могут получить доступ к китайским картографическим данным?
Как можно точно картографировать Китай?
Краткий ответ: компаниям за пределами Китая необходимо иметь китайского партнера по картографированию, чтобы предоставлять данные о китайских местоположениях. Возьмем случай с Google. Мы знаем, что с 2006 года компания сотрудничает с китайским провайдером карт AutoNavi для предоставления информации о китайских картах своим потребителям (в настоящее время у Google может быть другой китайский партнер, но об этом, похоже, нет публичной информации).
На практике это работает так: AutoNavi предоставляет информацию GCJ-02 Google для использования в картах, но некоторая чувствительная информация остается скрытой или не раскрывается (например, в Google Картах не будет доступа к некоторым военным объектам, аэродромам, стратегическим продовольственным запасам и т. д. — Google не будет знать того, чего не знает).
Дополнительная деталь, которая очень показательна для озабоченности китайского государства безопасностью, заключается в том, что в Китае противозаконно преобразовывать GCJ-02 (обфусцированные координаты) в WGS-84. Некоторые китайские провайдеры карт, например Baidu, предлагают API для разработчиков, чтобы преобразовывать WGS-84 в GCJ-02, но ничего, что делает обратное преобразование. Другими словами, вы можете перевести свои координаты в китайскую систему, но не можете перевести китайские координаты обратно в мировой стандарт. Это способствует развитию китайской картографической экосистемы, не делаясь информацию о китайских местоположениях.
Теперь мы переходим к интересной части — почему уличный вид и спутниковый вид Google не совпадают в Китае. Помните, Google получает информацию о координатах GCJ-02 от своих китайских партнеров. Это означает, что у него есть два варианта:
1) Создать уличную карту, использующую датум GCJ-02, и использовать спутниковые изображения GCJ-02. Преимущество здесь в том, что уличный вид и спутниковый вид совпадают, но недостаток в том, что Китай будет не в синхроне с остальным миром на Google Картах — другими словами, когда вы смотрите на спутниковый вид, если вы перейдете к границе, скажем, с Гонконгом (где WGS-84 разрешен на данный момент), китайская сторона будет отделена от другой страны.
2) Создать уличную карту, использующую координаты GCJ-02, но сохранить спутниковый вид WGS-02. Преимущество здесь в том, что китайская часть уличной карты будет совпадать с остальным миром, но недостаток в том, что китайский уличный вид не будет совпадать со спутниковым видом Китая.
В нашем случае Google Карты выбирают второй вариант — поэтому мы видим странные смещения, когда спутниковый вид наложен на уличный вид.
До 2010 года Google Карты были доступны в Китае под доменом maps.google.cn (сейчас он просто предлагает перенаправление на домен Гонконга). Когда это было возможно, Google использовал первый вариант для китайских карт. Это означало, что когда вы смотрели на Китай, уличный вид и спутниковый вид совпадали, но на границах происходило нечто подобное изображению ниже (это пример, упомянутый выше, с китайско-гонконгской границей). Это происходило потому, что Google Карты вернулись к использованию датума WGS-02 для остального мира, но использовали GCJ-02 полностью в пределах Китая.
Что это значит для мира?
Мы многое рассмотрели, так что давайте подведем итоги:
Китайское государство запрещает геодезические и картографические работы на территории страны всем, кроме нескольких китайских компаний. Эти компании и государство имеют точную информацию о китайских местоположениях, но намеренно применяют алгоритм обфускации поверх международного стандарта для всех внешних действующих лиц. Если компании хотят получить информацию о китайских местоположениях, им необходимо сотрудничать с китайской компанией, чтобы получить ее, и на нее будет применена эта обфускация (а также многие местоположения будут скрыты). Я немного намекнул на последствия, которые это имеет для международного сообщества в начале статьи.
Для любой инициативы, которая (1) требует международного сотрудничества и (2) включает геопространственные данные, информация, сообщаемая из Китая, не будет полностью надежной, и если вы работаете с географическими параметрами, которые составляют всего несколько километров в поперечнике, потенциальное различие в 500 метров в координатах может быть довольно значительным. Это в конечном итоге означает, что данные, сообщаемые в GSJ-02, должны быть каким-то образом откорректированы для учета неточности, и люди, занимающиеся работой в Китае, будут сталкиваться с ограничениями. У меня нет решения для этой проблемы, но мне было бы интересно узнать больше о работе, проведенной по согласованию геопространственной работы в Китае с остальным миром, и я был бы рад быть исправлен, если я неправильно изложил какие-то детали в этом исследовании.