Globální družicové navigační systémy

Transkript

1 GIS GPS, DPZ Obsah přednášky GPS princip Segmenty GPS DPZ definice Pasivní, aktivní systémy DPZ Družicové systémy Landsat,... Ukázky dat Porovnání fotogrammetrie a DPZ GIS 1

2 Globální družicové navigační systémy GNSS Global Navigation Satellite Systems 60. léta minulého století první systémy pro určování polohy a navigace pomocí příjmu radiových signálů vysílaných umělými družicemi Země Princip dostatečný počet radiomajáků (zde umělé družice Země) pokrývá celý zemský povrch radiovými navigačními signály je možné určit polohu kdekoliv na Zemi. Výhody: jednotný souřadnicový systém, provozuschopnost 24 hodin denně GIS 2

3 GPS Global Positioning System Navigační systém pro určení polohy kdekoliv na zemském povrchu, bez ohledu na počasí a na dobu měření. Původně vojenský systém, vyvíjený a budovaný od roku 1973 Ministerstvem obrany Spojených států. Začátkem 90. let se po vývoji a rozšíření stal plně funkčním a dostupným po celém světě. Kongres Spojených států schválil výnos o využití systému GPS i v civilní sféře. GIS 3

4 GPS Z důvodu možnosti zneužití (teroristické účely) a zabezpečení prvořadosti vojenských aplikací bylo až do provozováno několik opatření: Selektivní dostupnost (Selected Availibility) záměrné zhoršování přesnosti určení polohy nebo zavedení tzv. přesného P/Y kódu, kterým je šířen signál pouze pro vojenské aplikace, V současné době je již záměrné zhoršování polohy vypnuté, což pro civilní uživatele znamená téměř 10 ti násobně zvýšení přesnosti určení polohy. GIS 4

5 GPS Členění na tři segmenty, které je možné považovat za nezávislé. Jsou propojeny přesným časem, který představuje základní princip systému. Segmenty: kosmický, řídící (kontrolní), uživatelský. GIS 5

6 GPS kosmický segment 24 družic (21 pracovních a 3 záložní), orbitální dráhy ve výšce km s dobou oběhu hod, na šesti oběžných drahách. (Dnes 29 družic.) Každá družice je vybavena přijímačem, vysílačem, atomovými hodinami a přístroji pro navigaci nebo jiné speciální úkoly (kupř. pro detekci výbuchu jaderných náloží). Je vybavena záložními zdroji, palubní baterie jsou dobíjeny dvěmi slunečními panely. Družice přijímá, zpracovává a uchovává informace předávané z pozemního řídícího centra pro možnost korekce dráhy letu raketovými motorky. Sleduje stav vlastních systémů a podává o těchto skutečnostech informace zpět do řídícího centra. GIS 6

7 GPS kosmický segment Princip určování polohy družice vysílá signály pro uživatele v podobě složitého signálu, každá družice vysílá zprávy o své poloze a přibližné poloze ostatních družic systému. K určení aktuální polohy pozemní přijímač počítá tzv. pseudovzdálenosti, což jsou vzdálenosti mezi přijímačem a viditelnými družicemi (nad obzorem). GIS 7

8 GPS kosmický segment Výpočet pseudovzdálenosti vychází ze znalosti rychlosti šíření družicového signálu a rozdílu času mezi vysláním a příjmem signálu (pseudovzdálenost jsou zavedeny další doplňující výpočty, které určení výsledné polohy dále zpřesňují). Pro určení dvojrozměrné polohy (nejčastěji zeměpisná délka a šířka) stačí příjem signálu z minimálně tří družic (výpočet tří pseudovzdáleností). Pro určení trojrozměrné polohy (navíc výška) minimálně ze čtyř družic. Příjem menšího počtu družic znemožňuje výpočet polohy, vyšší počet družic naopak určení polohy dále zpřesňuje. GIS 8

9 GPS řídící segment Je zodpovědný za řízení celého GPS. Monitoruje funkce družic a získané údaje předává zpět družicím. Je tvořen hlavní řídicí stanicí v Colorado Springs a dalšími 5 monitorovacími stanicemi (americké vojenské základny) a 3 pozemními stanicemi pro komunikaci, které spolupracují s hlavní řídící stanicí. Cílem celého řídícího podsystému je monitoring funkcí každé družice, sledování a výpočet dráhy družice, komunikace a zajištění přesného chodu atomových hodin na družicích. závada na družici se co nejrychleji operativně řeší (cena 50 miliónů dolarů za družici). GIS 9

10 GPS řídící segment Existuje několik nezávislých monitorovacích sítí, které umožňují další přesnější určování polohy, především pro velmi přesné aplikace (geodézie, geodynamika), nepodílejí se na řízení a činnosti systému GPS např. International GPS Service. Princip při každém průletu družic nad těmito stanicemi jsou vyhodnoceny parametry jejich drah a vypočteny korekce, které jsou vyslány zpět na dané družice a odtud do přijímače, kde dojde k aktualizaci uložených dat o družicích. GIS 10

11 GPS uživatelský segment Je tvořen z příjímačů GPS, uživatelů, vyhodnocovacích nástrojů a postupů. GIS 11

12 GPS uživatelský segment Pozemní segment speciální přijímač s anténou, jednotkou pro zpracování radiového signálu a dekódování vložených dat, vyhodnocovací jednotkou a výstupní jednotkou pro komunikaci s obsluhou pomocí klávesnice a displeje. GIS 12

13 GPS Použití a přesnost v různých oblastech civilní přesnost od 25 m do 100 m, kódování C/A (coarse/acquisition code) pro hrubé zjištění polohy vojenské přesnost od 2.5m do 15m, kód C/A, zpřesnění kódovaným signálem označovaného jako P (precision code) DGPS diferenciální GPS (označována jako DGPS), přesnost asi 0.5m GIS 13

14 Dálkový průzkum země DPZ Definice z 1988 podle SPRS DPZ je umění, věda a technologie na získávání spolehlivých informací o fyzikálních objektech a jejich okolí pomocí záznamu, měření a interpretace snímků a digitálních záznamů, které se získávají pomocí nekontaktních systémů. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing GIS 14

15 DPZ Definice dle Wikipedie: Dálkový průzkum Země (DPZ) je moderní metoda získávání informace o objektech a jevech na povrchu planety Země bez nutnosti fyzického kontaktu. GIS 15

16 Princip DPZ Základem metody dálkového průzkumu je využití dvou následujících poznatků: člověk, sám či s přístroji je schopen získávat kvalitativní i kvantitativní informace o jevech a objektech, které ho obklopují, a každý tento jev nebo objekt nějakým charakteristickým způsobem ovlivňuje své okolí. GIS 16

17 DPZ Samotný termín DPZ začal být používám v šedesátých letech minulého století po vypuštění družice ERTS 1 (později přejmenované na Landsat 1). Už předtím se prováděl dálkový průzkum s využitím fotografií pořízených z letadel či kosmických lodí. GIS 17

18 Dělení DPZ Metody DPZ lze dělit podle různých hledisek. Podle charakteru sběru dat rozlišujeme: klasické (konvenční) metody výsledkem jsou fotografické snímky (letecké snímky), nekonvenční metody vznikají postupným skenováním po jednotlivých řádcích, výsledkem jsou digitální data (například družice Meteosat). GIS 18

19 DPZ způsoby snímání Podle způsobů snímání rozlišujeme pasivní systémy snímají zdroj elektromagnetického záření (např. ze Slunce), které se odráží od zemského povrchu GIS 19

20 DPZ způsoby snímání aktivní systémy mají vlastní zdroj záření, vysílají k Zemi a snímají jeho odraz (radar, laser) GIS 20

21 DPZ části DPZ je možné rozdělit z hlediska používaných technologií na dvě části: 1. technická oblast sběr, přenos a úprava dat, kosmický a pozemní segment, 2. oblast analýzy a interpretace dat zpracování prostorové informace. GIS 21

22 DPZ známé systémy Landsat program NASA od roku 1967, vypuštěno několik nosičů, poslední Landsat7, dosud funguje Landsat 5. SPOT program Francie ve spolupráci s Belgiií a Švédskem, první nosič GIS 22

23 DPZ rozmístění poz. stanic GIS 23

24 Družice Stát/ Organizace Start Prostorové rozlišení (m) /Záběr (km) panchro multispektr. radar Termínové rozlišení (dny) Landsat 5 USA 01/03/ / Spot 1 FRANCIE /117 20/ Spot 2 FRANCIE /117 20/ NOAA 14 USA /2600 2x denně ERS 2 ESA / ,6 100/ 50 Radarsat 1 KANADA 04/11/ IRS 1C INDIE ,8/70 23,5 70,5/ OrbView 2 USA 01/08/ / km/ Meteosat 7 EUMETSAT 02/09/97 polokoule 30 min IRS 1D INDIE ,8/70 23,5 70,5/ TRMM USA / km /117 Spot 4 FRANCIE / /26/06 NOAA 15 USA /2600 2x denně Resurs O1 4 RUSKO 10/07/ / FASAT B CHILE 10/07/ /? 21 TMSAT 1 THAILAND 10/07/ /? Landsat 7 USA / / UOSAT 12 ANGLIE /10/06 30/60 GIS 24

25 Družice Stát/ Organizace Start Prostorové rozlišení (m) /Záběr (km) panchro multispektr. radar TUBSAT C NĚMECKO ? /195 Okean O1 RUSKO /455 5 Ikonos USA /11/06 04/11/06 1,5 ČÍNA/ CBERS 1 BRAZILIE /? TERRA USA / KOREJSKÁ KOMPSAT REP /60? Tsinghua ČÍNA /150? BIRD NĚMECKO /150? NOAA 16 USA /2600 2x denně EO 1 USA / SAC C ARGENTINA /70? EROS IZRAEL 05/12/00 1,8/ dní 5 km/ GOES 12 USA polokoule 30 min QuickBird 2 USA ,6/11 2,4/ dny Meteor 3M 1 RUSKO 10/12/01 80/ /76 1 Envisat ESA 01/03/02 150/600 15/100? Termínové rozlišení (dny) Spot 5 FRANCIE 04/05/02 2,5/60 10/60 26 Aqua USA 04/05/02 150/ NOAA 17 USA ,8/ /2600 2x denně GIS 25

26 Družice meteorologické METEOSAT patří západoevropskému mezivládnímu sdružení EUMETSAT, NOAA družice zaměřené na sledování oceánů a atmosféry, National Oceanic and Atmospheric Administration vědecká vládní agentura Ministerstva obchodu USA. GIS 26

27 První poskytnutý snímek družice MSG 2 (Meteosat 9). Druhá generace družic snímá pomocí přístroje SEVIRI, blíže meteo/sat/msg/msg 04.html. GIS 27

28 MERIS Mauretanie 2002 první obrazová data družice ENVISAT GIS 28

29 Romania Danube MER GIS 29

30 Corsica Central Italy MER GIS 30

31 Göteborg MERIS GIS 31

32 Dálkový průzkum země DPZ Dnes máme možnost nechat si pořídit snímky území podle účelu dat. Dostatek financí vybere se vhodný typ družice, snímky mohou být i předzpracované požadovaný formát dat. Komerční firmy prodávají snímky sledovaného území, ceny dle velikosti území, způsobu zpracování. Využití: zemědělství (sledování růstu vegetace), lesnictví (rozeznání typu porostu), ochrana životního prostředí (ENVISAT),... GIS 32

33 Firmy v oblasti geoinformatiky ARCDATA PRAHA, s.r.o. ATLAS, s.r.o. Autodesk, s.r.o. BENTLEY SYSTEMS?R, s.r.o. BERIT, a.s. Central European Data Agency, a.s. CORA GEO s.r.o. DATA System spol. s r.o. DIGIS, spol. s r.o. GB geodezie, spol. s r.o. GEODIS BRNO, spol. s r.o. GEOTRONICS Praha, s.r.o. GEPRO, spol. s r.o. Globema, s.r.o. HSI, spol. s r.o. Intergraph?R, spol. s r.o. Sitewell s.r.o. SmartGIS TopoL Software s.r.o. GIS 33

34 Porovnání fotogrammetrie a DPZ Výhody DPZ rozsáhlejší území na jednom snímku pravidelný a operativní způsob sběru údajů rychlé další zpracování údajů možnost sledovat změny v krajině (opakované přelety) Nevýhoda limit rozlišení je u fotogrammetrie větší GIS 34