HODNOCENÍ PODMÍNEK VYUŽITELNOSTI SYSTÉMU GPS JAKO ZDROJE GEOGRAFICKÝCH DAT PRO GIS V NP ČESKÉ ŠVÝCARSKO Mgr. Jakub Miřijovský

Transkript

1 GIS Ostrava 008 Ostrava HODNOCENÍ PODMÍNEK VYUŽITELNOSTI SYSTÉMU GPS JAKO ZDROJE GEOGRAFICKÝCH DAT PRO GIS V NP ČESKÉ ŠVÝCARSKO Mgr. Jakub Mřjovský Katedra geonformatky, Fakulta Přírodovědecká, Unverzta Palackého v Olomouc, tř. Svobody 6, , Olomouc, Česká Republka mrjovsky.jakub@seznam.cz Abstrakt. Mez hlavní zdroje dat pro GIS zcela jstě patří také GNSS systémy. Z těchto systémů je nejvíce využíván amercký NAVSTAR GPS. V tomto příspěvku se zabýváme hodnocením využtelnost systému GPS jako zdroje geografckých dat pro GIS v NP České Švýcarsko. Přestože morfologe tohoto území je z hledska dostupnost sgnálu GPS velm složtá a míst s optmálním výhledem na nebe není mnoho, chce Správa NP využívat tento systém jako jeden ze zdrojů geografckých dat pro GIS. Z tohoto důvodu zde proběhl výzkum, kterým jsme měl alespoň částečně defnovat problémy týkající se sběru dat tímto systémem a nalézt na tyto problémy řešení. Vytpoval jsme 50 kontrolních bodů tak, abychom zahrnul všechny typy povrchů NP. Samotné měření jsme rozděll do dvou časových etap. První etapa byla neplánovaná a observace probíhaly ve zcela náhodný čas. Měření potvrdlo očekávání výsledky z první etapy nebyly zdaleka dostačující a zaměření všech bodů trvalo 5 dní. Jako správné řešení problémů se složtou morfologí se ukázalo jedně plánování, které jsme provedl před druhou etapou. Před samotným měřením druhé etapy jsme tedy musel v terénu zaměřt sklonoměrem a kompasem horzont terénu a k tomu všechny překážky, které by bránly prostupu sgnálu. Získaná data jsme převedl do dgtální podoby a podle aktuálního almanachu a souboru překážek jsme pro každý bod vykresll graf PDOP. Během měření druhé etapy jsme se řídl těmto grafy tak, že observac jsme provedl vždy v nejvhodnější čas pro daný bod. Přestože jsme musel nachodt mnohem více klometrů, celková doba měření se zkrátla o více než dva dny. Všechna naměřená data byla následně korgována ze sítí CZEPOS a SOPAC pro vyloučení případných globálních chyb. Porovnání výsledků proběhlo nad leteckým snímky s prostorovým rozlšením 0,5 m na pxel a statstckým vyhodnocením s tvorbou chybových elps. Výsledky jednoznačně potvrdly důležtost plánování př měření v obtížném terénu a př použtí dferenčních korekcí lze výsledky ještě zpřesnt. Klíčová slova: GPS, GIS, CZEPOS, SOPAC, České Švýcarsko. Abstract. Survey of condtons about the utlty of a GPS system as a source of geographcal data n the České Švýcarsko natonal park. GNSS systems are one of the man data sources for GIS, NAVSTAR GPS beng the most used among them. In ths paper we present a survey of the condtons about the utlty of a GPS system as a source of geographcal data n the České Švýcarsko natonal park. The České Švýcarsko Natonal Park wants to use GPS system as one of the sources for geographcal data for GIS, despte complcated morphology of ths area. Gettng a GPS sgnal s very complcated, because there are few places wth optmal vewponts to the sky. Ths s why we dd the research amed at defnng problems lnked to the collecton of data, and fndng possble solutons. We chose 50 ponts 1

2 GIS Ostrava 008 Ostrava and tred to nclude all types of surfaces of the Natonal Park. The measurements were dvded nto two man phases. The frst phase was not planned, and the observaton was carred out n undefned tmeframes. The measurements confrmed our expectatons for ths phase - the localzaton of all ponts took fve days, and the measurement results were nsuffcent. The plannng whch we dd before the second phase turned out to be the rght way to resolve problems wth a complcated morphology. We used an nclnometer and a compass to locate the horzon of the terran and other obstacles, whch could dsrupt the transmsson of the sgnal. The obtaned data were converted nto a dgtal form, and a PDOPgraph was depcted for each measurement pont, usng actual almanac and obstacle-fles. The PDOP-graphs showed us the optmal tme for measurement for each pont from the second phase. Although we had to march more klometers, the elapsed tme was cut down by more than two days. All the obtaned data were corrected n accordance wth CZEPOS and SOPAC to take nto account the contngent global mstakes. We compared the results wth aeral photographs wth spatal resoluton 0,5 m per pxel, and performed statstcal analyss of the data. Our results clearly confrm the sgnfcance of plannng when measurng n a terran smlar to the one n the České Švýcarsko Natonal Park. We also recommend to use dfferental correctons. Keywords: GPS, GIS, CZEPOS, SOPAC, České Švýcarsko. 1 Úvod Exstuje velké množství zdrojů dat pro GIS, které lze s úspěchem použít. Vedle například geodetckých metod nebo DPZ se stále více dostává do popředí také sběr dat systémem GPS. Vzrůstající přesnost tohoto systému ho dovoluje použít na práce, které do nedávné doby mohly být zpracovávané pouze jným přesnějším metodam (např. geodetckým měřením). Je zcela jasné, že kvalta výsledných dat nezáleží pouze na přesnost systému, ale také na mnoha dalších faktorech. Jedním z nejdůležtějších faktorů je typ reléfu, ve kterém se data sbírají. Odstavec. Také Správa Národního parku České Švýcarsko se rozhodla začít využívat systém GPS jako jeden ze zdrojů dat pro GIS. Protože morfologe terénu NP České Švýcarsko je velm složtá a míst s optmálním výhledem na nebe není mnoho, proběhl zde výzkum, kterým jsme měl alespoň částečně defnovat problémy týkající se sběru dat pro GIS tímto systémem, nalézt na tyto problémy řešení a stanovt jednoduchý postup, kterým by bylo možné získat kvaltní data pro GIS ze systému GPS. Přístrojové vybavení Pro samotný sběr dat jsme použl GPS přjímač Trmble GeoExplorer GeoXH. Tento přjímač patří do skupny GPS pro sběr dat do GIS a je pro tuto čnnost specálně navržen. Spolu s ním jsme používal externí anténu Hurrcane, která dokáže elmnovat vícecestné šíření sgnálu.

3 GIS Ostrava 008 Ostrava Metodka sběru dat Výzkum probíhal dle předem přpravené metodky a byl rozdělen do dvou etap. První etapa sběru dat spočívala v tom, že měření bylo neplánované, kdežto druhá část sběru dat probíhala přesně podle přpraveného plánu. Přímo v terénu jsme s nejdříve vytpoval 50 bodů, které musely zastupovat většnu typů povrchů v Národním parku. Pro posouzení absolutní přesnost bylo mez těmto body také 5 bodů geodetckých. Na přjímač jsme ponechal přednastavenou elevační masku 15. Nžší hodnota by neměla smysl, protože většna bodů se nacházela v údolích. Interval měření jsme nastavl na 1 s. Odstavec. Př první etapě probíhaly observace na bodech ve zcela náhodný čas a to tak, že každý bod, pokud to bylo možné, jsme zaměřl 70krát. Př observacích byla hlavním určujícím faktorem hodnota PDOP (polohové snížení přesnost). Bylo žádoucí, aby jsme nepřekročl hodnotu 7. Hned na začátku však bylo jasné, že dodržet tuto hranc nebude možné. Př měření v lesních porostech a v hlubokých údolích byla zvolená hodnota překročena více než krát. V krajních případech jsme na dostatečný sgnál musel čekat více než 30 mnut. Měření potvrdlo očekávání výsledky z první etapy nebyly zdaleka dostačující a zaměření všech bodů trvalo 5 dní. Odstavec. Druhá etapa měření měla jž poskytnout kvaltatvně zcela odlšné výsledky. Předpokládal jsme, že těchto výsledků v morfologcky náročném terénu dosáhneme jedně plánováním observací, které jsme provedl před druhou etapou. Před zahájením druhé etapy jsme šl do terénu, kde jsme sklonoměrem a kompasem zaměřl horzont terénu a k tomu všechny překážky, které by mohly bránt prostupu sgnálu GPS. Obr. 1. Výsledek zaměření překážek v terénu. Získaná data jsme převedl do dgtální podoby v programu Trmble Plannng v utltě Obstacles. Následně bylo nutné nahrát aktuální almanach s platným efemerdam družc a nakonec jž stačlo zadat přblžnou polohu a orentační čas, kde a kdy budeme měřt. Jako plán pro sběr dat v druhé etapě nám sloužly grafy PDOP, které jsme s vykresll pro každý bod. Samotný sběr dat probíhal stejně jako př první etapě pouze s tím rozdílem, že jsme nešl postupně bod za bodem, ale řídl jsme se grafy PDOP. Na každý bod jsme šl vždy v době, kdy jsme měl záruku dostatečně kvaltního sgnálu. Přestože jsme př tomto způsobu měření nachodl mnohem více klometrů než v první etapě, časová úspora byla více než dva dny. Nkde jsme nemusel stát a čekat na dostatečně kvaltní sgnál. Také samotná hodnota PDOP 3

4 GIS Ostrava 008 Ostrava př observacích nebyla téměř nkdy větší než 4. Po skončení terénních prací jsme získal z každé etapy jeden datový soubor. Obr.. Grafy PDOP podle kterých jsme plánoval observace. 4 Postprocesng Na oba dva soubory dat jsme aplkoval korekční data ze sítě CZEPOS. Data jsme stáhl ze dvou referenčních stanc (Ltoměřce a Lberec) a tím jsme získal data korgovaná pomocí CZEPOS. Dále jsme vytvořl čtyř soubory s korgovaným daty sítí SOPAC (Scrpps Orbt and Permanent Array Center), která je mplementována v softwaru frmy Trmble a je přístupná zdarma. Jednou jsme použl korekční data pouze z jedné stance (Pecný) a podruhé jsme použl data ze dvou referenčních stanc (Pecný, Postupm) a to vše jsme ještě aplkoval na obě etapy měření. Př použtí dferenčních korekcí by vzdálenost zájmového území od referenčních stanc neměla překročt cca 10 km. Pokud je vzdálenost větší než 10 km, pak se účnnost korekcí snžuje. Přestože bod sítě SOPAC ve městě Postupm je vzdálen jž 194 km od zájmového území, byly tyto opravy použty dohromady s korekcem z bodu Pecný, protože zájmové území leží zhruba uprostřed mez těmto stancem. Předpokládal jsme, že přestože je porušena podmínka vzdálenost, budou výsledky za použtí těchto korekcí lepší než korekce pouze z jedné stance. Tuto domněnku podpořl také fakt, že př výpadku jedné stance, můžou být data nahrazena korekcem ze stance druhé. Korekce byly aplkovány z důvodu vyloučení případných globálních chyb systému a celkového zpřesnění. 4

5 GIS Ostrava 008 Ostrava Obr. 3. Rozmístění a vzdálenost referenčních stanc sítě SOPAC od zájmového území. 5 Chybové elpsy Zpracování dat nám mělo potvrdt, že plánováním měření lze získat mnohem kvaltnější data než z měření neplánovaného a dále bylo nutné zjstt, která síť je vyhovující pro dferenční korekce zda bude stačt neplacená SOPAC nebo bude nutné přstoupt ke komerční sít CZEPOS. Také jsme musel odpovědět na otázku, zda stačí korekční data z jedné stance nebo zda je nutné mít data z více stanc. Ke všem těmto otázkám nám nejlépe poskytl odpověď chybové elpsy. Odstavec. Z naměřených hodnot jsme vypočítal pro každý bod ve všech souborech stejné statstcké velčny průměr souřadnc X a Y, rozptyl souřadnc X a Y a kovaranc. Všechny tyto hodnoty bylo nutné znát pro další výpočet hlavních parametrů elpsy, tedy velkost obou poloos a úhlu natočení. Úhel natočení je nutné znát, protože na každém bodě je menší č větší míra korelace. Elpsy jsme vytvořl pro každý bod ve všech korgovaných nekorgovaných souborech. Střed elpsy byl vždy stanoven jako průměr všech 70 měření na daném bodě. Hodnoty hlavní poloosy elpsy (a), vedlejší poloosy (b) a úhlu natočení jsme vypočetl podle vzorců: a b = cos ω var c( x) + sn ω varc( + snω cosω cov( x, [1] = sn ω var c( x) + cos ω var c( snω cosω cov( x, [1] 1 cov( x, ω = arctg [1] var c( x) varc( kde: ω...úhel natočení var c ( x)...rozptyl souřadnce X var c (...rozptyl souřadnce Y cov( x,..hodnota kovarance souřadnc X, Y Dále jsme musel spočítat obvodové body elpsy. Tento výpočet probíhal podle vzorce pro obecnou elpsu, ze které jsme s vyjádřl y. Hodnoty x byly z ntervalu hlavní poloosy. Vzorec tedy byl: y = b x a b Samotné vykreslení elps jsme provedl v programu Grapher 5. 5

6 GIS Ostrava 008 Ostrava Obr. 4. Zvětšené chybové elpsy. V údolí zkreslení narůstá. 6 Vyhodnocení Na základě změřených dat v terénu a následném zpracování v PC jsme tato data vyhodnocoval a zjšťoval vlv a účnnost jednotlvých dferenčních korekcí. Dále jsme zjšťoval vlv plánování na samotné měření. Protože měřené body, kromě geodetckých, neměly žádným způsobem určenou svou polohu, musel být nejprve zvolen vhodný referenční podklad pro srovnání. Tím se nám stal letecký snímek Národního parku s prostorovým rozlšením 0,5 m na pxel. Odstavec. Př vzájemném porovnávání dferenčních korekcí a př porovnání korekcí s nekorgovaným daty bylo zjštěno několk důležtých závěrů. Je velm důležté používat dferenční korekce. Ověřl jsme, že korekce významně dokáží zmenšt střední polohovou chybu oprot této chybě z nekorgovaných souřadnc. Velm dobře také dokáží odstrant chybu, která se projevuje v globálním měřítku. To znamená, že jsou schopny opravt chybu př výpadku družce, náhlé poruše v onosféře, atp. Př rozhodování, zda použít placenou síť CZEPOS nebo neplacenou SOPAC, jsme došl k závěru, že pro účely mapování do M 1 : postačuje použít neplacenou síť SOPAC. Je však velm důležté používat korekční data vždy alespoň ze dvou stanc. Př použtí pouze jedné stance, byly výsledky často velm špatné. Odstavec. Jž jsme se zmínl, že př plánovaném měření pomocí grafů PDOP jsme dosáhl časové úspory více než dva dny. Ještě důležtější bylo, že absolutní poloha bodů v terénu byla př plánovaném měření určena mnohem přesněj než př měření neplánovaném. Nebylo výjmkou zlepšení o více než 15 m. Lepší přesnost jednotlvých bodů u plánovaného měření opět dokazují chybové elpsy. 7 Závěr Aby systém GPS pro sběr dat do GIS byl použtelný s dostatečnou přesností v morfologcky náročných podmínkách, je potřeba dodržet určtý postup prací, který to zajstí. Nejdůležtější je přesně s naplánovat měření podle místních morfologckých podmínek. Dále doporučujeme používat dferenční korekce vždy alespoň ze dvou referenčních stanc. Samozřejmě další prostředky jako např. použtí externí antény mohou výsledky ještě zpřesnt. 6

7 GIS Ostrava 008 Ostrava Reference [1] INGEDULD, Mloslav, et al. Geodéze: metody výpočtu a vyrovnání geodetckých sítí. Praha : Edční středsko ČVUT, ISBN