MOŽNOSTI AKTUALIZÁCIE MÁP STREDNÝCH MIEROK METÓDAMI GPS PRE TVORBU GIS

Róbert Fencík
Katedra geodetických základov
SvF STU Bratislava
Radlinského 11, 813 68 Bratislava
Tel.: +421-7-59274297 E-mail:fencik@svf.stuba.sk

 

The most important part of the geographic information system (GIS) are spatial data which the system uses. Data capture is the most decisive basis for his successful working. Acquisition of the new data as well as updating already existing data has become the most questionable and financially the most difficult part of a GIS project concerning high requirements for integrity, soundness, and structure of spatial data. It is an image of reality that the spatial data create a basis of GIS. During the last decade is a trend to use GPS for data capture for GIS. It is related with possibility using measurement methods where is merged an necessary accuracy of the results sufficient for GIS with well-known advantages of measuring by GPS. One of the methods which has increased importance for this exploitation is called Differential GPS (DGPS).

Najdôležitejšou súčasťou geografického informačného systému (GIS) sú geoúdaje, s ktorými tento systém pracuje. Preto zber geoúdajov je rozhodujúcim základom pre jeho úspešné fungovanie. Získavanie nových geoúdajov ako aj aktualizácia už existujúcich sa stávajú najproblematickejšou a finančne najnáročnejšou časťou GIS projektu, vzhľadom na vysoké požiadavky na úplnosť, bezchybnosť a štruktúru geoúdajov. Je to vlastne odraz skutočnosti, že práve geoúdaje tvoria jadro samotného GIS-u. V poslednom období je tendencia používať na zber geoúdajov pre GIS aj metódu Global Positioning System (GPS). Súvisí to s možnosťou využitia metód merania, v ktorých sa spája potrebná presnosť výsledkov postačujúca pre GIS a všeobecne známe výhody merania pomocou GPS. Jednou z metód, ktorá nadobúda čoraz väčší význam je Diferenciálna GPS (DGPS).

Úlohou experimentu bolo overenie polohovej presnosti bodov určených meraním GPS a možnosti využitia GPS meraní na zber údajov pre GIS, kde je potrebné zosúladiť požadovanú presnosť výsledkov, ktorá je postačujúca pre GIS a všeobecne známe výhody merania pomocou GPS. Meranie sa vykonalo v lokalite Stará Turá - Dubník. Súčasne s meraním v danej lokalite prebiehalo aj meranie referenčnej stanice v Banskej Bystrici. Táto referenčná stanica je zriadená a prevádzkovaná v Slovenskej agentúre životného prostredia – Centrum environmentalistiky a informatiky [1] Na overenie dosiahnutej polohovej presnosti sme použili sieť bodov PBPP v meste Stará Turá, ktorých poloha (y,x) bola určená kombináciou terestrických a uhlových meraní. Výšky bodov boli určené presnou niveláciou. Na overenie využitia GPS meraní pre rôzne aplikácie v GIS sme použili existujúce mapové podklady základných máp v mierke 1: 25 000 (ZM 25) vo vektorovom tvare. Pred samotným overením výsledkov merania sme najprv museli mapové podklady v rastrovom tvare transformovať do súradnicového systému JTSK a vektorizovať časť územia mapových listov kde bolo vykonané meranie prijímačmi GPS.

Na meranie sme použili dva GPS prijímače Topcon TURBO-G1. Topcon TURBO-G1 je jednofrekvenčný prijímač s frekvenciou L1 (C/A code) s ôsmimi kanálmi. Je možné registrovať až 10 000 bodov. Polohová presnosť pri použití DGPS je udávaná výrobcom 1-5 metrov [1]. Presnosť určovania výšok sa všeobecne udáva ako dvoj až trojnásobok polohovej presnosti (10-15m). Pred meraním sme vykonali jeho plánovanie, na ktoré sme použili softvér TURBO G1-PC [2]. Na základe posledného známeho navigačného súboru sme určili vhodné podmienky pre meranie. Dbali sme na to, aby DOP (Dilution of Precision) nebol väčší ako 7, a bola možná registrácia postačujúca na určenie 3D súradníc.

Počas merania sme jeden prijímač postavili na bode, ktorého poloha (x,y,z) je známa. Bod o známych súradniciach použitý na meranie sa nazýva aj referenčná stanica (base station). Bol zvolený na území danej lokality taký, ktorý spĺňal optimálne observačné podmienky. Pred samotným meraním sme nastavili hodnotu elevačnej masky (10° ), interval záznamu merania (5s) a nakoniec sme naprogramovali začiatok a koniec merania. Prijímač umožňuje nastaviť krajnú hodnotu DOP pre zber údajov v 3D, 2D alebo tzv. hraničný DOP, kedy prijímač prejde z merania v 3D na meranie v 2D. Ak je táto krajná hodnota počas merania prekročená, prijímač automaticky preruší meranie (DOP TRESHOLD) a meranie pokračuje keď hodnota DOP-u klesne pod krajnú hodnotu. Meranie na referenčnom bode bolo spustené v móde Static. Druhý prijímač sme použili ako mobilný (rover). Zadefinovali sme si rovnaké nastavenia ako na referenčnej stanici. Je dôležité aby interval záznamu v mobilnom prijímači bol rovnaký alebo dlhší ako interval na referenčnej stanici. To nám umožní získať dostatočný počet spoločných meraní. Interval záznamu má hlavne vplyv na dĺžku observácie mobilným prijímačom počas merania v móde Static. V tomto móde sme vykonali meranie na kontrolných bodoch. Počet epoch pri statickom meraní bol nastavený na 30 po 5s, čiže dĺžka observácie na jednom bode bola 2,5 min. Merania z jednotlivých epoch sa priemerovali, čím sme získali konečnú polohu kontrolných bodov. Pre ostatné prvky (napr. hranica lesa,stred asfaltovej cesty, os nadzem.vedenia, hranica vodnej plochy a pod.) sme použili mód Walking, tieto boli zamerané ako tzv. línie. Pohybovali sme sa prijímačom po zvolených prvkoch a prijímač registroval našu trajektóriu každých 5sekúnd. Výhodou merania v móde Walking je možnosť prerušenia merania línie a určenie polohy zvoleného charakteristického (lomového) bodu línie v móde Static alebo použiť prerušenie merania pri zhoršenej hodnote DOP-u. Tento postup merania sme testovali na objekte čističky odpadových vôd, kde sme počas merania jeho hranice ako líniu odmerali aj lomové body objektu v móde Static pri prerušení línie. Keďže sme merania vykonávali v dosť členitom teréne, kontrolovali sme údaje o podmienkach merania (DOP, 3D) na displeji prijímača. Súčasťou merania bolo aj vyhotovenie meračského náčrtu. V náčrte sme zaznamenávali označenia bodov a línií, ktoré boli odmerané. Tieto označenia boli zaznamenávané aj v priebehu merania ako poznámka pri konkrétnom prvku.

Namerané údaje mobilným prijímačom sme spracovali dvakrát. Najprv použitím údajov meraných na referenčnej stanici v danej lokalite, následne sme tie isté údaje spracovali pomocou údajov referenčnej stanice, ktorá je umiestnená na streche budovy Slovenskej agentúry životného prostredia v Banskej Bystrici. Je vzdialená približne 150 km vzdušnou čiarou od danej lokality. Úlohou bolo overiť všeobecnú zásadu, že každých 100 km sa zhoršuje presnosť o 1m a z toho aj určený max. dosah 500 km od referenčnej stanice. Pri spracovaní meraní pomocou softvéru TURBO-G1 PC do post-processingu vstupovali okrem súborov z registrovanými dátami v teréne z oboch prijímačov (príloha č.1) aj navigačné súbory. Po výpočte spresnených geocentrických súradníc (B,L,h) bodov (príloha č.2) sa pomocou transformačného kľúča tieto súradnice pretransformovali zo systému WGS-84 do S-JTSK (príloha č.3). Takto sme vytvorili zoznam súradníc v S-JTSK v textovom tvare, ktorý je vyhovujúci pre ďalšie použitie v rôznych aplikáciách GIS. TURBO-G1 PC umožňuje konverziu spracovaných súborov do štandardných formátov, ktoré sa používajú na import do produktov GIS.

Na overenie výsledkov merania sme zoznam meraných bodov a líniových prvkov importovali do grafického prostredia programu MicroStation SE. Následne sme vykonali digitalizáciu líniových prvkov podľa vyhotoveného meračského náčrtu. Súradnice kontrolných bodov vypočítaných použitím údajov z oboch referenčných staníc sme porovnali so súradnicami kontrolných bodov určených kombinovane z uhlových a terestrických meraní (tab.1,tab.2). Spolu bolo testovaných 10 bodov. Z množiny kontrolných bodov v danej lokalite bola prekročená polohová presnosť udávaná výrobcom na tých bodoch, ktoré boli v mieste hustej zástavby. Boli zhoršené observačné podmienky na príjem signálu z družíc. Porovnaním výškových rozdielov na kontrolných bodoch (tab.1,tab.2) sa potvrdila presnosť garantovaná výrobcom, ktorá je 2-3x horšia ako polohová presnosť, teda 10-15 m. Súradnicové odchýlky kontrolných bodov získané spracovaním údajov z obidvoch referenčných staníc sú zhrnuté v tab.3. V tabuľke sú okrem odchýliek uvedené aj hodnoty DOP-u pre každý bod. Tieto hodnoty sú však iba orientačné, lebo počas merania v jednotlivých epochách sa táto hodnota mohla meniť. Na základe porovnania uvedených odchýliek sa nedá jednoznačne povedať, že dosiahnutá presnosť klesá so zväčšujúcou sa vzdialenosťou referenčnej stanice. Na niektorých bodoch boli dosiahnuté menšie odchýlky použitím údajov referenčnej stanice v Banskej Bystrici ako z danej lokality. Väčší vplyv na kvalitný výsledok má počet spoločných satelitov v priebehu merania mobilným prijímačom a referenčnej stanice a ich geometrické rozloženie nad horizontom prijímača.

Tab.1. Overenie presnosti kontrolných bodov

SÚRADNICE KONTROLNÝCH BODOV

ČÍSLO BODU

DANÉ

URČENÉ GPS

D xyI

[m]

D zI

[m]

Y [m]

X [m]

Z [m]

Y [m]

X [m]

Z [m]

5005

523531,32

1214948,52

278,97

523531,39

1214951,11

271,73

2,59

7,24

5006

523702,92

1215008,41

277,04

523703,75

1215006,60

294,14

1,99

-17,10

5071

523792,64

1215110,92

275,80

523794,43

1215114,67

274,50

4,16

1,30

5008

523877,32

1215010,07

278,26

523877,01

1215003,17

298,99

6,91

-20,73

5009

523961,09

1214879,30

279,81

523961,77

1214874,62

276,20

4,73

3,61

5010

524080,67

1214764,36

282,68

524078,30

1214764,22

280,44

2,37

2,24

5011

524129,17

1214692,77

283,50

524125,49

1214689,93

281,32

4,65

2,18

5015

523860,46

1214794,60

280,30

523861,50

1214792,61

281,11

2,25

-0,81

5017

523928,70

1214639,94

282,11

523932,88

1214645,35

286,43

6,84

-4,32

5018

523828,08

1214767,14

280,13

523827,11

1214763,77

275,81

3,51

4,32

Tab.2. Overenie presnosti kontrolných bodov

SÚRADNICE KONTROLNÝCH BODOV

ČÍSLO BODU

DANÉ

URČENÉ GPS

D xyII

[m]

D zII

[m]

Y [m]

X [m]

Z [m]

Y [m]

X [m]

Z [m]

5005

523531,32

1214948,52

278,97

523538,73

1214948,78

293,31

7,41

-14,34

5006

523702,92

1215008,41

277,04

523696,57

1215000,48

295,87

10,16

-18,83

5071

523792,64

1215110,92

275,80

523794,66

1215117,20

272,47

6,60

3,33

5008

523877,32

1215010,07

278,26

523879,43

1215009,33

302,40

2,24

-24,14

5009

523961,09

1214879,30

279,81

523964,72

1214886,49

286,01

8,05

-6,20

5010

524080,67

1214764,36

282,68

524078,95

1214766,59

286,73

2,82

-4,05

5011

524129,17

1214692,77

283,50

524128,55

1214693,03

281,09

0,67

2,41

5015

523860,46

1214794,60

280,30

523860,60

1214794,01

279,07

0,61

1,23

5017

523928,70

1214639,94

282,11

523932,45

1214644,55

287,32

5,94

-5,21

5018

523828,08

1214767,14

280,13

523829,25

1214768,61

275,09

1,88

5,04

 

Tab.3. Porovnanie odchýliek kontrolných bodov získané spracovaním údajov z obidvoch referenčných staníc

ČÍSLO BODU

DOP

D xyI

[m]

D xyII

[m]

D zI

[m]

D zII

[m]

5005

2,5

2,59

7,41

7,24

-14,34

5006

2,4

1,99

10,16

-17,10

-18,83

5071

2,6

4,16

6,60

1,30

3,33

5008

3,2

6,91

2,24

-20,73

-24,14

5009

3,5

4,73

8,05

3,61

-6,20

5010

3,4

2,37

2,82

2,24

-4,05

5011

3,3

4,65

0,67

2,18

2,41

5015

1,9

2,25

0,61

-0,81

1,23

5017

1,8

6,84

5,94

-4,32

-5,21

5018

1,9

3,51

1,88

4,32

5,04

Merané líniové prvky ako zdroj údajov pre GIS sme overili graficky, ich porovnaním s prvkami máp mierky 1:25 000 (príloha č.4). Odchýlky zistené v mape ZM 25 zodpovedajú grafickej presnosti mapy a výsledky merania sú použiteľné ako zdroj údajov pre GIS aplikácie. Rozdiely na určitých úsekoch meraných líniových prvkov presahujúce krajné hodnoty boli spôsobené chybami, ktoré nastávajú pri meraní.Sú to chyby, ktoré nemôžeme eliminovať spracovaním pomocou post-processingu. Medzi tieto chyby patrí napríklad zmena hodnoty DOP-u (nedostatočný počet satelitov nad horizontom, členitý terén). V týchto prípadoch je vhodné kombinovať meranie línie s módom Static a vykonať pri horších podmienkach meranie, ktoré bude trvať 30-50 epoch (2,5 - 4 min.). Týmto spôsobom je možné spresniť výsledky merania (príloha č.5) a prípadne odstrániť nezrovnalosti, ktoré môžu nastať pri ich spracovávaní.

Možnosti využitia metódy GPS na zber priestorových údajov pre geoinformačné systémy súvisia s tým, aký typ GPS prijímačov máme k dispozícii a akú presnosť je potrebné dosiahnuť [4]. Vzhľadom na tieto podmienky sa ukazuje meranie prijímačmi GPS ako efektívne. Prijímače sa môžu použiť aj v zalesnenom teréne kde však treba kontrolovať hodnotu DOP-u a počet satelitov. Na získanie veľkého množstva kvalitných priestorových údajov v relatívne krátkom čase je potrebné zvoliť vhodný technologický postup merania, ktorý však musí byť spojený s kvalitným plánovaním merania.

 

[1] http://www.sazp.sk/slovak/tematika/smedtemy.html

[2] TURBO-G1 , Topcon, Užívateľská príručka.

[3] TURBO-G1 PC, Topcon, Užívateľská príručka.

[4] Rapant, P., Úvod do družicových polohových systémov, GeoInfo 3/98, Škola geoinfa.

 

 

Príloha č.1: Ukážka súborov z registrovanými dátami z oboch prijímačov v čitateľnom tvare.

a) Referenčný prijímač (Base station)

Object Name GPS_Epoch Latitude Longitude Geodetic_Ht

B2101 1999-09-21 08:31:05 48.7566805 17.6996519 300.01

B2101 1999-09-21 08:31:10 48.7566805 17.6996559 299.45

B2101 1999-09-21 08:31:15 48.7566805 17.6996572 299.78

B2101 1999-09-21 08:31:20 48.7566859 17.6996586 299.10

B2101 1999-09-21 08:31:25 48.7566859 17.6996599 297.63

B2101 1999-09-21 08:31:30 48.7566859 17.6996599 297.20

B2101 1999-09-21 08:31:35 48.7566859 17.6996599 296.55

B2101 1999-09-21 08:31:40 48.7566859 17.6996586 296.00

 

Pohyblivý prijímač- prvky bodov a línií

"Object_Name","GPS_Epoch","Latitude","Longitude","Geodetic_Ht","DOP"

"1C","1999-01-29 09:21:28",48.7674907,17.6997784,339.94,2.8

"2C","1999-01-29 09:24:19",48.7672890,17.6999034,412.21,2.8

"3C","1999-01-29 09:27:50",48.7664123,17.6998811,392.78,2.5

"4C","1999-01-29 09:35:57",48.7670415,17.6985611,265.82,1.8

"5C","1999-01-29 09:40:23",48.7675115,17.6983822,296.23,1.9

 

Object Name GPS_Epoch Latitude Longitude Geodetic_Ht

LIN030 1999-09-22 09:14:25 48.7652904 17.6903594 334.51

LIN030 1999-09-22 09:14:30 48.7653011 17.6903661 333.24

LIN030 1999-09-22 09:14:35 48.7653172 17.6903728 332.42

LIN030 1999-09-22 09:14:40 48.7653333 17.6903795 331.56

LIN030 1999-09-22 09:14:45 48.7653494 17.6904505 335.41

LIN030 1999-09-22 09:14:50 48.7653494 17.6905203 333.59

LIN030 1999-09-22 09:14:55 48.7653548 17.6905672 332.56

LIN030 1999-09-22 09:15:00 48.7653279 17.6906128 337.20

LIN030 1999-09-22 09:15:05 48.7653333 17.6906879 342.06

LIN030 1999-09-22 09:15:10 48.7653065 17.6907670 340.24

LIN030 1999-09-22 09:15:15 48.7653226 17.6908475 342.94

LIN030 1999-09-22 09:15:20 48.7653279 17.6909159 345.27

 

Príloha č.2: Zoznam spresnených súradníc bodov voWGS-84.

Č.bodu B [ ° ’ ” ] L [ ° ’ ” ] h [m]

L21084345 48 45 25.80948 17 41 57.24168 285.08

L21084350 48 45 25.81740 17 41 57.28092 284.48

L21084355 48 45 25.80876 17 41 57.30000 283.10

L21084400 48 45 25.82496 17 41 57.29748 283.69

L21084405 48 45 25.81380 17 41 57.28308 283.28

L22090645 48 45 52.67088 17 41 23.39628 288.83

L22090650 48 45 52.64244 17 41 23.36568 287.51

L22090655 48 45 52.60032 17 41 23.30916 289.82

L22090700 48 45 52.45020 17 41 23.22816 290.80

L22090705 48 45 52.29612 17 41 23.14464 291.32

L23091940 48 45 55.29564 17 41 13.41060 303.05

L23091945 48 45 55.29780 17 41 13.40808 302.63

L23091950 48 45 55.30788 17 41 13.42320 302.36

L23091955 48 45 55.28556 17 41 13.34328 302.80

L23092000 48 45 55.20780 17 41 13.21656 303.68

 

Príloha č.3: Zoznam súradníc meraných bodov v S-JTSK.

Č.bodu Y[m] X[m] Z[m]

L21084345 523573.02 1217217.93 241.76

L21084350 523572.20 1217217.76 241.16

L21084355 523571.83 1217218.06 239.78

L21084400 523571.84 1217217.56 240.37

L21084405 523572.16 1217217.87 239.96

L22090645 524183.81 1216327.44 245.46

L22090650 524184.51 1216328.26 244.14

L22090655 524185.78 1216329.45 246.45

L22090700 524187.86 1216333.91 247.43

L22090705 524190.01 1216338.49 247.95

L23091940 524379.25 1216227.70 259.67

L23091945 524379.30 1216227.63 259.25

L23091950 524378.96 1216227.35 258.99

L23091955 524380.65 1216227.88 259.42

L23092000 524383.45 1216230.03 260.30

 

 

Príloha č.4: Grafické znázornenie zistených odchýliek.

 

Príloha č.5: Grafické znázornenie zistených odchýliek.