18 вересня 2013 р.

Программно-аппаратные GNSS-средства для создания и актуализации ГИС-проектов

Исследование современных способов сбора геопространственных данных с помощью различных программно-аппаратных средств на базе спутниковых GNSS технологий. Сравнение работы основных групп GNSS измерителей по параметрам точности производительности и удобства использования для задач ГИС съемки. Поиск оптимальных подходов для построения и актуализации локальных ГИС-проектов на основе полевых измерений.
Вступление. Геоинформационные технологии активно интегрируются во многие сферы жизни человека и его хозяйственной деятельности. Одной из актуальных проблем является выбор и оптимальное использование различных программно-аппаратных измерительных средств, предназначенных для сбора и обработки геопространственной информации. Это касается и таких задач как создание и актуализация ГИС для лесных, сельских хозяйств, коммунальных служб и др. Электронные карты с базой атрибутивных данных для таких объектов можно условно назвать локальным ГИС-проектом.

Особенностью работы с такими ГИС является то, что при создании или актуализации всей системы измерительная работа ведётся по отдельным типовым объектам хозяйства относительно небольших размеров (к примеру, квартал лесного хозяйства). Подобная специфика предполагает, что устройства сбора геопространсвенных данных, с одной стороны, должны быть компактными и прочными, с другой стороны — обеспечивать оперативный сбор данных высокой точности. Современные измерительные технологии предлагают широкий спектр способов измерений (традиционные оптико-электронные технологии, лазерные наземные измерения, фотограмметрия, и.т.д.), но наиболее интересными и эффективными для задач локального сбора геоданных являются спутниковые GNSS-технологии и построенные на их базе измерительные GNSS-приемники.

Исходные предпосылки. Данная проблема актуальна в связи повсеместной необходимостью в переоснащении различных хозяйственных структур измерительными средствами и программным обеспечением для ГИС, а также необходимостью оптимального выбора таких средств из многочисленных вариантов разного назначения и разной сложности, доступных на сегодняшний день.

Цели и задачи исследования. В связи с поставленной проблематикой сформулированы следующие задачи исследования:

  1. Рассмотрение функциональных возможностей GNSS-оборудования.
  2. Сравнительная характеристика полученных данных.
  3. Определение оптимального GNSS-оборудования для создания локальных ГИС-проектов.

В качестве конкретной практической задачи для выявления оптимального программно-аппаратного GNSS решения для локальных ГИС-проектов была выбрана задача актуализации картографического материала в лесном хозяйстве, а точнее – создание ГИС-проекта стандартного квартального участка лесхоза с актуальным расположением внутренних выделов и их атрибутов. Рассматриваемый квартальный участок прямоугольной формы общей площадью 26.607 га состоит из восьми выделов различной конфигурации. Схематически расположение выделов заданного квартала показано на рис. 1. Актуализация расположения и формы таких выделов является одной из основных задач в лесном хозяйстве и в свою очередь требует точные координатные измерения и запись атрибутивной информации.


Рис.1. Схема выделов исследуемого квартала лесхоза

Изложение материала. Основной задачей GNSS-измерителей является вычисление с различной точностью текущих неизвестных координат точек и вынос в натуру точек с известными координатами, а также ряд дополнительных приложений (просчет расстояний, вычисление площадей, координатная геометрия, разбивка и др.). Однако измерения для ГИС, помимо необходимости координирования объектов, содержат также ряд дополнительных задач, среди которых в первую очередь – необходимость записи различных атрибутивных данных, привязанных к объектам ГИС. Все спутниковые GNSS-приемники по классу точности и производительности можно условно разделить на две основные группы: навигационные и геодезические. В качестве отдельной подгруппы следует также рассмотреть измерительные GNSS-приемники со встроенной мобильной ГИС, так называемые ГИС-контроллеры.

Для рассматриваемых задач по созданию локальных ГИС-проектов применимы приборы как навигационной, так и геодезической точности (всё зависит от допусков по точности измерений). Помимо точности важным фактором также скорость сбора данных и удобство сведения результатов в требуемый ГИС формат. По этим параметрам и должны выбирать соответствующие оптимальные средства и способы сбора данных для ГИС.

Для решения данной задачи исследовались способы сбора ГИС данных GNSS оборудованием трех типов: а) ручной GPS навигатор, б) высокоточный геодезический GNSS приемник и в) специализированный ГИС-контроллер. Съемочная задача заключалась в координировании точек контуров, объектов на местности (например, квартальные столбы) и формирование полигонов выделов с атрибутивным описанием (номер, площадь, тип насаждений, возраст, и т.д.). Результатом работы должен быть локальный ГИС-проект состоящий из как минимум двух слоев (точечный – результаты измерений, полигональный – построенные картографические модели выделов) в требуемой системе координат (СК-42) с необходимым атрибутивным описанием. В качестве параметров сравнения выбраны следующие показатели: среднее время нахождения на точке и общее время полевых измерений, точность определения координат, способ сбора и добавления в ГИС атрибутивной информации (автоматически в полевых условиях или камерально).

Первый вариант GNSS измерителя (портативный GPS навигатор) представлен GPS навигатором eXplorist 510 фирмы Magellan, которая занимает лидирующие позиции на рынке навигационного оборудования (Рис. 2). Технические характеристики Magellan eXplorist 510 приведены в табл. 1.

Навигаторы фирмы Magellan серии eXplorist оснащены мощными высокочувствительными GPS-антеннами SiRFstarIII с возможностью использования системы EGNOS (общеевропейской геостационарной системы навигационного покрытия), которая аккумулирует информацию от спутников GPS, ГЛОНАСС и Galileo и собственных геостационарных спутников. Совокупность информации транслируется на GPS-приемники для обеспечения высокой точности (до 3 м в благоприятных условиях) и быстрого определения координат (до 15 секунд – холодный старт).

GPS-навигаторы серии eXplorist позволяют определять собственное местоположение, производить расчёты параметров территорий (площадь, периметр и т.д.). Устройства оборудованы цифровой камерой и диктофоном, в которых есть возможность привязки записи к географическим координатам. Защищенность от сложных условий окружающей среды, энергосберегающие технологии и гибкое картографическое обеспечение (использование растровой и векторной картографии) обеспечивают качественное решение большинства повседневных задач лесного хозяйства. Основным недостатком является ограниченная точность определения координат, которая напрямую от внешних условий, и в условиях обильной лесной растительности точность определения координат может снижаться до 8 м.

Выходным форматом данных устройства является *.gpx, который интегрирован в большинство современных ГИС-продуктов, в том числе – одни из самых распространённых QGIS и ArcGIS. Это позволяет в скорые сроки создать слои с точностью геоинформации до 3 м, и тем самым интегрировать полученные полевые данные с существующей ГИС. Экспорт из формата *.gpx в формат *.shp в программе QGIS происходит с помощью стандартных инструментов экспорта, в программе ArcGIS – с помощью модуля “Conversion Tools” в ArcToolBox. Возможно экспортирование точечных объектов, что соответствует путевым точкам в навигаторе, либо в виде линейных объектов – что соответствует трекам в навигаторе. Следующим этапом обработки информации является придание геоданным атрибутивной информации и генерализация данных. Геоданные могут подкрепляться голосовыми заметками оператора и фотографическими снимками с геопривязкой, что позволит дать качественную оценку ситуации на данной территории.

Таким образом, Magellan eXplorist 510 показал себя как надёжный прибор, с которым в краткие сроки можно интегрировать полевые данные с ГИС с добавлением качественных характеристик в виде фото-, видео- и аудиоматериалов, но недостатками являются снижение точности в условиях плотной лесной растительности, что в свою очередь влияет на значительную потерю информации при генерализации.

Вторым вариантом GNSS измерителя (высокоточный геодезический GNSS приемник) представлен двухчастотный (L1+L2) двухсистемный (GPS + GLONASS) приемник GS08plus (Рис. 3) фирмы Leica Geosystems (Швейцария) (рис. 3). Технические характеристики прибора приведены в табл. 1. На сегодняшний день мобильные спутниковые приемники такого класса обеспечивают максимально возможную точность измерения координат (3-5мм) причем за кратчайшее время (в режиме Real Time Kinematic (RTK) для записи точки достаточно 15 – 20 секунд). Тем более что измерительное оборудование швейцарского производителя Leica Geosystems отличается дополнительными возможностями по организации съемочных работ (использование карт-подложек и ряд специализированных прикладных программ), а также имеет гибкую систему импорта/экспорта измерений в ГИС/САПР системы.
Рис. 2. GPS-навигатор Magellan eXplorist 510


Рис. 3. Геодезический GNSS приемник Leica GS08plus

При решении поставленной задачи использовалась стандартная программа «Съемка» для координирования отдельных точек, причем дополнительным преимуществом выступает также возможность работать в нужной системе координат прямо на приборе во время съемки. Во встроенном полевом ПО прибора возможно построение линий и полигонов по съемочным точкам, однако инструменты записи атрибутивной информации ограничены. Тем более что требуемый формат результирующего ГИС-проекта прямо в приборе сделать невозможно, т.к. приборы такого класса не оперируют объектами, слоями и атрибутивными базами данных (активным элементом являются только точки координирования). Но имеется инструментарий импорта результатов измерений в форматы САПР (например *.dxf) и ГИС (*.shp шейп-файл), благодаря которому можно как минимум получить точечный слой локального ГИС-проекта с результатами измерений.

Дальнейшее построение полигонов и добавление атрибутивной информации (собранной с помощью внешних носителей) осуществляется уже в настольной ГИС-системе с импортированным в нее слоем съемочных точек. В результате съемки были получены координаты 77 точек в системе координат СК-42. Дальнейшая доработка ГИС проекта осуществлялась в камеральной программной оболочке ArcGIS, куда был импортирован шейп-файл с измеренными точками. Изображение указанного слоя приведено на рис. 4. Вся дополнительная атрибутивная информация добавлялась на основе данных из дополнительного абриса, который вёлся параллельно с аппаратной съемкой. Результаты измерений и обработки сведены в табл. 2.

Последним вариантом GNSS измерителя, который использовался в исследовании, выступает специализированный ГИС-контроллер, т.е. высокоточный GNSS приемник, обладающий полевым ПО с ГИС-возможностями. Для рассматриваемых задач (сбор данных о пространственном положении объектов и запись атрибутов) оптимально комплексное использование в одном решении различных измерительных методов (спутниковое координирование, лазерная дальномерия, косвенные измерения и т.д). Этим решением и есть программно-аппаратные комплексы (ГИС-контроллеры), состоящие из GNSS приёмников, контроллеров или планшетных ПК с полевой ГИС, лазерных дальномеров и цифровых фотокамер, работающих в единой системе. Одним из таких решений является мультифункциональный ГИС-контроллер Leica Zeno GIS (рис. 5) от швейцарской компании Leica Geosystems.
    Рис. 4. Результаты съемки геодезическим GNSS приемником Leica GS08plus

Рис. 5. Состав комплекса Leica Zeno GIS

Последним вариантом GNSS измерителя, который использовался в исследовании, выступает специализированный ГИС-контроллер, т.е. высокоточный GNSS приемник, обладающий полевым ПО с ГИС-возможностями. Для рассматриваемых задач (сбор данных о пространственном положении объектов и запись атрибутов) оптимально комплексное использование в одном решении различных измерительных методов (спутниковое координирование, лазерная дальномерия, косвенные измерения и т.д). Этим решением и есть программно-аппаратные комплексы (ГИС-контроллеры), состоящие из GNSS приёмников, контроллеров или планшетных ПК с полевой ГИС, лазерных дальномеров и цифровых фотокамер, работающих в единой системе. Одним из таких решений является мультифункциональный ГИС-контроллер Leica Zeno GIS (рис. 5) от швейцарской компании Leica Geosystems.

При решении поставленной задачи (создание локального ГИС-проекта) все требуемые слои в нужной системе координат были созданы прямо на приборе. Также во время съёмки можно создавать и настраивать различные атрибутивные поля, привязанные к точкам и объектам. Благодаря чему нет необходимости вести дополнительный абрис и дополнительные записи. Дополнительным преимуществом выступает также возможность использовать в качестве подложек различные векторные и растровые карты (координатно привязанная скан-копия старой бумажной карты квартала служила ориентиром на местности). Что касается спутниковых измерений координат, то возможности аппаратной части (одночастотный GPS приемник) позволяют фиксировать координаты с точностью до 40 см в дифференциальном режиме. В виду того, что условия леса являются крайне неблагоприятными для спутниковых измерений, то на практике получаемая точность составляла в среднем 60 – 100 см. По времени стояния на точке для достижения указанного уровня достаточно 2 – 3 мин.

При съемке точек программный инструментарий позволяет добавлять все атрибутивные данные и автоматически привязывать цифровые фотографии ключевых объектов, сделанные встроенной в контроллер камерой. Требуемые полигоны, соответствующие выделам в квартале, строятся прямо на приборе в отдельном слое на основе ранее отснятых точек или непосредственно по текущим спутниковым измерениям. И в результате на выходе мы получаем прямо на приборе в полевых условиях уже законченный локальный ГИС проект, состоящий из заданного количества слоев нужного содержания. Причем с нужным набором и форматом атрибутов, которые содержат также и дополнительную информацию (например, цифровые фотографии). Слои хранятся на приборе в папке проекта каждый отдельно в формате *.shp и их передача для сведения в общую ГИС систему и дополнительной обработки не требует никаких конвертаций и осуществляется элементарными приемами.

Изображение полученных с помощью ГИС-контроллера слоев показано на рис. 6, а все результаты измерений и обработки сведены в табл. 2.
    
  Рис. 6. Результаты съемки ГИС-контроллером Leica Zeno
    
    Ниже представлены технические характеристики всех используемых в исследовании технических решений.
    
    Таблица 1. – Результаты полевых GNSS измерений и обработки данных



Таблица 2. – Технические характеристики GNSS приемников




Результаты. Исходя из поставленных задач и полученных результатов измерений, можно сделать следующие выводы. По параметрам простоты использования лучшие показатели у ручного навигатора, однако точности результатов измерений (9м) никоим образом не удовлетворяют требованиям в большинстве рассматриваемых практических задач. Тем более что сбор атрибутов и сведение результатов в нужный формат требует дополнительных технических и программных средств для конвертации обмена данными, что усложняет достижение результата и увеличивает общее время работы над созданием локального ГИС-проекта. Этот же недостаток относится и к классу геодезических GNSS приемников. Однако приборы этого класса имеют максимальную точность в сочетании с высокой скоростью измерений. Это преимущество характеризует такие приборы как лучший универсальный инструмент для координирования. Но все же необходимость в дополнительных средствах и приемах обработки данных для ГИС усложняет использование таких высокоточных спутниковых измерителей для рассматриваемой специфической сферы.

В последнем же случае (ГИС-контроллер) мы имеем измерительное средство, которое само, по сути, является ГИС системой и позволяет осуществлять весь спектр работ и операций, характерных при построении ГИС, прямо в полевых условиях с использованием спутникового позиционирования. Учитывая допустимую точность координирования и полную автоматизацию обмена данными с камеральными ГИС системами, в сочетании с широким спектром дополнительных встроенных инструментов сбора атрибутивных данных, можно сказать, что спутниковые измерительные ГИС-контроллеры на сегодняшний день являются наиболее оптимальным программно-аппаратным решением для создания и актуализации локальных ГИС-проектов.


Список литературы
1. Bonham-Carter G.F. Geographic Information Systems for Geoscientists: Modelling wit GIS. – New York: Elsevier Science, 1994. – 398 p.
2. Jones C. Geographical Information Systems and Computer Cartography. Longman Limited. – 1997. – 319 p.
3. Ефременко П.Е., Горб А.И. Специализированное GNSS-оборудование для сбора ГИС-данных. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. – Львів.: Вид-во Львівської політехніки. – 2011. – Вип. II (22). – C.82-86.
4. Лебедев П.П., Раклов В.П. Теория и методы кадастрового картографирования с применением географических информационных систем (ГИС) // Итоги науч.-исслед. Работы ГУЗ в 1996-2000 гг. – М.: ГУЗ. – 2001. – Т.6. – 128 с.
4. Шевченко М.В. Применение ГИС-технологий в исследованиях структуры дневной поверхности (на примере долины р. Волчья): мат. второй международной науч.-практ. конф. 28-30 окт. 2010 г. / отв. ред. Л.М. Ахромеев. – Брянск: Курсив, 2010. – С. 263-267.

Ефременко П.Е., Шевченко М.В., Горб А.И.
ООО «Навигационно-геодезический центр»

Немає коментарів:

Дописати коментар