 |
|
|
|
GISáček |
|
|
|
Vytvoření 3D modelu Nové huti pro sledování dopravy pomocí GPS1.Snímek Název mého ročníkového projektu je “Vytvoření 3D modelu Nové huti pro s ledování dopravy pomocí GPS “. Vedoucím projektu je Doc.Petr Rapant.
2.Snímek Cílem mého projektu je Zji štění jak je v daném okamžiku pokryto území Nové huti signálem GPS. Nová huť a.s. má v úmyslu sledovat Nová huť a.s. má v úmyslu sledovat a monitorivat železniční dopravu ve svém aerálu pomocí systému GPS. Původním záměrem Nové huti bylo sledovat nejen železniční dopravu, ale i automobilů a to hlavně kamiónů a ostatních velkoobjemových vozidel. Od tohoto úmyslu se dočasně ustoupilo pro těžkosti s připojováním přijímačů na vozidla, která nejsou ve vlastnictví Nové huti a jejich následným odjímáním z těchto vozidel.Jako nejefektivnější způsob monitorování dopravy se jeví využití GPS (Gobal Positioning System, Globální polohový systém), který slouží pro přesné určení polohy kdekoli na světě pomocí družic. Každé lokomotivě v Nové Huti a.s. by se přidělil přijímač GPS, aby se mohla monitorovat jeho poloha v každém okamžiku. Pro určení polohy ovšem musí mít přijímač signál minimálně ze čtyř družic, což nemusí nastat vždy, protože signálu přicházejícímu z družice mohou stínit budovy, komíny, terén nebo stromy. Prot ože družice GPS obíhají kolem Země, jejich poloha se vzhledem k určitému místu na Zemi neustále mění, čímž se také mění úhly a azimuty dopadajících signálů.Cílem tohoto projektu je tedy vytvořit 3D model aerálu Nové huti a.s. a použít ho pro zjištění, v kterých místech je, respektive není možno určit polohu pomocí GPS v danou dobu a odhalit tak místa, kde je nutno nahradit signál z nedostupných družic signálem z pseudodružice.
3.Snímek
4.Snímek Použité programové prostředky :
AutoCad jsem použil pouze okrajově v přípravné fázi projektu, kdy jsem si vytvářel vlastní modelový polohopis budov, protože jsem skutečný polohopis v té době neměl k dispozici. Na tomto modelovém polohopisu jsem pak testoval možnosti řešení tohoto projektu. Zbývající práci na projektu jsem prováděl v aplikaci ArcView GIS 3.1, což je nástroj pro tvorbu geografických informačních systémů, který patří do třídy tzv. desktop GIS . Je to tedy GIS pro koncové uživatele, kterým umožní snadnou práci se všemi informacemi, které mají vztah k mapě. - ArcView Spatial Analyst - ArcView 3D Analyst - ArcView Cad Reader ArcView Spatial Analyst Spatial Analyst umožňuje uživatelům desktop GIS vytvářet plnohodnotná rastrová data, provádět nad nimi dotazy a analýzy a využívat i nových možností zobrazování těchto dat.Rozšíření ArcView Spatial Analyst zahrnuje funkce jako je vytváření a správa rastrových dat, konverze vektorových tém at na grid, analýzy povrchu, tvorby zón vzdáleností od prvků, určování blízkosti k prvkům, odvozování povrchu z hustoty prvků a analýzy dostupnosti místa, modelování terénu (sklon, orientace, vytváření vrstevnic, stínování svahů). Dále jsou možné dotazy v rámci více rastrových témat, lze provádět lokální a zonální analýzy, překlasifikování rastrů a řadu dalších funkcí.ArcView 3D Analyst 3D Analyst přináší do ArcView třetí rozměr. Pomocí jeho nástrojů je možné vytvářet, zobrazovat a analyzovat trojrozměrná data v ArcView. Lze vytvářet a editovat modely terénu (TIN), generovat vrstevnice, vypočítávat svažitost či viditelnost terénu, vytvářet řezy atd. Pomocí nástrojů ArcView 3D Analyst-u se lze na geografická data dívat z různých perspektivních pohledů. Možn é je také rotovat scénami a prolétávat se nad nimi. Kromě 3D dat můžeme do těchto scén přidávat i ostatní vektorová a rastrová data.ArcView Cad Reader Pomocí Cad Readeru jsem načetl polohopis budov, který byl ve formátu dwg, což je interní formát AutoCadu .
5.Snímek Polohopis budov mi byl dodán Novou hutí a.s. ve formátu dwg. Protože ArcView GIS 3.1 standardně nepodporuje formát dwg, musel jsem si připojit nadstavbu Cad Reader. Po připojení této nadstavby je možné načíst formát dwg. Při načítání tohoto formátu se v nabídce zobrazuje více souborů, protože AutoCad dělí grafickou informaci na více souborů jako jsou linie, polygony, body Pro mou práci stačilo načíst zatím pouze soubor linií. Tyto linie znázorňují polohopis budov. Polohopis jsem upravoval tak, že jsem těsně vedle linií znázorňujících budovy vytvářel ještě jednu linii. Důvod této úpravy popíšu později.Pro vytvoření 3D modelu je nutné znát výšky jednotlivých budov. Protože Nová huť nemá tyto výšky k dispozici, nezbývalo nic jiného, než navštívit aerál Nové huti a tyto výšky si zaměřit. Měření bylo prováděno totální stanicí Topcon a provádělo se v jižní oblasti aerálu NH, která byla určena pro řešení tohoto projektu. Tato zájmová oblast je znázorněna žlutou barvou.
6.Snímek Při práci jsme nezaměřovali všechny budovy v této oblasti, ale pouze ty, které by mohly bránit příjmu signálu GPS. Budovy s malou výškou, nebo objekty malých rozměrů jsme tedy nezaměřovali. V případě, že nám byl zamítnut přístup k některým budovám, zaměřili jsme jejích výšku a lespoň přibližně porovnáním s jiným zaměřeným objektem.
7.Snímek Po získání výšek budov jsem si v ArcView zobrazil atributovou tabulku polohopisu budov, a vytvořil zde novou položku do které jsem pak vkládal výšky jednotlivých budov. Vnitřní linii polohopisu budovy jsem přiřadil výšku budovy a vnější linii p olohopisu budovy nulovou výšku. Pomocnou nulovou výšku jsem vkládal z toho důvodu, aby se při generování GRIDu vytvořily také boční stěny budov. Při generování GRIDu z polygonů, znázorňujících polohopis budov, se nevytvořily boční stěny budov a operace Compute Hillshade, pomocí které jsem vypočítával stíny nepracovala správně. Při generování GRIDu z linií bez pomocné nulové výšky by zase nastal ten problém, že se nevytvoří prostor mezi jednotlivými budovami. Bylo tedy nutné vložit vedle linie ještě jednu pomocnou.
8.Snímek
Vytvoření modelu budov ve formátu TIN: Abych mohl z linií vytvořit model ve formátu TIN, musel jsem si připojit nádstavbu ArcView nazvanou 3D Analyst, která se používá při práci s 3D objekty. Poté jsem pomocí příkazu Create TIN from features vytvořil TIN.
9.Snímek Zjištění polohy družic GPS v daném okamžiku: Pro zjištění úhlu a azimutu dopadu signálu z družic GPS se dá použít Internet. Internet nabízí mnoho stránek věno vaných GPS.
10.Snímek Na stránce http://sirius.chinalake.navy.mil/satpred/ je k dispozici interaktivní program, který po zadání pozice na Zemi, nadmořské výšky, datumu a času vypíše seznam všech viditelných družic s jejich azimuty a úhly dopadajících signálů z těchto družic.Protože GPS je celosvětový systém, musí se poloha stanoviště na Zemi zadávat v souřadném systému WGS-84. Protože polohopis budov byl zaregistrován v souřadnicovém systému S-JTSK, musel jsem je převést na WGS-84. Zjistil jsem si souřadnice přibližného středu aerálu NH v souřadnicích JTSK a tyto souřadnice pak v jiném programu přetransformoval na souřadnice WGS-84. Tyto jsem pak zadal do vstupního formuláře programu pro zjištění viditelných družic GPS. Platí, že v kterémkoliv okamžiku mohu vidět minimálně 4 družice a maximálně jich mohu vidět 12. Ve vstupním formuláři se také zadává Elevation Mask (výšková maska), což znamená, že si volím minimální úhel dopadajícího signálu z jednotlivých družic. Obecně platí, že se tato maska volí asi 15 stupňů. Jestliže signál dopadá pod menším úhlem, existuje zde velké nebezpečí v podobě odrazů signálu a tím pádem k nepřesnému zaměření polohy. Já jsem do pole Elevation Mask zadal hodnotu 15 stupňů.Čas se také musí zadávat v celosvětově jednotném čase. Proto se zadává v GTM, což je čas měřený v Londýně. Tento čas je shodný s také velmi používaným časem UTC, který se používá hlavně v meteorologii. Čas GTM se oproti našemu středoevropskému času zpožďuje v letním čase o hodinu a v zimním čase o dvě hodiny.
11.Snímek Na obrázku je zobrazen výstupní formulář programu pro vyhledání viditelných družic GPS. V prvním sloupci s hlavičkou Satellite je seznam všech viditelných družicGPS. Ve sloupci Elevation jsou vypsány úhly, pod kterými dopadá signál z jednotl ivých družic a ve sloupci Azimuth azimuty dopadajících signálů. Pokud myší klikneme na Zeměkouli ve sloupci SV’s View of Earth, zobrazí se nám území, které pokrývá příslušná družice.
12.Snímek Jde vlastně o pohled z této družice. Naše stanoviště je vyznačeno červeným křížem.
13.Snímek Výpočet stínění budov pomocí modulu Compute Hillshade: Pro zjištění pokrytosti signálem z družic GPS jsem použil modul Compute Hillshade v aplikaci ArcView s připojenou nádstavbou 3D Analyst. Modul Compute Hillshade vypo čítává stíny u 3D objektů.Do vstupního formuláře tohoto modulu se zadává azimut a úhel dopadu světla, v tomto případě signálu na 3D model. Modul Compute Hillshade bere v úvahu také v jakém úhlu dopadá světlo na objekt a podle toho vytváří více tříd viditelnosti. Nevypočítává pouze stíny a osvětlené plochy, ale vypočítává různé úrovně stínů podle toho, z jakého úhlu dopadá světlo na 3D objekt. Tento modul tedy vytváří obrázek o mnoha třídách. Výpočet území pokrytého signálem GPS z jednotlivých druž icPro svůj projekt jsem ale potřeboval znát pouze úplné stíny a osvětlené plochy, tedy obrázek o dvou třídách. Bylo proto nutné reklasifikovat tento obrázek na dvě třídy. Do první třídy jsem přiřadil hodnotu 0 a do druhé třídy všechny ostatní hodnoty. Na obrázku 10 první třída s hodnotou 0 představuje úplný stín a je znázorněná černou barvou. Druhá třída s hodnotou 1 představuje plochy s dostupným signálem a je znázorněna bílou barvou. Já jsem v prvním případě zadal azimut dopadu signálu 122 stupňů a úhel dopadu signálu 29 stupňů a v druhém případě azimut dopadu signálu 180 stupňů a úhel dopadu signálu 27 stupňů. 14.Snímek Při reklasifikaci jsem stínům přiřadil hodnotu 0 a viditelným plochám hodnotu 1. Po vypočítání stínů jsem výsledné obrázky musel ještě převést na formát GRID, abych na nich mohl ještě provádět matematické operace. K tomu jsem musel zapnout nádstavbu Spatial Analyst, která se používá k prostorovým analýzám. Protože stíny mají hodnotu 0 a ostatní plochy na kterých je signál z družic dostupný hodnotu 1, mohl jsem tyto plochy sečíst.
15.Snímek Tento postup mohu provádět i se signály z ostatních dostupných družic.
16.Snímek Poté jsem sečetl signály všech dostupných družic. 17.Snímek Zjištění ploch, kde je možno určit signál pomocí GPS Následně jsem reklasifikoval výsledný obrázek na dvě třídy podle toho, z kolika družic je dostupný signál na jednotlivých místech, abych zjistil, kde je možno určit polohu pomocí GPS. Pro určení polohy pomocí GPS potřebuji mít signál nejméně ze 4 družic, Vytvořil jsem tedy dvě třídy. První třída s hodnotou 1 byla v oblastech, kde je dostupných 4 nebo více signálů (lze zde určit polohu pomocí GPS) a druhá třída byla v oblastech, kde je počet dostupných signálů menší než 4. (nelze zde určit polohu pomocí GP S).
18.Snímek Protože na obrázku 12 jsou jako plochy, kde je možno určit polohu pomocí GPS také plochy, které jsou zastavěny budovami, překryl jsem obrázek 12 ještě vrstvou budov.
19.Snímek Vytvoření vhodného uživatelského rozhranní Protože vytvoření map znázorňujících možnost určení polohy pomocí GPS v daném okamžiku zabere velké množství času, vytvořil jsem aplikaci, která by usnadnila uživateli práci a čas. Vytvořil jsem 24 map, kde každá mapa zobrazuje možnost určení polohy pomocí GPS v každou celou hodinu dne. Uživatel pouze kliká na ikonky s čísly v horní části aplikace a podle toho se mu zobrazuje mapa dostupnosti signálu v danou hodinu. Modrou barvou jsou znázorněny budovy, žlutě jsou znázorněny oblasti, kde je možno určit polohu pomocí GPS a čer venou barvou oblasti, kde není možno určit polohu pomocí GPS.
Závěr: Vzhledem k dosaženým výsledkům je možno říci, že v oblasti, kterou jsem testoval, nebude mít Nová huť a.s. problémy s určováním polohy pomocí GPS. Problémy mohou ale mohou nastat v jiných oblastech aerálu NH a to hlavně v prostoru mezi vysokými budovami, které jsou postaveny blízko sebe a brání tím příjmu signálu z družic. V tomto případě by se do takového prostoru musela umístit pseudodružice, která by nahradila nedostupný signál. Postup, kterým jsem zpracoval tento projekt se může aplikovat na celý aerál Nové huti a.s.
|
|
Copyright (C) VŠB - TU Ostrava,
Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. |