Radim Brix
Institut geoinformatiky
VŠB-TUO Ostrava
17. listopadu 15, 70833 Ostrava-Poruba
E - mail: radim.brix@centrum.cz
In the first part of this work is compiled sumary and comparison of GPS devices, that are avaliable in the Institute of Geoinformatics, HGF VŠB-TU Ostrava. One of the constituents is also comparison of parameters, that are presented by producer and comparison of measure accuracy. The second part is dealing with testing of tools for transformation coordinates between coordinate systems WGS-84 and S-JTSK.
V této práci je v první části zpracován přehled a porovnání GPS přístrojů dostupných na institutu geoinformatiky, HGF VŠB-TU Ostrava. Součásti je i porovnání parametrů uváděných výrobcem a porovnání přesnosti měření. Druhá část práce se zabývá testováním programových prostředků pro transformaci souřadnic mezi souřadnicovými systémy WGS-84 a S-JTSK.
Využívání satelitních navigačních zařízení již není výsadou armád, velkých společností nebo bohatých jedinců. Zájemcům je k dispozici celá škála moderních navigačních zařízení určených pro využití v civilním sektoru - od těch nejjednodužších ručních zařízení určených pro sport a volný čas, až po profesionální systémy pro oblast geodézie, námořní či letecké dopravy.
Jedním z velmi rozšířených navigačních a polohových systémů se stal GPS, původně vojenský navigační a polohový systém, nyní dostupný i pro mírové využití civilním uživatelům, tedy každému z nás. Od uvolnění GPS civilnímu využití obohatil tento systém řadu oborů a změnil náš pohled na navigaci. Díky stále masovějšímu nasazování do stále nových oborů a aplikací se GPS stává součástí našeho běžného života.
Jelikož se jedná o navigační a polohový systém, tak jeho úkolem je určovat naší polohu na zemském povrchu a po tomto povrchu nás vést (navigavat). Určená poloha GPS přijímači musí být na zemském povrchu k něčemu vztažena, aby bylo možno každému místu přiřadit jednoznačnou polohu a tu například zobrazit v mapě. K tomu nám slouží souřadnicové systémy. U systému GPS je takovým souřadnicovým systémem WGS-84. GPS přijímače nám poskytují polohu vztaženou k tomuto globálnímu souřadnicovému systému.
Geodetická měření v ČR byla však v minulosti i v současnosti prováděna v lokálním souřadnicovém systému S-JTSK a tím vyvstala potřeba převodu (transformace) dat mezi oběma souřadnicovými systémy. Většina dnes dostupných GPS přijímačů nedokáže data mezi těmito dvěma systémy transformovat. Z tohoto důvodu se k těmto tranformacím používají různé programové prostředky.
Pro vypracování této diplomové práce byly použity tyto přístroje:
Fortuna Clip-On Bluetooth GPS
Garmin Geko 301]
Pretec Compact GPS
Trimble GeoXT
Trimble Pathfinder ProXL
Laserový dálkoměr Impulse 200LR
Compaq iPAQ H3870 HandheldPC
HP Compaq Tablet PC tc1100
ArcGIS 9.0
Program WGS84
Majster
Matkart 2004
TransForm 1.0
WGS84 to SHP verze 1.5
Tranďák 1.0
Ke všem hodnocením v této kapitole byly použity parametry výrobců. K hodnocení byly u každého parametru zvoleny váhy od 0 do 1, podle významnosti daného parametru pro mapování v podmínkách GIS. Ke každému GPS přijímači byly poté za každý parametr přiřazeny body od 1 - 5, kde 5 bodů znamenalo nejlepší a 1 bod nejhorší. Pokud nebyl daný parametr nalezen, nebo ho přístroj nepodporoval byly přiděleny body tak, jako by daný přístroj měl nejhůř hodnocený parametr. Výsledek vyhodnocení lze nalézt v tabulce 1.
Velikost a váha
Tomuto parametru jako významnému byla přidělena váha 0,8. Jednoznačně největším a nejtěžsím GPS přístrojem byl Pathfinder, bylo to dáno hlavně dobou jeho výroby.
Spotřeba
Tomuto parametru byla přidělena váha 0,4. Největší spotřebu dle údajů výrobce má Pathfinder. U přijímačů Fortuna a Garmin se údaje o spotřebě nepodařilo získat.
Výdrž baterií
Tomuto parametru jako velmi důležitému byla přidělena váha 1. U přijímače Pathfinder nebyl údaj o výdrži baterií nalezen, Pretec neobsahuje vlastní zdroj energie což je jeho výhodou a proto dostal 5 bodů.
Provozní teplota
Tomuto parametru jako velmi důležitému byla přidělena váha 1. U Pathfinderu výrobce pro každou z jeho tří částí udává jiný rozsah provozních teplot. Nejmenší rozsah je uveden u datového záznamníku a proto pro hodnocení je použita tato hodnota.
Vlhkost
Tomuto parametru byla přidělena váha 0,8. Plně vodotěsný je pouze přijímač Garmin, další přijímače jsou jsou vodotěsné pouze pro určitou vzdušnou vlhkost.
Nadmořská výška
Tomuto parametru byla přidělena váha 0,8. Jedná se o maximální hodnty ve kterých bude ješte GPS přijímač pracovat. Tuto hodnotu se podařilo získat pouze pro přijímače Fortuna a Pretec. Jelikož je tato hodnota známa jenom pro dva GPS přístroje z pěti, byly přiřazeny pouze 1 nebo 2, aby nebyl příliš ovlivněn výsledek srovnání.
Maximální rychlost pohybu
Tomuto parametru byla přidělena váha 0,3. Parametr udávající maximální možnou rychlost pohybu přijímače, při kterém je ještě schopen měřit. Tento parametr se opět podařilo zjistit pouze pro přijímače Fortuna a Pretec a obdobně jako v kapitole 6.6 byly uděleny 1 nebo 2 body.
Parametr TTFF
Tomuto parametru byla přidělena váha 0,5. Jedná se o čas, který uplyne od spuštění přijímače až do prvního určení polohy. Rozlišujeme tři druhy parametru TTFF, podle toho jaké údaje má před zapnutím přijímač k dispozici:
Hot Start - almanach a efemeridy
Warm Start - almanach bez efemerid
Cold Start - bez almanachu a efemerid (po delší době kdy se přístroj nepoužívá min.14 dní)
Výrobce Trimble u svých GPS přístrojů GeoXT a Pathfinder parametr TTFF nedělí na Hot, Warm a Cold Start, ale udává pouze jednu hodnotu. Tato stejná hodnota byla použita do všech třech hodnocení parametru TTFF. Výrobce přístroje Fortuna uvádí pro každý typ režimu měření (ST nebo XT) jíné hodnoty, do hodnocení byl vzat průměr těchto dvou hodnot.
Přesnost
Byly hodnoceny tři druhy přesnosti - přesnost při normálním měření, přesnost při použití diferenčních korekcí WAAS/EGNOS. Těmto dvěma parametrům bya přidělena váha 1. Třetím hodnoceným druhem přesnosti byla přesnost měření rychlosti, kterému byla přiřazena váha 0,6.
Cena
Tomuto parametru byla přidělena váha 0,8. Cena přijímače Pathfinder nebyla od výrobce zjištěna. Od Ing. Davida Vojtka jsem dostal informaci o přibližné ceně pohybující se v desítkách, až stovkách tisíc. Ceny byly zjišťovány k únoru 2005.
Tabulka 1: Výsledky porovnání parametrů udávaných výrobci
Pořadí GPS přijímačů podle získaných bodů:
1. 33,6 bodů Geko 301
2. 30,1 bodů GeoXT
3. 30,0 bodů Fortuna
4. 28,2 bodů Pretec
5. 21,5 bodů Pathfinder
Se všemi GPS přijímači byla provedena statická (GPS přijímač se nepohyboval - měření na jednom bodě) a dynamická měření (GPS přijímač se pohyboval - měření tras) v různých typech prostředí a za různých podmínek měření. Z těchto měření byly poté vyhodnoceny a srovnány výkonostní parametry jednotlivých GPS přijímačů. Dále byla provedena měření k získání informací o výdrži baterií a časů TTFF.
Pro všechna měření s GPS přijímači byla zvolena kódová měření, která svou přesností plně postačují pro účely GIS mapování. Také nebyly prováděny diferenční měření, jelikož nám nešlo o co největší přesnost měření, ale o porovnání daných GPS přístrojů. Měření bylo prováděno v katastru Poruba. Statická a dynamická měření byla prováděná za různých podmínek měření. Podmínky pro měření byly zvoleny tyto:
lepší podmínky (min 8 viditelných družic, PDOP < 2)
horší podmínky (< 8 viditelných družic, PDOP > 2)
Bylo vybrány tři body z mapového listu mapy SMO-5 č.091710. Z databáze ČÚZK byly získány souřadnice těchto bodů v souřadnicovém systému WGS-84 . K těmto bodům byl zvolen ještě jeden bod ležící v lese sloužící k testování zda jsou GPS přijímače schopny měřit i v takto ztížených podmínkách. U toho bodu bohužel nebylo možno získat přesné souřadnice. Polohy jednotlivých bodů jsou zobrazeny na obrázku 1. Jako podkladová data byla použita data z Diplomové práce Ing. Jakuba Švrčka upravená Ing. Davidem Vojtkem
Obrázek 1: Rozmístění měřených bodů a tras
Aby bylo možno plánovat měření v programovém prostředku Trimble Planning, bylo nutno vytvořit ke každému bodu masky překážek. Takto vytvořené masky slouží k vyhodnocení viditelnosti jednotlivých družic na obloze z daného bodu a k následnému výpočtu nejvhodnějších podmínek pro měření.
Pro tvorbu masek byl zvolen následující postup:
Nejdříve byl na papír nakreslen kruh znázorňující horizont a pomocí buzoly byl určen sever (0°), od tohoto bodu byly ve směru hodinových ručiček postupně měřeny elevační úhly, pomocí laserového dálkoměru Impulse 200 LS, k jednotlivým překážkám na horizontu. Tyto úhly byly zakreslovány na papír s tím, že úhly pod 5° byly zanedbány. Z takto získaných záznamů byly v programu Planning postupně vytvořeny masky překážek k jednotlivým bodům. Vyjímkou byl bod v lese, kde maska překážek nebyla vytvořena, z důvodu složitosti prostředí. Vytvořené masky jsou zobrazeny na obrázku 2 (šedá barva představuje překážky).
Obrázek 2: Vytvořené masky překážek
Dále byly do programu Trimble Planning ke každému bodu zadány souřadnice z tabulky 1 a před každým plánováním měřením byl do tohoto programu stažen a importován soubor s platnými efemeridami. Po těchto přípravách již bylo možno v tomto programu plánovat měření. Před každým měřením byly vypsány časové intervaly s jednotlivými podmínkami měřeními v daný den - počet viditelných družic, parametr PDOP (Obrázek 3). Tyto údaje byly vyexportovány do programového prostředku MS Excel a vytištěny. Pomocí takto vytištěných údajů a zvolených podmínek (horší/lepší) byly na daný den naplánovány časy ve kterých bylo prováděno měření.
Obrázek 3: Ukázka výpisu časových intervalů s podmínkami pro měření v programu Trimble Planning
Před samotným měřením bylo nutno také nastavit samotné GPS přijímače. Všechny přijímače, až na Pathfinder u kterého to nebylo možné, používaly k vyhodnocování měření programový prostředek ArcPad. V ArcPadu byla pro měření každého bodu vytvořena bodová vrstva, do které byla po měření zaznamenána naměřená poloha. Dále bylo nastaveno, aby ArcPad zaznamnával měření do GPS Tracklogu s frekvencí 1s. GPS Tracklog, neboli "záznam prošlé trasy", je množina bodů (souřadnic míst), zaznamenaných GPS přístrojem v určitém časovém intervalu. Do GPS tracklogu v ArcPadu jsou zaznamenávány tyto parametry:
Statická měření byla prováděná metodou průměrování a to po dobu 10min s frekvencí vzorkování 1s. Po této době byla zprůměrovaná poloha zapsána do již připravené bodové vrstvy. Po celou dobu 10min bylo měření zaznamenáváno i do Tracklogu. Celkově bylo provedeno 40 statických měření. Statická měření u GPS přijímače Fortuna byla prováděna pouze v režimu ST. V režimu XT nebyl přijímač schopen provádět průměrování a zapisovat data do GPS Tracklogu. Režim XT byl použit pouze u dynamického měření
Plánování proběhlo podobně jako u statických měření. Samotné měření probíhalo po předem daných trasách, vždy pokud možno se dvěma měřícími přístroji najednou. Trasy byly měřeny normální chůzí. Celkově bylo provedeno 36 dynamických měření. Bylo využito i režimu XT GPS přijímače Fortuna. Z institutu geoinformatiky byly pro měření poskytnuty dva tyto přijímače a měření v obou režimech probíhalo současně, kdy jeden přijímač měřil v režimu ST a druhý v XT. Tím, že oba přijímače měřily za naprosto stejných podmínek, bylo možno vysledovat rozdíly měření v jednotlivých režimech.
Nejdříve bylo provedeno hodnocení přesnosti GPS přijímačů. Pro hodnocení byl zvolen způsob systému vah a bodů. Byla hodnocena přesnost určení polohy a přesnost určení výšky. Váha byly přiřazena ke každému měření 0,2. Výsledek hodnocení přesnosti je zobrazen v tabulce 2.
Tabulka 2: Hodnocení přesnosti
Pro celkové hodnocení byla použita tabulka 1 s hodnocením parametrů udávaných výrobci. Toto hodnocení bylo doplněno o naměřené údaje výdrže baterií, parametrů TTFF a přesnosti (Tabulka 3). Modrou barvou jsou zvýrazněny aktualizované údaje.
Tabulka 3: Celkové hodnocení GPS přijímačů
Pořadí GPS přijímačů podle získaných bodů:
1. 32,6 bodů Geko 301
2. 31,1 bodů Pretec
3. 30,7 bodů Fortuna
4. 26,3 bodů Pathfinder
5. 22,7 bodů GeoXT
První pozici získal, stejně jako u samotného hodnocení parametrů výrobců, GPS přijímač Geko 301. Nejvíce klesl v hodnocení GeoXT a to ze druhého místa na poslední, naopak Pretec si polepšil ze čtvrtého místa na druhé.
Pro testování transformací souřadnic bylo vybráno sedm programových prostředků a deset identických bodů se souřadnicemi v souřadnicovém systému S-JTSK a ITRF-97. Teoretický souřadnicový systém ITRF je prakticky totožný se systémem WGS-84 a proto lze oba systémy zaměňovat [3]. Tyto body byly vybrány tak, aby pokryly území České republiky (Obrázek 6). Souřadnice identických bodů jsou uvedeny v tabulce 5 a tabulce 6.
Tuto transformaci podporovaly všechny uvedené programy. Chybu ve výšce šlo určit pouze u programů WGS-84, Transform 1.0 a WGS84 to SHP. Celková přesnost programů, vyjádřená celkovou střední souřadnicovou chybou je zobrazena v Grafu 1. Chyba ve výšce pak v Grafu 2.
Graf 1: Celková přesnost programů, transformace WGS-84 do S-JTSK
Graf 2: Celková přesnost programů ve výšce, transformace WGS-84 do S-JTSK
Z výsledků je patrné, že program Majster se pro použití V GIS mapování nehodí. Dopadl jednoznačně nejhůř ze všech testovaných programů, celková chyba dosáhla 8,5m. U bodu č.2 dokonce dosahovala chyba 14m. Výsledky u programu WGS-84 to SHP jsou zkreslené díky tomu, že tento program nedokázal šest z desíti bodů vůbec transforformovat. Pokus o transformaci skončil chybovou hláškou, že zadaný bod neleží v České republice. Konkrétně se jednalo o body 1, 5, 6, 7, 9, 10. A ačkoliv z výsledků je patrné, že dosáhl nejlepší přesnosti 0,26m opět není tento program, díky tomuto problému vhodný pro použití v GIS mapování. Zbývající programy byly více méně vyrovnané a všechny celkové souřadnicové chyby se vešly maximálně do 1m, proto jsou vhodné k použití v GIS mapování. V hodnocení odchylky od výšky dopadl nejlépe program WGS84 to SHP, ale i zde byl výsledek zkreslen tím, že program nedokázal transformovat šest bodů.
Z hodnocení byl vyřazen programový prostředek WGS-84, který tuto transformaci nepodporuje. Celková přesnost programů, vyjádřená celkovou střední souřadnicovou chybou je zobrazena v Grafu 3. V Grafu 4 jsou pak hodnoty úhlových sekund přepočteny na metry.
Graf 3: Celková přesnost programů, transformace S-JTSK do WGS-84 v úhlových sekundách
Graf 4: Celková přesnost programů, transformace S-JTSK do WGS-84 v metrech
Stejně jako u transformace ze souřadnicového systému WGS-84 do S-JTSK, tak i zde podal nejhorší výsledek program Majster. Jeho celková souřadnicová chyba činila 6,1m, což byl jasně nejhorší výsledek a opět tento program nelze doporučit pro použití v podmínkách GIS mapování. Nejlepšího výsledku dosáhly shodně programy WGS84 to SHP a ArcGIS 9. U těchto programů činili celková souřadnicová chyba, po převodu z úhlových sekund, přibližně 0,28m. Tentokrát nebyly výsledky u programu WGS84 to SHP nijak zkresleny, program dokázal transformovat šechny souřadnice. Stejně jako tyto programy, tak i zbývající lze doporučit ke GIS mapování, jelikož celková souřadnicová chyba nepřekročila u těchto programů 1m. Hodnocení odchylky od výšky již nebylo vyjádřeno grafem, jelikož šlo zjistit jenom u dvou programů a to Transform 1.0 a WGS84 to SHP. Přesnější transformaci výšky provedl program WGS84 to SHP, kde odchylka činila 0,65m. Transform 1.0 dosáhl odchylky 1,3m.
V porovnání parametrů udávaných výrobcem se nejlépe umístil GPS přijímač Geko 301, zhruba stejných výsledků dosáhly GPS přijímače GeoXT a Fortuna. S malým odstupem zpět se umístil Pretec a na posledním místě Pathfinder. Umístění Pathfinderu na posledním místě bylo částečně způsobeno tím, že nebyly od výrobce získány některé parametry, zejména údaje o přesnosti. Pro porovnání přesnosti a porovnání parametrů na základě měření bylo s GPS přijímači provedeno 40 statických a 36 dynamických měření.
Fortuna - V celkovém hodnocení se tento přijímač umístil na třetím místě. Při hodnocení přesnosti podával tento přístroj rozporuplné výsledky kdy u bodu Na fojtství, kde je volná obloha naměřil chybu i 16m a u bodu U VŠB, který je obklopen zástavbou, dosáhl chybu do 2m. Při dynamických měřeních měl přístroj za horších podmínek a ve ztížených podmínkách problém s určováním polohy a zejména v zástavbě docházelo k chybám. Také docházelo v režimu XT, na rozdíl od režimu ST, k výpadkům měření a výsledné trasy v režimu XT vypadají hůře než trasy pořízené v režimu ST.
Geko 301 - V celkovém hodnocení dopadl tento přístroj na prvním místě. U přesnosti podával vyrovnané výsledky. Při dynamických měřeních podával velmi dobré výsledky a neměl žádné výpadky. Při vizuálním zhodnocení naměřených tras dopadl tento přístroj nejlépe. Dokázal správně určovat polohu i tam, kde ostatní přijímače měli problémy. Což je patrné zejména u trasy v zástavbě.
GeoXT - tento GPS přijímač dosahoval při měření nejhorších výsledků. Velké problémy tomuto přístroji dělaly zhoršené podmínky viditelnosti oblohy. Za horší podmínek v lese nedokázal zaměřit svou polohu. Při měření trasy s volnou oblohou došlo k neočekávanému rozhození výsledku měření. V zástavbě měl tento přístroj velké problémy se zaměřením své polohy. Tyto negativní výsledky mohly být způsobeny tím, že tento přijímač neměřil ve svém nativním prostředí TerraSync přes rozhraní TSIP, ale přes rozhraní NMEA-0183 v prostředí ArcPad.
Pathfinder - handicapem v hodnocení tohoto přístroje bylo to, že s ním nebylo měřeno v programovém prostředku ArcPad a výsledky měření tak nemohly být (kromě přesnosti) porovnány s ostatními přístroji. Tento přijímač dosahoval jasně nejlepších výsledků v přesnosti měření. Pokud tedy bude na institutu geoinformatiky třeba měřit pomocí GPS s vysokou přesností, doporučil bych k měření tento přístroj.
Pretec - tento GPS přijímač se v celkovém hodnocení umístil na druhém místě. Dosahoval výborných výsledků v přesnosti měření a to jak určení polohy, tak i určení výšky. Při dynamických měřeních měl přístroj problémy hlavně za horších podmínek a při špatně viditelné obloze.
Druhá část diplomové práce se zabývala testováním programových prostředků pro transformaci mezi souřadnicovými systémy WGS-84 a S-JTSK. Nejhůř ze všech testovaných programů dopadl Majster, který se díky svým celkovým souřadnicovým chybám ukázal jako nevhodný nástroj pro transformace dat mezi těmito souřadnicovými systémy. Programový prostředek WGS-84 to SHP dosáhl výborné přesnosti, ale doporučit ho lze jenom pro použití při transformacích ze souřadnicového systému S-JTSK do WGS-84, při opačné transformaci měl program problém v transformaci, neboť některé souřadnice odmítl transformovat. Z testování dále vyplynulo, že všechny ostatní programy lze plně doporučit pro provádění transformací mezi těmito souřadnicovými systémy. Výsledné souřadnicové chyby byly vždy maximálně do 1m a mnohdy i menší jako například programový prostředek ArcGIS 9, který dosáhl vynikajících výsledků u obou druhů transformací.