Postprocessing v mobilnim mapovani krajiny

V rámci bakalářské práce bylo využito prostředí několika operačních systémů, nejvíce desktopového Windows XP a mobilního Windows Mobile 5. Mezi nástroje pro sběr dat běžící v prostředí Windows Mobile patří program ArcPad v7.1.1 s extenzí Trimble GPScorrect extension v2.42 a TerraSync software v3.30. Oba tyto programy běží i v desktopovém prostředí. Přípravu projektu a samotný postprocessing zajistily následující programy: GPS Pathfinder Office software v4.10 a ArcGIS Desktop 9.3 s extenzí Trimble GPS Analyst extension v2.10. Verze jsou aktuální ke dni zadání práce.

4.1. Metody

Tvorba práce se skládá z několika rozdílných metodických částí. První je literární rešerše, během níž došlo k vyhledání dostupných knižních i internetových zdrojů. Dalším krokem bylo testování všech programů v desktopovém prostředí a následné praktické ověření a testování v terénu na lokalitě Park před kolejemi Šmeralova (viz mapa). Práce probíhaly v několika termínech od 11. února 2009 do 5. května 2009, aby mohly být během programy opakování důkladně otestovány. Přesnost naměřených GPS dat byla porovnána s DTM města Olomouce (zapůjčeno KGI). Testování probíhalo na bodech (stromy, lavičky, značky), liniích (keře, cesty) a polygonech (hřiště). Následoval proces porovnání testovaných software a tvorba srovnávací tabulky. Závěry se nacházejí v kapitole Výsledky.


Obr. 3: Logo společnosti Trimble

4.2. Hardware

Kvůli omezené podpoře přijímačů GPS signálu (viz níže, tab. 1 a tab. 2) bylo potřeba vybrat vhodný přístroj. Nejlépe zadaným požadavkům vyhovoval Trimble Recon zapůjčený katedrou.
Trimble Recon
Tento přístroj běžící na platformě Windows Mobile ve verzi 5.0 (Premium Edition) má následující parametry: CPU s taktem 200 MHz nebo 400 MHz Intel PXA255 XScale® procesor, paměť RAM 64 MB SDRAM, paměť ROM 128 nebo 256 MB, rozlišení displeje 240 x 320 pixelů (QVGA) s kapacitou dobíjecí baterie 3800 mAh, NiMH zajišťující výdrž až 15 hodin nepřetržité práce v pokojové teplotě s implicitním nastavením a bez rádia s dobou nabíjení 12 hodin. Rozšiřující porty: RS-232 sériový (9-pin) a USB klient, Volitelné dva CF sloty - Typ I a Typ II. Pro bezdrátové připojení je k dispozici vestavěný Bluetooth a 802.11g (WLAN) (32).
GPS Pathfinder XC receiver
Jedná se o přídavný GPS přijímač a anténu, který se zasune přímo do těla přístroje, ze kterého je i napájen. Uváděná přesnost při postprocessing je 2-5 metrů. Podporuje dvanácti kanálový příjem (pouze L1) ze satelitního systému GPS/NAVSTAR. Uváděný TFF (Time to First Fix) je 40 sekund a podporuje následující protokoly:
SiRF
NMEA v2.20
Čerpáno a více detailů na stránkách Trimble(27).


Obr. 4 Trimble Recon s vyjmutou anténou GPS Pathfinder XC receiver

4.3. Programy pro práci v terénu

Tyto programy umožňují sběr GPS dat v terénu za použití mobilního zařízení (pojem 'mobilní zařízení' má pro potřeby této práce význam zařízení, které lze reálně použít pro mapování v terénu. Od specializovaných zařízení společnosti Trimble až po různá mobilní zařízení, jakým je mobilní telefon, Pocket PC, UMPC, netbook, notebook či tablet) s desktopovou i mobilní verzí Windows. Oba programy vyžadují pro svou práci speciální GPS přijímače od společnosti Trimble.

TerraSync Software
Jedná se o výkonný terénní software navržený pro rychlý a účinný sběr a správu dat. Hlavní předností je snadná GPS kontrola kvality polohových dat. Grafická navigace a real-time překreslování mapy. Obsahuje inteligentní prvky pro snadný sběr a správu dat. Trimble software distribuuje ve dvou licenčních verzích. TerraSync Standard pro sběr dat a TerraSync Professional, který přidává i možnost správy dat. Další informace na stránkách výrobce(29).


Obr. 5: Prostředí aplikace TerraSync

Software podporuje zobrazení rastrových dat ve formátech Windows bitmap (.bmp), JPEG (.jpg), MrSID (.sid), TIFF (.tif), JPEG 2000 (.jp2, .j2c) a Enhanced Compression Wavelet (.evc). Jako podkladovou mapu lze použít i vektorová data v Trimble SSF format (.ssf, .cor, .imp) a ESRI Shapefile (.shp). Aplikace dále umožňuje přímý import vektorových dat a následnou konverzi do datových knihoven, či pro použití jako mapový podklad. Samozřejmostí je i podpora několika desítek souřadných systémů včetně S-JTSK, ale i možnost tvorby vlastních. Nezapomnělo se ani na podporu digitalizace prvků z map a možnost výběru navigačního cíle přímo z mapy. Užitečnou funkcí je podpora oboustranného přenosu dat e-mailem včetně souborů ve formátu SSF nebo Shapefile přímo z terénu. Podporuje multimediální atributy prvků, jako je zvuk nebo fotografie. Z pokročilých funkcí stojí za zmínku zaměřování bodových prvků v rámci liniových, průměrování poloh pro přesné určení lomových liniových bodů, linie s lomovými body (vertexy), odsazení liniových i bodových prvků nebo schopnost konstrukce prvků v místech nedosažitelných signálem GPS. TerraSync umožňuje také práci laserovými dálkoměry, hledačkami podzemního vedení a dalšími elektronickými zařízeními. Podstatnou funkcí je možnost zpracování DGPS korekcí ať již v reálném čase tak i při postprocessingu.

Tab. 1: Podporovaný hardware programem TerraSync(29)


Trimble® GPScorrect(TM) extension pro ESRI ArcPad software
GPScorrect software je nadstavba pro mobilní GIS společnosti ESRI ArcPad, jejíž hlavní funkcí je ukládání naměřených dat ve formátu umožňujícím postprocessing. Díky speciálnímu nastavení GPS přijímače není problém zpracování DGPS korekcí. Hladká integrace do ESRI ArcPad umožňuje kvalitní sběr dat včetně offsetového sběru (způsob sbírání dat z předem definované vzdálenosti, používá se v místech, kam se nelze dostat s GPS anténou přímo) i použití laserového zaměřovače. Umožňuje plánování misí a zvýšit tak produktivitu terénní práce. Program také poskytuje detailní možnost nastavení GPS, grafický ukazatel i přehledné informace o družicích. Více informací u výrobce(31).

Tab. 2: Podporovaný hardware programem GPScorrect(31)


Oficiální požadovaná konfigurace přenosného počítače s Windows Mobile (v závorce pro Windows) je shodná pro oba výše uvedené programy:
Operační systém: Windows Mobile® 5.0 software nebo Windows Mobile 6 (Windows 2000, Windows XP, Windows Vista)
Typ procesoru: ARM nebo XScale (Intel Pentium CPU)
Rychlost procesoru: 200 (500) MHz nebo rychlejší
Paměť: 32 (64) MB RAM, nejméně 8 MB volné paměti ROM
Displej: Barevný dotykový displej (240 x 320 pixelů nebo větší)


Obr. 6 Prostředí aplikace ArcPad 7.1.1

4.4. Programy pro postprocessing

Jedná se o aplikace umožňující zpracování GIS dat a jejich následné zpřesnění pomocí korekčních dat. GIS data lze exportovat a importovat do mnoha formátů.
GPS Pathfinder Office software
Mezi hlavní vlastnosti patří diferenční korekce zlepšující kvalitu dat GPS. Podporuje H-Star technologii(28), kterou musí rovněž podporovat přijímač. Jedná se o novou technologii pro přesné měření v terénu. Pro dosažení nejvyšší přesnosti kombinuje Trimble H-Star technologie výhody konstrukce GPS přijímačů a pokročilého terénního a zpracovatelského softwaru. Při práci v reálném čase přijímají Trimble H-Star systémy GPS korekce z VRS sítí nebo jednotlivých dvoufrekvenčních referenčních stanic a dosahují tak potřebnou přesnost okamžitě. GPS Pathfinder importuje a exportuje data v mnoha GIS formátech. Provádí kvalitní kontrolu dat před převodem do GISu. Celkově program zajišťuje konsistenci, spolehlivost a přesnost dat. Další informace na stránkách společnosti Trimble(26).


Obr. 7 Aplikace GPS Pathfinder Office

Tento program byl primárně vyvinut pro přípravu dat pro práci v terénu se softwarem TerraSync, ale lze jej požít v kombinaci s libovolným programem pro mapování. Lze vytvářet a zpracovávat celé projekty, od plánování, importu dat přes editaci, diferenční zpřesnění po export výsledků. Data lze oboustranně přenášet do mobilního (TerraSync, ArcPad) i desktopového (Kristýna GIS, ArcGIS Desktop) GIS. Umožňuje tvorbu i editaci datových knihoven, pro efektivnější práci v terénu. Lze použít desítky přednastavených a rovněž uživatelem definovaných souřadnicových systémů. Data lze importovat i exportovat v řadě formátů (GIS, CAD, ASCII). K dispozici je i řada utilit. Například pro dávkové zpracování, plánování měření, editaci dat, převod dat do formátu RINEX a spojování souborů. Podporuje IMS, práci s rastrovými (JPEG, …) i vektorovými daty, které je možné využít i jako podkladové vrstvy. Důležitou funkcí je možnost práce s diferenčními korekcemi a díky tomu dosahovat až centimetrové přesnosti, v závislosti na použitém přijímači GPS. Tyto korekce umí program automaticky vyhledávat pomocí internetu a v závislosti na vzdálenostech referenčních stanic. Stejně jako GPS Analyst si poradí s daty ve formátech DAT, SSF, RINEX i HATANAKA (komprimovaný RINEX). Inteligentní zpracování dat je označení schopnosti rozpoznat kvalitu dat a jejich optimalizaci pro dosažení maximální přesnosti. Stejné nastavení pro sběr dat lze nastavit i na více terénních počítačů.
Trimble® GPS Analyst extension pro ESRI ArcGIS Desktop software
Tento program optimalizuje pracovní tok mezi kanceláří a terénem. Dokáže pracovat s GPS daty přímo v geodatabázi. Rovněž umí používat diferenční korekce ke zpřesnění dat GPS i H-Star technologii. Ukládá detailní informace o kvalitě dat GPS. Další podrobné údaje lze nalézt na stránkách společnosti Trimble(30).


Obr. 8 Program AcrGIS Desktop s extenzí Trimble GPS Analyst

GPS Analyst software je další nadstavba od společnosti Trimble, tentokráte určená pro desktopový ESRI ArcGIS software (verze 8.3, 9.0 a vyšší). Umožňuje pracovat s GPS daty přímo v prostředí GIS. Prohlížet, editovat a diferenčně zpřesňovat lze přímo importovaná GPS data. Tato data můžeme zobrazit s dalšími vrstvami v GIS. Extenze umožňuje vytvářet vlastní postupy zpracování GPS dat. Jedná se o jediný software, který umožňuje data zpřesňovat pomocí DGPS korekcí přímo v ArcGIS. Například u kvalitního Trimble GPS přijímače lze zvýšit přesnost z 10 m na 0,5 m. Přesnost lze kontrolovat pomocí nástroje pro analýzu kvality určení souřadnic. Detailní informace o přesnosti každého prvku určeného pomocí GPS jsou ukládány do databáze. Jelikož není GPS Analyst samostatný program, nýbrž nadstavbou pro ArcGIS, odpadají veškeré datové konverze a exporty dat. Při použití ESRI ArcPad s nadstavbou Trimble GPScorrect pro sběr dat v terénu, můžeme GPS data obousměrně převádět přímo do geodatabáze. GPS Analyst podporuje i práci s daty z Trimble TerraSync (formát SSF), případně jiného softwaru vyvinutého pomocí Pathfinder Tools software development kit (SDK). Například s netbookem, lze provádět měření v terénu přímo s ArcGIS. Díky této integraci, lze pro další úpravu a analýzu dat využívat veškeré dostupné nástroje programu ArcGIS včetně extenzí.
Typická neopravená přesnost pro GPS přijímače je kolem 10 metrů. Následující tabulka (tab. 3) zobrazuje přesnost diferenčně opravených dat u podporovaných přijímačů pro oba programy (GPS Analyst a GPS Pathfinder Office):

Tab. 3 Přesnost GPS dat po korekci u podporovaných přijímačů(30)


4.5. Ostatní programy

Hlavní programy pro spouštění extenzí.
ESRI ArcGIS Desktop
ArcInfo od společnosti ESRI je kompletní desktopový GIS v nejvyšší licenci. Minimální požadavky jsou Windows 2000, Windows XP nebo Windows Vista, 1 GB RAM a procesor o taktu minimálně 1,6 GHz. Obsahuje v sobě veškerou funkcionalitu z nižších licenčních úrovní. Nejníže se nachází ArcView, který tvoří čtyři aplikace: ArcMap, ArcCatalog, ModelBuilder a okno ArcToolbox. Umožňuje interaktivní tvorbu map zahrnující práci s vektorovými i rastrovými vrstvami i popisky. Umí navrhnout a vytvořit finální mapu včetně legendy a měřítka, generovat grafické metasoubory a tisk map velkých formátů. Druhým stupněm je ArcEditor, který k funkcionalitě ArcView přidává hlavně tvorbu a správu všech typů geodatabází. ArcInfo navíc systém doplňuje o pokročilé prostorové analýzy a modelování, rozšířená správa databází, kartografické nástroje na vysoké úrovni a již v základu obsahuje velké množství extenzí. Více na stránkách výrobce(4),(5),(7),(10) a distributora(1).
ESRI ArcPad
ArcPad je software firmy ESRI určený k mapování v terénu, kde poskytuje přístup do databází, nástroje pro mapování, GIS a integraci GPS. Samozřejmostí je podpora rastrových i vektorových dat ve standardních formátech. Dále nástroje pro práci s mapou, posun, přiblížení, oddálení a vycentrování podle aktuální pozice GPS. Na mapě lze i měřit a to jak vzdálenost, tak plochu, či směr a pomocí GPS se lze i navigovat. Editace a tvorba prostorových dat je možná pomocí myši, pera nebo GPS. Samotná editace geodatabáze umožňuje vykopírování části geodatabáze, konverzi a transformaci dat pomocí ArcGIS, editaci dat v terénu pomocí programu ArcPad a zanesení změn zpět do centrální databáze GIS. ArcPad nám může posloužit i jako klient ArcIMS pro přístup k datům pomocí bezdrátové technologie. Užitečná je i možnost tvorby aplikací pro urychlení prací v terénu. Podporuje zařízení s integrovaným i externím GPS modulem běžících na operačním systému Windows. Dále na stránkách ESRI(6).


Obr. 9 Logo společnosti ESRI