Современные методы навигации в экологическом картографировании

Информацию о местоположении спутников GPS приемники получают из передаваемых в навигационных сообщений данных альманаха и эфемерид. Альманах содержит информацию о расположение спутников «на небе», что позволяет при очередном включении GPS прибора значительно сузить секторы поиска навигационного сигнала и уменьшить время его «захвата». Точные координаты спутников вычисляются на основании данных эфемерид. В отличие от альманаха, спутник передает только данные «своих» эфемерид, поэтому для его использования в подсчете позиции, GPS приемник должен получить полное навигационное сообщение. Ошибки передачи, связанные с «плохими» окружающими условиями, могут существенно увеличить время фиксации позиции. Наличие в памяти данных альманаха и эфемерид позволяет GPS приемнику определять позицию за 1-2 секунды. Этот режим называется «горячим» стартом  Геометрический фактор определяет относительное расположение GPS приемника и спутников, используемых в подсчете позиции. Его величина влияет на точность определения позиции. Если все спутники расположены в одном направлении от GPS приемника, то площадь пересечения всех окружностей будет достаточно большой. Эта площадь характеризует величину неопределенности измерений, влияющих на точность подсчета позиции.

В случае, когда спутники расположены «вокруг» GPS приемника, область пересечений окружностей и соответственно величина неопределенностей уменьшаются.

III. Практическая часть

1. Методика выполнения работы

Выбор места исследования.

Съёмка местности производилась на территории подгорного корпуса ТГСПА им. Менделеева. При съемке ситуации и рельефа выбор местоположения пикета определялся, исходя из требований получения максимально полной информации о местности. Для проведения съёмки использовался  GPS навигатор garmin csx60. Съёмка проводилась в соответствии с инструкцией по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутников систем и GPS.

Выполнение необходимых измерений.

Для получения координат приёмник устанавливается неподвижно над определяемой точкой и ставится метка. Координаты данной метки сохраняются в приёмнике. Одновременно с получением координат с помощью термогигрометр были замерены показатели температуры и влажности в определяемых точках. Всего нами было выставлено 24 точки. Подробность карты зависит от количества выставленных точек.

Цифровая обработка полученных данных.

Поскольку в приборы Garmin можно «залить»  не всякие карты, а только векторные и только хранящиеся в определённом формате, остро стояла необходимость создания векторной карты исследуемой местности.  Основой для векторной карты служат космоснимки в растровом формате, полученные в программе «google планета земля» в масштабе 1: 3000. Склейка карт производилась в программе Adobe Photoshop Cs5.

Затем в программе  coreldraw x3 данная карта была обработана с нанесением основных объектов (зданий, автодорог) и были нанесены координаты точек. Координаты были получены из программы mapsource, которая является необходимым программным обеспечением для garmin. Точки с приблизительно равными значениями были соединены изолиниями. Была создана легенда карты и нанесён масштаб. Тем самым мы получили векторную экологическую карту методом GPS навигации.

2. Особенности GPS в целях картографии рельефа и ситуации

Основным режимом сбора данных для всех GPS съемок является наблюдение базовых линий (векторов).

     Съёмка проводилась в соответствии с инструкцией по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутников систем ГЛОНАСС и GPS.

      При съемке ситуации и рельефа выбор местоположения пикета определялся, исходя из требований получения максимально полной информации о местности.

      Во многих случаях проведения наземных съемочных работ, особенно в черте городов и промышленных объектов, имеющих высокие (более 3 м) сооружения и растительность, эти требования вступают в противоречие с требованиями обеспечения возможности беспрепятственного проведения спутниковых наблюдений. Высокие здания, сооружения, высокая густая растительность являются препятствиями для прохождения радиосигнала и поэтому не допускают возможности проведения спутниковых наблюдений.

      Целесообразно проводить съёмочные работы там, где имеющиеся на местности естественные и искусственно созданные объекты позволяют производить съемочные работы, используя спутниковые определения. В нашем случае это территория подгорного корпуса ТГСПА им. Менделеева.

      При съемке ситуации и рельефа с применением спутниковой технологии геодезические сети сгущения и съемочное обоснование  создавалось без использования  имеющихся государственных геодезических сетей.

      Координаты и высоты пунктов съемочного обоснования вычисляют в принятой в Российской Федерации государственной геодезической системе координат и в Балтийской системе высот 1977года. Какие-либо другие системы координат и высот могут быть применены только по согласованию с органами государственного геодезического надзора при наличии технико-экономического обоснования, учитывающего перспективы развития данного района.
          
     

GPS карты для навигаторов Garmin

Растровые GPS карты являются близким компьютерным аналогом обычных бумажных карт. Не трудно понять, что высококачественная полиграфия позволяет создавать очень чёткие и многоцветные изображения. Однако их перевод в «цифровую» компьютерную форму всегда связан с определённой потерей этих качеств. Конечно, можно сделать это и без значительного ухудшения, но при этом размер файла с изображением карты окажется значительным и отображение карты потребует слишком много вычислительных ресурсов.

Растровое изображение в компьютерной форме - это набор точек, составляющих видимую часть экрана. Причём для каждой точки (пикселя) имеется набор характеристик - место, размер, яркость, цвет и т.п. Соответственно - картинка тем лучше, чем более мелкие точки её составляют. А чем меньше относительный размер пикселя, тем для той же картинки их нужно больше.

Для хранения растровых изображений в компьютере существуют специальные форматы (bmp, tif, gif, png и т.п.). Некоторые из них подразумевают компрессию данных (например - jpg), что позволяет уменьшать размеры конечного файла, но требует большей суеты для его вывода на экран. Однако - главная проблема остаётся. Если в случае с очень хорошей бумажной картой для изучения мелких деталей можно использовать сильные очки или даже лупу, то увеличение электронной картинки разумного размера приведёт к вырождению изображения в набор разноцветных квадратов.

В тоже время создание растрового изображения карты является в ряде случаев очень несложной задачей - бумажный первоисточник можно отсканировать или просто сфотографировать цифровым аппаратом. В любом случае, следует понимать, что растровое изображение GPS карты для навигатора - это всегда компромисс между качеством и размером.

Существуют специальные программы, которые позволяют работать с такими файлами именно как с картами, а не как с абстрактными изображениями. Растровые карты всегда требуют ручной или полуавтоматической привязки, то есть указания в том или ином виде соответствия между координатами точки на листе и координатами соответствующей ей точки на местности. Информация о привязке может быть включена в файл или храниться отдельно, но она при использовании таких программ есть всегда.

Векторное изображение GPS карты, в отличии от растрового изображения, формируется не в виде набора элементарных пикселей, а в виде совокупности некоторых объектов - точек, прямых линий, ломаных и кривых линий. Для их описания используется способ, который сводится к набору математических формул. Например, для отрисовки на экране некоторой линии, соединяющей углы экрана по диагонали достаточно задать координаты её начала и конца, толщину и цвет. В том случае, если она отличается от прямой - добавляется информация, описывающая её форму.

Из сказанного должно быть понятно, что такое описание изображения карты для навигатора содержит существенно меньший объём данных по сравнению с растровой картой - там приходится составлять полный перечень пикселей со всеми характеристиками. Несколько упрощая, можно утверждать, что не очень сложное векторное изображение по сравнению с аналогичным растровым позволяет получить экономию в размере файла до нескольких сотен раз.

Однако достоинства векторного представления элементов или составляющих изображения не ограничиваются сказанным. Как правило, векторные редакторы позволяют в автоматизированном режиме не только описать отдельные элементы, но и назначить им ряд дополнительных свойств, например - выбрать масштабы, при которых данный элемент перестаёт отображаться на экране. Данное свойство является более чем полезным - уменьшение масштаба может приводить к полной потере качества, так как толщина линий остаётся постоянной. Но дело не только в этом - в зависимости от масштаба можно функционально менять характер изображения карты для навигатора - пошагово переходя, например, от обзорной GPS карты населённых пунктов и магистралей к планам отдельных городов с улицами и просёлочными дорогами.

Помимо задания режимов отображения, некоторые векторные редакторы позволяют дополнить описание объёктов и более детальной информацией - вплоть до адресов и телефонов. Эта дополнительная информация образует некоторую базу данных, которая может использоваться и в качестве справочников с той или иной степенью автоматизации поисковых операций.

Заканчивая описание векторных вариантов карт, следует отметить, что большинство GPS навигаторов с поддержкой картографии работают исключительно с векторными картами, специально разрабатываемыми фирмами производителями. А также то, что векторные GPS карты могут быть достаточно просто преобразованы в растровые. А вот обратный процесс автоматизации поддаётся с трудом и, несомненно, требует творческого подхода.

Векторные карты позволяют реализовать многие технологии, крайне трудно реализуемые для растровых карт, в частности:

* изменение подробности отображаемой карты в зависимости от масштаба изображения. Растровую карту можно только механически растягивать и сжимать;

* сохранение размера условных знаков независимо от масштаба, что обеспечивает хорошую читаемость любого фрагмента карты;

* возможность выделения объектов и выполнения некоторых операций для объектов (например, определение азимута на определённый объект);

* возможность поиска объекта по названию;

В приборы Garmin можно «залить» не всякие карты, а только векторные и только хранящиеся в определённом формате. Файлы с этими картами имеют расширение IMG.

«Заливка» карт в навигатор.

Широко распространены две программы, предназначенные для заливания карт в прибор. Каждая программа имеет ряд преимуществ и недостатков.

MapSource - фирменная программа, или, точнее, система, позволяющая систематизировать векторные карты, просматривать их и заливать в прибор выбранный набор карт.

* Плюсы: при наличии большого количества карт удобна возможностью их быстрого выбора. Правильно подготовленные карты легко добавляются в архив.

* Минусы: программа не может залить в прибор произвольно взятый IMG файл. Добавление такого файла вручную возможно, но представляет собой не совсем тривиальную операцию.

SendMap - это независимая бесплатная программа, заливающая карты в прибор без возможности просмотра.

* Плюсы: эта программа - самый быстрый и простой вариант, если вам нужно залить в прибор несколько файлов, причём вы точно знаете, какие именно. Никакой дополнительной подготовки не требуется, просто выбираете IMG-файлы и нажимаете кнопку Send.

* Минусы: для просмотра и выбора листов карт придётся воспользоваться другой программой, например, MapEdit. Бесплатная версия SendMap не умеет работать с защищёнными (залоченными) картами (см. ниже).

Для карт горных районов, которые, чаще всего, не подготовлены для использования с MapSource, обычно используют SendMap.

Независимо от применяемой программы, есть ряд особенностей в процессе заливки. При заливке карт в устройство все карты, залитые в него до этого, стираются. То есть нельзя добавить карту в прибор в дополнение к уже залитым, набор карт должен заливаться за один раз. Объясняется это особенностями системы хранения карт внутри прибора.

Также, независимо от применяемой программы, необходимо обеспечить связь прибора с компьютером. Для приборов с COM-портом достаточно подключить прибор к компьютеру кабелем, для приборов с USB должен быть установлен драйвер.

Заключение.

В результате данной работы была создана демонстрационная карта местности. Проработаны методики съёмки с помощью GPS и обработке в  картографии и выявлен ряд преимуществ данной съёмки. GPS съёмку можно и нужно использовать в целях картографирования ввиду широкого распространения и развития ГИС технологий. Данный вид съёмок имеет большой потенциал и способен составлять конкуренцию геодезической съёмке. Полученные карты могут использоваться в целях комплексного экологического изучения экосистем.

В сравнении с геодезическими методами съёмки GPS съёмка имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимущества методов GPS съёмки заключаются в: