headerphoto

Cvičení 5: Diferenční technika s post-processingem

V tomto cvičení se naučíte mapovat pomocí diferenční techniky s post-processingem, tedy nejprve realizujete sběr dat v terénu zahrnující uložení surových observací ke družicím a následně jejich zpracování s cílem zvýšit přesnost určení polohy mapovaných objektů.

Zadání

Realizujte mapování vybraných plošných geoprvků v areálu VŠB-TUO s využitím diferenční techniky GNSS.

Soubory pro cvičení

  • archív PP_Base.zip - obsahuje cvičná data referenční stanice VSBO ve formátu RINEX.
  • archív PP_Base.zip - obsahuje naměřená cvičná data v podobě datového souboru ssf vytvořeného v aplikaci TerraSync
  • Protokol-cast-A.doc – formulář protokolu pro zápis obecných parametrů měření
  • readme.txt – návod pro vytvoření varianty EastNorth pro souřadnicový systém S-JTSK v software GPS Pathfinder Office

Cíle cvičení

  • porozumět charakteristikám diferenční techniky GNSS s post-processingem a naučit se ji používat při sběru dat v terénu
  • Obeznámit se se zařízením Trimble Juno 3d při práci v kombinaci s přijímačem Trimble Pro 6T
  • Vyzkoušet si konfiguraci TerraSync pro režim měření post-processing DGPS
  • Naučit se post-processing v prostředí GPS Pathfinder Office

Úkoly

  1. Sestavit dictionary file s datovým slovníkem v prostředí Data Dictionary Editor
  2. Vytvořit a nastavit projekt v prostředí TerraSync
  3. Provést cvičné mapování sady bodů
  4. Provést post-processing měřených bodů v aplikaci GPS Pathfinder Office, včetně exportu výsledků do formátu ESRI shapefile

Obsah cvičení

Základy diferenční techniky GNSS s post-processingem

Differential GPS/GNSS je metoda pro zpřesnování polohy určené s pomocí navigačních družic. V rámci cvičení budete používat metodu založenou na opravě kódových měření s použitím post-processingu. Metoda vychází z vysoké časoprostorové korelace faktorů působících na správné určení pseudovzdáleností, kterými jsou zatížena dvě v prostoru a čase blízká měření.

Metoda vyžaduje

  • Měření dvou GPS aparatur: statická aparatura na bodě o známých souřadnicích je označována jako Base nebo referenční stanice (angl. Reference Station). Druhá aparatura, pohybující se v terénu, jejíž poloha je opravována pomocí referenčních měření, je označována jako Rover.
  • Měření na obou přijímačích je prováděno ve stejném čase. Data base musí vždy pokrývat celý časový interval měření Rover. Base musí mít stejné nebo hustší vzorkování časových intervalů pozorování než Rover.
  • Aplikaci pro dodatečné vyhodnocení obou měření.

Výhody a nedostatky PP DGPS(DGNSS)

  • Protože je měření prováděno na bázi kódových měření, je možné používat krátké doby observace i v rozsahu jedné epochy.
  • Nižší přesnost měření. Zpravidla není horizontální přesnost lepší než 50 cm.
  • Při realizaci této metody v reálném čase (RT DGPS, RT GNSS) je měření mnohem méně citlivé na ztrátu signálů vlivem okolního prostředím. Lépe řečeno po zrátě signálů, k minimálně 4 družicím společným mezi referenční stanici (Base) a Rover a jeho opětovném získání, je množné relativně rychle měřit s opravami (srovnáváno s RTK, kde zahájení měření zpomaluje řešení ambiguit). Vyplývá z toho vyšší produktivita práce než při použití fázových měření při stížených podmínkách měření vlivem prostředí.

Popis zařízení pro cvičení

Přístroj Trimble Pro 6T patří podle klasifikace použité v přednáškách k tomuto předmětu do střední třídy tzv. GIS GPS přístrojů. Pro tuto třídu je charakteristické:

  • Jednofrekvenční kódová měření, popřípadě jednofrekvenční fázová měření (verze Pro 6H).
  • Metody zpřesnění polohy (průměrování, SBAS, Real-time DGPS, PP DGPS).
  • Submetrová přesnost určení polohy.
  • Podporované protokoly a formáty NMEA 0183, RTCM-SC104, +CMR/CMR, RINEX a další

Trimble Pro6T

Obr. 1: Zařízení Pro 6T. Zdroj: Trimble, Inc.

Zařízení se kterým budete pracovat na cvičení je licencováno:

  • L1 kódová a fázová měření
  • GPS
  • PP DGPS, Real-time DGPS, PP Static (fázová) a PP Kinematic (fázová)

Jelikož zařízení Pro 6T slouží pouze jako externí přijímač s anténou, budete potřebovat jiné zařízení, ve kterém budete samotné měření realizovat a ovládat práci externího přijímače. Tím bude zařízení Juno 3d využívající software TerraSync. Tato dvě zařízení spolu komunikují prostřednictvím technologie bluetooth.

Osnova provedení měření metodou PP DGPS/PP DGNSS

  1. Spuštění Data Dictionary Editor, vytvoření nové třídy geoprvků pro mapování a definování atributů včetně integritních omezení apod. - výsledkem je Data Dictionary soubor s příponou ddf
  2. Automatizované přenesení vytvořeného ddf souboru do zařízení Trimble Juno 3d s využitím nástroje Data Transfer
  3. Nastavení zakázky měření a vytvoření nového datového souboru pro měření v prostředí TerraSync, propojení zařízení Juno 3d s externím přijímačem Pro 6T s využitím technologie bluetooth
  4. Změření požadovaných geoprvků v terénu včetně vyplnění atributů - jednotlivé body observovat alespoň po 30 sekund!
  5. Automatizované přenesení datového souboru s měřeními (přípona ssf) ze zařízení Trimble Juno 3d do počítače s využitím nástroje Data Transfer
  6. Stažení dat ve formátu tps z referenční stanice vsbo, konverze souborů z formátu tps do formátu RINEX pomocí utility tps2rin.exe (práce v příkazovém řádku)
  7. Provedení Post-processingu měření v aplikaci GPS Pathfinder Office pomocí nástroje Differential Correction
  8. Kontrola a zhodnocení výsledků
  9. Export výsledků opravených geoprkvů do formátu ESRI Shapefile, definice souřadnicového systému přiřazením souboru .prj

Příprava a realizace mapování v terénu

Prvním krokem je vytvoření souboru Data Dictionary s realizací datového slovníku v prostředí aplikace Data Dictionary Editor. Nejprve založte nový soubor (New Feature) a jemu přiřaďte požadované atributy. U každého atributu vybíráte nejprve datový typ a následně nastavujete podrobné chování (integritní omezení, defaultní hodnotu, povinnosti vyplňování, atd.). Poté, co vytvoříte všechny požadované atributy, uložte si soubor s vytvořenou knihovnou na pevný disk (ddf soubor).

Připojte k počítači zařízení Trimble Juno 3d a pomocí aplikace Data Transfer přeneste vytvořený soubor s knihovnou do připojeného zařízení - přiřadíte jej později datové vrstvě s měřeními. Stejným způsobem lze do zařízení přenést i rastrové či vektorové (shp) podkladové vrstvy.

Odpojte zařízení Juno 3d od počítače a zapněte v něm aplikaci Terra Sync ve verzi Professional Edition, ve které budete realizovat samotné měření. Vlevo nahoře je rozbalovací seznam se základní nabídkou.

V nabídce Nastavení máte vpravo nahoře tlačítko GNSS, kterým se připojíte k externímu přijímači Pro 6T (každá sada Juno 3d x Pro 6T je pro účely cvičení dopředu spárovaná, aby pracovala společně - obecně je však samozřejmě možné využít jakoukoliv kombinaci zařízení Juno + Pro 6T, pokud tato dvě zařízení spárujete v Bluetooth manažeru operačního systému zařízení Juno). K připojení k Pro 6T je také možno využít nabídku Volby/Připojit k GNSS. V zobrazeném rozbalovacím seznamu je také nabídka pro Reset GNSS přijímače pro případ problémů s připojením k němu.

V záložce Nastavení GNSS můžete volit parametry měření z pohledu jeho přesnosti = PDOP, atd. Zkontrolujte v záložce Souř. systém, že máte vybráno Czech Republic v zóně Krovak1 a Vztažnou plochu výšek na hodnotu Nadmořská výška (MSL).

V základní nabídce Stav si můžete nechat zobrazit informace o aktuálním počtu viditelných družic, parametry kvality měření, atd. V nabídce Mapa/Vrstvy/Soubory pozadí můžete aktivovat zobrazování vrstev pozadí, které jste si dříve do zařízení nakopírovali. Všechny vektorové vrstvy sloužící jako pozadí budou využívat jednu stejnou barvu pro symbologii - lze ji změnit v nastavení Vrstvy/Formátování vrstev.

Přepněte se do základní nabídky Data, kde budete vyzváni k vytvoření nového datového souboru (či vybrání souboru již existujícího). Vyberte typ souboru Rover, soubor vhodně pojmenujte a zvolte Vaši knihovnu vytvořenou a nakopírovanou do zařízení v kroku popsaném výše. V dalším okně jste vyzváni nastavit výšku antény (dle výšky aktuálního vysunutí výtyčky s přijímačem), typem antény je Pro 6T Internal. Potvrzením tohoto okna dojde k vytvoření datového souboru a můžete začít měřit jednotlivé geoprvky. V pravé horní části okna se zobrazují informace o počtu měření bodu - pro zdárné provedení Post-Processingu proveďte na každém bodě měření o délce alespoň 30 sekund! Během měření polohy bodu, kdy neměníte svoji pozici, jste taktéž vyzváni k vyplnění atributů.

Postup při měření polygonů
Pokud je Vaším cílem tvorba polygonových geoprvků tvořených jednotlivými lomovými body, jejichž polohu budete chtít opravit post-processingem, je potřeba postupovat takto:

  1. před začátkem měření v záložce Nastavení/Nastavení záznamu zvolte "Potvrdit konec prvku: Ano"
  2. po vytvoření nového datového souboru před samotným měřením prvního polygonu vyberte vpravo nahoře v nabídce Volby položku "Záznam později"
  3. následně se postavte na první bod polygonu, který chcete měřit, stiskněte "velké tlačítko" pro měření geoprvku a bude se Vám zobrazovat tabulka se všemi atributy pro parkoviště
  4. pro měření jednotlivých lomových bodů polygonu vyberte vpravo nahoře z nabídky Volby možnost "Nový lomový bod". Tímto krokem se začne observovat místo, kde stojíte za cílem zaměření polohy daného lomového bodu. Po dostatečné době observování (ideálně >= 30 s) stiskněte tlačítko Hotovo a přesuňte se na další lomový bod. Zde opět vyberte možnost "Nový lomový bod" a postupujte stejným způsobem
  5. až zaměříte všechny lomové body polygonu (pokud se jedná o obdélník, musíte zaměřit 4 body, atd.), vyplňte atributovou tabulku pro vzniklé parkoviště a potvrďte tlačítkem "Hotovo"
  6. opakujte kroky 3 - 5 pro zaměření všech požadovaných polygonů

Tímto způsobem změříte všechny požadované geoprvky. Jejich polohu si můžete zobrazit v základní nabídce Mapa. Po dokončení měření odpojte externí GNSS přijímač (Nastavení/Volby/Odpojit GNSS) a vypněte aplikaci Terra Sync.

Post-processing naměřených dat v GPS Pathfinder Office

Minimálním požadavkem pro následný post-processing jsou tyto vstupy:

  1. Surová data z ROVER GNSS přístroje -> data jste získali z měření (můžete použít i cvičná data z archivu **PP_Rover.zip**).
  2. Surová data z referenční stanice nebo BASE -> data musíte nalézt v **ftp archivu referenční stanice VSBO**.
  3. Data Referenční stanice (BASE) a ROVER musí pokrývat shodný časový interval.

Poznámka: surová data z referenční stanice jsou vždy v časovém pásmu UTC, území ČR je v časovém pásmu UTC+1 hodina, v případě platnosti letního času UTC+2 hodiny. Toto je potřeba zohlednit při výběru dat z referenční stanice.

Úkol:
Identifikujte z nabídnutých jmen souborů RINEX, ty soubory, které odpovídají časem datům naměřeným na Rover GPS v UTC čase 11:59:59 dne 17. září 2009.
Možnosti:
A) VSBO156k.09O, VSBO156k.09N, VSBO156k.09G
B) VSBO170l.09O, VSBO170l.09N, VSBO170l.09G
C) VSBO260l.09O, VSBO260l.09N, VSBO260l.09G
D) VSBO260a.09O, VSBO260a.09N, VSBO260a.09G

Provedení post-processingu v prostředí Path Finder Office spočívá v těchto krocích: Spusťe aplikaci Pathfinder Office (pokud se jedná o první spuštění aplikace na počítači, proveďte nastavení souřadnicového systému dle pokynů v textovém souboru readme.txt v adresáři Trimble-GPS-Pathfinder-Office-Krovak, který je součástí instalačních souborů aplikace). V levé liště hlavních nástrojů vyberte možnost Data Transfer a pomocí něj stáhněte ze zařízení Trimble Juno 3d soubor s měřením (Data file) s příponou ssf na pevný disk počítače. Tento soubor obsahuje Vaše uskutečněné měření včetně všech surových dat potřebných k provedení post-processingu, vyplněných atributů, atd.

Datový soubor otevřete v Path Finder Office a nechejte si zobrazit naměřené body v mapovém okně (nástroj Map v horní liště). Pomocí nástroje Position Properties v téže liště si můžete nechat zobrazit informace o teoretické přesnosti měření polohy jednotlivých bodů. Data je možno zobrazovat i nad podkladovou vrstvou, kterou přidáme pomocí File/Background. Je možné využívat rastrové soubory typických formátů (tiff, jpg, apod.), ale také vektorová data.

Pokud jste si již stáhli odpovídající data z referenční stanice (viz popis výše) a provedli připadnou transformaci z formátu tps do formátu RINEX pomocí aplikace tps2rin.exe (pracuje se v příkazovém řádku), máte nyní všechna potřebná data k uskutečnění post-processingu. Pokud ne, získejte potřebná data z referenční stanice.

Spusťte nástroj Differential Correction, který vás provede celým post-processingem měření. Nejprve je potřeba vybrat datový ssf soubor s měřeními bodů, jejichž polohu chcete zpřesnit. Processing Type vyberte automatický (aplikace se pokusí realizovat zpracování nad fázovými měřeními, pokud neskončí dobře, provede se zpracování nad kódovými měřeními), v nastavení na dalším okně zvolte:

  • Output Options: Corrected Only (na výstupním souboru budou pouze ty body, které se podařilo při post-processingu opravit, pokud máte korektně naměřená data, měly by to být všechny body)
  • GPS Filtering: Use smart automatic filtering (druhou možností je ruční volba filtrace observací dle jejich elevačního úhlu, síly signálu a hodnoty DOP)
  • nezaškrtávejte možnost Re-correct real-time positions

V dalším okně je potřeba zadat cestu k datům z referenční stanice - používejte volbu Browse s přímým výběrem RINEX souborů. Část Reference Position slouží k nastavení souřadnic referenční stanice - zde rozhodně vyberte Use Reference Position from base provider a vstupte do nabídky přes tlačítko Select. Pokud provádíte post-processing měření v prostředí GPS Pathfinder Office s daty z určité referenční stanice poprvé, je potřeba zadat informace o této stanici do seznamu stanic v aplikaci. Vyberte nabídku New a vyplňte požadované informace o stanici. Pro kvalitu post-processingu měření je velice důležité poskytnout co nejpřesnější souřadnice referenční BASE stanice, proto nestačí použít pouze souřadnice stanice ze souboru RINEX vypočtené pouze z observací obsažených v daném souboru. Přesné souřadnice referenční stanice je možno získat od jejího provozovatele, pro stanici VSBO jsou uvedeny například na webu sítě referenčních stanic CZEPOS, do které je stanice VSBO také zařazena (https://czepos.cuzk.cz/_souradnice.aspx). Jakmile jednou založíte referenční stanici v prostředí GPS Pathfinder Office, stačí ji při dalších zpracováních jen pouze vybrat ze seznamu.

V okně výběru data z Base ještě dole zaškrtněte volbu Confirm Base Data and Position before Processing - při samotném spuštění procesu post-processingu budete mít možnost ještě nejprve zkontrolovat, zda jsou data z referenční stanice v pořádku a pokrývají potřebný časový interval.

V parametrech výstupu vyberte, kam chcete uložit výsledný soubor se zpřesněnými souřadnicemi naměřených objektů a způsob jeho pojmenování. Na tomtéž okně již tlačítkem Start spusťte samotné provedení post-processingu = dojde k aplikaci vypočtených korekcí na měření ROVERu. Časová náročnost zpracování je závislá na počtu bodů a délce jejich observace, obecně však zpracování proběhne velice rychle. O procesu získáváte podrobný záznam (log), který je uložen také na pevný disk do místa projektu post-processingu. Záznam poskytuje informace o datech z referenční stanice, struktuře observací z Rover a stručnou statistiku provedeného post-processingu s vyjádřením teoretické chyby určení polohy bodů po vnesení korekcí. Majoritní část bodů by měla spadat do kategorií mezi 30 cm a 1 m.

Poznámka: pokud post-processing neproběhnete v pořádku a nedojde k opravě všech či části změřených bodů, pravděpodobně nepokrývají Vaše data z referenční stanice celou dobu měření v terénu!

Opravené polohy naměřených geoprvků jsou uloženy do samostatného souboru s příponou *.cor. Obsah tohoto souboru je stejně jako v případě neopraveného ssf datového souboru možno exportovat do řady formátů. Proveďte export souboru s opravenými měřeními do formátu Esri shapefile přes nabídku Export. V nastavení exportu můžete v záložce Attributes nastavit přímé vložení určitých informací do atributové tabulky shapefile (souřadnice, hodnota PDOP v době měření, vyjádření teoretické přesnosti určení souřadnic, apod.) Po exportu je potřeba v prostředí GIS software (ArcGIS Pro, QGIS, apod.) přiřadit vrstvě souřadnicový systém S-JTSK Krovak East-North, dojde tím k vytvoření souboru *.prj. Druhou možností, jak vytvořit tento prj soubor s definicí souřadnicového systému, je přímo při exportu v prostředí Pathfinder Office výběrem již existujícího prj souboru pro korektní s. s. v záložce Coordinate System/Projection File v nastavení exportu.