Тестирование системы сбора данных приемником Trimble Ag132

Тестирование системы сбора кадастровых и ГИС-данных на базе приемника Trimble Ag132 в режиме спутниковой дифференциальной коррекции Omnistar под управлением ArcPad 6.02 – в поисках недорогого решения с метровой точностью

Нужны ли в России недорогие системы сбора ГИС-данных с метровой точностью?

Изменения в современном законодательстве, касающиеся оформления прав на земельные участки и недвижимость юридическими и физическими лицами, повлекли за собой значительное увеличение объемов работ по межеванию земель и технической инвентаризации по всей стране. Продолжающаяся реорганизация органов Росземкадастра и предприятий технической инвентаризации привела к распаду естественных монополий, из достаточно крупных предприятий (ГИПРОЗЕМ, ВИСХАГИ, производственных отделов земельных комитетов и т.п.) образовались различные небольшие ООО, зачастую по несколько на район или населенный пункт. Эти предприятия сохранили специалистов, но как правило не обладают достаточными материальными ресурсами, необходимыми для оснащения даже не самым современным (и, соответственно, дорогостоящим) оборудованием. В большей мере это относится к предприятиям, находящимся в районных центрах и обслуживающих физические лица и небольшие сельскохозяйственные предприятия.

Жизнь не стоит на месте, меняется застройка, ландшафт. Весьма популярные в землеустройстве сельских территорий топопланы масштаба 1:10000 не обновлялись десятки лет и не могут быть использованы без существенной корректировки. Необходимость в исполнении законных прав граждан и предприятий по регистрации их имущества в свою очередь вынуждает межевые организации при подготовке документов вести съемочные работы на местности, чтобы обеспечить соответствие требованиям современной нормативной базы. Такая же ситуация характерна и для предприятий технической инвентаризации, выполняющих работы для промышленных предприятий (электрические линии, газопроводы, нефтепроводы).

Соответственно, работы выполняются той аппаратурой, которая есть в наличии. При работе с протяженными объектами и сельскохозяйственными землями обычно требуется измерить относительно небольшое количество поворотных и съемочных точек, но разнесенных на большое расстояние. Применение традиционного оборудования, а часто и доставшейся "по наследству" одночастотной GPS аппаратуры (из ранних поставок Росземкадастру по различным программам) не оправдывает себя из-за высоких временных и трудовых затрат. Следует при этом учитывать и еще одну характерную особенность: при работе в районах, с сельскохозяйственными территориями — физические лица, фермеры, местные компании, обслуживающие коммуникации, обычно не столь богаты (как, например, крупные газотранспортные предприятия) и не готовы платить за работу значительные суммы, позволяющие окупить приобретение дорогостоящей аппаратуры.

Отсюда возникает задача: необходимо найти недорогую GPS аппаратуру, позволяющую определять местоположение объектов с точностью один метр или точнее, способную работать на объектах, расположенных на большом удалении от базовой станции дифференциальной коррекции. Выбор такой точности аппаратуры регламентируется соответствующими документами Росземкадастра и органов технической инвентаризации и будет достаточен для выполнения большинства работ вне городских территорий. Если при этом аппаратура позволит получать заданную точность непосредственно в поле, это позволит выполнять еще один класс задач, связанных, например, с разделом земельных участков (например, выделение паев в натуре).

Существующие системы сбора ГИС-данных с метровой точностью

На сегодняшний момент на рынке существует несколько систем, удовлетворяющих требованиям к искомой точности.

GPS Pathfinder™ Pro XR и Pro XRS – позволяют определять координаты с дециметровой точностью (при соблюдении определенных условий), имеют возможность работы в дифференциальном режиме реального времени. Приемник Pro XRS способен работать с дифференциальными поправками от радиомаяка или геостационарного спутника системы Omnistar или LandStar. Для управления системой могут использоваться контроллеры TSC1, TSCe, Recon или карманный компьютер класса "Pocket PC" с ПО TerraSync™. Эти приемники за несколько лет эксплуатации зарекомендовали себя с самой лучшей стороны, есть примеры приема сигналов даже под кронами деревьев. К достоинствам следует отнести высокую надежность и отработанность системы. К недостаткам – достаточно высокую стоимость, особенно при использовании фирменных контроллеров.

GPS приемники серии GeoExplorer® CE – по сути дела Pocket PC компьютер в прочном корпусе со встроенным GPS приемником и антенной. Позволяет выполнять дифференциальную коррекцию в реальном времени или пользоваться программным обеспечением для постобработки TerraSync™. Для модификации XT обеспечивается точность лучше метра. К достоинствам следует отнести универсальность: благодаря платформе Windows CE вы можете выбрать любые программы для сбора данных, например, TerraSync™ компании Trimble или ArcPad компании ESRI; либо другое специализированное программное обеспечение, удовлетворяющее вашим требованиям; при этом не требуется дополнительный контроллер. Недостатки – при отсутствии функции приема дифференциальных поправок от спутниковых систем типа Omnistar/LandStar невозможно получить субметровую точность непосредственно в поле (практически на всей территории России). Приемники этой серии имеют возможность приема дифференциальных поправок от спутниковых систем WAAS\EGNOS, но по причине недостаточной развернутости базовых станций этих систем для территории России и не высокой "паспортной" точности, получаемой на основе этих систем (заявленная точность на уровне 3—5 метров), работа в дифференциальном режиме с приемом поправок от WAAS/EGNOS едва ли применима для задач земельного кадастра. В первую очередь системы WAAS/EGNOS предназначены для обеспечения широкозонной самолетной навигации. Цена модификации XT находится на уровне цены приемника GPS Pathfinder Power, хотя общая стоимость системы значительно меньше, т.к. не требуется приобретение дополнительного контроллера.

Приемник GPS Pathfinder Power – дифференциальный GPS (DGPS) приемник, совмещенный в одном корпусе с антенной, при соблюдении определенных условий обеспечивает субметровую точность непосредственно в поле. Имеет возможность приема дифференциальных поправок от спутниковой системы Omnistar или LandStar. Для управления системой могут использоваться контроллеры TSC1, TSCe, Recon или карманный компьютер класса "Pocket PC" с ПО TerraSync™. Приемник новой серии, по характеристикам схож с Pro XRS, но дешевле ориентировочно на 25%. Достоинства – удачная компоновка и небольшой вес. При использовании фирменных контроллеров имеет относительно высокую стоимость.

Существуют и другие, "экзотические", комбинации аппаратуры и программного обеспечения, позволяющие получить метровую и субметровую точность как в режиме реального времени, так и в режиме постобработки. Так, например, весьма интересна комбинация приемника Trimble 4600LS с контроллером TDC1 и программным обеспечением Asset Surveyor, позволяющая получать в режиме постобработки неплохие результаты по точности и производительности. Такая связка успешно эксплуатируется НПК "БКТ" при ведении землеустройства на сельских территориях. Одно из главных достоинств этого комплекта в том, что появляется возможность использовать ранее приобретенные геодезические одночастотные приемники для решения нового класса задач, заменяя программное обеспечение контроллера TDC1 с Survey Controller на Asset Surveyor. Такая замена для контроллера TDC1 бесплатна, программное обеспечение можно загрузить с веб-сайта компании Trimble. Следует отметить, что для владельцев более поздней модели контроллеров TSC1 такая комбинация тоже возможна, однако за установку программного обеспечения Asset Surveyor вместо Survey Controller и наоборот необходимо доплатить значительную сумму, сравнимую с приобретением приемника GeoExplorer® CE.

Не менее интересной представляется и комбинация приемника Trimble Ag132 с контроллером на базе КПК Compaq iPaq 3660 с программным обеспечением ArcPad. Этот комплект обеспечивает субметровую точность непосредственно в поле с помощью дифференциальных поправок от спутниковой системы Omnistar или LandStar. На наш взгляд это одно из самых экономичных решений. О тестировании такого комплекта, его достоинствах и недостатках пойдет речь в последующих разделах этой статьи. Но сначала несколько слов о спутниковом дифференциальном сервисе, предлагаемом компаниями OmniSTAR и LandStar.

Спутниковый дифференциальный сервис OmniSTAR компании Fugro

Система OmniSTAR – глобальная система передачи дифференциальных поправок GPS в реальном времени, базируется на передаче дифференциальных поправок через геостационарные спутники, формирующие направленные пучки ("пятна") над определенными районами земной поверхности. Система OmniSTAR базируется на сети дифференциальных станций, измеряющих ионосферные помехи и другие погрешности, влияющие на точность системы GPS. OmniSTAR предлагает следующие сервисы для пользователей:

• HP сервис – сантиметровая точность обеспечивается на территории Западной и Восточной Европы, посредством передачи RTK поправок определенных на основе сети базовых станций с установленными на них 2-х частотными приемниками типа Trimble MS 750.
• VBS сервис – дециметровая точность обеспечивается на территории Европы и Америки, Африки, Австралии, Евразии на основе данных сети базовых станций с передачей дифференциальных поправок в формате RTCM SC-104 при использовании кодовых GPS приёмников. Точность определения координат с использованием VBS сервиса составляет 50 см – 2 м (95%) при удалении от сети наземных дифференциальных станций до 1000 км.

С вводом в действие в 2003 году дифференциальных станций в Харькове и Баку HP сервис стал доступен на европейской части территории и на юге России. Карта покрытия приведена на рисунке.

Описание тестируемого комплекта

Для тестирования в режиме дифференциальной коррекции в реальном времени с использованием спутникового сервиса OmniSTAR мы использовали следующую аппаратуру и программное обеспечение:

• Приемник GPS Trimble Ag132;
• КПК Compaq iPaq 3660 с ОС WinCE 2002;
• ПО ArcPad 6.0.2 от ESRI.

12-ти канальный приёмник GPS Trimble Ag132 представляет собой комбинированный прибор, предназначенный для приёма GPS сигналов, поправок от дифференциальных MSK маяков и спутникового дифференциального сервиса. Для приёма всех этих сигналов используется одна антенна, что значительно упрощает работу и увеличивает надёжность. Приёмник оснащён клавиатурой, для ввода установок режимов работы и жидкокристаллическим дисплеем, позволяющим осуществлять контроль за работой приёмника. Определение местоположения осуществляется с использованием оригинальной методики дифференциальной обработки Trimble, что позволяет начать измерения через несколько секунд после его включения.

Для питания приемника мы использовали имеющийся в наличии аккумулятор на 7,2 а/ч. Максимальная потребляемая мощность приемника Ag132 составляет 7 Вт, что позволяет при не очень длительных съемках использовать менее тяжелые и габаритные аккумуляторы, например типа «камкордер». В качестве контроллера для тестируемого комплекта мы применили карманный компьютер Compaq iPaq 3660. Этот КПК мы приобрели еще в 2001 году для работы с GPS приемником Trimble Pathfinder Pocket. В то время он был еще достаточно дорогим, но обладал наилучшими характеристиками среди представленных на рынке моделей. Основными критериями при выборе КПК были возможность нормального чтения экрана при работе в условиях яркого солнечного освещения и возможность работы при отрицательных температурах (до минус пяти-десяти градусов ниже нуля, характерных для нашего региона зимой). Кроме экрана, легко читаемого при освещении прямыми солнечными лучами, iPaq 3660 имеет и достаточно мощную систему подсветки экрана, позволяющую не только работать в полной темноте, но даже использовать его в качестве маломощного фонарика. К сожалению, нам так и не удалось добиться непрерывной работы этой модели КПК в течение 8 часов без перезарядки, заявленной в характеристиках. Даже после замены аккумулятора на абсолютно новый, мы вытягивали максимум часов 6. При низких температурах это время значительно снижалось. Обойти это ограничение мы смогли, установив в автомобиле преобразователь 12В -> 220В, и заряжая его с помощью стандартного зарядного устройства.

Всю эту аппаратуру мы закрепили на стандартной раздвижной вешке, производства CST. Для крепления Compaq iPaq мы использовали кронштейн с винтом собственного изготовления, с помощью которого обычно крепим контроллеры TSC1 и TDC1. Получилось достаточно компактно, надежно и удобно, хотя и немного мешал большой аккумулятор.

Для обеспечения программного интерфейса с приёмником и записи данных измерений на КПК было установлено программное обеспечение ArcPad 6.02, разработанное компанией ESRI. ArcPad позволяет получать данные с GPS приёмника по протоколу TSIP или NMEA. Эта связь односторонняя – программа работает только на прием данных и не позволяет управлять режимами приемника, хотя таким способом обеспечивается ее универсальность – практически все современные GPS приемники имеют функцию выдачи сообщений NMEA, даже бытовые приемники типа Garmin.

ArcPad позволяет работать как с векторными данными (шейп-файлы), куда собственно и записываются результаты измерений, так и использовать в качестве картографической подложки растровые изображения (MrSID, JPEG, BMP, CADRG), к примеру спутниковые снимки. ArcPad умеет преобразовывать поступающие данные из одной системы координат в другую «на лету», без изменения настроек приемника. Для корректного отображения местоположения объектов, определяемых с помощью приемника GPS, в местной системе координат необходимо построить файлы проекции (*.prj-файл). По формату, этот файл совместим с файлами проекции ArcGIS.

С помощью ArcPad можно создавать стандартные точечные, линейные и площадные Shape-файлы. Имеется возможность создавать формы ввода и словари атрибутивных данных, существенно сокращающие время их ввода на этапе съемки. Так же ArcPad сохраняет в отдельный Shape-файл информацию о трекингах движения. Интерфейс программы интуитивно понятен и достаточно удобен для сбора полевых данных.

Следует сказать и о программном модуле GPScorrect, разработанном компанией Trimble для использования с ArcPad. Этот модуль предназначен для записи собранных данных в формате, позволяющем произвести дифференциальную коррекцию полевых данных, используя пакет Trimble Pathfinder Office. С помощью GPScorrect пользователи ArcPad могут осуществлять гибкий выбор источников дифференциальных поправок и отслеживать состояние этих источников. Следовательно, потеряв сигнал дифференциальной поправки со спутника, мы можем сохранить данные, затем обработать их в офисе для достижения нужной точности, используя данные ближайшей базовой станции. Это могло бы стать идеальным решением, однако у этого модуля есть один существенный недостаток – он работает только с приемниками Trimble серии Pathfinder. Таким образом, нам не удалось при тестировании Ag132 почувствовать всю его мощь (мы сделали это позже, подключив приемник Trimble Pathfinder Pocket, обладающий худшими точностными характеристиками).

Как проводились испытания

Исходя из поставленной для тестируемого комплекта задачи - обеспечение метровой точности измерений при работе на удаленных объектах, находящихся на межселенной территории и в небольших населенных пунктах, мы приняли решение провести испытания в трех районах Южного Федерального Округа: Ипатовском районе Ставропольского края, Зимовниковском районе Ростовской области и вблизи города Таганрога. Районы испытаний разнесены примерно на 400 километров и находятся в двух разных зонах прямоугольной системы координат.

В ходе тестирования оценивалась точность позиционирования, устойчивость приема сигнала дифференциальной поправки от спутника Omnistar, время захвата сигналов и надежность работы комплекта в целом. Для оценки точности позиционирования во всех измерениях сбор данных производился в течение одной минуты с пятисекундным интервалом (12 эпох измерений).

В Ипатовском районе измерения проводились совместно с выполнением работ по съемке газовых скважин ОАО "Газпром". Для съёмки объектов месторождения, предварительно были выполнено съемочное обоснование и заложены грунтовые реперы. Координаты реперов были определены при помощи фазовых двухчастотных GPS приёмников Trimble 5700 от пунктов государственной геодезической сети, находящихся неподалеку от района проведения работ. Измерения тестируемым комплектом проводились на этих опорных пунктах, а также на газовых скважинах.

В Зимовниковском районе измерения проводились на 5-ти пунктах опорно-межевой сети, заложенных по заказу районного земельного комитета в 2002 году. Пункты ОМС, использованные для тестирования, располагаются в черте поселка Зимовники. При их создании координаты определялись методом триангуляции от пунктов ГГС с помощью GPS приемников Trimble серии 4000.

В районе Таганрога измерения проводились на 3-х пунктах ГГС, расположенных вблизи городской черты.

Кроме того, тестируемым комплектом по заказу бюро технической инвентаризации была выполнена съемка 7 километров газопровода низкого давления в Куйбышевском районе Ростовской области. Координаты выходов газопровода к ГРП были определены ранее с помощью двухчастотных GPS приемников Trimble 4000SSE, что также позволило сделать выводы о точности измерений. Координаты поворотных точек газопровода определялись с пятисекундным интервалом (6 эпох измерений).

Измерения на опорных пунктах, на пунктах геодезической сети и координирование устьев газовых скважин проводились по несколько раз на каждой точке. Проводились как измерения в одно время, так и с некоторым временным разбросом на одной точке. Антенна приёмника закреплялась на вешке, которая центрировалась на пунктах при помощи встроенного пузырькового уровня. Производились два-три измерения на одной точке, не сдвигая вешки с места, после чего делались измерения подобным образом на других пунктах. Через некоторое время была произведена аналогичная серия измерений на тех же точках. Такая методика позволила оценить точность измерений данным комплектом и разброс измеряемых величин.

Программное обеспечение ArcPad 6.0.2 мы скачали с веб-сайта компании ESRI. В демонстрационном режиме эта программа полнофункционально работает в течение 20 минут, затем требуется ее перезагрузка. К сожалению, нам не удалось получить у дистрибуторов компании ESRI в России код разблокировки программы для тестирования комплекта в полностью рабочем режиме. Однако для целей тестирования 20-ти минутных сеансов непрерывной работы программы было вполне достаточно.

Результаты испытаний

Для оценки результатов измерений мы пересчитали полученные данные из системы WGS 84 в прямоугольную систему координат, поскольку для исходных геодезических пунктов были известны только плоские координаты. Пересчет был выполнен с помощью программы Trimble Geomatics Office.

Чтобы оценить абсолютную точность измерений, были найдены средние величины X и Y плоских координат определяемых объектов, которые затем были сравнены с исходными значениями координат для каждого измеренного пункта.

Отклонения измеренных тестируемым комплектом величин от известных координат пунктов в посёлке Зимовники Ростовской области:

Отклонение измеренных величин, м

0,276

0,693

0,455

0,256

0,008

0,198

0,350

Отклонения для опорных пунктов в Ипатовском районе Ставропольского края:

Отклонение измеренных величин, м

0,046

0,693

0,087

0,206

0,234

0,268

0,512

0,322

0,104

Разницы между измерениями на газовых скважинах тестируемым комплектом и двухчастотным фазовым приёмником Trimble 5700:

Отклонение измеренных величин, м

0,472

0,287

0,331

0,040

0,129

0,141

0,274

0,584

Минимальная величина отклонения составила 0,008 м, максимальная 0,693 м и среднее отклонение 0,273 м. Максимальный разброс измеренных в разное время координат на одной точке составил менее 0,3 метра по широте и менее 0,5 метра по долготе. Погрешность измерений оказалась практически одинакова для всех районов испытаний.

Время включения комплекта в работу не превышало 1 минуты, обычно захват сигналов GPS и Omnistar происходил в пределах 30-40 секунд. Сигнал дифференциальной коррекции со спутника Omnistar устойчиво принимался во всех районах измерений, как на межселенной территории, так и в черте населенного пункта. Срыв приема сигнала происходил крайне редко и только в значительно закрытых местах.

Работать с тестируемым комплектом оказалось достаточное удобно. Все устройства были прочно закреплены на вешке, что обеспечило надежность соединений и компактность системы. Единственной проблемой было крепление интерфейсного кабеля к Compaq iPaq 3660. Поскольку никакого страховочного крепления на КПК не предусмотрено, этот кабель постоянно норовил выскочить из разъема. Это оказалось достаточно неудобно при переездах от объекта к объекту - после загрузки-разгрузки из автомобиля приходилось постоянно поправлять этот разъем. В итоге мы примотали его скотчем, получилось надежно, но не эстетично. Наш КПК не имеет никакого защитного чехла, поэтому с ним нельзя работать в дождь. В нашей практике был случай, когда сорвавшаяся с опоры ЛЭП капля воды попала на КПК и вызвала полную его перезагрузку. Все установленные программы и данные были утеряны. Поэтому приобретая КПК для работы в качестве контроллера необходимо пойти на дополнительные затраты и обязательно купить водонепроницаемый чехол.

Было и несколько проблем при работе с программным обеспечением ArcPad — иногда сразу не удавалось ввести семантическую информацию к объекту. Программный интерфейс в некоторых разделах, связанных с GPS тоже показался не совсем удобным, невозможно было контролировать на экране прием сигнала дифпоправки и его параметры, но все это в значительной мере компенсируется дешевизной данного решения.

Заключение

Полученные в результате тестирования величины погрешностей оказались весьма неплохи и даже предвосхитили наши ожидания. Надежность комплекта в целом и удобство его эксплуатации также оказались на высоте. Исходя из полученных результатов, можно смело сказать, что этот комплект обеспечивает высокое отношение цена/производительность и его можно рекомендовать к применению при проведении землеустройства на межселенной территории и при выполнении измерений объектов для технической инвентаризации.
Такой комплект может быть интересен не только небольшим межевым организациям, органам технической инвентаризации, выполняющим съемки сельхозземель и протяженных объектов транспорта и связи, но и крупным предприятиям, выполняющим топографические и инженерные съемки в масштабе 1:10000 на больших территориях. Возможность работы на больших расстояниях от базового предприятия, не привязываясь к необходимости установки в районе работ собственной базовой станции не теряя при этом точности измерений делают его весьма ценным, а возможность работы в реальном времени открывают новые, ранее практически недоступные, возможности сельским землеустроителям.

Возможности сбора ГИС-данных в программе ArcPad делают этот комплект незаменимым для экологов, связистов, которые могут создавать пространственные базы данных загрязнения территории или радиочастотной обстановки для их последующего анализа в ГИС, получая требуемую информацию от своих датчиков и анализаторов. Причем эти измерения могут быть заранее запланированы с помощью ГИС и выполнены точно в намеченных местах, поскольку комплект сразу выдает уточненные координаты и позволяет осуществлять навигацию к намеченным точкам. Областей возможного применения много, при этом он остается относительно недорогим и доступным решением.

Благодарности

Мы хотели бы выразить свою благодарность сотрудникам компании Навгеоком, предоставившим для тестирования приемник GPS Ag132 с подключенным спутниковым сервисом дифференциальных поправок OmniStar и оказавшим содействие в подготовке этой статьи.

Также благодарим московское представительство компании Trimble за предоставленную возможность тестирования программного модуля GPScorrect и оказание консультаций по его применению.

Кизяев Ю.А., Неграфонтов С.А.
10 ноября 2003 г.