Leica Geosystems: Сети GNSS как фундаментальная инфраструктура
ВЫПУСК № 1 ВЕСНА 2008
127015, Москва, Вятская ул., 70 (Leica Geosystems AG региональный офис в Москве), тел (495) 234-55-60, 234-55-57,
факс (495) 234-25-36, e-mail: info.russia@leica-geosystems.ru,
Интернет: www.leica-geosystems.ru
Введение
Идея «Цифровой Земли» была впервые выдвинута А. Гором в 1998 г. (Gore A. The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century. http://www.digitalearth.gov/VP19980131.html ) и подразумевала компьютеризованную, многомерную, разномасштабную, мультивременную и многоуровневую информационную систему. Концепция «Цифровой Земли» в настоящее время уже используется некоторыми административными органами как единая информационная база для развития и управления территориями. Так, некоторое время назад Государственное бюро геодезии и картографии Китая (SBSM) приступило к реализации амбициозного картографического проекта «Цифровой Китай», направленного на обеспечение цифровой картографической информацией всей страны. Реализация проекта обеспечит поддержку принятия управленческих решений при городском планировании и предотвращении стихийных бедствий двух важнейших направлений для экономики более чем 600 китайских городов. В рамках проекта уже создало три серии цифровых карт страны с уровнем детальности, сопоставимым с картами масштабов 1:4 000 000, 1:1 000 000 и 1:250 000. В 2005 г. завершено создание серии цифровых карт, эквивалентных карте масштаба 1:50 000. По инициативе местных властей на локальном уровне создаются детальные цифровые карты городов. Например, в г. Вейхай (восточная провинция Шандонг) создана детальная цифровая 3D-карта масштаба 1:500.
В Китае ведется создание подобных моделей таких стратегически важных объектов, как береговые линии, водотоки, обозначенные в подпроекте «Цифровая река». Эти цифровые картографические материалы могут быть совмещены с демографическими данными и данными об окружающей среде из «Цифрового Китая».
Преимущество создания подобных моделей заключается в том, что они обеспечивают наиболее эффективную основу для управления ресурсами.
Быстрый рост экономики Китая и вытекающая из него высокая потребность в природных и человеческих ресурсах обусловливает необходимость адекватного информационного обеспечения для их отображения и оптимального управления.
С созданием «Цифрового Китая», особенно с учетом демографических данных, концепции создания «электронного правительства» или «электронного городского управления» могут стать реальностью.
Важнейшими проблемами применения цифровых баз данных («Цифровая Земля», «Цифровой город» и др.) являются открытость доступа к данным и их корректность. В статье рассматриваются вопросы создания сети базовых станций (Reference Stations Network) GNSS, с помощью которой формируется система координат исследуемой территории «Цифрового города», и предоставляемые сетью преимущества.
1. Основа «Цифровых городов»
«Цифровой город» будет приносить пользу своим создателям и пользователям только в том случае, если данные, содержащиеся в нем, точны и надежны, т. е. обеспечивают истинное представление об окружающей среде. Во все времена точность информации о пространственном положении того или иного объекта являлась определяющей характеристикой ее ценности, что актуально и для «Цифрового города». Пространственная точность для «Цифровых городов» может ранжироваться по целям и задачам: на уровне метров (крупномасштабное картографирование) для эффективного управления и решения прикладных задач, связанных с окружающей средой; на уровне дециметров и сантиметров для кадастровой съемки и съемки инженерных сооружений; на уровне миллиметров для решения высокоточных инженерно-геодезических задач и мониторинга деформаций.
Базовая станция, использующаяся для целей «Цифрого города»
Рассмотрим реальный пример г. Куньмин в провинции Юньнань. Активное строительство и рост населения потребовали создания детальной цифровой модели города, содержащей пространственную и иную информацию. Необходимо было сформировать действующую сеть базовых станций (СБС) для обеспечения геодезических работ с целью построения инфраструктуры данных «Цифрового города». СБС должна была также способствовать ускорению строительства в городе, так как многие пункты традиционной геодезической сети было серьезно повреждены, а также обеспечить предоставление поправок в координаты для решения задач пользователей пространственных данных. Задачи в области городского планирования, строительства и управления потребовали, чтобы обновленные топографические цифровые карты, используемые в ГИС, предоставлялись в режиме реального времени для осуществления навигации и контроля за специальными транспортными средствами, а также оптимального управления потоками городского транспорта и принятия оперативных решений.
Сеть базовых станций, постоянно принимающих сигналы со спутников ГЛОНАСС и GPS (в совокупности GNSS), эффективнее традиционной сети триангуляции и полигонометрии, так как геометрия расположения СБС не столь критична, а точность и жесткость выше.
Обычно операторы локальной сети устанавливают собственную местную систему координат для территории ответственности. Территория Китая делится более чем на 2 тыс. территориально-административных единиц, многие из которых имеют собственные местные системы координат. Это приемлемо при выполнении работ на региональном уровне, но создает дополнительные сложности при выполнении работ на общегосударственном уровне.
Как правило, дифференциальные поправки или конечные координаты от СБС передаются в какой-либо глобальной системе координат (обычно WGS 84, в некоторых случаях в ITRF 2000 или более поздних). Система WGS 84 и ее параметры хорошо известны, многие государственные системы координат построены на ее основе, спутниковые геодезические системы ориентированы на ее использование. После того, как система координат определена, результаты съемки объектов «Цифрового города» могут приводиться к геодезической системе координат с использованием, при необходимости, высот геоида. Положение объектов (здания, мосты, дороги и т. д.), представленных в местной системе координат «Цифрового города», точно и надежно фиксируются в глобальной системе координат.
SmartStation и базовая станция
2. Технологии в сетях базовых станций
Сети базовых станций GNSS получили широкое распространение благодаря точности, масштабируемости, гибкости, стабильности, надежности при предоставлении услуг, связанных с получением пространственных данных. Пользователи и операторы «Цифровых городов» используют различные системы для размещения и поддержки пространственных данных внутри базы данных. Одним из главных преимуществ базовых станций (как при сетевой, так и при одиночной реализации) является возможность их использования для решения различных прикладных задач в режиме реального времени или при постобработке. Например, внедрение одной базовой станции GNSS, передающей поправки в режиме реального времени, в геодезическую практику повысило производительность более чем на 30%.
Компания Leica Geosystems (Швейцария), являясь пионером использования технологий GNSS в геоматике, сформулировала преимущества СБС и сфокусировала усилия на повышении производительности и удобства пользования их данными.
Новое поколение продукции компании Leica Geosystems для СБС включает серии приемников GNSS для различных приложений и мощное программное средство Leica GNSS Spider для конфигурирования сети и управления ею, совместившее в себе передовые сетевые алгоритмы RTK (Real Time Kinematics), использующие концепцию Master-Auxiliary.
Теоретические преимущества концепции Master-Auxiliary превращаются в реальную выгоду для подвижного пользователя (ровера), выражающуюся в повышении точности, производительности и надежности. Анализ тестов показал, что наилучшая производительность достигается путем сочетания Leica GNSS Spider с роверами Leica GNSS 1200 при использовании технологии позиционирования MAX. Версия i-MAX, которая также доступна для использования с программным обеспечением Leica GNSS Spider, обеспечивает почти такую же высокую производительность, но позволяет работать с приемниками старых образцов (снятыми с производства), не поддерживающими новые сетевые сообщения, а также с приемниками других производителей.
Поддержка снятых с производства и устаревших приемников GNSS является крайне важным свойством программного продукта, поскольку гарантирует, что информация о поправках, предоставляемая сетью, может быть использована наибольшим числом пользователей, оперирующих в «Цифровом городе».
Современные коммуникационные технологии, включая Интернет, мобильную телефонию, радиосвязь и др., могут использоваться для решения любых задач всеми пользователями СБС, становясь, по сути, частью инфраструктуры «Цифрового города». Пользователи хотят иметь доступ ко всем информационным продуктам, предоставляемым в пределах сети, в течение всего времени, посредством всех возможных средств передачи данных; создатели и операторы «Цифровых городов» должны это понимать. Порталы на платформе «Цифрового города» обычно базируются на Web-технологиях, предоставляя одновременно доступ множеству пользователей для решения различных задач.
Успех GNSS-технологий как геодезического инструмента ограничивается такими факторами, как видимость спутников и обеспеченность коммуникациями.
Недавней революционной инновацией Leica Geosystems в получении пространственных данных является концепция SmartStation, заключающаяся в интеграции наземных и спутниковых систем сбора данных. Эти приборы особенно полезны для территорий крупных городов, где видимость спутников может быть ограничена, в это время SmartStation может быть использован как обычный тахеометр. SmartStation избавляет от необходимости прокладывать теодолитные ходы для передачи координат от удаленной точки геодезической сети. Это осуществляется путем использования RTK GNSS-позиционирования тахеометра, при этом от геодезиста не требуется каких-либо специфических знаний. Во многих случаях можно просто подключиться к существующей сети и получить поправки в режиме реального времени для определения своего положения в выбранной системе. Экономия времени (до 30%) при использовании СБС достигается за счет сокращения работ по рекогносцировке и исключения проложения ходов для передачи координат на участок съемки.
3. Применение СБС для решения прикладных задач
Интегрированные измерительные системы типа Leica SmartStation идеально подходят для решения задачи построения и поддержки модели «Цифрового города». Возможность совместного использования СБС с такими продуктами для сбора данных, как Leica MobileMatriX (полностью совмещается с продуктами ArcGIS), приемники спутникового позиционирования Leica GS20/SR20, аэрофотосъемочные системы, системы управления машинами, системы лазерного сканирования Leica HDS (сканирование высокого разрешения high-definition scanning), с целью решения различных инженерных задач обеспечивает твердую геодезическую опору для всех систем пространственного позиционирования.
Имеются в виду не только геодезические, картографические задачи и ГИС, но и такие применения, как структурный мониторинг и навигация транспортных средств, которые становятся общепринятыми для городских территорий.
СБС г. Куньмин с применением Leica GNSS Spider обеспечивает многофункциональный сервис пользователей двух видов. Первый вид услуги по предоставлению информации о пространственном положении объектов, непосредственно передаваемой пользователям, запрашивающим ее. Второй вид услуг прямо не относится к пространственной информации, но в равной степени важен. Примером может служить прогнозирование состояния и охрана окружающей среды. Так, прогноз погоды может быть получен на основе информации о величине тропосферной рефракции, влияющей на сигналы GNSS. Точность такого прогноза на 30 40% превосходит точность традиционных методов.
Совместное использование данных СБС и цифровых карт может быть полезно при городском планировании, управлении землепользованием, полицейском и пожарном контроле, лесопосадках, управлении транспортными потоками и принятии решений на основе информации о положении транспортного средства и мониторинга ситуации, а также в ландшафтной архитектуре. Контроль положения общественных транспортных средств (автобусы, трамваи, поезда) требует наличия инфраструктуры сети базовых станций.
Сельское хозяйство использует инфраструктуру, похожую на «Цифровой город», поэтому СБС могут найти применение для решения сельскохозяйственных задач на современном уровне.
Возможности СБС позволяют определять систему отсчета координат для территории «Цифрового города», обеспечивают сервисы для выполнения его съемки и измерений и, что не менее важно, дают возможность создателям и операторам «Цифрового города» (включая правительство и разработчиков) расширять его границы при возникновении новых проектов.
4. Построение инфраструктуры базовых станций «Цифрового города»
Платформа «Цифрового города» должна быть гибкой каждый «Цифровой город» уникален и развивается своим путем: одни административные образования стремятся использовать централизованный портал, другие предпочитают применять децентрализованный подход.
Следовательно, и программное обеспечение СБС должно быть достаточно гибким, чтобы адаптироваться к текущим и будущим требованиям «Цифрового города». В некоторых регионах планируется построение децентрализованных сетей базовых станций, в соответствии с чем власти территорий создают местную сеть с единственной базовой станцией в каждом городе, возлагая обязанность сгущения сети на городское управление.
Разработанное в соответствии с клиент-серверной архитектурой программное обеспечение Leica GNSS Spider обладает необходимой гибкостью и масштабируемостью, может быть внедрено как в централизованную, так и децентрализованную распределенную сеть.
Базовые станции используются, в том числе, для целей навигации
С точки зрения администраторов «Цифровых городов» очень важны вопросы доступа к данным, обеспечения безопасности, полномочий и контроля деятельности пользователей. В Leica GNSS Spider изначально заложен принцип безопасности и целостности все действия и события, имевшие место внутри программной среды, регистрируются в целях архивирования. Все пользователи, запрашивающие данные в режиме реального времени, должны быть верифицированы прежде, чем получат ответ. Как правило, контроль всех действий оператора также является требованием властей. Платформа Leica GNSS Spider разработана таким образом, чтобы иметь возможность поддерживать сигналы других навигационных спутниковых систем, в частности Galileo.
Заключение
Ценность проектов «Цифровая Земля» и «Цифровой город» представляется весьма высокой не только в социально-экономическом плане, но и для целей кризисного управления и ликвидации последствий стихийных бедствий.
Сети базовых станций обеспечивают геодезическую координатную опору для высокоточного пространственного позиционирования, а также для поддержки широкого ряда приложений, реализуемых в режиме реального времени и при постобработке.
Стабильность такой сети как фундаментальной инфраструктуры означает, что она может поддерживать создание «Цифрового города», а также его обслуживание, обновление и развитие.
Создание «Цифровых городов» является одним из важных направлений развития современных городов, в том числе в Китае. Успешное построение сети базовых станций в г. Куньмин уже вносит значимый вклад в городское планирование, строительство и управление, ускоряя прогресс, улучшая управление информацией.
Джоэл ван Кроненброк (Joel van Cranenbroeck), директор по развитию бизнеса GNSS-сети и геодезический мониторинг Leica Geosystems (Швейцария)
RSS
Реклама
