Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav geoinformačních technologií
Využití GPS pro harvestorové technologie v lesnictví Diplomová práce
2008
Josef Janoušek
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Využití GPS pro harvestorové technologie v lesnictví zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací.
Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně, dne: 21.4.2008
Josef Janoušek
Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Martinu Klimánkovi Ph.D za profesionální přístup a věnovaný čas. Prof. Ulrichovi za pomoc s výběrem lokalit a pořízením dat. Ing. Hamákovi z LČR s.p. za poskytnutí mapových podkladů. Lesní správě LČR s.p. Znojmo a školnímu polesí SLŠ v Hranicích za přijetí v porostech. Panu Jiřímu Drastichovi za umožnění měření na harvestoru. Ing. Sládkovi a Ing. Sukovi za odbornou pomoc při měření.
Jméno:
Josef Janoušek
Název:
Využití GPS pro harvestorové technologie v lesnictví
Title:
Usage of GPS for harvester techniques in forestry
Abstrakt:
Diplomová práce se zabývá zhodnocením využití globálních polohových systémů v harvestorové technologii s důrazem na ověření dosahované přesnosti určování polohy systémem TimberNavi v harvestoru a kapesním počítači PDA ve specifických podmínkách lesního porostu.
Klíčová slova:
Harvestorová technologie, GPS, přesnost určování geografické
polohy, systém TimberNavi, PDA Trimble Juno ST, odchylka určování polohy, les.
Abstract:
This dissertation is concerned with usage of global positioning systems in harvester techniques with accent on accuracy of position assesment. System TimberNavi and GPS tool Trimble Juno ST was checked in special forest conditions.
Keywords:
Harvester technique, GPS, accuracy of geographic positioning, system TimberNavi, PDA Trimble Juno ST, aberration of geographic positioning, forest.
OBSAH: 1
ÚVOD............................................................................................8
2
CÍL PRÁCE..................................................................................9
3
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY.....................11 3.1
Harvestorové technologie......................................................................11 3.1.1 3.1.1.1
Nasazení harvestoru............................... .........................13
3.1.1.2
Rozčlenění pracoviště......................................................13
3.1.2 3.2
4
HARVESTOR.............................................................................12
VYVÁŽECÍ TRAKTOR............................................................16
Určování polohy - družicové polohové systémy.................................17 3.2.1
URČOVÁNÍ POLOHY..............................................................18
3.2.2
NAVIGACE................................................................................19
3.2.3
DPS PRINCIP URČOVÁNÍ POLOHY......................................20
3.2.4
GPS..............................................................................................21
3.2.4.1
Struktura systému ............................................................22
3.2.4.2
Signál................................................................................23
3.2.4.3
Přesnost............................................................................25
3.2.4.4
Korekce............................................................................27 3.2.4.4.1
Korekce v reálném čase....................................... 28
3.2.4.4.2
Postprocesní korekce........................................... 29
3.2.5
GLONAS ....................................................................................30
3.2.6
GNNS...........................................................................................31
3.2.7
COMPASS (Beidou) ...................................................................34
VÝCHODISKA ŘEŠENÍ............................................................35 4.1
Výběr konkrétní experimentální lokality............................................35
4.1.1 Popis porostů............................................................................................36
4.2
4.1.1.1
Porost č. 1 – Znojmo........................................................36
4.1.1.2
Porost č. 2 – Hranice na Moravě......................................36
Zajištění vstupních digitálních dat ......................................................38 4.2.1
Použitá geoinformační technologie..............................................38
4.2.1.1
Trimble Pathfinder ProXH...............................................38
4.2.1.2
Trimble Juno ST ..............................................................39
4.2.1.3
4.3
5
TimberNavi......................................................................40
4.2.2
Zajištění vstupních digitálních dat z existujících zdrojů .............41
4.2.3
Tvorba vlastních datových sad ....................................................42
Zajištění harvestorové techniky............................................................42
METODIKA................................................................................43 5.1
Modelování a návrh toku digitálních dat............................................43
5.2
6
5.1.1
Modelování a návrh toku digitálních dat v harvestoru................43
5.1.2
Modelování a návrh toku dat v PDA............................................44
Zjištění přesnosti měření v lesních porostech.....................................44 5.2.1
Zjištění přesnosti stanovení polohy GIS TimberNavi..................46
5.2.2
Zjištění přesnosti měření PDA.....................................................48
VÝSLEDKY.................................................................................49 6.1
Zjištění přesnosti stanovení polohy GIS TimberNavi .......................49
6.2
7
6.1.1
Porost č. 1 – Znojmo...................................................................49
6.1.2
Porost č. 2 – Hranice...................................................................51
Zjištění přesnosti stanovení polohy PDA ...........................................52
DISKUZE...................................................................................55 7.1.
7.2
Výsledky přesnosti stanovení polohy GIS TimberNavi ....................55 7.1.1
Porost č. 1 – Znojmo..................................................................55
7.1.2
Porost č.2 – Hranice...................................................................56
Výsledky přesnosti stanovení polohy Trimble Juno ST....................56
8
ZÁVĚR........................................................................................57
9
SUMMARY.................................................................................58
10
POUŽITÁ LITERATURA.........................................................59
11
SEZNAM PŘÍLOH....................................................................61
1
ÚVOD Geografické informační systémy spolu s geografickými polohovými systémy
začínají hrát v dnešním digitalizovaném a rychle se pohybujícím světě stále významnější roli. V posledních letech došlo k masivnímu nárůstu v jejich použití v komerčním i soukromém životě. Většina firemních mobilních prostředků je dnes organizována pomocí systémů pracujících na bázi signálu GPS. Jako příklad lze uvést navádění a organizaci nákladní dopravy i osobních firemních automobilů. Stále více se prosazují systémy GPS při geodetických pracích ve stavebnictví. Polohové a naváděcí systémy si našly své místo také v zemědělství, osobní dopravě, turistice, záchranných sborech, námořní dopravě a všude, kde je z nějakého důvodu důležitá informace o geografické poloze.
Bylo tedy jen otázkou času, kdy geografické polohové systémy najdou využití v lesnictví, a je logické, že jednou z prvních oblastí, ve které se začínají tyto systémy, byť ve velmi omezené formě, používat, jsou harvestorové těžební technologie. V současné době slouží spíše k přibližnému sledování pohybů stroje, z důvodu kontroly operátora a bezpečnosti stroje. V celé České republice pracuje zatím jen několik strojů vybavených systémy, jež umožňují zpracovávání GPS dat. Nejlépe dotažený systém pro práci s polohou mají patrně stroje značky John Deere, které mohou používat systém TimberNavi, jenž dokáže zaznamenávat polohu spolu s dalšími informacemi o těžbě.
Dlouholetý zájem o harvestorové technologie, počínající studiem oboru harvestorové technologie na Barony College ve Skotsku, pokračující stáží na střední škole pro operátory a mechaniky strojů ve finském Valtimo a zpracováním bakalářské práce Ekonomická analýza těžebních technologií, mě dovedl k problematice použítí GPS v harvestorové technologii.
2
CÍL PRÁCE Cílem této diplomové práce je zhodnocení využití GPS pro harvestorové
technologie v lesnictví, s důrazem na posouzení přesnosti určování geografické polohy ve specifických podmínkách lesního porostu, stejně jako zhodnocení přínosu všech dalších operací závislých na práci s prostorovými daty. Dalšími operacemi míním navigaci harvestoru v terénu v reálném čase, zaznamenávání polohopisných dat do digitálních lesnických map v přenosném kapesním počítači (PDA) lesnického personálu s možností následného nahrání dat do počítače harvestoru.
Hodnocení využití proběhne na modelovém případě, který předpokládá úplnou digitalizaci prostorových informací a jejich tok mezi jednotlivými subjekty harvestorové technologie, bez nutnosti vyznačení prostorových informací fyzicky v terénu. Model předpokládá následující operace s digitálními daty.
1) Pořízení digitálních dat: -
zisk digitálních lesnických map ve formátu rastr
-
data o technologické přípravě stanoviště, připravená v terénu pomocí PDA, nebo v kanceláři na PC
-
data zaznamenaná harvestorem
2) Předání digitálních dat: -
do harvestoru
-
do PDA pro kontrolu v terénu, do PC pro zpracování výsledků
-
do vyvážecích traktorů
3) Využití (vyhodnocení) digitálních dat: -
k navigaci stroje terénem
-
k předání důležitých informací o přípravě stanoviště harvestoru
-
k předání důležitých dat vyvážecímu traktoru
Celkovou přesnost toku prostorových digitálních dat určuje nejslabší článek celého řetězce, což je v tomto případě určování geografické polohy jednotlivých zařízení v terénu. Určování geografické polohy probíhá v systému TimberNavi harvestoru a v terénním kapesním počítači PDA s integrovanou GPS. V obou případech je ke stanovování polohy používán signál GPS.
Zaznamenávání prostorových informací o poloze těžby harvestorem, obdobně jako navigace stroje terénem pomocí digitálních dat a systému GPS bez nutnosti fyzického vyznačení má smysl pouze tehdy, pokud stroj určuje dostatečně přesně svoji polohu, neboť navigační systém porovnává aktuální polohu stroje s daty, podle kterých je stroj navigován. V případě, že stroj určí svoji polohu s chybou, je chybná i následná navigace, stejně jako zaznamenaná prostorová data o určitých jevech.
Prostorová data technologické přípravy stanoviště naměřená pomocí PDA mají dostatečnou vypovídající hodnotu pouze tehdy, pokud určování polohy dosahuje požadované přesnosti. Pokud je určení polohy chybné, vypovídající hodnota dat je také chybná.
Z výše uvedených odstavců je patrné, že klíčovým faktorem pro použití GPS v harvestorové technologii a práci s prostorovými daty je určování polohy systémem TimberNavi v harvestoru a určování polohy PDA při přípravě stanoviště. Z tohoto důvodu se ověřování použitelnosti GPS v této práci bude zabývat stanovením přesnosti určování polohy systému TimberNavi v harvestoru a systému GPS v PDA. Pro potřeby našeho výzkumu bude harvestorovou technologii zastupovat pouze harvestor; vyvážecí traktory používají stejnou výbavu k práci s polohovými daty, proto by bylo zbytečné zapojit do výzkumu také vyvážecí traktor.
Z důvodu vývoje GPS technologie budou výsledky a naměřená data platná pro období, ve kterém měření probíhala.
V případě, že se v této práci podaří odpovědět na otázku týkající se přesnosti určování polohy, dokáže práce odpovědět také na použitelnost GPS v harvestorových technologiích, při těžbě i technologické přípravě stanoviště.
3
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY
3.1
Harvestorové technologie Termín harvestorová technologie označuje těžební a dopravní postupy
vykonávané harvestorovou technikou. Za harvestorovou techniku bývají označovány dva základní stroje, harvestor spolu s vyvážecím traktorem, jež dohromady tvoří těžebně dopravní celek. Harvestor stromy kácí, odvětvuje, měří, vypočítává optimální sortimenty a kmeny poté příčně rozřezává a pokládá na zem. Výřezy jsou ukládány systematicky podle sortimentů do malých hrání v blízkosti linky, po které se stroj pohybuje. Za harvestorem zpravidla operuje vyvážecí traktor, který výřezy podle sortimentů nakládá pomocí hydraulického jeřábu opatřeného drapákem na úložnou plochu, a poté vyváží na odvozní místo, kde je ukládá do začelených vysokých hrání opět podle sortimentů tak, aby je mohl řidič odvozní soupravy pohodlně naložit a odvézt k dalšímu zpracování. Charakteristickým rysem harvestorové technologie je absence manuelně pracujících dřevorubců, vysoká produktivita práce, automatická optimalizovaná sortimentace řízená palubním PC na lokalitě P, a následné vyvážení hotových sortimentů na odvozní místo. Výřezy jsou při tom vezeny v úložném prostoru vyvážecího traktoru, nedochází tedy k vlečení kmenů v polozávěsu, díky čemuž lze technologii označit jako velice šetrnou.
Technologie pochází původně ze Skandinávie ze Švédska a Finska, kde lesníci stáli před problémem vytvoření nových těžebních postupů, které by zvýšili efektivnost a bezpečnost práce. Společným znakem obou zemí je velká rozloha a lesnatost s poměrně malým osídlením, což vyvolávalo poptávku po pracovní síle. Přesně na tyto požadavky odpověděli konstruktéři firem OSA, MAKERI, LOKOMO (společnost byla později přejmenována na TIMBERJACK a nyní je součástí koncernu JOHN DEERE), když začaly víceméně ve stejnou dobu vytvářet první kácecí stroje, předchůdce dnešních harvestorů. Vývoj šel od jednoduchých čtyřkolových strojů se špatně ovladatelnými jeřáby v osmdesátých letech, přes zlepšování podvozku, hydraulických rozvodů a jejich ovládání během let devadesátých, ke strojům poměrně sofistikovaným a technicky dokonalým v dnešní době. Novinkou v harvestorové technice je vybavování strojů systémem GPS, což předvídá nové možnosti a další vývoj technologie.
3.1.1
Harvestor
Harvestor je samopojízdný víceoperační stroj, který kácí, odvětvuje, rozřezává a ukládá strom v jednom cyklu. (Ulrich, 2003). Z této definice vyplývá, že se jedná o stroj s vysokou efektivitou práce a poměrně značnými nároky na operátora, který musí všechny operace sledovat a přesnými pohyby jeřábu, odvětvovacích čelistí a pilové lišty řídit. O rychlosti sledu jednotlivých operací svědčí fakt, že většina operátorů strom uchopí do čelistí kácecí hlavice, lehce napne, uřízne od země, a ještě než stačí strom spadnout na zem, už je nejméně z jedné třetiny odvětven; ihned poté dochází k příčnému dělení, ukládání, posuvu kmene s odvětvením a dalšímu příčnému řezu, oddělujícímu další výřez. (Viz. Obr.: 1) Dobrý operátor při tom ještě stíhá sledovat, do jakého směru má natočenou hlavici, a tím dochází k ukládání jednotlivých sortimentů k sobě, což velmi usnadňuje práci operátorovi vyvážecího traktoru. (Ulrich, 2003)
Podle výkonu, hmotnosti, dosahu výložníku jeřábu a dalších kritérií lze harvestory rozdělit do kategorií. Základní rozdělení vymezuje stroje malé, střední a velké. (Ulrich, 2003)
Tab. 1: Rozdělení harvestorů podle výkonu a velikosti Charakteristické údaje harvestorů Výkon motoru kW Hmotnost t Šířka cm Dosah jeřábu m Hmotnost stromu m3/strom Max. průměr na úřezu cm Výkon m3/mth * Roční výkon m3/rok v tis. * Motohodina zahrnuje 15 min přestávku
malé <70 4-8 160 - 200 6,0 do 0,15 20 - 35 3-5 7-8
střední 70 - 140 9 - 13 240 - 280 8,5 - 10,0 do 0,35 35 - 45 4-8 12
velké >140 13 - 15 260 - 290 10,0 - 11,0 nad 0,35 45 - 65 5 - 15 18
Stroje lze dělit také podle typů a jednotlivých továrních značek, pod kterými byly vyrobeny. V ČR operují stroje těchto hlavních značek: John Deere (dříve Timberjack), Rottne, Valmet, Ponsse.
3.1.1.1
Nasazení harvestoru
Harvestor může být nasazen na těžbu většiny dřevin zastoupených v ČR. Vhodné je ale porosty předem připravit odstraněním stromů dvojáků a stromů s bajonetovou korunou. Důležité je také projít danou lokalitu, posoudit stav podloží a případná neúnosná a bažinatá území zaznačit do těžební mapy, aby se předešlo zapadnutí stroje. Vyproštění několikatunového zapadlého stroje nebývá jednoduchou záležitostí. Kolové harvestory mohou zvládnout terény po spádnici (podélný sklon) do sklonu 35 – 45 (50) % podle stavu povrchu, nad 45 % přichází v úvahu kolopásová, pásová a kráčející varianta podvozku. Při pojíždění napříč svahem (příčný sklon) je stabilita harvestoru malá a dovoluje max. 10 % sklon. (Ulrich, 2003)
Pro pojízdnost harvestoru musí být únosnost půdy nejméně 5 – 7 % CBR. (Ulrich, 2003) Technologií lze zpracovávat stromy o průměru nad 5 cm. Při automatickém měření délek výřezů je nutné počítat s odchylkou ± 2 % délky. Při těžebních pracích v porostech s menší hmotnatostí je vhodné nasazení menšího stroje, vzhledem k možnosti vytvoření užších linek a větší obratnosti stroje s menším výložníkem i kácecí hlavicí. Jak je patrné z tabulky, výkon menšího stroje je nižší, což může být kompenzováno jeho nižšími pořizovacími náklady. V praxi se uplatňuje nejvíce střední univerzální typ. S rostoucí hmotnatostí kácených stromů stoupá i výkon stroje. Optimální výkon středního harvestoru je při hmotnatosti 0,15 a 0,2 m3, nebo při d 1,3 = 15 – 18 cm, kdy stroje dosahují výkonnosti přibližně 8 m3/mth v probírkách. Výkon stroje při těžbě holosečné je vyšší, protože operátor nemusí dávat pozor na stojící stromy. (Ulrich, 2003)
3.1.1.2
Rozčlenění pracoviště
Těžební zásah je nutné v dostatečném časovém předstihu plánovat, aby mohl být stanoven ekonomicky nejvýhodnější plán a časový harmonogram prací. Plány by měly zahrnovat optimální schema přepravy strojů, jejich maximální časové využití (pořizovací náklady stroje jsou natolik velké, že každá hodina, kdy stroj nepracuje, znamená značný únik financí), výrobu sortimentů, další logistické návaznosti pro následný transport dřevní hmoty, rozčlenění a přípravu porostu, vyznačení zásahu na
těžební či porostní mapě i v terénu. Při rozčleňování porostu a plánování přibližovacích linek je nutné pamatovat na specifika harvestorové technologie. Šířka linií u malých harvestorů je 3,5 m, u středních a velkých typů 4m. (Ulrich, 2003). Přibližovací linie vytváří sám harvestor při průjezdu porostem, když kácí všechny stromy před sebou. Technologie počítá s tím, že operátor při vytváření přibližovací linky a pohybu po ní důsledně odvětvuje stromy před svými koly tak, aby odvětvený klest padal do prostoru před přední kola a tak vytvářel ochranný koberec, chránící zemský povrch před poškozením a vytlačením nežádoucích kolejí. Je nutné si uvědomit, že poškození zpravidla nenastává při pohybu harvestoru, ale při následném vyvážení daleko těžším a hůře manévrujícím vyvážecím traktorem. Vrstva klestu o výšce 35 cm po stlačení je schopna zamezit stlačení půdy na lince. Při normálním zakmenění jehličnatého porostu, kdy šířka linky je 4 m, neposkytují pokácené stromy dostatek klestu. Tím se vytváří koleje, ve kterých dochází k poškození půdy. Erozivní kolej 25 cm a více i od širokých pneumatik se regeneruje za dlouhou dobu 10 – 15 let. (Ulrich, 2003)
Vyznačení linek v porostu se děje reflexní barvou ve spreji (oranžová, zelená). Linky se značí pruhem na stromech stojících na středu budoucí linky. Stromy označené pruhem by měli být na dohled od sebe, aby jednoznačně udávaly směr linky. Stromy určené k těžbě by se měly značit třemi tečkami, aby se operátor s omezenými možnostmi výhledu z kabiny nezdržoval hledáním označených stromů. Doporučuje se proužky i tečky umisťovat co nejvýš, protože v případě nízkého vyznačení stromů operátor sedící dva metry nad úrovní terénu nemusí značení vůbec vidět. K samotnému vytyčení linek se používá pásmo, kterým se odměřují linky a tři výtyčky potřebné k zajištění přímočarosti. Ke kontrole přímočarosti může sloužit také buzola. Důležitým požadavkem při vytyčování je fakt, že linky musí být přímočaré, aby zajistily optimální pohyb poměrně velkých strojů, jejichž možnosti na zatáčení jsou omezené. Rozestup a šíře linek se měří od středu linky. Linky je třeba navrhovat tak, aby odvoz dříví z porostu na skládku na odvozním místě nepřesahoval vzdálenost 200 až 250 m, jinak se vyvážení neúměrně zpomaluje a tím i prodražuje. (Ulrich,2003)
Rozestupy linek při základním pracovním postupu při plném dosahu harvestoru do prostoru je zpravidla 20 m pro smrk a 25 m pro borovici. (Ulrich,2003)
Obr.1: Harvestor Ponsse při těžbě
Obr.2: Vyvážecí traktor Valmet ve finském Valtimo
3.1.2
Vyvážecí traktor
Vyvážecí traktor je vícekolový stroj opatřený jeřábem s rotátorem a čelistmi, kterými nakládá výřezy zanechané v porostu harvestorem na svoji úložnou plochu, a poté je odváží na skládku na odvozním místě. Stroj bývá zpravidla osmikolový, ale existují i varianty šestikolové, jež bývaly hojněji využívány u starších typů.(Viz.: Obr.2) Ke zlepšení jízdních vlastností, prostupnosti terénem i k šetrnějšímu zatížení porostní půdy lze poslední dvě nápravy opatřit ocelovými pásy, někdy též označovanými jako kolopásy. Na jednotlivá kola přední nápravy lze z obdobných důvodů připevnit řetězy, jež usnadní pohyb zatíženého vyvážecího traktoru hlavně v zimě ve sněhu a na zmrzlém povrchu. (Ulrich, 2003)
Základním zařízením vyvážecího traktoru je hydraulický jeřáb, tvořený sloupkem, ramenem a výložníkem, zpravidla teleskopickým. Na konci výložníků je umístěn hydraulicky poháněný a ovládaný rotátor, umožňující otáčení čelistí. Čelisti taktéž hydraulicky ovládané slouží k uchopení kmene. Jednotlivé jeřáby se liší svojí velikostí, dosahem a únosností. Podvozek vyvážecího traktoru je v porovnání s harvestorem daleko masivnější, za kabinou stroje zlomený, s možností hydraulického pohybu do stran i podélného natáčení zadních náprav s úložnou plochou. Úložná plocha je opatřena zpravidla 8 klanicemi, mezi které jsou ukládány výřezy, kratší do dvou hrání, delší do jedné. Práce operátora vyvážecího traktoru je poměrně náročná na přesnost a obratné zacházení těžkým jeřábem. I nejmenší a nejslabší výřezy musí být přesně uchopeny, začeleny na úložné ploše a poté uloženy do přesných hrání. Zkušený operátor jedním uchopením dokáže naložit větší počet výřezů. U kulatiny dva až tři. U tenkých výřezů do desíti. Postup práce probíhá zpravidla tak, že operátor pojíždí po ochranném koberci z klestu ve stopách harvestoru a sbírá jednotlivé sortimenty. Při jedné jízdě sbírá jen jeden sortiment, zpravidla při nakládání dochází také k následné kontrolní sortimentaci a dodatečnému vyřazení nevhodných kusů, kterých si operátor harvestoru nevšiml. (Ulrich, 2003)
Vyvážecí traktory lze obdobně jako harvestory rozdělit do tří kategorií, podle úložné kapacity a velikosti stroje. Malé stroje dosahují nosnosti 4 – 6 t, střední 8 – 10 t, velké až 18 t. Stroje lze dělit také podle výrobců. (Ulrich, 2003)
3.2
Určování polohy - družicové polohové systémy Družicové polohové systémy jsou nejdokonalejšími a nejsložitějšími systémy,
jež dokážou indikovat polohu na zemském povrchu a dále s ní pracovat. Systémy pracují na bázi radiových dálkoměrných měření.
Družicový systém je pasivní a
určování polohy nepřímé. V současné době existují tři základní samostatné systémy. (Rapant, 2003)
GPS (Global positioning system) GLONASS (Globalnaja Navigocionnaja Sputnikovaja Systema) GNSS (Global navigation satelitte system) Systém GPS byl vytvořen v USA původně ryze pro vojenské účely, v dnešní době je signál přístupný civilní sféře. V roce 2000 byl systém plně zpřístupněn veřejnosti, což odstartovalo jeho masivní používání. (Černý, 2005)
Systém GLONASS začal vznikat jako reakce na GPS v zemích tehdejšího Sovětského svazu. V dnešní době je tento systém s určitými omezeními funkční, veřejný, a ačkoli se v období nástupu nového tisíciletí nacházel ve značných finančních potížích, v posledních letech se Rusko snaží díky tlaku prezidenta Putina systém modernizovat. (Šunkevič, 2008)
Systém GNNS vznikl jako alternativa vojenským systémům GPS a GLONASS v Evropě. Zaštiťuje jej několik projektů, z nichž nejznámější je projekt GALILEO. (Šunkevič, 2008)
Znalost přesné polohy může být použita k navigaci. Většina zařízení pracujících s polohou na základě signálů z družic má integrované navigační funkce. Součástí přijímače signálu z družic je navigační počítač, ve kterém mohou být uloženy mapové podklady a software - konkrétní navigační program. (Rapant, 2003)
V následujících podkapitolách je detailněji popsána problematika určování polohy navigace.
3.2.1 Určování polohy
Samotné určování polohy se dá definovat jako procesy a technologie používané ke stanovení polohy bodů v prostoru. Poloha bodů v prostoru se potom vyjadřuje v některém ze souřadnicových systémů, a to buď přímo v terénu, nebo na mapě. (Rapant, 2003)
Rapant (2003) uvádí, že na základě metodiky pro určování polohy rozlišujeme dvě základní skupiny určování polohy. Metody přímé Metody nepřímé Metody přímé vycházejí z přímých měření vzdáleností v terénu, pracuje se se souřadnicemi, například měření bodů podél silnice.
Nepřímé metody určují polohu pomocí jiných veličin než jsou souřadnice. V zásadě se rozlišují na: Úhloměrná měření (pomocí teodolitů) Dálkoměrná měření Kombinace úhloměrných a dálkoměrných měření Dálkoměrná měření většinou používají radaru a radiových vln. Radiové určování vzdálenosti počítá s vysílači o známé poloze, které vysílají signály. Přijímač je poté schopen na základě přijatých signálů vypočítat vzdálenost zmíněných vysílačů, a na základě vzdálenosti pomocí průsečíků kružnic stanovit svoji polohu. (Rapant, 2003)
Nejdokonalejší systémy pro určování polohy pomocí nepřímého měření pracují na principu kombinace úhloměrných a dálkoměrných měření; mezi jejich zástupce patří totální stanice používané v geodézii a měření za použití speciálních radarů. (Rapant, 2003)
Rapant (2003) uvádí, že z hlediska výše uvedených kritérií pro dělení polohových systémů můžeme družicové polohové systémy zařadit mezi zařízení, jež pracují na bázi nepřímých měření, dálkoměrných.
3.2.2 Navigace
Rapant (2003) uvádí, že navigaci lze definovat jako umění dostat se efektivně a bezpečně z jednoho místa na druhé. V průběhu dějin se člověk učil vést svoje kroky nebo první jednoduché dopravní prostředky po požadované trase – učil se umění navigace. Člověk se setkává s navigací v každodenním životě, když se orientuje a naviguje podle bodů. Navigace vždy předpokládá znalost polohy.
Podle používaných metod majících vazbu na historický vývoj, rozlišujeme pět základních typů navigace. (Rapant, 2003)
Navigace podle bodů Jedná se o nejstarší metodu, používanou původně pouze na základě paměti a zkušenosti navigátora. Později začaly vznikat první cestopisné poznámky a první nákresy, jež sahají k počátkům mapování a prvním snahám o zaznamenání tvaru zemského povrchu v ploše.
Navigace pomocí astronomických objektů Navigace probíhá na základě určování polohy známých těles na nebi. Poloha těchto těles se mění v závislosti na čase a poloze pozorovatele. Rozvoj nastal zejména s narůstajícím významem námořnictví a potřebou přesnější navigace. Příkladem může být úhloměrný přístroj - sextant.
Navigace výpočtem Tato navigace předpokládá přesné záznamy směru pohybu, rychlosti pohybu a přibližnou znalost vzdálenosti. Metody používané při námořních plavbách v době Řeků, Féničanů, Římanů. Čas měřili pomocí přesýpacích hodin, vzdálenost znali z prvních cestopisných záznamů a směr určovali pomocí astronomických objektů. Rozvoj této metody přinesl až vynález magnetického kompasu ve třináctém století.
Radiová navigace Radiové navigační systémy jsou
tvořeny sítí vysílačů, tzv. radiomajáků,
vysílajících navigační signály, a uživatelskými přístroji, které na základě přijetí a vyhodnocení signálu určují aktuální polohu. Přesunutím radiových vysílačů ze zemského povrchu na družice vznikly družicové navigační systémy.
Inerciální navigace Pracuje na základě gyroskopu, zařízení schopného ukazovat a udržovat stejný směr. Původně se používaly mechanické gyroskopy, schopné držet většinou severní směr. V dnešní době je gyroskop tvořen laserovými a optickými součástkami, jež jsou schopny na základě akcelerometrů zaznamenat jakoukoliv změnu směru a rychlosti. V kombinaci s PC a známými mapami dokáže zařízení velmi přesně stanovovat polohu a navigovat dopravní prostředek, většinou loď, k cíli.
3.2.3 Družicové polohové systémy – princip určování polohy
Družicové polohové systémy pracují na bázi radiových signálů, vysílaných nezávisle na sobě z většího počtu družic. K hrubému určení polohy by teoreticky stačily pouze tři družice, pro přesnější určení polohy je nezbytný větší počet signálů. Tyto signály jsou zachyceny přijímačem, který pomocí vestavěných analytických nástrojů stanovuje svoji polohu. Jak již bylo uvedeno, zmíněné systémy používají k určování polohy metodu dálkoměrných měření. Rozhodujícím faktorem pro určení polohy je vzdálenost mezi přijímačem a vysílačem radiového signálu. Tato vzdálenost se neměří přímo, ale vypočítává se ze známé doby šíření radiového signálu při víceméně konstantní rychlosti, protože rychlost šíření radiových vln je shodná s rychlostí šíření světla. (Babčaník, 2008)
Přijímač určuje čas tdi , který potřebuje signál, aby dorazil z družice nacházející se ve známé poloze o souřadnicích (x,y,z) v době vysílání signálu do místa, kde se nachází přijímač. Poloha přijímače je v okamžiku přijímání signálů neznámá, pro rozlišení ji označím velkými písmeny (X,Y,Z). Dálkoměrné signály jednotlivých družic jsou od sebe odděleny tak, aby se daly bezpečně identifikovat. (Babčaník, 2008)
3.2.4 Systém GPS (Global positioning system)
GPS systém je používán navigačním programem TimberNavi harvestorové technologie John Deere, proto mu bude věnováno více prostoru než ostatním družicovým systémům.
Systém GPS patří mezi pasivní družicové navigační systémy (tok dat probíhá pouze jedním směrem z družic do přijímače) pracující na bázi dálkoměrných radiových měření. Z dálkoměrných měření se určují vzdálenosti družic a přijímače, nezbytné ke stanovení polohy. Do roku 1996 systém spadal pod Ministerstvo obrany USA. Od roku 1996 je GPS spravován a kontrolován vládním výborem IGEB (Interagency GPS Executive Board), jenž kontroluje a vyvíjí systém v souladu se zájmy národní bezpečnosti. (Šunkevič, 2008)
Myšlenka použití družic jako výchozích stanic pro určování polohy se zrodila v USA na konci šedesátých let minulého století ve vojenských kruzích. Systém byl původně vyvinut a koncipován výhradně pro vojenské účely. Počátky vývoje GPS spadají do roku 1973, kdy byla zahájena první fáze zahrnující vypuštění 4 pokusných družic. Do roku 1979, začátku druhé vývojové fáze, bylo vypuštěno celkem 11 družic. Druhá vývojová fáze zahrnovala vybudování pozemních řídících středisek a doplnění počtu družic na plánovaný počet 24. V roce 1995 došlo k oficiálnímu vyhlášení plné operační způsobilosti systému. Systém vznikající řadu let byl tímto krokem dokončen. V 80. letech 20.století americká vláda rozhodla o uvolnění systému GPS pro civilní účely s aktivovanou selektivní dostupností (S/A). Přesnost GPS signálu s aktivovanou S/A se pohybovala na hranici 100 m. Tento krok znamenal počátek rozšíření systému do civilní sféry. Dne 1.5.2000 prezident Clinton oznámil ukončení úmyslného snižování přesnosti signálu GPS civilním uživatelům. K vypnutí selektivní dostupnosti S/A došlo 2. května 2000 ve 4: 00 UTC. (Viz.: Obr. 3) Jestliže reálná přesnost v ČR se při zapnuté selektivní dostupnosti pohybovala okolo 50 m, po jejím vypnutí se posunula do rozmezí 5 až 10 m. Clintonovo rozhodnutí tak předznamenalo masivní nárůst v používání technologie v civilním sektoru, což trvá dodnes. (Černý, 2005)
3.2.4.1 Struktura systému GPS
Systém GPS je tvořen třemi základními segmenty, které se liší svojí funkcí a lokalizací. Všechny tři segmenty pracují v součinnosti a pouze dohromady mohou poskytovat data vedoucí k určení polohy. Hlavním jednotícím prvkem pro všechny segmenty je přesný atomový čas, pomocí něhož se jednotlivé segmenty spojují v jeden systém. Segmenty představují.: (Bergman, 2005)
Kosmický segment – družice Řídící segment - řídící střediska Uživatelský segment – GPS přijímače
Kosmický segment Kosmický segment je tvořen 24 systematicky rozloženými družicemi ve výšce 20 200 m na 6 oběžných drahách. (V současné době se jich ve vesmíru nachází 28 z důvodu dalšího vývoje.) Oběžné dráhy mají stálou polohu vůči Zemi. Doba oběhu jednotlivých družic kolem Země je přibližně 12 hodin. Na každém místě na Zemi se v průběhu celého dne vyskytují minimálně 4 družice. V České republice je běžně k dispozici okolo 7 - 8 družic v daný okamžik. Pro určení polohy v prostoru je nutné přijímat signály ze čtyř družic, protože kromě tří neznámých souřadnic x,y,z je neznámou i čas t (respektive posun času přijímače GPS oproti času UTC GPS satelitů). Jakákoliv další viditelná družice zlepšuje konfiguraci a tím i výsledky měření. Družice jsou v podstatě bezúdržbové, ze strategických důvodů schopny pracovat autonomně až 180 dní. Pouze dvakrát za rok dojde k doplnění celsia v atomových hodinách a jedenkrát za rok dojde ke korekci postavení na oběžné dráze. (Bergman, 2005)
Řídící segment Řídící segment dohlíží nad správnou činností družic, aktualizuje údaje obsažené v navigačních zprávách, řídí družice, aktualizuje čas a oběžné dráhy družic (aktualizuje informace o času a poloze družic).Tyto aktualizace jsou poté družicemi vysílány jako tzv. efemeridy každých 24 hod. K těmto účelům slouží 5 pozemních monitorovacích
stanic, jež jsou umístěny rovnoměrně po obvodu Země, většinou blízko rovníku. Nacházejí se na Havajských ostrovech, na atolu Kwajalein na Marshallových ostrovech v západním Tichomoří, na ostrově Ascension ve středním Atlantiku, na ostrově Diego Garcia uprostřed Indického oceánu a v Colorado Springs v USA. Hlavní řídící stanice v Ascension v Coloradu je zabezpečená proti případnému útoku v opevněném bunkru ve Skalistých horách. (Bergman, 2005)
Uživatelský segment Uživatelský segment je tvořen
GPS přijímači a vyhodnocovacími nástroji.
Přijímač GPS se skládá z antény, navigačního přijímače a navigačního počítače. Na základě přijatých signálů z družic dojde k předběžnému výpočtu polohy, rychlosti, času. Pro výpočet 4 souřadnic XYZT je nutné přijmout signály minimálně ze 4 stanic. Přesné určování polohy je možné při použití referenčních přijímačů umístěných na stanovištích o známé poloze, které umožňují získat data pro opravu výpočtů polohy u mobilních stanic. Naměřenou polohu lze tímto způsobem výrazně zpřesnit. GPS přijímače pracující s korekcemi lze označit jako diferenční GPS přijímače. Metoda diferenčních měření nalezla využití při přesných
měřických
pracích, vytyčování
geodetických sítí atd. Přijímače GPS pracují v souřadnicovém systému WGS – 84, neumí pracovat přímo v systému S- JTSK. V případě potřeby lze data naměřená v souřadnicovém systému WGS – 84 převést dodatečně do systému S – JTSK. (Bergman, 2005)
3.2.4.2 Signál GPS
Radiový signál vysílaný družicemi je tvořen kombinací nosné vlny, dálkoměrného kódu a navigační zprávy. Veškeré složky signálu jsou odvozovány násobením a dělením základní frekvence. V systému GPS jsou používány dvě nosné frekvence L1 a L2. (Bergman, 2005)
Frekvence L1 Frekvence L1 je signál standardní polohové služby s kmitočtem 1575,42 MHz a vlnovou délkou 19 cm. Signál je reprezentován dvěma dálkoměrnými kódy P- kódem, přesným kódem, který může být zašifrován a pak nese označení Y – kód, a C/A kódem, hrubým dostupným kódem, který není šifrován, ale lze u něj aktivovat SA (selektivní dostupnost), jež sníží přesnost C/A kódu na chybu až 100 m. Horizontální přesnost určení polohy pomocí C/A kódu se pohybuje v řádech jednotek metrů.
Frekvence L2 Frekvence L2 tvoří signál s kmitočtem 1227, 6 MHz o vlnové délce 24 cm, jenž je tvořen pouze P – kódem, který je šifrován, takže se jedná o Y – kód, k dešifraci Y – kódů je třeba W – kód, který znají pouze autorizované přístroje, tedy přístroje používané armádou. Většina civilních uživatelských zařízení pracuje pouze s C/A kódem, který je dále v případě potřeby zpřesňován diferenčními měřeními. Výhodou P kódu je použítí frekvence L1 a L2 součásně, čímž lze odstranit ionosférické a troposférické refrakce, což zajišťuje velmi přesné určení polohy. Příkladem mohou být geodetické přístroje GPS pracují s přesností v řádech milimetrů.
Dálkoměrný kód Dálkoměrný kód je tvořen různými násobky a podíly základní frekvence podle dohodnutého klíče a obsahuje informace o času odeslání jednotlivých částí kódu. Přijímač na základě dálkoměrného kódu, času vyslání konkrétní části signálu a času přijetí této konkrétní části vypočítá vzdálenost družice. Rychlost šíření signálu je víceméně konstantní a rovná se rychlosti šíření světla.
Navigační zpráva Obsahuje neveřejné informace provozního charakteru o telemetrii (dráze) a poloze jednotlivých družic, korekční data, kontrolní údaje o stavu družic, dále informace o stavu ionosféry a data vojenského charakteru.
3.2.4.3 Přesnost systému GPS
Přesnost určování polohy je ovlivňována řadou faktorů. Nejdůležitějším kritériem, je kvalita GPS přijímače a jeho funkcí. Běžně dostupné turistické GPS přístroje dosahují za ideálních podmínek přesnosti 5 – 10 m . V případě, že tato přesnost nestačí, je nutné použití sofistikovanějšího přístroje, který umožňuje použití korekcí, čímž lze dosáhnout přesnosti až v řádu několika milimetrů u speciálních geodetických přístrojů. Nejedná se však o měření polohy v reálném čase. (Černý, 2005)
Mezi dalšími faktory má rozhodující vliv postavení satelitů na obloze vůči pozorovateli. Optimální rozložení družic nastává, pokud je jeden satelit v nadhlavníku a další tři jsou rovnoměrně rozmístěny na obloze. Aktuální rozmístění satelitů se zobrazuje na displeji. Dobu příhodného rozložení družic lze vypočítat, popřípadě určit jednoduchými programy. Vhodnost rozmístění satelitů popisuje číslo PDOP, jehož hodnota je vyjadřována číselnou řadou od číslice jedna dále. Čím je hodnota čísla vyšší, tím nepříhodnější je rozložení družic v daný čas. (Rapant, 2003)
V terénu přesnost významně ovlivňuje případné zastínění antény a pomyslné spojnice satelit – anténa. Stínění se může projevovat při měření v údolích, v zástavbě, v lesních porostech atd. Proto není vhodné GPS přijímač při měření pokládat na zem nebo jej stínit vlastním tělem. (Rapant, 2003)
Při měření v lesních porostech se stínění signálu podle zkušeností nejvíce projevuje v jehličnatých porostech, tvořených stromy s hustou korunou, za deště (vlhké listy pravděpodobně zvyšují odrazy signálu a tím také šum). Naopak relativně dobře GPS funguje v nízkých křovinách a samozřejmě v listnatých porostech v zimě. Jednotlivé typy GPS přijímačů se liší v citlivosti na signál v lesních porostech, a proto je také rozdílná možnost jejich použití pro měření pod korunovým zápojem. (Rapant, 2003)
Faktory ovlivňující přesnost GPS: V následujícím výčtu jsou přehledně uspořádány faktory ovlivňující přesnost měření (Rapant, 2003)
•
řízení přístupu k signálu z družice ( možnost zapnutí S/A)
•
Pečlivost přípravy plánů měření
•
Přesnost měření, způsob měření a vyhodnocení
•
Přístupnost signálu z družic
•
Počet viditelných družic a jejich uspořádání
•
Stav družic (jejich funkčnost, nezdravost)
•
Poměr signál - šum, vícecestné šíření signálu
•
typ přijímače
•
platnost efemerid a jejich přesnost
•
přesnost hodin na družicích, chyba hodin na přijímači
•
vliv ionosféry a troposféry
Obr. 3: Vliv odpojení S/A na přesnost GPS
3.2.4.4
Korekce
Nejpřesnějších výsledků při určování polohy lze docílit GPS přijímači s možností korekcí (Differential GPS – DGPS). Princip korekcí spočívá ve zpřesnění naměřené polohy pomocí stanovené odchylky určení polohy, již lze získat z referenční pozemní GPS stanice o známé poloze. Tato stanice přijme signál GPS, vypočítá na jeho základě svoji polohu a tuto přijatou polohu srovná se svojí přesně trigonometricky zaměřenou polohou. Na základě srovnání přijaté a známé polohy lze stanovit odchylku určení polohy, pomocí které jsou korigovány polohy mobilních přijímačů. Přesnost odchylky určení polohy je pro mobilní stanici vyšší s klesající vzdáleností GPS přijímače mobilního a GPS přijímače se známou polohou. Korekce je platná pouze pro čas, ve kterém byl přijat signál GPS, z důvodu proměnného charakteru kvality přijímaného signálu. (Rapant, 2003)
Existují dva základní typy korekcí, korekce v reálném čase a postprocesní korekce. Oba typy mají své výhody a nevýhody. Některé GPS přijímače pracují pouze s jedním typem korekce, u nejkvalitnějších přístrojů mohou být použity oba typy korekce. (Rapant, 2003)
Korekce v reálném čase ( real-time DGPS ) Zpřesnění probíhá přímo při měřeních v terénu, pomocí přijímaných informací z referenčních stanic. GPS přístroj musí být vybaven pro příjem dat. Existuje více systémů: (Rapant, 2003)
-
Korekce WAAS/EGNOS
-
Korekce pomocí NTRIP protokolu
-
Korekce pomocí radiového přijímače BEACON
Postprocesní korekce (postprocessing) U postprocesních korekcí odpadá nutnost příjmu korekčních souborů GPS přístrojem v reálném čase v terénu. Opravná data z referenčních stanic pro konkrétní časy měření jsou získána dodatečně. Zpřesnění naměřených dat probíhá v GIS programech na PC. Postprocesní korekce předpokládá stažení dat z GPS přijímače do PC. (Rapant, 2003)
3.2.4.4.1
Korekce v reálném čase.
Korekce WAAS/EGNOS Korekce v systému WAAS/EGNOS mohou používat i turistické GPS přijímače. Korekční signál je vysílán ze satelitů. Za ideálních podmínek lze dosáhnout přesnosti až 3 metry. Výhodou systému je bezplatnost a dostupnost. Nevýhodou je menší přesnost ve srovnání s jinými možnostmi a také skutečnost, že satelitů šířících tento signál je poměrně málo, a navíc se objevují v našich zeměpisných šířkách nízko nad jižním horizontem a jejich signál je tudíž často nedostupný. (Rapant, 2003)
Korekce pomocí NTRIP protokolu Další možností korekcí v reálném čase je použití NTRIP protokolu, což je mezinárodní standard pro šíření korekcí v reálném čase prostřednictvím internetu. Nezbytnou součástí při zpracovávání korekcí je mobilní telefon s GPRS nebo vytáčeným spojením pro připojení k internetu. Na území ČR je v provozu několik sítí pozemních stanic poskytujících tyto korekce, nejúplnější a nejdostupnější sítí je CZEPOS. Síť provozuje zeměměřický úřad. Výhodou je vysoká přesnost v reálném čase (cca 30 cm), nevýhodou vysoké vstupní a také provozní náklady. V odlehlých oblastech je nutné počítat také s malou dostupností GSM signálu. (Rapant, 2003)
Korekce pomocí radiového přijímače Beacon Jedná se o real-time korekci na základě radiového signálu, zpracovávaného pomocí přijímače Beacon; v některých oblastech je dostupný komerčně šířený signál. V ČR není tato korekce příliš používaná. (Rapant, 2003)
3.2.4.4.2
Postprocesní korekce
K postprocessingu se používají data ve formátu RINEX ze sítě CZEPOS, popřípadě z jiné pevné sítě, či stanice. Mobilní GPS přijímač pracující v terénu musí být vybaven programem na ukládání naměřených dat ve formátu, umožňujícím jejích další zpracování ve vhodném GIS. Data lze získat pomocí internetu. (Rapant, 2003)
3.2.5
Systém GLONASS (Globalnaja Navigocionnaja Sputnikovaja Systema)
Družicový satelitní systém GLONASS začal vznikat jako vojenská reakce na americký systém GPS ve vesmírném středisku Bajkonur. V minulosti stejně jako dnes je provozován ruskou vládou, konkrétně Úřadem ruských vojenských vesmírných sil. Systém byl dlouhou dobu určen pouze pro vojenské účely ruské armády, v dnešní době je však ne dlouho bezplatně zpřístupněn také pro civilní sektor. Zpřístupnění systému se projevilo zrušením opatření omezujících přesnost signálu. Rusko si od tohoto kroku slibuje začátek komerčního využívání systému. Komercí se rozumí prodej přijímačů, příjem signálu je tak jako u systému GPS zdarma. Většina polohových a navigačních přijímačů na trhu však zatím signály z družic URAGAN (název družic systému GLONASS) neumí vyhodnotit. Do budoucna se však počítá s přijímači, které budou umět vyhodnotit oba signály, což zajistí, že bude možno polohu stanovovat ze signálu více družic, a tím se docílí vyšší přesnosti při určování polohy. (Šunkevič, 2008)
První dvě testovací a jedna provozní družice byly vypuštěny na oběžnou dráhu 12. října 1982. Celkem bylo Sovětským svazem vypuštěno 44 provozních a 8 testovacích družic systému GLONASS do roku 1991. V tomto roce také fungovalo 12 družic. Po pádu Sovětského svazu začal vývoj a plánované rozšiřování počtu družic stagnovat z důvodu finanční krize projektu. Ačkoli v roce 1993 Rusko vyhlásilo, že je systém kompletní, dostupnost signálu ještě nebyla pro stanovování polohy dostačující. Projekt upadal až do přelomu tisíciletí, kdy už bylo funkčních jen osm družic. K výraznému obratu došlo dne 20.srpna 2001, kdy byl ruskou vládou schválen federální program "Globální navigační systém", který vyhlásil novou éru systému GLONASS. Podle něj by měl být systém plně funkční (tzn. plný počet 24 družic na oběžné dráze) do roku 2011. Začátkem roku 2007 GLONASS čítal 19 družic, ze kterých však ne všechny fungovaly. Pro rok 2007 se počítalo s vypuštěním šesti nových družic, v roce 2008 pak s dalšími pěti. V současné době GLONASS expanduje na východ, kde spolupracuje s indickou vládou v oblasti družicových technologií. 18. května 2007 podepsal prezident Putin vládní výnos, kterým systém
GLONASS oficiálně zpřístupnil pro civilní
uživatele v Rusku i na celém světě bezplatně. Tento čin umožnil výrobcům přijímačů GPS začít postupně plánovat a vyrábět přijímače schopné vyhodnocovat signály z obou družicových systémů. (Šunkevič, 2008)
3.2.6
Systém GNSS (Global navigation satelitte system)
Globální navigační satelitní systém vzniká v Evropské unii pod vedením Evropské komise (European Comission) a Evropské kosmické agentury (European Space Agency) jako alternativa vojenským a tudíž ne zcela nezávislým družicovým systémům pod známějším názvem projektu - GALILEO. O tomto systému se více rozepíši vzhledem k očekávanému výraznému rozšíření systému v Evropě po jeho dokončení. Avizované rozšíření se patrně nevyhne díky vyšší přesnosti než poskytuje systém GPS ani harvestorovým technologiím. Kompletní uvedení projektu GALILEO do chodu je plánováno na rok 2013. Projekt počítá s vybudováním sítě 30 družic obíhajících ve třech rovinách po kruhových plochách ve výšce cca 23 500 km. Předpokládaná přesnost systému by se měla vejít do jednoho metru. Co se týče technického řešení, jedná se o nejdokonalejší systém s více funkcemi než nabízí ostatní, přece jen o něco starší globální navigační systémy. (Šunkevič, 2008)
Systém GALILEO by měl podle plánů poskytovat pět služeb. Základní služba (Open Service - OS ) Služba "kritická" z hlediska bezpečnosti (Safety of Life service - SoL ) Komerční služba (Commercial Service - CS ) Veřejně regulovaná služba (Public Regulated Service - PRS ) Vyhledávací a záchranná služba (Search And Rescue service - SAR ) Podle projektu by měly být základní služby zpřístupněny všem uživatelům bez omezení. Komerční služby by měly být volně prodejné, zakódované pouze pro zákazníky, ostatní služby jsou určeny pouze pro autorizované uživatele, zejména záchranné, policejní a vojenské jednotky. Vývojový tým počítá s využitím systému v dopravě, jako nástroje pro účinné navádění, sledování, kontrolu a výběr poplatků za použití komunikací. Systém je koncipován tak, aby mohl navádět a řídit záchranné práce (neveřejná služba). Přesnost jednoho metru by také znamenala dostačující přesnost pro vývoj nových pracovních postupů v zemědělství, lesnictví, při stanovování přesných ploch v ochraně přírody, zeměměřičských a stavebních pracích. (Šunkevič, 2008)
Celkové náklady na postavení operačního systému se uvádějí ve výši 3,2 miliardy euro. Očekává se však, že se systém zaplatí a bude postupně vytvářet zisk. Odhady dnes počítají s užíváním 3 miliard přijímačů v roce 2020 a s tím spojeným finančním obratem 275 miliard Euro ročně. Ačkoli se projekt Galileo v roce 2007 nacházel ve finanční krizi, dne 23. 11. 2007 ministři financí Evropské unie vyčlenili zbývající částku 2,4 miliardy euro na dostavění systému. Použili finance z nevyčerpaných fondů pro zemědělství za rok 2007. (Šunkevič, 2008) Ve vesmíru se již nachází první ze třech pokusných družic systému GALILEO, pojmenovaná GIOVE –A. (Viz. Obr.: 5) Družice byla na svoji oběžnou dráhu vynesena raketou Sojuz z vesmírného centra Bajkonur dne 28. prosince 2005 a od ledna 2006 vysílá signál s reálnou navigační zprávou. Technické parametry navigační zprávy byly na jaře minulého roku zveřejněny pro potřebu vývoje a výzkumu výrobců navigačních zařízení. Ve vývoji ve fázi pozemního testování se nachází druhá experimentální družice BLOKU – B (Viz. Obr.: 4), která by měla být vynesena na oběžnou dráhu v dubnu tohoto roku. Ve fázi testování se nachází také poslední pokusná družice GIOVE –A2, která měla být původně vyslána na oběžnou dráhu začátkem roku 2008, neplánované zpoždění GIOVE – B však její vyslání posunulo na konec tohoto roku. První čtyři pracovní družice systému se vyvíjí na několika místech Evropy současně tak, aby mohly být vyneseny do kosmu do konce roku 2009. (Šunkevič, 2008)
Obr. 4: Družice GIOVE-B při testování v Holandsku
Obr. 5: Družice GIOVE –A ve vesmíru
3.2.7
Systém COMPASS (Beidou)
Jedná se o velmi rychle vznikající družicový navigační systém, který má ve velmi krátké době do konce roku 2008 pokrýt navigačním signálem území Číny a některých sousedních zemí. Čína v letech 2000 až 2007 vypustila na oběžnou dráhu pět fungujících družic, které jsou zatím lokalizovány nad Čínou. Předpokládá se, že navigační systém COMPASS bude postupně rozšířen na globální navigační a polohový systém. (Šunkevič, 2007)
4
Východiska řešení
4.1
Výběr konkrétní experimentální lokality Vlastní měření a ověřování navržené metodiky bylo provedeno ve dvou
lokalitách. Při hledání vhodné lokality bylo nutno přihlédnout k časovému harmonogramu nasazení harvestorové techniky firmy Drastich s.r.o., jejíž majitel pan Jiří Drastich nám laskavě umožnil provádět měření na jeho strojích. Po poradě s majiteli lesních pozemků, správou LČR s.p. Znojmo a vedením školního polesí SLŠ v Hranicích, bylo vytipováno několik porostů v okolí Znojma a Hranic na Moravě, které byly určeny pro harvestorovou těžbu. Vzhledem k tomu, že si práce klade za cíl zhodnotit také vliv korunového zápoje na přesnost měření, byly porosty vybrány tak, aby jeden porost byl s hustým korunovým zápojem a druhý porost s převahou modřínu, jehož větve v zimním období nenesou jehlice.
Po návštěvě porostů s revírníkem byl vybrán porost 504 D 5
(LHP LHC
Znojmo, LHProjekt a.s., 2005, platnost 1.1.2006 – 31.12.2015) v revíru Kravsko, jež spadá pod lesní správu Znojmo, poblíž silnice Jevišovice – Bozkovštejn. Porost jsem pro větší názornost označil jako porost č. 1 – Znojmo, jednalo se o modřínový porost s příměsí listnatých dřevin. Vlastní měření na této lokalitě proběhla ve čtvrtek 17. ledna 2008. Teploty se celý den pohybovaly kolem nuly, na zemi ležel slabý poprašek sněhu a oblohu pokrývala nízká oblačnost.
V lokalitě Hranice na Moravě byl vybrán porost 12 B 2b. (LHP LHC Střední lesnická škola Hranice, TAXONIA a.s., 2000, platnost: 1.1. 2001 – 31.12. 2010) Porost jsem označil jako porost č. 2 – Hranice. Jednalo se o hustý smrkový porost s hustým korunovým zápojem. Měření proběhla 21. února 2008 za polojasného počasí.
V obou případech se jednalo o první probírky. Mladé porosty byly vybrány záměrně jako porosty, ve kterých je omezen volný pohyb harvestoru. Harvestor se při práci pohybuje pouze po linkách. V obou porostech byly vyznačeny stromy k selekci a těžební linky standardním neonovým značkovacím sprejem Sylva mark.
4.1.1 Popis porostů
4.1.1.1
Porost č. 1 – Znojmo
Porost č. 1 se nachází v 390 metrech nad mořem, sklon terénu je 0-1°. Jednalo se o modřínový porost s příměsí listnatých dřevin se zakmeněním 10, zastoupením MD 70%, DB 20%, HB 10%, průměrnou výškou MD – 14, DB – 16, HB – 8 metrů. Věk byl dle LHP stanoven na 30 roků.
4.1.1.2
Porost č. 2 – Hranice
Porost č. 2 leží v 385 – 405 metrech nad mořem. Sklon terénu je v němvýraznější 3 – 5 °. Jednalo se o smrkový porost se zakmeněním 10, zastoupením SM 95%, MD 4%, BK 1%, průměrnou výškou SM -14, MD – 16, BK – 8 metrů. Věk byl dle LHP stanoven na 25 roků. (Viz. Obr.: 6)
Obr. 6: Porost č. 2 – Hranice 12 B 2b
Obr. 7: Porost č. 1 – Znojmo 504 D 5 digitální lesnická mapa formát rastr
Obr. 8: Porost Č. 1 – Znojmo, fialové čáry - návrh linek
4. 2
Zajištění vstupních digitálních dat
Digitální polohopisná data byla naměřena na daných lokalitách za použití přenosných GPS stanic Trimble Pathfinder ProXH a Trimble Juno ST, dále za použití GPS antény a systému TimberNavi. Data naměřená přístrojem Trimble Pathfinder ProXH byla následně zpřesněna korekčními daty ze tří nejbližších referenčních stanic služby CZEPOS - DGPS, poskytované Českým úřadem zeměměřičským a katastrálním. Podkladové digitální mapy byly získány z GIS střediska firmy LČR s.p.
4.2.1
Použitá geoinformační technologie
K měření byly použity přístroje zapůjčené Ústavem geoinformačních technologií LDF MZLU v Brně. Jednalo se o přístroje umožňující měření polohy pomocí signálu GPS, následný výpočet a stanovení polohy s možností uložení dat pro následné zpracování v GIS softwaru.
4.2.1.1
Trimble Pathfinder ProXH
Trimble ProXH je kvalitní GPS přístroj, pracující na bázi H – Star technologie, která umožňuje měření s přesností do 30 cm, při použití
postprocessingu
EVEREST.
Nespornou
a
technologie
výhodou
tohoto
přístroje je, že jeho řídící software dokáže při měření v reálném čase indikovat aktuální přesnost měření, a očekávanou přesnost po korekci. GPS přijímač, anténa a baterie tvoří jednu kompaktní jednotku. (Viz. Obr.: 9) .
Obr. 9: Trimble Pro XH
Přístroj umožňuje:
příjem real time korekcí WAAS dosažení submetrové přesnost v reálném čase (do 30 cm) RTCM vstup DGPS korekcí NMEA a TSIP datový přenos
4.2.1.2
Trimble Juno ST
PDA Juno ST je velice produktivní kapesní počítač vhodný pro sběr GPS dat. Výrobce uvádí, že dosahovaná přesnost při zaměřování polohy je 2 – 5 m v reálném čase, nebo při použití postprocessingu, a že je přístroj osazován citlivým GPS přijímačem, který zvládá práci
v nepříznivých
podmínkách
lesního
prostředí. (Viz. Obr.: 10) Obr. 10: Trimble Juno ST
Přístroj umožňuje:
příjem real time korekcí WAAS postprocessing práci s Windows Mobile 5.0 kompatibilitu s ostatními GIS bluetooth bezdrátové LAN technologie
4.2.1.3
TimberNavi
TimberNavi je geografický informační systém, který pracuje na bázi GPS signálu. Systém umožňuje operátorovi harvestorových technologií vidět jeho pozici v reálném čase na počítačovém displeji palubního počítače stroje. Program dále umožňuje nahrávání digitálních lesnických map a tvorbu dalších mapových vrstev, na kterých mohou být zaznamenána důležitá data týkající se terénních podmínek, vyznačených pracovních polí, významných biotopů, elektrovodů, hranic států, silniční a odvozní sítě, skládek atd. Digitální mapy a jejich jednotlivé vrstvy mohou být připravovány v kanceláři, a poté nahrány do počítače stroje, aby se stroj nezdržoval v terénu, nebo lze informace zaznamenávat přímo do palubního počítače stroje.
TimberNavi lze použít v harvestoru i vyvážečce; systém je navržen tak, že předpokládá jejich vzájemnou spolupráci. Harvestor může například zaznamenat data týkající se produkce na digitální mapě. Takto připravenou mapu lze nahrát do počítače vyvážecího traktoru, jehož řidič poté může vidět na digitální mapě polohu dříví, linek a všech dalších důležitých informací, které mu zaznamenal operátor harvestoru. K přenosu dat lze použít bezdrátovou komunikaci. Systém tak umožňuje efektivnější plánování odvozu dříví a větší kontrolu nad jeho tokem.
Systém TimberNavi předpokládá, že je stroj vybaven anténou schopnou příjmu GPS signálu. Anténa je u harvestorové techniky John Deere montována na kabinu stroje a je napojena na palubní počítač přes USB rozhraní.
4.2.2
Zajištění vstupních digitálních dat z existujících zdrojů
Pro přípravu prací a následné zpracování výsledků bylo nezbytné získání digitálních lesnických map lokalit, na kterých probíhala měření. Digitální mapy dodalo oddělení GIS ředitelství LČR s.p v Hradci Králové. (Viz. Obr.: 11)
Ke zpřesnění dat naměřených přístrojem Trimble Pathfinder ProXH byla použita data pro postproccessing poskytnutá Českým úřadem zeměměřičským a katastrálním. Jednalo se o službu CZEPOS, a korekce DGPS. CZEPOSem uváděná přesnost DGPS korekcí je do 10 cm.
Obr. 11: Digitální lesnická mapa ve formátu rastr, porost č. 1 Znojmo
4.2.3
Zajištění vstupních digitálních dat - tvorba vlastních datových sad
Získané mapy spolu s naměřenými polohopisnými údaji bylo nutné upravit v GIS, umožňujícím práci a analýzu dat ve vektorovém i rastrovém formátu. K tomuto účelu byly vybrány Open Source GIS programy Quantum GIS verze 1.0.1 „KORE“ a GIS GRASS 6.4.
4.3
Zajištění harvestorové techniky Všechna měření probíhala na stroji Harvestor John Deere 770 D, (viz. Obr.: 12)
patřícím firmě Drastich, s.r.o. Harvestor nejprve operoval v oblasti Znojma, a poté byl převezen do oblasti Hranic na Moravě. Harvestor John Deere 770 D byl vyvinut pro práce v prvních probírkových těžbách a pro zpracování kmenů s průměrem do 550 mm. Výkonem, váhou i rozměry se řadí do střední kategorie strojů. (Viz. Tab.: 1)
Obr. 12: Harvestor John Deere 770 D
5
METODIKA Tato diplomová práce je zaměřena na zhodnocení využití GPS pro harvestorové
technologie v lesnictví. Využití GPS v této technologii znamená digitalizaci informačního procesu mezi zadavatelem prací a zhotovitelem – harvestorem. Základním kritériem pro využití GPS v harvestorové technologii je přesnost určování geografické polohy všech elementů účastnících se toku prostorových digitálních dat v harvestorové technologii. Tok dat zahrnuje jejich pořízení, předávání a vyhodnocování. Klíčovým faktorem ovlivňujícím kvalitu celého toku je však určování geografické polohy harvestoru a počítače PDA. Z tohoto důvodu je metodika navržena tak, aby ověřila přesnost určování polohy informačním systémem TimberNavi, jenž je používán v harvestoru, a přesnost určování polohy PDA, jako vstupního zařízení digitálních dat.
5.1
Modelování a návrh toku digitálních dat Pokud by přesnost určování polohy systémem TimberNavi a PDA byla
dostačující pro požadavky na přesnost práce v běžném lesnickém provozu v České republice, došlo by k zásadnímu zlomu v technologii přípravy stanoviště pro těžební práce. Znamenalo by to v podstatě digitalizaci celého procesu. Lesní personál by použil lesnickou digitální mapu, do které by vyznačil plánované těžební zásahy, plánované vyklizovací linky, místa skládek dříví, chráněných zón, nebezpečných lokalit atd. v PDA vybaveném GPS. Takto zpracované údaje by se zanesly do digitální mapy, která by se nahrála do harvestoru nebo vyvážecí soupravy. Operátor by se již dále nemusel zajímat o polohu, protože by jej program TimberNavi navigoval po linkách. Tímto by se výrazně zkrátil čas potřebný pro předání pracoviště, předešlo by se případným nesrovnalostem při kontrole a v budoucnu by nebylo zapotřebí fyzického vyznačování těchto zásahů v terénu.
5.1.1 Modelování a návrh toku digitálních dat v harvestoru
Model toku digitálních dat v harvestoru předpokládá předání digitální lesnické mapy se zaznamenanými pokyny k těžebnímu zásahu do GIS TimberNavi, který by
poté provedl stanovení polohy stroje a na základě porovnání aktuální polohy stroje a dat na mapě by navigoval stroj podle zadaných prostorových dat. V případě, že by stroj nedokázal dostatečně přesně určit svoji polohu, ztrácí navigace stroje v reálném čase smysl a může být použita pouze jako doplňující informace o poloze stroje pro posádku. Navigace stroje bez nutnosti vyznačování zásahu v porostu by nesplňovala požadovanou přesnost pro práci v porostu.
5.1.2 Modelování a návrh toku dat v PDA
Tok digitálních dat v harvestorové technologii počítá s použitím přenosného počítače PDA, ve kterém by měl lesní personál uloženou lesnickou digitální mapu, do níž by zaznamenával body středů těžebních linek a další body zájmu, místo fyzického značení v terénu. Rozhodujícím faktorem pro tuto operaci je však přesnost určování polohy PDA.
5.2
Zjištění přesnosti měření v lesních porostech Základním předpokladem pro ověření přesnosti určování polohy harvestoru a
PDA bylo vytvoření sítě bodů s co nejpřesnějšími polohopisnými údaji, se kterou se poté body naměřené harvestorem a PDA porovnaly. V našem případě síť přesných bodů zajistily body naměřené GPS přístrojem Trimble Pathfinder ProXH po zpřesnění postprocessingem. (Viz Obr. 13) Vzhledem k vysoké přesnosti GPS přístroje Trimble Pro XH byla data naměřená tímto přístrojem považována za přesná. K nim se poté vztahovaly další naměřené hodnoty.
V porostu č.1 byly navrženy linky pro výchovný zásah a přesně podle pásma a výtyček vyznačeny. Na každé lince byly dále vyznačeny tři body: na začátku, uprostřed a na konci. (Viz. Obr.: 8) Poloha těchto bodů byla zaměřena přístroji Trimble ProXH a Trimble Juno, pro potřeby srovnání přesnosti (viz obr. 14). Dále došlo k označení stromů určených k těžbě třemi tečkami zelenou značkovací barvou a středů linek červenými kruhy na stromech ležících na středech linek ve výšce 1,5 m od země, ve vzdálenosti přibližně deseti metrů od sebe tak, aby měl operátor harvestoru ideální podmínky pro svou orientaci při pohybu terénem.
Obr. 13: Zpřesnění naměřených bodů pomocí postprocessingu, černé body - naměřené body ProXH, červené body- zpřesněné body, linie – návrh přibližovacích linek
Obr. 14: Stejné body zaměřené Trimble ProXH a Juno ST, černé body - naměřené ProXH, červené body - naměřené Juno ST, zelené body – zpřesněné body naměřené Juno ST
5.2.1 Zjištění přesnosti stanovení polohy GIS TimberNavi v harvestoru
Pokusné porosty byly vybrány záměrně jako porosty s odlišným korunovým zápojem a terénními podmínkami. V zadaných porostech došlo nejprve k vyznačení linek, po kterých se měl stroj pohybovat, a k označení stromů určených k selekci. Porosty byly poté vytěženy harvestorem John Deere 770 D. Harvestor se při práci snažil přiblížit navrhnutým linkám, což se mu nepodařilo úplně přesně z důvodů dosahu stroje. Vznikla tak linka skutečná, odlišná od linky navržené.
K výbavě harvestoru patřil GIS systém TimberNavi, umožňující zaznamenávání polohy stroje při práci pomocí bodů o daných souřadnicích. Časový interval pro zaznamenávání bodů byl nastaven po pěti minutách. Tento časový úsek se ukázal jako nejvýhodnější po několika pokusných měřeních. Pět minut byla dostatečně dlouhá doba, aby v měření nedošlo k nepřehlednému zahuštění body s podobnými souřadnicemi, a zároveň dostatečně krátká doba k tomu, aby byl transparentně zaznamenán veškerý pohyb stroje.
Středy lomových bodů vytěžených linek byly zaměřeny pomocí GPS přístroje Trimble ProXH. Souřadnice těchto bodů byly dále zpřesněny pomocí postprocessingu za použití korekčních dat služby CZEPOS. (Viz. obr. 15)
Data získaná z GPS přijímače TimberNavi harvestoru a přesného GPS přístroje Trimble Pro XH byla následně zpracována v programu Quantum GIS – 1.0.1 KORE a GIS GRASS 6.4. Spojení lomových bodů vytěžených linek umožnilo vytvoření linie představující jednotlivé vytěžené linky. K těmto linkám mohly být poté v modulu v.distance programu GRASS dokresleny spojnice představující nejkratší vzdálenosti bodů zaznamenaných harvestorem od linií představujících vytěžené linky. Takto vytvořené spojnice představovaly odchylky harvestorem naměřené polohy od skutečné polohy linek. Odchylky byly dále statisticky vyhodnoceny. (Viz. obr. 16)
Obr. 15: Zaměřené středy lomových bodů skutečných linek, doplnění linií, černé body – naměřené Pro XH, červené body- zpřesněné body ProXH, zelené body – polohy zaznamenané harvestorem
Obr. 16: Odchylky harvestorem zaznamenaných poloh od přesně zaměřených linek
5.2.2
Zjištění přesnosti měření PDA
Zhodnocení přesnosti určování geografické polohy PDA Trimble Juno ST bylo provedeno v porostu č.1 na lokalitě Znojmo. Stejné body vytyčené na linkách při přípravě porostu byly zaměřeny GPS přístrojem Trimble Juno ST i Trimble Pro XH, aby se daly porovnat souřadnice stejných bodů zaznamenaných do paměti obou přístrojů a jejich odchylky, způsobené odlišnou přesností stanovování geografické polohy obou přístrojů. Data z obou přístrojů byla postprocessingově zpřesněna. Stejně tak došlo k zaměření lomových bodů tvořících skutečné linky, po kterých projel harvestor oběma přístroji.
(viz.: Obr. 17) Černé body představují body zaměřené
přesným přístrojem Trimble Pro XH. Červené body představují stejné body zaměřené přístrojem Trimble Juno ST před korekcí. Zelené body znázorňují body zaměřené přístrojem Trimble Juno ST po korekci. Spojnice zelených a černých bodů ukazují odchylky souřadnic stejných bodů zaměřených oběma přístroji.
Obr. 17: Lomové body linek a návrhových linek zaměřené Juno ST, černé body – přesné body zaměřené ProXh, červené body – body naměřené Juno ST, zelené body – zpřesněné body Juno ST
6
VÝSLEDKY
6.1 Zjištění přesnosti stanovení polohy GIS TimberNavi v harvestoru Výsledky přesnosti stanovování polohy systému TimberNavi byly zpracovány odděleně pro porost č.1 – Znojmo a porost č.2 Hranice. Data o poloze stroje naměřená harvestorem při pohybu po lince byla importována jako vektorová vrstva do programu Q GIS. V GIS GRASS modulu v.distance byly vykresleny spojnice ve vektorovém formátu od bodů naměřených harvestorem k dodatečně přesně zaměřeným linkám, po kterých se stroj pohyboval. K přesnému určení linek byly zaměřeny lomové body linek. Spojnice mezi lomovými body byly dokresleny v programu Q GIS tak, aby podávaly věrný obraz o středu harvestorem vytvořené linky. Z atributové tabulky vektorové vrstvy spojnice vykreslující vzdálenosti mezi přesně zaměřenou a systémem TimberNavi stanovenou polohou byly získány souřadnice začátečních a koncových bodů spojnic. Ze souřadnic byly dále vypočítány v programu Microsoft Excel 2003 délky těchto spojnic, které v tomto případě znamenají velikosti odchylky stanovení polohy systémem TimberNavi od přesně zaměřených linek v metrech. Velikosti odchylek byly statisticky vyhodnoceny nástrojem popisná statistika a histogram programu Microsoft Excel 2003.
6.1.1
Porost č. 1 – Znojmo
V porostu č. 1 byly vyhodnoceny 4 vyvážecí linky o celkové délce 537 metrů. Harvestor při pohybu po těchto vyvážecích linkách zaznamenal 269 bodů značících jeho polohu. Těžba úseku trvala 22 hodin. Na obrázku (Obr. 18) lze vidět jednotlivé body. Statistickým vyhodnocením byla zjištěna střední hodnota odchylky 3,53 metrů se směrodatnou odchylkou 2,68 metrů, při hladině spolehlivosti pro střední hodnotu 95%. Maximální odchylka činila 14,26 metrů, minimální 0,01 m. Z celkového hodnocení odchylek nám vyplývá, že v toleranci do 2 metrů od linky se nachází 33,8 % hodnot, do 4 metrů 63 % hodnot, do 5 metrů 74 % hodnot, do 10 metrů 97 % hodnot.
Obr. 18: Odchylky poloh stanovených harvestorem od přesně zaměřených lini, body – body zaznamenané harvestorem, linie – přesně zaměřené linky
Histogram odchylek porost 1 - Znojmo
60 52
50 Četnost výskytu
42 39
40
36 31
30 23
21
20 8
10
7 2
2
10
11
4
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
12
0
1
1
13
14
15 Další
0
Odchylka [m]
Četnost výskytu Obr. 19: Histogram odchylek porost č. 1 – Znojmo
Tab. 2: Tabulka odchylek – Porost č.1 – Znojmo
Velikost odchylky [m]
01
1,1 -2
2,1 -3
3,1 -4
4,1 -5
5,1 -6
6,1 -7
7,1 -8
8,1 -9
9,1 - 10
10,111
11,1 - 12
12,1 - 13
13,1 - 14
14,1 15
Relativní odchylka [%]
19,3
14,5
15,6
13,4
11,5
8,6
7,8
3,0
2,6
0,7
0,7
1,5
0,0
0,4
0,4
Relativní kumulativní odchylka [%]
19,3
33,8
49,4
62,8
74,4
82,9
90,7
93,6
96,3
97,0
97,7
99,2
99,2
99,6
100,0
6.1.2
Porost č. 2 – Hranice
V porostu č. 2 byly vyhodnoceny 4 vyvážecí linky o celkové délce 994 metrů. Harvestor při pohybu po těchto vyvážecích linkách zaznamenal 267 bodů značících jeho polohu. Těžba úseku trvala 22,5 hodin. Na obrázku (obr. 20) lze vidět jednotlivé body zaznamenané harvestorem. Statistickým vyhodnocením byla zjištěna střední hodnota odchylky 5,81 metrů se směrodatnou odchylkou 3,54 metrů, při hladině spolehlivosti pro střední hodnotu 95%. Maximální odchylka činila 17,35 metrů, minimální 0,01 m. Z celkového hodnocení odchylek nám vyplývá, že v toleranci do 2 metrů od linky se nachází 14,2 % hodnot, do 4 metrů 35,2 %, do 5 metrů 46,0 %, do 10 metrů 85,7 % hodnot.
Obr. 20: Odchylky poloh stanovených harvestorem od přesně zaměřených lini, body – body zaznamenané harvestorem, linie – přesně zaměřené linky
Tab. 3: Tabulka odchylek – Porost č. 2 – Hranice Velikost odchylky [m] Relativní odchylka [%] Relativní kumulat. odchylka [%]
01
1,12
2,1 -3
3,1 -4
4,1 -5
5,1 -6
6,1 -7
7,1 -8
8,1 -9
9,1 - 10
10,111
11,112
12, - 13
13,114
14,115
15,116
16,117
17,118
5,6
8,6
10,1
10,9
10,9
11,6
8,2
8,2
7,1
4,5
6,4
3,0
1,5
1,5
0,4
0,4
0,7
0,4
5,6
14,2
24,3
35,2
46,0
57,7
65,9
74,1
81,3
85,7
92,1
95,1
96,6
98,1
98,5
98,9
99,6
100,0
Histogram odchylek porost 2 - Hranice 35 31 29 29
Četnost výskytu
30
27
25
23
22 22 19
20 15
17 15 12
10
8 4
5
4 1
1
15
16
2
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Odchylka [m]
14
17
1
0
18 Další
Četnost výskytu
Obr. 21: Histogram odchylek – Porost č. 2 – Hranice
6.2
Zjištění přesnosti stanovení polohy PDA - Trimble Juno ST V porostu č.1 – Znojmo došlo k zaznamenání 74 bodů přístrojem Trimble Juno
ST a přístrojem Trimble Pro XH. Data z obou přístrojů byla korekčně upravena. (Viz. Obr.: 22) Každý přístroj pracoval s jinou přesností určování polohy danou možnostmi přístroje,
proto vzniklé mapy v každém přístroji vykazují různé souřadnice ve
skutečnosti stejných bodů. Vzhledem k faktu, že data naměřená přístrojem Trimble Pro XH považujeme za přesná, odchylky stejných bodů naměřených přístrojem Trimble Juno ST od přesných bodů znamenají nepřesnost Juno ST.
Střední hodnota odchylky v daném měření činí 5,90 metrů se směrodatnou odchylkou 3,77 metrů, při hladině spolehlivosti pro střední hodnotu 95%. Maximální odchylka v souboru je16,60 metrů, minimální 0,26 metrů. Z celkového hodnocení odchylek nám vyplývá, že v toleranci do 2 metrů se nachází 13,6 % hodnot, do 4 metrů 31,1 %, do 5 metrů 48,7 %, do 10 metrů 85,2 % hodnot.
Obr. 22: Odchylky bodů zanamenaných Juno ST od přesně zaměřených bodů zaměřených ProXH, černé body – přesně zaměřené body, zelené body – zpřesněné body zaměřené Juno ST, spojnice – odchylky
Histogram odchylek Trimble Juno ST 14
13
12
11
Četnost výskytu
10 8
7 6
6
5
6
5 4
4
3
3
3
3 2
2
1
1
1
0
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
0 15
16
17
0
18 Další
Odchylka [m]
Četnost
Obr. 23: Histogram odchylek Juno ST
Tab. 4: Tabulka odchylek – Porost č. 2 – Hranice Velikost odchylky [m] Relativní odchylka [%] Relativní kumulativní odchylka [%]
01
1,12
2,1 -3
3,1 -4
4,1 -5
5,1 -6
6,1 -7
7,1 -8
8,1 -9
9,1 - 10
10,111
11,112
12, - 13
13,114
14,115
15,116
16,117
6,8
6,8
8,1
9,5
17,6
8,1
14,9
5,4
4,1
4,1
4,1
1,4
4,1
0,0
2,7
1,4
1,4
6,8
13,6
21,7
31,1
48,7
56,8
71,7
77,1
81,1
85,2
89,2
90,6
94,6
94,6
97,3
98,7
100,0
7
DISKUZE Výsledky jednotlivých měření je nutné zasadit do širších souvislostí. Bez
znalosti kvalitativních podmínek jako podoba terénu na daném území, stav korunového zápoje v porostech či počasí, skýtají výsledné zjištěné odchylky stanovování polohy pouze jednostranný a poněkud zkreslený pohled. Právě vliv kvality prostředí, ve kterém probíhají měření používající GPS, hraje často spolu s technickými možnostmi strojů rozhodující roli pro přesnost měření a interpretaci výsledků.
7.1 Výsledky přesnosti stanovení polohy GIS TimberNavi v harvestoru Výsledky přesnosti stanovování geografické polohy systému Timber Navi a jejich odchylek od zvolené přesné sítě bodů byly vyhodnoceny zvlášť pro obě pokusné lokality a vzájemně porovnány.
7.1.1
Porost č. 1 Znojmo
Měření probíhala v modřínovém porostu s příměsí listnatých dřevin v zimním období, což znamená, že se v dané lokalitě na výsledcích plně nepromítl korunový zápoj. Signál GPS je poměrně citlivý na zastínění. Kvalitu příjmu signálu z družic poměrně výrazně ovlivňují veškeré překážky bránící volnému průchodu signálu po spojnici družice – GPS přijímač. Území je navíc rovinaté, což je z hlediska příjmu signálu GPS také výhodnější než zvlněný reliéf. Nepřekvapuje nás tedy, že jsou zjištěné odchylky i samotná střední hodnota odchylek o 2,30 metrů přesnější než v porostu č.2 – Hranice. Na grafu histogramu odchylek je patrná jejich hodnota i rozložení. Vyšší jednostrannost rozložení odchylek než v porostu č.2 a přesnější relativní vyjádření zjištěných odchylek v porostu, kdy 50% odchylek vykazuje hodnotu do 3 metrů, nám jednoznačně dokazuje vyšší přesnost určování polohy v porostu č. 1 – Znojmo. Výsledky více odráží samotné technické možnosti systému TimberNavi v ideálním prostředí, než možnosti v běžných provozních podmínkách lesního hospodářství ČR.
7.1.2
Porost č.2 Hranice
Měření probíhala v mladém hustém smrkovém porostu s normálním korunovým zápojem. V tomto případě se plně projevil vliv korunového zápoje na příjem signálu GPS z družice. Území navíc vykazuje sklon 3 – 5 °. Linky byly těženy v příčném směru ke spádnici svahu, což způsobilo spolu s korunovým zápojem družicový stín. Hodnoty odchylek stanovování polohy systémem TimberNavi jsou proto daleko výraznější než v porostu č.1 – Znojmo. Výsledky z tohoto porostu dávají ucelenější a věrnější obraz o práci systému TimberNavi v provozních podmínkách ČR, z důvodu většinového zastoupení smrkových porostů.
7. 2 Výsledky přesnosti stanovení polohy Trimble Juno ST PDA Trimble Juno ST bylo z časových důvodů používáno pouze na lokalitě č. 1 – Znojmo, tedy v lepších podmínkách. Srovnáme – li dosahovanou přesnost tohoto přístroje s přesností dosahovanou harvestorem, musíme konstatovat, že střední hodnota odchylky je o 2, 40 metrů horší. Úměrně jsou horší i všechny ostatní parametry. Horší výsledky přesnosti dosažené přístrojem Trimble Juno ST u všestranně zaměřeného PDA s omezenými možnostmi nepřekvapují. Zajímavým zjištěním je fakt, že odchylky stanovování polohy PDA se podobají odchylkám stanoveným harvestorem ve smrkovém porostu.
8
ZÁVĚR Diplomová práce si kladla za cíl posouzení využití GPS v harvestorových
technologiích. Jak již bylo dříve zmíněno, klíčovým faktorem využitelnosti je přesnost určování geografické polohy systému TimberNavi v Harvestoru a GPS v PDA ve specifických podmínkách lesního porostu.
Posoudíme – li dosažené výsledky naměřených prostorových dat, zvláště velikosti odchylek harvestorem určených pozic, jejich střední hodnoty a lokální maximální odchylky, které dosahují 3 – 4 násobku střední hodnoty, vyplývá nám, že použitelnost harvestorem měřených prostorových dat pro navádění při tvorbě vyklizovacích linek, které vyžaduje odchylku v řádu 1 – 2 metrů je značně omezená, a za podmínek ve kterých pokusná měření probíhala nedostačující pro požadavky běžného lesnického provozu. To samé platí i pro použitelnost PDA k digitální technologické přípravě terénu s určením geografické polohy.
Využití GPS lze tedy omezit pouze pro stanovování přibližné polohy jako doplňující informaci o poloze v harvestorové technologii, což má jistě také svůj význam a využití při hrubé orientaci.
Pokusná měření dále prokázala, že digitalizace určování polohy pomocí GPS a práce s prostorovými daty v kombinaci s dalšími kvalitativními informacemi je při technologické přípravě porostu, těžbě i odvozu dříví fakticky možná a s rychlým vývojem a neustálým zpřesňováním techniky i systémů ji lze v budoucnu očekávat.
9
SUMMARY The dissertation had an aim to assess usage of Global Positioning Systems in
harvester techniques. The key factor of usage is accuracy of location, which is determined by GPS in special forest conditions.
The accuracy was checked in model situation in two different part of forest. The first part had most of larch trees and the second had majority of spruce. The harvester went through the forest and recorded his position in coordinates measured by TimberNavi, GIS device of harvester. Coordinates of line which was made by harvester in area was measured by accurate device Trimble ProXH. The differences of both measurement of position were than evaluated.
The evaluation of results says that value variations of position measured by harvester from exactly measured points are quite considerable. The mean and maximum variations which are four times bigger that mean means big problem for accurate determination of location. The mean of determination of location, which can be used, is up to two meters. In this case the mean is 3,53 and 5,81 meters. The accuracy of determination of location by system TimberNavi is not suitable for navigation without marks on trees in forest, only as approximate information of harvester position.
PDA Trimble Juno ST was checked in forest conditions as well. Result of measurement was similar to harvester, but worse. Trimble Juno ST can not by used for accurate determination of location in forest conditions, but only for approximate spatial data measurement.
Global Positioning System was used for measurements. TimberNavi and Trimble ProXH use GPS signal. Other global systems are not used by most of devices includes ProXH and TimberNavi.
10
POUŽITÁ LITERATURA
BABČANÍK, J. HW: Jak funguje GPS [online] citováno 10. dubna 2008. Dostupné na World Wide Web:
BERGMANN, R. Ce4you: Co to je GPS [online] citováno 9.dubna 2008. Dostupné na World Wide Web:
ČERNÝ, V. Ramon: GPS popis systému [online] citováno 10. dubna 2008. Dostupné na World Wide Web:
HOFMANN – WELLENHOF, B. – LICHTENEGGER, H. Global Positioning System: Theory and Practice. 5. vyd. Berlin: Springer, 2001. 22 s. ISBN 3-211-83534-2.
RAPANT, P. Družicové polohové systémy. Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2002. 200 s. ISBN 80-248-0124-8.
ŠUNKEVIČ, M. Czechspace: Americký družicový navigační systém NAVSTAR GPS [online] citováno 10.dubna 2008. Dostupné na World Wide Web:
ŠUNKEVIČ, M. Czechspace: Navigační systém Kompass [online] citováno 10. dubna 2008. Dostupné na World Wide Web:
ŠUNKEVIČ, M. Czechspace: Ruský globální družicový navigační systém GLONASS [online] citováno 10.dubna 2008. Dostupné na World Wide Web:
ULRICH, R. Použití harvestorové technologie v probírkách. 1. vyd. Brno. MZLU, 2003. 98 s. ISBN 80-7157-631-X
VITÁSKOVÁ, J. Družicové určování polohy v lese. GEOInfo. 2004. sv. 1, s. 84 – 86. ISSN 1212-4311
Internetové zdroje:
http://www.trimble.com/pathfinderproxh.shtml http://www.trimble.com/junost.shtml http://www.merimex.cz/n_index.php?idpage=002001002001001001000000 http://www.timberoffice.com/english/products/timbernavi/ http://www.deere.com/en_GB/forestry/forestry_equipment/harvesting/wheel_harvesters /770d.html http://www.gefos.cz/cz/foto.php?id=50# http://czepos.cuzk.cz/_servicesProducts.aspxhttp://www.sa.int/esaNA/SEM5KHXEM4 E_galileo_0.html http://www.czechspace.cz/cs/galileo/program-galileo
