ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební K154 - Katedra speciální geodézie
Tvorba silniční sítě v digitálních mapách pro autonavigaci
Creation of the road network in digital maps for navigation
Bakalářská práce
Studijní program: Geodézie a kartografie Studijní obor: Geodézie, kartografie a geoinformatika
Vedoucí práce: Dr. Ing. Zdeněk Skořepa
Lukáš Chmelař
Praha 2015
Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně. Veškeré informační zdroje a odborná literatura je uvedena na konci práce. K vyhotovení práce byly použity též konzultace s hlavním kartografem ve společnosti NAVITEL s.r.o. Ing. Ondřejem Veselým a hlavním vedoucím bakalářské práce Dr. Ing. Zdeňkem Skořepou.
Poděkování Chtěl bych poděkovat vedoucímu bakalářské práce Dr. Ing. Zdeňku Skořepovi za poskytnuté konzultace. Dále bych chtěl poděkovat společnosti NAVITEL s.r.o. za poskytnutí možnosti psát bakalářskou práci na toto téma. Velké poděkování patří hlavnímu kartografovi Ing. Ondřeji Veselému za poskytnuté konzultace.
Abstrakt Náplní bakalářské práce je seznámení s tvorbou digitálních map pro GPS navigaci ve společnosti NAVITEL s.r.o. - seznámení s technologií sběru pokladových dat, jejich využití a následné zpracování. Dále představení softwaru GPSMapEdit, ve kterém probíhají veškeré kartografické, ale také mapařské práce, představení jednotlivých kroků aktualizace silniční sítě od vektorizace a úpravě grafu silniční sítě, až po nastavení atributů a dalších parametrů linií a objektů. Práce je zakončena samotným představením aplikace Navitel Navigator a jednotlivých funkcí v aplikaci. Klíčová slova GNSS, GPS, navigace, NAVITEL
Abstract Main goal of this bachelor thesis is to introduce used technologies for digital maps creation with in NAVITEL s.r.o. company – description of initial data collection and following data post - processes. All cartographic and data collection works are done using GPSMapEdit application. This thesis describe all the steps of updating road network from basic vectorization to assigning values to special attributes of lines and other objects. In the end author presents functionality of Navitel Navigator application. Keywords GNSS, GPS, navigation, NAVITEL
Obsah Úvod ................................................................................................................................................. 7 Seznam zkratek ............................................................................................................................... 8 1
Teoretický úvod do GNSS ..................................................................................................... 9 1.1
Základní princip fungování amerického systému GPS ................................................. 9
1.1.1
Kosmický segment ................................................................................................... 9
1.1.2
Řídící segment ........................................................................................................ 10
1.1.3
Uživatelský segment .............................................................................................. 11
Rozdělení přijímače dle principu výpočtů .......................................................................... 11
2
1.2
Struktura signálu družic................................................................................................. 12
1.3
Vliv chyb na měření GNSS ........................................................................................... 13
Postup při tvorbě a aktualizaci digitálních map pro navigaci ............................................ 14 2.1
2.1.1
Kartografické zobrazení a souřadnicový systém.................................................. 15
2.1.2
Funkce v softwaru GPSMapEdit ........................................................................... 17
2.2
Technologické vybavení vozidel .................................................................................. 18
2.3
Sběr geodetických dat.................................................................................................... 21
2.3.1
Sběr GPS stopy a videozáznamu........................................................................... 21
2.3.2
Sběr bodů zájmu a informací o dopravní infrastruktuře ...................................... 22
2.4
Aktualizace silniční sítě................................................................................................. 22
2.4.1
Vektorizace ............................................................................................................. 22
2.4.2
Nastavení průjezdu křižovatkou ............................................................................ 23
2.5
3
Software GPSMapEdit .................................................................................................. 14
Zpracování videozáznamu............................................................................................. 24
2.5.1
Dopravní značení.................................................................................................... 25
2.5.2
Atributy linií ........................................................................................................... 26
2.5.3
Nastavení jízdních pruhů ....................................................................................... 29
2.5.4
Body zájmu ............................................................................................................. 29
Výsledný produkt.................................................................................................................. 31 3.1
Možnosti navigování ..................................................................................................... 33
3.2
Vyhledávání ................................................................................................................... 34
Závěr .............................................................................................................................................. 36 Použitá literatura ......................................................................................................................... 37
Úvod Cílem této bakalářské práce je seznámení s tvorbou digitální mapy pro autonavigaci ve společnosti NAVITEL s.r.o. Pro tvorbu digitálních map jsou ve společnosti vytvořeny dvě pracovní pozice: ·
Geodet
·
Kartograf
Práce geodeta (dále označován i jako navigátor) je prací v terénu. Geodeti tvoří dvoučlenné posádky automobilů, které mapují dané území. Starají se o sběr GPS tracku, bodů zájmu a informací o dopravní infrastruktuře. Kartograf je pozice zajišťující zpracování dat získaných geodety. Provádí aktualizaci silniční sítě za pomoci podkladových dat a dat od geodetů. Tuto funkci zastává autor této bakalářské práce a čerpá část informací z osobní zkušenosti. Autor v bakalářské práci popisuje postup práce geodetů a metodu sběru GPS tracků a dalších informací. Především se zaměřil na práci kartografa. Popisuje jednotlivé kroky aktualizace
silniční
sítě.
Na
závěr
je
představena
samotná
aplikace
Navitel Navigator, která je hlavním produktem společnosti NAVITEL s.r.o. Veškeré informace a obrázky, které neobsahují odkaz na citaci, byly zjištěny nebo vytvořeny autorem.
7
Seznam zkratek GNSS – Global Navigation Satellite System GPS – Global Position System GLONASS – Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistěma QZSS – Quasi – Zenith Satellite System DVR – Digital Video Recorder POI – bod zájmu UTM – Universal Transverse Mercator WGS 84 – World Geodetic System 1984
8
1 Teoretický úvod do GNSS Základem všech navigačních přístrojů a aplikací je systém GNSS. Bez tohoto systému, by se nedala určit poloha v reálném čase během pár sekund. Systém GNSS funguje na principu, kdy na oběžné dráze Země obíhá několik desítek satelitů. Tyto satelity provozuje v dnešní době několik subjektů a mezi největší a nejznámější patří americký GPS a ruský GLONASS. Dále je v provozu japonský systém QZSS, jehož satelity fungují pouze pro území od Japonska po Austrálii a čínský systém Beidou, který pokrývá pouze území Čínské lidové republiky a území okolních států. V současné chvíli je také v testovacím režimu evropský systém Galileo. Abychom mohli určit polohu, je třeba mít přijímač a signál minimálně ze 4 satelitů. Každý GNSS přijímač má zabudován čip, pomocí kterého je schopen přijímat signál ze satelitů jednotlivých systémů. V dnešní době se do většiny zařízení instalují čipy schopné přijmout signál ze systémů GPS a GLONASS, které jsou jako jediné celosvětové. Oba tyto systémy byly původně určené pouze pro vojenské účely, ale postupem času se oba systémy otevřely pro civilní a komerční segment.
1.1 Základní princip fungování amerického systému GPS Celý systém amerického GPS je rozdělen do tří segmentů: ·
Kosmický
·
Řídící
·
Uživatelský
1.1.1
Kosmický segment Kosmický segment se stará o družice na oběžné dráze (Obr. 1). Skládá se z minimálního
počtu 24 družic. Skutečný počet družic se průběžně mění, jelikož jsou vypouštěny družice nových generací a již dosluhující staré družice jsou na základě technického stavu stahovány z provozu. Družice obíhají ve výšce asi 20 200 km od povrchu Země a pohybují se po šesti téměř kruhových drahách se sklonem 55° k rovině rovníku. Každá družice oběhne Zemi po své dráze za 11 hodin a 58 minut, tedy dvakrát za den.
9
Obr. 1 Družice GPS Block - II-F[2]
1.1.2
Řídící segment Řídící segment se zabývá řízením a kontrolou satelitů. Řízení se skládá z několika
monitorovacích stanic, které jsou rozmístěny podél rovníku. Segment monitoruje a kontroluje technické parametry družic a zasílá jim povely. Dochází ke kontrole a řízení drah družic a atomových hodin. Veškeré informace jsou zveřejňovány v navigační zprávě.
Obr. 2 Hlavní řídící segmenty systému GPS[5]
10
1.1.3
Uživatelský segment Uživatelská zařízení v podobě hodinek, chytrých telefonů, tabletů, PND a geodetických
přístrojů, přijímají signály z jednotlivých družic, které jsou nad obzorem, pomocí GNSS přijímače. GNSS přijímače jsou rozděleny do několika typů ·
Jednokanálové – přijímač je schopen zachytit a zpracovat signál pouze z jedné družice. Jakmile dojde k uložení informace z jedné družice, přepne se na další družici. Celá komunikace s jednou družicí trvá asi 20 ms.
·
Vícekanálové – přijímač je schopen zachytit a zpracovat signál z více družic najednou. Je to umožněno díky vyčlenění samostatných fyzických kanálů pro každou družici.
·
Hybridní – přijímač sice obsahuje více kanálů, ale ne v dostatečném množství, a tak musí docházet také k přepínání mezi příjmem signálů z jednotlivých družic.
Obr. 3 Typy GNSS přijímačů[5]
Rozdělení přijímače dle principu výpočtů Kódové měření
Pro určení vzdálenosti mezi přijímačem a družicí se využívá měření doby šíření elektromagnetického vlnění. Pro určení vzdálenosti je nutné zjistit čas, za který signál urazí vzdálenost mezi přijímačem a družicí. Signál vyslaný z družice obsahuje PRN kód, který obsahuje přesné časové informace. Tyto vysílané kódy jsou periodicky opakované a čas vyslání je předem stanoven. Čas se měří vytvořením kopie kódu, přesně ve stejný čas jako vyslání kódu z družice. Porovnávají se tedy tyto dva časové údaje, jelikož kód vyslaný z družice musí dorazit k přijímači
11
a tedy dorazí se zpožděním oproti vytvoření kopie kódu. Tyto dva údaje se porovnají a zjistí se doba, za kterou signál urazí vzdálenost mezi přijímačem a družicí. Fázové měření
Během fázového měření dochází k měření fázových doměrků na nosných vlnách signálu GNSS. Podobný princip je u dálkoměrů totálních stanic. Tento způsob měření je velmi přesný, odhadovaná přesnost se pohybuje v řádu milimetrů, proto je využíván hlavně v geodetických aplikacích. Nestačí pouze změřit fázový doměrek, ale také počet vln (ambiguid). Zjišťování správného počtu vln je složitý problém.
1.2 Struktura signálu družic Každá družice je vybavena třemi až čtyřmi atomovými hodinami, které řídí všechny části vyslaného signálu. Družice systému GPS vysílají dvě základní nosné vlny: ·
L1 – O frekvenci 1575,42 MHz. Na této vlně je vysílán C/A kód, který je dostupný pro civilní uživatele. Dále je vysílán P(Y) kód, který je šifrován a přístupný pouze autorizovaným uživatelům (vojenský sektor USA a spojeneckých armád).
·
L2 – O frekvenci 1227,60 MHz. Na této vlně je vysílán P(Y) kód, který je šifrován a přístupný pouze autorizovaným uživatelům.
Pseudonáhodný C/A kód Pseudonáhodný C/A kód je vysílán na nosné vlně L1 a není nijak šifrován. Tím je umožněno jeho příjem neautorizovaným uživatelům. C/A kód se využívá pro navigaci s nižší přesností a časovou synchronizací. Je potřebný pro rychlou orientaci v P kódu a umožňuje číst navigační zprávu. Pseudonáhodný P kód Pseudonáhodný P kód je šifrován, modulován na obou vlnách L1, L2 a je určen pouze pro autorizované uživatele. P kód je vysílán na obou nosných vlnách, aby došlo k odstranění ionosférických a troposférických refrakcí, to umožňuje velmi přesné určení polohy.
12
Navigační zpráva Navigační zpráva je vysílána družicemi a obsahuje užitečná data potřebné pro určení správného času a polohy uživatele. Zpráva neobsahuje přímo polohu družice, ale parametry své dráhy – efemeridy a další nezbytné informace potřebné k výpočtu polohy uživatele. Dále zpráva obsahuje data o funkčnosti družice a jeho atomových hodinách a další data pro různé korekce.
1.3 Vliv chyb na měření GNSS Satelitní hodiny Každá družice je vybavena atomovými hodinami, které musí být velice přesné. Jedna biliontina sekundy znamená chybu asi 30 cm ve vzdálenosti mezi přijímačem a družicí. Tato chyba je vytvořena zhruba jednou za tři hodiny, proto jsou družicové hodiny monitorovány z pozemních stanic. Tyto chyby jsou počítány a zaznamenány ve zprávách posílaných satelitem. Hodiny přijímače Jelikož atomové hodiny jsou velice drahou záležitostí a jsou poměrně veliké a těžké, jsou přijímače vybaveny levnými hodinami. Chyba levných hodin se odstraňuje početně. Ve výpočtu jsou čtyři neznámé a je tedy potřeba čtyř rovnic. Tři neznámé určují polohu, čtvrtá je chyba hodin přijímače. Aby bylo dosaženo získání čtyř rovnic, je třeba měření vzdáleností na čtyři různé satelity. Na čím více satelitů je měřeno, tím je přesnost výsledku vyšší. Výpočet probíhá vyrovnáním metody nejmenších čtverců (MNČ). Chyba dráhy družice Dalším faktorem ovlivňující přesnost výpočtu je znalost dráhy letu družice. Dráhy družic jsou průběžně monitorovány z pozemních stanic na celém světě. Předpovědi drah jsou odesílány na satelity a zase zpět do přijímačů. Přesnost predikce dráhy družic je v řádu několika metrů. Atmosférické chyby Signál pohybující se mezi přijímačem a satelitem prochází různými atmosférickými prostředími. Největší vliv na měření mají vrstvy ionosférická a troposférická. Tyto chyby se řeší početní metodou. 13
2 Postup při tvorbě a aktualizaci digitálních map pro navigaci 2.1 Software GPSMapEdit K práci geodetů a kartografů slouží specializovaný software GPSMapEdit vyvinutý firmou NAVITEL s.r.o. výhradně pro své účely. Pro geodety slouží ke sběru dat. Pomocí funkce GPS Tracking geodet zapne zobrazení a ukládání GPS stopy a může tak v aplikaci sledovat aktuální pozici a záznam stopy svého vozidla na podkladové mapě. Dále pomocí tohoto softwaru vkládá do souboru body zájmu (dále jen POI – body zájmu) a objekty dopravní infrastruktury.
Obr. 4GPSMapEdit
GPSMapEdit slouží kartografovi k tvorbě a aktualizaci silniční sítě a i dalších vrstev digitálních navigačních map. Videozáznamy a GPS, stopy si kartograf zobrazí pomocí zásuvného modulu, přes který se může připojit k serveru a stáhne si geometrii dat.
14
GPSMapEdit nabízí spoustu funkcí, kterými se provádí vektorizace dat, správné zakreslení křižovatek, nastavení dopravních situací na křižovatkách, přiřazení atributů do jednotlivých linií, vytváření a editování bodů zájmu a zpracování informací o dopravní infrastruktuře. 2.1.1
Kartografické zobrazení a souřadnicový systém Aplikace Navitel Navigator využívá jediného souřadnicového systému WGS84, který je
využíván i americkým systémem GPS. Veškeré souřadnice a délky objektů a linií jsou ukládány v podobě atributů v souřadnicích WGS84. Výsledné mapy jsou zobrazeny v kartografickém zobrazení UTM, které slouží pouze pro vykreslení mapy do roviny v aplikaci. Ovšem v samotné aplikaci pak veškeré výpočty využívají uložených souřadnicových a délkových atributů, které jsou ve WGS84. Nemusí tak docházet ke zpětnému přepočtu mezi kartografickým zobrazením UTM a souřadnicovým systémem WGS84. O trochu se to liší v softwaru GPSMapEdit. Mapové podklady jsou zobrazeny také v kartografickém zobrazení UTM, ale dochází k automatickému přepočtu na souřadnice WGS84 při jakémkoli pohybu kurzoru na displeji monitoru. K převodu souřadnic z UTM do WGS84
dochází
pomocí
zobrazovacích
rovnic
obsažených
v dokumentu:
http://user.unob.cz/talhofer/Z%C3%A1klady%20matematick%C3%A9%20kartografie.pdf v kapitole 10.2.1. ·
UTM – Universal Transversal Mercator je mírně upravené Gaussovo zobrazení pomocí měřítkového faktoru, které zkresluje hlavní poledník o hodnotu m0 = 0,9996. Jedná se o konformní válcové zobrazení v příčné poloze. Je zobrazením elipsoidu do roviny v síti šedesáti poledníkových zón po 6° a dvaceti rovnoběžkových zón po 8°. Toto zobrazení je výhodné pro výpočty vzdáleností, kde lze využít Pythagorovy věty, ale pouze v případě, že body, mezi kterými je vzdálenost počítána, leží ve stejné zóně. Každý pás má svůj souřadnicový systém. Osa N je totožná s poledníkem a osa E je rovnoběžná s obrazem rovníku. Aby došlo k odstranění záporných znamének je k ose E přičtena hodnota 500 km. Využívá referenční elipsoid WGS 84.[4]
15
·
WGS84 – World Geodetic System 1984 je geodetický standart definující souřadnicový systém a referenční elipsoid. WGS84 využívá zeměpisných souřadnic a polohu tedy určuje pomocí zeměpisné šířky a délky. Nultým poledníkem WGS84 je Greenwich.[9] Parametry určující referenční elipsoid WGS84: o Délka hlavní poloosy a = 6 378 137 m o Délka vedlejší poloosy b = 6 356 752,31422 m o Úhlová rychlost Země ω = 7,292115 x 10-5 rad/s o Převrácená hodnota zploštění 1/f = 298,257223563 o Gravitační parametr GM = 3986004,418 x 108 m3/s2
Odchylka v přesnosti měření vzdálenosti mezi souřadnicemi WGS84 a UTM je zanedbatelná, jelikož aplikace Navitel Navigator nám vzdálenost zaokrouhluje na desítky metrů a jednotky kilometrů. Ukázkou je příklad na dvou vzdálenostech, kde byla vypočtena vzdálenost ze souřadnic UTM a následně porovnána se vzdáleností, kterou nám vypočetla aplikace Navitel Navigator ze souřadnic WGS84.
Praha Hradec Králové KFC (Václavské náměstí) Albert (Václavské náměstí)
UTM N E 5547582,23 m 459305,21 m 5562073,35 m 559319,20 m 5547693,00 m 459117,63 m 5547686,61 m 459226,10 m
WGS 84 N E 50°04´44,82´´ 14°25´52,44´´ 50°12´28,32´´ 15°49´52,68´´ 50°04´48,36´´ 14°25´42,96´´ 50°04´48,18´´ 14°25´48,42´´
Tab. 1 Souřadnice bodů v UTM a WGS84
Souřadnice byly použité z aplikace Navitel Navigator a do souřadnic UTM byly převedeny pomocí programu MATKART. (Obr. 5)
Praha – Hradec Králové KFC - Albert
Navitel Navigator 101 km 100 m
UTM 101,058 km 108,658 m
Tab. 2 Vypočtené vzdálenosti mezi body
Z vypočtených vzdáleností je vidět, že přesnost ve vzdálenosti se zaokrouhluje na desítky až stovky metrů. Tato přesnost by byla pro geodetické práce velice špatná – nepoužitelná, ale pro účely autonavigace je dostačující, jelikož uživatel nepotřebuje znát přesnou vzdálenost v řádu jednotek metrů.
16
Obr. 5 Program MATKART
2.1.2
Funkce v softwaru GPSMapEdit Software nám umožňuje svými funkcemi provádět kontrolu dat, například topologické
chyby, špatné hodnoty atributů linií nebo objektů. Mezi další způsoby kontroly slouží tzv. vizualizační skripty (VScript) a funkční skripty (PScript). Vizualizační skripty nám slouží ke zvýraznění objektů nebo linií dle jejich atributů a kartograf tak snáze může odhalit chybu. Funkční skripty naopak na základě napsaných příkazů provádějí hromadné změny v atributech bodů a linií. Tyto skripty jsou psané základním skriptovacím jazykem. Mezi užitečné nástroje v GPSMapEdit patří možnost nastavení klávesových zkratek, které velice usnadní práci jak kartografovi tak i geodetovi. Klávesové zkratky se dají nastavit i na vizualizační skripty, nebo jednotlivé funkční skripty.
17
2.2 Technologické vybavení vozidel Každé vozidlo, které je určeno pro sběr geodetických dat, je vybaveno dvěma GNSS moduly od firmy U-blox: U-blox EVK-6T a U-blox EVK-6R. Oba tyto moduly jsou propojeny s dvojicí GNSS antén, které jsou připojeny kabelem skrze střechu vozidla, a samotný přijímač je zabudován ve vozidle. GNSS modul U-blox EVK-6R je propojen s elektronikou vozidla, díky čemuž určí rychlost a směr jízdy vozidla vpřed a vzad (rozeznání polohy řadící páky). V modulu je zabudován gyroskop a díky spojení s elektronikou vozidla je schopen dopočítat polohu i mimo signál GNSS. U-blox EVK-6T je nižší model GNSS modulu oproti druhé verzi U-blox EVK-6R. Slouží k paralelnímu sběru GPS stop. Ty mají nižší přesnost díky absenci gyroskopu v GNSS modulu a propojení s elektronikou vozu. Oba typy GNSS modulů jsou schopny přijímat informace ze satelitů systémů GPS, GLONASS a QZSS.
Obr. 6 U-blox EVK-6R (vlevo) a U-blox EVL-6T (vpravo)
18
Ve vozidle jsou namontované 4 kamery. Jedna kamera je umístěna na zadních dveřích vozidla. Další tři kamery jsou umístěny uprostřed palubní desky vozidla, jejichž zorný úhel je 140° a směřují tak, aby obraz obsahoval jízdní pruhy a dopravní značení.
Obr. 7 Pozice kamer ve vozidle a jejich zobrazení na palubním počítači vozidla
Tyto kamery jsou propojeny se dvěma videorekordéry - dále jen DVR (Obr. 8), které jsou taktéž propojeny s dalšími dvěma anténami pro příjem GPS signálu. Každý automobil má čtyři GNSS antény. Do DVR se vkládají externí harddisky o různé datové velikosti (rozmezí 320GB – 1000GB). Data se nahrávají na dva harddisky současně. Dochází k zrcadlení dat a tedy jejich záloze. Pro případ, kdyby se jeden z disků poškodil. Záznam na disku je v podobě obrazu ze všech čtyř kamer a zároveň i GPS stopy, která již není tak přesná jako u výše zmíněných modulů U-blox. [3][6]
Obr. 8 Videorekordér (DVR)[6]
19
K výbavě vozidla patří ještě dva kontrolní panely od DVR, ze kterých, díky stavovým diodám, lze určit, zda jsou rekordéry pod napětím a dochází k nahrávání dat a zda mají GNSS moduly signál.
Obr. 9 Kontrolní ovládací panel k DVR
1) tzv. „tlačítko poplachu“ pro hlavní harddisk A) Record - Oranžová dioda – blikající = znamená, že DVR nahrává B) Power - Zelená dioda – svítící = znamená, že je DVR pod napětím C) GPS - Červená dioda – blikající = hledání signálu GNSS, svítící = GNSS signál nalezen 2) tzv. „tlačítko poplachu“ pro záložní harddisk 3) ovládání hlavního harddisku (0 = vypnut, 1 = zapnut) 4) ovládání záložního harddisku (0 = vypnut, 1 = zapnut) 5) přepínání mezi hlavním a záložním harddiskem pro zobrazení na palubním počítači (0 = hlavní, 1 = záložní)
20
2.3 Sběr geodetických dat 2.3.1
Sběr GPS stopy a videozáznamu Před samotným začátkem mapování je posádka, tvořena ze dvou členů, řidiče a navigátora,
nucena provést kalibraci kamer a zkontrolovat a případně upravit nastavení DVR. Je nutné, aby kamery byly správně zaostřeny a nastaveny tak, aby snímaly správnou část vozovky. Zadní kameru je třeba zkontrolovat, je-li správně zaostřená a má správný směr a úhel záběru. Záznam z videokamer může posádka sledovat v reálném čase na palubním počítači vozidla. Přední kamery by měly být nastaveny tak, aby dobře snímaly povrch vozovky, ale zároveň i veškeré svislé dopravní značení nad nebo po krajích vozovky. GPS stopy se nahrávají souběžně na dva notebooky připojené přes rozhraní USB k GNSS modulům U-blox. Jeden notebook slouží jako zálohový a je umístěn na zadní sedačce vozidla. Druhý notebook (hlavní), má navigátor u sebe a přes specializovaný software GPSMapEdit zapíná a vypíná zobrazení a ukládání GPS stop. Po zapnutí modulů navigátor vidí na podkladové mapě v reálném čase polohu vozidla a jeho zaznamenanou stopu. Pomocí této stopy a na základě podkladů, které má geodet k dispozici, naviguje řidiče nejvhodnější trasou skrze mapované území.
Obr. 10 Zobrazení GPS stopy v GPSMapEdit (Francie)
21
2.3.2
Sběr bodů zájmu a informací o dopravní infrastruktuře Práce navigátora spočívá nejen v plánování trasy, ale i ve sběru dat, jakými jsou POI
a informacemi o dopravní infrastruktuře. Data zadává navigátor do programu GPSMapEdit v podobě objektů. Tuto práci mu usnadňuje řidič, který si všímá těchto informací kolem sebe, diktuje je navigátorovi a ten je okamžitě vkládá do programu. Informacemi o dopravní infrastruktuře se myslí dopravní značení přikazující směr jízdy, jednosměrnost, povolené a zakázané manévry v křižovatkách, informace o váhových, šířkových a délkových limitech a typy komunikací. Rozlišujeme mezi sebou dálnice, komunikace I., II. a III. třídy. Ve městech rozlišujeme hlavní tahy, významné ulice, soukromé cesty, nezpevněné cesty a ostatní ulice. Mezi POI patří například čerpací stanice, restaurační a ubytovací zařízení, parkoviště, různé obchody a další. POI se ukládají v podobě bodových značek.
2.4 Aktualizace silniční sítě 2.4.1
Vektorizace Vektorizací komunikací se rozumí vytváření nových linií nebo jejich editování do správné
polohy a tvaru. Před samotnou vektorizací se nejdříve musí zaměřit na správné nastavení mapových podkladů. Území pokryté satelitními snímky je složeno z několika snímků, které jsou na sebe napojeny, ale jejich spoje nejsou přesné. Odchylka může dosahovat v řádu až desítek metrů. Proto je třeba načíst přes zásuvný modul GPS stopy vozidel, které jsou nahrané na serveru a každý satelitní snímek, pomocí funkce v GPSMapEditu „posun“, zkalibrovat pokud možno co nejpřesněji. Ideální je kalibrovat snímky podle kruhových objezdů, kdy je k dispozici GPS stopa po celém obvodu kruhového objezdu a je tedy kalibrace nejpřesnější. Pro správný posun se kontroluje srovnání na více místech, nejčastěji na okrajích snímku a ověřuje se, zda je posun dostatečně přesný po celé ploše. Pokud tomu tak není, musí se posun realizovat vícekrát na stejném snímku v různých oblastech.
22
Digitální podoba silniční sítě reprezentována spojenou sítí linií se upravuje na správnou pozici a zaměřuje se na správný a hladký průběh zatáčkami. Je nutné dbát na ideální počet lomových bodů v průběhu linie, aby jich nebylo hodně a data nebyla příliš veliká. Je třeba dát pozor při zakreslování víceproudých silnic, kdy jednotlivé směry jsou od sebe odděleny pevnou překážkou (oddělený tramvajový pás, svodidla, ostrůvek). Tyto komunikace se vykreslují dvěma paralelními liniemi, pro každý směr jednou.
Obr. 11 Správné zakreslení paralelních silnic a hladké vykreslení zatáčky
2.4.2
Nastavení průjezdu křižovatkou Každý nód grafu silniční sítě je průsečíkem jedné nebo více linií. V nastavení tohoto nódu
se otevře tabulka s variantami odbočení a z videozáznamu kartograf zakreslí situaci na křižovatce, nebo využije poznámek od geodetů a následně jednotlivé manévry na křižovatce povolí/zakáže. (Obr. 12)
23
Obr. 12 Nastavení průjezdu křižovatkou v GPSMapEdit
Je třeba dbát na správné nastavení světelných křižovatek, na kterých může být zakázán otáčecí manévr. Je nutné si nejdříve ověřit informaci, zda tento manévr má daná země zákonem povolen či zakázán. V České republice je tento manévr zákonem zakázán.
2.5 Zpracování videozáznamu Videozáznam si připojíme do souboru v aplikaci GPSMapEdit pomocí zásuvného modulu. Stejně jako GPS stopy, i tyto data si můžeme nechat zobrazit dle data. K efektivní práci s videozáznamem kartograf využívá dvou monitorů, kdy na jednom má zapnutou aplikaci GPSMapEdit, kde vidí aktuální pozici záznamu, a na druhém okno se záběry ze všech čtyř kamer. Okno se záznamy je nastavitelné a nejpřehlednější je srovnání oken tak, jak je ukázáno na obrázku. Přední kamery v horní části vedle sebe a zadní pod nimi. (Obr. 13)
24
Obr. 13 Zobrazení videozáznamu v GPSMapEdit
Kartograf může videozáznam pomocí tlačítek na klávesnici zrychlovat/zpomalovat a nebo posouvat dopředu/dozadu. Tak se opětovně vracet k nepřehledným situacím. Pomocí videa se snaží vyčíst dopravní situace na křižovatkách a dopravní značení. Nevýhodou rozložení kamer je, že vznikají tzv. slepá místa, například pokud na křižovatce vozidlo zatáčí doprava a je ihned na straně jakékoli dopravní značení, které geodet nezaznamenal, musí kartograf vyčíst informaci z jiných průjezdových směrů křižovatkou. 2.5.1
Dopravní značení
Obr. 14 Dopravní značení v GPSMapEdit
Tento druh dat je jedním z nejdůležitějších informací, jelikož nám pomáhají nastavit správný řád a pravidla v silniční síti. Jedná se zejména o přikázané směry jízdy, které jsou velice důležité na křižovatkách, aby nám navigace neukázala trasu, která je zakázana, ale také 25
jednosměrnost, zákazy vjezdu, váhové, výškové, délkové a rychlostní omezení. Tyto informace se vkládají přímo do linií a tvoří tzv. atributy linie. 2.5.2 2.5.2.1
Atributy linií Rychlostní omezení a aktuální rychlost
Atributy linií rozumíme parametry, které nám udávají vlastnosti a omezení daného úseku. Nejdůležitějším atributem linie je rychlostní omezení, které patří k důležitým prvkům výpočetního algoritmu pro plánování trasy. Dalším atributem je „aktuální rychlost“, který udává průměrnou rychlost pohybu po daném úseku. Pokud je tento atribut vyplněn, vchází do výpočetního algoritmu právě tato hodnota namísto rychlostního omezení. Například v České republice je zákonem daná maximální rychlost na pozemní komunikaci mimo obec 90 km/h, ale ze zkušenosti víme, že například na silnici III. třídy, která může být rozbitá, nepojedeme v průměru vyšší rychlostí než 60 km/h, pak zadáme do atributu „aktuální rychlost = 60 km/h“.
Obr. 15 Nastavení rychlostních atributů a atributů omezující dopravní prostředky v GPSMapEdit
26
2.5.2.2
Atributy omezující dopravní prostředky
Atributy, které omezují dopravní prostředky, se vkládají přímo v nastavení linií a patří mezi ně: jednosměrnost, omezení dopravy jen pro dopravní obsluhu a residenty, placené úseky (užito při zpoplatněných úsecích dálnice, či jiných zpoplatněných úseků – tunely, horské cest, atd.), omezení různým druhům dopravních prostředků – zákaz chodců, cyklistů, aut, nákladních vozidel, autobusů, vozidel záchranných složek, taxi a zásobování a doručování. Dále omezení váhová, výšková, délková, šířková a povolená hmotnost na nápravu pro různé typy vozidel. 2.5.2.3
Atributy určující adresu
Na základě informací a podkladových dat od geodetů, aktualizuje kartograf názvy silnice v mapě. To samé platí pro ulice ve městě, kde navíc dochází k aktualizaci jak názvů ulic, tak i čísel popisných. Tyto informace patří mezi prvky k vyhledávání, ale hlavně k přesnému navigování k požadované pozici. K aktualizaci kartograf užívá volně přístupná data v kombinaci s daty od geodetů.
Obr. 16 Nastavení adresy v GPSMapEdit
27
2.5.2.4
Atributy sloužící ke generalizaci
Pro zjednodušení mapy se užívá grafické generalizace, kdy na základě liniového atributu „FRC“, který je rozdělen do 13 kategorií, dochází k redukci lomových bodů a silnic na základě hodnoty atributu. ·
1 – zobrazuje hlavní tahy mezi hlavními městy
·
2 – zobrazuje silniční tahy mezi hlavním městem a krajskými městy
·
3 – zobrazuje silnice mezi krajskými městy
·
4 – zobrazuje silnice mezi krajskými městy a okresními
·
5 – zobrazuje silnice mezi okresními městy
·
6 – zobrazuje silnice mezi ostatními městy
·
7 – zobrazuje slepé zpevněné silnice
·
8 – zobrazuje nezpevněné a soukromé cesty mimo město
·
9 – zobrazuje hlavní průtah městem
·
10 – zobrazuje hlavní ulice ve městě
·
11 – zobrazuje všechny ulice ve městě
·
12 – zobrazuje nezpevněné a soukromé cesty ve městě
·
13 – zobrazuje cesty pro pěší a cyklisty
28
2.5.3
Nastavení jízdních pruhů Zobrazení jízdních pruhů na křižovatkách je důležitou součástí GPS navigace pro řidiče.
Nastavení jízdních pruhů probíhá nejprve nastavením počtů pruhů na daném úseku linie před křižovatkou a následným nastavením samotných pruhů v nastavení nodu. Nastavení proběhne zvolením odbočení a průjezdnosti v jednotlivých pruzích.
Obr. 17 Nastavení pruhů v GPSMapEdit
2.5.4
Body zájmu Body zájmu, v anglické zkratce POI, jsou body znázorňující objekty, které slouží
k zobrazení polohy a informací objektu v mapě. POI můžeme rozřadit do různých kategorií. Například: Stravování, ubytování, služby, zábava, doprava, benzínové pumpy a další. Při zadávání POI do aplikace je nutné dodržet stejné názvosloví jednotlivých značek řetězců. Do POI přidáváme atributy, resp. informace, jako jsou kontaktní údaje, otevírací doba, druh paliva, nabízené služby a další. Pro jednodušší orientaci v POI na mapě je významným řetězcům (tedy řetězce, které mají více poboček v daném státu) přidáno logo, kterým je daná POI zobrazena. (Obr. 18)
29
Obr. 18 Zobrazení bodů zájmu v aplikaci Navitel Navigator a GPSMapEdit
30
3 Výsledný produkt Výsledným produktem je GPS navigace Navitel Navigator, která slouží především k automobilové navigaci. Navitel Navigator je aplikace fungující na platformách Android, Windows mobile, Windows CE, iPhone/iPod, BlackBerry, Bada, Tizen a Symbian. Navigace je k dispozici jako offline, tedy na rozdíl od některých jiných navigací má mapy nahrané v zařízení a nemusí je tedy stahovat přes internet. V případě online režimu se uživateli nabídne několik funkcí navíc [10]: ·
Dopravní informace je služba zobrazující aktuální dopravní situace na silnicích. Tyto informace se získávají od samotných uživatelů, kteří mají zapnutou aplikaci NAVITEL a jsou v online režimu. Na základě jejich rychlosti při průjezdu daným úsekem navigace vykreslí silnici v aplikaci barvou dle plynulosti provozu. Zelená barva značí plynulý průjezd úsekem. Žlutá až červená barva značí zvýšený stupeň provozu dle aktuální hustoty provozu.
Obr. 19 Dopravní informace
31
·
Navitel.Přátelé je služba, která umožňuje sledovat spřátelené zařízení v reálném čase a sdílet s ním svou polohu. Tato funkce je výhodná pro cestování s více auty. Můžeme tak v reálném čase vidět polohu všech spřátelených vozidel.
Obr. 20 Navitel.Přátelé
·
Navitel.Cloud je úložná služba, kde si uživatel může ukládat své oblíbené body a cílové destinace.
·
Navitel.Konverzace je online komunikační služba, skrze kterou můžeme posílat zprávy mezi jednotlivými uživateli Navitel Navigator nebo je možnost odeslat zprávu v podobě SMS.
Obr. 21 Navitel.Konverzace
32
3.1 Možnosti navigování Navigace umožňuje navigování mezi dvěma body. Mezi tyto body je možné navíc vkládat tzv. průjezdové body, které nám pomáhají při úpravě trasy. Trasa je počítána na základě nastavení typů linií a jejich rychlostí. Výpočetní algoritmus, který vypočítává ideální trasu, je založen na počítání desítek variant. Vyhodnocuje silnice, které jsou výhodnější na základě typů silnic a jejich atributů. Aby nedocházelo k vytváření nesmyslných tras, jsou hlavní silnice v silniční síti zvýhodňovány koeficienty, které se určují na základě důležitosti silnice.
Obr. 22 Vyhledání trasy pomocí adresy v aplikaci Navitel Navigator
Navigace nám během navigování po trase zobrazuje aktuální rychlost vozidla, vzdálenost do cíle, čas zbývající do cíle a reálný čas příjezdu. Čas příjezdu a čas zbývající do cíle se během trasy může měnit dle reálné situace. Tedy pokud se vozidlo pohybuje rychleji, než je nastavená rychlost pro jednotlivé úseky, nebo pomaleji. V nastavení aplikace se může nastavit možnost plánování trasy po silnicích nebo vzdušnou čarou. Dále je na výběr jestli si uživatel přeje plánovat trasu se silnicemi, které jsou zpoplatněné. V nastavení je možno upravit míru upozornění na různé situace. Například nastavení vizuálního, příp. zvukového upozornění na překročení rychlostního limitu na daném úseku komunikace. (Obr. 23)
33
Obr. 23 Možnosti nastavení aplikace Navitel Navigator a zobrazení připojení satelitů
Na každém křížení, kde dochází ke změně směru jízdy, nám navigace zobrazuje tvar daného manévru a vzdálenost, která zbývá do manévru. Pokud se na křižovatce nacházejí jízdní pruhy, zobrazí se v navigaci okénko se situací jízdních pruhů a zvýrazní právě ten, který se týká daného manévru.
3.2 Vyhledávání V navigaci je více možností jak vyhledat dané místo, kam se chceme dostat. Klasickým vyhledáváním v autonavigaci je vyhledávání pomocí adresy. Pro vyhledání potřebné adresy se nejprve zvolí stát, město, ulice a případně i číslo popisné. Adresy, které uživatel užívá často, je možné uložit do kategorie oblíbené, tedy pro uživatele usnadní opakované vyhledání dané adresy. Další možností je volba cíle jízdy přímo z mapy, vložením souřadnic, nebo ze záložky historie, kde jsou uloženy poslední použité trasy.
34
Vyhledávat a plánovat trasu nemusí uživatel pouze pomocí adresy, ale může si zadat za cíl trasy i bod zájmu. Tedy pokud chceme naplánovat trasu do nejbližšího obchodu, můžeme pomocí vyhledávání seznamu v POI vybrat danou kategorii, název naší prodejny a podle zobrazené vzdálenosti zvolit, která pobočka je pro nás ideální.
Obr. 24 Vyhledávání POI blízko kurzoru
35
Závěr Výsledným produktem společnosti NAVITEL s.r.o. je aplikace Navitel Navigator. Je to plnohodnotná offline navigace pro PND zařízení, tablety, chytré telefony a palubní počítače. Pracuje na platformách Android, Windows mobile, iPhone/iPad, BlackBerry, Bada, Tizen a Symbian. Autor bakalářské práce se zabývá aktualizací vybraných evropských zemí: Česká republika, Rakouská republika, Slovenská republika, Republika Slovinsko, Maďarská republika, Chorvatská republika. Podílel se na aktualizaci části hlavního města Maďarské republiky Budapešti na východ od řeky Dunaj. Samotná vektorizace a zpracování videozáznamu trvalo cca 2 měsíce.
36
Použitá literatura
[1]
GLONASS. Wikipedia.com [online].
[cit.
2015-04-20].
Dostupné
z: http://cs.wikipedia.org/wiki/GLONASS [2]
GlobalPositioningSystem. Wikipedia.com [online]. [cit. 2015-03-19]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
[3]
U-BLOX
AG. U-blox [online].
Switzerland
[cit.
2015-04-20].
Dostupné
z:
https://www.u-blox.com/en/ [4]
UTM:
Univerzální
transverzální
souřadnic. Wikipedia.com [online].
Mercatorův
2015-02-02.
systém
Dostupné
z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/UTM [5]
ČÁBELKA, Miroslav. Úvod do GPS. In: [online]. [cit. 2015-04-20]. Dostupné z: https://www.natur.cuni.cz/geografie/geoinformatika-kartografie/kestazeni/vyuka/gps/skriptum-uvod-do-gps/
[6]
MOLPIR,
s.r.o. MOLPIR [online].
[cit.
2015-04-20].
Dostupné
z: http://shop.molpir.sk/ [7]
CHROUST, Martin. Navitel: Jak se sbírají data pro mapy a navigaci. [online]. [cit. 2015-04-20].
Dostupné
z: http://navigovat.mobilmania.cz/clanky/navitel-jak-se-
sbiraji-data-pro-mapy-a-navigaci/sc-265-a-1328687 [8]
HOFMANN-WELLENHOF,
Bernhard. Globalpositioningsystem:
theory
and
practice. 5th, rev. ed. Wien: Springer, 2001, xxii, 382 s. ISBN 32-118-3534-2. [9]
WorldGeodeticSystem: WorldGeodeticSystem 1984. Wikipedia.com [online]. [cit. 2015-04-20]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/World_Geodetic_System
[10]
NAVITEL S. R. O. [online]. [cit. 2015-04-20]. Dostupné z: http://navitel.cz/cs
37
