Přesnost přístrojů GPS

Možnosti využití GPS v podmínkách LČR

Lesy České republiky se prostřednictvím Odboru hospodářské úpravy lesa – Oddělení geografických informačních systémů zabývají možností využití GPS v podmínkách LČR od roku 2007. Problematikou využití technologie GPS při měření kalamitních holin se zabýval článek v LP 6/2010. Lesy ČR také nechaly prostřednictvím Grantové služby LČR zpracovat projekt „Optimalizace činností TDS pomocí technologie GPS s využitím geografických dat LHP a OPRL“. Z výsledků projektu vyplynulo, že přesnost GPS použitých v těžebně dopravních strojích odpovídá přesnosti námi testovaných levnějších přístrojů.

Testované přístroje

Kvalita signálu přijímaného z GPS je mimo jiné limitována polohou družic a dále snižována při průchodu atmosférou, lesním porostem, odrazem signálu od okolních předmětů apod., což se ve výsledku projeví chybou při určení polohy. Existují možnosti, jak tuto chybu minimalizovat. Ne všechny přístroje tyto možnosti využívají. Jedná se v prvé řadě o:

- Nastavení podmínek příjmu signálu – obsluha přístroje se rozhoduje mezi příjmem kvalitního signálu z menšího počtu družic nebo příjmem méně kvalitního signálu z více družic. V prvém případě dosahujeme větší přesnosti, ale kvalitní signál nemusí být dostupný v daném místě a čase. V druhém případě nejsme tolik ovlivňováni momentálním postavením družic a kvalitou signálu, zato výsledek měření bude pravděpodobně méně přesný. Nastavování podmínek příjmu signálu neumožňují všechny přístroje – možnost nastavení je „výsadou“ zpravidla jen dražších přístrojů.

- Použití korekcí v reálném čase – mimo signálu z družic může aparatura GPS přijímat z externích zdrojů i opravné údaje o před-pokládané chybě obsažené v signálu z družic. Přístroj si pak na základě této informace sám upraví svou výslednou polohu. Lze přijímat:

- neplacené satelitní korekce SBAS (EGNOS) nebo,

- neplacené korekce z pozemní sítě referenčních stanic přes mobilní telefon (vědecká pracoviště),

- placené korekce z pozemní sítě referenčních stanic přes mobilní telefon (komerční sítě – např. CZEPOS provozovaný ČÚZK, ad.)

Příjem korekcí v reálném čase, a to ať placených či zdarma, neumožňují všechny přístroje, které se na trhu objevují.

Hodnoty naměřené jakýmkoliv přístrojem lze po ukončení měření zpětně korigovat údaji o předpokládané odchylce v době měření pomocí specializovaného software.

Testované přístroje

V loňském roce pořídily Lesy ČR 3 typy přístrojů GPS (viz obrázek) za účelem testování a zhodnocení aspektů – pořizovací cena – přesnost – odolnost. Jednalo se o aparatury:

- Trimble Nomad 800 – terénní počítač s in-tegrovanou GPS, vodotěsný a mrazuvzdorný. Nelze u něj měnit nastavení aparatury.

- Trimble Juno SB – mobilní pořizovač dat s integrovanou GPS. Ve standardním provedení má malou odolnost proti povětrnostním vlivům a nárazům. Jeho odolnost lze zvýšit dokoupením ochranného pouzdra. Umožňuje přijímat neplacené satelitní korekce SBAS v reálném čase. Nelze měnit nastavení podmínek příjmu signálu.

- Trimble GeoExplorer XH – měřičská aparatura s možností příjmu neplacených i place-ných korekcí a s nastavením kvality přijímaného signálu, odolná proti dešti a nárazům.

Všechny testované přístroje byly vybaveny softwarem TerraSync.

Prováděné testy

Všechny 3 výše uvedené aparatury byly testovány při měření na vybraných bodech podrobného polohopisného bodového pole (dále jen PPBP). Každým přístrojem se provedlo opakované měření polohy bodu PPBP. Měření bylo prováděno s korekcemi i bez korekcí a při různém nastavení kvality přijímaného signálu. Výsledky měření byly vyhodnoceny statistickými testy. Mimo těchto měření se přístroje testovaly v běžném provozu při dohledávání majetkových hranic, měření holin, evidenci objektů na vodních tocích apod.

Výsledky

Na přesnost aparatur má vliv prostředí. Vliv lesního porostu výrazně zvyšuje nepřesnost měření a v některých případech jej může dokonce znemožnit nebo přinejmenším výrazně prodloužit (místa v roklích s hustým zápojem). V tabulce 1 je znázorněna průměrná přesnost dosahovaná přístroji na jednotlivých bodech PPBP.

Mezi jednotlivými přístroji existovaly na jednotlivých bodech výrazné rozdíly. V otevřené krajině dosahoval GeoExplorer přesnosti až 0,3 m, zatímco Juno pouze 2,5 m a Nomad 3 m.

V opačném extrému (borová kmenovina s podrostem) dosahoval GeoExplorer přesnosti až 1,5 až 2 m, zatímco Juno SB 5,5 až 6,5 m a Nomad 800 pouze 15,5 m.

Srovnáme-li průměrné přesnosti dosahované jednotlivými přístroji (graf 1), zjistíme, že na všech navštívených bodech PPBP dosahovala nejhorší průměrné přesnosti aparatura Nomad 800 (přibližně 10 m). Současný typ Nomad 900 již vykazuje lepší přesnost. Podstatně přesnější byl přístroj Juno s průměrnou odchylkou 5 až 6 m a nejpřesněji měřil přístroj GeoExplorer s odchylkou 1 až 3 m v závislosti na používání korekcí v reálném čase. Z obrázku 2 je dobře patrné, že při použití neplacených satelitních korekcí SBAS se průměrná odchylka u přístrojů Juno a GeoExplorer snížila přibližně o 1 m. Použitím placených korekcí v reálném čase došlo k ještě výraznějšímu zpřes-nění. Při používání korekcí z 1 referenční stanice (1RS) se průměrná odchylka pohybovala do 2 m a s korekcemi z virtuální referenční stanice klesla průměrná odchylka až na 1 m. Neprojevil se výrazně vliv nastavení podmínek příjmu signálu.

Schopnost některých aparatur (levnější a turistické aparatury) přijímat signál družic a měřit takřka nepřetržitě a v jakýchkoliv podmínkách je vyřazuje nejen z měření majetkových hranic, ale často znemožňuje jejich použití i při měření malých ploch (kotlíky, malé holiny vzniklé při prolámání porostů sněhem–  tedy ploch se značným bočním zástinem signálu družic). V těchto případech dochází k vytváření různých smyček a následné deformaci tvaru i velikosti holiny (diagram 1).

Výrazný vliv na přesnost naměřených dat mají i korekce provedené v kanceláři po ukončení měření, které dokázaly při tomto měření snížit průměrnou odchylku o 0,3 až 1,7 m. Provádění těchto korekcí vyžaduje zvláštní vybavení.

Zásadním argumentem proti používání přesných přístrojů je jejich pořizovací cena. Experimentálně byla přeměřena velikost 49 holin o celkové souhrnné ploše 26,43 ha zjištěné klasickými způsoby. Po změření těchto holin přístrojem GPS byla zjištěna celkové plocha pouze 23,72 ha. Zjištěný rozdíl tak představoval 2,73 ha  (11 %). Jedná se o logicky vysvětlitelný jev. Při klasickém měření holin s použitím např. dálkoměru vznikají kladné chyby způsobené zejména:

- špatnou redukcí šikmé vzdálenosti na vodorovnou,

- měřením na kmen (pod okap, nikoliv na okraj holiny),

- zkreslením výsledku záměrou na kmen – kůra je špatný odrazový materiál a některé dálkoměry vykazují kladnou chybu v porovnání s měřením na odrazku),

- ponecháním určité rezervy (aby nechyběly sazenice apod.).

Finanční prostředky na zajištění 2,73 ha fiktivní holiny představují zbytečně vynaložené náklady v pěstební činnosti a tato částka může být větší, než je pořizovací cena přesného přístroje GPS. Obdobnou zkušenost mají i Vojenské lesy a majetky, š.p., Slovenské republiky, které přístroje GPS běžně používají v provozu.

Doporučení

Nasazení v lesnictví představuje pro technologii GPS vystavení extrémním podmínkám, pro které nebyla technologie satelitní navigace připravována. Ač se výrobci aparatur snaží přesnost přístrojů neustále zvyšovat, v lese se často ocitáme za hranicí, kdy je ještě využití GPS efektivní. Proto je velmi důležitá volba správného přístroje.

Při správné volbě přístroje lze dosáhnout velmi dobrých výsledků při vytyčování majetkových hranic v terénu, vynikajících výsledků při zaměřování a výpočtu ploch velkých holin (po kalamitách). Spolehlivost určení ploch malých holin, které jsou ze všech stran zacloněny okolními porosty, je samozřejmě nižší zejména u levnějších přístrojů.

Stojí-li vlastník velkého lesního majetku před rozhodnutím o nákupu přístroje GPS s tím, že bude tento přístroj využívat při všech typech činností, které jsou spojeny s lesnickým provozem, je nezbytné pořídit přesnou měřičskou aparaturu. Je-li lesní majetek dostatečně velký, získaná vyšší přesnost měření vrátí náklady na pořízení přesného přístroje.

Opravdu efektivní využití přístroje GPS je možné až při jeho napojení na technologickou linku, která zajistí efektivní přípravu podkladů pro měření a následné zpracování výsledků měření. Popis technologické linky bude předmětem článku v některém z dalších čísel Lesnické práce.

Autoři:

Ing. Jan Valenta, Ph.D.

Tomáš Sys

Odbor hospodářské úpravy lesů

Lesy České republiky, s.p.

E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.