А.В. Баделин, Санкт-Петербургский государственный университет
GPS ? хорошо,
а ArcPad с GPS ?
лучше.
Мобильные ГИС являются важным компонентом развитых геоинформационных систем и предназначены для применения непосредственно в поле. Они объединяют GPS-приемник, мобильный компьютер и программное обеспечение, позволяющие определять местоположение на местности, визуализировать пространственные данные, обращаться к географическим базам данных в реальном времени, осуществлять сбор и анализ данных непосредственно на изучаемых в поле объектах. Эти системы быстро развиваются и применяются в широком спектре задач, связанных с работами на местности.
В мировой геологической практике использование средств спутниковой навигации и ГИС является общепризнанным стандартом. Поэтому их внедрение в учебный процесс подготовки специалистов геологических и геофизических специальностей оказывается настолько насущным и актуальным, что приобретает черты императива времени. Умение эффективно применять ГИС становится неотъемлемым элементом профессиональной культуры современного специалиста. В свою очередь, роль геоинфомационных систем расширяется от инструмента сбора, обработки, анализа и управления пространственными данными до средств, обеспечивающих коммуникацию, взаимодействие и основы для проведения комплексных геолого-геофизических исследований.
В настоящий период отчетливо наметилась тенденция интеграции спутниковых систем позиционирования с мобильными компьютерами. На базе объединения GPS-приемника в одном корпусе с мощным карманным компьютером, работающим под управлением специализированного программного обеспечения, создаются высоко эффективные мобильные ГИС. Эти интегрированные системы имеют неоспоримые достоинства, однако пока избыточно дороги для учебных заведений.
Анализ задач учебной геологической практики, параметров представленных на рынке приемников GPS, мобильных компьютеров и программного обеспечения, а также имеющийся опыт применения ГИС в профессиональной и учебной сферах показали, что полноценную функциональную полевую ГИС можно сформировать с многократно меньшими затратами. Так на геологическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета для целей учебных геологической и геофизической практик собран мобильный программно-аппаратный комплекс, включающий спутниковый навигатор Garmin GPS 12 XL, компьютер Compaq iPAQ Pocket PC H3970 и программу ArcPad, входящую в качестве мобильной составляющей в семейство продуктов ArcGIS. Аппаратные компоненты комплекса размещены в специально сконструированном и изготовленном автором статьи корпусе, защищающем приборы и интерфейсные кабели от механических воздействий, перегрева на солнце, атмосферной влаги и пыли во время полевых работ. Подключение GPS-приемника к компьютеру осуществляется через фирменные интерфейсные кабели и COM-COM соединение.
Выбор указанного спутникового навигатора основан на успешном опыте его применения. Прибор характеризуется высоким отношением качество/цена, обеспечивает необходимую точность и воспроизводимость координат не только на открытой местности, но также под покровом леса, прост и надежен в эксплуатации, имеет большую продолжительность автономной работы. Приемник Garmin GPS 12 XL имеет вход для подключения внешней антенны, что позволяет существенно повысить точность определения координат в неблагоприятных условиях. Обмен информацией между GPS-приемником и настольным компьютером осуществляется через COM-порт под управлением программы Garmin MapSource, установленной на стационарном компьютере. Она позволяет копировать данные из памяти навигатора, проецировать точки, маршруты, сети наблюдений и загружать их в память приемника, экспортировать координаты точек GPS в текстовые файлы или электронные таблицы с целью дальнейшего импорта в геоинформационную систему.
Компьютер Compaq iPAQ Pocket PC оснащен высокопроизводительным процессором, значительной оперативной памятью и высококачественным сенсорным цветным дисплеем, обеспечивающим контрастное изображение на ярком солнечном свету, устройствами звукозаписи и звуковоспроизведения, портом расширения, к которому могут быть подключены цифровая фотокамера или модем. Компьютер управляется многопрограммной операционной системой Windows СЕ и характеризуется большим ресурсом автономного питания.
Пакет ArcPad в ряду профессиональных ГИС-программ имеет умеренную стоимость и высокую функциональность, что позволяет с необходимой полнотой показать студентам возможности полевых ГИС и разработать эффективные методики полевых геологических и геофизических исследований. С точки зрения геологической и геофизической практик программа обладает рядом достоинств:
- · удобным и рациональным, при необходимости настраиваемым интерфейсом;
- · развитым набором инструментов для работы с картой, позволяющиx гибко управлять масштабом, осуществлять просмотр и анализ данных, быстро производить поиск и идентификацию объектов, выполнять картометрические операции;
- · оптимальным инструментарием для создания и редактирования пространственных объектов в режиме реального времени при активном приемнике GPS;
- · механизм гиперссылок предоставляет возможность подключать к объектам карты документы с описательной информацией, фотоснимки или запускать необходимую программу;
- · поддержка векторных и растровых форматов позволяет использовать отсканированные карты, аэрофотоснимки как топооснову для геофизических и геологических карт и схем.
Программно-аппаратный комплекс под управлением программы ArcPаd позволяет, используя электронную карту и средства спутниковой навигационной системы, определять непрерывно местоположение на местности, выполнять надежную и достоверную топопривязку точек наблюдений, создавать в режиме реального времени комплексные топосхемы участка работ с элементами геологических и геофизических наблюдений. При этом он оказывается более эффективным и точным инструментом пространственной привязки данных, чем действующий в отдельности приемник GPS. Это достигается благодаря возможности использовать процедуру осреднения координат, а также опциям ограничения PDOP (Position Dilution Of Precision – фактор снижения точности определения координат из-за неравномерного расположения спутников на небесной сфере), EPE (Estimated Position Error – приближенная погрешность позиционирования), 3D Only – режим определения координат не менее чем по четырем спутникам. Возможность контроля величин PDOP и EPE позволяет выбирать интервалы времени, в которые указанные параметры невелики и местоопределение производится с повышенной точностью.
К достоинствам программы ArcPad также следует отнести то, что она разработана для использования в компьютерах типа Pocket PC, работающих под управлением многопрограммной операционной системы. Поэтому одновременно с ArcPad для обработки геофизических данных могут применяться электронные таблицы или иное, специализированное программное обеспечение, а для геологической документации –текстовые редакторы, звуковая запись и фотосъемка цифровой фотокамерой. Тем самым ГИС-комплекс функционально расширяется до мобильного вычислительного центра, обеспечивающего автоматизированный сбор и обработку полевых данных.
Карта графиков аномального магнитного поля, подготовленная в ArcView для проведения полевых исследований с мобильным ГИС-комплексом.
Приложения Windows CE и программа ArcPad поддерживают форматы данных, совместимые с приложениями для настольных систем, поэтому собранные данные можно импортировать в настольную ГИС, в качестве которой мы используем ArcView. Такой подход позволяет автоматизировать весь цикл обработки данных и исключить рутинные ручные операции, часто являющиеся главным источником ошибок.
Рассмотренный мобильный программно-аппаратный комплекс и ГИС-технологии успешно применяются в геолого-геофизических съемках, проводимых в учебных целях студентами 2-го курса геологического факультета на полигоне Крымской учебно-научной базы СПбГУ. Съемки выполняются в средних, крупных и детальных масштабах (от 1:10000 до 1:500).
Не останавливаясь на деталях, перечислим основные особенности применяемых методик. В масштабах 1:10000 — 1:5000 геолого-геофизические съемки проводят без предварительной подготовки топосети на местности, ограничиваются только созданием опорных пунктов, которые позволяют контролировать погрешности проложения профилей и привязки точек наблюдения. В процессе полевых работ координаты точек наблюдения записывают в память приемника GPS, при этом компьютер ГИС-комплекса используется для записи и обработки данных текущих геофизических измерений. По окончании работы в поле координаты и данные из мобильного комплекса копируются в память настольного компьютера, обрабатываются и импортируются в настольную геоинформационную систему, где сохраняются в цифровой форме и представляются в виде карт, графиков, изолиний и структурно корреляционных схем, наложенных на топооснову. Эти карты экспортируются в мобильный ГИС-комплекс и служат основой для дальнейших целенаправленных геолого-геофизических исследований на местности.
Методика съемок в крупных и детальных масштабах несколько иная. Вследствие недостаточной точности приемника GPS топопривязка в режиме реального времени оказывается невозможной. Поэтому на детальных участках предварительно готовится и закрепляется на местности сеть наблюдений. Затем выбирается не менее 4-6 опорных точек, расположенных на периферии участка в благоприятных для приема сигналов GPS местах. В этих точках определение координат проводится с помощью мобильного ГИС-комплекса. Измерения выполняются с осреднением в периоды наименьшего PDOP. В случае необходимости, например, при работе в лесу или в понижениях рельефа используется внешняя антенна, поднятая на штанге высотой около 5 м. Измерения проводятся неоднократно, в несколько циклов. Координаты точек импортируются в настольную ГИС и используются затем в качестве контрольных точек, по которым осуществляется топопривязка растров геофизических и геологических карт и схем, полученных по результатам съемки. Затем эти карты импортируются в ArcPad и используются при проведении дальнейших комплексных исследований in situ. Такой подход позволяет достичь приемлемой точности топопривязки профилей наблюдения и высокой оперативности подготовки данных.
Достоинства применяемых методик состоят в надежности топопривязки, гибкости, оперативности, высокой производительности исследований при малой трудоемкости за счет автоматизации работ на всех этапах. Все это делает рассмотренные методики весьма перспективными для применения в производственных геолого-геофизических работах.
В заключение с благодарностью отметим, что рассмотренные в статье разработки оказались возможными благодаря программе поддержки вузов, осуществляемой фирмой ESRI в России через компанию ДАТА+.
