Jak powstają mapy do nawigacji GPS?
Wczoraj otrzymaliśmy ciekawy materiał od AutoMapy, traktujący na temat metod pozyskiwania danych i tworzenia map, z których korzystają użytkownicy systemu nawigacji satelitarnej AutoMapa. Oto cały ten artykuł:Wielu użytkowników nawigacji satelitarnej pyta o to jak powstają mapy cyfrowe wykorzystywane w nawigacji GPS i co wyróżnia dobre mapy. Spróbujemy to wyjaśnić opisując drogę, jaką pokonują dane, by finalnie znaleźć się w systemie nawigacyjnym AutoMapa®
Źródła danych
W procesie przygotowywania map cyfrowych wykorzystywane są obrazowania Ziemi w postaci zdjęć lotniczych i scen satelitarnych poparte następnie zwiadem terenowym. Zdjęcia wykonuje się przy różnych parametrach spektralnych, gdyż wykorzystywane są w różnych celach. Inne informacje otrzymamy przy wykorzystaniu widma światła widzialnego, takiego, jakie rejestruje ludzie oko, a inne robiąc to samo zdjęcie w podczerwieni. Obrazy takie po przesłaniu z satelity do ośrodków obliczeniowych na Ziemi trafiają do obróbki cyfrowej obejmującej m.in. korekcję radiometryczną i korekcję geometryczną.
Korekcja radiometryczna usuwa efekty zakłóceń spowodowanych wadliwą pracą detektorów, wpływami atmosfery i topografii (zachmurzenie, różnice w oświetleniu wynikające z obiektów terenowych, np. cień rzucany przez góry). Korekcja geometryczna eliminuje zniekształcenia obrazu wynikające z ruchu sensorów oraz faktu rzutowania fragmentu powierzchni kuli ziemskiej (3D) na płaszczyznę (2D). Bardzo ważny w tym procesie jest wybór odpowiedniego odwzorowania kartograficznego i systemu odniesień przestrzennych. Niezbędna jest również tzw. ortorektyfikacja usuwająca zniekształcenia kształtów obiektów widocznych na obrazie spowodowane wpływem rzeźby terenu. Korekcja geometryczna zdjęć lotniczych i satelitarnych wymaga znajomości dokładnych współrzędnych wybranych punktów terenowych widocznych na zdjęciach.
AutoMapa Polska 50k powstała na bazie danych wektorowych udostępnionych przez Zarząd Geografii Wojskowej Sztabu Generalnego Wojska Polskiego. W kolejnym etapie dane zostały zweryfikowane na podstawie scen satelitarnych z indyjskiego satelity IRS o rozdzielczości terenowej 5,8 m. Na tym samym podkładzie powstały dodatkowe elementy treści topograficznej takie jak lasy, jeziora, rzeki, koleje i obrysy miejscowości itp. Jest to jedyna mapa na rynku zwierająca pełną siatkę dróg utwardzonych. Również jako jedyna na rynku AutoMapa Polska 50k zawiera dodatkowo pełna siatkę dróg gruntowych a nawet polnych i leśnych przydatnych nie tylko w wyprawach terenowych ale również w razie konieczności objazdu niespodziewanego korka na głównej drodze.
Szczegółowe plany dużych miast tworzone są inaczej. Jako dane pierwotne służą specjalnie w tym celu pozyskiwane zdjęcia lotnicze i wysokorozdzielcze sceny satelitarne satelitów IKONOS i QuickBird. Po przetworzeniu do postaci wektorowej odpowiadają pod względem dokładności mapom topograficznym w skali 1:5000. Ważną zaletą tak przygotowywanych map są obrysy poszczególnych budynków wykonane z dokładnością do 1m, uzupełnione w trakcie zwiadu terenowego o precyzyjne punktowe adresowe. Dzięki nim AutoMapa nie ma sobie równych zarówno pod względem precyzji w nawigacji „od drzwi do drzwi” i tak chętnie sięgają po nią taksówkarze. Wszystkie konkurencyjne mapy dostępne w tej chwili na rynku zawierają jedynie adresy przybliżone wyliczane proporcjonalnie na podstawie tzw. zakresów adresowych „od skrzyżowania do skrzyżowania”. Producenci najlepszych dostępnych map Europy Zachodniej przygotowują wprowadzenie obrysów budynków i adresów punktowych w głównych miastach dopiero za 1-2 lata podczas gdy AutoMapa szczyci się nimi już od dwóch lat. Powód jest bardzo prosty: opracowanie map wraz z obrysami budynków i adresami punktowymi jest znacznie trudniejsze i znacznie bardziej kosztowne.
Ważnym elementem dobrej mapy nawigacyjnej jest obszerna baza Punktów Użyteczności Publicznej z języka angielskiego nazywanych POI (Points Of Interest). Są to miejsca o szczególnym znaczeniu na drodze i poza drogą. Do oczywistych zaliczymy stacje benzynowe, hotele i restauracje. Niemniej istotna jest kategoria punktów związanych z bezpieczeństwem jazdy a wśród nich przede wszystkim te, w które ze względu na częstość wypadków policja decyduje się oznaczyć jako tzw. Czarne Punkty lub monitorować z użyciem radarów i fotoradarów. Baza POI w AutoMapie obejmuje już 56 tys. punktów zbieranych przede wszystkim metodą zwiadu terenowego oraz dzięki współpracy z odpowiednimi organizacjami i służbami.
Oprócz obszernej bazy punktów użyteczności publicznej i precyzyjnych adresów mapa nawigacyjna musi oczywiście zawierać informacje o położeniu każdej ulicy oraz o tym, jakie manewry są na niej dozwolone, czyli informacje o organizacji ruchu zbierane przede wszystkim przy pomocy zwiadu terenowego. Finalny efekt to precyzyjna mapa, dzięki której można łatwo odnaleźć adres i trafić w pożądane miejsce sprawnie poruszając się w gąszczu ulic.
Najdokładniejsza cyfrowa mapa Polski AutoMapa XL (czyli zestaw map Polska 50k oraz szczegółowych planów miast) jest dziś najdokładniejszą cyfrową mapą Polski. Zapewnia dokładność lokalizacji w terenie na poziomie 1-2m w obrębie dużych miast oraz 5-15m na terenie poza nimi. AutoMapa jako jedyna mapa na rynku zawiera kompletną siatkę 453 tys. km dróg (w tym również drogi gruntowe), ponad 52 tys. miejscowości i ponad milion budynków.
Poniższa tabela prezentuje ważniejsze liczby opisujące stan AutoMapy w kwietniu 2006:
1 |
m dokładność nominalna map w największych miastach |
5-15 |
m dokładność poza największymi miastami |
9 |
Kategorii dróg (od gruntowych do Autostrad) |
453,000 |
km dróg wszystkich kategorii (jedyna mapa na rynku ze 100% pokryciem) |
580 |
km autostrad |
234,360 |
km dróg gruntowych |
52,410 |
Miejscowości |
1,007 |
Miejscowości (łącznie z miastami) z pełną informacją nawigacyjną |
847 |
miast z nazwami ulic |
810 |
miast z pełną informacją nawigacyjną (spośród 889 wszystkich miast Polski) |
93 |
największe miasta z kształtami poszczególnych budynków i ich adresami |
1,046,000 |
budynków narysowanych z dokładnością 1-2 m |
850,656 |
adresów poszczególnych budynków |
55,800 |
punktów użyteczności publicznej (POI) |
20,000 |
jezior |
137,000 |
km rzek i cieków wodnych (kanały, etc.) |
94,531 |
km2 lasów (30.26%) |
29,900 |
km linii kolejowych |
Aktualizacja map
Nawet najdokładniejsza mapa nawigacyjna szybko traci swoją przydatność, jeśli nie jest regularnie aktualizowana. Aktualizacje map zawartych w AutoMapie ukazują się średnio, co 3-4 miesiące i jest to nie tylko najlepszy wynik w Polsce, ale również jeden z najlepszych na świecie. Każda aktualizacja zawiera nowe elementy (np. w kwietniu 2006 przybyło ponad 20 tys. punktów POI), poprawki w sieci dróg oraz opracowanie licznych uwag przesyłanych przez tysiące użytkowników AutoMapy. Przygotowanie aktualizacji map to bardzo rozbudowany proces. W pierwszej kolejności nanoszone są poprawki wynikające z porównania map z nowymi zdjęciami satelitarnymi lub lotniczymi. Część pracy nad zdjęciami odbywa się przy pomocy specjalnych okularów, które umożliwiają widzenie stereoskopowe (przestrzenne) i dzięki temu ułatwiają identyfikację i dopasowanie obiektów widocznych na zdjęciach do odpowiednich elementów mapy. Po naniesieniu poprawek operator pracujący nad danym sektorem mapy analizuje kolejno zgłoszenia uwag przesłanych przez użytkowników AutoMapy i sprawdza czy uwagi te są nadal aktualne, czy też zostały już uwzględnione i skorygowane na poprzednich etapach pracy. Zdjęcia satelitarne i lotnicze wykonywane są pod różnym kątem, przy różnych warunkach pogodowych i różnych warunkach oświetlenia. Dlatego nawet doświadczony operator potrzebuje czasu, by dostosować swoją percepcję wizualną i przestawić mózg na analizę kolejnej partii zdjęć. Jest to jeden z powodów, dla których opracowanie aktualizacji map odbywa się regionami a nie według kolejności otrzymanych zgłoszeń. Jeśli przy opracowaniu zdjęć lub uwag od użytkowników operator natrafia na wątpliwości lub, jeśli zmiany obejmują również organizację ruchu operator przekazuje sygnał do uruchomienia zwiadu terenowego.
Przyszłość nawigacji GPS
Wraz z rosnącą mocą obliczeniową przenośne urządzenia nawigacyjne wzbogacą się stopniowo w elementy obrazowania trójwymiarowego.
Pierwszy element wizualizacji przestrzennej dostępny w nawigacji satelitarnej na komputerach kieszonkowych typu Pocket PC to tzw. pseudo-perspektywa nazywana potocznie widokiem 3D. Pozwala kierowcy widzieć dalej do przodu oraz ułatwia orientację w przestrzeni dzięki podobieństwu obrazu na ekranie nawigacyjnym do widoku postrzeganego przez szybę pojazdu.
Spektakularnym wzbogaceniem systemów nawigacji GPS będzie bez wątpienia włączenie w obraz widoczny na ekranie kolejnych elementów takich jak obraz ukształtowanie terenu a następnie wysokość poszczególnych budynków a nawet faktura ich powierzchni. Dane o ukształtowaniu terenu są już dziś dostępne i czekają jedynie na odpowiednio silne procesory w urządzeniach nawigacyjnych oraz odpowiednio tanią i pojemną pamięć.
Największy skok jakościowy jaki nastąpi w nawigacji GPS w najbliższych latach to jednak nie wizualizacja 3D a funkcje on-line. Niektóre przeszkody na drodze mają charakter wolnozmienny i te z dobrym skutkiem mogą być aktualizowane na mapie przy okazji zmian mapy podstawowej publikowanych raz na kilka miesięcy. Jednak znakomita większość utrudnień ruchu drogowego ma charakter szybkozmienny. Obok korków występujących o określonych porach dnia lub roku utrapieniem są korki powodowane przez stłuczki, awarie sieci kanalizacyjnej, drobne naprawy drogowe itd. itp. Lista powodów, dla których faktyczny czas przejazdu może być radykalnie inny niż czas wyliczony na podstawie oficjalnych parametrów drogi jest bardzo długa a uchwycenie prawdziwej sytuacji panującej w danej chwili na drogach całego kraju jest olbrzymim zadaniem zarówno organizacyjnym jak i finansowym. Niemniej jednak prace trwają i pierwsze cząstkowe rozwiązania dostępne są już dzisiaj. W Europie Zachodniej powoli rozwija się system TMC przekazujący informacje o korkach na głównych trasach przelotowych. W Polsce najwięcej aktualnych informacji drogowych znaleźć można w serwisie www.POI.Mobilne.net dającym dostęp użytkownikom AutoMapy do kilkudziesięciu tysięcy dodatkowych punktów POI aktualizowanych przez autorów serwisu oraz przez tysiące aktywnych użytkowników serwisu. Są tam zarówno informacje o robotach drogowych, ograniczeniach nośności i wysokości czy o kontrolach drogowych jak i informacje turystyczne. Przyszłość to system nawigacyjny połączony on-line z serwisem kompletnych danych o aktualnej sytuacji drogowej. Dzięki temu w razie istotnej zmiany trasa będzie natychmiast korygowana. Plus pełna informacja pogodowa, plus możliwość dokonywania on-line rezerwacji np. w hotelu, plus podgląd na pozycję na drodze innych samochodów jadących do tego samego lub innego celu (np. grupa znajomych jadących razem z nami na narty), plus dwustronna komunikacja, plus ... bardzo długa lista nowych pomysłów pojawiających się niemal codziennie.
Nawigacja satelitarna przeżywa dziś rozkwit podobny do tego, jaki zaledwie przez kilkunastoma laty spotkał telefonię komórkową. W miarę postępującej szybko miniaturyzacji i jeszcze szybszego spadku cen odbiorniki GPS stają się wszechobecne. 3 lata temu znane były tylko małej grupce entuzjastów. 2 lata temu pojawiły się jako element wbudowany w komputery przenośne PocketPC. Rok temu stały się przystępne cenowo. Dziś wybierać można spośród setki modeli o znakomitej czułości odbioru sygnału GPS dostępnych osobno lub wbudowanych w PocketPC a nawet w telefony GSM. 3 lata temu, gdy pojawiła się pierwsza AutoMapa, nawigacja satelitarna kojarzyła się z bardzo drogimi fabrycznie instalowanymi systemami nawigacji samochodowej. 2 lata temu na rynek weszła AutoMapa XL. Rok temu sprzedaż przenośnych systemów nawigacji satelitarnej wyprzedziła na całym świecie sprzedaż systemów nawigacyjnych montowanych w samochodach fabrycznie. Dziś AutoMapa ma kilkadziesiąt tysięcy użytkowników w całej Polsce.
Sercem tego postępu są dobre mapy cyfrowe.
######
AutoMapa® XL to system nawigacji satelitarnej (GPS) prowadzący „od drzwi do drzwi” przy pomocy komunikatów głosowych i wizualnych. Mapy zawarte w produkcie jako jedyne na rynku zawierają m.in. kompletną sieć 453 tys. km dróg Polski, 52 tys. miejscowości, w tym 1007 najważniejszych z pełną informacją nawigacyjną, 850 tys. adresów i ponad 1 mln budynków oraz 56 tys. punktów użyteczności publicznej (tzw. POI).
AutoMapa® to również: 105 typów komunikatów głosowych podających rodzaj manewru i odległość, 4 rodzaje wyznaczanych tras (w tym przełajowa – 4x4), 9 kategorii dróg (od gruntowych do Autostrad), 580 km autostrad, 234 tys. km dróg gruntowych, 137 tys. km rzek, 20 tys. jezior, 95 tys. km2 lasów oraz 30 tys. km linii kolejowych.
Sprzedaż AutoMapy® prowadzona jest przez sieć autoryzowanych dystrybutorów. Bliższe informacje dostępne są pod adresem www.AutoMapa.pl
Informacje o producentach AutoMapy®:
AQURAT sp. z o.o., ul. Łucka 20/1201, 00-845 Warszawa
Specjalizuje się w zaawansowanych systemach przetwarzania i wizualizacji informacji. Oferuje m.in. system nawigacji dla kierowców i turystów AutoMapa®, dedykowane systemy monitoringu i zarządzania flotą pojazdów oraz inteligentną technologię interpretacji zapytań bez narzuconej składni.
GEOSYSTEMS Polska sp. z o.o., ul. Bartycka 18a, 00-716 Warszawa
Specjalizuje się w szeroko rozumianym geograficznym obrazowaniu terenu oraz tworzeniu wysokiej jakości map cyfrowych z wykorzystaniem fotogrametrii satelitarnej i lotniczej. Firma działa także jako dystrybutor map cyfrowych i obrazów satelitarnych oraz wyłączny dystrybutor oprogramowania ERDAS Imagine i LPS firmy Leica Geosystems Inc.
