PRIJÍMAČE SIGNÁLU GPS A METÓDY MERANIA PLOCHY V ZMYSLE POŽIADAVIEK EÚ GPS RECEIVERS AND MEASURING METHODS IN THE SENSE OF EU REQUESTS

Transcription

1 61 PRIJÍMAČE SIGNÁLU GPS A METÓDY MERANIA PLOCHY V ZMYSLE POŽIADAVIEK EÚ GPS RECEIVERS AND MEASURING METHODS IN THE SENSE OF EU REQUESTS JANA HAVRÁNKOVÁ VLADIMÍR RATAJ KATEDRA STROJOV A VÝROBNÝCH SYSTÉMOV, MF, SPU V NITRE ABSTRACT Accurancy of determination of geographical position as well as determination of area by means of GPS receivers is an important task. Its application is in precision farming technology and in connection to taking subsidies from EU funds. Devices must be up to standards of their utilization field. This article deals about measurement methods and accurancy of area determination by GPS receivers in the sense of EU requirements. Aim of our experiment was to obtain information about accurancy of GPS receivers, which are used whitin project VEGA no. 1/0587/03. In the sense of EU methods results of measurements were expressed by the value of buffer effect. KEY WORDS: GPS receiver, accurancy, buffer effect, on the spot checks, technical tolerancies ÚVOD Systém presného poľnohospodárstva (PF) využíva ako informačný podklad (pre analýzy dát) možnosti geografických informačných systémov (GIS). Technológie GIS umožňujú zobrazovanie máp, vizualizáciu priestorových schém, dátových súborov a modelovanie komplexných vnútorných vzťahov medzi mapovými premenlivosťami. Aby boli aplikácie GIS praktickým nástrojom je potrebné vymedzenie digitálnych máp v skutočnom priestore (Berry, 1999). Geografický informačný systém pracuje s priestorovými dátami a ich atribútmi, čiže sledovanými parametrami v danom mieste. Na získanie informácií o geografickej polohe sú využívané prijímače signálu GPS. Takto získané geografické informácie sú ďalej spracovávané pomocou počítačom podporovaných nástrojov. Geografické informácie získavané pomocou navigačných prístrojov pracujúcich so signálom GPS sú zaznamenávané s určitými nepresnosťami. Nepresnosti sú spojené

2 62 s technickou úrovňou navigačných prístrojov, ako aj s metodickým postupom merania. Existujú tak pri ručnej navigácii (napr. pri odbere vzoriek z monitorovacích bodov), ako aj pri navigácii strojových súprav pri diferencovaných zásahoch. Prijímače signálu GPS sú však využívané aj na určovanie veľkosti plochy parciel a ich delenie na menšie produkčné časti. Táto problematika naberá v ostatnom období na význame osobitne v súvislosti s dotačnou politikou EÚ. V tejto súvislosti sa využívajú dva pojmy. Deklarovaná plocha je plocha, ktorá je uvádzaná v žiadosti o dotácie, determinovaná plocha je plocha, ktorá je zistená inšpektormi pri následnej kontrole na mieste (on the spot check). Ak je determinovaná plocha väčšia ako plocha deklarovaná, za základ pre výpočet dotácie sa bude považovať plocha deklarovaná. V prípade, že je determinovaná plocha je menšia než plocha deklarovaná a tento rozdiel je menší ako 3 %, resp. 2 ha, pre výpočet dotácie bude považovaná plocha determinovaná. V prípade, že je rozdiel plôch väčší ako 3 %, je poskytovanie dotácie spojené s odstupňovanými sankciami (Commission regulation (EC) No 2419/2001, 2004). Z tohto dôvodu je potrebné poznať a rešpektovať presnosť zaznamenávania geografickej polohy, resp. zisťovania plochy pomocou prijímačov GPS. Súčasné prijímače signálu GPS pracujú v rôznych pracovných režimoch, môžu využívať korekčné signály a geografickú polohu môžu zaznamenávať v rôznych podmienkach (statických a dynamických) (Rataj - Havránková, 2004; Rataj Havránková - Halaj, 2004). Pomocou diferenčných signálov, prípadne spracovaním údajov v režime post-processingu možno dosiahnuť submetrové presnosti meraní. Tieto systémy sú však nákladné a pre niektoré podmienky merania nevyhovujú. V poľnohospodárskej praxi sú často využívané dostupné ručné prijímače signálu GPS, pracujúce v reálnom čase bez korekcií, prípadne s možnosťou zachytávania korekčného signálu EGNOS, ktorý je v súčasnosti v skúšobnej prevádzke (Esa Navigation, 2003). Za účelom získania informácií o presnostiach prístrojov a možnosti ich využívania v systéme presného poľnohospodárstva a v zmysle dotačných smerníc EÚ boli na KSVS SPU v Nitre realizované viaceré experimenty. V experimente, ktorého výsledky sú obsahom tejto práce, boli testované 4 prijímače GPS. MATERIÁL A METÓDY V súvislosti s poľnohospodársky orientovaným využívaním prijímačov signálu GPS v zmysle požiadaviek EÚ, boli experimenty zamerané na určenie presnosti využiteľnej pri určovaní plochy.

3 63 Na vyhodnotenie presnosti GPS prijímačov pri zameriavaní plochy parcely bola použitá metodika odporúčaná Európskou komisiou (EC) (CG JRS ISPRA, 2004), ktorá bola využívaná aj v procesoch štandardizácie metód merania pri kontrolách na mieste, ktorú vykonával Výskumný ústav pôdoznalectva a ochrany pôdy (VÚPOP). Pri hodnotení presnosti bolo realizované opakované meranie referenčnej plochy, charakterizovanej plochou, obvodom a kompaktnosťou (DG JRC ISPRA,2002(a)). Kompaktnosť plochy možno vyjadriť zo vzťahu 1 (DG JRC ISPRA.2002(a)): c 4πS 2 P = (1) kde: S - plocha, m 2 P - obvod meranej plochy, m Hodnota kompaktnosti plochy sa pohybuje od 1 (kruh) po 0 (čiara). Ideálne sú hodnoty 0,7 0,8, v praxi sa však vyskytujú aj plochy s kompaktnosťou tvaru menšou než 0,3 teda parcely predĺženého tvaru s väčším obvodom. Vplyvom chyby záznamu geografickej polohy nastáva pri opakovaných meraniach situácia, že každá plocha zaznamenaná prijímačom GPS môže mať rôznu veľkosť a geografickú polohu. Príklad odchýlky nameraných plôch od referenčnej (skutočnej) plochy je uvedený na obr.1. referenčná plocha Obr.1 Príklad umiestnenia nameraných plôch Figure 1: Example of measured areas location

4 64 V uvedenom experimente boli testované 4 prijímače signálu GPS (A Garmin: etrex, B Garmin: emap, C Topcon: Turbo G - 1, D PC POCKET ipaq 3950 s GPS HI 303E). Referenčná plocha (3 587,904 m 2 ) bola zameraná každým prístrojom v šiestich opakovaniach. Jednotlivé opakovania boli vykonané všetkými prístrojmi súčasne, bezprostredne za sebou. Vyhodnotenie meraní (určenie plochy a obvodu) bolo spracované v prostredí softvéru GIS - ArcView. Výsledky boli spracované štatisticky. Porovnanie presnosti určovania plochy prístrojmi GPS bolo realizované na základe nasledovných parametrov: priemerná plocha zistená pomocou jednotlivých prijímačov signálu GPS (m 2 ), priemerný obvod meranej plochy zistený pomocou jednotlivých prijímačov signálu GPS (m), relatívny rozdiel plochy nameranej a referenčnej (%), buffer efekt (m). Buffer efekt je pomerná hodnota, ktorá predstavuje vzdialenosť hranice nameranej plochy od hranice referenčnej plochy. Hodnotu buffer efektu možno stanoviť ako (Hutár- Scholtz, 2003): kde: d S S r m β =, m (2) Pr d β - buffer efekt, m S r - referenčná plocha, m 2 S m - meraná plocha, m 2 P r - obvod referenčnej plochy, m Buffer efekt reprezentuje chybu merania rozdelenú po obvode. Výhodou tejto hodnoty je určenie presnosti nezávisle od veľkosti plochy a tvaru parcely (DG JRC ISPRA. 2002(b)), čo je významné najmä v prípadoch plôch s nižšou hodnotou kompaktnosti. V zmysle metodiky EC (DG JRC ISPRA, 2002(b)) boli výsledky vyjadrené aj hodnotou priemerného štvorca zistených odchýlok - RMSE (Root Mean Square Error) v intervale pravdepodobnosti výskytu 95%.

5 65 VÝSLEDKY A DISKUSIA Na overenie presnosti určenia plochy pomocou prijímačov GPS sa uskutočnili opakované merania referenčnej plochy. Ako referenčná plocha bola zámerne vytýčená plocha s výrazne malou hodnotou kompaktnosti. Výsledky boli vyhodnotené podľa metodiky. Parametre referenčnej plochy: Referenčná plocha S r =3 587,904 m 2 Obvod referenčnej plochy P r = 527 m Kompaktnosť plochy c =0,16 Základným ukazovateľom presnosti zisťovania plochy je odchýlka priemerných nameraných hodnôt plochy (S m-str ) od referenčnej plochy (S r ). Táto hodnota sa pre jednotlivé prístroje pohybuje v rozmedzí 0,4 % až 8,12 %. V absolútnom vyjadrení to pri známej ploche S r znamená rozdiel od 14,72 m 2 do 291,45 m 2. Vyjadrením odchýlok pomocou hodnoty db možno konštatovať pomerne veľký rozsah, ktorý je závislý na technickom riešení prijímačov signálu GPS. Vzhľadom na dokázané normálne rozdelenie chyby merania prijímačov (Rataj Havránková, 2004) a metodiky (DG JRC ISPRA, 2002(b)) možno predpokladať, že 95 % nameraných plôch je vzdialených od referenčnej plochy v intervale 1,09 m až 1,97 m. Hodnoty d β RMSE pre 95 % prípadov sa pohybujú v intervale 0,93 m po 1,61 m. Výsledky sú zhrnuté v tabuľke 2. Tabuľka 2.:Parametre presnosti určovania plochy prijímačmi signálu GPS Table 2.:Parameters of area determination acurancy by GPS receivers Prístroj S m-str P m-str d d d β d β (pre 95% S m ) d β RMSE (95%) m % m m m A 3296, , ,4534 8,123 0, , ,303 B 3428, , ,1487 4,43 0, , ,9387 C 3398, , ,0618 5,26 0, , ,614 D 3602, , ,7215 0,41-0, , ,402 Legenda k tabuľke č. 2: S m-str priemerná nameraná hodna plochy, m 2 P m-str priemerná nameraná hodnota obvodu plochy, m d rozdiel S r a S m-str, m 2 d β buffer efekt, m m 2 m 2

6 66 Výsledky meraní korešpondujú s výsledkami meraní realizovanými na VÚPOP i EC v procese validácii prijímačov GPS. Pomerne veľké relatívne chyby môže spôsobiť predĺžený tvar parcely. Na základe predpisov EÚ, sa odporúča vykonávať hodnotenie kontroly na mieste pomocou parametra buffer efektu. Aplikovateľná tolerancia je 1,25 m (DG JRC ISPRA, 2003). Z výsledkov experimentu možno konštatovať, že pre potreby zisťovania plochy v zmysle dotačných požiadaviek EÚ, požadovaným kritériám vyhovuje len jeden sledovaný prijímač prijímač B. Ostatné sledované prijímače majú od povolenej tolerancie odchýlku v rozsahu 4,2 až 29,1 %. v tabuľke 3. Štatisticky spracované výsledky experimentov v prepočte na hodnoty d β sú uvedené Tabuľka 3: Table 3: Štatistická charakteristika hodnôt buffer efektov Statistical characterization of buffer effects Prijímač signálu GPS A B C D Stredná hodnota, m Medián, m Štandardná odchýlka, m Rozptyl Variačné rozpätie, m Minimálna hodnota, m Maximálna hodnota, m Počet pozorovaní Výsledky meraní korešpondujú s výsledkami testov Európskej komisie, ktorá testovala bežne dostupné prijímače signálu GPS pracujúce bez korekcií v rôznych podmienkach. Stredná hodnota buffer efektu sa pohybovala v rozmedzí 0,0 m 0,76 m v závislosti od typu prístroja (DG JRC ISPRA, 2002(b)). Obchodné značky prijímačov signálu GPS sú uvádzané v záujme orientácie čitateľa a ich uvedenie neznamená uprednostňovanie niektorého z výrobkov zo strany SPU. Experimenty prezentované v tejto práci boli vykonávané v rámci projektu VEGA č.1/0587/03.

7 67 ZÁVER Problematika zisťovania geografickej polohy pomocou prijímačov signálu GPS vzhľadom na predpisy EÚ zaznamenáva v podmienkach poľnohospodárskej výroby SR v ostatnom čase veľký význam. Súčasne s otázkami dotačnej politiky sa prekrýva uvedená problematika aj s otázkami zavádzania postupov v rámci systému presného poľnohospodárstva. Pre aplikáciu poznatkov je nevyhnutné zvládnuť problematiku merania a posúdenia vhodnosti využitia jednotlivých prístrojov a technických zariadení. Predkladaný príspevok naznačuje dôležitosť problematiky, bez zvládnutia ktorej bude problematické držať krok na ceste ku konkurencieschopnosti poľnohospodárskeho výrobného procesu v podmienka EÚ. POUŽITÁ LITERATÚRA 1. Berry,J.K The Precision Farming Primer. Fort Collins: Berry&Associates//Spatial information Systems, Inc.(BASIS) CG JRS ISPRA GPS validation scheme 3. Commission Regulation (EC) No 2419/2001 of 11 December 2001: DG JRC ISPRA Technical tolerances for on the spot checks. 5. DG JRC ISPRA. 2002(b). Note on the use of stand-alone GPS for parcel measuremnt 6. DG JRC ISPRA..2002(a).Protocol for reference field-measurement. 7. Esa Navigation What is Egnos?. ( ). 8. Hutár, P. Scholtz, P Parcelné merania a využitie GPS pre účely kontroly na mieste integrovaného administratívneho a kontrolného systému (IACS): Záverečná správa účelovej činnosti. Bratislava: Výskumný ústav pôdoznalectva a ochrany pôdy, Rataj, V. Havránková,J Determination of GPS receivers utilization field. In: Agricultural Engineering in the EU Competitive Environment. Praha: ČZU, 2004,s ISBN Rataj,V. Havránková,J. Halaj,P Presnosť prijímačov GPS vo vzťahu k manažmentu rastlinnej výroby. In: Informačné technológie v manažmente výrobných systémov (CD-ROM). Nitra: SPU v Nitre, 2004, s ISBN SÚHRN Presnosť zaznamenávania geografickej polohy a zisťovania plochy pomocou prijímačov signálu GPS je diskutovanou problematikou, ktorá nachádza uplatnenie v systéme presného

8 68 poľnohospodárstva a v súčasnom období osobitne v rámci dotačnej politiky EU. Prístroje musia spĺňať požiadavky, ktoré sú na ne kladené v oblastiach ich využitia. Príspevok sa zaoberá metódami merania a presnosťami určovania plôch pomocou prijímačov signálu GPS v zmysle požiadaviek EU. Cieľom experimentu bolo získanie informácie o presnosti prijímačov signálu GPS, využívaných v rámci výskumného projektu VEGA č. 1/0587/03. Výsledky meraní boli v zmysle metodík EC vyjadrené hodnotou buffer efektu. KĽÚČOVÉ SLOVÁ: prijímače signálu GPS, presnosť, buffer efekt, kontroly na mieste, technické tolerancie KONTAKTNÁ ADRESA: Ing. Jana Havránková, doc. Ing. Vladimír Rataj, PhD., Katedra strojov a výrobných systémov, Tr. Andreja Hlinku 2, Nitra, Jana.Havrankova@uniag.sk, Vladimir.Rataj@uniag.sk