Технология привязки существующих карт для спортивного ориентирования к системе utm Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК796.56:528.94

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИВЯЗКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ КАРТ ДЛЯ СПОРТИВНОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ К СИСТЕМЕ UTM

А.Н. Павлов

В рамках разработки учебно-методического курса для тренеров-преподавателей спортивного ориентирования исследована и усовершенствована технология привязки существующих спортивных карт к координатной системе UTM. Данная технология обеспечивает использование инновационных средств при организации учебно-тренировочного процесса спортсменов-ориентировщиков.

Ключевые слова: картография, GPS, система координат UTM, GPS-слежение.

Спортивное ориентирование - это динамично развивающийся вид спорта. На текущий момент, спортивное ориентирование культивируется в 79 странах на 5 континентах [1]. Данный вид спорта невозможно представить себе без спортивной карты при помощи, которой участники должны пройти контрольные пункты (КП), расположенные на местности [2]. Международное сообщество выработало множество технологий составления спортивных карт, совершенствуя их по мере развития информационно-технологических средств. На современном этапе развития спортивной картографии составление карты трудно представить без таких средств, как системы глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС), спутниковая фотосъёмка и картографическое программное обеспечение (OCAD) [3]. Не стоят на месте и технологии повышения зрелищности спортивного ориентирования, на текущий момент все крупные международные соревнования по спортивному ориентированию должны организовываться с учетом использования системы GPS-слежения [4]. Применение системы GPS-слежения на соревнованиях и в учебно-тренировочном процессе накладывает дополнительные требования к составлению новых и подготовке существующих спортивных карт, составленных без современных средств.

Цель - совершенствование технологии привязки существующих карт для спортивного ориентирования к системе координат UTM.

Задачи:

1. Рассмотреть преимущества использования спортивной карты, привязанной к реальной системе координат.

2. Описать технологию привязки существующих карт для спортивного ориентирования к системе координат UTM.

3. Проверить работоспособность используемой технологии привязки существующих карт для спортивного ориентирования с помощью системы GPS-слежения.

Методы исследования: анализ научно-методической литературы и документальных материалов, контрольное испытание.

Организация исследования. Спортивные карты, как правило, составляются в картографическом пакете OCAD, в котором можно использовать бумажную координатную сетку. Использование координатной сетки позволяет составлять карты в корректном масштабе. Однако, если бумажную сетку координат заменить на существующую координатную сетку с использованием географических координат того места, где находится карта, то карта будет выровнена с реальными координатами. Это дает ряд преимуществ [5]:

- гарантия того, что карта находится в правильном масштабе;

- карта может быть установлена в соответствии с текущим склонением магнитного севера;

- возможность импортировать GPS-треки и путевые точки, которые могут повысить точность съемки точечных и линейных ориентиров;

- обеспечение импорта различного географического материала, содержащего базовую информацию о местности: цифровые данные высот, контуры площадных ориентиров;

- служба дистанции может использовать GPS навигаторы для постановки контрольных пунктов;

- использование системы GPS-слежения на соревнованиях и в учебно-тренировочном процессе [6].

В рамках работы была проанализированы разрозненная информация из научно-методической литературы и документальных материалов о привязке существующих карт к реальным географическим координатам, на основе этой информации и практического опыта была составлена технология привязки существующих карт для спортивного ориентирования к системе координат UTM и предложены пути её совершенствования. Были выделены следующие этапы привязки карты:

1. Получение географических данных расположения местности, представленной на карте.

1.1. Загрузка спутникового снимка местности из свободно распространяемой программы, предназначенной для просмотра и загрузки спутниковых снимков высокого разрешения SAS. Планета и создание файла привязки координат в формате kml [7].

1.2. Определение магнитного склонения в районе, при помощи свободно распространяемого магнитного калькулятора GeoMag [8].

2. Преобразование бумажной координатной сетки на координатную сетку в системе координат UTM.

2.1. Конвертация файла привязки из формата kml в формат gpx и его импорт в картографический пакет OCAD.

2.2. Импорт спутникового снимка в OCAD и его привязка в соответствии с ранее импортированным файлом в формате gpx.

3. Привязка спортивной карты к новой координатной сетке с помощью функции Аффинная трансформация в картографическом пакете OCAD.

1-й этап: получение географических данных расположения местности, представленной на карте.

Для того чтобы привязать существующую карту системе координат UTM для начала необходимо подготовить основу, по которой будет происходить привязка карты. В рассматриваемой технологии в качестве такой основы будет использован спутниковый снимок высокого разрешения, полученный с помощью программы SAS.Планета [7]. Программа позволяет пользоваться спутниковыми снимками и обычными картами, представляемыми такими сервисами, как GoogleEarth, GoogleMaps, BingMaps, DigitalGlobe, «Космоснимки», Яндекс.карты, Yahoo! Maps, VirtualEarth, Gurtam, OpenStreetMap, eAtlas, iPhone maps, карты Генштаба и др. В рамках данной технологии мы будем пользоваться спутниковыми снимками сервиса Яндекс.карты.

Для того чтобы получить спутниковый снимок необходимого фрагмента местности с использованием программы SAS.Планета необходимо выполнить шаги согласно представленной ниже инструкции:

1. Необходимо скачать программу с официального сайта.

2. Запустить программу.

3. Выбрать в качестве базы спутниковых снимков сервис Яндекс. карты.

4. Нажатием сочетания клавиш Alt+R, включить режим выделенияи установить курсор в верхний левый угол необходимого фрагмента снимка.

5. Выделить необходимый фрагмент.

6. В открывшемся диалоговом окне с настройками, необходимо перейти в меню «Склеить», выбрать результирующий формат JPEG, указать директорию сохранения файла, тип карты - Яндекс.карты, необходимый масштаб, установить галочку напротив формата kml в разделе «Создать файл привязки», нажать клавишу «Начать».

7. После завершения процедуры склеивания снимка, перейти в выбранную на 6-м шаге директорию, в которой должно появиться два файла: спутниковый снимок в формате JPEG и файл привязки в формате kml.

Совет: масштаб спутникового снимка стоит выбирать с учетом необходимой детализации и выходного размера файла. На практике замечено, что выбирать масштаб больше 21 нецелесообразно, так как сильно увеличивается размер снимка при этом прибавки в качестве уже не возникает. Так же необходимо обратить внимание на то, чтобы размер файла не превышал 15000^15000 пикселей. Это связано с тем, что картографический пакет OCAD не справляется с обработкой таких

больших файлов подложки. Если площадь необходимого фрагмента карты не позволяет добиться размера 15000x15000 пикселей при сохранение необходимой детализации, то стоит создать два отдельных фрагмента карты, что заметно ускорит работу со снимками в OCAD.

Перед тем, как определить величину магнитного склонения, необходимо разобраться, что же это такое. Магнитное склонение - угол между географическим и магнитным меридианами в точке земной поверхности. Без учета магнитного склонения на данной местности невозможно точно привязать карты к системе координат UTM.

Для определения величины магнитного склонения на местности, спутниковый снимок, которой был получен при использовании программы SAS.Планета. Необходимо воспользоваться комбинацией программы SAS.Планета и программы GeoMag [8]:

1. Необходимо в программе SAS.Планета установить произвольную метку внутри выбранного фрагмента спутникового снимка;

2. Запустить программу GeoMag;

3. Из открывшегося в программе SAS.Планета диалогового окна «Добавить новую метку» необходимо перенести данные из поля «Долгота» в поле «Longitude (DeglMin)», программы GeoMag, без последней цифры, из поля «Широта» в поле «Latitude (DeglMin)» так же без последней цифры;

4. Значение в поле «Declination», программы GeoMag, и будет искомой величиной магнитного склонения (рис. 1.).

Рис. 1. Получение величины магнитного склонения с помощью программ ЗЛЗ.Планета и СевМа^

2-й этап: преобразование бумажной координатной сетки на координатную сетку в системе координат иТМ.

Узким местом, всех рассмотренных в ходе работы технологий, являлась привязка полученной основы к картографической системе. Решить данную проблему предлагалось несколькими путями:

1. Использовать в качестве основы не спутниковый снимок, а цифровую версию топографической карты созданной в данной системе координат. В данном случае, возникает проблема того, что большинство ныне используемых Российских топографических карт, находящихся в свободном доступе, созданы в системе координат Гаусса-Крюгера [9]. Система координат Гаусса-Крюгера также основана на поперечно-цилиндрической проекции Меркатора, но отличается от UTM нумерацией зон, правилами прибавления смещений к значениям координат, порядком записи координат (ось абсцисс направлена на север) и масштабным коэффициентом, равным единице.

2. Визит района спортивной карты с целью записать GPS-трек, к которому можно привязать основу. Однако данный способ помимо временных затрат, влечет за собой еще и ошибку, связанную с точностью GPS позиционирования.

3. Использование различной комбинации программных средств для конвертации файла привязки в формат gpx. Сокращение издержек на данном пути стало одним из элементов совершенствования технологии привязки существующих карт для спортивного ориентирования к системе координат UTM. В ходе работы был разработан программный скрипт, позволяющий одним запуском конвертировать все расположенные в директории файлы из формата kml в формат gpx. Ниже приведен исходный код скрипта (листинг 1):

StemplateGpx = [xml]@'

<?xmlversion=" 1.0" encoding="ISO-8859-1" standalone="yes"?>

<gpx>

<trk>

<trkseg>

<trkptlat="NN.NNNNNNNNNNNNN" lon="EE.EEEEEEEEEEEEE">

</trkpt>

</trkseg>

</trk>

</gpx>

#<trkptlat="NN.NNNNNNNNNNNNN" lon="EE.EEEEEEEEEEEEE"></trkpt>

#<trkptlat=" SS.SSSSSSSSSSSSS" lon="WW.WWWWWWWW"></trkpt>

#<trkptlat=" SS.SSSSSSSSSSSSS" lon="EE.EEEEEEEEEEEEE"></trkpt>

#<trkptlat="NN.NNNNNNNNNNNNN" lon="WW.WWWWWWWW"></trkpt>

$coordinates = @(

('north', 'east'),

('south', 'west'),

('south', 'east'),

('north', 'west'))

Get-Childltem -Filter '*.kml' |

Foreach-Object{ $file = $_

$content = [xml](Get-Content $file.FullName) $resultGpx = $templateGpx.Clone()

Try

{

for ($i = 0; $i -lt 4; $i++) {

$originalNode = $content.kml.GroundOverlay.LatLonBox; $coordItem = $coordinates[$i] $ptNode = $resultGpx.CreateElement('trkpt') $ptNode. SetAttribute('lat', $originalNode.SelectSingleNode($coordItem[0]).InnerText)

$ptNode. SetAttribute('lon', $originalNode.SelectSingleNode($coordItem[1]).InnerText)

$resultGpx.gpx.trk.trkseg.AppendChild($ptNode)

}

$resultGpx.gpx.trk.trkseg.RemoveChild($resultGpx.gpx.trk.trkseg.FirstChild) $iso8859_1 = [System .Text.Encoding]:: GetEncoding('ISO-88 59-1') $fileName = $file.DirectoryName + "\" + $file.BaseName + ".gpx" $sw = New-Object System.IO.StreamWriter($fileName, $false, $iso8859_1) $resultGpx. Save($sw)

$sw.Close()

}

Catch

{

Write-Output "Unable to convert $file : $_", $_.ScriptStackTrace

}

}

Данный исходный код необходимо скопировать в текстовый редактор «Блокнот», и сохранить, как файл с произвольным названием и расширением ps1. Например: kml2gpx.ps1

Далее нужно поместить полученный файл в директорию с файлом в формате kml, нажать на файл скрипта правой кнопкой мышки и в появившемся меню выбрать команду «Выполнить с помощью PowerShell». В появившемся диалоговом окне необходимо ввести символ «Y».

Требования к составу и параметрам технических средств для использования скрипта: скрипт должен работать на IBM совместимых персональных компьютерах.

Минимальная конфигурация: ЦПУ с тактовой частотой 1,0 ГГц или большей; ОЗУ объемом 512 МБ.

Требования к информационной и программной совместимости: Скрипт должен работать на следующих операционных системах: WindowsXPSP3; WindowsServer 2003 SP2; WindowsVistaSP1 или более поздняя версия; WindowsServer 2008; Windows 7; WindowsServer 2008 R2;

Windows 7 SP1; WindowsServer 2008 R2 SP1; Windows 8; Windows 8 SP1;Windows 10.

Следующим этапом в технологии привязки существующих карт для спортивного ориентирования к системе координат UTM является импорт файла привязки в файл карты. Для этого нужно выполнить следующие шаги:

1. Запустить картографический пакет OCAD 10 и открыть в нем файл карты, которую мы собирается привязывать к системе координат UTM.

2. В меню «GPS» необходимо выбрать раздел «ImportfromFile...».

3. В появившемся диалоговом окне «LoadGPSdatafromfiles» найти файл привязки в формате gpx и нажать клавишу «Открыть».

4. В диалоговом окне «Importfromfile» установить галочку напротив надписи «Assignsymbols», в разблокированном меню «Tracks» выбрать наиболее подходящий знак для рисовки файла привязки и нажать клавишу «Import».

5. В диалоговом окне «Coordinatesystem» должны отразиться данные файла привязки.

6. Далее в появившемся диалоговом окне «Mapoffset», наряду с уже заполненными полями нужно в поле «Angle» вести величину магнитного склонения, полученного в программе GeoMag и нажать клавишу «Ok».

7. Клавишей «Close» закрываем диалоговое окно «Importfromfile».

8. Получаем фигуру, состоящую из двух пересекающихся линий с двумя соединенными концами, данная фигура позволит осуществить привязку спутникового снимка.

Для импорта спутникового снимка в OCAD и его привязки, в соответствии с ранее импортированным файлом в формате gpx, необходимо выполнить шаги согласно представленной ниже инструкции:

1. В меню «Backgroundmap» необходимо выбрать раздел «Open».

2. В появившемся диалоговом окне «OpenBackgroundmap» найти необходимый нам спутниковый снимок и нажать кнопку «Открыть».

3. В диалоговом окне «Backgroundmap» в поле «Resolution» следует задать значение от 100 до 300, остальные поля оставить заполненными «по умолчанию», нажать клавишу «Ok».

4. Снимок появился в рабочей области спортивной карты.

5. Нажав клавишу F9, вызываем функцию Приспособления «Adjust», у курсора появился финишный флаг, нажимаем на угол спутникового снимка один раз, второй раз нажимаем на соответствующий угол загруженной фигуры привязки, когда указали положение всех 4 углов снимка, нажимаем клавишу «Enter».

6. Снимок становится привязанным к координатной системе UTM (рис. 2).

Рис. 2. Спутниковый снимок, привязанный к системе координат UTM

3-й этап: привязка спортивной карты к новой координатной сетке с помощью функции Аффинная трансформация в картографическом пакете OCAD.

Уже проделав всю основную работу, остается пройти последний этап - аффинной трансформации карты, для его реализации необходимо:

1. В меню «Мар» необходимо выбрать меню «Transformmap» и в этом меню выбрать раздел «Affine transformation».

2. Аффинная трансформация карты происходит аналогично функции приспособления, необходимо совмещать точки на спутниковом снимке и точками на карте, большее количество заданных точек даст большую точность привязки.

3. Результатом аффинной трансформации становится существующая спортивная карта, привязанная к системе координат UTM (рис. 3).

Д OCAD Version 10.3.0 Professional ■ name here (45567) - [0:\_\Бе|жзон1са_летмяя_Паилов.осс!1 - О ДД

Д Eile Edit View Symbol Map QEM Database Background Map ¿PS Options Window Help |T|# x

qöb# « ь JSkiEi öччят11

Рис. 3. Спортивная карта, привязанная к системе координат иТМ после аффинной трансформации

Однако проведя все преобразования спортивной карты, сидя за компьютером невозможно узнать действительно рабочей оказалось технология привязки карт или нет. Для проверки работоспособности технологии был выбран способ ОР8-слежения. На местности, были пройдены основные линейные ориентиры карты и записан ОР8-трек. Результаты совмещение ОР8-трека и преобразованной карты (рис. 4), дали наибольшее отклонение ОР8-трека от ориентира на карте величиной в 17 метров, что укладывается в пределы нормы отклонения ОР8-трека [3]. Следует заметить, что без специализированных навыков спортивной картографии трудно определить из-за чего появилась такая погрешность. Из-за отклонения ОР8-трека или из-за погрешности при составлении существующей карты «с белого листа».

Рис. 4. Результат наложения GPS-трека на карту, привязанную

к системе координат UTM

Выводы. По результатам данного исследования можно сделать вывод о работоспособности рассматриваемой технологии привязки существующих спортивных к системе координат UTM. Появление данной технологии и её сравнительная доступность для непрофессиональных картографов позволит существенно повысить эффективность учебно-тренировочного процесса спортсменов-ориентировщиков за счет внедрения методов оперативного контроля и оперативного анализа [6].

Список литературы

1. О международной федерации ориентирования URL: http://orienteering.org/about-the-iof/the-iof/ (дата обращения: 28.02.2016).

2. Правила вида спорта «Спортивное ориентирование»: приказ Минспортуризма России от 02.04.2010 № 278. URL: http://minsport. gov.ru/ sport/podgotovka/PravilaSportOrien.doc (дата обращения: 28.02.2016).

3. Развитие методов составления спортивных карт / С.В. Скрипко. URL: http://azimut-o.ru/wp-content/uploads/2012/04/Sripko.pdf (дата обращения: 28.02.2016).

4. Комиссия ИОФ по ориентированию бегом: руководство для организаторов международных чемпионатов по спортивному ориентированию Вып.1 2009. URL: http://rufso .ru/index .php?rubric=pravila (дата обращения: 28.02.2016).

5. Geo-referencing OCAD Maps for Orienteering - Using Real World Coordinates URL: http://www.britishorienteering.org.uk/images/uploaded/ downloads/mappers georeferencing.pdf (дата обращения: 28.02.2016).

6. Павлов А.Н. Роль инновационной системы GPS-слежения в тренировочном процесс спортсменов-ориентировщиков // Вопросы функциональной подготовки в спорте высших достижений: матер. Всерос. науч.-практ. конф. Омск: Изд-во СибГУФК, 2015. С. 136-145.

7. SAS.Планета - свободно распространяемая программа, предназначенная для просмотра и загрузки спутниковых снимков высокого разрешения URL: http://sasgis.ru/sasplaneta/ (дата обращения: 28.02.2016).

8. GeoMag - свободно распространяемый магнитный калькулятор для определения UTM координат и магнитного склонения URL: http://www.resurgentsoftware. com/geomag.html (дата обращения: 28.02.2016).

9. Яковлев Н.В. Высшая геодезия: учебник для вузов. М.: Изд. «Недра», 1989. 454 с.

Павлов Андрей Николаевич, преподаватель, anpavlov.work@,gmail.com, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет

GEO-REFERENCING EXISTING ORIENTEERING MAPS TO THE UTM COORDINATE

SYSTEM TECHNOLOGY

A.N. Pavlov

As part of the methodical course development for orienteering coaches, the Geo-Referencing existing orienteering maps to the UTM coordinate system Technology. The technology enables the use of innovative sport systems as a part of the training process organization for orienteering athletes.

Key words: mapping, GPS, UTM coordinate system, GPS tracking.

Pavlov Andrey Nikolayevich, lecturer, anpavlov.work@,gmail.com, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University