CC BY
51
УДК 528.2:629.78
Райнер Ягер, Мануэль Освальд, Питер Спон Университет прикладных наук Калсруэ (HSKA), Германия
VIRTUALGOCA - GOOGLE EARTH - ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ИНТЕРАКТИВНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ, ОБОСНОВАНИЯ МОДЕЛИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ, ПЛАНИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА СЦЕНАРИЕВ ГЕОМОНИТОРИНГА
Программа VirtualGOCA предназначена для начального этапа процесса геомониторинга, состоящего из сбора данных (сеть геодезических датчиков и обмен данными), моделирования (статистические вычисления, прогноз, обнаружение изменений в процессах), отчетности (протоколы, виртуальное моделирование датчиков, web-визуализация) и реагирования (системы оповещения). Поддерживаемая Google-Earth®, VirtualGOCA генерирует данные (сигналы) виртуального сенсора. Таким образом, VirtualGOCA позволяет эффективно и с меньшими затратами контролировать мониторинг таким ПО как GOCA (www.goca.info ), или MONIKA (www.monika.ag).
Для генерации непротиворечивых виртуальных данных сенсора в геометрическом и гравиметрическом пространстве описываются математические модели для тахеометра (горизонтальное проложение, угол наклона и зенитное расстояние), для геометрического или гидростатического нивелирования (высота) и для GNSS аппаратуры (базовые линии). Установленные в VirtualGOCA виртуальные массивы геомониторинга, визуализация ситуации на местности и результатов анализа деформации внедрены в среду GoogleEarth. Применение VirtualGOCA показано на примере геомониторинга трех плотин, расположенных в области горного массива Gotthard в Швейцарии. Виртуальная обработка данных и анализ деформации (моделирование) и реагирование (сигналы тревоги) выполнены в ПО по анализу деформаций, основанном на сети датчиков GOCA и других GOCA-модулей.
Благодаря открытому формату файлов GKA, VirtualGOCA может использоваться для любой методики геомониторинга и с любым другим программным обеспечением. Благодаря VirtualGOCA, можно проверять и оптимизировать весь процесс геомониторинга. Кроме того может быть проверена правильность “демо-версии” спроектированных пользователем сценариев геомониторинга и технологических цепочек.
Reiner Jager, Manuel Oswald, Peter Spohn
University of Applied Sciences Karlsruhe (HSKA), Germany
VIRTUALGOCA - A GOOGLE EARTH BASED TOOL FOR THE INTERACTIVE DESIGN OF VIRTUAL SENSOR NETWORKS, FOR MODEL AND SOFTWARE VALIDATION, AND FOR THE PLANNING AND ANALYSIS OF GEOMONITORING SCENARIOS
The software VirtualGOCA is placed at the start of a geomonitoring chain, which is composed of the components data acquisition (geosensor-network and data communication), modelling (computation of state variables, prediction, detection of process changes), reporting (protocols, virtual sensor modelling, web-/visualization) and reaction (alerting measures). Supported by Google-Earth®, VirtualGOCA generates virtual sensor data. In that way VirtualGOCA enables an efficient and essentially cost-reduced development of monitoring software like GOCA (www.goca.info ) or MONIKA (www.monika.ag).
The mathematical models to generate consistent virtual sensor data for total stations (directions, zenith-angles, distances), for levelling or hydrostatic levelling (height differences)
and for GNSS instrumentation (baseline vectors) in geometry and gravity space are described. The set up of virtual geomonitoring arrays in VirtualGOCA and the visualization tool GOCAEarth of the array situation and deformation analysis results (reporting) are embedded into the GoogleEarth environment. A VirtualGOCA example is given by the set up of the virtual geomonitoring array for three existing dams situated in the present tunnelling area of the Gotthard massif in Switzerland. The virtual sensor data processing and the deformation analysis (modelling) and reaction (alarming) are done by the network-adjustment based GOCA deformation analysis software and further GOCA-modules.
Due to the open sensor data interface GKA, VirtualGOCA can be used for any geomonitoring concept and with any other software. Based on VirtualGOCA the complete geomonitoring chain can be tested out and optimized. Further the “proof-of-concept” of projected geomonitoring scenarios can be provided, as well was the validation of geomonitoring software and of a correct work of the process flow.
О программе
С понятием геомониторинг связаны разнообразные задачи изучения Земли, предупреждения катастроф и раннего оповещения о чрезвычайных ситуациях. На каждом этапе мониторинга совместно используются методы различных дисциплин, как например, на этапе сбора данных (создание и эксплуатация сенсорных сетей, обмен данными), моделирования (редуцирование, вычисление и статистическая оценка геореференцированных величин состояния объекта, прогнозирование, выявление отклонений в текущих процессах), документирования (протоколирование, визуализация виртуальных сенсорных моделей) и реагирования (составление плана оповещения).
Программные пакеты VirtualGOCA и GOCAEarth (визуализация параметров деформаций в GoogleEarth), разработанные в рамках научноисследовательского проекта GOCA, предназначены соответственно для первого и третьего этапов процесса мониторинга, описанного выше.
VirtualGOCA генерирует в режиме online «сырые» данные сенсоров с учетом взаимосвязи геометрии пространства и гравитационного поля, и предоставляет их в открытом формате GKA (www.goca.info) со штампом времени. С помощью этих данных, максимально приближенных к реальности, можно выполнять - с произвольным конфигурированием виртуального массива пунктов геомониторинга в GoogleEarth - экономически эффективную разработку и сертификацию математических моделей уравнивания и деформационного анализа. Благодаря VirtualGOCA, перечисленные выше этапы мониторинга (моделирование, документирование, реагирование) могут тестироваться и оптимизироваться согласовано. В будущем VirtualGOCA позволит выполнять «обоснование концепции мониторинга», а также сравнительную экспертизу качества, как программного обеспечения, так и методики выполнения геомониторинга.
Получение данных от сенсоров в VirtualGOCA
a) Горизонтальное проложение, угол наклона и зенитное расстояние являются скалярными функциями вектора наблюдений, параллельного горизонтальной оси прибора и призмы (см.рис 1).
Для удобства вектор измерений ly выражен в системе координат станции. Матрицы вращения Д- и Dj содержат углы поворота геоцентрической системы координат относительно локальных систем станции и отражателя, а также параметры отвесной линии ср и X (см. справа сверху).
Следующее выражение действительно при переходе от единой геореференцной системы координат Р(х,у,7) к локальной (LAV) системе координат станции P(u,v,w):
Рис. 1. Вектор наблюдения, системы координат станции и отражателя, а также геоцентрическая картезианская система координат
1У =
^АиЛ
Av
Aw
= Di
^Ax4
Ay
Az
^0Л
0
+ D;
^0Л
0
Vty
вычисление вектора
наблюдений
в системе координат станции
Тогда скалярные измеряемые величины на станции Р определяются простым способом как
горизонтальное проложение
^ Ау^
»s+v =
Vau”2 + Ay2 + Aw2
rii + Vii = 3101:311
-1 .1
vAuy
-o
za + Vii = arctan
л/ Au2 + Av^ s
JD
-Aw
--^•k 2R
угол наклона зенитное расстояние
о: неизвестный угол ориентирования, ^:радиус Земли, ^коэффициент рефракции.
Ь) Базовые линии ГНСС генерируются как разности координат в геоцентрической картезианской системе координат. Преобразование
географических координат P(B,L,h=H+N) в Р^,у^) сопровождается увеличением количества ошибок, поэтому моделируются разные значения точности в плане и по высоте:
^ Превышения абсолютных высот АН (геометрическое и гидростатическое нивелирование) могут непосредственно формироваться между геореференцированными пунктами мониторинга P(B,L,h=H+N).
Модель поверхности относимости (квазигеоид)
GoogleEarth предоставляет только географические плановые координаты B и L. Для пространственной привязки наблюдений на пунктах геомониторинга или между ними, также необходимы абсолютные высоты Н и превышение квазигеоида над референц-эллипсоидом N. Н получают методом интерполяции из цифровой модели земной поверхности (ETOPO1). Высота квазигеоида N вычисляется по теореме Брунса и теореме Молоденского из геопотенциала \У и гравитационного поля и референц-эллипсоида 011880:
= ОУ - Ц)Р = Тр_ Теорема Брунса и высота квазигеоида N
В качестве \У могут использоваться модели ЕЮЕМ)4С (см.рис. 2) или ЕСМ 2008. Для параметров отвесной линии <р и к действительны - исходя из пространственной привязки пункта P в глобальных координатах P(B,L,h) -следующие уравнения необходимых поправок в углы наклона и/или зенитные расстояния за уклонение отвеса, в зависимости от модели уравнивания:
= ф - В Уклонение отвеса с севера на юг
г| = (А--Ь)созВ Уклонение отвеса с востока на запад
Аналитическое определение параметров уклонения отвеса (фД), необходимых для генерации TPS-наблюдений, в VirtualGOCA происходит с помощью геопотенциальной модели EIGEN04C или EGM2008 как:
V
0
sinB
по Молоденскому
/
\
Ф = arctan
Следующий рисунок показывает превышения квазигеоида N над референц-эллипсоидом, вычисленные по теореме Брунса с использованием геопотенциальной модели EIGEN04C от GFZ.
£0___________________________0__________________________50.
Рис. 2. Графическое представление превышения квазигеоида N [m] согласно
модели EIGEN04C от GFZ
VirtualGOCA
Сырые данные от виртуальных геодезических сенсоров формируются на основе геопотенциальной модели EIGEN04C от GFZ или EGM 2008 и цифровой модели поверхности ETOPO1 от NGDC, и предоставляются пользователю в виде файлов формата GKA. Это базовые линии, горизонтальные проложения, углы наклона, зенитные расстояния и превышения вместе с соответствующими стохастическими моделями.
Положение сенсоров задается в Google Earth приближенно к реальному и через kml-интерфейс передается в VirtualGOCA, где осуществляется конфигурация сети геомониторинга. Дополнительно пользователь может задавать величину точности для отдельных типов сенсоров. При оценке надежности какой-либо концепции геомониторинга или программного обеспечения для уравнивании сети и анализа деформаций, пользователем может задаваться генерация грубых ошибок („Количество грубых ошибок измерений в час“). Наряду с режимами наблюдений реальное время и интервал времени VirtualGOCA предлагает выбор деформационной модели, которая может симулироваться - например, оползень.
Независимо от индивидуальных концепций, моделей и программ, т.е. с нейтральным интерфейсом Virtual GOCA служит для обучения выполнению всех этапов геомониторинга. В режиме нейтрального предоставления данных сенсоров Ij на пунктах геомониторинга произвольного участка местности, VirtualGOCA может применяться для независимых производственных расчетов, а также для оценочных тестов и в рамках сертификации систем геомониторинга (см. рис. 3, 4).
Рис.3. Сеть сенсоров, расположенных на горном массиве Gotthard (слева). Схемы расстановки призм на плотинах (справа)
Зепяог: На1Р8 Х= 5186168.483 1= 5022491.446 Н= 2105.359
0.0048 ш
Зепяог: СигК1 Х= 5185946.245 1= 5018652.391 Н= 2174.393
-0.0048 ш
0.0035 ш
Бепвог: БЪМТРБ1 Х= 5180240.379 *= 5024806.421 -Н= 2161.565
-0.0035 ш
Рис. 4. Временные ряды наблюдений в геомониторинговой системе GOCA
GOCAEarth
Результаты анализа деформаций, выполненного в GOCA (Этап 2:йп-файлы, Этап 3: mve- и sht-файлы) должны визуализироваться в GoogleEarth как векторы смещений (в плане и по высоте). Поэтому, для правильного отображения положения, в GOCA встроена функция трансформации всех данных в форматы GoogleEarth и ее собственную координатную систему. Этим обеспечивается корректное отображение даже локальных сетей. Необходимые контрольные пункты передаются в GOCAEarth в формате kml. Под трансформацией здесь имеется ввиду двумерное преобразование соответствующих координат. Для каждого типа данных, а также для позиции сенсора создается собственный kml-файл, который затем передается по так называемой сетевой ссылке в GoogleEarth. Эта ссылка также обеспечивает обновление отображения kml-файлов, так что GOCAEarth только периодически переписывает соответствующий файл. Пользователь может контролировать правильность перенесения отдельных типов данных в свойствах пунктов объекта в табличной форме (см. рис. 5).
Рис. 5. Интерфейс пользователя GOCAEarth (слева). Визуализация деформаций (в середине). Таблица состояния деформаций (справа)
© Райнер Ягер, Мануэль Освальд, Питер Спон, 2010
