VISUALIZZAZIONE DEI DATI RACCOLTI IN CAMPO (I SISTEMI GPS)

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1 Anno accademico 2015/2016 VISUALIZZAZIONE DEI DATI RACCOLTI IN CAMPO (I SISTEMI GPS) Dr. Enrico Caprio, PhD Universita' degli Studi di Torino Dipartimento Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi Via Accademia Albertina, Torino Tel. 011/ enrico.caprio@gmail.com

2 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Fino ad ora abbiamo visualizzato in ambiente GIS alcuni geodati ottenuti da vari enti e istituzioni Spesso però siamo noi la sorgente dei nostri dati. Ad esempio quando ci rechiamo in campo con uno strumento GPS possiamo memorizzare tracce o posizioni. Ma come possiamo importare questi dati in ArcMap?

3 Vanno sotto il nome di Global Navigation Satellite System (GNSS) i sistemi che utilizzano i satelliti attivi per la determinazione della posizione. Il Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System NAVSTAR (NAVSTAR GPS) è un sistema che nasce negli Stati Uniti nel 1973 ad opera del Dipartimento della Difesa per determinare il posizionamento in tempo reale dei veicoli militari in navigazione. Obiettivo del sistema GPS, e di tutti i sistemi GNSS, è quello di determinare in tempo reale, la posizione di un osservatore rispetto a un sistema di riferimento geocentrico (sistema WGS84, quota misurata come altezza sull'ellissoide).

4 L acquisizione ed elaborazione dei dati avvengono: 1. In tempo reale 2. Con alta precisione 3. Con continuità (h 24) 4. In qualsiasi condizione di tempo meteorologico 5. In qualsiasi punto del globo (copertura totale) Il punto debole del GPS è la necessità della visibilità contemporanea, dal punto di stazione, di vari satelliti, che è difficoltosa negli abitati, nei boschi ed impossibile nelle gallerie. Nel caso di ricevitori posti su veicoli, al temporaneo oscuramento dei satelliti si può sopperire con una piattaforma inerziale che, tramite accelerometri, per tempi relativamente brevi riesce a calcolare gli spostamenti del vettore dal momento dell oscuramento.

5 IL GPS E LA TEORIA DELLA RELATIVITA Senza una conoscenza accurata della Teoria della Relatività Ristretta e della Teoria della Relatività Generale (la teoria completa della Gravitazione) il GPS non funzionerebbe. Relatività Ristretta: i satelliti si muovono rispetto al ricevitore, e il loro orologio va più piano Relatività Generale: i campi gravitazionali cambiano sia la velocità degli orologi, sia la propagazione dei segnali radio La Terra ruota su se stessa, inducendo ulteriori effetti

6 Relatività Ristretta Un orologio in movimento va più piano di un orologio in quiete. Velocità del satellite: 3.8 km/s Senza correzione, 2.2 Km di errore! Relatività generale Un campo gravitazionale curva lo spazio tempo e pertanto gli intervalli temporali e spaziali sono deformati dalla presenza del campo Gli orologi a Terra hanno un campo gravitazionale molto più grande di quello che sentono i satelliti a circa km d altezza Senza correzione, 15 km di errore! Per risolvere questo problema gli orologi dei satelliti vanno volutamente ad una velocità diversa (quindi non sono uguali a quelli a Terra)

7 Il sistema GPS è costituito da tre componenti: 1. Segmento spaziale (Space Segment): 24 satelliti (trasmettitori) 2. Segmento di controllo (Control Segment): 5 stazioni di controllo a terra 3. Segmento utente (User Segment): ricevitore GPS

8 SEGMENTO SPAZIALE E costituito da una costellazione di satelliti (4 sono di riserva) Orbite geostazionarie circolari di km di raggio (disposti su 6 piani orbitali inclinati di 55, con almeno 4 satelliti ciascuno) con periodi di rivoluzione di 12 ore; Distribuzione dei satelliti tale da garantire la visibilità di almeno 6 satelliti in qualsiasi momento e da qualsiasi parte del pianeta; Equipaggiamento con orologi atomici, due al cesio e due al rubidio, ad elevata precisione (errore di un nanosecondo ogni 3 ore circa); Invio continuo di un segnale radio che contiene dati di tempo e di posizione, su due diverse bande.

9 SEGMENTO DI CONTROLLO Il segmento di controllo (Control Segment) è composto da una una stazione principale e 4 stazioni secondarie di controllo a terra, che ha la funzione di verificare continuamente l'affidabilità dei dati trasmessi dai satelliti. Le stazioni ricevono e trasmettono ai satelliti i parametri necessari per la correzione dell orbita di ciascun satellite (effemeridi). Tali parametri sono calcolati a terra dalle stazioni di controllo per poter essere ritrasmessi agli utenti.

10 SEGMENTO UTENTE E rappresentata dai ricevitori terrestri che, captano i segnali trasmessi dall elemento spaziale, provvedono alla loro interpretazione (decodifica) ed alla elaborazione finale. I ricevitori GPS sono composti da: Antenna in grado di captare il segnale radio emesso dai satelliti Decodificatore dei dati ricevuti Orologio ad alta precisione, solitamente al quarzo Registratore dati display per la visualizzazione e gestione dei dati Sistema di interfaccia con PC (in tempo reale oaposteriori) Dispositivi per il collegamento con altri ricevitori necessari per la correzione differenziale.

11 Le potenzialità: Memorizzazione di Waypoints, di percorsi Indicazione della posizione e della quota Velocità di spostamento Bussola elettronica Possibilità di interfacciarsi ad un computer e ad un GIS

12 Dispositivi cartografici DETERMINAZIONE DELLA POSIZIONE

13 Dispositivi non cartografici DETERMINAZIONE DELLA POSIZIONE

14 Il principio di funzionamento del GPS si basa sulla determinazione della distanza dell osservatore da almeno tre satelliti, la cui posizione nello spazio è nota con precisione (trilaterazione). La distanza dal primo satellite individua la posizione del ricevitore sulla superficie di una sfera centrata sul satellite stesso. La determinazione della seconda distanza dal secondo satellite consente il posizionamento sul cerchio di intersezione tra le due sfere. La terza distanza permette di individuare due punti in corrispondenza delle intersezioni del cerchio con la sfera centrata sul terzo satellite. Delle due soluzioni viene considerata quella vicina alla superficie terrestre.

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16 La posizione dello strumento è all intersezione delle tre sfere di raggio pari alle distanze tra satelliti e ricevitore: Per calcolarla dobbiamo conoscere: 1) La posizione dei tre satelliti al tempo t 2) La distanza dei satelliti dal ricevitore (D1, D2 e D3) allo stesso tempo t La distanza satellite ricevitore è stimata misurando il tempo di volo degli impulsi elettromagnetici emessi dai satelliti; questi inviano un segnale che contiene la propria posizione e l istante t p della partenza. Quando il segnale giunge al ricevitore, questo misura l istante t r di ricezione Δt = t r t p D = Δt x C Tempo di percorrenza del segnale Distanza

17 Il segnale GPS ha tre componenti che servono per effettuare diversi tipi di posizionamento. 1. Ciascun satellite tra quelli visibili al ricevitore invia un proprio segnale su due frequenze (componente portante): L1 = MHz L2 = Mhz 2. Attraverso la modulazione di ampiezza, vengono generati anche diversi codici (componente impulsiva): codice C/A (Coarse acquisition), modula la sola portante L1 codice P (Precision), modula entrambe le portanti ed è riservato ad usi militari (criptato prende il nome di codice Y). 3. Ogni satellite emette anche un messaggio D che trasmette importanti informazioni, quali le effemeridi dei satelliti (parametri orbitali), stato di salute, precisione degli orologi (componente messaggio).

18 In base alle diverse componenti del segnale, possono essere effettuati diversitipidimisurecon diversa precisione: MISURE DI CODICE Utilizzano la componente impulsiva (codice C/A o codice P se disponibile). Si basano sulla misura del tempo di volo e sulla correlazione tra il segnale emesso dai satelliti e quello generato dal ricevitore

19 MISURE DI FASE Utilizzano la componente portante nelle frequenze L1 e L2. Si basano sulla misura delle differenze di fase tra il segnale emesso dai satelliti e quello generato dal ricevitore.

20 ERRORI NELLE MISURAZIONI GPS L accuratezza della determinazione della posizione del ricevitore è influenzata da tutti i parametri che concorrono al suo calcolo: 1) Ritardi di propagazione del segnale L errore è dovuto principalmente al ritardo del segnale nell attraversare la ionosfera in zone con spessori e rifrazioni differenti.

21 2) Errori degli orologi Un elemento fondamentale per ottenere misure accurate di posizione è la disponibilità di orologi precisi e costanti. Gli orologi dei satelliti sono molto precisi (orologi atomici al cesio o al rubidio) mentre quelli dei ricevitori sono molto di meno (orologi al quarzo). Per ridurre questo errore si esegue l osservazione temporanea di almeno quattro satelliti quando, teoricamente, nello spazio a tre dimensioni ne basterebbero tre.

22 3) Multi path L errore è dovuto alla distanza falsata che si verifica quanddo il percorso del segnale non è diretto ma segue una traiettoria riflessa.

23 4) Configurazione dei satelliti Una intersezione dei segnali poco angolata porta ad una cattiva determinazione della posizione del punto.

24 5) Presenza di ostacoli che schermano il segnale L accuratezza di misurazione del GPS è dovuta anche dalla posizione reciproca fra il ricevitore e i satelliti visibili in quel momento.

25 Uno degli elementi che influenzano maggiormente la precisione della misura è la configurazione dei satelliti (altezza sull'orizzonte) e la loro visibilità. Il parametro GDOP (Geometric Diluition of Precision) da un'indicazione della distribuzione dei satelliti attorno al ricevitore. Il GDOP viene definito come l inverso del volume della piramide, in cui la base è costituita dai satelliti ed il vertice è il ricevitore GPS.

26 MODALITA OPERATIVE DI UTILIZZO DEL GNSS L accuratezza di determinazione ottenibile con le metodologie GNSS è strettamente legata alla modalità di misura: Modalità Point Positioning Si realizza con un solo strumento, anche non molto sofisticato e poco costoso. Le sue principali caratteristiche sono: determina in tempo reale la posizione assoluta del ricevitore con misure di distanza dai satelliti utilizzando il codice C/A; aggiorna continuamente la sua posizione; errore mai inferiore ai 4 m; è adatto per la navigazione; può essere utilizzato per rilievi tematici (forestali, geologici, biologici, ecc.) ma non è adatto per rilievi topografici di precisione.

27 Modalità Differenziale (DGPS) Nel posizionamento differenziale occorrono almeno due ricevitori: uno posto su un punto noto (strumento Master), l altro sul punto da determinare (strumento Rover). La modalità DGPS si basa sul seguente assunto: se master e rover sono abbastanza vicini (fino a qualche centinaio di Km), le differenze di coordinate rilevate sul punto noto, dovute agli errori del sistema (ionosfera, effemeridi, ecc.), fanno valutare le correzioni da apportare ai dati ricevuti dallo strumento posto sul punto da determinare.

28 Modalità Differenziale (DGPS) Diffferenziale in tempo reale (Real Time) Differenziale in tempo differito (Post Processing) Nel Real Time la correzione da apportare alla posizione viene inviata al ricevitore rover 1. Via radio da una stazione fissa (master) posizionata su un punto noto 2. Via radio da un centro di calcolo di una rete di stazioni permanenti regionali 3. Da un satellite di telecomunicazione da cui vengono trasmesse correzioni elaborate da una rete di stazioni permanenti

29 Real Time Nel Post Processing il calcolo della posizione del punto da determinare avviene in ufficio quando, scaricati i dati da una stazione permanente o da una rete di stazioni permanenti, tramite appositi software, si esegue la determinazione.

30 La stazione master che consente il calcolo delle misure di correzione può essere: TEMPORANEA, quando si tratta di un ricevitore mobile analogo a quello utilizzato per le misure, che viene collocato in corrispondenza di un punto di coordinate note (ad es. vertice trigonometrico); PERMANENTE, se si tratta di una postazione ricevente fissa (di solito installata presso un ente pubblico o di ricerca) che acquisisce in modo continuo dati di posizione GPS. I dati di correzione acquisiti dalle stazioni master possono essere trasmessi in tempo reale al ricevitore rover tramite radio o GSM (protocollo RTCM) oppure archiviati in appositi formati di scambio (RINEX) e utilizzati successivamente per la correzione.

31 Rete IGM95 L IGM ha costruito una nuova rete geodetica di inquadramento dei lavori topografici e cartografici, nel Datum WGS84, basata su misurazioni GPS di elevata precisione. Tali punti, di cui si possono acquistare le monografie, consentono di effettuare rilievi con DGPS per ottenere localizzazioni con elevata precisione. Per vedere i punti della rete IGM95 Oppure scaricare il file per Google Earth

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34 ALTRI SISTEMI DI POSIZIONAMENTO Accanto al più noto GPS statunitense ci sono altri sistemi di posizionamento funzionanti in modo simile, come il GLONASS russo e l europeo GALILEO, non ancora operativo. Attualmente sono sul mercato ricevitori in grado di acquisire contemporaneamente dati provenienti da GPS, GLONASS e GALILEO per la determinazione della posizione. Il poter contare su una doppia o tripla costellazione significa aumentare la probabilità di avere sempre un numero sufficiente di satelliti ben collocati per ottenere un accurato posizionamento.

35 COORDINATE OTTENUTE CON IL GPS Il risultato delle misure GNSS è costituito dalle coordinate cartesiane ortogonali X, Y e Z riferite alla terna di assi geocentrica del WGS84. Per passare alle coordinate cartografiche, occorrerà prima trasformarle in coordinate geograficheϕeλe quota elissoidica e quindi, attraverso le formule di corrispondenza della proiezione scelta, passare alle coordinate piane est e nord.

36 ESERCIZIO 3 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO L obiettivo di questa esercitazione consiste nel caricare in ambiente GIS tre punti registrati dal GPS corrispondenti ai tre cortili del Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi. Voglio utilizzare come carta di base la CTR IN CAMPO imposto il GPS con lo stesso sistema di coordinate geografiche che utilizzeròingis;inquesto caso UTM WGS84. mi reco nel punto centrale dei tre cortili del dipartimento e salvo le coordinate X e Y. Naturalmente le modalità di salvataggio dipenderanno dal modello del GPS che sto utilizzando. la registrazione dei punti deve avvenire quando c è una buona visibilità del cielo con almeno quattro satelliti contattati. IN UFFICIO creare un nuovo progetto e nominarlo Progetto Torino.mxd definire nelle proprietà del progetto store relative path names to data sources settare come sistema di coordinate geografiche UTM WGS84 rinominare il dataframe chiamandolo Dipartimento scaricare la Carta Tecnica Regionale (raster image) dell area che ci interessa dal sito:

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38 ESERCIZIO 3 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO creare il file excel e copiare le coordinate dei punti registrati in campo. il file.xls potrebbe essere importato direttamente in ArcMap ma talvolta questa operazione non funziona. Dipende dalla verione di ArcMap. qualora l importazione del file.xls non funzionasse la soluzione migliore consiste nel convertirlo in file.dbf Purtroppo questa operazione era possibile fino alla versione excel 2003 ma non in quelle più recenti. Se utilizzo il software gratuito OpenOffice nonc èalcunproblema perché è possibile salvare direttamente in.dbf

39 ESERCIZIO 3 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO File >> Add Data >> Add xy data

40 ESERCIZIO 3 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Ilfileèunevent temporaneo associato al progetto >> occorre salvarlo definitivamente in shape file tasto destro su Coordinate cortili Events >> data >> export data salvare il nuovo shapefile con il nome Cortili DBIOS.shp classificare i punti cambiando il simbolo e il colore in base all informazione contenuta all interno della tabella degli attributi (in questo caso il nome del cortile)

41 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Talvolta capita, soprattutto in studi di carattere ecologico, di avere altre informazioni associate al punto oltre alle semplici coordinate. Supponiamo di aver costruito una tabella in excel in cui oltre alla X e Y abbiamo per ciascun punto le catture effettuate per ciascuna specie. Come possiamo importare questo database in ArcMap.

42 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Aprire il progetto denominato Progetto Valsessera.mxd Seguendo lo stesso procedimento utilizzato nell esercizio precedente (File >> Add data >> Add XY data) importare il database in formato.xls ricordati che questo progetto e i dati provenienti dal campo sono nel sistema UTM ED50

43 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Posso salvare lo shapefile definitivo seguendo lo stesso procedimento illustrato in precedenza: tasto destro su Catture Events >> data >> export data >> Catture.shp

44 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Utilizzando come sfondo cartografico la CTR o l ortofotocarta posso classificare i miei punti in base alle numerose informazioni contenute nella tabella degli attributi (Es. abbondanza di una specie per ciascun punto, indici di diversità, ecc.)

45 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO C è un ultima possibilità per importare i dati del GPS su ArcMap. Molti GPS moderni sono dotati di software in grado di salvare i dati direttamente in formato shapefile o in formato.gpx(gps exchange Format).

46 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Applicazione gratuita che posso utilizzare con il mio Smartphone. Contiene tutte le funzionibase di un GPS. Ti permette di salvare punti e tracciati e di esportarli in formato.gpx. E presente inoltre la funzione della bussola elettronica.

47 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Durante un escursione naturalistica in Val Sessera ho registrato la traccia con il mio dispositivo GPS oppure con l applicazione del mio smartphone. Giunto a casa ho scaricato i dati del GPS e ho ottenuto il file.gpx A questo punto come posso importare il file.gpx sul mio progetto GIS? Esistono numerose applicazioni o software gratuiti che ti permettono di convertire il file.gpx i file.shp Ad esempio posso utilizzare l applicazione gratuita e online che trovo alla pagina web:

48 ESERCIZIO 4 VISUALIZZARE I DATI RACCOLTI IN CAMPO Faccio l upload del file che trovo nella seguente directory: ESERCIZIO 4/Traccia escursione/2015_01_03 bocchetto sessera_piana del ponte.gpx Dopo aver fatto il caricamento del file.gpx clicco su CONVERT NOW e successivamente su DOWNLOAD RESULTS salvo la nuova cartella contenente gli shape files nella mia directory di lavoro carico gli shape files nel mio progetto di ArcMap Valsessera.mxd. In questo modo posso visualizzare la traccia e i waypoints dell escursione.