دقت ابزارهای GIS برای تبدیل بررسی‌های فرضی کل ایستگاه‌ها به مختصات دنیای واقعی

چکیده

بیشتر کارهای نقشه برداری برای نقشه برداری یا برنامه های GIS با توتال استیشن انجام می شود. با توجه به ماهیت از راه دور بسیاری از سایت های بررسی شده، بررسی ها اغلب در سیستم های مختصات فرضی پیش بینی نشده، محلی انجام می شود. با این حال، بدون داده‌های نظرسنجی پیش‌بینی‌شده در مختصات دنیای واقعی، دامنه تحلیل‌های ممکن محدود است و ارزش تصاویر موجود، مدل‌های ارتفاعی و لایه‌های هیدرولوژیکی قابل بهره‌برداری نیست. این امر مستلزم تبدیل از سیستم های مختصات محلی فرضی به دنیای واقعی است. ابزارهای مختلف داخلی و افزودنی برای انجام تبدیل از طریق برنامه های GIS وجود دارد. این مقاله به بررسی تأثیر استفاده از ابزار مرجع جغرافیایی، ابزار تنظیم فضایی (Affine و تشابه) و ابزار CHaMP بر دقت و صحت نسبی کل پیمایش ایستگاه می‌پردازد. این تبدیل به مختصات دنیای واقعی حداقل دو نقطه کنترل نیاز دارد که می توانند از منابع مختلف جمع آوری شوند. این مقاله همچنین تأثیر استفاده از GPS ژئودتیک، GPS دستی، Google Earth (GE) و نقشه‌های بینگ را به عنوان منابعی برای نقاط کنترل بر روی دقت و صحت نسبی کل بررسی ایستگاه مورد مطالعه قرار می‌دهد. این اثرات با استفاده از 111 نقطه تحت پوشش منطقه 60000 متر آزمایش شده است² و نتایج نشان داده است که ابزار CHaMP برای حفظ دقت نسبی نقاط تبدیل شده بهترین است. ابزارهای Georeference و تنظیم فضایی (شباهت) نتایج یکسانی دارند و دقت آنها بسته به منبع نقاط کنترل بین 1000/1 تا 1/300 است. نتایج همچنین نشان داده است که سنگ بنای حفظ دقت و صحت نسبی مختصات تبدیل شده، موقعیت نسبی نقاط کنترل علیرغم منبع آنها است.

1. مقدمه

بررسی های ایستگاه کل یک روش به طور گسترده برای بررسی توپوگرافی [ 1 ]، با کاربردهای مختلف از نقشه برداری سنتی زمین [ 2 ]، نظارت بر تکامل شکل زمین [ 3 ] تا پایش کاربری زمین [ 4 ] است. در علوم زمین و علوم زیستی، ایستگاه های کل در حال حاضر به ابزارهای استاندارد در نظارت بر تشخیص تغییرات ژئومورفیک رودخانه ها [5-7]، نهرها [ 8 ]، سواحل [9،10] و هدر رفتن انبوه دامنه های تپه تبدیل شده اند [11،12]. از آنجایی که بسیاری از بررسی‌های کل ایستگاه‌ها در حال حاضر در مناطق دورافتاده و/یا توسعه نیافته انجام می‌شوند، اغلب یک شبکه کنترل محلی مستقر متصل به یک سیستم مختصات دنیای واقعی پیش‌بینی‌شده وجود ندارد [ 13 ].]. بنابراین، بسیاری از این بررسی ها از یک سیستم مختصات مفروض محلی پیش بینی نشده انجام می شود. با این حال، از آنجایی که GIS بیشتر به یک ابزار روزمره برای تجسم، مدل‌سازی و تجزیه و تحلیل داده‌های توپوگرافی تبدیل شده است [ 3 ]]، تقاضای فزاینده ای برای این گونه نظرسنجی ها در سیستم مختصات دنیای واقعی وجود دارد. تبدیل کل نظرسنجی های ایستگاه از سیستم مختصات مفروض محلی پیش بینی نشده به مختصات دنیای واقعی، قدرت همپوشانی آن داده ها را با مجموعه داده های دیگر (مانند تصاویر هوایی، مجموعه داده های برداری جاده ها، مرزهای سیاسی، و غیره) و تجزیه و تحلیل های خاص ممکن می کند. ابزارهای مختلف داخلی و افزودنی برای انجام تبدیل از طریق برنامه های GIS وجود دارد. این مقاله به بررسی تأثیر استفاده از ابزار مرجع جغرافیایی، ابزار تنظیم فضایی (Affine و تشابه) و ابزار CHaMP بر دقت و صحت نسبی کل پیمایش ایستگاه می‌پردازد. این تبدیل به مختصات دنیای واقعی حداقل دو نقطه کنترل نیاز دارد که می توانند از منابع مختلف جمع آوری شوند. این مقاله همچنین تأثیر استفاده از GPS ژئودتیکی، GPS دستی،

2. روش های تبدیل

روش‌های تبدیل متعددی برای تبدیل بین سیستم‌های مختصات از ساده تا پیچیده وجود دارد. انتخاب روش مناسب به ویژگی های کاربرد بستگی دارد و به طور کلی باید توسط فردی با آموزش مناسب در نقشه برداری و ژئوماتیک و همچنین درک کامل از داده های منبع و نحوه جمع آوری آنها انجام شود [ 13 ].]. در این مقاله، ابزارهای تبدیل ساخته شده در ArcGIS (به عنوان مثال ابزار تنظیم فضایی و ابزار ارجاع جغرافیایی)، و ابزارهای اضافی مانند ابزار CHaMP برای تبدیل مشاهدات دقیق ایستگاه کل پیش‌بینی نشده به مختصات دنیای واقعی پیش‌بینی‌شده استفاده شدند. همه این ابزارها از تبدیل افین استفاده می کنند. تبدیل وابسته به هر تبدیلی است که همخطی بودن (یعنی تمام نقاطی که روی یک خط قرار دارند در ابتدا هنوز پس از تبدیل روی یک خط قرار دارند) و نسبت‌های فواصل را حفظ می‌کند. به طور کلی، تبدیل آفین ترکیبی از چرخش ها، ترجمه ها، اتساع ها (مقیاس ها) و برش ها (کج ها) است [ 14 ]. توابع تبدیل مبتنی بر مقایسه مختصات نقطه مبدا و مقصد است که به آنها نقاط کنترل نیز گفته می شود.

2.1. ابزار تنظیم فضایی

تنظیم فضایی از انواع روش‌های تنظیم (تبدیل، صفحه لاستیکی و snap لبه) پشتیبانی می‌کند و همه منابع داده قابل ویرایش را تنظیم می‌کند. در این مطالعه از تبدیل‌های قرابت و تشابه استفاده شد زیرا روش‌های مناسبی برای تبدیل کل پیمایش ایستگاه‌ها به مختصات دنیای واقعی هستند.

2.1.1. تبدیل آفین

تبدیل Affine را می توان با معادلات زیر (در تشکیل ماتریس) نشان داد [ 15 ].

(1)

(2)

(3)

جایی که:

u، v مختصات داده های ورودی و x، y مختصات تبدیل شده هستند.

A، B، C، D، E و F شش مجهول هستند. با مقایسه مکان نقاط کنترل مبدا و مقصد تعیین می شود.

تبدیل Affine می‌تواند داده‌ها را به‌طور متفاوت مقیاس‌بندی کند، آن‌ها را منحرف کند، بچرخاند و ترجمه کند. از آنجایی که شش مجهول در معادلات تبدیل وجود دارد، این روش به حداقل سه نقطه کنترل نیاز دارد.

2.1.2. تبدیل تشابه

تبدیل تشابه داده ها را مقیاس می کند، می چرخد ​​و ترجمه می کند. این به طور مستقل محورها را مقیاس نمی کند و هیچ گونه کجی ایجاد نمی کند. نسبت ابعاد ویژگی های تبدیل شده را حفظ می کند، که اگر می خواهید شکل نسبی ویژگی ها را حفظ کنید، مهم است. تابع تبدیل تشابه (در تشکیل ماتریس) [ 15 ] به صورت زیر است:

(4)

(5)

(6)

در روش تشابه، مقیاس در هر دو جهت x و y یکسان است و حداقل دو نقطه کنترل لازم است.

2.2. ابزار ارجاع جغرافیایی

ابزار مرجع جغرافیایی برای تنظیم داده های شطرنجی با استفاده از معادلات چند جمله ای مختلف و برای تنظیم مجموعه داده های CAD با استفاده از روش تبدیل شباهت استفاده می شود. توابع تبدیل مشابه معادلات (4)-(6) هستند.

2.3. ابزار CHAMP

ابزار ChaMP توسط [ 13 ] معرفی شد. از یک تبدیل افین ساده استفاده می کند که فقط داده ها را می چرخاند و ترجمه می کند. این نوع تبدیل دقیق است زیرا مقیاس حفظ شده است [ 16 ]. معادلات می توانند به صورت زیر باشند:

(7)

(8)

این ابزار به دو نقطه کنترل نیاز دارد اما همانطور که توسط طراحان بیان شده است سه نقطه ضروری است.

3. نقاط کنترل

برای تبدیل داده های کل ایستگاه پیش بینی نشده، مختصاتی در یک سیستم مختصات دنیای واقعی پیش بینی شده برای دو تا سه نقطه کنترلی که ایجاد شده و در کل بررسی ایستگاه مورد استفاده قرار گرفته اند مورد نیاز است. چرخش در مورد یکی از این نقاط انجام می شود، جایی که چرخش بر اساس تفاوت در آزیموت بین جفت نقطه که مختصات آنها در هر دو سیستم مشخص است محاسبه می شود. تغییر مبدا از مختصات نقطه چرخش در هر دو سیستم محاسبه می شود [ 16 ].

روش های متعددی برای به دست آوردن مختصات دنیای واقعی این نقاط کنترل وجود دارد. دقیق ترین آنها استفاده از یک شبکه کنترل از قبل موجود است که در سیستم مختصات دنیای واقعی بررسی شده است [1،17]. در همان سطح از دقت، می توان از GPS ژئودتیک برای بدست آوردن مختصات دقیق برای نقاط کنترل استفاده کرد. مشکلات این دو روش همانطور که توسط [ 13] این است که بسیاری از پزشکان اغلب به گیرنده های GPS ژئودتیک دسترسی ندارند یا ممکن است به نرم افزارهای لازم پس از پردازش دسترسی نداشته باشند و ممکن است در مناطق دور از شبکه کنترل موجود کار کنند. Google Earth ابزاری کم‌هزینه و در دسترس با دقت فضایی نسبتاً خوب است [18، 19]. تصاویری با وضوح بالا ارائه می دهد که اگر ویژگی های زمینی قابل مشاهده در عکس (به عنوان مثال، گوشه حصار، گهواره و غیره) به طور دقیق در میدان قرار گیرند، ممکن است بتوان نقاط کنترل عکس با کیفیت کافی را بدست آورد. آخرین نسخه‌های ArcGIS یک بینگ بینگ با وضوح بالا ارائه می‌کنند که می‌تواند برای نقاط کنترل عکس درایو نیز استفاده شود. رایج ترین آنها استفاده از یک جی پی اس ساده و ارزان قیمت مصرف کننده است (به عنوان مثال، گارمین دستی، تلفن هوشمند، کارت GPS در جمع آوری کننده داده های میدانی. دقت چنین دستگاه هایی برای اهداف همپوشانی GIS در مقیاس های 1:1000 یا درشت تر کافی است [13 ].

4. داده های فیلد

ایستگاه توتال Topcon GPT-7501 برای جمع آوری مختصات بیش از 100 نقطه در یک پارکینگ و فضای باز در محوطه دانشگاه ملک عبدالعزیز استفاده شد. ایستگاه کل ابتدا در نقطه ای با مختصات فرضی راه اندازی شد. سپس کل ایستگاه با راه اندازی “آزیموت پشت دید” جهت گیری شد که از یاتاقان به نقطه دید پشتی استفاده می کند، با استفاده از یاتاقان فرضی برای خط متصل به دو نقطه. هنگامی که بررسی در این سیستم مختصات مفروض آغاز شد، تمام تنظیمات ایستگاه اضافی و همه داده ها، از جمله سه نقطه کنترل (که در طول دوره بررسی به دست آمد)، در یک سیستم مختصات مفروض محلی پیش بینی نشده جمع آوری می شوند. داده های جمع آوری شده به *.txt و یک بار دیگر به *.dxf صادر شد. فایل *.txt برای تولید shapefile استفاده شد در حالی که فایل *.dxf نشان دهنده فایل CAD است. هر دو فایل برای اعمال تبدیل مورد نیاز هستند.

مختصات پیش بینی شده از سه نقطه کنترل با استفاده از چهار روش جمع آوری شد. 1) RTK GPS با دو گیرنده ژئودتیک Topcon GR3. یک گیرنده بر روی نقطه کنترل موجود در دروازه اصلی دانشگاه نصب شده بود در حالی که گیرنده دیگر برای بدست آوردن نقاط مورد نیاز استفاده می شد. 2) GPS دستی گارمین. 3) Google Earth در ارتفاع چشم برابر با 50 متر. و 4) Bing Imagery که در ArcGIS به عنوان یک لایه نقشه پایه آنلاین در مقیاس 1:100 موجود است.

5. نتایج و بحث

برای بررسی صحت ابزارهای تبدیل مختصات موجود در ArcGIS، موقعیت نسبی نقاط بررسی شده قبل و بعد از تبدیل با استفاده از ابزارهای مختلف محاسبه و با موقعیت‌های اصلی مقایسه شد. بالاترین نقطه سمت چپ به عنوان مبدا انتخاب شد و فاصله آن تا سایر نقاط با استفاده از داده‌های خام و داده‌ها پس از تبدیل مختصات محاسبه شد. تفاوت بین فواصل تا نقاط مربوطه محاسبه و در شکل 1 برای نقاط کنترل به دست آمده با استفاده از GPS ژئودتیک نشان داده شد. شکل 2-4 نشان دهنده خطاها در موقعیت های نسبی نقاط کنترلی است که به ترتیب با استفاده از تصاویر نقشه پایه Bing، Google Earth و GPS دستی جمع آوری شده اند.

از ارقام مشخص است که هیچ خطایی وجود ندارد

مختصات با استفاده از ابزار CHaMP بدون توجه به منبع نقاط کنترل تبدیل می شوند. خطاهای مختصات حاصل از ابزار Georeferencing و Spatial Adjustment ابزار (شباهت) یکسان است و با افزایش فاصله از مبدا، خطا افزایش می یابد. خطا در دورترین نقطه به ترتیب 0.12 متر، 0.27 متر، 0.45 متر و 0.99 متر برای نقاط کنترل GPS، Bing basemap، Google Earth و Garmin بود. نسبت های خطا به ترتیب 1:2400، 1:1100، 1:650 و 1:300 بود. خطاهای مختصات ناشی از استفاده از ابزار تنظیم فضایی (Affine) موج‌دار بوده و روند آن تقریباً مشابه تبدیل جغرافیایی و تشابه است.

ابزار CHaMP از عملیات ریاضی ساده ترجمه و چرخش استفاده می کند، بنابراین دقت موقعیتی نسبی و دقت نظرسنجی کل ایستگاه را حفظ می کند. بسته به دقت مطلق نقاط کنترل، داده ها ممکن است از مکان مطلق خود خارج شوند. یک نقطه کنترل منفرد در نهایت به عنوان مبنایی برای ترجمه افقی و تنظیم مبنا استفاده خواهد شد، و یک یاتاقان بر اساس یک نقطه کنترل دوم برای تعریف چرخش استفاده خواهد شد [ 13 ].

برای توضیح نتایج سایر ابزارها، ابتدا نگاهی به مختصات مطلق نقاط کنترل به دست آمده از منابع مختلف که در جدول 1 نشان داده شده است و انحرافات در این مختصات مربوط به نقاط GPS می اندازیم زیرا دقیق ترین آنهاست. در جدول 2 نشان داده شده است.

از جدول 2 ، می توان متوجه شد که نقاط GE بسیار نزدیکتر از نقاط Bing به نقاط GPS هستند، در حالی که شکل های 2 و 3 نشان می دهند که خطاها در مختصات تبدیل شده با استفاده از نقاط GE بزرگتر از خطاهایی هستند که هنگام استفاده از نقاط Bing ایجاد می شوند. این بدان معنی است که مکان مطلق نقاط کنترل بر دقت تبدیل تأثیر نمی گذارد.

فواصل بین نقاط کنترل در جدول 3 و انحرافات از فاصله اصلی (کل ایستگاه) در جدول 4 نشان داده شده است.

از جدول 4 ، خطا در فاصله (1-2) بین نقاط کنترل (1) و (2) از GPS به Bing تا GE به Garmin افزایش می یابد. ابزارهای تنظیم فضایی (شباهت) و مکان مرجع از دو نقطه کنترل برای تبدیل مختصات استفاده می کنند. این ابزارها هندسه نسبی نقاط کنترل را حفظ می‌کنند و داده‌های منبع را برای تناسب با هندسه کنترل‌ها مقیاس (کشش) می‌کنند. این افزایش خطا در مختصات تبدیل شده را با توجه به افزایش آن خطای فاصله همانطور که در شکل های 1-4 نشان داده شده است توضیح می دهد. این دو ابزار تبدیل مختصات را با یک مقدار در هر دو محور X و Y مقیاس می‌دهند، بنابراین خطا در مختصات تبدیل شده هر نقطه متناسب با فاصله آن نقطه از نقطه کنترل پایه است.

ابزار تنظیم فضایی (Affine) از هندسه نسبی سه نقطه کنترل استفاده می کند و آن را حفظ می کند، بنابراین این ابزار داده های منبع را کشیده و منحرف می کند. روند خطا در موقعیت نسبی داده های تبدیل شده به دلیل خطا در فاصله (1-2) است، در حالی که نوسانات نمودار خطا ناشی از خطا در فاصله (1-3) همانطور که در شکل 1- نشان داده شده است. 4. خطای فاصله (1-2) برای Bing از خطای GE کوچکتر است، بنابراین روند خطا در داده های تبدیل شده با استفاده از نقاط کنترل Bing کمتر از نقاط کنترل GE همانطور که در شکل های 2 و 3 نشان داده شده است. فاصله (1) -3) برای Bing بیشتر از GE است، بر این اساس خطا در موقعیت های نسبی ناشی از استفاده از نقاط کنترل Bing بیشتر از خطای استفاده از نقاط کنترل GE در تبدیل است.شکل 5 که نشان می دهد حداکثر خطا در نقاط دورتر از خط ذکر شده است.

6. نتیجه گیری

از نتایج و بحث ها می توان موارد زیر را نتیجه گرفت:

1) ابزار تبدیل CHaMP از یک تبدیل چرخش و ترجمه ساده برای حفظ دقت و صحت نسبی کل بررسی ایستگاه استفاده می کند.

2) ابزارهای تبدیل تشابه Georeferencing و Spatial Adjustment مکان دو نقطه کنترل مورد استفاده در تبدیل را حفظ می کنند، بنابراین بسته به موقعیت نسبی نقاط کنترل، داده ها را کشیده و خطاها را در مکان نقطه ایجاد می کنند.

3) ابزار تبدیل Affine Adjustment فضایی محل سه نقطه کنترل مورد استفاده در تبدیل را حفظ می کند، بنابراین داده هایی را که بسته به موقعیت نسبی نقاط کنترل و مکان نقطه مربوط به آن، خطاهایی را در مکان نقطه ایجاد می کند، کشیده و منحرف می کند. خط دو نقطه کنترل اول را به هم متصل می کند.

4) سنگ بنای دقت ساخت در ابزار تبدیل، موقعیت نسبی نقاط کنترل است.

منابع