Metode Si Tehnici DE Achizitie A Datelor Spatiale ÎN Vederea Realizării Lucrărilor Geodezice ÎN Domeniul Aeronautic

MINISTERUL EDUCAȚIEI NAȚIONALE

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI

ȘCOALA DOCTORALĂ

METODE ȘI TEHNICI DE ACHIZIȚIE A DATELOR SPAȚIALE ÎN VEDEREA REALIZĂRII LUCRĂRILOR GEODEZICE ÎN DOMENIUL AERONAUTIC

Raport de cercetare științifică nr. 1

Conducător de doctorat Doctorand

Prof.dr.ing.Dragomir Petre-Iuliu Plăvicheanu Sabina

Iulie 2016

Cuprins

1. Introducere pag

2. Sisteme de referință și sisteme de coordonate pag

2.1.Sisteme de coordonate pag

2.1.1. Sistemul geodezic de coordonate pag

2.1.2. Sistemul cartezian geocentric de coordonate pag

2.1.3. Sistemul elipsoidal local de coordonate pag

2.2. Sisteme de referință pag

2.2.1. Rețeaua și Sistemul Internațional Terestru de Referință pag

2.2.2. Sistemul de referință european ETRS 89 pag

2.2.3. Sistemul Geodezic Internațional 1984 ( WGS 84 – World Geodetic System) pag

2.3. Transformări de coordonate pag

3. Metode și tehnici de achiziție a datelor spațiale pag

3.1. Tehnologie GNSS pag

3.2. Tehnologie laser scan pag

3.3. Metode fotogrammetrice pag

3.4. Acuratețe, integritate, rezoluție, precizie pag

3.5. Concluzii pag

4. Situația pe plan internațional pag

4.1. Concluzii pag

5. Considerații finale pag

6. Bibliografie pag

2. Sisteme de referință și sisteme de coordonate

Sistemele de referință au fost introduse cu scopul de a modela observațiile geodezice ca o funcție de parametri, necunoscuți, de interes. (Rus,T)

Pentru a defini un sistem de referință, este imperios să se cunoască două elemente: datumul geodezic și sistemul de coordonate asociat. (Grecea)

La momentul actual, există mai multe datumuri geodezice de referință utilizate în întreaga lume, fiecare datum fiind obținut prin aproximarea unui model matematic al Pământului (elipsoidul de referință) la adevărata formă a Pământului (geoidul), astfel încât abaterile dintre cele două suprafețe să fie minime, în zona de interes. (eurocontrol WGS 84)

De-a lungul timpului, s-au utilizat mai mulți elipsoizi de rotație ca referință, față de un observator local. Diverse țări și-au dezvoltat propriile datumuri geodezice care, de obicei, diferă față de cele ale țărilor învecinate. Aceste datumuri diferite și elipsoizi diferiți duc la obținerea unor diferențe de latitudine și longitudine și prin urmare, a diferitelor seturi de coordonate geografice. Acest fapt a dus la apariția unei probleme importante pentru geodezie, transcalculul de coordonate de pe un elipsoid pe altul. (eurocontrol WGS 84)

Efectele utilizării diferitelor sisteme de coordonate de referință în aviație:

La începutul anilor 1970, au fost întalnite pentru prima dată probleme de datum în navigația aeriană, în timpul dezvoltării sistemelor de urmărire multi-radar, în cadrul Centrului Spațiului Aerian Superior din Maastricht (UAC). S-au prelucrat informații radar emise din Belgia, Germania și Olanda, în vederea obținerii rutei pe un ecran cu afișaj electronic, pentru controlorii de trafic aerian. Discrepanțele între rutele radar s-au dovedit a fi rezultatul coordonatelor incompatibile. (eurocontrol WGS 84)

Fig. 2.1. Probleme de datum în navigația aeriană( Eurocontrol WGS84-manual)

Prin urmare, aceste discrepanțe nu sunt tolerate și s-a solicitat introducerea unui sistem geodezic de referință comun.

2.1. Sisteme de coordonate

Sistemele de coordonate 3D sunt definite plecând de la elipsoid, folosit pentru a aproxima forma și dimensiunile Pământului.

2.1.1. Sistemul geodezic de coordonate

Permite ca orice poziție a unui punct de pe suprafața terestră să fie redată prin 3 coordonate și anume:

– Latitudine geodezică (B)

– Longitudine geodezică (L)

– Altitudine elipsoidală (HE)

Fig. 2.2. Sistem de coordonate geodezice (Rus)

2.1.2. Sistemul cartezian geocentric de coordonate

Acest sistem, considerat ca fiind sistemul fundamental al geodeziei, s-a impus odată cu dezvoltarea tehnologiei GNSS.

Originea acestui sistem de coordonate este în centrul de masă al Pământului, iar cele 3 axe sunt:

– axa Z coincide cu axa de rotație a Pământului, orientată către nord

– axa X orientată către intersecția dintre planul ecuatorial și planul meridianului origine (Greenwich)

– axa Y este perpendiculară pe planul XOZ, se află în planul ecuatorial, îndreptată către est.

Fig.2.3. Sistem de coordonate cartezian geocentric, în raport de coordonate geodezice ( Rus)

2.1.3. Sistemul elipsoidal local de coordonate

Este un sistem de coordonate convențional, care își are originea în punctul P de pe suprafața terestră, iar axele de coordonate au sensul pozitiv astfel:

-axa Zg coincide cu direcția normalei la elipsoid în punctul P considerat, către zenitul geodezic

-axa Xg este tangentă la meridianul geodezic al punctului P, direcția nordului geodezic

-axa Yg este orientată spre estul geodezic, perpendiculară pe axele Xg și Zg

Fig. 2.4. Sistem de coordonate elipsoidal local

2.2. Sisteme de referință

În geodezia satelitară, sunt definite două sisteme de referință fundamentale:

Sistemul de referință ceresc (CRS – Celestial Reference System) utilizat pentru descrierea mișcării Pământului în spațiu

Sistemul de referință terestru ( TRS – Terrestrial Reference System)

2.2.1. Rețeaua și Sistemul Internațional Terestru de Referință

ITRS (International Terrestrial Reference System), introdus pe baza recomandărilor IUGG (Uniunea Internațională de Geodezie și Geofizică), descrie procedurile necesare creării rețelelor de referință adecvate pentru utilizarea măsurătorilor pe sau în apropierea suprafeței terestre.(Rus) Acesta reprezintă un sistem spațial global de referință care se rotește odată cu Pământul în mișcarea sa diurnă în spațiu. (Rus)

ITRF ( International Terrestrial Reference Frame), realizare a ITRS, înglobează ultimele tehnici din domeniul matematicii și al măsurătorilor, astfel încât să se obțină un sistem internațional terestru de referință cât mai precis. Din 1988 pânâ astăzi există 11 realizări ale ITRF, ultima fiind ITRF 2005, iar toate acestea includ poziția stațiilor și vitezele de deplasare. (Rus)

O rețea terestră de referință (TRF – Terrestrial Reference Frame) oferă un set de coordonate pentru mai multe puncte situate pe suprafața terestră.

În 1987, în urma deciziei IAG (International Association of Geodesy), s-a format subcomisia EUREF, care avea ca scop stabilirea unui sistem unitar de referință pentru Europa, un sistem tridimensional care să coincidă cu sistemul ITRF la epoca 1989.0

În 1990, s-a decis, pornind de la sistemul ITRF 89, ca stațiile fundamentale ale rețelei ITRF plasate pe placa Euro-Asiatică să formeze datele geodezice de referință pentru viitoarea rețea europeană.

2.1.2. Sistemul de referință european ETRS 89

Sistemul de referință terestru adoptat de către EUREF, este alcătuit din datumul geodezic ETRS 89, bazat pe elipsoidul GRS 80 (Geodetic Reference System 1980) și sistemul de coordonate geodezice elipsoidale.

Pentru prima realizare a ETRS, ETRF89 (European Terrestrial Reference Frame) s-au folosit 35 de poziții SLR (Satellite Laser Ranging) și VLBI (Very Long Base-Line Interferometry), situate pe teritoriul Europei din realizarea ITRF89.

În prezent, în Romania, s-a adoptat ETRS89 ca sistem unic de referință pentru poziționări pe baza sistemelor de radionavigație cu ajutorul sateliților.

2.2.3. Sistemul Geodezic Internațional 1984 (WGS 84 – World Geodetic System)

Acest sistem de referință a fost introdus de DoD (U.S. Departament of Defense) în 1986, iar la acel moment era definit în concordanță cu NAD83 (North American Datum 1983), sistemul de referință oficial american. Evoluția continuă folosind informații satelitare din ce în ce mai disponibile a rezultat în realizarea Sistemului Geodezic Internațional și definiția curentă a acestuia, WGS 84.

WGS 84 se definește printr-un model geometric ce aproximează forma Pământului (un elipsoid echipotențial), dar și un model gravimetric detaliat. Acesta este un sistem de coordonate geocentric, fix cu privire la mișcarea Pământului și unic pentru tot globul.

Fig.2.5. Sistemul Geodezic Internațional 1984 (WGS 84 – World Geodetic System)

2.3. Transformări de coordonate

Deoarece prelucrarea datelor geospațiale se realizează într-un sistem de coordonate 3D și presupune atât prelucrarea observațiilor terestre, cât și a celor satelitare și a datelor obținute din metode fotogrammetrice, este necesară conversia dintre sistemul cartezian geocentric de coordonate și sistemul geodezic de coordonate.

Când ne referim la cota unui punct de pe suprafața fizică a Pămîntului, aceasta este raportată la nivelul mediu al mării (geoid), iar cotele observațiilor sateliare sunt raportate la suprafața elipsoidului WGS 84. Prin urmare, nu sunt raportate la aceeași suprafață zero.

Trebuie să se țină cont de faptul că transformarea cotelor elipsoidice în cote ortometrice presupune cunoașterea ondulației geoidului, adică diferența dintre cotele raportate la cele două sisteme de referință. Valoarea ondulației geoidului variază de la punct la punct, deci nu este o valoare constantă.

h= H + N (1)

unde H = altitudinea ortometrică

N = ondulația geoidului

h = altitudinea elipsoidală

Este cunoscut faptul că la transformarea coordonatelor în spațiul tridimensional, se pot aplica:

– Formula lui Helmert

– Formula standard a lui Molodensky

– Ecuația de regresie multiplă

Un datum cartezian este definit de un set de 7 parametri și anume:

3 translații ale originii: ΔX, ΔY, ΔZ;

3 rotații: α, β, y;

1 factor de scară : µ.

Cum am precizat anterior, considerând elipsoidul folosit pentru a aproxima forma și dimensiunile Pământului, definit de semi-axa mare și semi-axa mică, trebuie să luam în considerare doi parametri adiționali.

Acești doi parametri adiționali reprezintă diferențele dintre un datum cartezian și un datum elipsoidal. În consecință, un datum elipsoidal este definit de 9 parametri de transformare. Aceștia sunt:

3 translații ale originii: ΔX, ΔY, ΔZ;

3 rotații: εx, εy, εz;

1 factor de scară: µ;

diferențe ale semi-axei mari a elipsoidului Δa si turtirea Δf.

Conform formulei lui Helmert, această transformare se face cu relația:

= + + (2)

Conversia coordonatelor de la sistemul geocentric la sistemul geodezic este dată de relațiile:

L= arctg (3)

B0 = arctg (4)

Coordonatele geodezice B și HE se obțin aplicând relațiile (4), (5) și (6) iterativ, până se atinge precizia dorită:

Ni = a(1-e2 sin2 Bi-1)-1/2 (5)

-Ni , pentru |B0| < 450

= (6)

-(1-e2)Ni , pentru |B0| ≥ 450

Bi = arctg (7)

Ilie

3. Metode și tehnici de achiziție a datelor spațiale

Trebuie avut în vedere faptul că, în navigația aeriana, coordonatele sunt esențiale pentru siguranța aeronautică și totodată, cerințele ridicate de integritate a datelor și informațiilor aeronautice trebuie să fie atinse. Calitatea datelor geospațiale depinde în principal de metodele de colectare, pentru că erorile vor fi propagate și amplificate de procesul de prelucrare.

Pentru achiziția datelor geospațiale, se vor folosi următoarele metode și tehnici:

Tehnologia GNSS

Tehnologia laser scan

Metode fotogrammetrice

Pentru a decide care dintre aceste metode și tehnici este cea mai eficientă, se ia în considerare faptul că tehnologia GPS se folosește pentru zone cu acoperire mică, într-un mod economic, în timp ce, pentru zone cu acoperire mare, se apelează la tehnologia laser scan și metode fotogrammetrice. Determinări clasice se realizează în cazul în care semnalul GNSS este obstrucționat sau apare efectul de multipath.

3.1. Tehnologia GNSS

Sistemul GNSS (Global Navigation Satellite System) a revoluționat tehnologia măsurătorilor terestre, aducând îmbunătățiri criteriilor de proiectare a rețelelor de trasare clasice.

3.2. Tehnologia laser scan

3.3. Metode fotogrammetrice

În urma unui zbor fotogrammetric,

Fig. 3.1. Obținerea coordonatelor in Sistem de referință WGS 84 prin prelucrarea datelor spațiale, în urma unui zbor fotogrammetric (eurocontrol WGS 84)

3.4. Acuratețe, rezoluție, integritate, precizie

Datele geospațiale se vor colecta, implementând cerințele de calitate a datelor și infomațiilor aeronautice pentru Cerul unic european, conform reglementărilor ICAO ( International Civil Aviation Organization) în vigoare și a ISO (Organizația Internațională pentru Standardizare), cu privire la acuratețe, rezoluție și integritate, precum și interoperabilitatea metadatelor, conform Directivei INSPIRE.

Referindu-ne la calitatea datelor, vorbim despre gradul sau nivelul de încredere în capacitatea datelor furnizate de a îndeplini cerințele utilizatorului de date în ceea ce privește acuratețea, rezoluția și integritatea. (RACR-AIS)

Acuratețea reprezintă gradul de concordanță între valoarea estimată sau măsurată și valoarea reală. (RACR-AIS)

Majoritatea tehnicilor de măsurare vor returna o acuratețe statistică, care se bazează pe un nivel de încredere. Acesta este motivul pentru care ICAO furnizează, în contextul datelor și informațiilor aeronautice, cerințe pentru atingerea unui grad de încredere de 95%. Acest lucru înseamnă că pentru 95% din valorile măsurate, diferențele față de valorile reale nu depășesc cerința de acuratețe.

Rezoluția se referă la un număr de unități sau caractere în care se exprimă și se utilizează o valoare măsurată sau calculată. (RACR-AIS) Trebuie remarcat faptul că, de multe ori, se poate face o confuzie asupra modului în care se aplică acuratețea și rezoluția. Ordinul rezoluției este, de obicei, o zecimală în plus față de cele necesare pentru a reprezenta acuratețea unei valori.

Pentru exemplificare, daca o lungime trebuie să fie măsurată cu o acuratețe de 1m, rezoluția va fi de 0.1m.

Integritatea reprezintă un grad de asigurare a faptului că un element de date și valoarea acestuia nu au fost pierdute sau alterate de când datele au fost generate sau modificate. (RACR-AIS)

Termenul integritate, folosit în Regulamentul ICAO și ADQ (Aeronautical Data Quality) 73/2010 EUROCONTROL, se referă la o măsură prin care un element al datelor își păstrează valoarea atribuită inițial, care nu a fost pierdută, modificată sau deteriorată neintenționat.

Anexele ICAO clasifică elementele datelor ca fiind date de rutină, date esențiale sau date critice, fiecare cu cerințele lor de meținere a integrității. Aceste valori ale integrității se referă la rata maximă permisă de pierdere a integrității, respectiv, sunt folosite ca factori de încredere că datele și informațiile aeronautice sunt corecte. Trebuie remarcat fapul ca această clasificare a integrității nu are nicio influență asupra gradului de corectitudine a datelor și informațiilor aeronautice, în cazul în care integritatea este pierdută (nu este asigurată). O pierdere a integrității poate duce la considerarea valorii datelor incorecte într-un procent mic sau cu cateva grade de magnitudine.

Precizia reprezintă o măsură pentru abaterile întâmplătoare și descrie domeniul de încredere al unei valori măsurate, bazându-se pe abaterea strandard determinată. (Cosarca)

Fig. 3.2. Cerințele pentru calitatea datelor

Conform RACR- AIS Servicii de informare aeronautică, cu privire la cerințele de colectare a datelor de teren și de obstacole, acestea trebuie să fie înregistrate, în funcție de zona în care se face achiziția, ținând cont de următoarele valori:

Tabelul 3.1. Cerințe pentru colectarea datelor de teren (RACR-AIS)

Tabelul 3.2. Cerințe pentru colectarea datelor de obstacolare (RACR-AIS)

4. Situația pe plan internațional