Technische Universität Ilmenau Fakultät für
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Technische Universität Ilmenau Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Bachelorarbeit Konzeption und Realisierung eines mobilen Erfassungssystems für Infrastrukturdaten von Wanderwegen vorgelegt von: eingereicht am: Jens Hörnlein 15. 10. 2009 geboren am: Studiengang: Studienrichtung: Ingenieurinformatik Multimediale Informations- und Kommunikationssysteme Anfertigung im Fachgebiet: Kommunikationsnetze Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Verantwortlicher Professor: Wissenschaftlicher Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz Dipl.-Ing. Karsten Renhak Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Menschen bedanken, die mich im Verlauf meines Studiums und während der Zeit dieser Arbeit unterstützt haben. Besonderen Dank möchte ich folgenden Personen aussprechen: Herrn Dr.-Ing. Mario Koch und der Firma SEI, die mich auf das Thema meiner Arbeit gebracht haben und bei der Bearbeitung stets mit hilfreichen Gesprächen und Anregungen zur Verfügung standen. Ebenso bei Herrn Dipl.-Ing. Karsten Renhak für seine stets hilfreiche Betreuung von Seiten der Technischen Universität Ilmenau und des Fachgebiets. Zu guter Letzt bei meiner Familie, die mir das Studium erst ermöglichten, und besonders meinem Bruder Sven, der mir mit seiner Erfahrung auf dem Gebiet von GPS weiterhelfen konnte. Kurzfassung Wandern ist in Deutschland eine immer beliebtere Freizeitbeschäftigung geworden. Um den Erwartungen an qualitativ hochwertigen Wanderwegen gerecht zu werden, ist es die Aufgabe der jeweiligen Besitzer, für eine fortlaufende Überwachung, Pflege und Instandhaltung der Wege Sorge zu tragen. Für die Planung und Realisierung dessen wird in dieser Arbeit ein Programm der Firma SEI zur mobilen Erfassung von Wegdaten auf Grundlage von GPS Daten vorgestellt. Es wird untersucht, inwiefern es für die geforderten Aufgaben geeignet ist. In den sechs Kapiteln werden neben der Vorstellung des erwähnten Programms die allgemeinen Anforderung an solch ein System erläutert, die möglichen Fehlerquellen der GPS Technologie betrachtet, sowie ein Konzept zur programmiertechnischen Umsetzung erstellt. Weiterhin werden Konzepte erörtert, die bei Ausfall des GPS Signals die Robustheit des Systems weiter gewährleisten können. Hierfür werden bereits vorhandene Projekte geprüft, ob sie dem aktuellen Konzept hinzugefügt werden können. Dabei wird zum Einen die Verwendung von zusätzlichen Sensoren für die Messung von Weglängen in Betracht gezogen, als auch der Einsatz von Geoinformationssystemen, aus denen man manuell genäherte Koordinaten beziehen kann. Abstract In Germany, hiking has become a popular free time activity over the years. To meet the requirements of high quality hiking trails, the owner has to take care of continuous inspection and maintenance of the trails. To plan and realize these issues, this bachelor thesis introduces software developed by the company SEI which provides a mobile capture of trail data based on GPS coordinates. In this document, the suitability of this software is examined according to the required functions. Besides the test, the bachelor thesis defines general requirements for that kind of systems and shows several sources of failure in the GPS System. In the last part, a concept of a partial implementation is being suggested. Furthermore, concepts are being discussed, which ensure robustness in case of GPS Signal loss. In doing so, pre-existing projects are being tested whether they can be added on the present project or not. Therefore, additional sensors for path measurement and using of geographic information systems are taken into account. Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Ziesetzung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Kernprobleme und Zerlegung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 2 Anforderungen 2.1 Datenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 6 3 Vorstellung des Programms von 3.1 Datenmodell . . . . . . . . . 3.2 Oberfläche und Bedienung . 3.3 Ansätze zur Erweiterung . . SEI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 11 14 4 Global Positioning System - GPS 4.1 Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Fehlerquellen und Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 16 17 19 5 Konzepte 5.1 Untersuchung vorhandener Projekte 5.1.1 Open Street Map . . . . . . 5.1.2 Open Bicycle Computer . . 5.1.3 GIS-Viewer . . . . . . . . . 5.2 Eigene Konzeption . . . . . . . . . 5.2.1 Manuelle Eingabe . . . . . . 5.2.2 Sensoren . . . . . . . . . . . 5.2.3 Ergebnis . . . . . . . . . . . 21 21 21 22 23 26 26 27 28 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bachelorarbeit Jens Hörnlein Inhaltsverzeichnis ii 6 Implementierung 6.1 Entwicklungsumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Eigene Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 30 31 7 Zusammenfassung und Ausblick 36 Literaturverzeichnis 38 Abbildungsverzeichnis 40 Tabellenverzeichnis 41 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 42 Erklärung 43 Bachelorarbeit Jens Hörnlein 1 Einleitung 1 1 Einleitung Im Jahr 2009 jährt sich zum 20. Mal der Tag des Mauerfalls in Deutschland. Es war das Jahr der Wiedervereinigung vieler Familien und des Deutschen Volkes. Aber auch abseits der großen Schlagzeilen schloss sich wieder zusammen, was lange Zeit getrennt war. Der Rennsteig war wieder komplett. Gut 15 km des längsten und wohl beliebtesten Wanderwegs in Thüringen liegen auf bayrischem Gebiet, man konnte ihn also lange Zeit nicht komplett begehen. Doch auch im Rest Thüringens und in ganz Deutschland befinden sich zahlreiche weitere Wanderwege, Pilgerwege sowie Wege für Rund- und Streckenwanderungen. Nicht allein deshalb wird Wandern unter den Deutschen eine immer beliebtere Option für ihre Freizeitaktivitäten. Ob im Urlaub oder als Ausgleich am Wochenende, schnüren sich immer mehr Leute die Wanderschuhe und wollen die Natur zu Fuß erleben. Unter der großen Anzahl der Wanderbegeisterten herrschen natürlich die verschiedensten Ansprüche, was das Wandern angeht. Ob auf den Spuren berühmter Persönlichkeiten zu Wandeln, die Schönheit der naturbelassenen Umgebung zu bestaunen, oder den Ausblick auf Sehenswürdigkeiten wie Talsperren und Täler zu genießen, all das sind Eigenschaften, die die verschiedenen Wege erfüllen müssen. Zur Erleichterung der Auswahl dieser Wege versucht der Verband Deutscher Gebirgs- und Wandervereine, kurz Deutscher Wanderverband, beizutragen. Er hat eigens ein Portal eingerichtet, in dem sich Interessierte einen Überblick über die vielfältigen Wandermöglichkeiten in ganz Deutschland verschaffen können. [Verb09] Unter dem Namen Wanderbares ” Deutschland“ werden neben der Auflistung vieler Wanderregionen auch zertifizierte Qualitätswege ausgezeichnet, die hohen Anforderungen, etwa die Naturbelassenheit und die Beschaffenheit des Weges, entsprechen müssen. In Thüringen haben unter anderem der Rennsteig, der Gipfelwanderweg in Suhl und der Goethewanderweg in Ilmenau diese Auszeichnung erhalten, um nur einige zu nennen. Haben die Wege erst einmal dieses Prädikat, muss selbstverständlich dafür Sorge getragen werden, dass der Zustand eine gleich bleibend hohe Qualität erhält. Dies setzt eine fortwährende Überwachung, Pflege und Instandhaltung, sowie deren verlässliche Planung voraus. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 1 Einleitung 2 1.1 Ziesetzung der Arbeit Mit dieser Arbeit soll ein Konzept für ein robustes Verfahren zur Identifikation von Wegobjekten auf Grundlage von GPS-Daten erstellt werden. Mit Hilfe eines mobilen Endgerätes werden die Position und der Zustand von Objekten entlang eines Weges erfasst und anschließend in einer Datenbank zur Verfügung gestellt. Die regelmäßige Pflege der Daten über die Infrastruktur und den Zustand der Objekte ermöglicht eine genauere Planung von Ausbesserungsarbeiten, und erleichtert zudem eine leichtere Einstufung der Wegequalität. Dabei ist es wichtig, bei Ausfall des GPS Signals reagieren und auf alternative Methoden zur Wegebeschreibung zurückgreifen zu können. Dadurch soll ein bestmögliches Maß an Robustheit garantiert werden. 1.2 Kernprobleme und Zerlegung der Arbeit Diese Arbeit baut auf ein bereits bestehendes Programm der Firma SEI - system engineering GmbH ilmenau zur Wegedatenerfassung auf. Zunächst soll das Grundgerüst dieses Programms vorgestellt werden, um im Verlauf der Arbeit die Robustheit des Systems weiter zu verbessern. Es wird beschrieben, in wie weit das bereits existierende System den Anforderungen gerecht wird und wo eventuelle Schwachstellen vorhanden sind. Im darauf folgenden Punkt wird kurz auf GPS im Allgemeinen eingegangen, um daraus resultierende Problemstellungen erkennen zu können. Dies bezieht sich auf das Zustandekommen eines Signals und vor Allem auf dessen Verfügbarkeit im freien Gelände, wo ja das Anwendungsgebiet der zu konzipierenden Anwendung liegt. In Punkt vier werden bereits vorhandene Projekte vorgestellt, die versuchen ähnliche Anwendungsbereiche abzudecken. Darauf aufbauend wird ein eigenes Konzept entwickelt, dass die Ergebnisse aus den vorangegangen Untersuchungen mit einbeziehen soll. Dabei liegt der Schwerpunkt der Betrachtung auf möglichen Lösungsansätzen für den Fall eines GPS Signalverlusts. Es werden hierfür Projekte und Methoden untersucht, die die Positionsangabe mittels GPS Koordinaten unterstützen und die die Integrität des Systems durch Einbeziehung von Kontextinformationen erhalten sollen. Hierfür wird untersucht, in wie weit die verwendeten Hardwarekomponenten verbessert oder gar ersetzt werden können, um eine größtmögliche Effizienz des Systems zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für die bereits von SEI Eingesetzten, als auch für eventuell neue Geräte, die im Verlauf der Betrachtungen erforderlich werden. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 1 Einleitung 3 Im vorletzten Punkt wird eine beispielhafte Implementierung vorgestellt, die jedoch nur eine kleine Erweiterung des bereits bestehenden Programms darstellt. Innerhalb der Arbeit besteht nicht der Anspruch auf die Erstellung eines ausgereiften Programms. Vielmehr liegt die Zielsetzung darin, zu prüfen, mit welchen technischen Mitteln das Ziel erreicht werden kann, den Weg dorthin zu konzipieren und teilweise umzusetzen. Das letzte Kapitel soll eine abschließende Betrachtung der Arbeit bieten und einen Ausblick darauf geben, wie die untersuchten Methoden eingesetzt werden können und welche zusätzlichen Erweiterungen denkbar sind. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 2 Anforderungen 4 2 Anforderungen Das zu erstellende Programm soll die mobile Erfassung von Objekten entlang von Wanderwegen ermöglichen. Die dabei zu beachtenden Kriterien sollen hier kurz beleuchtet werden. 2.1 Datenmodell Das Datenmodell bzw. die Datenbank, in der die Informationen gespeichert werden, sollten die Aufnahme von geografischen Objekten ermöglichen. Eine auf solche Art spezialisierte Datenbank ist PostGis, eine Erweiterung des PostGreSQL. Sie ermöglicht die Verwaltung von geografischen Objekten und Datenstrukturen. Neben dem Speichern der Objekte bietet sie auch Funktionen zur Flächen- und Raumberechnung sowie räumliche Operatoren an. PostGreSQL selbst ist ein objektrelationales Datenbankmanagementsystem, was weitgehend mit dem SQL Standard ANSI-SQL 92 konform ist. [GIS ] Die Recherche zeigte jedoch, dass für die Umsetzung ein solch großes Leistungsangebot nicht zwingend notwendig ist, zudem wurde von PostGreSQL keine Unterstützung für mobile Anwendungen gefunden. Der Einsatz dieses DBMS würde sich also auf den Desktop Rechner beschränken. Im Rahmen dieser Arbeit soll allerdings nur auf die mobile Anwendung eingegangen werden. Auf eine eventuelle Umstellung der stationären Datenbank wird im folgenden Kapitel 3 noch einmal kurz eingegangen. 2.2 Geräte Das mobile Gerät, auf dem das Programm laufen soll, muss eine benutzerfreundliche Eingabe der Daten ermöglichen. Außerdem sollte es eine gewisse Robustheit von Haus aus mitbringen, und trotzdem nicht unhandlich sein. Es muss ebenfalls ein Kompromiss zwischen Größe der Anzeige und Größe des Gerätes gefunden werden . Die genauen Anforderungen im Detail: Bachelorarbeit Jens Hörnlein 2 Anforderungen 5 Preis: Es sollte auf ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis geachtet werden. In Zusammenhang mit den anderen Anforderungen an das Gerät spielt dies zwar nur eine untergeordnete Rolle, in Betracht auf die Weiterverbreitung der Anwendung seitens SEI sollte er aber nicht vernachlässigt werden. Display: Im Zusammenhang mit der Nutzung im offenen Gelände sollte auf gute Lesbarkeit im Freien geachtet werden. Hier bieten sich transflektive Displays an, die die Betrachtung bei direkter Sonneneinstrahlung immer noch ermöglichen. Außerdem ist die Größe des Displays von Bedeutung. Im Zusammenhang mit späteren Entwicklungen, sollten Kartenausschnitte gut darstellbar sein. Auch die Auflösung spielt dabei eine Rolle. Outdoor-Fahigkeiten: Durch den Einsatz im Freien ergeben sich Anforderungen im Bezug auf die Akkulaufzeit des Gerätes und die Widerstandsfähigkeit. Durch den möglichen Einsatz im Forst-Betrieb, sollten Akkulaufzeiten von 8-10 Stunden erreicht werden. Außerdem ist auf die Lebensdauer des Gerätes Rücksicht zu nehmen. Neben guter Behandlung seitens des Bedieners sollten auch Maßnahmen gegen die Einflüsse von Witterung und unachtsamen Verhaltens, wie etwa das fallen Lassen des Gerätes, vorausgesetzt werden. Auch die Bedienbarkeit und Handhabung des Gerätes sollten in der freien Natur, ohne Abstellflächen, gewährleistet sein. Leistungsfähigkeit: Das Gerät sollte in der Lage sein, in Echtzeit die GPS Daten zu empfangen und auszuwerten, und nebenbei Tracks schreiben zu können. Ebenso sollte die Unterstützung für ein mobiles Datenbanksystem gewährleistet werden. In Hinblick auf die weiteren Entwicklungen, setzt auch die mögliche Anzeige von Kartendaten eine höhere Anforderung an die Leistungsfähigkeit. Das Gerät sollte zudem über ausreichend Speicher verfügen, sowohl Arbeits- als auch Datenspeicher. Arbeitsspeicher unterstützt die Rechenleistung des Gerätes. Wie groß der Speicher für die Daten sein muss, kann zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht abgeschätzt werden. Aber auch hier sei wieder auf den zukünftig möglichen Einsatz von Kartenmaterial verwiesen. Kommunikation: Ein Muss ist die Einbindung eines GPS Gerätes. Wie im Kapitel 4 beschrieben werden wird, ist dabei die Benutzung eines externen Empfängers vorzuziehen. Dies dient auch der leichteren Austauschbarkeit bei Beschädigung der Geräte. Dafür eignet sich am besten eine drahtlose Kommunikation, am verbreitetsten hierbei ist Bluetooth. Des weiteren sollten geeignete Schnittstellen Bachelorarbeit Jens Hörnlein 2 Anforderungen 6 zur Kommunikation mit dem Desktop Rechner existieren. Dies ist aber bei fast allen mobilen Geräten der Fall. Sie werden meist über USB an einen Rechner angeschlossen. Für den Anschluss zusätzlicher Geräte zur Erfassung von Kontextinformationen wurden in dieser Arbeit noch keine konkreten Ergebnisse gefunden. Ziel ist es jedoch, über drahtlose Verbindungen weitere Geräte, wie in etwa Sensoren zur Wegmessung, anzubinden. Näheres dazu in Kapitel 5. 2.3 Ergebnisse Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurden mehrere mobile Geräte in Betracht gezogen. In die engere Auswahl wurden Laptops, PDAs sowie moderne Smartphones genommen. Die nachfolgende Tabelle soll die Erkenntnisse der Untersuchungen kurz darstellen: Anforderung Laptop PDA Smartphone Preis + +/+/+ +/Display: Ein(Aus) Outdoor Fähigkeit + + + + +/Leistungsfähigkeit Kommunikation + + + Tabelle 2.1: Analyse: Eignung verschieder Plattformen In der Tabelle sind die Eigenschaften der Geräte in Bezug auf die Anforderungen dargestellt, ein +“ bedeutet sie können mit dem Gerät erfüllt werden, ein -“ lässt auf ” ” eine geringe Eignung schließen. Wie aus der Tabelle ersichtlich wird, ist ein PDA am besten für die Realisierung geeignet. Laptops fallen aus der Betrachtung, da ihr hoher Anschaffungspreis im Vergleich zu den anderen Geräten negativ auffällt. Sie haben zwar ein ausreichend großes Display, jedoch ist dies im Freien meist schlecht ablesbar. Modelle mit besseren Displays erhöhen wiederum den Anschaffungspreis. Eine Handhabung im offenen Gelände ist auf Grund ihrer Größe nur bedingt gegeben. In eigentlicher Definition sind Smartphones nichts anderes als eine Kombination von PDA und mobilem Telefongerät. Hier wurde daher erst die Eignung moderner Mobiltelefone untersucht. Es stellt sich dabei die Frage nach der Zweckmäßigkeit der hierbei gebotenen Funktionen. Die geforderten Merkmale Leistungsfähigkeit, Display und Outdoorfähigkeit werden zwar von verschiedenen Modellen angeboten, aber nicht Bachelorarbeit Jens Hörnlein 2 Anforderungen 7 in einer zufriedenstellenden Kombination. Besonders die Größe des Displays und die Akkulaufzeiten sind bei den meisten Geräten ungenügend. Zudem wirft die Fülle an Herstellern mit eigenen Betriebssystemen der Geräte hier die Frage auf, in welcher Sprache das Programm realisiert werden soll. Die Entwicklung in Java würde zwar eine plattformübergreifende Lösung ermöglichen, jedoch zeigte sich, dass viele Hilfsprogramme keine Java Realisierung vorsehen. Erfahrungen zeigten auch, dass diese Geräte anfälliger für Beschädigungen sind. Geeignete Modelle, die allen Anforderung entsprechen sind zudem teurer als vergleichbare PDAs, die bereits in einfacher Ausführung den hier geforderten Zwecken genügen. Die Wahl viel demnach auf ein PDA Gerät, zumal diese Plattform bereits von SEI eingesetzt wird. Dabei spielt es jedoch keine Rolle, welches Modell genau eingesetzt werden soll. Kriterien sind lediglich ein Windows Betriebssystem in der Version Windows Mobile 5 oder 6 und eine Bluetooth Schnittstelle. Eine Kamera für eventuelle Aufnahmen der Objekte sollte für spätere Anwendungen ebenfalls vorhanden sein. Die Funktion, einem Punkt oder Objekt ein Bild zuzuordnen ist momentan zwar vorgesehen und bereits teils implementiert, jedoch greift das Programm noch nicht auf mit dem mobilen Gerät erstellte Fotos zurück, sondern auf vorher auf den PDA übertragene Bilder. Die vorher genannten Eigenschaften vereinen die meisten im Handel erhältlichen PDAs. Um eine größtmögliche Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen zu erreichen, wurden verschiedene Möglichkeiten geprüft. Sogenannte Rugged PDA“ wer” den bereits in speziellen Schutzgehäusen geliefert. Sie sind stoßfest und speziell versiegelt, damit keine Schmutz- oder Staubpartikel in das Innere gelangen können, mitunter sind sie sogar wasserdicht. Da sie in dieser Form jedoch teurer sind als normale Geräte, wird eine Lösung mit einem herkömmlichen PDA in Verbindung mit extra montierbaren Schutzhüllen gewählt. Ein interner GPS Empfänger muss nicht vorhanden sein. Die Wahl fiel wie bereits erwähnt auf eine Lösung mit einem externen GPS Gerät, da dadurch die Akkulaufzeit des PDAs geschont wird und zudem der Empfänger besser positioniert werden kann. Im bereits bestehenden Projekt wird ein HP iPAQ Serie 200 verwendet. In Verbindung mit diesem Gerät wird auch eine Schutzhülle verwendet, die es vor Witterungseinflüssen und vor Aufprall schützt. Der GPS Empfänger ist ein GPS Datenlogger Wintec WSG-1000 G-Trender BT, der über Bluetooth mit dem Geräte verbunden wird. Ein Vergleich geeigneter GPS Geräte wird in Kapitel 4 angestellt. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 8 3 Vorstellung des Programms von SEI Das Programm zur mobilen Datenerfassung befindet sich zum derzeitigen Stand der Arbeit (Oktober 2009) noch in der Entwicklung, bestehende Prototypen befinden sich jedoch schon in der Erprobung und im Einsatz des Forsts. Das zu Grunde liegende Datenmodell wurde durch Initiative des Rennsteigverein 1896 e.V.“ konzipiert. [Rein09] Es ” findet bereits seit längerem Einsatz in einer internetbasierten Anwendung, somit ist die mobile Entwicklung eine Erweiterung für die Pflege dieser Datenbank. Im Folgenden werden die Funktionen aufgezeigt, die die Datenbank bereitstellt. [SEI09] • Inventur Es wird eine Bestandsübersicht über alle Arten von Bauten an den Wegen bereitgestellt. Diese beinhaltet auch eine Sicherungspflicht. • Planung von Erhaltungsmaßnahmen Die Daten helfen bei der Abschätzung des Instandhaltungsaufwands in einem festgelegten Zeitraum und Abschnitt. Es wird eine Übersicht gegeben, in wiefern bereits Instandhaltungsmaßnahmen durchgeführt wurden und Erleichtern die Planung noch erforderlicher Maßnahmen. • Zertifizierung Um die Kriterien eines Qualitätsweges Wanderbares Deutschland“ zu erreichen, ” werden die Infrastrukturdaten analysiert. Dabei wird darauf geachtet, die einzelnen Wege optimal zu Segmentieren, damit die Anforderungen eines Qualitätsweges an die Zertifizierung erreicht werden können. Eventuelle Problembereiche können daraus erkannt werden. Aus den gewonnenen Daten können Erhebungsbögen erstellt werden. • Präsentation Die Wege unterliegen verschiedenen Eigentums- und Verwaltungsverhältnissen. Diese können die Daten nutzen, um ihre Wege lokal vorzustellen. Der Renn” steigverein 1896 e.V.“ nutzt die Daten beispielsweise zur Sicherung des Denkmalschutzes der Markierungssteine entlang des Rennsteiges. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 9 3.1 Datenmodell Das Datenmodell beruht auf den zentralen Begriffen Weg, Punkt und Objekt. Der Weg wird durch seinen Track, ein Polygonzug aus GPS Koordinaten, definiert. Er besitzt einen Anfangs- und einen Endpunkt, die als Referenzpunkte für die Entfernungsangaben dienen. Der Track repräsentiert die theoretische Mitte des Weges. Er wird bei bestehender GPS Verbindung und eingeschaltetem Tracking mit jedem neuen Signal des GPS Empfängers aktualisiert. Bei jeder Begehung kann eine neue Track Datei zur Aufzeichnung angelegt werden, was aber nur einmalig Sinn macht. Die daraus entstandene .kml Datei kann mit diesem Dateiformat kompatiblen Programmen, wie etwa Google Maps, geöffnet werden, um den Weg- und Höhenverlauf auf einer Karte grafisch darzustellen. ( Abbildung 3.1 ) Abbildung 3.1: Anwendung des Tracks in Google Maps Entlang eines Weges befinden sich die Punkte. Diese stellen den geografischen Bezug her. In der Datenbank werden sowohl die Geokoordinaten, die Entfernung vom Bezugspunkt (Ende oder Anfang des Weges) und der Abstand zur Wegmitte als Punkt gespeichert. Den Punkten können mehrere Objekte zugeordnet werden. Sie besitzen sowohl allgemeine Merkmale wie Objekttyp, Bezeichnung, Position und Zustand, als auch typspezifische Eigenschaften, die auf die Eigenheiten jedes einzelnen Objekts eingehen. So können die Objekte bis ins kleinste Detail beschrieben werden, um die spätere Identifikation zu erleichtern. Beispielsweise können bei Wegweisern die Anzahl der Arme Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 10 und deren Richtung angegeben werden, oder bei Sitzgruppen die Anzahl der Bänke. Die Position wird durch die Angabe Eines oder mehrerer Punkte repräsentiert. Es wird dabei zwischen Punkt- und Abschnittsobjekten unterschieden, je nach Art des Objekts. Bei Abschnittsobjekten werden ein Start- und ein Endpunkt angegeben. Es können auch mehrere Objekte einem Punkt zugeordnet werden. Das ist dann sinnvoll, wenn die Objekte innerhalb der Genauigkeit des Messverfahrens liegen. Dabei ist aber darauf zu achten, dass die Identifizierbarkeit von Einzelobjekten erhalten bleibt. Eine grafische Darstellung der Zusammenhänge der Größen bietet Abbildung 3.2. Abbildung 3.2: Prinzipdarstellung des Datenmodells Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 11 3.2 Oberfläche und Bedienung Startbildschirm Abbildung 3.3: Programm: Startbildschirm der Anwendung Die Anwendung öffnet mit dem Startbildschirm. Sie beinhaltet die Funktionsauswahl(4), die Statusanzeige für das GPS-Signal(3) und dient der Startkonfiguration(1/2). In den Startkonfigurationen wählt man im Auswahlfeld (1) die zu bearbeitende Datenbank. Die Datenbank befindet sich in .sdf Dateien, die auf das Gerät übertragen worden sind. In jeder Datei können mehrere Wege angelegt werden. Es können sowohl neue Wege erstellt als auch Vorhandene bearbeitet werden. Es muss ein Weg zur Bearbeitung ausgewählt werden. Anzeige (2) zeigt daraufhin den momentan aktivierten Weg an, hier kann auch die Wegrichtung bestimmt werden. Sie legt fest, ob der Anfangs- oder der Endpunkt als Referenz für die Entfernungsangabe der Punkte genutzt wird. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 12 Im Feld (3) wird der aktuelle Status aller vom Programm zur Verfügung gestellten Funktionen angezeigt. Er beinhaltet folgende Angaben: Ausgabe Bedeutung Verbindung mit GPS Empfänger getrennt GPS nicht aktiv Die Verbindung zum GPS-Empfänger ist abgeschaltet. Verbindung mit GPS Empfänger besteht Tracking: (In)Aktiv Die Tracking-Funktion ist (aus-)eingeschaltet. Die Track-Aufzeichnung läuft (ist unterbrochen) Aufzeichnung: Ein(Aus) GPS Service: On, GPS Gerät:On(Off) Die Verbindung zum GPS-Gerät ist aktiv (inaktiv). Latitude: xx.xxx Geografische Breite Longitude: xx.xxx Geografische Länge Verwendete Satelliten für GPS Lösung Satelliten Anzahl: x/x (x) (Erreichbare Satteliten) Zeit Zeit aus GPS Signal Geschwindigkeit aus GPS Signal Geschwindigkeit: xx m/s Positionsfehler Anzahl fehlerhafter Werte, die der Empfänger lieferte Tabelle 3.1: Programm: Mögliche Anzeigen im Statusfeld Menüfunktionen In den Menüfunktionen (4) lassen sich während des Betriebs Einstellungen vornehmen. Über den Button Wege“ kommt man in ein Unterformular, in dem man einen Weg ” aus der genutzten Datenbank auswählen oder einen Neuen erstellen kann. Bei Erstellung eines Weges sind eine Bezeichnung und ein Kürzel für diesen einzutragen. Die Bezeichnung dient der eindeutigen Identifikation des Weges und als Vorlage für die Dateinamen der Datenbank- und Track-Dateien. Das Kürzel dient der programminternen Zuordnung der Objekte. Im Anschluss an die Auswahl wird der Weg dann aktiviert und unter (2) angezeigt. Die Funktion GPS aktiviert bzw. deaktiviert die Verbindung zu einem GPS Empfänger. Welcher Empfänger genutzt und wie dieser mit dem Gerät verbunden wird, muss vorher auf der Plattform des Gerätes eingestellt werden. Bei einem PDA wird dies in den Einstellungen unter dem Punkt External GPS“ gemacht. ” Die Funktion Track steuert die Aufzeichnung des begangenen Weges. Sie erhält die Koordinaten vom GPS Empfänger und speichert diese in einer .kml Datei ab. Die Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 13 Aufzeichnung kann neben dem Starten und Beenden auch angehalten werden, um bei einer Pause nicht unnötig Daten speichern zu müssen. Objekteingabe Mit einem Klick auf Objekte“ gelangt man in das Objekteingabeformular. ” Abbildung 3.4: Programm: Formular Objekte Hier werden bei eingeschalteter GPS Funktion neben den Angaben der Entfernung zum letzten eingetragenen Punkt(1), der Entfernung zum eingestellten Startpunkt (2) und einer Auflistung aller bereits aufgenommener Punkte (7) Eingabemöglichkeiten für neue Punkte zur Verfügung gestellt. Im Feld (3) kann die absolute Weglänge manuell verändert werden. Dadurch wird der Startpunkt des Weges neu gesetzt. Dies geschieht über die Funktion Abstand (8). Hierbei kann ein selbst eingetragener Wert als neue Entfernung gesetzt, oder der Zähler auf Null gesetzt werden, was den aktuellen Punkt Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 14 zum neuen Startpunkt macht. Diese Option sollte am Anfang der Wegebegehung ausgeführt werden. Liegt ein neues GPS Signal mit Koordinaten vor, so wird durch einen Klick auf Neuer Punkt“ (4) die aktuelle Position als neuer Punkt programmintern gespeichert. ” Alternativ kann der Punkt aus einem bereits gelisteten Objekt durch Klicken auf Objekt Punkt“ (5) gesetzt werden. Erst nach Auswahl eines Punktes kann ein neues ” Objekt durch die Funktion Neu (8) angelegt werden. Bei Anlegen eines Objektes, oder Bearbeiten(8) eines Bestehenden, wird ein neuer Dialog geöffnet, in dem die allgemeinen und typspezifischen Objekteigenschaften eingetragen bzw. bearbeitet werden können. Übetragung auf den PC Die Daten werden wie bereits erwähnt auf dem PDA in eine .sdf Datenbankdatei geschrieben. Es handelt sich hierbei um eine SQL Server Compact Edition Datenbank. Diese Datei wird nach Beendigung der Wegbearbeitung auf den Desktop Rechner übertragen, und dort von einem Programm in den bereits vorhandenen Datenbestand importiert. Ebenso wie die Datenbank-Datei kann die eventuell aufgenommene TrackDatei per Datei-Explorer kopiert werden. 3.3 Ansätze zur Erweiterung Die hier gemachten Ausführungen sollen das von SEI erstellte Programm nur kurz vorstellen. Es wird ersichtlich, dass es zur Realisierung der Aufgabe - Erfassung von Wegobjektdaten - schon grundlegend geeignet ist. Jedoch wird aus der Betrachtung auch klar, dass die genaue Positionierung der Objekte ausschließlich vom Empfang eines GPS Signals abhängig ist. Dies bietet einerseits eine enorme Erleichterung bei der Aufnahme der zu erfassenden Daten, hat andererseits jedoch den erheblichen Nachteil, dass es nutzlos wird, sobald das GPS Signal abreißt. Es müssen Lösungen gefunden werden, die dieses Programm um die Möglichkeit der Eingabe von Positionsdaten innerhalb einer bestimmten Genauigkeit erweitern. Dies wird in Kapitel 5 behandelt. Durch Nutzung dieses Programms für die weitere Entwicklung wird eine Betrachtung alternativer Datenbanksysteme erst einmal in den Hintergrund gedrängt. Die auf Geodaten spezialisierte Datenbankerweiterung PostGIS gibt es nur für PC Betriebssysteme. Der Einsatz dieser Erweiterung würde eine Umstellung der bisher bestehenden MySQL Datenbank auf PostGreSQL erfordern. In wie weit das sinnvoll wäre, soll laut Bachelorarbeit Jens Hörnlein 3 Vorstellung des Programms von SEI 15 SEI nicht Teil dieser Arbeit sein. Weiterhin kann die Genauigkeit der Entfernungsangaben verbessert werden. Das momentane System berechnet die Entfernung zum Startpunkt, indem es sich einen Referenzpunkt setzt, und die Distanz zwischen diesem und dem aktuell vom GPS Empfänger gesendeten Punkt berechnet. Alle 40 Meter wird ein neuer Referenzpunkt gesetzt, und die Distanz zum letzten Referenzpunkt auf die Bestehende addiert. Der Abstand, in dem zwei Referenzpunkte liegen kann im Programmcode verändert werden. Jedoch stellt der momentane Wert schon einen Kompromiss dar. Wird er zu klein gewählt, kann die gemessene Distanz zu groß werden. Dies liegt an der Schwankung der GPS Position. Wird der Wert beispielsweise auf 10 Meter festgelegt, so würde der Referenzpunkt häufiger neu gesetzt werden, und in Folge dessen mehr Werte aufeinander addiert. Treten dabei sogenannten Ausreißern“ auf, also Punkte deren ” Längen- und Breitengrade sich stark von anderen abheben, werden auch diese mit in die Addition genommen und vergrößern somit die gemessene Strecke. Die Wirkung von Ausreißern werden mit einer größeren Toleranz abgemildert, jedoch birgt die Erhöhung des Abstandes der Referenzpunkte ebenso die Gefahr der Verringerung der absoluten Distanz. Da die meisten Wege nicht absolut gradlinig verlaufen, kommt hierbei schon eine geringe Abweichung zum real zurückgelegtem Weg zustande. Die Entfernung beider Punkte wird als mathematische Gerade betrachtet, und liefert entsprechend eine geringere Weglänge zurück. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn der letzte Referenzpunkt vor einer Kurve liegt, die im Extremfall einen Winkel von 180 Grad beschreibt. Somit ginge man auf den alten Punkt zurück und die zurückgelegte Strecke würde nicht beachtet werden. Um dieser Problematik entgegen zu wirken, ist es möglich, die Genauigkeit des GPS Empfängers zu verbessern, wodurch der Wert der Entfernung zweier Referenzpunkte reduziert werden kann. Eine andere Möglichkeit ist die Behandlung des Problems im Programm selbst, indem über eine Funktion die Art der Berechnung des Weges so geändert wird, dass Ausreißer erkannt und nicht mit einbezogen werden. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 4 Global Positioning System - GPS 16 4 Global Positioning System - GPS 4.1 Historie Das heute unter dem Namen GPS bekannte Satellitennavigationssystem ist eine Entwicklung des Amerikanischen Verteidigungsministeriums. Die offizielle Bezeichnung lautet NAVSTAR-GPS. Anfangs war es nur für den Einsatz im militärischen Bereich vorgesehen. Es wurde seit 1973 entwickelt, und wird bis heute betreut. Ursprünglich waren 24 Satelliten geplant, 21 für den ständigen Betrieb, drei davon sollten als Ersatz dienen. Bis heute wurden über 50 Satelliten ins All gebracht. Sie umkreisen die Erde in festen Bahnen 20200 km über der Oberfläche. Zum aktuellen Stand, Oktober 2009, sind 31 Satelliten in Betrieb. [Univ09] Diese Zahl kommt dadurch zu Stande, da in unregelmäßigen Abständen Ersatzsatelliten zum Einsatz kommen. Insgesamt gibt es bisher 2 Baureihen, wobei die zweite Baureihe ständiger Weiterentwicklung unterliegt und momentan an der vierten Variante dieser Baureihe gearbeitet wird. Dies ermöglicht eine gleich bleibende Gewährleistung des GPS Signals. Nach dem Abschuss eines zivilen Verkehrsflugzeuges, dass sich unbewusst über der Sowjetunion aufhielt, wurde 1983 entschlossen das System auch für zivile Zwecke freizugeben. Jedoch wurde eine künstliche Ungenauigkeit eingebaut (SA - selective ” availability“), indem man die übermittelte Zeit und die aktuelle Satellitenposition künstlich verfälschte. Dies sollte Terroristen davon abhalten, ferngelenkte Raketen auf US amerikanische Einrichtungen zielgenau abzufeuern. Die SA wurde erstmals 1990, während des ersten Golfkriegs, abgeschaltet, da für die amerikanischen Soldaten nicht genug militärische Empfänger vorhanden waren. Eine Verbesserung für den zivilen Gebrauch ergab sich daraus jedoch nicht, da die Position der Satelliten über dem persischen Golf konzentriert wurde. Erst im Jahr 2000 schaltete man SA komplett ab, da mittlerweile die zivile Benutzung stark zugenommen hatte. Neben dem NAVSTAR GPS gibt es noch eine Reihe andere Satellitenpositionssysteme, die in anderen Ländern eingesetzt werden. Russland hat etwa zur selben Zeit wie die USA mit der Entwicklung ihres Systems GLONASS begonnen. Bis heute dient es nur der militärischen Nutzung, erst 2012 soll es für den zivilen Gebrauch global ver- Bachelorarbeit Jens Hörnlein 4 Global Positioning System - GPS 17 fügbar sein. Das System entspricht dem bei NAVSTAR-GPS eingesetzten. Auch Japan und China entwickelten eigene Satellitennavigationssysteme. Durch die EU und die ESA wurde die Entwicklung des europäischen Satellitenpositionssystems Galileo in Europa betrieben. Das System befindet sich momentan noch in der Testphase und soll vorrangig für die zivile Nutzung gebraucht werden. Die Genauigkeit soll dabei besser als die der GPS Lösung sein. 4.2 Funktionsweise Jeder Satellit sendet seine Kennung, die aktuelle Position und Uhrzeit aus. Durch die Laufzeiten berechnet der GPS Empfänger die Entfernung zum jeweiligen Ausgangspunkt des Signals. Die Entfernung bildet dabei eine Kugelfläche um den Satelliten. Schneiden sich 3 solcher Flächen, entsteht daraus ein Punkt, der die aktuelle Position des Empfängers auf der Erde darstellt. Da aber die Atomuhren in den Satelliten und die herkömmlichen Quarzuhren in den Empfängern nicht synchron sind, kann noch keine exakte Position ermittelt werden, sondern es ergibt sich ein Raum aus dem Schnitt, in dem die Position liegen kann. Erst durch hinzuziehen eines 4. Signals kann die exakte Position bestimmt werden. Abbildung 4.1 zeigt die prinzipielle Darstellung auf einer zweidimensionalen Fläche. [kowo09] Abbildung 4.1: Prinzipielle Darstellung der Punktbestimmung bei GPS in 2-D Bachelorarbeit Jens Hörnlein 4 Global Positioning System - GPS 18 Die Einbeziehung eines 4. Signals korrigiert nicht nur die Zeitstempel der Signale, sie erlaubt auch eine relativ genaue Höhenangabe. Moderne Empfänger geben jedoch schon eine genaue Position mit 3 Signalen an, dabei wird die Entfernung zum Erdmittelpunkt als 4. Bahn verwendet. Da diese aber nur für die Höhe des Meeresspiegels gilt, lässt sich mit dieser Methode die reale Höhe nicht bestimmen. Nach Abschaltung des SA und der damit verbundenen künstlichen Störung der Genauigkeit beläuft sie sich heute auf ca. 5-12 Meter. Vor der Abschaltung betrug sie noch um die 100 Meter. Die verbleibenden Ungenauigkeiten resultieren aus der Verzögerung der Signallaufzeit beim Durchtritt durch die Erdatmosphäre. Diese Einflüsse lassen sich durch den Einsatz von Differntial GPS verringern. DGPS ist ein Verfahren, bei dem ein stationärer GPS Empfänger auf der Erdoberfläche Korrekturdaten an mobile GPS Empfänger sendet. Da seine Position relativ genau bestimmt ist, vergleicht er seine Koordinaten mit denen, die er von den Satelliten empfängt, und kann daraus die resultierende Abweichung in der Übertragungszeit berechnen. Diese Ergebnisse sendet die Station per Funk an die sich in der Umgebung befindlichen Empfänger. Die effektive Reichweite, in der diese Korrekturdaten noch genau sind, beträgt 200 km. Bei DGPS lässt sich eine Genauigkeit unter einem Meter realisieren. Dies hängt jedoch von der Entfernung zur nächsten Referenzstation ab. DGPS Stationen befinden sich meist an Küsten, da diese vermehrt zur Unterstützung der Schiffsnavigation eingesetzt werden. Ein ähnliches Prinzip nutzt das System EGNOS, dass ebenfalls die Genauigkeit von GPS auf Grundlage von festen Referenzstationen auf der Erde verbessert. Die Stationen beziehen zusätzlich zum NAVSTAR-GPS auch Daten von GLONASS und später Galileo. Doch anstatt nur die Korrektur für einen Punkt zu bestimmen, erstellt ein Netz aus Referenzstationen ein Korrekturgitter über das komplett abgedeckte Gebiet. Diese Daten werden an Nachrichtensatelliten geschickt, die diese auf der Frequenz der normalen GPS Signale weiter verbreiten. Die empfangenden Geräte korrigieren anschließend selbst ihre Koordinaten. Damit lässt sich eine noch genauere Angabe als mit anderen DGPS System erreichen. Die mobilen GPS Empfänger müssen für den Empfang der beiden DGPS Varianten entsprechend ausgerüstet sein. Für das herkömmliche DGPS muss ein zusätzlicher Funk Empfänger an den GPS Empfänger angeschlossen werden, bei modernen Geräten ist die Unterstützung für EGNOS bereits implementiert. EGNOS startete am 01.10.2009 den öffentlichen Betrieb. Momentan müssen aber geeignete Empfänger noch konfiguriert werden, um mit EGNOS arbeiten zu können. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 4 Global Positioning System - GPS 19 4.3 Fehlerquellen und Lösungen Neben den bereits erwähnten Fehlerquellen der Atmosphäre und dem künstlichen Störsignal SA spielt auch die Position der Satelliten eine Rolle. Befinden sich alle in einer Himmelsrichtung, so kann es vorkommen, dass keine Position berechnet werden kann. Die beste Konstellation der Satelliten vom Empfänger aus gesehen wäre die Verteilung auf alle 4 Himmelsrichtungen. Eine weitere Verfälschung kann durch den Mehrwegeeffekt verursacht werden. Dieser tritt in der Nähe großer Objekte wie etwa Häusern auf. Dabei werden die Signale an den Häuserwänden reflektiert und treffen mit einer Verzögerung im GPS Gerät ein. Dort werden sie jedoch als neues Signal“ verarbeitet. ” Die komplette Ungenauigkeit der GPS Ortung setzt sich wie folgt zusammen ( Tabelle 4.1 ): Störung Einfluss Störungen durch die Ionosphäre +/- 5 Meter Schwankungen der Satellitenumlaufbahnen +/- 2,5 Meter Uhrenfehler der Satelliten +/- 2 Meter +/- 1 Meter Mehrwegeeffekt +/- 0,5 Meter Störungen durch die Atmosphäre Rechnungs- und Rundungsfehler +/- 1 Meter Tabelle 4.1: Zusammensetzung der einzelnen Fehlerquellen Aufgrund der verwendeten Frequenz von 1575,42 MHz ist es dem Signal möglich, bei allen Wetterumständen, auch dichten Wolkendecken, die Erdoberfläche zu erreichen. Jedoch kann es auf Grund seiner hohen Frequenz keine Steine oder Wasser durchdringen. Auch eine sehr dichte Belaubung unter Bäumen kann das Signal stark abschwächen. Schlechte GPS Empfänger haben damit ein Problem, eine genaue Ortsbestimmung durchzuführen. Daher sollte bei der Auswahl der GPS Empfänger auf die verwendeten Chipsätze geachtet werden. Folgende Auflistung vergleicht die momentan am häufigsten verfügbaren Chipsätze untereinander: (Quelle: [Pock], Tabelle 4.2 ) Bachelorarbeit Jens Hörnlein 4 Global Positioning System - GPS 20 Chipsatz Nemerix Eigenschaften - sehr stromsparend - günstigster Chipsatz - gute Empfangsqualität SiRF II - bis vor einigen Jahren Marktführer - gute Empfangsqualität - Satellitenabriss eher wahrscheinlich als bei SiRF III SiRF III - gute Empfangsleistung bei geringer Signalstärke - Sehr guter Empfang im Gelände ANTARIS - mittlerweile sehr viel besser als SiRF III - liefert 4 mal pro Sekunde Positionsdaten - Genauigkeit laut Hersteller: 2,5 m Tabelle 4.2: Vergleich aktueller GPS Chipsätze Der Vergleich zeigt, dass der momentan beste verfügbare Chipsatz ein ANTARIS Chipsatz ist. Dieser ist auch im GPS Datenlogger Wintec WSG-1000 G-Trender BT von SEI verbaut. Er verfügt bereits über eine EGNOS Unterstützung und das Gerät besitzt zudem einen eingebauten barometrischen Höhenmesser. Um eine bestmögliche Positionsbestimmung zu bekommen, sollte der Empfänger so hoch wie möglich angebracht sein. Dies vermindert die Gefahr von leichten Mehrwegeeffekten und erleichtert die Berechnung der GPS Signallaufzeiten. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 21 5 Konzepte Am Anfang der Suche nach Lösungsansätzen für die Gewinnung von Positionsdaten unabhängig eines GPS Signals stand die Recherche ähnlicher Projekte und Anwendungen. Es wurde darauf geachtet, inwiefern diese die gegebenen Anforderungen erfüllen und ob sie aufgrund dieser Ergebnisse in ein Konzept integrierbar wären. Die gefundenen Projekte sollen nachfolgend kurz vorgestellt und bewertet werden. 5.1 Untersuchung vorhandener Projekte 5.1.1 Open Street Map Open Street Map ist ein 2004 gestartetes Projekt, dass die Erstellung einer freien Weltkarte zum Ziel hat. Der Begriff frei“ bedeutet dabei die Möglichkeit der uneinge” schränkten Verwendung der Daten seitens des Benutzer. Zu diesem Zweck wurde ein Internetportal eingerichtet, in dem sich Nutzer anmelden und Geodaten uploaden bzw. betrachten können. Die Zahl der Anmeldungen beläuft sich zum derzeitigen Stand auf über 100.000, wobei sich etwa ein Zehntel aktiv an der Eingabe und Pflege der Daten beteiligt. Das Projekt ist in stetiger Entwicklung, aber bereits weite Teile Europas und Nordamerikas sind erfasst worden. Die Vollständigkeit der Karten schwankt dabei von sehr gut in Ballungsgebieten mit vielen Nutzern, bis mangelhaft in ländlicher Gegend. Die Daten werden hauptsächlich aus selbst erstellten Tracks gewonnen, die sie persönlich ablaufen oder abfahren. Aber auch andere Quellen wie freie Luftbilder und Karten sind möglich. Es muss dabei lediglich darauf geachtet werden, dass diese keinen Urheberrechten unterliegen. Die gesammelten Daten können dann mit Hilfe von eigens entwickelten Programmen gerendert und in einer gewünschten Kartendarstellung angezeigt werden. Auf der Internetseite des Projekts http://www.openstreetmap.org, kann diese Karte angesehen, und gewünschte Kartenausschnitte in verschiedene Formate exportiert werden. Open Street Map kann in vielfacher Weise genutzt werden. Es dient als Grundlage von noch in Entwicklung befindlichen Projekten zur Routenplanung und Navigation. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 22 Neben Straßen können auch Radfahr- und Wanderwege erfasst bzw. ausgegeben werden. Dafür existieren eigene Portale, die die jeweiligen Wegenetze ausgeben. Speziell für die Verwendung von Wanderwegen sind jedoch noch einige grundlegende Probleme vorhanden. Das Datenmodell sieht in der aktuellen Form keine Aufnahme von Höhenangaben vor, diese Funktion ist laut Entwicklern auch nicht geplant. Auf den Wanderkarten sind zwar Höhenlinien eingezeichnet, diese wurden aber von anderen, bereits existierenden Karten entnommen. [Openb] Zur Erfassung der Daten gibt es eine Reihe von Editoren für alle Desktop-PCPlattformen. Mit ihrer Hilfe werden die erstellten Tracks in die Datenbank von Open Street Map geladen und vorhandene Wege editiert. Mobile Anwendungen sind zwar vorhanden, jedoch beschränken auch diese sich hauptsächlich auf das Tracking der Wege. Ein spezielles Programm zur Eingabe von Objekten ist nicht vorhanden. Auf der offiziellen Hilfeseite der Homepage [Opena] wird empfohlen, die markanten Punkte per Hand zu notieren oder ein Diktiergerät zu besprechen. Open Street Map ist damit keine Alternative zur Verwendung in dieser Arbeit. Die Objekte ließen sich zwar aufnehmen, aber die gewünschte Detailgenauigkeit könnte nicht erreicht werden. Zudem werden keine Angaben über Zustand der besagten Objekte gespeichert. In Zusammenhang mit dem bereitstellen der gesammelten Daten und dem öffentlichen Zugang im Internet stellt sich auch die Frage, ob dies von den Eigentümern und Verwaltern überhaupt erwünscht wäre. In der weiteren Betrachtung wird jedoch noch die eventuelle Nutzung des bereits bestehenden Kartenmaterials in Betracht gezogen. 5.1.2 Open Bicycle Computer Open Bicycle Computer ist ein Projekt, das im Jahr 2007 entstand. Sein Ziel ist die Entwicklung eines Fahrradcomputers, der verschiedene Daten loggen und darstellen kann. Er soll sich dabei von handelsüblichen Computern unterscheiden. Neben der Erfassung der Herzfrequenz des Fahrers, der Länge des zurückgelegten Weges und der Geschwindigkeit ist auch einen Audioplayer und die Anbindung eines GPS Empfängers vorgesehen. Die Software wie auch die Hardware des Gerätes ist dabei komplett selbst entwickelt bzw. gebaut worden. Sie enthält Sensoren, die die zurückgelegten Weglängen sehr exakt messen kann. Neben einem Beschleunigungssensor werden auch die Umdrehungen der Räder durch einen speziellen Dynamo mit berücksichtigt. Dieser liefert auch den Strom für die Versorgung des Gerätes. Für geringe Geschwindigkeiten und Pausen während Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 23 der Fahrradtour enthält das Gerät einen Akkumulator, der durch den Dynamo geladen wird. Die Bedienung des Gerätes soll laut Entwicklern so einfach wie möglich gehalten werden. Besonders der Sicherheitsaspekt beim Radfahren veranlasste sie dazu, keine Bedienelemente am Gerät selbst unterzubringen. Es wurden externe Taster für die Lenker des Rades vorgesehen, mit denen grundlegende Funktionen während der Fahrt bedient werden können. Ansonsten ist das Gerät nur für die selbstständige Erfassung von Daten gedacht, die Auswertung erfolgt später durch die Verbindung mit einem PC via USB. Die Betriebssystem für das Geräte soll ebenfalls selbst entwickelt werden und basiert auf einem Linux System. Dies soll schnellere Bootzeiten und ein besseres Powermanagement ermöglichen. Außerdem wird darauf Wert gelegt, dass eigene Programme für das Gerät implementiert werden können. Die Grundausstattung an Programmen soll zunächst das Tracken der zurück gelegten Wege ermöglichen. Somit ist dieses Gerät auch für die Aufnahme und das Integrieren von Daten in Open Street Map geeignet. In Planung ist die spätere Darstellung der aktuellen Position in einer Karte, oder sogar eine eventuelle Navigationsfunktion. Für den Einsatz im aktuellen Projekt ist es - bislang - noch nicht geeignet. Es befindet sich immer noch in der Entwicklungsphase. Auf der Homepage des Projektes [Open09] ist der letzte Stand aus dem Jahr 2008 datiert. Dort heißt es, es befinde sich gerade ein Prototyp im Test, es müsse allerdings auch noch sehr viel an Programmierarbeit geleistet werden. Hinzu kommt, dass es sich hier ausschließlich um eine Entwicklung für den Einsatz mit einem Fahrrad handelt. Prinzipiell wäre das Befahren von Strecken auf vielen Wanderwegen möglich, aber es muss eine Nutzung des kompletten Wegnetzes sichergestellt werden. Die Idee der Sensoren kann jedoch aufgegriffen werden, indem diese durch entsprechende Varianten für den Einsatz zu Fuß ersetzt werden. Nähere Betrachtungen dazu folgen am Ende dieses Kapitels. 5.1.3 GIS-Viewer Geoinformationssysteme (GIS) sind Informationssysteme, mit denen nach Bill (1994) raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, model” liert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch präsentiert werden.“ [Bill99] Nach dieser Definition ist das in dieser Arbeit betrachtete Programm von SEI ein eben solches GIS. Es existieren natürlich noch viele andere solcher Systeme, die jedoch nicht Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 24 den gewünschten Anforderungen in Bezug auf die Aufnahme von Wegedaten nachkommen. GIS Viewer haben hierbei die Aufgabe, die gespeicherten Geodaten grafisch darzustellen. Es existiert eine Vielzahl an solchen Anwendungen, die sowohl für Desktop als auch für mobile Geräte verfügbar sind. Interessant für diese Arbeit ist dabei die Funktion dieser Programme, die das manuelle Auslesen von Koordinaten aus einem Kartenausschnitt ermöglicht. In einer Diplomarbeit der Fachhochschule Karlsruhe, [Exne05] wurde in einer ähnlichen Aufgabenstellung die Darstellung von Kartenmaterial auf einem mobilen Endgerät untersucht. Dabei wurden verschiedene GIS Viewer verglichen, die Ergebnisse sollen hier kurz wiedergegeben werden. ArcGis Produktfamilie ArcGis ist eine Produktfamilie der Firma ESRI, die aus sich ergänzenden GIS Software Produkten besteht. Die Lösung für mobile Anwendungen aus der Produktfamilie bildet dabei die Applikation ArcPad. Mit dessen Hilfe lassen sich geografische Objekte auf Karten erfassen und bearbeiten. Eine genaue Beschreibung der Funktionen von ArcPad findet sich in der Diplomarbeit und auf der Homepage des Herstellers, [ESRI]. Die Grundansicht des Programms ist in Bild 5.1 zu sehen. Die Karten können zwischen mobiler Anwendung und Desktop ausgetauscht werden, was eine nachträgliche Bearbeitung der Objekte und Auswertung ermöglichen würde. Mit Hilfe des Programms lassen sich in Shape Files Objekte Anzeigen und Erstellen. Weiter Informationen zu den Objekten sind aber nur sporadisch möglich. ArcPad kommt den gewünschten Anforderungen an das Programm zur Wegedatenerfassung schon sehr nahe, allerdings gibt es einige grundlegende Fakten, die gegen einen Einsatz sprechen. Zum einen ist es ein eigenständiges Programm, dass den Einsatz der anderen Produkte aus der ESRI Familie zur Bedingung hat. Alle diese Produkte kosten einen hohen Betrag an Lizenzgebühren, alleine ArcPad kostet momentan 700 Dollar. Die Programmoberfläche lässt sich zwar anpassen, jedoch sind keine Erweiterungen für den Einsatz mit anderen Programmen möglich. Da bereits das Grundgerüst zur Datenerfassung besteht, wird nur ein Programm zum Extrahieren fehlender Koordinaten benötigt. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 25 Abbildung 5.1: ArcPad: Programmansicht Freeware GIS Tools Neben dem erwähnten ArcGis wurden in der Diplomarbeit noch eine Reihe anderer GIS Viewer verglichen. Die Wahl fiel dort auf das frei verfügbare GeoPad, was auch bei der eigenen Recherche gefunden wurde. Dabei handelt es sich sowohl um ein eigenständiges Programm zur Darstellung von Karten und Auslesen von Koordinaten, es wird mit diesem Programm aber auch eine DLL Bibliothek mitgeliefert, die das Einbinden in eigene Entwicklungen ermöglicht. Somit ist es ideal für die Verwendung in dem in dieser Arbeit behandeltem Programm geeignet. Wichtige Kriterien für die Wahl waren die Möglichkeit, sowohl spezielle Shape Files als auch normale Bitmap oder JPEG Dateien als Karten verwenden zu können. Ein vorher untersuchtes Tool war SharpMap. Dies ist ein GIS Viewer Projekt, das in der Programmiersprache C# geschrieben ist und in entsprechende Programme integriert werden kann. SharpMap bietet allerdings nur Unterstützung für Shape Files. Ein Shape File ist ein spezielles Datenformat für die Speicherung von Kartendaten, das neben der grafischen Darstellung auch die einzelnen Informationen zu Objekten und Punkten auf der Karte speichert. Dabei können verschiedene Ebenen übereinander gelegt werden, die jeweils nur Punkte, Linien oder Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 26 Flächen enthalten können. Aus Kombination dieser Elemente lassen sich komplexe Karten darstellen und über eine Luftbildaufnahme legen. Dieses Format ist ursprünglich von ESRI entwickelt, dient aber heute als Quasi - Standard für die Speicherung von Geometriedaten. Die benötigten Karten für die Region Thüringen liegen allerdings nicht komplett in Form von Shape Files vor, weswegen auf die Unterstützung anderer Formate geachtet werden muss. 5.2 Eigene Konzeption 5.2.1 Manuelle Eingabe Die einfachste Variante zur Reaktion auf den Verlust des GPS Signals ist die manuelle Eingabe einer geschätzten Entfernung zum letzten Punkt. Dies kann allerdings nur dem Zweck zur Erhaltung der Reihenfolge der einzelnen Objekte dienen, da keine Positionsangabe mittels Koordinaten ermöglicht wird. Je größer die Entfernungen der einzelnen Objekte, desto schwerer werden jedoch die Schätzungen und umso größer wird der mögliche Fehler in der Angabe. Eine Idee für die Unterstützung der Schätzung geben moderne Navigationssysteme, die während einer Tunneldurchfahrt scheinbar die aktuelle Position des Fahrzeugs auf der Karte anzeigen. Bei einigen Navigationsgeräten der Firma TomTom wird beispielsweise auf der Karte erkannt, dass eine Tunneldurchfahrt bevorsteht. Sobald das Gerät im Tunnel das GPS Signal verliert, berechnet es aus der gefahrenen Geschwindigkeit beim Eintreten des Tunnels eine geschätzte Position und zeigt diese auf der Karte an. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Geschwindigkeit im Tunnel etwa gleich schnell bleibt. Kommt die angezeigte Position an das Ende des eingezeichneten Tunnels, aber das Gerät empfängt noch keine neuen GPS Daten, verbleibt die Anzeige dort. Erst nach erneutem Empfang von Koordinaten wird wieder auf die aktuelle Position verwiesen. Zur Aufnahme von Daten kann das Prinzip ähnlich verwendet werden. Durch das periodische Abfragen der Position kann der Empfänger die momentane Geschwindigkeit berechnen. Über die komplette Dauer der Erfassung kann damit eine Durchschnittsgeschwindigkeit ermittelt werden, durch die beim Ausfall des Signals der weitere Verlauf geschätzt werden kann. Diese Schätzung kann natürlich keine Position liefern, wenn der Track vorher nicht bekannt ist. Die dadurch ermittelte Entfernung, die in einer bestimmten Zeit zurückgelegt wurde, kann jedoch dem Benutzer als Vorgabe auf dem Display angezeigt werden, um ihm damit die Schätzung des zurückgelegten Weges zu erleichtern. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 27 Diese Art der Schätzung ist jedoch ebenfalls noch sehr ungenau, da durch unterschiedliche Beschaffenheit der Wege die tatsächliche Geschwindigkeit des Nutzers stark schwanken kann. Eine weitere Möglichkeit wäre die Anwendung der Photogrammetrie. Diese stellt mathematische Zusammenhänge zwischen Punkten in der realen Welt und deren perspektivischer Darstellung in einem Foto dar. Somit ließen sich deren Entfernungen anhand dafür geeigneter Algorithmen berechnen. 5.2.2 Sensoren Zur Verbesserung der Schätzungen können Sensoren beitragen, deren Ergebnisse an das Programm übermittelt werden. Zur exakten Erfassung der Länge eines Weges werden in der Vermessung sogenannte Hodometer“ eingesetzt. Solche Messräder befinden ” sich bereits im Besitz vieler Forstämter. Sie ermöglichen über die Drehbewegung des Rades die Berechnung der damit zurückgelegten Distanz. Mögliche Fehlerquellen wie die Abnutzung des Rades oder Schlupf sind beim Einsatz mit geringen Geschwindigkeiten, die beim Wandern auftreten, vernachlässigbar gering. Da diese Messgeräte jedoch recht groß und unhandlich sind, ist das Mitführen bei jeder Wanderung nicht sehr effektiv. Sinn machen würde der Einsatz nur, wenn der zu kontrollierende Weg bereits aufgenommen wurde und bekannt ist, dass auf bestimmten Wegabschnitten das GPS Signal definitiv abreißen wird. Eine Alternative ist der Einsatz von Pedometern. Diese Schrittzähler können, wenn sie auf die durchschnittliche Schrittlänge der Träger eingestellt wurden, anhand der von ihnen erfassten Schritte eine zurückgelegte Entfernung berechnen. Diese Messmethode ist zwar geringfügig ungenauer als ein Hodometer, jedoch können die dafür benötigten Sensoren am Körper befestigt werden, so dass seitens des Wanderers keine weiteren Aktionen von Nöten sind. Die Genauigkeit der Messung kann dazu vom Träger des Messgerätes beeinflusst werden. Wird das Pedometer eingesetzt, während ein aktives GPS Signal empfangen wird, kann zudem die Genauigkeit der Schrittlänge angepasst werden, in dem die Weglänge mit den zurück gelegten Schritten verglichen wird. Auf einem ähnlichem Prinzip beruht der Einsatz von Beschleunigungssensoren. Diese detektieren Zunahme und Abnahme von Beschleunigungen. Bei zyklischer Kontrolle dieser Werte lässt sich ein Geschwindigkeitsverlauf erstellen, anhand dessen man den zurückgelegten Weg errechnen kann. Diese Methode ist genauer als das Nutzen der Durchschnittsgeschwindigkeit, da es in regelmäßigen Abständen die aktuelle Geschwindigkeit erfasst. Im benötigten Erfassungsbereich von 3-6 km/h wurde jedoch kein Gerät Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 28 gefunden, dass bereits eine errechnete Distanz ausgibt. Die Sensoren gibt es nur als Komponenten, die selbst in einem Gerät verbaut werden können. Im Bereich der Höhenmessung sind wie bereits erwähnt die Höhenangaben aus dem GPS Signal nur sehr ungenau, sodass der Einsatz zusätzlicher Barometerdaten sinnvoll wäre. Um die Erfassung der Höhenlage zu ermöglichen, können barometrische Höhenmesser eingesetzt werden. Diese bestimmen anhand des Luftdrucks die Höhe über dem Meeresspiegel. Untersuchte digitale Höhenmesser haben eine Genauigkeit von bis zu einem Meter. Die Angabe der Höhe macht aber nur im Zusammenhang mit bestehenden Koordinaten Sinn, die einen verwertbaren Track des Weges ermöglichen. Um den Einsatz der Geräte zu vereinfachen, die bereits verwertbare Größen bereit stellen, wird es angestrebt die mittels der Sensoren erfassten Daten automatisch an den PDA senden und Auswerten zu lassen. Dies vereinfacht die Handhabung und ermöglicht es, die Daten auch unterstützend zur GPS Messung zu benutzen. Zur Übertragung zwischen den Sensorgeräten und dem PDA bietet sich die Bluetooth Schnittstelle an. Der von SEI eingesetzte GPS Empfänger Datenlogger Wintec WSG-1000 G-Trender ” BT“ besitzt bereits einen eingebauten barometrischen Höhenmesser. Somit wird hier bereits eine integrierte Lösung verwendet. Während der Recherche geeigneter Pedometer oder Beschleunigungssensoren wurden jedoch keine Geräte gefunden, die in Echtzeit Daten per Bluetooth versenden. Die untersuchten Schrittzähler, die überhaupt einen Datenaustausch ermöglichen, lassen sich nur nach Beendigung der Aufnahme mit einem PC über USB verbinden, und über spezielle Software auslesen. Die meisten Geräte werden nur als Stand-Alone-Lösungen angeboten, die das manuelle Ablesen der erfassten Werte vorsehen. Durch die Menge an vorgesehenen Sensoren, die Daten an den PDA senden sollen, stellt sich auch die Frage nach der geeigneten Unterbringung dieser. Viele Einzelgeräte sind auch umständlich zu transportieren, und können dadurch auch ungenaue Messergebnisse liefern. Die beste Lösung dieses Problems wäre die Entwicklung einer eigenen Geräteeinheit, die alle diese Sensoren enthält, und diese in einem speziell dafür entwickelten Datenformat an das Endgerät sendet. Die Erfahrung aus dem Projekt Open Bicycle Computer zeigt jedoch, dass solch eine Konzipierung und Umsetzung einen sehr großen Zeitaufwand bedeutet, und daher dieses Konzept nicht weiter verfolgt wird. 5.2.3 Ergebnis Um die genaue Erfassung von Wegobjekten zu ermöglichen, ist die Eingabe von geschätzten Entfernungen nur eine Notlösung. Die exakten Koordinaten sind Voraus- Bachelorarbeit Jens Hörnlein 5 Konzepte 29 setzungen zur späteren Darstellung in Karten und damit zur Planung von Routen, die eine effektive Pflege der Objekte auf den Wegen erlauben. Dies ermöglichen nur die oben vorgestellten GIS Viewer. Über die Einbindung von GeoPad wird aus einer Karte die aktuelle Position bestimmt. Die dafür benötigten Karten sollten Luftbilder oder topologische Karten sein, die ausreichend detailliert sind, um daraus die aktuelle Position des Benutzers ablesen zu können. Diese können beispielsweise aus freien Quellen wie Open Street Map stammen, oder aus kostenpflichtigen Einrichtungen wie Vermessungsämtern bezogen werden. Der Einsatz der oben genannten Sensoren kann eine Hilfestellung beim Finden des Punktes in der Karte bieten. Es ist denkbar, um den Punkt des letzten gültigen GPS Signals einen Kreis zu zeichnen, dessen Radius der maximal zurückgelegten Entfernung seit diesem entspricht. Auf diese Weise wird der Kartenausschnitt, in dem sich die aktuelle Position des Benutzers befinden muss, erheblich eingeschränkt. Zum Wiederauffinden der Objekte, die in einem Gebiet liegen, das permanent keinen GPS Empfang gewährleisten kann, sind jedoch nur Daten eingesetzter Sensoren möglich. In permanenter Verwendung, können die Sensoren auch die vom GPS Signal erfassten Daten, speziell die stark fehlerbehafteten Angaben zu Höhe und Geschwindigkeit, verbessern. Daher ist der Einsatz von GIS Viewern und Sensoren in Kombination die bestmögliche Lösung des aktuellen Problems. Ziel ist nun also die Einbindung von GIS Viewern in das akutelle Projekt und die Vorbereitung der Nutzung von Sensordaten. Abbildung 5.2: Konzept der Eingabe von Kontextinformationen Bachelorarbeit Jens Hörnlein 6 Implementierung 30 6 Implementierung 6.1 Entwicklungsumgebung Das bestehende Programm wurde in der Programmiersprache C# auf dem mobilen Gerät implementiert. Als Entwicklungsumgebung wurde Visual Studio 2005 von SEI eingesetzt. Zur Weiterentwicklung ist auch Visual Studio 2008 verfügbar, jedoch wurde mit SEI ausgemacht, ebenfalls die Version 2005 zu nutzen. Obwohl keine Unterschiede in den beiden Versionen in Bezug auf die Programmierung des Projektes bestehen, würde eine Bearbeitung in beiden Versionen eine ständige Konvertierung der Programmdaten zur Folge haben. Die einmalig in Version 2008 umgewandelten Dateien sind nach der Konvertierung jedoch nicht mehr abwärtskompatibel. Als Hilfskomponenten für die Programmierung auf einem PDA mit dem Betriebssystem Windows Mobile 6 wurden das .Net Compact Framework und das Windows Mobile 6 SDK eingesetzt. Das .Net Compact Framework bietet die wichtigsten Funktionen des .Net Frameworks und ist um nicht benötigte Funktionen erleichtert. Damit bringt es eine Performanzverbesserung auf mobilen Geräten mit sich. Das Windows Mobile 6 Software Development Kit bietet darüber hinaus hilfreiche Funktionen und Beispielimplementierungen, um spezielle Funktionen des Betriebssystems nutzen zu können. Die wichtigste Komponente ist hierbei die GPS Anbindung. Würde man die GPS Daten selbstständig vom Empfänger holen wollen, müsste man erst eine COM Verbindung aufbauen und die Signale vom GPS Empfänger aufschlüsseln. Diese werden bei jedem modernen Empfänger als NMEA-0183-Standard ein Mal pro Sekunde gesendet. Dieses Format enthält diverse Datensätze, die unter anderem die Position, die Zeit, die Satellitenanzahl und noch weitere Informationen enthalten. Der genaue Aufbau lässt sich unter [Badd] nachlesen. Die Daten werden im ASCII Format gesendet, welches man erst aufsplitten und die benötigten Daten herauslesen müsste. Das Windows Mobile 6 SDK bietet bereits ein Projekt an, welches auf das mit dem Betriebssystem verbundene GPS Gerät zugreift. Es liest die Daten aus und stellt diese aufbereitet in einem Objekt zur Verfügung. Über ebenfalls in diesem Projekt vorhan- Bachelorarbeit Jens Hörnlein 6 Implementierung 31 dene Events werden die Daten aktuell an das Hauptprogramm übertragen, sobald ein neues Signal eintrifft. Bei den Satellitenangaben wird zwischen verfügbaren Satelliten und Satelliten, die in die Berechnung der Position einbezogen werden, unterschieden. Sobald der Empfänger das erste Mal einen Satelliten findet, sendet er fortwährend das Event aus. Dies ist auch der Fall, wenn keine Satelliten für die Lösung eingesetzt werden, es also keine Positionsberechnung gibt. 6.2 Eigene Implementierung Wie in der Aufgabenstellung dieser Arbeit erwähnt, sollte der Umfang der Implementierung mit dem Betreuer abgesprochen werden. Da die Lösung mittels GIS Viewern erst zu einem späten Zeitpunkt der Bearbeitung gefunden wurde, konnte dies noch nicht mit in die Umsetzung des Programms integriert werden. Weiterhin wurden noch keine geeigneten Sensoren gefunden, deren Signale man automatisch an den PDA weiterleiten und verarbeiten kann. Es wurde sich daher darauf geeinigt, zunächst eine manuelle Eingabe der Entfernung zu implementieren. Da das bereits von SEI entwickelte Programm erweitert wird, darf in dieser Arbeit kein Auszug aus dem ursprünglichen Quelltext erscheinen. Es wurde versucht, neue Funktionen sofern möglich in eigene Klassen und Dateien auszulagern, damit diese später in eine Bibliothek gekapselt werden können. Die erleichtert das spätere Bearbeiten der Funktionen, um beispielsweise die manuelle Eingabe der Entfernungen durch das automatische Erfassen von Sensordaten ersetzten zu können. Jedoch mussten bisher überwiegend im bereits bestehenden Code Änderungen vorgenommen werden. Mit Initialisierung des Start Formulars wird eine Instanz der Klasse GPSFail erzeugt. Diese ermöglicht den Zugriff auf die in dieser Klasse bereitgestellten Methoden und einer Bool - Variable, die anzeigt ob im Augenblick eine gültige GPS Position vorliegt. Im Folgenden wird diese Instanz das Objekt“ genannt. ” Feststellen des GPS Ausfalls Beim erstmaligen Empfang von Satellitendaten wird in der Eventbehandlungsroutine ein Timer in der Instanz von GPSFail gestartet, der den Status des GPS Signals überwacht. Bei jedem erneuten Empfang des Events wird dieser Timer zurückgesetzt. Da jedoch wie erwähnt der Event auch ausgelöst wird, wenn keine Satelliten für die Berechnung verwendet werden, wird die Rücksetzung des Timers an eine Bedingung geknüpft. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 6 Implementierung 32 Diese stellt fest, ob mindestens 3 oder mehr Satelliten für eine GPS Lösung verfügbar sind. Ist dies nicht der Fall, läuft der Timer nach einer im Code festgelegten Zeit aus und setzt die Zustandsvariable der neuen Klasse auf False. Dies wird dem Nutzer durch Anzeige eines Hinweistextes und einem akustischen Signal mitgeteilt. Sobald wieder mehr als 3 Satelliten erfasst sind, wird der Timer neu gestartet, und dem Benutzer wird erneut ein akustischer sowie optischer Hinweis darauf gegeben. Abbildung 6.1 Abbildung 6.1: Programm: Benachrichtigung bei Verlust/Wiederherstellung des GPS Signals Erstellen eines neuen Punktes Wenn der Nutzer nun einen Neuen Punkt anlegen will, während die GPS Position nicht genau errechnet werden kann, wird durch das Objekt ein Formular erzeugt, dass die manuelle Eingabe der Distanz seit dem letzten Punkt erwartet. Bei erstmaliger Eingabe Bachelorarbeit Jens Hörnlein 6 Implementierung 33 entspricht diese der Entfernung zu dem Punkt, der als letztes vom GPS Empfänger erfasst wurde. Abbildung 6.2 Abbildung 6.2: Programm: Form zur manuellen Eingabe einer Distanz Darstellung Um dem Nutzer auch während der Zeit, in der keine exakte Position ermittelt werden kann, einen optischen Hinweis zu geben, werden die Entfernungsangaben im Objekteingabefenster rot hervorgehoben. Abbildung 6.3 Nach Eingabe des Wegobjektes wird dies ohne GPS Koordinaten und Höhenangabe gespeichert. Um dies zu verdeutlichen, wird in der Objektliste eine Tilde vor die Bezeichnung des Objektes gesetzt. Abbildung 6.4 Bachelorarbeit Jens Hörnlein 6 Implementierung 34 Abbildung 6.3: Programm: Hervorheben der Anzeige bei verlorenem Signal Bachelorarbeit Jens Hörnlein 6 Implementierung 35 Abbildung 6.4: Programm: Hervorheben der Objekte in der Liste Bachelorarbeit Jens Hörnlein 7 Zusammenfassung und Ausblick 36 7 Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde ein Konzept entwickelt, mit dem eine robuste Erfassung der Infrastrukturdaten von Wanderwegen ermöglicht wird. Am Anfang wurden grundlegende Anforderungen erstellt, die das robuste Erfassen der Daten ermöglichen sollen. Im Anschluss daran wurde ein Programm vorgestellt, das diese Anforderungen bereits grundlegend erfüllt. Das von SEI implementierte Projekt erfasst Wegobjekte anhand ihrer GPS Koordinaten. Um dieses Erfassungssystem gegen einen Ausfall des GPS Signals, und damit dessen einziger Bezugsquelle, zu schützen, wurden in dieser Arbeit verschiedene Lösungsmöglichkeiten untersucht. Zunächst wurde auf das Global Positioning System eingegangen, um festzustellen, wo mögliche Fehlerquellen oder Ausfallgründe liegen. Mit diesen Ergebnissen kann man erkennen, dass speziell der Einsatz auf Wanderwegen in stark bewaldeten Gebieten schnell zum Verlust des GPS Signals führen kann. Um darauf reagieren zu können, wurden verschiedene Methoden untersucht, die beim Ausfall des GPS Signals an dessen Stelle treten können. Anfänglich war nur der Einsatz von Sensoren zur Wegmessung vorgesehen. Dies konnte jedoch nicht als Lösung verwendet werden, da die alleinige Angabe von Entfernungen nur der Reihenfolgeerhaltung dienen kann. Für die spätere Auswertung sind jedoch zumindest gut geschätzte Koordinaten erforderlich. Die Verwendung von GIS Viewern ermöglicht es, aus passenden Kartenausschnitten diese genäherten Werte der Koordinaten zu beziehen. Die Einbindung der Viewer erfolgt im bestehenden Programm, sodass die Objekte vollständig in der Datenbank beschrieben werden können. Das in dieser Arbeit vorgeschlagene Konzept sieht die Kombination beider Methoden als die beste Lösung vor. Das manuelle Auslesen von Koordinaten kann von Sensorendaten unterstützt werden. Die Sensoren selbst können dabei durch die Entfernungsberechnungen bei normalem Betrieb in ihrer Genauigkeit verbessert werden, um so nach gewisser Zeit immer exaktere Ergebnisse liefern zu können. Während der Zeit dieser Arbeit konnten leider keine geeigneten Geräte gefunden werden, welche die automatische Erfassung der zurück gelegten Distanz ermöglichten. Bachelorarbeit Jens Hörnlein 7 Zusammenfassung und Ausblick 37 Bis jetzt ist nur die Eingabe eines geschätzten Wertes implementiert, welcher durch selbst abgelesene Werte gestützt werden kann. Da es sehr schwer sein dürfte, geeignete Geräte zu finden, bietet sich der Entwurf einer eigenen Sensoreinheit an. Die Entwicklung und der Bau dieser Einheit ist jedoch erst für die Zukunft vorgesehen. Primäres Ziel ist die Einbindung eines Gis Viewers. Da die Methode erst zu einem späten Zeitpunkt der Arbeit gefunden wurde, konnte diese noch nicht in die Praxis umgesetzt werden. Geeignete Viewer wurden jedoch bereits heraus gesucht. Die Einbindung in das bestehende Programm wird die erste Aufgabe nach Abschluss dieser Bachelorarbeit sein. Bachelorarbeit Jens Hörnlein Literaturverzeichnis 38 Literaturverzeichnis [Badd] Glenn Baddeley. GPS - NMEA sentence information. [Bill99] Ralf Bill. Grundlagen der Geo-Informationssysteme. Band 1: Hardware, Software und Daten. Herbert Wichmann Verlag. 4. Auflage, 11 1999. [ESRI] ESRI. ArcGis. [Exne05] Sandra Exner. Konzeption und Entwicklung einer GPS gestützten mobilen GIS-Anwendung auf einem PDA zum Einsatz für Umweltaufgaben. Diplomarbeit, FH Karlsruhe, 2005. [GIS ] GIS Wiki, http://giswiki.org. Geoinformatik - Veranstaltungen - News Informationen. [Insi] Inside PDA, http://www.insidepda.de. Inside PDA - Die Pocket PC Seite. [kowo09] kowoma, http://www.kowoma.de/gps. 2009. Wie funktioniert GPS, Oktober [Opena] Open Street Map, http://openstreetmap.org/. OSM. [Openb] Open Street Map, http://topo.geofabrik.de/. OSM Reit- und Wanderkarte. [Open09] Open Bicycle Computer, http://www.obico.de/. Open Bicycle Computer, Oktober 2009. [Pock] Pocketnavigation, http://www.pocketnavigation.de/article/view_ 436_1046__welche-maus-soll-ich-kaufen/2.4.29.html. Vergleich von GPS Chipsätzen. [Rein09] Reinsteigverein, http://www.rennsteigverein.de. Der Rennsteig, August 2009. Informationsseite des Rennsteigvereins. Bachelorarbeit Jens Hörnlein Literaturverzeichnis 39 [Schi08] Gerhard H Schildt (Hrsg.). Satellitennavigation: GPS, Glonass, Galileo. Lyk Informationstechnik. 4 2008. [SEI] SEI, http://www.sei-gmbh.de/. SEI system engineering GmbH Ilmenau. [SEI09] SEI. Datenbank zur Erfassung, Analyse und Bewertung von Wanderwegen - Kurzanleitung, 2009. [trav09] travianet, swip Informatik. Fernwanderweg Rennsteig, 2009. [Univ09] University of New Brunswick, http://gge.unb.ca/Resources/ GPSConstellationStatus.txt. Aktuelle GPS Satelliten, Oktober 2009. [Verb09] Verband deutscher Gebirgs- und Wandervereine, http://www. wanderbares-deutschland.de/. Wanderbares Deutschland, 2009. Bachelorarbeit Jens Hörnlein Abbildungsverzeichnis 40 Abbildungsverzeichnis 3.1 3.2 3.3 3.4 Anwendung des Tracks in Google Maps . . . Prinzipdarstellung des Datenmodells . . . . Programm: Startbildschirm der Anwendung Programm: Formular Objekte . . . . . . . . . . . . 9 10 11 13 4.1 Prinzipielle Darstellung der Punktbestimmung bei GPS in 2-D . . . . . 17 5.1 5.2 ArcPad: Programmansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzept der Eingabe von Kontextinformationen . . . . . . . . . . . . . 25 29 6.1 Programm: Benachrichtigung bei Verlust/Wiederherstellung Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Programm: Form zur manuellen Eingabe einer Distanz . . . Programm: Hervorheben der Anzeige bei verlorenem Signal . Programm: Hervorheben der Objekte in der Liste . . . . . . 32 33 34 35 6.2 6.3 6.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . des GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bachelorarbeit Jens Hörnlein Tabellenverzeichnis 41 Tabellenverzeichnis 2.1 Analyse: Eignung verschieder Plattformen . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.1 Programm: Mögliche Anzeigen im Statusfeld . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.1 4.2 Zusammensetzung der einzelnen Fehlerquellen . . . . . . . . . . . . . . Vergleich aktueller GPS Chipsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 20 Bachelorarbeit Jens Hörnlein Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 42 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen ANSI . . . . . . . . . . . . . . . American National Standards Institute, amerikanische Normierungsbehörde DBMS . . . . . . . . . . . . . DatenBank Management System DGPS . . . . . . . . . . . . . . Differential Global Positioning System, Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit von GPS ESRI . . . . . . . . . . . . . . . Environmental Systems Research Institute, Softwarehersteller von Geoinformationssystemen GIS . . . . . . . . . . . . . . . . GeoInformations Systeme, auch Geographische Informationssysteme GLONASS . . . . . . . . . Globalnaja Nawigazionnaja Sputnikowaja Sistema, Globales Satellitennavigationssystem GPS . . . . . . . . . . . . . . . Global Positioning System, globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung KML . . . . . . . . . . . . . . . Keyhole Markup Language, Beschreibungssprache für Geodaten NAVSTAR . . . . . . . . . Navigational Satellite Timing and Ranging NMEA . . . . . . . . . . . . . National Marine Electronics Association, Nationale Vereinigung für Marineelektronik PDA . . . . . . . . . . . . . . . Personal Digital Assistant, kompakter, tragbarer Computer SA . . . . . . . . . . . . . . . . . selective availability, Künstlich geschaffene Ungenauigkeit SDF . . . . . . . . . . . . . . . . SQL Server Compact Edition Database File, Dateiendung SDK . . . . . . . . . . . . . . . Software Development Kit, Entwicklungsumgebung für eine bestimmte Software SEI . . . . . . . . . . . . . . . . System Engineering GmbH Ilmenau, Firma in Ilmenau SQL . . . . . . . . . . . . . . . . Structured Query Language, Datenbanksprache USB . . . . . . . . . . . . . . . Universal Serial Bus, serielles Bussystem zur Verbindung von Geräten Bachelorarbeit Jens Hörnlein Erklärung 43 Erklärung Die vorliegende Arbeit habe ich selbstständig ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen angefertigt. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Form oder auszugsweise im Rahmen einer oder anderer Prüfungen noch nicht vorgelegt worden. Ilmenau, den 15. 10. 2009 Jens Hörnlein Bachelorarbeit Jens Hörnlein
