EXAMENSARBETE. Kartläggning med GPS. Linnéa Rahkola Högskoleexamen Bygg och anläggning

Transkript

1 EXAMENSARBETE Kartläggning med GPS Linnéa Rahkola 2015 Högskoleexamen Bygg och anläggning och naturresurser

2 Kartläggning med GPS Linnéa Rahkola

3 II

4 Förord Denna examensrapport är en del av examinationen vid den 2-åringa utbildningen Bygg och Anläggning på. I utbildningsplanen ingår det att man skriver en examensrapport om ett eget valt område inom de ämnen man studerar. Examensarbetet är utfört under våren 2015 i Jakobstad. Jakobstad, maj 2015 Linnéa Rahkola III

5 Sammanfattning Denna examensrapport handlar om kartläggning av vattenledningar vid ett nytt planerat bostadsområde i Jakobstad. Kartläggningen har skett med GPS och denna rapport tar upp teori om GPS och utförandet av kartläggningen. GPS används mycket inom olika områden vid inmätningar och utsättningar. Det finns allt från enklare GPS mätningar till mer avancerade mätningar. IV

6 INNEHÅLLSFÖRTECKNING Förord... III Sammanfattning... IV INNEHÅLLSFÖRTECKNING... V 1. INLEDNING Bakgrund Syfte/Mål Frågeställningar Avgränsningar TEORI GNSS Uppbyggnad av GPS Rymdsegment Kontrollsegment Användarsegment Mätmetoder Absolut positionsbestämning Relativ positionsbestämning Real Time Kinematic Nätverks-RTK SWEPOS/FINNREF FELKÄLLOR Satellitrelaterade fel Atmosfärsrelaterade fel och flervägsfel Mottagarrelaterade fel MATERIAL Instrument Programvara RESULTAT Utförande Urval för inmätning Dokumentering Mätmetod DISKUSSION/SLUTSATSER REFERENSER BILAGOR V

7 8.1 Kodtabeller för kartläggning VI

8 1. INLEDNING 1.1 Bakgrund I den tvååriga utbildningen Bygg och anläggning på ingår det att skriva en rapport om ett valfritt område inom de ämne vi studerar. I min examensrapport har jag valt att skriva om när jag kartlade och hanterade kartframställning för utbyggnaden av vatten-, el- och teleledningar i ett nytt planerat bostadsområde. Kartläggning av ledningar är både vanligt och nödvändigt vid utbyggnad och förnyelse av olika ledningsnät. Bara den sammanlagda längden av elnätet i Sverige utgör ungefär 14 varv runt jorden. Kraftledningar slingrar sig utöver hela landet med förgreningar i ett finmaskigt elnät. Andra ledningsnät som finns nergrävda i marken är VA-system, tele, gas, fjärrvärme och fjärrkyla. Kartläggning av ledningar är nödvändigt för planering av framtida utbyggnad, vid fel i ledningarna och för information om var t.ex. olika ventiler, skarvar m.m. finns. 1.2 Syfte/Mål Syftet med mitt examensarbete är att få en djupare förståelse i hur inmätningar med GPS fungerar och hur den kan användas vid kartläggning av bl.a. olika ledningsnät. Syftet är också att kartlägga ledningsnät och dokumentera mätningarna i ett lämpligt datorprogram. Informationshanteringen sker genom datorstödd kartframställning. 1.3 Frågeställningar Frågor att besvara för att nå syftet med studien är följande: - Hur fungerar en GPS? - Vad ska man tänka på vid inmätning med GPS? - Vilka felkällor finns det? - Vad finns de för lämpliga program för kartframställning? 1.4 Avgränsningar För kartläggning kan olika sorter, typer och metoder av satellitsystem användas. Det satellitsystem jag valt att beskriva i denna rapport är det mest kända systemet det amerikanska GPS. Vid kartläggningen har jag valt att använda mig av nätverks- RTK. 1

9 2. TEORI 2.1 GNSS GNSS (Global Navigation Satellite Systems) är ett samlingsnamn för de satellitbaserade system som finns. Satellitsystemen används för navigering, positionsbestämning och tidöverföring. Det finns en del olika satellit system. Det vanligaste systemet är GPS (Global Positioing System). GPS fick sin operationella status Sedan början av 1990-talet fick även Ryssland ett liknande system, GLONASS. GLONASS fick aldrig de genomslaget som GPS har fått, vilket har lett till att systemet inte fått tillräcklig ekonomi för underhållning och utveckling som GPS har. I Europa arbetas det med att ta fram ett nytt system GALILEO som ska vara ett tillägg till GPS och GLONASS. Det finns även ett antal regionala system i Asien utöver dessa som fungerar i Norden. 2.2 Uppbyggnad av GPS GPS består av tre delar eller segment, rymdsegment (satelliter), kontrollsegment (spårstation, ledningscentral) och användarsegment (GPS-mottagare) Rymdsegment Rymdsegmentet består av 24 satelliter som kretsar runt jorden på ca km höjd. Satelliternas omloppstid runt jorden är 11 timmar 58 minuter. Överallt på jorden syns det alltid minst fyra satelliter vilket är det minsta antalet som krävs för positionering. GPS-satelliten bär en radiosändare/mottagare, noggrann atomklocka, datorer och annan utrustnings som behövs för satellitstyrning. Rymdsegmentet skickar ut bärfrekvenser. På bärsignalerna moduleras digitala strömmar: C/A-kod, P-kod och ett navigeringsmeddelande. C/A-kod och P-kod mäter avståndet mellan mottagare och satelliten. P-kod är mer precis än C/A-koden. Navigeringsmeddelandet innehåller utsänd bandata. Bandata är tabellerad data som används för positionering av satelliter. Mottagarens koordinater kan beräknas med en osäkerhet på ca 1-3 m med hjälp av den utsända bandatan Kontrollsegment För GPS finns det 6 kontrollstationer utplacerade nära ekvatorn. För att varje satellit ska kunna spåras hela tiden är kontrollstationerna utspridda kring jordklotet. Vid kontrollstationerna finns 2

10 de GPS-mottagare med kända koordinater i WGS 84, som är standardreferenssystemet för GPS. Via navigeringsmeddelandet blir skattningen av banparametrar och satellitklockkorrektioner möjligt Användarsegment Alla mottagare som tar emot GPS-signaler utgör kontrollsegmentet. Från alla tillgängliga satelliter tar en GPS-antenn emot signaler, signalen förstärks och konverteras till en lägre frekvens. Signalen blandas sedan med C/A-kod eller P-kod i mottagaren, som möjliggör avläsning av navigationsmeddelandet och för att bestämma avståndet till satelliten. De enklaste GPS mottagarna mäter bara pseudoavstånd med hjälp av C/A-kod och på L1:s bärvåg. Dessa mottagare används för bilnavigering eller i telefoner. De mest avancerade mottagare som används vid noggrannare mätningar utför både kod C/A och P som fasmätning på L1 eller L1 och L Mätmetoder Inom GNSS-mätningar finns det olika sätt att utföra mätningarna på. Mätningarna kan delas in i olika mätmetoder beroende på, hur många mottagare som används, om mottagaren står stilla eller rör sig under mätningen, bearbetningstillfället, vilka GPS-observationer som används eller vilka bärfrekvenser som används vid mätning. Satelliter sänder ut signaler vilka tas emot av en GPS mottagare på jorden som är placerad vid de geografiska objekt man vill positionsbestämma för kartläggningen. Absolutmätning kallas den teknik som gör positionsbestämningar direkt mot satelliter. Noggrannheten i mätningarna kan förbättras genom att man utnyttjar satellitdata från en eller flera s.k. referensstationer. GNSS används för många olika ändamål som, kartläggning, insamling av data, utsättningar av ex. markgränser, maskinstyrning, noggrann positionsbestämning av enstaka punkter vid stommätning, orientering av flygplan m.m Absolut positionsbestämning Denna form av positionsbestämning är den enklaste eftersom det endast krävs en GNSSmottagare för signaler från satelliter. Med hjälp av satellitens absoluta kända koordinater bestäms positionen. För att fastställa en tredimensionell position krävs minst fyra satelliter, ju fler satelliter som används desto större noggrannhet uppnår man. Denna metod används 3

11 generellt för enklare typer av navigering för fordon. För kartläggning är mätosäkerheten alldeles för stor för att användas. Osäkerheten kan ligga på några meter upptill flera tiotals meter beroende på mottagaren Relativ positionsbestämning Där mätkraven liggen på en mätosäkerhet på mm-nivå till cm-nivå som vid kartläggning av vattenledningar eller maskinstyrning är användandet av två stycken mottagare en förutsättning. Man använder sig då av en basstation eller en referensstation som är placerad över en känd punkt, den andra rörliga mottagare kallas rover. De båda mottagarna mäter mot samma satelliter vilket leder till att det skapas differenser mellan mätningarna och på så sätt reducerar större delen av mätosäkerheten som finns vid absolutmätning. Källa: Real Time Kinematic Relativ bärvågsmätning i realtid avses med RTK. En GNSS-mottagare krävs vid RTKmätning. Mottagaren ska klara av bärvågmätning på flera olika frekvenser, den ska även klara någon form av datalänk för överföring av RTK-data mellan mottagaren i realtid, t.ex. ett modem. Med hjälp av två RTK-utrustningar sker den enklaste RTK-mätningen och brukar kallas för enkelstations RTK. En rover placeras över de punkter som man vill positions 4

12 bestämma och en referens station ställs upp på en känd punkt. Rovern kombinerar sina egna GNSS-observationer mot referensstationen, reducerar felkällor och bestämmer sin position. Referensstationen och rovern bör samtidigt observera samma uppsättning av GPS-satelliter för att fungera, samt att referensstationens position och observation i tid till rover klaras av datalänken. I dagsläget är RTK den realtidmetod som har minst mätosäkerhet. Under förutsättningar att mottagaren initieras korrekt är mätosäkerheten en till några cm. Om avståndet ökas mellan referensstationen och rover ökas även osäkerheten och mätningen blir svårare Nätverks-RTK En antal permanenta referensstationer samarbetar vid mätning med nätverks-rtk. Vid mätning med nätverks-rtk minskar felkällor som sikthinder, satellit tillgänglighet och signalkvalitet eftersom referensstationerna arbetar i ett gemensamt nätverk. Mellan de fasta referensstationerna kan avståndet ökas för enkelstations-rtk från 20-30km och för nätverks- RTK till 70 km med bibehållen noggrannheten SWEPOS/FINNREF Det rikstäckande nät som finns i Sverige med referensstationer heter SWEPOS. Genom att köpa tjänsten som ett abonnemang kan man ta del av SWEPOS korrektioner. De som driver och tar han om SWEPOS är Lantmäteriet. I SWEPOS finns de omkring 300 referensstationer som är i drift runt omkring i Sverige. Det finns även referensstationer som är placerade i våra grannländer. Varje år etableras ca stycken nya stationer för att förtäta nätet. Man behöver en GNSS-mottagare med geodetisk två frekvenser och en kommunikations utrustning för att kunna använda SWEPOS tjänst. Mobiltelefonen är ett exempel på en kommunikations utrustning. Absolutpositionen skickas till SWEPOS driftledningscentral i Gävle av användaren med rover-utrustningen. Nätverks-RTK programvaran skapar en virtuell referensstation på den platsen. Från den närmaste SWEPOS-stationen tar programvaran RTKdata och lägger till atmosfäriska korrektioner för roverns position. Den virtuella referensstationen är då skapad. 5

13 FinnRef-nätverket är Finlands motsvarighet till SWEPOS. Under åren har geodatacentralen i Finland förnyat FinnRef-nätverket. Det förnyade nätverket består av 19 GNSS-referensstationer. Bild 3. GNSS-referensstationer i Finland Källa: 6

14 3. FELKÄLLOR Det finns en rad faktorer som påverkar GPS-observationer. Dessa felkällor kan delas in i tre grupper, satellitrelaterade fel, fel som uppstår under signalens passage från satelliten till mottagare och fel relaterade till mottagaren. 3.1 Satellitrelaterade fel Ur observationen är ban- och klockparametrar beräknade med en osäkerhet. Osäkerheten kan ligga på en nivå 1-3m. Vid enkelpunktsbestämning påverkar dessa fel direkt mätosäkerheten men den kan elimineras vid relativ mätning Atmosfärsrelaterade fel och flervägsfel Signaler kan bromsa in eller ändra riktning när de passerar genom atmosfären. Signalerna kan även studsa från reflekterade ytor, byggnader, vattenytor, eller satellitens skrov. Satellitens skrov kallas för flervägsfel, som teoretiskt kan orsaka 70 m fel vid C/A-kodmätning, 7m vid P- kodmätning och 5 cm vid fasmätning. I praktiken så orsakar flervägsfel positionsfel med några meter för navigering och på cm-nivå vid relativ mätning. På SWEPOS hemsida kan man kontrollera den aktuella jonosfärsmonitorn. Jonosfärsmonitorn visar på hur stor jonosfärens påverkan är för GNSS/RTK-mätningar på olika platser i Sverige. Jonosfären är det övre lagret av jordens atmosfär där solens aktivitet ger upphov till laddade partiklar vilket medför att när GNSS-signaler ska passera jonosfären störs de mer eller mindre. 3.3 Mottagarrelaterade fel GPS-antennens elektriska centrum är egentligen den position som bestäms av mottagaren. Variationen mellan olika antenner är stor. För avancerade dyrare antenner ligger variationen på mm-nivå medan de ligger på cm-nivå för enklare antenner. Felen vid kod- och fasmätning kan även förekomma. 7

15 4. MATERIAL 4.1 Instrument Vid kartläggningen användes en GPS från Trimble, Trimble R10 GNSS. Trimble har stöd från 440 kanaler och har två inbyggda chip. Det finns flera uppkopplingsalternativ i Trimbles r10, som via WIFI, mobil 3D uppkoppling, litiumbatteri, en integrerad GNSS-antenn, 4g internminne och en inbyggd 2-wattsradio. Trimble r10 mäter mot GPS, GLONASS och GALILEO. Vid områden nära byggnader eller vid tät skog där satellitmottagningen var dåligt användes totalstation vid kartläggningen. 4.2 Programvara 3D-win är ett finskt programvara inom lantmäteriet. 3D-win används för kartläggning och för planeringsbehov. I 3D-win skrivs de kartlagda filerna om till ett xcity format. Kartläggningen lagras och dokumenteras i programmet xcity NIS och GIS 8

16 5. RESULTAT 5.1 Utförande För kartläggning av ledningar användes en GPS. och totalstation. Lantmäteriverket i Finland tog år 2010 i bruk ETRS89-koordinatsystemet, plankoordinatsystemet ETRS-TM35FIN och ETRS-GKn. ETRS_TM35FIN är en transversal kartprojektion, där TM-projektzon har förlängts för att täcka hela Finland. I kartläggningen av ledningar användes koordinatsystem ETRS-GK23, som är det lokala kartsystemet för Jakobstads område. Som höjdsystem användes N2000. Kartläggningen utfördes med hjälp av nätverks-rtk. För kartframställningen kartläggs punkter efter ledningarna. Punkterna är tagna med ca fem meters mellanrum, där var ledningarna svänger eller bryt är punkter tagna tätare för att får en tydligare bild på hur ledningarna går. Punkterna mäts in i 5s för att få ett medelvärde av mätningen. Innan man mäter in en punkt finns det en del saker att tänka på, olika typer och objekt har olika koder för inmätning, se till att stånghöjden är rätt inlagt i panelen och att libellen är i mitten i vattenpasset. Andra faktorer som har betydelse för positioneringen i mätningar med GPS är FIX-lösningen PDOP måttet. Vid användning av RTK-mätning finns det två precisionsgrader, Fixed RTK och Float RTK. FIX-lösning beräknar positionen med hjälp av en algoritm för att exakt bestämma antalet radiovågor mellan satelliterna och mottagaren. Fixed RTK upprättas då antalet våglängder slutar i ett jämnt antal, vilket resulterar att mottagarens plats är noggrant bestämd. Från signalernas bärvågor mäts avståndet till satelliterna. Mätnoggrannheterna med Fixed är på cm-nivå. Har GPS FLOAT-lösning är inte positionsnoggrannheten bestämd och punkternas position kan kasta med flera metrar eftersom mottagaren inte kan upprätta ett jämnt antal radiovågor. PDOP är ett mått på satellitgeometrins kvalitet och visar på hur placeringen av satelliter påverkar positionen. Orsaker till Float RTK kan beror på för få anslutningar till satelliter eller dålig radiomottagning. Värdet på PDOP talet bör vara så litet som möjligt för att uppnå en så bra satellitgeometri som möjligt. Punkterna lagras med olika punktkoder beroende på vad det är som kartläggs. Kodnumret talat om vad det är för ledning, dimension, material, objekt m.m. 9

17 5.2 Urval för inmätning I dokumentationen av ledningarna ska all information finnas med. I de olika punktkoderna finns informationen med, se bilaga 8. För vattenledningar vill man veta vad om det är avlopps-, regn-, eller vattenledning och om de är en tomtledning eller en huvudledning. Dimensionen på ledningarna och materialet är intressant att få med. Det finns även koder för kartläggningar av ventiler, vattenpumpstationer, skarvar, dimensionsändringar i ledningarna m.m. Vid el- och teleledningar finns punktkoder för skarvar, el- och tele skåp, el- och tele lyckstolpar m.m. Alla ledningar kartläggs med x, y och z. Speciellt vid kartläggning av vattenledningar är noggrannheten på höjden viktig för att få information om åt vilken håll vattnet rinner i ledningarna. Vid utbyggnad och ombyggnad av ledningar är det viktigt att ha information om var befintliga ledningar ligger för att kunna koppla ihop nya eller för att förhindra att man gräver sönder någon ledning. Genom att ha befintliga ledningar dokumenterade utfördes en del kabel och ledningsvisningar med GPS som talar om på vilket djup de finns och hur de går. Kontroller gjordes även under arbetets gång så att ledningarna hamnade rätt, ex höjdavvägningar och koordinatutsättningar för nya brunnar. 5.3 Dokumentering Dokumenteringen av kartläggningen gjordes i Xcity som är en lämplig programvara för kartdokumentation av ledningar. I xcity ritas linjer mellan de inmätta punkterna ihop. Linjerna har olika dimensioner och färger beroende på ledningens egenskaper. Symboler ritas med på kartan som talar om vilka punkter som är ventiler, skarvar, skåp, pumpar, stolpar m.m. Inmätningarna lagras så att de enkelt kan hämtas för kabelvisningar m.m. 10

18 Bild 4. Kartläggning i Tekla GIS 5.4 Mätmetod Några faktorer att ta hänsyn till vid RTK-mätning: - att mottagaren är av tvåfrekvensmottagning - att mätningen läser godkänt FIX-lösning - koordinater i FLOAT bör inte sparas eller användas - om FIX-lösningen inte varit lyckad kan efterkalkylering användas - att ha minst 6-7 satelliter tillgängliga för att få ett tillförlitligt resultat - undvika flervägsreflektion i närheten av byggnader, träd, vatten o.s.v. Mätningar och mätmetodernas noggrannhet kan kontrolleras genom att fixpunkter kan mätas in så att noggrannheten i objekten säkerställs eller genom att testa nätverks-rtk genom att testa GPS mot en känd punkt nära verksamhetsstället före man börjar kartlägga. Med totalstation kan man säkerställa lägesnoggrannheten för att kartlägga nära ex. byggnader. Antingen kan man göra en uppställning mot kända punkter i terrängen, anslutningspunkter, fixpunkter, råmärke m.m. Med hjälp av GPS går det att kartlägga tre punkter runt omkring och göra en friuppställning mot dessa punkter. 11

19 6. DISKUSSION/SLUTSATSER Kartläggning av ledningar och andra objekt säkerställer positionsbestämningar för framtida eventuella utbyggnader och repetitioner. Med hjälp av GNSS teknik är det en enkel metod att genomföra. Toleranserna inom kartläggningen av ledningarna är inte på mm-nivå eftersom den i praktiken inte spelar någon roll om de är 10 cm mer åt höger eller vänster, dock bör höjdkartläggning för vattenledningarna vara noggrannare. Kartläggning med manburen GPS är fortfarande vanligt men i dagsläget börjar man använda sig mer och mer av maskinstyrningar vilket troligen kommer bli allt vanligare. I grävmaskiner som har tillgång till maskinstyrning kan det läggas in modeller över ledningarna och de kan själva kontrollera höjder och kartlägga med skopan. Kartläggningar kan ha stor betydelse för framtida bruk. En del ledningar är planerade för utbyggnad och kan vara svåra att hitta igen om de inte finns dokumenterade någonstans. Kartläggningen är också viktigt för att veta var befintliga ledningar går när man gräver. Fast det är bra att veta var ledningar går, är det många ledningar som grävs ner och inte kartläggs. Dessa ledningar kan finnas dokumenterade på ett ungefär, men i praktiken är de svåra att gräva fram när man inte vet höjd eller position. Med några meter fel i position och utan höjdinformation får man gräva många onödiga gropar för att hitta rätt. 12

20 7. REFERENSER sp.se/sv/index/research/gnss/sidoe/defaukt.aspx SWEPOS.lmv.lm.se grannhet_sv.pdf Bild 1. Illustration absolut positionsbestämning. sid. 176 Bild

21 8. BILAGOR 8.1 Kodtabeller för kartläggning Koder för tele, el och fjärrvärme Puhelinjohto-piste Puhelin-kaappi Antenni-kaappi Liitos tele-kaapelissa Tele-putken pää Tele-kaivo Sähkölinja-piste Sähkö-pylväs (puu) Sähkö-pylväs (rauta) Sähkö-kaappi Seinä-kaappi Liitos sähkö-linjassa Sähkö-putken pää Kaapeli-peitteen leveys Kaukolämpö-signaali kaapeli Kaukolämpö-piste Kaukolämpö-kiintopiste Kaukolämpö-kaivo Kaukolämpö-venttiili Kaukolämpö-paljetasain vesijohdon varusteet Laji: Materiaali: Koko: Muut: Muovi: 01 VVA palovesiasema 1 MUO VPP paloposti 2 PVC VSV sulkuventtiili 3 PEH VIV ilmanpoistoventtili 4 PEL VMK mittarikaivo 5 PEM VTV talosulkuventtiili 6 MM VRV runkoventtiili 7 SG VVP vesiposti 8 TER VKK korjauskappale 9 MUU VXY haara 11 liitos 19 VMV muu varuste 14