Como posso melhorar a precisão da altitude no TwoNav GPS?

Preâmbulo

Desde o início de 2021, a IGN oferece acesso gratuito a alguns de seus dados:

• Os mapas TOP 25 do IGN ainda não são gratuitos, mas a versão do mapa disponível no Géoportail é gratuita.
• Bancos de dados do altímetro IGN 5 x 5 m estão disponíveis gratuitamente. Esses bancos de dados permitem a criação de um modelo digital do terreno, ou seja, um mapa de altura com resolução horizontal de 5 mx 5 m ou 1 mx 1 m com resolução vertical de 1 m, ou uma ótima definição para os usuários que somos.

Este artigo em forma de tutorial é direcionado mais especificamente para usuários do software GPS TwoNav e Land.

Não é possível influenciar os dados de altitude do GPS Garmin neste momento.

O que é um modelo digital de elevação (DTM)

Um modelo de elevação digital (DEM) é uma representação tridimensional da superfície da Terra criada a partir de dados de elevação. A precisão do arquivo de elevação (DEM) depende de:

• A qualidade dos dados de altitude (precisão e meios usados ​​para levantamento),
• Tamanho da célula unitária (pixel),
• Sobre a precisão horizontal da localização dessas grades,
• A precisão da sua geolocalização e, portanto, a qualidade do seu GPS, relógio conectado ou smartphone.

Uma laje ou ladrilho da base de dados IGN Altimetric. Ladrilho de 5 km x 5 km, consistindo de células de 1000 × 1000 ou células de 5 mx 5 m (Floresta Saint Gobain Aisne). Esta tela é projetada no mapa base OSM.

DEM é um arquivo que define o valor da altura de um ponto localizado no centro da grade, com toda a superfície da grade na mesma altura.

Por exemplo, um arquivo de departamento Aisne BD Alti IGN de ​​5 x 5 m (departamento escolhido devido ao seu tamanho grande) tem pouco menos de 400 blocos.

Cada grade é identificada por um conjunto de coordenadas de latitude e longitude.

Quanto menor for o tamanho da grade, mais precisos serão os dados de elevação. Detalhes de elevação menores que o tamanho da malha (resolução) são ignorados.

Quanto menor for o tamanho da malha, maior será a precisão, mas quanto maior será o arquivo, portanto, ocupará mais espaço na memória e será mais difícil de processar, potencialmente tornando mais lentas outras operações de processamento.

O tamanho do arquivo DEM para um departamento é de cerca de 1Mo para 25m x 25m, 120Mo para 5m x 5m.

Os DEMs usados ​​pela maioria dos aplicativos, sites, GPS e smartphones do consumidor são de dados globais gratuitos fornecidos pela NASA.

A ordem de precisão de um DEM da NASA é um tamanho de célula de 60m x 90m e uma altura de passo de 30m. São arquivos brutos, não foram corrigidos e, muitas vezes, os dados são interpolados, a precisão é média, pode haver grandes erros.

Esse é um dos motivos da imprecisão vertical do GPS, que explica a diferença de altitude observada para a pista, dependendo do site em que está hospedada, do GPS ou smartphone que registrou a diferença de altitude.

• O Sonny MNT (veja mais adiante neste guia) está disponível gratuitamente para a Europa com um tamanho de célula de aproximadamente 25m x 30m. Ele usa fontes de dados mais precisas do que o NASA MNT e tem trabalhado para corrigir os principais bugs. É um DEM relativamente preciso, adequado para mountain bike, com bom desempenho em um país europeu.

Na imagem acima, o ladrilho altimétrico (MNT BD Alti IGN 5 x 5) cobrindo os montes de escória (perto de Valenciennes) foi convertido em curvas de nível espaçadas de 2,5 m e sobrepostas no mapa IGN. A imagem permite "convencer" da qualidade deste DEM.

• O IGN DEM 5 x 5 m tem uma resolução horizontal (tamanho da célula) de 5 x 5 m e uma resolução vertical de 1 m. Este DEM fornece a elevação do terreno; a altura dos objetos de infraestrutura (edifícios, pontes, sebes, etc.) não é considerada. Na floresta, esta é a altura da terra ao pé das árvores, a superfície da água é a superfície da costa para todos os reservatórios maiores que um hectare.

Montagem e instalação do DEM

Para se mover mais rápido: Um usuário do GPS TwoNav compilou um modelo digital de terreno cobrindo a França usando dados IGN 5 x 5 m, que podem ser baixados por região no site gratuito: CDEM 5 m (RGEALTI).

Para o usuário, o teste correto para avaliar a confiabilidade do “DEM” é a visualização da superfície do lago em 3D.

Sob o lago das velhas forjas (Ardenas), mostrado em 3D por BD Alti IGN acima e BD Alti Sonny abaixo. Vemos que existe qualidade.

Os mapas de altímetro CDEM fornecidos pela TwoNav como padrão para seu GPS ou software LAND não são muito confiáveis.

Assim, este "tutorial" fornece um guia do usuário para baixar "blocos" de dados de altimetria confiáveis ​​para o software TwoNav GPS e LAND.

Os dados estão disponíveis gratuitamente para:

• Toda a Europa: Sonny Altimetry Database,
• França: base de dados de altimetria IGN.

Você pode criar um arquivo cobrindo o país, departamento ou área geográfica apenas (Laje / telha / Pellet) para economizar memória utilizável ou usar arquivos menores.

Banco de dados de Sonny Altimeters

Os modelos de 1 '' são divididos em blocos de arquivo de 1 ° x1 ° e estão disponíveis no formato SRTM (.hgt) com um tamanho de célula de 22 × 31 m dependendo da latitude, um formato usado mundialmente e em muitos programas. Eles são designados por suas coordenadas, por exemplo N43E004 (43 ° latitude norte, 4 ° longitude leste).

procedimento

1. Conecte-se ao site https://data.opendataportal.at/dataset/dtm-france

2. Baixe os tiles correspondentes ao país ou setor geográfico selecionado.

3. Extraia os arquivos .HGT dos arquivos .ZIP baixados.

4. No LAND, carregue cada arquivo .HGT

5. Em LAND, todos os .hgts desejados estão abertos, feche o resto.

6. Por favor, faça "Combine estes DEMS", o tempo de compilação pode ser longo dependendo do número de tiles a serem coletados (escolha a extensão cdem) para o arquivo .CDEM que pode ser usado no Twonav GPS.

Mapeamento OSM "tiles" e MNT "tiles" em LAND, tudo é portátil para GPS e 100% grátis!

IGN Altimetry Database

Este banco de dados consiste em um diretório por departamento.

procedimento

1. Conecte-se ao site da Geoservices. Se este link não funcionar: seu navegador "não tem acesso a FTP": não entre em pânico! Guia de usuario:
   • Em seu gerenciador de arquivos:
   • clique com o botão direito em "este PC"
   • clique com o botão direito em "adicionar local de rede"
   • Digite o endereço "ftp: // RGE_ALTI_ext: [e-mail]" "sem" ";
   • Nomeie este acesso para identificá-lo ex IGN geoservice
   • Finalize o processo
   • Aguarde alguns minutos para que a lista de arquivos seja atualizada (isso levará alguns minutos)
2. Agora você tem acesso aos dados IGN:
   • Clique com o botão direito no arquivo de dados que deseja copiar.
   • Em seguida, INSERT no diretório de destino
   • O tempo de carregamento pode ser longo!

Esta imagem ilustra a importação do banco de dados de altímetros Vaucluse 5m x 5m Clique com o botão direito do mouse no arquivo, copie para a pasta e aguarde o download.

Após descompactar o arquivo “zipado”, obtém-se uma estrutura em árvore. Os dados correspondem a cerca de 400 arquivos de dados (tiles) 5 km x 5 km ou 1000 × 1000 células 5 m x 5 m em formato .asc (formato de texto) para o departamento.

O disco multi-tiles cobre principalmente a pista de MTB.

Cada célula de 5x5 km é identificada por um conjunto de coordenadas 93 de Lambert.

As coordenadas UTM do canto superior esquerdo deste bloco ou blocos são x = 52 6940 ey = 5494 775:

• 775: classificação da coluna (770, 775, 780, ...) no mapa
• 6940: Posição da linha no mapa

3. Dança TERRA

4. Na próxima etapa, encontre os dados no diretório "data", selecione apenas o primeiro arquivo:

5. Abra e confirme, a janela abaixo será aberta, cuidado, esta é a etapa mais delicada :

Selecione a projeção Lambert-93 e Datum RGF 93 e marque a caixa no canto esquerdo inferior.

Land extrai e formata dados de blocos * .asc, o que pode demorar um pouco.

Depois de criar placas de DEM no formato SRTM (HGT / DEM), existem tantas placas quanto arquivos no formato * .asc.

6. Land permite que você os "combine" em um único arquivo DEM ou por bloco ou grânulo para atender às suas necessidades (lembre-se de que o tamanho do arquivo pode retardar o processamento do GPS)

Para facilidade de uso, é preferível (opcional) cobrir primeiro todos os cartões abertos.

No menu do mapa (veja abaixo) abra todos os arquivos no formato * .hdr (o menos volumoso) do diretório de dados do banco de dados importado (como para as operações anteriores)

Land abre arquivos HDR, departamento DEM é carregado e pode ser usado

7. Aqui você pode usar o Ardennes DEM (mapa de relevo), para torná-lo mais fácil de usar, iremos combiná-los em um arquivo.

Menu da lista:

Combine esses DEMs

Selecione o formato * .cdem e nomeie o arquivo DEM.

A mesclagem levará um pouco de tempo, mais de 21 arquivos precisam ser mesclados. Daí a recomendação de trabalhar com base em grânulos de MNT cobrindo seus parques infantis.

O modelo digital do terreno Ardennes que criamos, basta abrir aquele arquivo de mapa IGN Geoportal conforme mostrado abaixo, por exemplo.

O teste é realizado abrindo diretamente a pista UtagawaVTT “Château de Linchamp” exibida no início com uma diferença de altura de 997m, 981m com Sonny DTM (processo anterior) e 1034m quando Land substitui a altura em cada ponto por uma altura DTM de 5mx5m .

O cálculo da diferença de nível pela soma das curvas de nível no mapa IGN mostra uma diferença de nível de 1070 m, ou seja, uma diferença de 3%, o que é bastante correto.

O valor de 1070 permanece aproximado porque não é trivial calcular curvas em um mapa em relevo.

Usando um arquivo de altimetria

Os arquivos MNT.cdem podem ser usados ​​pelo LAND para extrair elevação, calcular elevação, declive, trilhas de waypoint e muito mais; e para todos os dispositivos GPS TwoNav é suficiente colocar o arquivo no diretório / map e selecioná-lo como map.cdem.

Um artigo de blog sobre altitude imprecisa revela o problema de altimetria e diferença de altitude usando GPS, o princípio pode ser transportado para relógios GPS, bem como aplicativos de smartphone.

Os fabricantes usam vários métodos para “apagar” as imprecisões apresentadas neste artigo, filtrando (média móvel) dados de altitude, usando um sensor barométrico ou modelo digital de terreno.

A altitude do GPS é “ruidosa”, ou seja, flutua em torno de um valor médio, a altitude barométrica depende dos caprichos da pressão barométrica e da temperatura, portanto, os arquivos meteorológicos e DEM podem ser imprecisos.

A hibridização de um barômetro com GPS ou DEM é baseada no seguinte princípio:

• Durante um longo período de tempo, a mudança na altitude barométrica depende das condições meteorológicas (pressão e temperatura),
• Por um longo período de tempo, os erros de altitude do GPS são filtrados,
• Por um longo tempo, os erros DEM são semelhantes ao ruído, então eles são filtrados.

A hibridização consiste em calcular a altitude média do GPS ou DEM e extrair a mudança de altitude a partir dela.

Por exemplo, durante os últimos 30 minutos, a altura do ruído filtrado (GPS ou MNT) aumentou em 100 m; no entanto, no mesmo período, a altitude indicada pelo barômetro aumentou 150 metros.

Logicamente, a mudança na altura deve ser a mesma. O conhecimento das propriedades desses sensores torna possível "reajustar" o barômetro de -50 m.

Normalmente no modo Baro + GPS ou 3D, a altitude do barômetro é corrigida, como um caminhante ou escalador faria manualmente, referindo-se ao mapa IGN.

Especificamente, um GPS recente ou um smartphone recente (boa qualidade) detecta você (FIX) com uma precisão de 3,5 m no plano horizontal 90 vezes em 100 quando as condições de recepção são ideais.

Este “desempenho” horizontal corresponde a um tamanho de malha de 5 mx 5 m ou 25 mx 25 m e o uso desses DTMs permite uma boa precisão vertical.

O DEM mostra a elevação do terreno, por exemplo, se você cruzar o vale do Tarn no viaduto de Millau, a trilha registrada no DEM deve levá-lo ao fundo do vale, mesmo se o caminho permanecer na plataforma do viaduto. ...

Outro exemplo, quando você está praticando mountain bike ou viajando em uma montanha íngreme, a precisão do GPS horizontal se deteriora devido aos efeitos de máscara ou multipercurso; então a altura atribuída a FIX corresponderá à altura de uma laje adjacente ou mais distante, portanto, ao topo ou à base do vale.

No caso de um arquivo formado por grades de grande superfície, a altura tenderá para a média entre o fundo do vale e o topo!

Para esses dois exemplos extremos, mas típicos, a diferença cumulativa na altura se desviará gradualmente do valor real.

Recomendações para uso

Para evitar efeitos colaterais:

• Calibre o barômetro GPS na altitude do seu ponto de partida pouco antes da partida (recomendado por todos os fabricantes de GPS),
• deixe seu GPS fazer algumas CORREÇÕES antes de iniciar o rastreamento para que a precisão de posicionamento corresponda,
• selecione a hibridização: cálculo da altitude = Barômetro + GPS ou Barômetro + 3D.

Se a elevação da sua pista foi sincronizada com o DEM, você terá cálculos de elevação e inclinação muito precisos, como na imagem abaixo, onde a diferença é de apenas 1 metro.

• GPS Trail 2 (captura de imagem degradada de 72 dpi, tela GPS de 200 dpi)
• Raster de sobreposição e mapa vetorial OSM
• Escala 1: 10
• O sombreamento CDEM 5mx5m BD Alti IGN enfatiza a altura em incrementos de 1m.

A imagem abaixo compara o perfil de duas pistas idênticas de 30km (da mesma fama), a altura de uma foi sincronizada com IGN DEM e a outra com Sonny DEM, um percurso executado em baro + modo híbrido 3d.

• Altitude no mapa IGN: 275 m.
• Altitude calculada com GPS no modo Hybrid Baro + 3D: 295 m (+ 7%)
• Altitude calculada com GPS no modo Hybrid Baro + GPS: 297 m (+ 8%).
• Subida sincronizada no IGN MNT: 271 m (-1,4%)
• Subida sincronizada em Sonny MNT: 255 m (-7%)

"Verdade" provavelmente está fora de 275m IGN devido à configuração da curva.

Exemplo de calibração automática (compensação) do altímetro barométrico GPS durante a rota mostrada acima (Arquivo de registro original do GPS):

• Sem acumulação vertical para calcular a diferença de altura: 5 m, (a parametrização é idêntica às curvas do mapa IGN),
• Altitude durante a calibração / redefinição:
  • GPS 113.7 m,
  • Altímetro barométrico 115.0 m,
  • Altura MNT 110.2 m (Carte IGN 110 m),
• Iteração (período de liquidação): 30 minutos
• Correção barométrica para os próximos 30 minutos: – 0.001297