Разработка и исследование методики сбора геоданных на основе технологий радиочастотной идентификации при их оперативном обновлении в ГИС

Диссертация состоит из Введения, трёх разделов, Заключения, списка
терминов, списка литературы.
Первый раздел содержит описание радиотехнологий передачи и
хранения данных, их стандарты (RFID, NFC, Bluetooth, Bluetooth beacons,
ZigBee, Wi-Fi, WRAN, WiMAX).
Второй раздел содержит описание разработанной методики сбора
геоданных с помощью радиотехнологий: требования к радиоинфраструктуре,
количеству памяти, к безопасности данных, сроку службы и расстоянию до
считывателя радиометки, к считывателю данных; описание самой методики;
количественные и качественные критерии для выбора радиометки.
Методика сбора данных для ГИС
Подрадиометкой(радиомаячок,маячок)подразумевается
радиотехническое устройство, обладающее памятью и возможностью
считывания и записи на нём данных, в том числе и геоданных, и передачи
этих данных по радиоканалам вне зависимости от своего расположения и
назначения. В настоящее время существует ряд технологий передачи данных
по радиоканалам: RFID, NFC, Bluetooth LE маячки, ZigBee, Wi-Fi, WRAN,
WiMAX и др. Имеется достаточно большое число методик и способов по
использованию радиометок при сборе различного рода данных. Их анализ
для решения отдельных геодезических задач приведен в работах автора. На
основе этого анализа предлагается обобщенная методика по сбору
геопространственных данных на местности с применением радиометок,
включающая следующие технологические этапы (рисунок 1):
1) Запись геоданных. В случае геодезического репера (марки),
координаты которого известны и требуется привязка метки этому реперу.
Координатырепераиегометаданныезаранеенепосредственно
записываются на радиометку или после их определения в поле и установки
радиометки на репер. Или координаты и метаданные хранятся в базе данных
ГИС (или облачного сервиса), куда вносится уникальный номер радиометки,
соответствующей заданным координатам (реперу). При необходимости,
метка шифруется паролем, делается доступной только для чтения.
2) Крепление радиометки. К реперу или в заданное место крепится
радиометка любым предусмотреннымспособом или устанавливается
готовый репер с радиометкой с выполненным этапом 1.
3) Чтение геоданных с радиометки. При помещении считывателя в
поле доступности радиометки (дальность считывания), номер метки и все
данные с неё (вариант: координаты, метаданные, показания датчиков)
передаются по радиоканалу на считыватель. Эта операция может требовать
передачи пароля, установленного на метке. Передача закрытых данных
должна осуществляться при зашифрованном соединении, а данные на метке
должны быть защищены от несанкционированного чтения и изменения.
4) Передача данных в ГИС. Данные со считывателя (либо
считыватель смартфон – и есть компьютер с ГИС) передаются по сети на
компьютер любым удобным способом, и вносятся в базу данных ГИС или
облачный сервис. В случае сети ZigBee или похожей, считывателем
выступают промежуточные устройства – роутеры, координаторы, которые
считывают данные с радиометок, находясь стационарно в определенных
местах, и передают их через локальную или глобальную сеть в ГИС или
геосервис.
В случае работы с радиометкой при её попадании в зону действия
считывателя, номер метки определяется, локализуется её примерное
местоположение по силе сигнала, считываются записанные на метку
координаты и метаданные, что не требует специальных запросов в разные
организации при наличии у пользователя соответствующего ключа к
расшифровке данных.
Поиск объекта, идентифицированного радиометкой, значительно
облегчается при использовании ГИС или ГИС-навигатора, в которые
загружаются изображения идентифицируемого объекта вместе с картой
участка местности, где расположен объект (компьютерный абрис). Это
позволяет оператору рассматривать цифровую модель местности (ЦММ) под
разными ракурсами.
Геоинформационная система

Загрузка данных

Компьютерная сеть (GSM, Wi-Fi,
Ethernet) или облачный геосервис

Передача данных по сети

Считыватель (опционально – с навигационным
спутниковым приёмником) считывает и записывает
данные с/на радиометку

Запись/чтение
Сеть ZigBee, Wi-
координат и
Fi, WRAN,
метаданных на
WiMAX и др.
радиометку

BLE маячок с URL
на геосервис
Радиометка нарадиометка с
репередатчиком
деформации
Радиометка с
Радиометка сгеоданными и
геоданными иметаданнымиКомбинированн
метаданными наобъектаое устройство
снаружи илинедвижимости(БПЛА, робот)
внутриЕГКН
сооружения

Рис. 1. Модель методики сбора данных «радиометка – ГИС».
Разработка интегрального критерия для выбора радиометки
Исходя из разработанных требований к радиометке (см п.2.1
диссертации), можно аналитически определить свойства и количественные
критерии эффективности для выбора радиометки. Скорость передачи
данных, количество участников сети, рабочая частота не являются
критичными в общих требованиях к метке.
В качестве основных свойств эффективности радиометки примем
следующие:
1. объём памяти для записи (бит, байт), – её должно быть
достаточно для записи всех необходимых данных в зависимости
от цели применения;
2. возможность шифрования данных (да/нет, 1/0).
3. дальность считывания, (м) – расстояние, с которого можно
уверенно получить данные с метки и записать их;
4. срок работы метки (недели, месяцы, годы) – приблизительное
время работы метки (возможность считывать данные) до её
замены или замены элемента питания. Срок работы связан с
энергопотреблением устройства (Вт) и ёмкостью источника
питания (А*ч);
5. мобильность – возможность автономной работы метки (да/нет),
её размеры (мм);
6. стоимость радиометки, руб.
Перечисленные основные свойства являются сложными, составными из
количественных и качественных характеристик самой метки и связанных
устройств.
Относительно простыми одноразмерными свойствами являются все
свойства, кроме шифрования и мобильности. Поэтому они могут быть
описаны с помощью безразмерного критерия:
п − ф
=,(1)
п + ф
где kп и kф – пороговый и фактический параметры выбранного свойства
соответственно, характеризующие рассматриваемое свойство таким образом,
чтобы kп > kф.
Критерий эффективности αi может принимать любое значение от 0 до
1, и чем больше его значение, тем лучше соответствие заданному свойству.
Возможность шифрования выражается как 1 – данные и их передача
шифруются, 0 – данные открыты. Обозначим этот критерий δ (0;1).
Свойство мобильности несёт в себе две размерности – одна логическая
(возможность автономной работы – да/нет), вторая – линейная размерность
или площадь, в мм, или мм2. Поэтому для одной характеристики, – размера,
можно применить критерий α5 из (1), а второй критерий (автономность)
обозначим γ (0 или 1). Таким образом, критерий оценки эффективности β
будет складываться из двух критериев:
= 5 × ,(2)
где α5 – критерий размера метки, γ – критерий автономности (0 или 1).
При невыполнении одного из них, эффективность нулевая. Например,
при невозможности автономной работы, метка становится не мобильной, а
стационарной, тогда её размеры уже не особо важны.
Исходя из введённых критериев эффективности отдельных свойств
метки, можно определить общую эффективность метки в целом по
интегральному критерию:
5
= 1 1 × 2 2 × 33 × 44 × 5× 6 6 ,(3)
где P1-P6 – весовые коэффициенты, характеризующие влияние
соответствующих свойств в пределах (0,1). Они определяются как отношение
веса каждого критерия к максимальному весу всех свойств метки.
Третий раздел содержит описание экспериментов в рамках применения
разработанной методики: эксперимент по интеграции данных с метки NFC в
QGIS; эксперимент по навигации внутри и снаружи здания с помощью
технологии BLE маячков и ГИС; эксперимент по применению методики для
идентификации опознака при привязке снимка в ГИС; исследование и
перспективы разработанной методики.
Примеры интеграции радиотехнологий в ГИС
Приведены несколько экспериментальных примеров практического
применения разработанной методики сбора данных.
Пример использования технологии NFC для хранения геоданных и их
передачи в ГИС. Здесь и далее ГИС подразумевается в узком смысле как
программное обеспечение и периферийное оборудование.
Пример состоит из демонстрации возможности записи и чтения данных
метки NFC для последующей их передачи в ГИС и наоборот.
В данном примере использовались NFC метка компании NXP
Semiconductors (Германия) типа NTAG 216 (рисунок 2), программы NFC
TagInfo, NXP TagWriter на смартфоне под управлением ОС Android 7.0.

Рис.2. Метка NFC NTAG 216.
Технология NFC работает с близким радиусом действия и малым
количеством памяти, поэтому примером может быть запись координат
объекта, на который крепится NFC-метка и его ограниченные метаданные.
Эти геоданные хранятся на самой метке и могут быть переданы в
геоинформационную систему для дальнейшей обработки и отображения.
В качестве источника геоданных использовался тип веб-ГИС Портал
открытых данных правительства Москвы https://data.mos.ru. Из него была
взята одна строка данных реестра объектов, возводимых в рамках 214-ФЗ,
т.е. один точечный объект строительства с его местоположением и
метаданными.
Затем эти данные были экспортированы в формате .csv в QGIS (рис.
3,4)
Рис.3. Экспорт данных с Портала открытых данных.

Рис.4. Данные с Портала открытых данных в QGIS
QGIS позволяет редактировать данные объекта формата CSV, а затем
экспортировать их в нужном формате.
Далее точечный объект был записан на NFC метку с помощью
смартфона. В настоящее время существует два пути записи: запись вручную
через соответствующую программу (использовалась TagWriter) и запись из
файла в формате CSV, понятном для этой программы. Трудность в том, что
экспортированный с Портала открытых данных файл CSV по структуре
отличается как от экспортируемого из QGIS, так и читаемого программой
TagWriter. Поэтому при небольшом объёме данных проще записать их
вручную. Дополнительное удобство в том, что наглядно видно размер
помещаемых данных.
На рисунке 5 представлен процесс записи данных на метку с помощью
TagWriter.

Рис.5. Процесс записи данных на NFC метку программой TagWriter.
Программа позволяет установить счётчик обращений на метку,
защитить данные на метке этого типа (NTAG) паролем 32 бит (4 символа),
который не позволит удалить, перезаписать или форматировать данные на
метке, но не защитит их от чтения (режим Password protection).
После записи метка читается в этой же программе (рис.6). При нажатии
на строчку с координатами загружается выбранная программа или сервис с
картами, в которой показано местоположение по прочитанным координатам
(рис. 7).

Рис.6. Окно программы TagWriter после чтения NFC метки.
Рис.7. Объект в картографическом сервисе 2GIS после чтения
координат метки.
В итоге, на метку уместились все необходимые геоданные и
метаданные точечного объекта. Задача записи геоданных и их метаданных на
метку NFC выполнена.
Не существует стандартизированного формата записи координат на
NFC метку. Есть три способа их записи:
 специальные схемы URI (например, Geo:, поддерживается Android);
 ссылки на облачный картографический сервис или клиент;
 сценарий (скрипт) переадресации, зависящий от операционной
системы.
Ни один из распространенных форматов записи геоданных не
позволяет внести на NFC метку высоту, полигональный или линейный
объект, чтобы они таким же образом читались в картографических сервисах.
Однако высоту можно записать отдельно в блок открытого текста, используя
существующиепрограммы.Вообщетэгgeo:позволяетзаписывать
необязательный параметр высота в метрах, как и все координаты, по
умолчанию в непроецированной СК WGS-84.
Обратная задача – сбор данных с метки NFC и её передача в ГИС, не
имея готового автоматизированного решения, кроме упомянутого мобильно-
навигационного,решаетсячастично.Т.е.еслисчитатьГИС
картографический сервис, доступный со смартфона, то задача отображения
местоположения объекта выполняется автоматически, но метаданные не
переносятся, а берутся и зависят от картографического сервиса или
программы. В данном случае можно экспортировать из программы NXP
TagWriter наборы данных. Все данные, которые хранились на метке,
записываются автоматически в эти наборы и хранятся на мобильном
устройстве.
Вычислен интегральный мультипликативный критерий эффективности
радиометки Q для данного примера по формуле (3). Так как цель примера –
демонстрация возможности записи и чтения данных метки NFC для
последующейихпередачивГИС,тобудутвостребованывсе
количественные критерии эффективности метки. Учитывая технические
характеристики и общие условия применения NFC-метки, вычисляем
интегральныймультипликативныйкритерийеёэффективностис
распределенными единичными весами, т.к. у нас не заданы конкретные
условия:
1 = 0,011411 × 121 × 0,333313 × 0,666714 × 15 × 0,333316 = 0,00084
Т.к. в данном критерии 1 значит идеально подходит, а 0 – не подходит
под заданные условия, а веса назначаются экспертной оценкой, то приходим
к выводу о потенциальной возможности интеграции данных с NFC меток в
ГИС, для чего требуется дополнительная доработка программ, участвующих
в интеграции.
Для записи данных на метку NFC также требуется доработка программ,
если требуется записать большой объем данных, иначе можно обойтись
ручным вводом и существующим ПО.
Пример применения методики для идентификации опознака при
привязке изображения в ГИС
При привязке изображений в ГИС часто возникает проблема поиска и
уверенного распознавания естественных или искусственных опознаков на
самом изображении. При близком расположении однородных по текстуре
объектов изображения довольно трудно точно определить к какому из них
относится опознак с известными координатами. Предлагается использовать
разработанную методику для увеличения надежности и быстродействия
идентификации опознавательных знаков на изображении с помощью
радиомаячков, помещаемых на или вблизи опознака для идентификации и
определения приближенного местоположения опознака на изображении.
Координаты радиомаячка определяются с помощью считывателя
(смартфон, БПЛА), обладающего возможностью точной собственной
привязки. Точность должна быть не меньше, чем размер опознака и
расстояние между ними. На этом же этапе происходит определение точных
координат опознаков с помощью геодезических съемок.
При чтении радиометки считывается её уникальный идентификатор,
вычисляются или считываются ее геодезические координаты, а также
определяется положение в плоскости формируемого изображения в местной
системе координат снимка. Указанные данные позволяют вычислить зону
поиска для фотоизображения идентифицируемого объекта местности. Чем
точнее данные о положении радиомаячка, тем значительнее сокращается
зона поиска изображаемого объекта или опорной точки на снимке.
Применение методики даёт два преимущества:
1) Повышаетсянадежностьидентификацииопознакана
изображении для его последующей точной привязки. Считая, что
всеопознакинаизображениивзаданнойплощади
равновероятны, мы получаем увеличение надежности в N раз
(для трансформированных снимков), где N – количество
идентифицируемых опознаков, снабженных радиомаячками.
2) Повышается скорость опознавания опознавательных знаков на
изображении при использовании корреляционной функции со
сдвиговым алгоритмом, благодаря уменьшению области поиска
опознака на снимке.
ИзображениеместностиSпоследовательноразбиваетсяна
произвольные одинаковые зоны с перекрытием. Далее вычисляется
коэффициент корреляции координат радиомаячка для каждой такой зоны и
при его максимальном значении делается вывод о наличии опознака в центре
данной зоны.
Дляпроверкипредложенногоспособаидентификации
фотоизображений заданных объектов местности был проведен эксперимент с
применением БПЛА.
На местности в качестве опознаков были взяты три внутренних угла
цветной рамки с регулярной изобразительной структурой. Координаты двух
углов рамки были измерены GPS-приёмником с точностью около 1 см.
Фотосъемка местности производилась с БПЛА DJI Mavic PRO с высоты 30
метров, продольное/поперечное перекрытие = 85%. Радиомаячки были
установлены вблизи опознаков в пределах 20 см. Координаты радиомаячков
получены через смартфон с использованием программного обеспечения
Bluetooth LE Tool ввиду отсутствия аналогичного ПО для БПЛА. Съемочные
материалы были загружены в программный пакет Agisoft Photoscan и
обработаны.
В результате эксперимента были получены следующие результаты.
Среднее расхождение положения проекции естественного опознака и его
координат, полученных посредством радиомаячка, составляет 1,43 метра.
Ориентировочный расчёт показывает, что область поиска на снимке будет
порядка 0,6 мм в диаметре в масштабе снимка (1:6343). При расстоянии
между опознаками порядка десятков метров, точность определения зоны
нахождения опознака вполне достаточна для его уверенной идентификации.
Эксперимент показал возможность применения разработанной методики
оперативного обновления геоданных в ГИС и её практическую полезность на
примере идентификации опознаков при точной привязке снимков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги диссертационного исследования следующие.
 Исследованы возможности радиотехнологий хранения и передачи
данных (RFID, NFC, Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, WRAN, WiMAX, BLE
beacons) для применения их в оперативном обновлении ГИС.
 Разработаны требования к радиоинфраструктуре.
 Разработаны количественные критерии для выбора радиометки.
 Разработана и исследована методика сбора данных для ГИС с помощью
современных радиотехнологий хранения и передачи данных, включая
те, которые ранее в отрасли не применялись.
Экспериментально были доказаны:
1. Эффективность и полезность методики сбора геоданных с помощью
радиотехнологий в её применении для ускорения идентификации
однородных опознаков на привязываемом снимке.
2. Применимость методики и радиотехнологий для целей внутренней и
наружной навигации и обновления геоданных.
3. Применимость разработанной методики сбора и обновления геоданных
с помощью радиотехнологий в ГИС на примере технологии NFC и
QGIS.
Рекомендуется использовать радиометку в оперативном обновлении
данных ГИС следующими способами:
1. В репере или марке с возможностями:
 записи на одноразовую радиометку (марку) параметров (номер, год
изготовления, дата определения координат, координаты и метаданные;
 обнаружения примерного местоположения геодезического репера (марки,
пункта, опознака) и считать с него данные без визуального контакта на
расстоянии до 6 м (для пассивной метки) и порядка 100 м для активной и
полуактивной меток (соблюдая условия радиовидимости) по силе
радиосигнала (RSSI), времени прохождения сигнала, его вектору или
комбинированными способами;
 исключенияповторныхгеодезическихизмеренийприпрямом
переиспользовании записанных координат с метки;
 шифрования данных с координатами для прочтения меток только
специализированным оборудованием в целях соблюдения требуемой
секретности;
 измерения расстояния до метки, а также её координаты(при
необходимости) соответствующим радиооборудованием, с точностью до
10 см, а с развитием технологий – точнее, что соответствует
максимальной точности определения плановых, а тем более высотных
координат с помощью GPS и ГЛОНАСС.
2. С помощью технологий позиционирования в реальном времени RTLS
возможно определять местные координаты меток (до 1 см) или
пользователя внутри зданий и сооружений, – в местах, недоступных для
прямого наблюдения с помощью спутниковой навигации.
3. Дляоперативногообновленияилиотображенияметаданныхна
кадастровой карте. Радиометка как приложение к паспорту участка в
ЕГКН. Владельцу выдается метка с данными участка (владелец, площадь,
год выдачи, номер участка), которая может быть прикреплена с внешней
стороны забора (как почтовый ящик) и которую можно прочитать при
необходимости.
4. Для оперативного обновления данных в ГИС в реальном времени с
помощью сетей активных меток (Eddystone, ZigBee, Wi-Fi, WiMAX и др.)
в различных сочетаниях, либо в постобработке, путём ручного сбора
данных с пассивных меток, либо меток, не имеющих доступа в интернет.
Такие сети можно использовать для мониторинга схода лавин, оползней и
других потенциально подвижных областей, где требуется постоянное
обновление геоданных на некоторой небольшой площади.
Перспективы применения методики. Применение различных RFID-
технологий с ГИС-технологиями выведет часть геодезической отрасли на
новый технологический уровень, что позволит быстрее собирать различные
виды данных, в том числе пространственные, а также облегчит процесс
принятия решений, использующий такие данные.

Дальнейшая разработка темы диссертации имеет широкие перспективы в
применении к различным отраслям народного хозяйства, где требуется
оперативное обновление данных и геоданных точечно или на некоторой
площади. При современном развитии информационно-коммуникационных
технологий очевидна возможность масштабирования применяемой методики
и связанных с ней технологий, которое ограничено только технологиями
связи. Также требуется расширение экспериментального апробирования и
исследования применения методики в описанных ранее случаях её
применения.