Моделювання зони покриття ретранслятора за допомогою цифрової моделі висот
Кожен радіолюбитель знає, що хвилі VHF/UHF зазвичай розповсюджуються по прямій, тому для надійного зв’язку з ретранслятором бажано мати пряму видимість на антену передавача. То на який пагорб буде краще видратися, щоб добити до репітера в сусідньому місті з баофенга з резинкою? Або протилежне питання — яке місце краще вибрати для встановлення ретранслятора, щоб була оптимальна зона покриття? На допомогу приходять геоінформаційні системи — програмні продукти, що дозволяють проводити географічний аналіз і представлення інформації. В даній статті я спробую продемонструвати, як можна згенерувати карту покриття радіопередавача за допомогою безкоштовного програмного комплексу QGIS.
Digital Elevation model (DEM): Цифрова модель висотДоки в нас качається і інсталюється QGIS, треба забезпечити наші майбутні розрахунки вхідними даними. В першу чергу нам, звичайно, потрібна місцева карта висот. Точніше, цифрова модель висот, в якій висота кожної точки на карті закодована кольором/відтінком, на відміну від топографічних карт, де висоти вказані за допомогою горизонталей. Таку модель можна отримати з різних джерел, з різною точність, безкоштовно і платно. Для початку пошукаємо у відкритих джерелах, наприклад, на OpenTopography. Тиснемо SELECT A REGION на карті, і обводимо регіон, яких нас цікавить. Дуже багато одразу не беремо, довго качатиметься, оброблятиметься, і місця займатиме. Нижче карти сайт нам виплюне датасети, на яких присутній наш регіон. Вибираємо більш цікавий. Я брав Copernicus Global Digital Elevation Model, точність 30м. Він більш-менш свіжий, а точність більше 30 у відкритих джерелах я не знайшов. Вибираємо, вказуємо, що нам треба формат GeoTIFF, відмічаємо прапорцями, які дані нам треба. Для самого аналізу нам треба лише Digital Surface Model (DSM), але поки ми тут, можемо ще завантажити щось для візуалізації, якщо в майбутньому захочемо відрендерити красиву карту. Вказуємо назву для нашого датасету, опис, свій e-mail, і тиснемо Submit. Через деякий час сервер підготує наш датасет, і пришле на пошту посилання для його завантаження. Я для прикладу завантажив DEM для шматочка рідної Чернігівщини.
QGIS встановився? Саме час. Відкриваємо програму, створюємо новий проект… Стоп. Тут не все так просто. Головне в картографії — це вибрати правильну систему координат. Земля ж у нас геоїд, а карти плоскі. Система координат — це якраз математичний спосіб натягування сови на глобус глобуса на площину. Більшість датасетів і карт, якими ми звикли користуватись, спроектовані в градусах. Градуси, мінути, секунди… як вчили на географії. Але програма моделювання в градуси не вміє, їй треба метрична проекція. Датасет, що ми завантажили, перед моделюванням треба підготовити, перепроектувати. Тож, створюємо новий проект, розпаковуємо архіви з датасетом, і мишкою тягнемо файл DEM з файлового менеджера у вікно QGIS з шарами.
Ось сюди:
Натиснувши правою кнопкою на шар, можна відкрити властивости, і на вкладці Інформація почитати інформацію про шар, наприклад, дізнатися, в якій системі координат він зроблений. В нашому випадку там EPSG:4326 - WGS 84. WGS 84 - найбільш широко використовувана в географії глобальна система координат. Всю Землю охоплює. Вона звична, градусна. Нам не годиться. Нам кращою буде метрична система UTM. Більшу частину України перекриває зона UTM 36N. Будемо перетворювати DEM.
Вибираємо шар DEM, йдемо в головному меню Растр - Проєкції - Викривлення (перепроекціювання). У вікні, що відкрилось, перевіряємо, що вихідний шар - то наша DEM. Початкову систему координат можна залишити порожньою, QGIS вже знає ії з властивостей шару. Цільову СК вказуємо WGS 84 / UTM zone 36N. В списку її спочатку не буде, тому натискаємо на кнопочку селектора справа від випадаючого списку, там вибираємо Попередньо визначена СК, і скористаємося пошуком. Вибравши WGS 84 / UTM zone 36N, повертаємось назад (стрілка зліва вгорі вікна), задаємо Значення nodata для вихідних каналів -9999. Це досить важливо, дозволить відкинути фантомні дані, які з’являться при викривленні проекції. Роздільну здатність ставимо таку ж, як в нашій вихідній DEM — 30м, більше намає сенсу.
Прокручуємо вікно вниз, в рядку, що називається Перепроекційований, вибираємо, куди зберегти результат конвертації. Можемо одразу вибрати Зберегти у файл, щоб більше до процесу конвертації не повертатись, якщо нам потрібно буде повторити моделювання. Зберігаємо знову ж у формат GeoTIF, він має бути вибраний за замовчуванням. Все, запускаємо конвертацію, чекаємо. В головному вікні програми у вікні шарів має з’явитися результат конвертації у вигляді нового шару. Неконвертований шар на цьому етапі вже можна видалити.
Тепер нам необхідно підготувати другу частину нашого датасету — набір місць розміщення передавачів. В нашому найпростішому випадку — одного передавача. Зробити це можна різними способами — злити з GPS навігатора, задати у Shapefile, імпортувати з файлу CSV, тощо. Я скористався службою Google Earth. Відкривши сайт, можна поставити мітку на карту, а потім зберегти її у файл KML і завантажити його на свій комп’ютер.
Далі, перетягнемо завантажений KML до списку шарів QGIS. Згенерований нами KML теж був в системі координат WGS 84, тому його теж необхідно перепроектувати. Цього разу ми маємо справу не з растровими, а з векторними даними, тому вибравши шар з точками, йдемо в головному меню Вектор — Управління даними — змінити проекцію шару, вибираємо шар, цільову СК WGS 84 / UTM zone 36N(ми вже з нею працювали, тому вона вже має бути в випадаючому списку), вказуємо, яким чином зберегти результат. Можна у файл, а можна й у тимчасовий шар, тепер це не так важливо, бо скоріш за все ці дані ми використаємо всього раз. Конвертуємо, і видаляємо старий неконвертований шар.
Для безпосередньої побудови карти видимості потрібно встановити на QGIS плагін Visibility analysis. Це робиться в три кліки у внутрішньому менеджері плагінів. Плагіни — Управління та встановлення плагінів, вводимо Visibility analysis в пошук, натискаємо кнопку Встановити плагін. Далі вибираємо в головному меню Обробка даних — Панель інструментів. Справа з’явиться панель, десь внизу якої буде наш Visibility Analysis.
Спочатку треба перетворити нашу точку спостереження на допустимі вхідні дані для алгоритму. Вибираємо Create viewpoints
Вказуємо Observer location(s) шар з розташуванням передавача минулого кроку, вибираємо Digital elevation model вказуємо Radius of analysis в метрах, Observer Height - висоту антени передавача (відносно рельєфу), Target height — висоту приймальної антени. Як і в минулі рази, вкажемо, як зберігати результуючий шар — у файл, чи тимчасово. Виконуємо, приховуємо чи видаляємо вихідний шар, бо в нас вже є новий.
Залишилось, нарешті, побудувати поле зору — те, заради чого це все починалось. Клікаємо Visibility Analysis — Аналіз — Viewshed. Observer location(s) — вибираємо шар, який ми отримали на попередньому кроці. Знову вказуємо Digital elevation model, ставимо прапорець Take in account Earth curvature, якщо хочемо мати поправку на кривизну Землі. Вибираємо Output file, бо те, що ми зараз отримаємо, нам дуже треба. Запускаємо. Чекаємо, бо в залежності від розмірів наших вхідних даних, це може зайняти деякий час.
Ось і наш результат. Якщо зона покриття вийшла у вигляді еліпса — це тому, что у нас стоїть неправильна система координат всього проекту. в правому нижньому кутку головного вікна програми треба вибрати WGS 84 / UTM zone 36N
Ось, в принципі, і все з розрахунками. Ми отримали наш оверлей, де білі точки — місця, де наш передавач видно, а чорні — де не видно. Але поки що все виглядає не красиво, непрозорий круг з білими розводами, система координат нетипова…
Представлення данихДля початку, конвертуємо оверлей назад в систему координат EPSG:4326 - WGS 84. Все, як в пункті 2, але в зворотньому порядку: як цільову СК вибираємо EPSG:4326 - WGS 84 або EPSG:3857 - WGS 84 / Pseudo-Mercator, якщо хочемо надалі накладати цей оверлей на карти Google Maps. Зберігаємо сконвертований шар як окремий GeoTIFF на диск, і тепер краще буде в QGIS створити новий проект. Шарів Google maps за замовчанням в QGIS немає, але іх не важко додати. Наприклад, додамо Google Terrain: в браузері (над панеллю з шарами) знаходимо XYZ tiles, клікаємо правою кнопкою, Створити з'єднання. Прописуємо назву, а в якості URL макрос https://mt1.google.com/vt/lyrs=p&x={x}&y={y}&z={z}. Ще ставимо Максимальний рівень масштабування 19. Все, решту не міняємо.
Повний список адрес Google Maps:
Google Maps: https://mt1.google.com/vt/lyrs=r&x={x}&y={y}&z={z}
Google Satellite: http://www.google.cn/maps/vt?lyrs=s@189&gl=cn&x={x}&y={y}&z={z}
Google Satellite Hybrid: https://mt1.google.com/vt/lyrs=y&x={x}&y={y}&z={z}
Google Terrain: https://mt1.google.com/vt/lyrs=p&x={x}&y={y}&z={z}
Google Roads: https://mt1.google.com/vt/lyrs=h&x={x}&y={y}&z={z}Тож, перетягуємо до шарів потрібну базову карту, у нашому випадку Google Terrain. Далі перетягуємо туди файл оверлея, який ми отримали після конвертації систем координат. Правою кнопкою на шарі оверлея, Властивості — Символіка І починаємо гратися, поки буде красиво. Можна просто поміняти тип змішування в підпункті Рендерінг шарів, і потягати повзунки яскравості, гамми, контрастності і насиченості. Але я б поміняв тип візуалізації на Одноканальний псевдоколір, і зробив якось так, як на картинці.
Набагато краще. Тепер можна вибрати потрібні шари, і через меню Проект — Імпорт/Експорт експортувати різні представлення нашої карти в картинки і показувати друзям-аматорам. Пiшить. Покажемо.
