Avainsana-arkisto: GPS

Korkeusjärjestelmän modernisointi

New York Timesissa (maksumuuri) on ilmestynyt harvinaisen havainnollinen artikkeli maan käynnissä olevassa korkeusjärjestelmän uudistamisesta. Jo toista vuosikymmentä käynnissä oleva uudistus valmistuu 2022-23 ja sen tuloksena korkeudet tulevat muuttumaan kuvan kartan havainnollistamalla tavalla.

Kuvasta huomaa helposti, että vanha korkeusjärjestelmä on kallellaan itä-länsisuunnassa ja maan länsiosa ”vajoaa” uudistuksen myötä. Vuorten korkeuksien muuttuminen aiheuttaa siis lännessä mielipahaa, mutta isompi käytännön muutos on esimerkiksi kiinteistöjen mahdollinen siirtyminen tulva-alueiksi määritetyille korkeuksille. Siitä seuraa myös käytännön kustannuksia kiinteistöjen omistajille tulvavakuutusten takia.

Muutoin korkeusjärjestelmän ajantasaistaminen on vain hyödyksi monille aloille. Se mahdollistaa esimerkiksi paremmin autonomisen liikenteen kehittämisen, sillä rajavyöhykkeet maa- ja ilmavyöhykkeiden välillä tarkentuvat. Ja tietysti tarkemman reaaliaikaisen sijainnin mittauksen. Navigointi 3D-tilassa kasvaa joka tapauksessa tulevaisuudessa on siellä mukana ihmiskuskia tai ei. Rakentamisen aloilla nähdään tyypillisesti siirtymäkausi, jolloin tehdään virheitä vanhan ja uuden korkeusjärjestelmän käytössä, mutta muutaman vuoden kuluttua tilanne tasaantuu.

Kansainvälisten ja kansallisten vertausjärjestelmien muutokset ovat monille ihmisille taustalla tapahtuvia, merkityksettömiä tapahtumia, joiden hinta herättää ihmetystä. Maapallomme on dynaaminen järjestelmä, minkä takia tällaisia muutoksia on pakko tehdä säännöllisen väliajoin, jotta yhteiskunnan monet osa-alueet voivat toimia ongelmitta. Meillä näkyvä osa muutosta on viimeisen jääkauden vaikutuksesta tapahtuva maannousu, joka on voimakkaimmillaan länsirannikolla. USAssa Kalifornian maanjäristysalueen tektonisten laattojen muutokset, öljyporaus Teksasissa ja liuskekaasu- ja -öljyalueiden hyödyntäminen Pohjois-Carolinassa ovat taas aiheuttaneet maan huomattavaa painumista näillä alueilla. Sekä luonto että ihmisen toiminta aiheuttavat muutoksia, jotka on huomioitava paikannuksessa.

Tällaiset järjestelmämuutokset ovat edelleenkin kallista puuhaa, minkä takia myös alan toimijat etsivät edullisempia tapoja toteuttaa ne. Yhdysvaltain muutos tehdään tällä kertaa GPS-teknologian ja painovoimamittausten kautta. Uusi korkeusdatumi GRAV-D otetaan käyttöön 2022 ja uudelle gravimetrisesti mitatulle geodille lupaillaan peräti 1 cm tarkkuutta. Sen tuloksena tavoite on mitata ortometrisia korkeuksia kaikkialla USAn alueilla 2 cm tarkkuudella, mittaamalla GPS-havaintoja 15 minuutin ajan. Kaikki aikaisemmat muutokset on tehty vaaitustekniikalla, joka nykymaailmassa katsotaan aivan liian työvoimavaltaiseksi ja kalliiksi tavaksi toimia, mutta toisaalta se on edelleenkin kaikkein tarkin tapa siirtää paikallisesti korkotaso paikasta toiseen.

Tavoitteet ovat siis korkealla ja niin ne ovat myös varmasti myös Suomessa, jossa aloitettiin vertausjärjestelmien uudistumiseen valmistautuminen projektinimellä KaRef. Odotamme sen edistystymistä mielenkiinnolla.

Kuusi asteen desimaalia – kymmenen sentin tarkkuus?

Viimevuotisessa Ylen artikkelissa (Yle oppiminen) nuori toimittaja selvitteli, mitä tietoja yritykset ja julkinen hallinto hänestä säilyttävät. Tietomäärä osoittautui yllättävän suureksi ja joukossa oli tietysti myös paikkatietoja. Tähän tyyliin:

”client_location: [24.***463, 60.***279] (Toim. huomio: Tähdet lisätty Laurilan yksityisyyden suojelemiseksi.)

Sijaintitiedoilta vaikuttaa. Kuusi asteen desimaalia itse asiassa paljastaa kymmenen sentin tarkkuudella sijaintini.”

Mutta onko tosiaan näin? Mittaavatko kaiken maailman yritykset sijaintimme näin tarkasti? Tällaiseen tarkkuuteen pääseminen GPS/GNSS-mittaustekniikalla erilaisissa olosuhteissa on haastavaa jo ammattimittaajillekin. Avoimella paikalla kännyköiden avustettu GPS ja RTK-korjattu tieto ei tuota ongelmia, mutta kun ollaan tekemisissä korkean kasvillisuuden, korkeiden talojen, sisätilojen yms. kanssa niin haasteita riittää. Hankalissa paikoissa täytyy turvautua takymetriin.

Kuvalähde Wikimedia.

Tässä vaiheessa jo muutaman vuosikymmenen hype tarkasta satelliittipaikannuksesta on tehnyt tehtävänsä suuren yleison uskoessa siihen tarkkuuteen, mitä laite näyttää. Kyseessähän on useimmiten vain softanvääntäjän ratkaisu, kuinka monta lukua näytetään ja mistä luku katkaistaan, ei siitä, mikä on kyseisen laitteen tai mittaustavan oikea mittaustarkkuus.

Tämä ongelma on tullut esiin myös koronaviruspandemian aikana, kun monissa maissa kehitetään tai on jo kehitetty puhelinsovelluksia varoittamaan mahdollisesta altistumisesta taudille. Kyseessä on sinänsä mielenkiintoinen ongelma muun muassa paikannustarkkuuden ja tietosuojan osalta. Alussa monet kehittäjät lähtivät liikenteeseen ajatuksella GPS-paikannuksesta, mutta mieli muuttui varsin nopeasti. Ymmärrettiin nimittäin varsin nopeasti, ettei kahden ihmisen kohtaamisessa etäisyystietoa toisistaan pystytä määrittämään tarpeeksi luotettavasti. Niinpä siirryttiin Bluetoothin käyttöön. Osassa käytössä olevista sovelluksista kännykän haltija voi vapaaehtoisesti tarjota käyttöön myös sijaintitietonsa.

Menemättä nyt sen tarkemmin Bluetoothin tarkkuuteen käyttäjien etäisyyden mittaamisessa, on kuitenkin hyvä että suuret valmistajat kuten Apple ja Google ryhtyivät yhteistyöhön sekä ohjelmallisten että fyysiseen laitteeseen liittyvien ominaisuuksien osalta. Todennäköisesti näiden parannusten jälkeen uusilla laitteilla saadaan luotettavampaa etäisyytietoa.

Suomen sovellus on uutisten mukaan koekäytössä Vaasassa. Saksassa on kuljettu mielenkiintoisia polkuja kehityskaaokseen, josta johtuen huhtikuun lopussa liittovaltio siirsi kehityksen ohjelmistoyhtiö SAPille ja operaattori Telekomille. Norjassa vastaava sovellus on ollut käytössä jo useita viikkoja ja samalla on korjailtu sen ongelmia. Englannin kokeilussa olevan sovelluksen ominaisuuksista ja tietoturvasta keskustellaan puolestaan tässä artikkelissa.

Paikannuksen ongelmat ja sijaintitarkkuuden väärinkäsitykset sen sijaan jatkuvat väistämättä edelleenkin aiheuttaen myös ongelmia ammattipiireissä. Siksi tällaisten oppimisartikkeleidenkin olisi oltava parempilaatuisia – eikös se yleinen pyrkimys ole valeuutisten välttäminen.

PS 13.5.2020 Islannissa on käytössä GPS-perusteinen Covid-19 -sovellus. Sen on tässä vaiheessa ladannut noin 40% islantilaisista ja ainakaan poliisi ei koe sen antamia tietoja hyödyllisiksi. Laajempi listaus eri kännykkäsovelluksista löytyy esimerkiksi täältä.

Runkomittauskeskustelu jatkuu

Lämmitimme Lapin mittauspäivillä jo alustavasti runkomittausaihepiiriä ja ensi viikolla 27. maaliskuuta jatkamme samasta aihepiiristä Maanmittauspäivillä otsikolla: ” Runkomittaukset – katoavaa kansanperinnettäkö?”. Siellä laajennamme keskustelua myös kustannusvaikutuksiin, sillä kustannukset ovat tietysti usein se merkittävin motivaatio lähes kaikessa – myös mittauksessa ja rakentamisessa.

Rovaniemellä Tauno Suomisen esitys oli suunnattu pääosin opiskelijoille, joten hän kävi läpi oman mittausuransa kautta kohtaamisensa runkomittauksen kanssa. Hän on niitä harvoja suomalaisia, jotka ovat käyttäneet jo GPS-järjestelmän edeltäjää Navsatia (Navy Satellite Navigation System) ja nimenomaan rungon mittaamiseen. Navsat ei ole oikein edes tunnettu Suomessa, koska se oli vain NATO-maiden ja niiden liittolaisten käytössä.

Tauno on monien projektien mies Suomessa ja maailmalla, joten mittausrungon tarve on tullut hänelle esille jo uran alkuajoista alkaen. Ja kummasti nyt on palattu taas osin1980-luvun tilanteeseen Suomessa. Jälleen kerran jopa mittausalan kouluksen saaneille ihmisille joutuu perustelemaan jopa miksi runkomittausta tarvitaan.

Lähtökohtainen kysymys on siis tietysti mihin runkomittausta tarvitaan? Jos ei tarvita niin ei sitä tietenkään tehdä. Työmaiden tilanteista päätellen tarve ei ole kadonnut minnekään eikä korvaavaa järjestelmää ole kehitetty tilalle – odotamme tietysti mielenkiinnolla dynaamista koordinaatistoa. Nyt mittaukset kelluvat monin paikoin ilmassa ja riitoja riittää. Kuntien heikon tilanteen ovat havainneet myös muutamat rovaniemeläisopiskelijat kesätöissään.

Tauno listasi seuraavia käytännön syita rungon rakentamiseen:

  1. Sidotaan erilaiset maastomittaukset samaan järjestelmään. Varsinkin kun niin tuotetaan hyvinkin monenlaisella laitteistolla ja tarkkuudet vaihtelevat.
  2. Ollaan suunnittelun kanssa samassa järjestelmässä. Ei ole ollenkaan itsestäänselvää edelleenkään, että suunnittelijat toimivat samassa järjestelmässä.
  3. Olosuhteista riippumatta voidaan varmistaa mittausten homogeenisuus alueilla, joissa on heikot GNSS-olosuhteet, jyrkänteitä, pöheikköjä, katukuiluja jyms.
  4. Mittausten laaduntarkastus.
  5. Rakentamisen kontrollit

Esimerkkinä kohdasta 2 mainittakoon tuore Kuntaliiton työpaja, jossa oli esitys muun muassa talosuunnittelun maailmasta:

”Tutustuimme talosuunnittelun koordinaatistomaailmaan ja sen sovittamiseen maailmankoordinaatistoon. Periaatteessa suunnitteluohjelmistot tunnistavat paikkatietokoordinaatistot, mutta vielä on hieman matkaa käytössä olevien koordinaattijärjestelmien täydelliseen tukemiseen.”

Tätäkin selitystä ohjelmistojen koordinaatistojärjestelmistä on kuunneltu jo monta kymmentä vuotta ja matkaa on aina ”hieman”. Ihan kulman takan ollaan – ken uskoo enää?

Tämän hetken tilanne työmailla on siis kovin kirjava ihan niinkuin aikaisempinakin vuosikymmeninä, vaikka nimenomaan tieinfran puolella ongelmaa saatiin kuriin määrätietoisella tietotaidon kasvattamisella ja koulutuksella kuten Tauno alla kertoo.

Muutosta menneisyyteen on se, että tämän hetken tilanteessa roolijako näyttää olevan aika avoinna. Esimerkiksi pisteverkkojen osalta sekä Maanmittauslaitos että kunnat eivät tarvitse enää entisen kaltaista tiheää pisteverkkoa. Rakentaminen tarvitsee, joten runkopisteet jäävät käytännössä yhä enemmän heidän harteilleen. Sitten se on enää kysymys tietotaidosta ja resursseista, joita isolla osalla rakentajia ei ole.

Isot ja vaativat mittauskohteet ovat aina olleet varsin pienen erikoisosaajajoukon harteilla, mutta asiansa osaavien mittaajien joukko pitäisi olla niin laaja, että pienetkin kohteet sujuvat.

Myös vaativien ja isojen hankkeiden kohdalla tietotaidon puute on alkanut nyt näkyä kuten olemme omakohtaisesti havainneet mobiililaserkeilausprojektissa. Jos mittausprojektien laadunhallinta on pahasti hukassa ja joudutaan riitoihin, niin voittaja on se, jolla on tietotaitoa tehdä virheanalyysiä. Tai mikä pahinta, jäädään ihmettelemään eri mittausten eroja eikä kukaan osaa tehdä mitään asialle. RTK-mittauksen ja koneohjauksen aikakautena on hulluinta, että jopa osassa yliopistojamme ei enää ymmärretä rakentamisen toleranssin määritelmää, kuten tästäkin kotimaisesta tutkimuksesta näkyy.

Mutta miten tässä eteenpäin? Tule kuuntelemaan Taunon esitys Maanmittauspäivillä ja juttelemaan hänen kanssaan esityksen jälkeen. Tai piipahda toimistollamme kuulemassa lisää. Yhteiskunnan mittakaavassa emme pysty asiaa ratkaisemaan vaan potkimme vain eri tahoja hereille. Käytännön tasolla tarjoamme myös runkomittauksen koulutusta, jos sinulta/organisaatioltasi puuttuu tietotaitoa ja haluat oppia. Käytännönläheisen koulutuksemme tavoitteena ovat onnistuneet projektit eli oppiminen tekemisen kautta suunnittelusta havaintojen keräämiseen, laskentaan, dokumentointiin ja laadunvalvontaan. Meillä ei tuijoteta powerpointteja vaan jokainen joutuu oppimaan tekemällä.

GNSS-mittausten muuttuva maailma

GPSWorldissä uusi toimittaja, kokenut geodesian ammattilainen David Doyle kirjoittaa osuvasta GPS/GNSS-mittauksen muuttuvasta maailmasta. Uusia satelliitteja pukkaa, tarkkoja mittauksia mahdollistavat laitteet halpenevat kovaa vauhtia ja uusia käyttäjiä syntyy kuin sieniä sateella. Doylen mukaan laitteistot ovat nykyään niin helppokäyttöisiä, että jo oravan älykkyydellä voidaan nykyään tuottaa varsin laadukasta mittausaineistoa. Hyvältä siis näyttää.

Kuva Wikimedia: GPS-satelliitit kiertoradoillaan.

Kuva Wikimedia: GPS-satelliitit kiertoradoillaan.

Vai näyttääkö? Käytännön tilanteissa ei kuitenkaan kiistellä millimetrien, vaan jopa metrien heitoista aineistojen välillä. Doylen sanoin: “I got a cm and you got a cm, but our centimeters differ by a meter.”

Useimmilta käyttäjiltä puuttuu geodesian perustiedot, jolloin mittausten todellista tarkkuutta ei osata edes arvioida. Desimaalierottimen oikealla puolella näkyvät luvut eivät kerro mitään tarkkuudesta, vaan siitä, kuinka pitkä kenttä kyseiseen ohjelmaan on ohjelmoitu näkymään. Liian usein metadata ei siirry mittausten mukana, jolloin tulosten arvo voi olla puhdas nolla.

Miksikö tietämättömyys geodesiasta on merkittävä puute? Siksi, että monien kasvavien alojen kuten navigoinnin, koneautomaation (esim. maatalous), ympäristömittausten yms. järjestelmiä rakennetaan ja käytetään jo nykyään ilman geodesian tuntemusta ja virheelliset tulokset tulevat kaikille kalliiksi. Rakennusteollisuudesta ei nyt viitsi enää puhuakaan.

Kun käyttäjäjoukko on laaja amatööreista ammattilaisiin, niin on tietysti epärealista olettaa kaikkien opettelevan geodesiaa. Doyle kuitenkin ehdottaa, että jatkuvasti tarkkojen mittausten kanssa tekemisissä olevia ihmisiä on vain koulutettava lisää ja heille voisi luoda myös sertifiointijärjestelmän. Käytännössä siis sama ajatus kuin Saksassa, jossa perustettiin Geodesia-akademia jatkokoulutuksen tarpeita varten. Ehkäpä meidän pitäisi ryhdistäytyä myös täällä Suomessa?

Paikannusta, paikannusta!

Paikannus ja navigointi ovat olleet kovassa kurssissa jo muutaman vuoden, sillä perinteisten alojen lisäksi mobiililaitteiden sovelluskehittäjät ja käyttäjät tarvitsevat parempaa sijaintitietoa erilaisille sovelluksille. Tarpeita on sekä sisä- että ulkopaikannuksessa.

Kaikenlaista uutta tuntuu olevan tulossa hurjasti, kunhan vain tietäisi mitä näistä jää tulevaisuudessa jäljelle. Satelliittipaikannuksen saralla tulevaisuudessa taivaalla on jopa 130 paikannussatelliittia, jos kaikki tämänhetkiset suunnitelmat toteutuvat. Esimerkiksi Kiinalaisessa BeiDou Satellite System (BDS) järjestelmässä on tällä hetkellä 6 toimivaa satelliittia ja tulossa on vielä 40 kappaletta. Joulukuun lopulla Kiina ilmoitti avaavansa globaalin satelliittinvigointijärjestelmänsä (GNSS) myös kaupallisille toimijoille ilmoittaen tavoittelevansa 70-80% osuutta Kiinan kotimarkkinoista. Tällä hetkellä amerikkalainen GPS hallitsee Kiinassa kuten muuallakin.

On mielenkiintoista nähdä, miten EU:n vastaava Galileo-järjestelmä lähtee toimimaan taloudellisesti, sillä EU:n tarkoituksena on veloittaa kaupallisia toimijoita kaiken tarkimman korjaussignaalin käytöstä. Samaan aikaan siis GPS, GLONASS ja BDS näyttävät tarjoavan samaa dataa ilmaiseksi, ajatuksena paikannusteollisuuden miljardimarkkinat ja sitä kautta verotulot järjestelmien rakentajille.

Satelliittipaikannus ei toimi sisätiloissa tai veden alla, joten suuri osa maailmaa on vielä tarkan paikannuksen ulkopuolella. Sisätilapaikannus on mobiilisovellusten takia se voimakkaimmin kasvava paikannuksen ala. Mutta, mutta, haasteita riittää. ETH:n tohtori Rainer Mautz tiivistää dosenttitutkimuksessaan sisätilapaikannuksen perusvaatimukset massamarkkinoilla:

  • XY-sijaintitarkkuus  1 m
  • kerroksen tunnistaminen (korkeustarkkuus)
  • kattava peitto
  • >99 % saatavuus
  • minimaalinen asennus- ja ylläpitokustannus

Tällä hetkellä kaikki mainitut kohdat ovat kovan työn takana, mutta tarjokkaita alalle on siis tungokseen asti. Listataanpa niistä muutamia:

– Nokian johtama In-Location Alliance lupailee jopa 20 cm XY-paikannustarkkuutta, mikä on tällä hetkellä hämmästyttävä suoritus. High Accuracy Indoor Positioning (HAIP)  perustuu Bluetooth 4.0:n matalaenergiapiirteen käyttöön.

– eurooppalainen yritysjätti BAE Systems kehittää hybridiä NAVSOP-järjestelmää, jolle lupaillaan muutaman metrin paikannustarkkuutta. Järkevästi systeemi hyödyntää erilaisia olemassa olevia signaaleita kuten TV, radio, Wifi, kännykät yms. paikannukseen.

– suomalainen IndoorAtlas hyödyntää maan magneettikenttää paikannuksessa. Kartoittajille hyödyllisesti paikoituksessa tarvitaan myös rakennuksen pohjakarttaa 😉

– ruotsalainen SenionLab hyödyntää suoraan kännyköiden sisältämiä antureita.

Qualcomm iZat-alustassa hyödynnetään myös hybridiratkaisuja eli laitteiden antureita ja WLAN-verkkoja.

Oma lukunsa on tietysti yhtiöt, jotka rakentavat sisätilapaikannukseen lisäinfraa, kuten radiolähetinjärjestelmän, joiden avulla paikannustarkkuus paranee. Mutta näiden järjestelmien käyttö ja ylläpito maksaa jo sen verran, että massojen käyttöön niistä ei vielä ole. Sen sijaan yrityskäytössä kuten kaivoksissa niille löytyy luonnollisesti käyttöä. Esimerkiksi australialainen Locata on päässyt radioilla samaan 20 cm paikannustarkkuuteen kuin Nokia Bluetooth-tekniikan avulla, mutta on hyvä kysymys mikä on radiotaajuuksien häiriöherkkyys.

Sisätilapaikannuksen tämän hetkinen tilanne jättää siis vielä paljon tilaa sekä tekniikan kehittäjille sekä palveluntarjoajille, sillä hajanaisessa tekniikkakentässä yksikään tekniikka ei ole ylitse muiden. Vedenalaisen maailman paikannuskuviot ovat sitten vielä oma taiteen lajinsa. Maailma ei ole vielä valmis.