Телеком. Отрасль телекоммуникаций

Применение методов дистанционного Зондирования Земли

Следует разделить участие ДЗЗ в телекоммуникационной отрасли на два полноценных раздела: первый, использование для планирования сетей связи и их картирования (цифровые модели местности) её инфраструктуры и, второй, опосредственное использование каналов связи для передачи очень больших геопространственных данных. Учитывая, что оба этих раздела современно отображаются и управляются на геопространственных платформах, невозможно рассматривать отрасль однобоко.

Поэтому можно представить задачи телекоммуникационной отрасли, в аспекте геопространства, по следующим темам, но не ограничиваться ими:

• пространственный анализ существующих сетей связи и окружающей среды;
• пространственный анализ и моделирование при планировании сети;
• выбор участка с соответствующими расчетами для сотовых антенн, радиорелейных линий, радиопортов, узлов фибера, ретрансляторов;
• определение оптимального маршрута прокладки кабеля с учетом центральных линий улиц и железных дорог, а также различных подземных коммуникаций;
• определение оптимального расположения радиорелейных линий с учетом профилей поверхности;
• оптическая видимость из определенных точек (мест расположения антенн);
• моделирование распространения радиоволн и анализ зон их действия;
• получение географически привязанных измерений величин электромагнитного поля (ГИС+GPS) и его анализ;
• пространственные данные (физическая сеть, землепользование и т.д.) как неотъемлемая часть системы эксплуатационных баз данных;
• телекоммуникационные технологии в дистанционном зондировании;
• передовые сетевые технологии (например, SDN, специализированная спутниковая сеть) в дистанционном зондировании, передача больших объёмов информации;
• построение сети в экстремальных условиях;
• оценка производительности и контрольные показатели для связи и работы в сети;
• безопасность и конфиденциальность в общении и сети;
• модель связи и протоколы, вписанные в ГИС;
• управление коммуникационными и сетевыми ресурсами на платформе ГИС;
• применение передовых технологий телекоммуникаций в ДЗЗ;
• проектирование и внедрение телекоммуникационных и сетевых услуг на базе ГИС;
• военная и полицейская область связи и ДЗЗ.

Одной из ключевых областей услуг для сектора телекоммуникаций является предоставление тематических картографических продуктов, полностью или частично использующих дистанционное зондирование и/или другие типы геопространственных данных. Наивысшую точность можно получить, используя визуальную интерпретацию в сочетании со слоями вспомогательной информации  (картами) и автоматизированными или полуавтоматическими рабочими процессами извлечения признаков. А именно:

• Приобретение данных ДЗЗ и других пространственной информации;
• Закупка и генерация моделей ЦМР ;
• 3D модели для расчета затухания сигнала (город, промышленные объекты, территории (горы, вода и т.п.) ;
• Закупка и создание баз данных о растительном покрове / землепользовании вокруг сети связи ;
• Настройка высокоавтоматизированных цепочек обработки ;
• Дизайн и разработка руководств по номенклатуре Технического задания Заказчика;
• Объектно-ориентированная или пиксельная классификация сети связи;
• Анализ спутниковых и БПЛА показателей (визуальная интерпретация, автоматическое и/или полуавтоматическое извлечение признаков);
• Обнаружение изменений;
• Контроль качества и оценка точности.

Преимущества использования данных ДЗЗ

• Удаленное планирование сети связи, с точной привязкой антенных систем и подвеской радиопередатчиков на местности (в рамках допустимой погрешности ослабления сигнала) без командировок, выезда на местность, без лишних затрат и потери времени. Документальное проектирование в сжатые сроки.
• Обобщенный вид телекоммуникационной сети на аэрокосмических изображениях (статических объектах) с реалистичной окружающей ситуацией в городе, промышленных предприятиях, территориях с растительностью и в горах, в отдаленных районах.
• Наличие архивных сведений ДЗЗ на территорию интереса.
• Заказ новой съемки не требует каких-либо согласований с местными компетентными органами.
• Космическая съемка не требует выезда на местность, в отличие от аэрофотосъемки и съемки с БПЛА.
• Быстрое картирование инфраструктуры телекоммуникаций:
  • По спутниковым снимкам в масштабе 1:5 000 – 1:100 000.
  • Воздушные (БПЛА) снимки в масштабе 1:500 – 1 2 000.
  • Фиксация радиопередатчиков на карте, а для подземной телекоммуникационной сети – коммутаторов – ретрансляторов, территориальных мест переходов от волоконно-оптической на проводную сеть, центры коммутации и узлы связи.
• Мониторинг телекоммуникационного оборудования.

Примеры применения

Пример № 1: Создание цифровых моделей местности для планирования и оптимизации сетей связи 5G

Задача: 

1. Многократное увеличение пропускной способности сети для удовлетворения растущего спроса на объем пере­даваемых мультимедийный материалов, возможность дополни­тельных подключений новых устройств при сохранение необходимой скорости передачи;

2. Достижение высокого качества обслуживания во всей сети независимо от местоположения пользователя и помех, создаваемых другими пользователями;

3. Адаптация качества услуг к используемым потреби­телями приложениям, чтобы обеспечить тем самым мак­симальную эффективность передачи информации в сети.

Решение: Для достижения высокой точности были использованы данные стереопар спутниковых изображений сверхвысокого разрешения, сведения цифровой аэрофотосъемки.

Цифровые модели местности детально описывают элементы земной и городской инфраструктуры, которые могут быть препятствиями для распространения радиоволн: здания с их отдельными архитектурными формами, мосты, инженерные сооружения, коммуникации с повышенной детализацией отдельных элементов, а также растительность.

Здания, инженерные сооружения и растительность имеют разбивку по индивидуальным высотам их отдельных элементов. Все элементы растительности разделены на ярусы своего высотного диапазона таким образом, что формируют общий лесной массив из разных высот, не нарушая целостности восприятия и моделирования его форм.

Расширенная атрибутивная составляющая, позволяет получить дополнительные характеристики об объекте - материал сооружения, материал перекрытия, количество жителей в доме, количество подъездов, количество помещений, количество жилых помещений, количество нежилых помещений, площадь дома, расчетное количество человек днем, расчетное количество человек ночью.

Результаты:

Цифровые модели подготовлены на основе Проекции UTM, Эллипсоида WGS-84, Балтийской системой высот и полностью совместимыми с инструментом планирования Mentum Planet, а также имеют возможность предоставления в форматах совместимыми с программами AIRCOM ASSET, ATOLL FORSK, NETPLAN, Mapinfo и т. д.

1. Ортофотоплан

2. Клаттерная модель (DLU)

3. Высотная модель препятствий (DHM)

4. Цифровая модель рельефа (DTM)

5. Векторная модель

Пример № 2: Создание цифровой региональной модели 2D территорию Республики Татарстан

Задача: Создание цифровой региональной модели (2D), которая включает в себя Цифровую Модель Рельефа, Векторную Модель, Клаттерную Модель, для выполнения:

• Пространственного анализа существующих сетей и окружающей среды;

• Пространственного анализа и моделирование при планировании сетей связи;

• Выбора участка с соответствующими расчетами для сотовых антенн, PCS радиопортов, узлов фибера, ретрансляторов;

• Определение оптимального маршрута прокладки кабеля с учетом центральных линий улиц и железных дорог, а также различных подземных коммуникаций;

• Определение оптимального расположения радиорелейных линий с учетом профилей поверхности;

• Определение оптической видимости из мест расположения антенн.

Решение: В соответствии с ТЗ, для создания региональной модели 2D необходимо использовать цифровой ортофотоплан, созданный по актуальным материалам дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с разрешением до 10 м.

Материалы ДЗЗ являются исходной информацией для подготовки мозаичных ортофотопланов (сшитых в единое изображение данных). Основываясь на условиях Технического задания при создании ЦММ региональной модели 2D в качестве материалов ДЗЗ, была выбрана космическая съемка.

Рис. Общий вид ортофотоплана

Подбор, анализ и получение исходных векторных данных и архивных топографических карт масштаба 1:100 000 – 1:200 000 в растровом и векторном виде включает систематизацию исходного материала, проверку полноты информации, учёт и хранение. Весь исходный материал, используемый для производства работ, проходит входной контроль. Векторные данные, топографические карты в векторном виде, используемые для создания цифровой модели, являются основой для формирования первоначального набора векторных слоев, которые в дальнейшем обновляются и исправляются по цифровому ортофотоплану.

Подготовленные векторные слои дополнялись семантическими сведениями об объектах и формировались в набор данных.

На основе векторных слоев были подготовлены:

- Векторная модель Республики Татарстан

Рис. Vector Data Татарстан

- Цифровая Модель Рельефа

Рис. Height Data Татарстан

- Высотная модель

Рис. Obstacle Data Татарстан

- Клаттерная Модель

Рис. Clutter Data Татарстан

Результаты: Комплект материалов, передаваемых Заказчику, включает в себя - Цифровая Модель Рельефа, Векторная Модель, Высотная Модель, Клаттерную Модель, Технический отчет.

Пример № 3: Создание цифровой городской модели (ГМ2) Самара

Задача: Создание цифровой Модели Местности г. Самара (ГМ2). Городская Модель (ГМ2) — это детальное планирование телекоммуникационных сетей в урбанизированных зонах с плотной застройкой, где отображают все объекты городской инфраструктуры, потенциально препятствующие распространению радиоволн.

Детальное планирование телекоммуникационных сетей в урбанизированных зонах с плотной застройкой с отображением всех объекты городской инфраструктуры, потенциально препятствующих распространению радиоволн. Обеспечение точного и экономически эффективного моделирования высот препятствий на больших площадях, как в городском, так и в интегрированном процессе планирования внутри и за пределами городов.

Решение: Основываясь на условиях Технического задания при создании ЦММ уровня ГМ2 в качестве материалов ДЗЗ были выбрана космическая съемка.

Рис. Схема покрытия Самара

Современные космические снимки поставляются операторами космических аппаратов ДЗЗ с геометрической моделью, описанной коэффициентами рациональных полиномов (RPC).

Указанная модель, позволяет осуществлять уравнивание космических снимков без использования опорных точек с варьирующейся точностью. Кроме RPC в процессе уравнивания используются связующие точки, цифровая модель рельефа и опорные точки. Связующими точками являются одни и те же жесткие контура местности, опознанные на перекрывающихся космических снимках и закрепленные некоторой общей точкой.

Линейный рельеф и точки ПВО, получаемые из материалов государственных фондов, являются исходными данными для создания цифровой модели рельефа (ЦМР). ЦМР используются в процессе уравнивания космических снимков, с помощью ее определяются отклонения уравненных координат высот опорных точек от высот на ЦМР.

Отклонения, в свою очередь, в дальнейшем влияют на плановые положения точек на создаваемом ортофотоизображении.

Ортофотоплан, как картографическая основа, позволяет обновить сведения из государственных фондов уточнить и дополнить создаваемую ЦММ.

Векторные данные дополняются высотными характеристиками, полученными путем вычисления теней на космических снимках. Проверенные векторные данные формируются в набор «Vector Data». На основании векторной модели создаются продукты «Clutter Data», «Obstacle» (модели препятствий), «Height Data» (модели высот).

Рис. Clutter Data для г. Самара

Рис. Obstacle для г. Самара

Рис. Height Data для г. Самара

Результаты:

Комплектность материалов, передаваемых Заказчику, соответствует комплектности указанной в Техническом задании и состоит из следующих материалов:

1. ЦММ в формате системы планирования радиосети Asset Enterprise (в. не ниже 9.0);

2. ЦММ, адаптированная к системе планирования мобильной сети телефонной связи стандарта ПАК «ONEGA RPLS»;

3. Цифровую векторную картографическую основу в формате ГИС «МапИнфо»;

4. Паспорт ЦММ, который включает сведения о территории карты, взаимном расположении фрагментов, содержащихся в отдельных файлах информации и о типах объектов, содержащихся в поставляемой ЦММ, масштаб, проекция, система координат, координаты углов листа;

5. Технический отчет.

Пример № 4: Автоматизированный расчет электромагнитного доступа (ЭМД) в радиорелейной линии для СЭС Лесосибирская гр.ПС

Задача: Автоматизированный расчет электромагнитного доступа (ЭМД) в радиорелейной линии для СЭС Лесосибирская гр.ПС

Решение: Для автоматизированного расчета трасс и покрытий ЭМД, с заданными характеристиками передатчиков и приемников, созданы матрицы высот 60 и 30 метров. Наилучшая привязка абонентов на равнине до 15 метров, наихудшая до 30 метров. Выбраны космические снимки и для улучшения привязки мобильных абонентов проведена специальная геодезическая работа (до 3-х метров) с БПЛА.

Рис. Космический снимок с координатами планируемой радиорелейной трассы

Рис. Характеристики передатчиков и приемников для обеспечения прямой видимости между ретрансляторами

Рис. Зоны уверенного приема на матрице высот для мобильных пользователей

Результаты: Созданные карты содержат данные высот и физических особенностей местности. После расчетов трассы всех, указанных станций (6 узлов) в единой сети, при высоте подвеса антенн 20 метров будут иметь прямую видимость между собой.

Пример № 5: Оценка покрытия сети мобильной связи в Осогбо с использованием дистанционного зондирования и ГИС, штат Осун, Нигерия

Задача: Оценить покрытие сети мобильной связи в Осогбо с использованием дистанционного зондирования и ГИС, штат Осун, Нигерия

Решение: Были установлены координаты вышек сотовой связи семи различных GSM/CDMA-компаний и проанализировано их местоположение на цифровой карте рельефа, созданной по контурным линиям спутниковых данных высокого разрешения SPOT-5 HRVIR с пространственным разрешением лучше 8 метров.

Аналогичная работа была выполнена в США в 2021 году.

Высокоточная модель рельефа поверхности, полученную с помощью LiDAR, и спутниковый снимок над Боулдером, штат Колорадо. Данные LiDAR были получены от Neon (Национальная сеть экологических обсерваторий), а изображения были получены от MAXAR, а затем ортотрансформированы в ENVI. Инструменты анализа зоны обзора ENVI могут оценивать эффективную зону покрытия нескольких датчиков, каждый из которых имеет различные поля зрения, расположение и высоту, эффективный диапазон и направление наведения. Интерфейс программирования ENVI позволяет оценить и визуализировать многие сценарии.

Пример № 6: Картирования телекоммуникационной отрасли США на уровне государственной задачи управления и безопасности.

Задача: Картирования телекоммуникационной отрасли США на уровне государственной задачи управления и безопасности.

Решение: Были нанесены все объекты и трассы телекоммуникаций и положены на картографическую подложку ГИС разных масштабов на основе ДЗЗ.

Результаты: С США все объекты и трассы телекоммуникаций положены на картографическую подложку ГИС разных масштабов на основе ДЗЗ. Расчеты затухания сигнала для каждой вышки 4G -5G США.

Рис. Расчеты затухания сигнала для каждой вышки 4G -5G США