GPS navigace a mapy

Rozšiřující se počet uživatelů a aplikací globálního navigačního systému GPS dynamicky působí na vývoj vlastního systému a GPS přijímačů. Posun k masovému použití systému potvrzuje fakt, že dnes nejprodávanější kategorií přijímačů jsou malé kapesní přístroje, někdy souhrnně označované jako „outdoor“. Tyto přístroje velikostí a vzhledem připomínající běžný mobilní telefon jsou nejčastěji v provedení s kompaktním odolným pouzdrem, integrovanou GPS anténou, napájením na tužkové baterie a přehledným displejem, který poskytuje aktuální souřadnice, rychlost a azimut pohybu.

V GPS přijímači lze tak spatřit vyústění mnohasetleté snahy lidstva o tvorbu dokonalé navigační pomůcky, která bude přesná, spolehlivá, dostupná a jednoduchá na obsluhu. Masovější nasazení technologie GPS však s sebou nese riziko špatného a nekvalifikovaného používání přístroje, což může vést k vytváření různých polopravd a matoucích informací od „zklamaných uživatelů“. Přes zdánlivou a již zmiňovanou podobu s mobilním telefonem, jsou nároky pro používání této technologie poněkud vyšší.

DIGITÁLNÍ MAPY V GPS
V současné době se v segmentu outdoor GPS přístrojů profiluje několik samostatných směrů a trendů. Nejvíc viditelným trendem je propojení GPS přijímače a digitální mapy. Tímto krokem chtějí výrobci maximálně zpřístupnit navigaci GPS každému uživateli bez jakýchkoli odborných znalostí. Celá myšlenka je založena na principu přehrávání digitálních map na CD-ROM médiích v počítači do GPS přístroje. Např. firma Garmin nabízí v edici digitálních map MapSource podrobné digitální mapy jednotlivých států. Uživatel si na počítači označí zájmové území, připojí komunikačním kabelem GPS a přehraje příslušná data. Nutnou podmínkou u GPS přístroje je přítomnost přehrávatelné paměti nebo výměnné datové karty.

Z předchozího odstavce by se dalo mylně předpokládat, že už není potřeba pracovat s kartografickými pojmy jako je souřadnicový systém, referenční elipsoid, apod., a že k GPS navigaci terénu už pak stačí pouze sledovat přístroj a občas zmáčknout nějaké tlačítko. Bohužel tak jednoznačné to není, existuje řada omezení a problémů, které omezují použití digitálních map jen pro část běžných uživatelů. Na dynamický vývoj GPS a dalších podobných technologií nestačí v mnoha případech dostatečně pružně reagovat proces převodu map do digitální formy. Jednak jde o časově a finančně rozsáhlou činnost, chybí přesně definované právní prostředí (otázka autorských práv a licencí) a nejsou jednoznačně definovány datové struktury a standardy. Jedinou světlou vyjímkou jsou dnes Spojené státy, kde lze dostat kvalitní, přesné a relativně aktuální digitální mapová data.

Obecně lze dnes na trhu nalézt nabídku různě kvalitních a detailních digitálních map. V drtivé většině případů se jedná o digitální atlasové encyklopedie doplněné multimediálními prvky a digitální autoatlasy. Jmenujme např. Microsoft Autoroute Explorer, Route 66 či českou Geobázi. Taktéž GPS výrobci vybavují své vybrané modely podobným typem map. Obsahují schématický kompletní zákres komunikační sítě, zobrazení sídel (často i s počet obyvatel nižším než 1000 obyvatel), vodní toky a plochy a řadu zájmových objektů jako jsou benzinová čerpadla, parkoviště, restaurace, apod. Chybí však výškopis (vrstevnice, kóty výškových bodů) a spousta topografických prvků.

Shrneme-li problém digitálních map, je zřejmé, že dnes osloví především kategorii lidí mající zájem využívat GPS především pro autonavigaci. Tato skutečnost odráží ohromný nárůst zájmu o GPS v automobilovém průmyslu, výrobci navigačních přístrojů dnes proto soustředí hlavní zájem do segmentu autonavigace.

STARÁ DOBRÁ KLASIKA : PAPÍROVÉ MAPY
Kvalitní digitální mapa, obsahem a podrobností na úrovni turistických map (např. českých, které patří mezi světovou špičku) je dost vyjímkou. U nás má dominantní postavení Klub českých turistů. Jeho edice turistických map plně pokrývá naše území v dostatečně podrobném měřítku 1 : 50 000, zákres prvků mapy je přesný a ve většině případů dostatečně aktuální. Znázorněná sít značených turistických cest je světovým unikátem, snad žádný jiný stát tak dobře a hustě vytvořený systém označených stezek pro turisty nemá. Navíc mapy jsou v nových vydáních od  počátku 90. let zpřesňovány a doplňovány z odtajněných verzí vojenských map. Jediným problémem je vztah Klubu českých turistů (dále jen KČT) k digitalizaci map – sám nic takového neprovádí a protože nemá zájem poskytovat autorská práva, není nic takového u nás k dispozici. Několik zástupců komerčního kartografického sektoru (Kartografie Praha, či Geodézie ČS) se snaží vytvářet vlastní produkty z jiných datových zdrojů, ale díky ohromné finanční, časové náročnosti a dominantnímu postavení KČT, nabízí turistické mapy pouze pro malá území. Jiné firmy jako např. SHoCart se snaží situaci řešit specializací na úzký okruh zákazníků (např. mapy pro orientační běh, cykloturistické mapy).

ZÁKLADNÍ KARTOGRAFICKÉ KNOW-HOW
Pro správné a efektivní využití spolupráce GPS – mapa je vhodné mít alespoň základní znalosti z oblasti kartografie, geodézie a navigace.  Nejprve snad přiblížíme působnost disciplín geodézie a kartografie. Oba obory spolu velmi těsně souvisí, zatímco geodézie se zabývá určováním rozměru a tvaru Země a jejím podrobným zaměřováním (návaznost na mapování), kartografie pak řeší problém převodu třírozměrné geodeticky určené skutečnosti do roviny za podmínky minimalizace zkreslení a dalších důležitých faktorů.

Oba obory dlouhodobě řeší problém mnoha generací spojený se snahou o co nejpřesnější znázornění skutečné situace do map a dalších modelů. Celý problém začíná na skutečnosti, že Země jako těleso je nepravidelná matematicky exaktně nedefinovatelná. Povrch zemského povrchu lze definovat pouze fyzikálně, na základě znalosti průběhu tíhového pole. Takto modelované těleso (směr tíhové síly je v každém bodě povrchu geoidu k němu kolmý) se nazývá geoid. Kartografové však potřebují pro své výpočty matematické těleso, takže muselo dojít k určitému zjednodušení nahrazením nepravidelného geoidu matematickým tělesem, které mu bude co nejvíce podobné. Nejčastěji se pracuje tzv. elipsoidem, který vzniká rotací elipsy ve všech třech prostorových osách. Elipsoid jako těleso je geoidu hodně blízký, Země jako těleso je na obou pólech mírně zploštělé. Pro hrubší výpočty s nižšími nároky na přesnost se ještě dá použít koule.

Elipsoidy se začaly používat od minulého století, kdy začínají rovněž vznikat první kartografická díla, založená na solidních matematických základech. Definice elipsoidu se opírá o rozsáhlá pozemní a astronomická měření, základními parametry jsou přesné délky hlavní a vedlejší poloosy elipsoidu  a hodnota zploštění. Protože provedená měření pro definici elipsoidu nebyla dostatečně přesná a hustá, musel být elipsoid napasován jen pro určité území na zemském povrchu, mimo něj jsou hodnoty zkreslení na zkonstruované mapě už značně vysoké. Tímto způsobem vznikla řada elipsoidů, definovaných pro jednotlivé státy, v lepším případě pro části kontinentů. U nás je tak od minulého století používán Besselův elipsoid, vojáci v rámci celé Varšavské smlouvy používají elipsoid Krassovského.

Řada nových technologií v druhé polovině 20. století přinesla nový pohled na definici elipsoidu. Výsledkem je definice a používání globálních elipsoidů, které jsou vypočteny tak přesně, že je lze pro většinu aplikací používat kdekoli na světě. Nejznámějším zástupcem je elipsoid WGS 84, který je zároveň primárně využíván GPS systémem.

Druhým základním problémem je převod třírozměrné reprezentace Země do roviny. Opět se to neobejde bez mnoha problémů, nejdůležitějším faktem je nemožnost provést převod bez zkreslení. Je však možné zkreslení minimalizovat či úplně potlačit pro část území. Díky tomu se objevila řada kartografických zobrazení (v angličtině projections) – matematických vztahů, které řeší převod do roviny za různých podmínek. Např. geodeti, kteří v převážné většině měří hlavně úhly, pracují s tzv. úhlojevnými zobrazeními, které nezkreslují úhly. Kromě nich ještě existují zobrazení nezkreslují plochy či některé čáry (např. základní poledník, rovník či všechny rovnoběžky). Většina map v civilním sektoru u nás je zhotovena v zobrazení Křovákově, vojáci použili a stále dál používají Gauss-Krüegerovo zobrazení. Pro WGS 84 je používané zobrazení UTM/UPS.

Konkrétní elipsoid a kartografické zobrazení společně definují souřadnicový systém, který uživatel mapy vnímá v podobě nejčastěji čtvercové sítě souřadnic, díky které lze z mapy odečítat souřadnice vybraných objektů či provádět jakákoliv jiná měření na mapách. Civilní sektor tak pracuje v systému S-JTSK (Jednotná trigonometrická síť katastrální), vojáci pak v S-42. Stále více používaný je WGS 84, používající stejnojmenný elipsoid a případně zobrazení UTM/UPS.