Acquisition, exploitation et diffusion de donn´ ees issues du GPS

exploitation et diffusion de donn´ees issues du

GPS J.-M Friedt

Mat´eriel Interface sous Qt Google Maps Google Earth Geoportail Photographies num´eriques Conclusion et bibliographie

Acquisition, exploitation et diffusion de donn´ ees issues du GPS

Jean-Michel Friedt Association Projet Aurore

jmfriedt@femto-st.fr transparents `ajmfriedt.free.fr

10 octobre 2008

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Introduction

Objectif :

• exploiter au mieux les informations issues d’un r´ecepteur GPS ...

• ... avec des outils d´evelopp´es exclusivement au moyen de logiciels libres.

• Fournir des outils d´edi´es `a la cartographie libre par GPS.

M´ethodes :

• enregistrer en continu les trames issues d’un r´ecepteur et les stocker sur support de stockage de masse non volatile.

• int´egrer ces informations dans des bases de donn´ees existantes

• exploiter ladatationdes trames pour synchroniser diverses sources d’informations (par exemple, un appareil photo num´erique)

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M´ ethodes

• un r´ecepteur GPS OEM, ET312 ('70 euros)

• un microcontrˆoleur capable d’acqu´erir les trames et communiquer avec ...

• ... un support de stockage de masse non volatile (≤10 euros) le tout compatible avec une utilisation comme application embarqu´ee mobile,i.e.alimentation par piles.

Afin de diffuser le montage `a un maximum d’utilisateurs, maintenir le coˆut global en dessous de 100 euros.

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Le support de stockage de masse

Les cartes MultiMediaCard (MMC) ou Secure Digital (SD) :

• facilement disponibles, coˆut r´eduit (1 GB pour 5 euros !)

• volume de stockage “infini” pour notre application

• initialement bien document´ee

• peu de signaux : MOSI, MISO, CK et CS (+ alimentation et masse : 7 broches) en mode SPI

1 = CS 2= MOSI 3=GND 5=CK 6=GND 7=MISO 4=Vcc=3,3 V

1 2 3 4 5 6 7 8 9

8,9 : NC (SD)

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Le microcontrˆ oleur : 8051

• Initialement, un cœur de 8051 dans un boˆıtier compact : l’ADuC814.

• Outil de d´eveloppement : programmation en assembleur sous asxxxx, programmation par port s´erie bien document´e¹.

• Diponibilit´e d’un port de communication SPI (communication avec cartes MMC ou SD)

• Fonctionnement `a fr´equence r´eduite pour une consommation r´eduite mais RAM r´eduite (pas de buffer de caract`eres)

1http:

//www.analog.com/static/imported-files/application_notes/uC004_v30.pdf

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Le microcontrˆ oleur : MSP430

• Microcontrˆoleur d´edi´e aux applications faibles consommations

• Plusieurs sources d’horloge pour adapter la vitesse aux besoins

• 2 KB de RAM⇒programmation en C possible

• Support´e pargcc:msp430-gcc pour une programmation en assembleur ou en C. D´eveloppement exclusivement avec des logiciels libres (msp430-jtagpour la programmation²).

• Disponibilit´e d’une librairie d’acc`es aux cartes MMC et SD ³.

2http://jmfriedt.free.fr/tp1.pdf

3http://www.true-random.com/homepage/projects/msp430_mmc/

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Architecture du circuit

• In system programming : logiciel embarqu´e ´evolutif en fonction des besoins

• Communication USB par FT232.

• Possibilit´e de couper alim. GPS et SD par FET+LTC1157 mais d´egrade la pr´ecision de la mesure

Vservo

"JTAG"

USB DVCC1P6.3/A32P6.4/A43P6.5/A54P6.6/A65P6.7/A76VREF+7XIN8XOUT/TCLK9VEREF+10VEREF-11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P1.4/SMCLK16

P1.5/TA0 17

P1.6/TA1 18

P1.7/TA2 19

P2.0/ACLK 20

P2.1/TAINCLK 21

P2.2/CAOUT/TA0 22

P2.3/CA0/TA1 23

P2.4/CA1/TA2 24

P2.5/ROSC 25

P2.6/ADC12CLK 26

P2.7/TA0 27

P3.0/STE0 28

P3.1/SIMO0 29

P3.2/SOMI0 30

P3.3/UCLK 31

P3.4/UTXD0 32

P3.5/URXD033P3.6/UTXD134 P3.7/URXD135 P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB238 P4.3/TB339P4.4/TB440P4.5/TB541 P4.6/TB642 P4.7/TBCLK43P5.0/STE144P5.1/SIMO145 P5.2/SOMI146P5.3/UCLK147P5.4/MCLK48 P5.5/SMCLKP5.6/ALK 4950 P5.7/TBOUTH!RST/NMITDO/TDIXT2OUTP6.0/A0P6.1/A1P6.2/A2XT2INAVSSDVSSAVCCTMSTCKTDI 5152535455565758596061626364

12345678

JP4

R8

C9

C1

C10 C13C14 R14

C35

C36

C11C12

A1B2 C13 IC3AA8B9 C6

IC3C

7 14^VDDIC3P^VSS

LED5LED6

D3

3V3OUT 17

USBDM 16

USBDP 15

_RESET 19

27 OSCI

28 OSCO

GND17 GND218 GND321 TXD 1 RXD 5 _RTS 3 _CTS 11 _DTR 2 _DSR 9 _DCD 10 _RI 6

CBUS0 23 CBUS1 22 CBUS2 13 CBUS3 14 CBUS4 12

VCCIO4

AGND25

26 TEST

VCC20

IC5 CS 1

DI 2 GND 3 VCC 4 SCK 5 GND1 6 DO 7 IRQ 8

WP WP

CD CD

SW SW

SHIELD 14

D+

D- VBUS GND

R1

21

Q1

Q3

R4

R5 12

JP1 12

JP2

GATE1 2 GATE2 7

GND3

4 IN1 5 IN2

VCC6IC2 Q2

D S GQ4

D S G

SHDN/

5 2LBI

LBO/3 4REF

FB1

LX7 OUT8

GND6

IC4

C2

L1R2

1 2 3 JP3

1 2 3 JP5

1 2

JP7

1 2

JP6 1

2 3 4 5

MPS_RST

VDD

VDD VDD

GND

GND

GND TDI TCLKTCK TDOTMS

ONOFF1

ONOFF2

VSERIE VSERIE

3.3

SHOOT2 SHOOT1

CSVCC_SDSCK MOSI

MISO

4.0MHz xtal 3k

VDD

100n 1n

GND

GND

GND

GND

1n

GND

VDD

10k

VDD 100nf

>22uF

GND

GND

4066D

4066D

VDD GND 4k7

2k

2k LTC1157

GND 2N3819

2N3819

MAX1674

GND

GND GND

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Interface utilisateur

• L’utilisateur emm`ene son circuit pour acqu´erir une trace.

• Logiciel graphique de r´eception des traces enregistr´ees et conversion aux divers formats : gnuplot, KML, page web ...

• Condition n´ecessaire pour faire adopter le circuit par des utilisateurs en dehors de la communaut´e des d´eveloppeurs.

• Interface graphique portable sous GNU/Linux/Windows, programm´ee en Qt avec gestion

“optimis´ee” de la communication par port s´erie.

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Statistiques du trajet

Une page web capable de traiter un fichier au format NMEA pour en extraire des informations (Julien Garcia, Sequanux) :

http://sequanux.org/jg/stats.html?file=http://espace.web/fichier.nmea

$GPRMC,112634.000,A,4545.4884,N,00306.0006,E,29.75,206.66,090808,,*37

$GPGGA,112635.000,4545.4807,N,00305.9952,E,1,07,1.1,408.2,M,48.7,M,,0000*56

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,15,,,,,,2.1,1.1,1.7*38

$GPRMC,112635.000,A,4545.4807,N,00305.9952,E,30.94,206.43,090808,,*3F

$GPGGA,112636.000,4545.4728,N,00305.9896,E,1,07,1.1,408.4,M,48.7,M,,0000*58

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,15,,,,,,2.1,1.1,1.7*

$GPRMC,112636.000,A,4545.4728,N,00305.9896,E,32.28,206.55,090808,,*35

$GPGGA,112637.000,4545.4645,N,00305.9837,E,1,07,1.1,408.6,M,48.7,M,,0000*5A

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,15,,,,,,2.1,1.1,1.7*38

$GPRMC,112637.000,A,4545.4645,N,00305.9837,E,33.47,206.91,090808,,*35

$GPGGA,112638.000,4545.4560,N,00305.9775,E,1,08,1.0,408.7,M,48.7,M,,0000*57

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPRMC,112638.000,A,4545.4560,N,00305.9775,E,34.28,206.97,090808,,*3F

$GPGGA,112639.000,4545.4473,N,00305714,E,1,08,1.0,408.9,M,48.7,M,,0000*5C

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPGSV,3,1,10,15,81,167,49,26,63,132,49,09,41,278,41,28,37,051,46*7A

$GPGSV,3,2,10,18,32,295,35,17,27,105,47,12,16,212,48,22,08,325,32*79

$GPGSV,3,3,10,10,04,180,35,08,02,078,*77

$GPRMC,112639.000,A,4545.4473,N,00305.9714,E,34.82,206.18,090808,,*3D

$GPGGA,112640.000,4545.4385,N,00305.9652,E,1,08,1.0,409.2,M,48.7,M,,0000*55

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPRMC,112640.000,A,4545.4385,N,305.9652,E,35.04,206.43,090808,,*3F

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPRMC,112640.000,A,4545.4385,N,305.9652,E,35.04,206.43,090808,,*3F

$GPGGA,112641.000,4545.4297,N,00305.9590,E,1,08,1.0,409.5,M,48.7,M,,0000*5C

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPRMC,112641.000,A,4545.4297,N,00305.9590,E,35.08,206.40,090808,,*3E

$GPGGA,112642.000,4545.4209,N,00305.9528,E,1,08,1.0,409.8,M,48.7,M,,0000*56

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPRMC,112642.000,A,4545.4209,N,00305.9528,E,34.87,206.36,090808,,*3E

$GPGGA,112643.000,4545.4122,N,00305.9466,E,1,08,1.0,410.0,M,48.7,M,,00*56

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPRMC,112643.000,A,4545.4122,N,00305.9466,E,34.38,206.54,090808,,*3E

$GPGGA,112644.000,4545.4036,N,00305.9406,E,1,08,1.0,410.3,M,48.7,M,,0000*50

$GPGSA,A,3,09,18,26,12,28,17,22,15,,,,,1.7,1.0,1.4*3F

$GPGSV,3,1,10,15,80,167,49,26,63,132,49,09,41,278,46,28,37,051,45*7F

$GPGSV,3,2,10,18,32,295,42,17,27,104,47,12,16,213,48,22,08,325,37*7C ...

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Exploitation des trames

• Circuit initialement d´evelopp´e pour participer au projet UPCT.

• int´egration des trames dans Google Maps et Google Earth

• lesencoded polylinespour permettre l’inclusion de traces volumineuses dans Google Maps

• r´ecemment, G´eoportail a diffus´e une API capable d’int´egrer les fichiers au format KML dans les cartes de l’IGN

• interfaces de calcul de statistiques du trajet (perl, PHP)

UPCT est mort⇒OpenStreetMap et son format GPX

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Exemple de page compatible avec Google Maps

• enregistrement aupr`es de Google pour obtenir une cl´e pour un site web

• exploitation de l’API Google Maps (GM) pour charger une carte

• exploitation de l’objet GPolyline qui prend en argument une liste de points GLatLng

• ajout de traces sur cette carte (Encoded Polyline)

• conversion automatique de trames NMEA en page HTML compatible GM en PHP.

<script src="http://maps.google.com/maps?file=api&amp;v=2&amp;

key=ABQIAAAA5Q7z5c..."

type="text/javascript">

var map = new GMap(document.getElementById("map"));

map.setMapType(G_SATELLITE_TYPE);

map.addControl(new GLargeMapControl());

map.addControl(new GMapTypeControl());

map.addControl(new GScaleControl());

map.centerAndZoom(new GPoint(clon, clat),5);

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Les GPolyline de Google Maps

Chaque segment de polygone est d´efini par ses coordonn´ees et sa couleur ⇒ souplesse mais lenteur de l’affichage d’un grand nombre de points.

points=[];

points.push(new GPoint(lon,lat));

map.addOverlay(new GPolyline(points, "#FF0000", 2, .75));

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Exemple de page compatible avec Google Maps

<script src="PolylineEncoder.js" type="text/javascript"></script>

...

function p(lon,lat) {points.push(new GLatLng(lat, lon));}

function o(pres) {

var pe = new PolylineEncoder(9,4,pres); // $pres=0.000001 polyline = pe.dpEncodeToGPolyline(points,"#FF0000", 2, .75);

map.addOverlay(polyline); points=[];}

// map.addOverlay(new GPolyline(points, "#FF0000", 2, .75));points=[];}

function m(point,html) {

var marker = new GMarker(point);

map.addOverlay(marker);

GEvent.addListener(marker, "click", function() { marker.openInfoWindowHtml(html);

});

return marker;

}

4classe d´evelopp´ee par Mark McClure : la classe PolylineEncoder disponible `a http://facstaff.unca.edu/mcmcclur/GoogleMaps/EncodePolyline/.

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Exemple de page compatible avec Google Earth

• Google Earth est une application ex´ecut´ee en local (pas

d’enregistrement) capable d’interpr´eter des scripts au format KML

• ces scripts contiennent des primitives du type affichage de trac´es vectoriels ou ajout d’une image bitmap sur le fond de carte

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<kml xmlns="http://earth.google.com/kml/2.0">

<Placemark>

<description>Trajet Besancon-Chamonix, 23-06-2006</description>

<name>Absolute Extruded</name>

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Exemple de page compatible avec Google Earth

Initialisation du point de vue de la trace :

<LookAt>

<longitude>6.02194166666667</longitude>

<latitude>47.24624</latitude>

<range>4451.842204068102</range>

<tilt>44.61038665812578</tilt>

<heading>-125.7518698668815</heading>

</LookAt>

Propri´et´es de la trace :

<visibility>1</visibility>

<open>0</open>

<Style>

<LineStyle> <color>ff00ffff</color> </LineStyle>

<PolyStyle> <color>7f00ff00</color> </PolyStyle>

</Style>

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Exemple de page compatible avec Google Earth

<LineString>

<extrude>1</extrude> <tessellate>1</tessellate>

<altitudeMode>absolute</altitudeMode>

<coordinates>

6.02194166666667,47.24624,100

6.02194333333333,47.2462416666667,100 6.02194333333333,47.2462433333333,100 ...

</coordinates> </LineString> </Placemark> </kml>

→N´ecessite une conversion du format degr´e.minute en degr´es d´ecimaux.

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Aller plus loin avec Google Earth

• possibilit´e de plaquer des images bitmap au dessus des images a´eriennes (par exemple cartographie d’une grandeur physique)

• possibilit´e d’ajouter des marqueurs.

(exploitation de la projection cylindrique⁵)

5http://www.eos.ubc.ca/~rich/map.html

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Exemple de page compatible avec Geoportail

• enregistrement aupr`es de l’IGN pour obtenir une cl´e

• exploitation de l’API Geoportail (GP) pour charger un fond de carte et commandes associ´ees

• ajout d’une couche charg´ee de placer sur une carte le contenu d’un fichier au formal KML

• seul un sous-ensemble (mais les plus importantes) des fonctions est support´e

<script type="text/javascript"

src="http://api.ign.fr/api?v=1.0beta&key=3201412424458240710&instance=map">

</script>

<script type="text/javascript"

src="./Geoportail-API-1.0beta2-src/js/lib/archetype.js?page=init">

</script>

...

geoportalLoadmap("MapDiv", "normal", "FXX");

map.setCenterAtLonLat(3.016111,45.786667,11);

map.openLayersPanel(false);

map.openToolsPanel(false);

map.addGeoportalLayers(map.allowedGeoportalLayers);

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Geoportail (2)

• Fond de cartes IGN + multiples traces facilement superposables : une nouvelle couche par fichier KML `a ins´erer

• le format (couleur, ´epaisseur de trait) est d´efini dans le fichier KML que Geoportail se contente de lire.

• format KML supporte les traces (<LineString>) ou photos (<Icon>...<href>dscn1736.jpg ... <w>100</w> ...</href>)

map.addLayer("KML","GPS jmfriedt", "060416.kml", {format: new Geoportal.Format.KML(

{externalProjection: map.getProjection()}), minZoomLevel:7});

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GP v.s. GM

• Selon les sites, Geoportail semble fournir une meilleure r´esolution et un grandissement maximum plus important (cf autour de

Besan¸con).

• La qualit´e du positionnement varie selon les lieux

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G´ eolocalistion de photos

• tout appareil photo num´erique (APN) poss`ede une horloge temps r´eel

• date et heure de prise de vue sont stock´ees dans l’entˆete EXIF lors de la prise de vue

• apr`es calibration entre l’heure “juste” du GPS et l’heure du capteur (APN), on peut identifier la position par comparaison des dates

• m´ethode impl´ement´ee en Perl, PHP et C++ (Qt)

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G´ eolocalistion de photos

• tout appareil photo num´erique (APN) poss`ede une horloge temps r´eel

• date et heure de prise de vue sont stock´ees dans l’entˆete EXIF lors de la prise de vue

• apr`es calibration entre l’heure “juste” du GPS et l’heure du capteur (APN), on peut identifier la position par comparaison des dates

• m´ethode impl´ement´ee en Perl, PHP et C++ (Qt)

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Mat´eriel Interface sous Qt Google Maps Google Earth Geoportail Photographies num´eriques Conclusion et bibliographie

G´ eolocalistion de photos

Une s´erie de photos est plac´ee dans un r´epertoire avec la trace GPS associ´ee. Un script PHP recherche quelle photo est prise quand, et donc o`u.

if ($dh = opendir($dir)) {

while (($fileimg = readdir($dh)) !== false) {

if ((substr($fileimg,strlen($fileimg)-4)==’.JPG’) || (substr($fileimg,strlen($fileimg)-4)==’.jpg’)) {

$exif = exif_read_data($fileimg, 0,true); $val=$exif[IFD0][DateTime];

list($date,$val)=explode(" ",$val); list($heu,$min,$sec)=explode(":",$val);

...

$dateimgs[$n]=sprintf ("%02d%02d%02d", $heu,$min,$sec);

$nomimg[$n]=$fileimg;

$n=$n+1;

} } } ...

$photnum=array_search($heure,$dateimgs);

print "var singlepoint = new GPoint($loni,$lati);";

print "var marker$photnum = m(singlepoint,’<b>$nomimg[$photnum]: \

$heure<br> $loni,$lati</b><br><a href=\"$nomimg[$photnum]\"> <img src=\"$nomimg[$photnum]\" height=\"135\" width=\"180\"> </a>’);";

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Modification de l’entˆ ete EXIF

• Au lieu de rechercher `a chaque nouvelle consultation de la page web quelle photo est prise quand→o`u, modification de l’entˆete EXIF pour y ajouter la position.

• Scriptgphotoync(http://sequanux.org/jg/) de Julien Garcia (Sequanux, Besan¸con).

• Le script PHP se contente alors de lire r´ecursivement les r´epertoires contenant des photos et de les afficher au bon endroit.

• solution compatible avec Panoramio

Identification dans chaque r´epertoire des photos en JPEG, lecture de l’entˆete EXIF `a la recherche de la po- sition :

$exif=exif_read_data($photo,0, true);

list($x,$y)=split("/",$exif[’GPS’][’GPSLatitude’][0]);

if ($y!=0) $c1=intval($x)/intval($y);

list($x,$y)=split("/",$exif[’GPS’][’GPSLatitude’][1]);

if ($y!=0) $c2=intval($x)/intval($y);

list($x,$y)=split("/",$exif[’GPS’][’GPSLatitude’][2]);

if ($y!=0) $c5=intval($x)/intval($y);

$latitude=intval($c1)+(intval($c2)+intval($c5)/60)/60;

list($x,$y)=split("/",$exif[’GPS’][’GPSLongitude’][0]);

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Conclusion

• Enregistrement continu des trame GPS fournit des bases de donn´ees originales

• Exploitation des donn´ees vis `a vis de cartes existants

• G´eolocalisation d’´ev`enements, de mesures scalaires ou des photos

• J’ai pr´esent´e ici des interfaces avec les bases de donn´ees gratuites accessiblesviale web : nombreux autres outils sp´ecialis´es pour l’exploitation de donn´ees g´eor´ef´erenc´ees (GRASS)

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Bibliographie

Description d´etaill´ee de ces activit´es :

1 J.-M Friedt, E. Carry,Enregistrement de trames GPS –

d´eveloppement sur microcontrˆoleur 8051/8052 sous GNU/Linux, GNU/Linux Magazine France,81 (F´vrier 2006), disponible `a http://jmfriedt.free.fr/lm_gps.pdf

2 J.-M Friedt, E. Carry,Acquisition et diss´emination de trames GPS `a des fins de cartographie libre, GNU/Linux Magazine France, Hors S´erie27 (Octobre 2006), disponible `a

http://jmfriedt.free.fr/lm_hs27_gps.pdf

3 J.-M. Friedt,G´eolocalistion de photographies num´eriques, GNU/Linux Magazine France96, Juillet/Aout 2007, disponible `a http://jmfriedt.free.fr/lm_photos.pdf

Livres :

1 S. Erle, R. Gibson & J. Walsch,Mapping Hacks, O’Reilly (2005)

2 R. Gibson & J. Walsch,Google Maps Hacks, O’Reilly (2006)

3 J.P. Snyder,Flattening the Earth, University Of Chicago Press (1997)

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