Month: December 2021

Globales Positionierungssystem: eine neue Chance für die Messung körperlicher Aktivität

Posted on by Rüdiger Hermann

Globales Positionierungssystem: eine neue Chance für die Messung körperlicher Aktivität

Eine genaue Messung der körperlichen Aktivität ist eine Voraussetzung für die Überwachung des Aktivitätsniveaus der Bevölkerung und die Entwicklung wirksamer Maßnahmen. Die Technologie des Global Positioning System (GPS) bietet das Potenzial, die Messung der körperlichen Aktivität zu verbessern. Dieser Artikel gibt 1) einen Überblick über die vorhandene Literatur zur Anwendung von GPS zur Überwachung menschlicher Bewegung, mit besonderem Schwerpunkt auf körperlicher Aktivität im Freien, 2) erörtert Probleme im Zusammenhang mit der GPS-Nutzung und 3) gibt Empfehlungen für zukünftige Forschung. Die Ergebnisse zeigen, dass GPS ein nützliches Instrument ist, um unser Verständnis von körperlicher Aktivität zu erweitern, da es den Kontext (Standort) der Aktivität liefert und in Verbindung mit geografischen Informationssystemen einen gewissen Einblick in die Interaktion von Menschen mit ihrer Umwelt geben kann. Allerdings haben keine Studien gezeigt, dass GPS allein ein zuverlässiges und gültiges Maß für körperliche Aktivität ist.

Hintergrund

Die Prävalenz der körperlichen Inaktivität (keine oder nur sehr geringe körperliche Betätigung am Arbeitsplatz, zu Hause, im Verkehr oder in der Freizeit) wird weltweit auf 17 % geschätzt, während die Schätzung für ein unzureichendes Maß an körperlicher Betätigung (< 150 Minuten moderate oder < 60 Minuten intensive Bewegung pro Woche) bei 40 % liegt. Bewegungsmangel wird mit einem erhöhten Risiko für ischämische Herzkrankheiten, Typ-2-Diabetes, Dickdarmkrebs, Depressionen und Brustkrebs in Verbindung gebracht. Eine genaue Messung der körperlichen Aktivität ist eine Voraussetzung für die Überwachung des Niveaus der körperlichen Aktivität und die Entwicklung wirksamer Maßnahmen.

Ein großes Manko der bisherigen Bewegungsforschung ist der Mangel an objektiven, praktischen und kostengünstigen Instrumenten zur Messung der körperlichen Aktivität und des Energieverbrauchs in großem Maßstab. Gegenwärtig gilt doppelt markiertes Wasser (DLW) als “Goldstandard” für die Bestimmung des Gesamtenergieverbrauchs, doch seine Nützlichkeit für eine breit angelegte bevölkerungsbasierte Forschung wird durch die Belastung der Teilnehmer und die hohen Kosten eingeschränkt. Methoden wie die direkte Beobachtung sind zeitaufwendig und in großem Maßstab nicht praktikabel. Sekundäre Messinstrumente wie Herzfrequenzmesser (die Aufschluss über die Trainingsintensität geben), Beschleunigungsmesser (die die Anzahl der Bewegungen anzeigen) und Schrittzähler liefern zwar eine objektive Bewertung der körperlichen Aktivität, aber keine Informationen über den Kontext der Aktivität wie Ort, zurückgelegte Strecke und Geschwindigkeit.

Ein neues und potenziell wertvolles Instrument zur Verbesserung der Bewertung der körperlichen Aktivität ist das Global Positioning System (GPS). Ein besseres Verständnis der Art der körperlichen Aktivität (oder Inaktivität) ist unerlässlich, wenn wir wirksame Maßnahmen entwickeln und umsetzen wollen. Die Technologie des Global Positioning System (GPS) hat das Potenzial, unser Verständnis von körperlicher Aktivität durch die Bereitstellung von Standortinformationen zu verbessern. Forscher haben damit begonnen, die GPS-Technologie in Studien zur körperlichen Aktivität zu integrieren. Da die Technologie jedoch relativ neu ist, gibt es derzeit nur eine Handvoll solcher Forschungsstudien. Ziel dieses Artikels ist es, einen Überblick über die Literatur zur Anwendung von GPS zur Überwachung der menschlichen Bewegung zu geben, wobei der Schwerpunkt auf der körperlichen Aktivität im Freien liegt. Im Einzelnen wird zunächst GPS beschrieben, es wird untersucht, wie es zur Bewertung menschlicher Bewegung eingesetzt wurde, und es werden Empfehlungen für die künftige Forschung gegeben.

Was ist GPS?

Das Global Positioning System (GPS) ist derzeit das einzige voll funktionsfähige globale Satellitennavigationssystem (GNSS). Vierundzwanzig GPS-Satelliten umkreisen derzeit die Erde und senden Signale an GPS-Empfänger, die den Standort, die Richtung und die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Seit dem Start des ersten Versuchssatelliten im Jahr 1978 hat sich das GPS zu einem unverzichtbaren Instrument für die Navigation und zu einem wichtigen Hilfsmittel für die Landvermessung und Kartografie entwickelt. GPS liefert auch eine präzise Zeitreferenz, die in vielen Anwendungen wie der wissenschaftlichen Erforschung von Erdbeben und der Synchronisierung von Telekommunikationsnetzen eingesetzt wird.

GPS wurde ursprünglich vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (USA) entwickelt. Aufgrund seiner militärischen Anwendung wandte das US-Verteidigungsministerium den selektiven Fehler an, einen absichtlichen Fehler, der in das System eingebettet ist, um das Risiko zu verringern, dass feindliche Kräfte das hochpräzise System nutzen. Im Jahr 2000 gab der damalige Präsident Clinton bekannt, dass er das US-Militär angewiesen hatte, die Verschlüsselung der Signale des GPS-Satellitennetzes (Global Position System) einzustellen, so dass die Daten auch für zivile GPS-Besitzer zugänglich wurden.

Die Position eines GPS-Empfängers wird berechnet, indem die Entfernung zwischen ihm und drei oder mehr GPS-Satelliten gemessen wird. Jeder Satellit ist mit einer Atomuhr ausgestattet. Beim ersten Einschalten durchlaufen die GPS-Geräte eine Initialisierungsphase, in der sie Signale von den Satelliten erfassen und die GPS-Uhr mit der Atomuhr des Satelliten synchronisieren. GPS-Geräte empfangen und analysieren ständig Funksignale von den Satelliten und berechnen die genaue Entfernung (Reichweite) zu jedem georteten Satelliten. GPS-Geräte verwenden Trilateration, eine mathematische Technik, um die Position, Geschwindigkeit und Höhe des Benutzers zu bestimmen.

GPS wird heute in einer Vielzahl von kommerziellen und Forschungsanwendungen eingesetzt, z. B. in den Bereichen Umweltexposition, Landwirtschaft, Ökologie, Fahrbewertung, Schätzung der Reisezeit und seit kurzem auch in der Sportwissenschaft. Technologische Verbesserungen haben zu tragbaren GPS-Geräten geführt, die über einen ausreichenden Speicher verfügen, um Positionsdaten über einen längeren Zeitraum zu speichern, und somit die Möglichkeit bieten, Standortinformationen zu geringen Kosten zu erhalten. Trotz der verbesserten Tragbarkeit ist GPS nicht uneingeschränkt nutzbar. GPS-Geräte können ihre Position in Innenräumen (insbesondere in Betongebäuden), unter dichten Baumkronen und in dichten städtischen Gebieten oft nicht aufzeichnen.

Bevor das Satellitensignal den GPS-Empfänger erreicht, wird es durch eine Vielzahl von Quellen wie atmosphärische Bedingungen und lokale Hindernisse beeinflusst, was zu Fehlern in der berechneten Entfernung zum Satelliten und damit auch in der berechneten Geschwindigkeit und Position führen kann. Um diesen Fehler zu beheben, wurde das Differential-GPS (dGPS) eingesetzt, bei dem stationäre Empfänger an bekannten Standorten am Boden platziert werden, um ihre festen Positionen mit der von den Satelliten angegebenen Position zu vergleichen. Mit Hilfe von Funkwellen werden die korrigierten Signale von den stationären Empfängern über einen Differentialempfänger an den GPS-Empfänger gesendet.

GPS-Geräte benötigen beim ersten Einschalten eine Initialisierungsphase, in der das GPS das Signal von den Satelliten empfängt, um Positionsdaten zu erhalten. Die Initialisierungszeit variiert je nach GPS-Marke und -Modell, kann aber zwischen 15 Sekunden und fünf Minuten betragen.

Globales Positionsbestimmungssystem (GPS)

Posted on by Rüdiger Hermann

Globales Positionsbestimmungssystem (GPS)

GPS ermöglicht die einfache Aufzeichnung des Standorts natürlicher und vom Menschen geschaffener Merkmale auf dem Land. Es ermöglicht die Identifizierung des Aufnahmeortes von Fotos oder Videos, die Wiederholung von zuvor aufgenommenen Merkmalen und vieles mehr.

Was ist GPS?

Das Global Positioning System (GPS) ist ein weltraumgestütztes Navigationssystem, das eine Konstellation von Satelliten nutzt, um den Standort der Empfangseinheit auf der Erde zu bestimmen. GPS-Satelliten umkreisen den Globus in einer präzisen Umlaufbahn und senden kodierte Funksignale aus; mindestens vier ihrer Signale können jeden beliebigen Punkt der Erde gleichzeitig erreichen. Diese Signale können Wolken, Glas und Plastik durchdringen; die Signale werden schwächer, wenn sie feste Objekte wie Gebäude durchdringen, und können nicht durch Objekte mit hohem Metallgehalt hindurchgehen. Für den Naturschutz ist es wichtig zu wissen, dass ein GPS-Gerät keine Satellitensignale empfängt, wenn es sich unter einem dichten Walddach, unter der Erde oder unter Wasser befindet.

Obwohl GPS ursprünglich in den 1980er Jahren für militärische Zwecke entwickelt wurde, bietet die Technologie heute Positions-, Geschwindigkeits- und Navigationsinformationen für eine Vielzahl von Benutzern.

Einsatz von GPS für den Naturschutz:-

GPS hilft Naturschutzorganisationen und Gemeinden bei der Verwaltung von Grundstücken, indem es Positionsdaten in Form von Punkten (z. B. Standort eines Baumes oder einer Grundstücksecke), Linien (z. B. ein Weg) oder Flächen (z. B. ein See) aufzeichnet. Durch den Import der Daten in ein geografisches Informationssystem (GIS) können die Benutzer Karten mit diesen Daten erstellen.

Um GPS effektiv nutzen zu können, muss eine Organisation in eine Kombination aus Ausrüstung und Software investieren und Mitarbeiter für die Bedienung der Geräte ausbilden oder einstellen.

Kartierung von Landschaftsmerkmalen:-

Mit GPS können die Benutzer die Lage einer Vielzahl von Merkmalen im Gelände kartieren, z. B. ausgewachsene Wälder, Solitärbäume, invasive Arten, Bodenerosion, durch Brände gestörte Gebiete, Uferpuffer und Wasserwege. Die Benutzer können auch vom Menschen geschaffene Merkmale wie Wege, Bänke, Gebäude, Straßen, Zufahrten und Zäune kartieren. Einmal kartiert, lassen sich diese Merkmale bei einem erneuten Besuch des Grundstücks leicht mit einem GPS-Gerät lokalisieren.

Verknüpfung von Fotos mit GPS-Koordinaten:-

Die Benutzer können vor Ort digitale Fotos machen und diese mit den GPS-Koordinaten in der GIS-Datenbank verknüpfen. Auf diese Weise können die Benutzer wichtige Merkmale und ihre genaue Position visuell erfassen. Durch den Vergleich von Fotos desselben Ortes, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, können die Benutzer Veränderungen an dem Grundstück feststellen. (Dies kann besonders hilfreich sein, um Dienstbarkeiten zu überwachen und mögliche Verstöße zu erkennen).

Dokumentieren von Grundstücksgrenzen:-

Mit GPS können Benutzer die Koordinaten von Grundstücksgrenzen dokumentieren. In der Vergangenheit haben Vermessungsingenieure Grenzsteine verwendet (die im Laufe der Zeit zerstört oder verschoben werden können), um Grenzen zu definieren. Da GPS exakte Koordinaten anstelle von relationalen Landmarken verwendet, sind die Messungen unabhängig davon, was mit dem umgebenden Land oder den als Landmarken verwendeten physischen Objekten geschieht, immer genau. (Beachten Sie, dass die genaue Vermessung von Grundstücksgrenzen den Einsatz von Vermessungsgeräten voraussetzt; siehe den Abschnitt “Vermessungsgeräte” weiter unten. Je nach Zweck der Vermessung kann es auch gesetzlich vorgeschrieben sein, dass die Arbeiten von einem zugelassenen Vermessungsingenieur durchgeführt werden müssen).

Dokumentieren anderer Grenzen:-

Land Trusts können GPS verwenden, um die Grenzen zwischen Gebieten zu dokumentieren, die im Rahmen einer Erhaltungssatzung unterschiedlichen Einschränkungen unterliegen, z. B. die Grenze zwischen einem Gebiet, das in einem weitgehend wilden Zustand bleiben soll, und einem Gebiet, in dem Landwirtschaft erlaubt ist.

Auswahl eines GPS-Empfängers:-

Ein GPS-Empfänger ist die elektronische Einheit, die Satellitensignale empfängt und Positionsdaten erzeugt, die dann mit Hilfe von Kartierungssoftware analysiert werden können. GPS-Geräte unterscheiden sich stark in Preis und Qualität. Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt, ist es am besten, sich vor dem Kauf über aktuelle Empfänger zu informieren. Einige Unternehmen vermieten Empfänger, so dass Unternehmen die Möglichkeit haben, verschiedene Empfänger zu testen, bevor sie eine Investition tätigen.

Arten von GPS-Empfängern:-

Basis/Freizeit

Diese Geräte sind am preiswertesten. Sie wurden für Freizeitaktivitäten im Freien wie Wandern und Camping entwickelt und liefern grundlegende Breiten- und Längengradkoordinaten, während sie gleichzeitig interessante Punkte und geradlinige Routen aufzeichnen. Die meisten Geräte haben eine Genauigkeit von fünf bis 10 Metern. Benutzer können Punkte nur mit einem Kurznamen und einer ID-Nummer identifizieren; zusätzliche Attribute müssen manuell erfasst und in GIS-Software eingegeben werden. Basisgeräte kosten im Allgemeinen zwischen 200 und 500 US-Dollar.

Map-Grade:-

Diese Geräte sind anspruchsvoller. Sie ermöglichen eine verbesserte Datenerfassung, einen größeren Kartenausschnitt und eine präzisere Navigation. Wenn sie mit WAAS (Wide Area Augmentation System) ausgestattet sind, sind sie bis auf drei Meter genau; mit Differential-GPS kann die Genauigkeit bis auf einen Meter genau sein. Einige können auch zusätzliche Signale von GLONASS-Satelliten empfangen, um die Genauigkeit weiter zu erhöhen. Auf den meisten Geräten sind Basiskarten installiert; detailliertere Karten sind käuflich zu erwerben. Die Geräte können über zusätzliche Funktionen wie Touchscreens oder eingebaute Kameras verfügen. Garmin, Trimble und Magellan sind die führenden Unternehmen, die kartenfähige Geräte anbieten; Trimble bietet die fortschrittlichsten (und teuersten) Geräte an. Die Geräte können je nach Genauigkeitsgrad und anderen Funktionen zwischen 500 und Tausenden von Dollar kosten.

Smartphones und Tablets sind eine weitere Option. Mit integrierter Software oder herunterladbaren GPS-Anwendungen wie MotionX, GPSLogger und GPX Viewer (von mehreren Land Trusts empfohlen) können sie einige der gleichen Funktionen wie ein handelsübliches GPS-Gerät erfüllen. Eine Internetrecherche zeigt eine große Auswahl an GPS-Anwendungen für Apple- und Android-Geräte, und die meisten von ihnen kosten nur ein paar Euro.

Vermessungsgeräte:-

Diese Geräte werden von Vermessungsingenieuren für präzise Messungen verwendet und sind extrem genau, manchmal bis auf einen Zentimeter genau. Sie können mehrere zehntausend Dollar kosten und erfordern eine umfangreiche Ausbildung und Fachkenntnisse, was sie für die meisten Land Trusts und Gemeinden unpraktisch macht.

Luftaufnahme:-

Eine neuere Entwicklung in der GPS-Technologie für Land Trusts ist der Einsatz unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs, auch Drohnen genannt) zur Erfassung datengestützter Luftbilder von Grundstücken. Da UAVs GPS-Signale empfangen, ist jedes von ihnen aufgenommene Videobild mit einem bestimmten Standort verknüpft. Plattformen wie Survae ermöglichen es Land Trusts, diese Daten auf vielfältige Weise zu nutzen, von der Erstellung von GIS-Kartenschichten bis zur Überwachung von Dienstbarkeiten im Laufe der Zeit.