OpenStreetMap

Höhenprofile aus GPS Tracks

Posted by Robhubi on 27 April 2020 in German (Deutsch)

10vorGraz ist eine nette, hügelige Radroute westlich von Graz. Die Hauptroute ist ein Rundkurs mit einigen Zufahrten von Graz. In OSM waren ursprünglich alle Wege in einer Relation, mit dem Nachteil, dass Höhenprofil und Weglänge aussagelos waren. Nach Restrukturierung der Relation in Hauptroute und Zubringer sah das Profil schon viel besser aus:

Abb1.: Höhenprofil 10vorGraz Hauptroute (Quelle: Waymarked Trails, route=63364) WMT Höhenprofil

Die kumulierten hm waren jedoch überraschend, die Route hat sich nach deutlich mehr angefühlt. Zum Vergleich mit anderen Auswerteprogrammen wurden 3 Datensätze erzeugt:

  1. Hauptroute 10vorGraz von WMT runtergeladen. Dieser File hat keine Höhendaten.
  2. Mit GPS Visualizer SRTM-1 DEM-Daten hinzugefügt
  3. Mit GPS Visualizer SRTM-3 DEM-Daten hinzugefügt

Für eigene Erprobungen können die 3 Files „10-vor-graz-genusstour*.gpx“ hier heruntergeladen werden. Kommentare mit den Ergebnissen sind willkommen.

Abb. 1: Vergleich der ausgegebenen kumulierten Höhenmeter der Route 10vorGraz mit SRTM-1 (30m) bzw. SRTM-3 (90m) Höhendaten. Ausnahmen sind mit *) und **) gekennzeichnet:
*) WMT und Strava verwenden andere bzw. unbekannte Höhendaten; **) Garmin GPS mit barometrischen Höhendaten
DEM Vergleich

Abb. 2: Statistik der kumulierten Anstiege der Route 10vorGraz. Gruppiert nach DEM-Typ. Gruppe 1: nur mit SRTM1 berechnet; Gruppe 2: nur mit SRTM3 berechnet; Gruppe 3: alle DEM ohne SRTM3 DEM Statistics

Resüme

Die SRTM1 Höhendaten liefern deutlich stabilere Anstiege, als die SRTM3 Höhendaten. Die mit SRTM3 bestimmten Anstiege haben etwa die doppelte Streu-Bandbreite, wobei die Streuung nur nach oben vergrößert ist. Alle Programme, die andere bzw. unbekannte DEM-Daten verwenden, liegen im Streubereich der SRTM1-Daten.

Die 900 hm von Waymarked Trails sind klar als Ausreißer zu bezeichnen, kein anderes Programm liefert auch nur annähernd so niedrige Werte. Der Abstand zum unteren Quartil liegt beim 3,2-fachen des Interquartilsabstandes (übliche Ausreißergrenze: 1,5-fach). Die auffallend starke Glättung des Höhenprofiles könnte eine Erklärung für den sehr niedrigen Wert des kumulierten Anstiegs sein.

Ohne SRTM-3 Anstiege liegt der Median von allen 15 Tests bei 1699 hm. Die barometrische Messungen der beiden Garmins passen mit 1645 bzw. 1735 hm gut dazu. Die Frage welcher Wert dem wahren Anstieg am nächsten kommt, bleibt im Moment unbeantwortet.

Tab 1: Links zu den Programmen

Programm Links
Waymarked Trails* https://cycling.waymarkedtrails.org/#route?id=63364
GPX Viewer Kompf https://www.kompf.de/trekka
GIS.Lab Karten* http://www.atlsoft.de/gpx/
Show GPX Berkemeier https://www.j-berkemeier.de/ShowGPX.html
Garmin Edge 1030** (GPS-Fahrradcomputer)
GPS Track Viewer https://www.gpswandern.de/gpxviewer/gpxviewer.shtml
QMapShack https://github.com/Maproom/qmapshack/releases
Deine-Berge* https://www.deine-berge.de/gps_viewer.php
Garmin Oregon 650** (GPS-Handgerät)
Strava* https://www.strava.com
ElevationProfiler http://geotrekking.de/tools/elevation-profiler.html
IBP index https://www.ibpindex.com
Trackreport.net https://www.trackreport.net/
uTrack http://utrack.crempa.net/
WTracks https://opoto.github.io/wtracks/



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Datenanalysen (Auszug)

Die SRTM1- und SRTM3- Test-Tracks haben identische Trackpunkte. Da die Trackpunkte ein Download von WMT waren, ist anzunehmen, dass WMT dieselben Trackpunkte verwendet, sicher ist das aber nicht. Die Tracks der beiden Garmins sind reale Aufzeichnungen auf derselben Route. Diese Trackpunkte sind nach Anzahl und Ort naturgemäß unterschiedlich.

Programm: Show GPX - Online GPX-Viewer

Die Webseite von Jürgen Berkemeier zeigt sehr schön die Unterschiede der SRTM1- und SRTM3-Höhendaten. Im direkten Vergleich erscheinen die SRTM3-Daten deutlich unruhiger. Das ist überraschend, da die SRTM3-Daten mit 90m weniger gut aufgelöst sind, als die SRTM1-Daten mit 30m und damit eher weniger feine Details zeigen sollte.

Möglicherweise erfasst der größere Blickwinkel des Radarstrahles – 3 Bogensekunden zu 1 Bogensekunde – mehr vom rauen Randbereich der Straße. Bei der Berechnung des Anstieges wird offenbar ein Großteil dieser Zacken weggefiltert, ansonsten wäre der Unterschied, in den kumulierten Anstiegen, größer.

Abb. 3: Höhenprofile der Route 10vorGraz mit SRTM1- und SRTM3-Höhendaten. Quelle: Show GPX Berkemeier Vergleich SRTM1/SRTM3

SRTM1:
Kumulierter Anstieg: 1643 m
Kumulierter Abstieg: 1644 m
Erfasste Länge: 93,8 km

SRTM3:
Kumulierter Anstieg: 1691 m
Kumulierter Abstieg: 1692 m
Erfasste Länge: 93,8 km

Programm: QMapShack

QMapshack ist ein Desktop Programm zur Planung und Verwaltung von Tracks unter Windows und Linux.

Abb. 3: Höhenprofile der Route 10vorGraz mit SRTM3- (oben), SRTM1-Höhendaten (Mitte) und echte Aufzeichnung mit barometrischer Höhenmessung (unten). Die DEM-Daten (rot) sind oben und in der Mitte ident QMapShack

DEM- (10m x 10m), SRTM1- und Baro-Höhendaten sind sehr ähnlich, die SRTM3-Daten zeigen hingegen die schon bekannte Störüberlagerung.

Mit unveränderten Einstellungen berechnet QMapshack den kumulierten Anstieg der SRTM3-Daten um knapp 300 hm höher, als mit den SRTM1-Daten. Mit zusätzlichen Filter kann der Unterschied stark verkleinert werden.

SRTM3:
Kumulierter Anstieg: 1980 m / 1710 m (Median 9Pkt) / 1705 m (Interpolation fein)
Kumulierter Abstieg: 1980 m / 1710 m (Median 9Pkt) / 1705 m (Interpolation fein)
Erfasste Länge: 94 km

SRTM1:
Kumulierter Anstieg: 1690 m
Kumulierter Abstieg: 1690 m
Erfasste Länge: 94 km

DEM 10m:
Kumulierter Anstieg: 1710 m
Kumulierter Abstieg: 1710 m
Erfasste Länge: 94 km

Baro von Garmin Edge 1030, Anstieg berechnet von QMS:
Kumulierter Anstieg: 1645 m
Kumulierter Abstieg: 1630 m
Erfasste Länge: 93 km

Rohdaten versus Höhenprofil Waymarked Trails

Die barometrisch bestimmten Höhendaten wurden direkt dem GPX-Track entnommen. Nur die Entfernungen vom Startpunkt wurden aus den Punktkoordinaten errechnet.

Abb. 4: Vergleich der ungefilterten Höhen-Rohdaten „ele“ aus dem GPX-Track mit den Höhendaten von WMT. Route 10vorGraz, GPS Garmin Edge 1030 Rohdaten

Wenn WMT dieses Höhenprofil nicht nur zur Anzeige, sondern auch als Grundlage für den kumulierten Anstieg verwendet, ist klar, warum WMT so viel tiefer misst. WMT ist sich dieser Problematik bewusst. Siehe https://cycling.waymarkedtrails.org/help/rendering/elevationprofiles

Location: Pirka, Hitzendorf, Graz-Umgebung, Steiermark, 8151, Österreich

Comment from Luzandro on 28 April 2020 at 17:27

Ein älterer Blog-Artikel des ehem. GPSies-Entwicklers zu dem Thema: https://blog.gpsies.com/article/206/hoehenmeter-gpsies-sucht-die-wahrheit

Eine mögliche Interpretation zu den unruhigeren SRTM3-Daten: einerseits erwartet man zwar eine stärkere Glättung, andererseits hat dabei die landschaftliche Umgebung auch mehr Einfluss. D.h. auch wenn die Straße relativ gerade verläuft, haben Hügel und Abgründe daneben mehr Einfluss auf die dort berechnete Höhe.

Comment from Robhubi on 28 April 2020 at 19:40

Die Interpretation der unruhigen SRTM3-Daten klingt plausibel.

Ich erinnere mich an diesen GPSies-Artikel. Ich habe die Fixierung auf die „richtige“ geometrische Höhensumme nicht verstanden. Für mich ist der kumulierte Anstieg als Maß für den Energieaufwand interessant. Mein Entwicklungsansatz würde daher mit der Energieäquivalenz bei zunächst idealen Höhenprofil beginnen.

Wo die Wahrheit liegt ist schon eine spannende Frage.

Comment from Luzandro on 29 April 2020 at 17:54

Ich habe mir jetzt noch die Werte für 2 weitere Tools angesehen:

Komoot zeigt mir als gemachte Tour 1940hm an, beim Neuplanen, wenn es auf das Streckennetz gemappt wird, 1730hm.

Locus Map zeigt mir nach dem Importieren 1823hm und dabei bleibt es auch, wenn ich “Höhendaten aktualisieren” sage, wofür ich diese 1sec Daten verwende: http://data.opendataportal.at/dataset/dtm-austria

Die standardmäßig von Locus heruntergeladenen 3sec-Daten kommen auf 1941hm

Comment from westis on 6 May 2020 at 12:58

Very interesting. I’m trying to get the elevation of different hiking routes in Sweden. Based on this research, what would be the best tool available to calculate elevation gain that is as close to reality (that is, barometric measurement from a good GPX watch, I suppose) as possible? Komoot, AllTrails, Plotaroute, Trace de Trail etc. all give very different results.

If the gpx file comes from Waymarked Trails, that is without any elevation data, then it seems like a threshold of 10m to calculate elevation gains gives a much more true number than a lower threshold for example.

Comment from Robhubi on 6 May 2020 at 20:43

Which tool comes closest to the truth, I cannot yet say. I’m still looking for the answer. It’s gonna take some time. The optimum threshold depends on the magnitude of the average height error. For SRTM3 data it may be appropriate or even too small. In my opinion 10m is much too high for the Garmins on the 10vorGraz route. But at the moment this is still a gut feeling, data is still coming.

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