สนุกกับโปรแกรมเครื่องคิดเลขสำหรับงานสำรวจ ตอนที่ 3 โปรแกรมคำนวณระยะทางบนทรงรี สำหรับเครื่องคิดเลข Casio FX 5800P

โปรแกรมคำนวณระยะทางที่สั้นที่สุดบนทรงรี (Geodesic Distance)

•  สวัสดีครับผู้อ่านกลับมาพบกันอีกครั้ง ครั้งนี้หอบเอาสูตรยาวๆมาฝากกัน เรื่องระยะทางบนทรงรีความจริงจัดอยู่ในหมวด  Geodesy ที่ถือว่าเป็นเรื่องยากสำหรับนักศึกษาสมัยก่อน เพราะคำนวณทีต้องเปิดตารางล็อก สมัยนี้ถ้าทำความเข้าใจก็ไม่ได้ยากแล้วครับ มีตัวช่วยมากมายเช่นเครื่องคอมพิวเตอร์
• ระยะทางที่สั้นที่สุดบนทรงรีเรียกว่า Geodesic Distance ถือว่าเป็นะระยะทางที่สั้นที่สุดบนทรงรี จัดเป็นสูตรที่มีมานานนมแล้ว นักคณิตศาสตร์สมัยก่อนคิดค้นขึ้นมาเพื่อช่วยในการคำนวณระยะทางที่สั้นที่สุดเช่นสำหรับการเดินเรือเดินข้ามมหาสมุทร เพราะแผนที่ที่เราใช้กัน ถ้าเมืองท่าที่ต้องการเดินทางนั้นอยู่กันไกลหลายพันไมล์ทะเล จะเอาดินสอมาขีดตรงๆเชื่อมกันบนแผนที่เดินเรือ จะได้ระยะทางที่ไม่ใช่ใกล้ที่สุด จะกลายอ้อมไป
• เคยสังเกตเวลานั่งเครื่องบินไปต่างประเทศไกลๆไหมครับ จะมีรูปเส้นทางบินบนจอมอนิเตอร์ให้ดู จะเห็นเส้นทางบินเป็นเส้นโค้งๆ ไม่ใช่ตรงๆ นั่นเป็นเพราะเส้นโครงแผนที่ ความจริงแนวเครื่องบินก็ไม่ได้เฉไปไหน แต่เมื่อเอาแนวบินมาวาดบนแผนที่ที่ใช้เส้นโครงแผนที่แบบรักษารูปร่าง(Conformal) ที่เราใช้กันในปัจจุบันเช่น UTM เส้นทางบินจะกลายเป็นเส้นโค้งไป

• ก่อนจะไปต่อ ผมอยากจะพูดถึงระยะทางอีกระยะทางหนึ่งบนทรงกลม เรียกว่า Great Circle Distance คือระยะทางที่สั้นที่สุดบนทรงกลม คนโบราณนำระยะทางนี้มาคำนวณเส้นทางการเดินเรือ เส้นทางการบิน แต่เนื่องจากโลกเราไมได้กลมแต่ทรงคล้ายออกมาทางทรงรีมากกว่า Geodesic distance เลยแม่นกว่า Great circle distance แต่คนก็ยังนิยมใช้ Greate circle distance มากกว่าอยู่ดีถึงจะคลาดเคลื่อนจาก Geodesice distance ไปประมาณ 0.1% แต่ก็คำนวณง่ายกว่า ในสูตรไม่มีการวนลูป เรียกสูตรการคำนวณบนทรงกลมนี้ว่า “Haversine“
• ถ้าสนใจเรื่อง Geodesic distance และ Greate circle distance ในรายละเอียดและโปรแกรมคำนวณบนคอมพิวเตอร์ติดตามได้ในโปรแกรม Survey Pocket Tools ของผมได้ที่บล็อก priabroy.name

การประยุกต์ใช้งาน

• บางคนอาจจะว่าไกลตัว แต่เวลาเราค้นหาเส้นทางสำหรับโปรแกรมนำทาง (Navigator) บนโทรศัพท์มือถือทั้งหลาย ทราบไหมว่าเขาคำนวณระยะทางได้อย่างไร อย่างของ google maps ไม่มีเอกสารเปิดเผย แต่หลักการคือเส้นทางต่างๆของกูเกิ้ลจะต่อกันเป็นจุดๆ เรียกว่า node แต่ละโหนดจะมีค่าพิกัดแลตติจูด/ลองจิจูด กำกับอยู่ โปรแกรมจะคำนวณหาระยะทางระหว่างแต่ละโหนดด้วยการนำค่าพิกัดดังกล่าวมาเข้าสูตรคำนวณระยะทางที่สั้นที่สุดบนทรงรี (geodesic distance) หรือไม่ก็ระยะทางบนทรงกลม (great circle distance) เมื่อนำระยะทางแต่ละเส้นมารวมๆกันก็จะได้เป็นระยะทางแสดงให้เราดูบนหน้าจอโทรศัพท์มือถือ
• ส่วนการเลือกเส้นทางจากต้นทางไปจุดหมายปลายทางแต่ละสถานที่ ว่าไปตามถนนเส้นไหนจะสั้นที่สุดอยูในเรื่อง Travelling Salesman Problem (TSP) อันนี้ลึกซึ้งมากครับ ไม่ขอกล่าวถึง
• ในฐานะช่างสำรวจ เราใช้กันมันเกือบทุกวันโดยที่ไม่รู้ตัว ก็ลองมาศึกษากันหน่อยว่ามันทำงาน คำนวณมาให้ได้อย่างไร แต่ก่อนจะไปกันต่อ มาลองซักซ้อมเรื่องความรู้เซอร์เวย์กันเล็กน้อยก่อน

เกร็ดความรู้เล็กน้อยสำหรับช่างสำรวจ

• วันนี้มาว่ากันต่อเรื่องมุมอะซิมัทและฟังก์ชั่น Rec() บนเครื่องคิดเลข Casio FX-5800P ฟังก์ชัน Rec() เอาไว้คำนวณหาค่าพิกัดปลายทาง เมื่อทราบค่าพิกัดต้นทาง, ระยะทางและอะซิมัท
• Rec(r,θ) เขียนใหม่เป็น Rec(ระยะทาง, อะซิมัท) ก่อนจะเข้าวิธีการใช้งาน มาเท้าความกันหน่อย

• ลองมาดูรูปด้านบน กำหนดมุมอะซิมัท (θ) และระยะทาง (R) ต้องการหาระยะทางไปตามแกน X จากจุด A ไปหาจุด B หา ได้เท่ากับ  ระยะทาง x Sine (มุมอะซิมัท)
  • ΔX = R x Sin(θ)  เรียกว่า “Departure” คุ้นๆไหม
• ระยะทางไปตามแกน Y จากจุด A ไปจุด B
  • ΔY= R x Cos(θ)  เรียกว่า “Latitude”
• ดังนั้นค่าพิกัดจุด A หาได้จาก
  • X_B  = X_A + ΔX = X_A + R x Sin(θ)
  • Y_B  = Y_A + ΔY = Y_A + R x Cos(θ) 
• ถ้าจำสูตรยากหรือขี้เกียจจำ ฟังก์ชั่น Rec() ช่วยได้ มาดูตัวอย่าง

• ต้องการทราบค่าพิกัด A เมื่อทราบค่า (X,Y) ของจุด B ดังรูปด้านบน ระยะทาง 100 เมตร อะซิมัทจาก B ไป A = 240º
  • แทนค่าลงไปในสูตร Rec(ระยะทาง, อะซิมัท) = > กดเครื่องคิดเลขเลย Rec(100,240) ผลการคำนวณได้ผลลัพธ์มาสองอย่างคือ ΔX เก็บไว้ในตัวแปร “J” ส่วนค่า ΔY เก็บไว้ในตัวแปร “I”
  •  ผู้อ่านจะสังเกตว่าทำไม  ΔX ไม่เก็บไว้ในตัวแปร “I” และ ΔY ไม่เเก็บไว้ในตัวแปร “J” อย่างที่มันควรจะเป็น ต้องไม่ลืมว่ามุมที่เขาเขียนฟังก์ชันตัวนี้มาคือมุมกวาดจากแกน X แต่เราใช้มุมกวาดจากแกน Y มันเลยสลับร่างสร้างรัก ด้วยประการฉะนี้
• ลอง Recall (RCL) ค่ามาดูจะได้ I = -50 และ J = -86.603
  • X_A  = X_B + ΔX = 586.603 – 86.603 = 500
  • Y_A  = Y_B + ΔY =  550 – 50 = 500
  • คำตอบคือค่าพิกัดจุด A (500,500)
• มุมอะซิมัทเป็นมุมที่มหัศจรรย์ครับ เวลาคูณ Cos กับ Sin มันจะไปตกควอดแรนท์ที่ถูกต้องให้ โดยที่หัวสมองเราไม่ต้องไปนึกตาม ลองคิดถึงุมุม Bearing สิครับ สยดสยอง แต่โชคดีบ้านเราไม่ได้ใช้
• ยังมีเกร็ดเล็กเกร็ดน้อยเกี่ยวกับอะซิมัทอีกนิด มาว่ากันต่อตอนต่อไป

โปรแกรมคำนวณระยะทางที่ส้ั้นที่สุดบนทรงรี (Geodesic Distance)

• มาเข้าเรื่องโปรแกรม ใครที่ไม่ใช่รุ่นหนุ่มๆก็เตรียมยาดมไว้ เผื่อตาลาย ใครที่ชอบความเจ็บปวดก็ไม่ผิดหวังครับ โปรแกรมลากยาวเหยียด เนื่องจากโปรแกรมบนเครื่องคิดเลขไม่สามารถเขียนเป็นบล็อคได้เหมือนภาษาคอมพิวเตอร์บนเครื่องคอมพิวเตอร์ ทำให้เวลาดูโค๊ดยาก มันดูติดกันพรืดไปหมด
• แต่ถ้าถามว่าเขียนยากไหม ไม่ยากเลยครับ ขอให้มีสูตรคือสิ่งที่สำคัญที่สุด ยุคอินเทอร์เน็ต ถ้าลองค้นหาสูตร Geodesic distance ดู รับรองว่ามากันเยอะ ไม่รู้จะเลือกใช้สูตรไหน บางทีคนเอามาเผยแพร่ก็ลงให้ไม่ครบก็มี ตกไปสักบรรทัดเราเอามาใช้ก็ใช้ไม่ได้แล้ว
• มาดูโปรแกรมกันเลยครับ

• การคำนวณจะมีการวนลูปด้วยคำสั่ง For … Next ทุกคร้้งจะมีการเปรียบเทียบค่าใหม่กับค่าเริ่มต้นถ้าค่าต่างกันน้อยกว่า สิบยกกำลังลบสิบสอง (10^-12) การคำนวณจะหยุดทันทีแสดงว่าค่าใช้ได้ ผมลองจับจำนวนครั้งที่วนลูปดูประมาณ 3-4 ครั้งแค่นั้น ในตัวโปรแกรมตัวแปรไปดึงตัวแปรอนุกรม Z มาใช้ทั้งหมด 10 ค่า Z[1], Z[2], Z[3], …. Z[10] ตอนประกาศใช้ใช้คำสั่ง 10→DimZ ตอนเลิกใช้ตอนท้ายโปรแกรมประกาศ 0→DimZ เพื่อคืนเมมโมรีให้กับเครื่องคิดเลข
• เวลาคีย์ชื่อโปรแกรมเนื่องจำกเครื่องคิดเลขจำกัดความยาวตั้งชื่อสั้นว่า “GEODESIC“

วิธีการใช้งานโปรแกรม

• ต้องการระยะทาง Geodesic distance
  • จากจุดที่ 1 ค่า latitude = 14°27’27.0″N longitude = 100°54’12.57″E
  • ไปหาจุดที่ 2 ค่า latitude = 14°36’49.53″N longitude = 98°1’39.63″E
• เรียกโปรแกรมก่อน กดที่ “File” เลื่อนไปที่ “Geodesic“

• ป้อนค่าพิกัดจุดที่ 1 ค่า latitude = 14°27’27.0″N longitude = 100°54’12.57″E

• ป้อนค่าพิกัดจุดที่ 2 ค่า latitude = 14°36’49.53″N longitude = 98°1’39.63″E

ผลลัพธ์ของการคำนวณ

• ผู้อ่านสังเกตไหมเวลากด “EXE” เพื่อคำนวณขั้นสุดท้าย เครื่องจะวูบไปหลายวินาที แต่ถ้าโปรแกรมนี้ถ้าย้ายไปเครื่อง Casio FX-9860G II คงใช้เวลาน้อยกว่าเพราะตามสเป็คแล้วแรงกว่า FX-5800P ประมาณสองเท่า มาดูผลลัพธ์กัน ได้ระยะทาง = 310432.516 เมตร หรือ 310.433 กม.

• เทียบกับโปรแกรม Geodesic ใน Surveyor Pocket Tools ได้ค่าเท่ากัน ซึ่งหมายเหตุอีกนิดว่าอัลกอริทึ่มที่ใช้คำนวณในโปรแกรม Surveyor Pocket Tools ผมใช้ไลบรารีจาก GeographicLib ซึ่งผลลัพธ์การคำนวณตรงกับสูตรที่เราป้อนในเครื่องคิดเลข ก็ทำให้เรามั่นใจครับว่ามาถูกทาง สูตรถูกต้องแล้ว

• ตอนหน้าคงเป็นตอนสุดท้ายแล้ว โปรแกรมที่ผมเขียนไว้คำนวณด้านพื้นฐานมีเยอะพอสมควร แต่เนื่องจากผมค้นดูในอินเทอร์เน็ตมีคนเขียนโปรแกรมขายพร้อมเครื่องอยู่หลายๆท่าน เกรงว่าจะไปปิดทางทำมาหากินกัน (พูดอย่างนี้ไม่ใช่โปรแกรมที่ผมเขียนขึ้นมาจะดีกว่านะครับ) ซึ่งผมเคารพในทรัพย์สินทางปัญญาของทุกๆท่าน ผมจึงพยายามเขียนโปรแกรมสำหรับเครื่องคิดเลขฉีกไปในด้าน advance ในประเด็นที่สูตรยากๆที่โปรแกรมคอมพิวเตอร์สามารถทำได้ เครื่องคิดเลขก็สามารถทำได้เช่นกัน ถึงแม้จะช้ากว่า แต่มีดีที่แบตเตอรีอึด ใช้ได้เป็นปี เครื่องก็เบาคุ้มที่จะพกพาไปไหนมาไหน
• ถึงแม้จะแอพเครื่องคิดเลขบนโทรศัพท์มือถือ จะเอาบวกลบคูนหาร แต่ผมไม่เปิดแอพเครื่องคิดเลขอีกเลย เพราะหยิบโทรศัพท์มือถือมา มันทำให้เสียสมาธิพอสมควร เนื่องจากเปิดหน้าจอมาจะเห็น โปรแกรมต่างๆ เช่นด้านโซเชียลคอยดึงดูดให้กดตามมันไป จนบางครั้งลืมว่าหยิบโทรศัพท์มาทำอะไร
• พบกันตอนหน้าตอนสุดท้ายครับ อย่าลืมแวะไปเยี่ยมเยียนผมได้ที่เดิม www.priabroy.name ขอบคุณครับ