Giáo trình Cơ sở trắc địa công trình (Ngành Trắc địa) - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Giáo trình Cơ sở trắc địa công trình (Ngành Trắc địa) cung cấp cho học viên những nội dung về: lưới khống chế mặt bằng trắc địa công trình; lưới khống chế độ cao trắc địa công trình; đo vẽ bản đồ địa hình – công trình tỷ lệ lớn; bố trí công trình;... Mời các bạn cùng tham khảo!

- 0 -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

- Chủ biên Th.s Ngô Thị Hài

GIÁO TRÌNH

CƠ SỞ TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

DÙNG CHO SINH VIÊN ĐẠI HỌC TRẮC ĐỊA

(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Năm 2020

- 1 -

BÀI MỞ ĐẦU

1 Khái niệm chung về môn học Trắc địa công trình

Trắc địa công trình nghiên cứu phương pháp trắc địa trong khảo sát địa hình phục vụ thiết kế công trình, chuyển bản thiết kế ra thực địa, theo dõi thi công, kiểm tra kết cấu công trình và đo đạc biến dạng các loại công trình xây dựng

2 Đặc điểm của trắc địa công trình

1 Trong các giai đoạn xây dựng công trình

a Giai đoạn khảo sát địa hình

- Phát triển lưới khống chế và đo vẽ địa hình khu vực xây dựng công trình

- Vach tuyến đường và các công trình hình tuyến

- Đo nối các công trình địa chất, công trình thuỷ lợi, các điểm thăm dò địa vật lí…

Công tác khảo sát địa hình là cơ sở để thiết kế công trình và tiến hành các công tác nghiên cứu khảo sát khác

Hiện nay các phương pháp khảo sát hàng không được sử dụng và phát triển rộng rãi

b Giai đoạn thiết kế công trình

- Thành lập các cơ sở địa hình theo tỷ lệ cần thiết: bình đồ, mặt cắt, các tài liệu khác phục vụ thiết kế

- Chuẩn bị đề án trắc địa để chuyển thiết kế ra thực địa, thiết kế công tác bố trí công trình

- Giải quyết nhiệm vụ quy hoạch mặt bằng và độ cao, tính toán diện tích bị ngập và khối lượng hồ chứa nước…

c Giai đoạn bố trí công trình

Là hình thức cơ bản của công tác trắc địa khi chuyển thiết kế ra thực địa Công tác này đòi hỏi độ chính xác cao của lưới khống chế trắc địa và đo đạc cẩn thận hơn so với công tác đo vẽ

- Xây dựng cơ sở khống chế để cắm công trình dưới dạng mạng lưới xây dựng: lưới tam giác, lưới đường chuyền

- Chuyển các trục chính công trình ra thực địa, cắm chi tiết công trình

- Đo vẽ thi công

d Giai đoạn đặt các kết cấu và các tổ máy vào vị trí thiết kế và kiểm tra

Lắp đặt và kiểm tra về mặt bằng, độ cao và đường thẳng đứng là công tác đòi hỏi chính xác cao nhất trong các công tác trắc địa công trình, cần đến các phương pháp và dụng cụ đặc biệt Đó là bộ phận công tác đang phát triển của trắc địa công trình, trong đó ứng dụng rộng rãi những phương pháp và dụng cụ mới

e Quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình

Công tác trắc địa này phải dùng đến những phương pháp trắc địa chính xác gồm:

- Đo độ lún của nền móng

- Xác định độ xê dịch mặt bằng công trình

- 2 -

- Xác định độ nghiêng của các công trình

2 Nhiệm vụ khoa học kỹ thuật

- Thành lập lý thuyết chung về khảo sát trắc địa địa hình và chuyển bản thiết

kế ra thực địa trên những thành tựu khoa học mới nhất thích hợp với yêu cầu ngày càng tăng của công tác khảo sát, thiết kế, lắp ráp xây dựng

- Khởi khảo ra những chương trình và sơ đồ xây dựng lưới khống chế để bố trí công trình đối với các loại công trình chính trên cơ sở khoa học

- Nghiên cứu những phương pháp hợp lí nhất và những dụng cụ máy móc hiện đại phục vụ cho việc khảo sát, bố trí các công trình và kiểm tra công trình

- Tổng hợp khái quát các kinh nghiệm về công tác trắc địa tích luỹ được khi

xây dựng các công trình quan trọng trong nước và ngoài nước

3 Giới thiệu quá trình phát triển và vai trò của trắc địa công trình trong xây dựng

3.1 Trên thế giới

Trắc địa công trình ra đời do nhu cầu và đời sống con người Từ rất xa xưa, con người đã biết áp dụng trắc địa để đưa vào xây dựng như tháp Ai Cập

Sau nền văn minh Ai Cập đến nền văn minh cổ đại đã đưa ra thuyết Trái Đất

là khối cầu Vào thế kỷ thứ III trước công nguyên, nhà thiên văn học Aratosten

đã dùng các phương pháp đo đạc để xác định độ dài của cung kinh tuyến và kích thước Quả Đất Vào thời đó, những kiến thức về đo đạc đã góp phần xây dựng các công trình kiến trúc độc đáo ở Ai Cập, Hy Lạp…

Đến thế kỷ XVIII- XIX, khối lượng xây dựng đường rất lớn, xây dựng các đường hầm, các con kênh nối liền biển nọ đến biển kia Vì vậy, công tác trắc địa công trình rất phát triển

Ngày nay, do đời sống con người phát triển, kéo theo sự phát triển công nghệ, trắc địa công trình ngày càng phát triển trong mọi lĩnh vực, công nghiệp, thành phố, thuỷ điện- thuỷ lợi, giao thông, các công trình độ chính xác cao

3.2 Ở Việt Nam

Ở Việt Nam từ thời Âu Lạc, đã biết sử dụng kiến thức trắc địa và kiến thức

đo đạc để xây dựng thành cổ loa xoáy chôn ốc, rồi đến kinh đô Thăng Long, đào kênh nhà Lê…

Ngành trắc địa thực sự trở thành một ngành độc lập từ tháng 10 năm 1959 khi thủ tướng chính Phủ ra quyết định thành lập cục đo đạc bản đồ trực thuộc phủ thủ tướng

Ngày nay, trước sự phát triển như vũ bão của kinh tế, công nghệ, kỹ thuật nên trắc địa công trình cũng đi vào guồng máy đó Nó phục xây dựng cho cơ sở

hạ tầng, thượng tầng, các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, đường xá, cầu và các nhà máy nguyên tử, các công trình tháp…

Trong tương lai, với đà phát triển như hiện nay, trắc địa công trình còn tiến

xa hơn nữa

- 3 -

CHƯƠNG 1: LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

1.1 Đặc điểm của lưới khống chế mặt bằng trong Trăc địa công trình

Lưới khống chế mặt bằng được thành lập ở khu vực thành phố, khu công nghiệp, khu năng lượng, sán bay, bến cảng,….là cơ sở trắc địa phục vụ cho khảo sát, thiết kế thi công xây dựng các công trình

Lưới Khống chế TĐCT có thể đươc thành lập dưới dạng lưới tam giác đo góc, đường chuyền, lưới đo góc cạnh kết hợp, lưới tam giác đo cạnh độ chính xác cao hoặc lưới ô vuông xây dựng

Yêu cầu về độ chính xác và mật độ điểm của lưới TĐCT tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ phải giải quyết trong từng giai đoạn khảo sát, thiết kế thi công và

sử dụng công trình

Trong trường hợp chung nhất lưới Trắc địa công trình được thành lập và phát triển nhằm đảm bảo công tác bố trí cơ bản và đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1/500

1.1.1.Yêu cầu độ chính xác và các phương pháp thành lập lưới

1 Yêu cầu độ chính xác

Yêu cầu về độ chính xác và mật độ điểm của lưới trắc địa công trình tuỳ thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ phải giải quyết trong từng giai đoạn khảo sát, thiết

kế, thi công và sử dụng công trình

Trong trường hợp chung nhất, lưới trắc địa công trình được thành lập và phát triển nhằm đảm bảo công tác bố trí cơ bản và đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 500 Khi thành lập lưới trắc địa công trình, một vấn đề thực tế đặt ra là có sử dụng các điểm của lưới khống chế nhà nước hay không, sử dụng như thế nào? Như đã biết, cho đến nay, lưới khống chế nhà nước được thành lập theo nguyên tắc thông thường từ tổng thể đến cục bộ, từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp và được phân thành bốn hạng I , II ,III, IV

Lưới khống chế là hệ thống điểm được đánh dấu trên mặt đất và được xác định tọa độ

Lưới tọa độ Quốc gia được thành lập theo nguyên tắc thông thường từ toàn diện đến cục bộ, từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp và được phân thành

4 hạng từ hạng I, II, III, IV

Để xét ứng dụng vào trắc địa công trình, có thể tóm tắt các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới tam giác nhà nước hạng I, II, III, IV và đường chuyền (đa giác) hạng IV như sau:

Chỉ tiêu kỹ thuật Cấp hạng lưới tam giác

Sai số tương đối cạnh đáy 1: 300.000 1.200.000 1: 100.000 Sai số tương đối cạnh yếu nhất 1: 200.000 1.120.000 1: 70.000 Góc nhỏ nhất trong tam giác 300 200 200

- 4 -

Sai số trung phương đo góc 1”.0 1”.5 2”.0

Đối với đường chuyền (đa giác) hạng IV

+ Chiều dài giới hạn của đường chuyền

+ Số cạnh đường chuyền không quá 15

+ Giới hạn sai số khép tương đối 1: 25.000

+ Sai số trung phương đo góc 2”.00

Tỷ lệ bản đồ 1: 500 1: 1000 1: 2000

Sai số giới hạn 0,10m 0,16m 0,30m

Theo những tài liệu đã công bố thì lưới khống chế mặt phẳng nhà nước có

đủ độ chính xác đảm bảo cho đo vẽ bản đồ - tỷ lệ 1: 500

Hiện nay, do yêu cầu của công tác địa chính một hệ thống lưới địa chính cũng đã được thành lập bao gồm lưới địa chính cơ sở (tương đương lưới khống chế nhà nước hạng III), lưới địa chính cấp 1 và cấp 2 Hệ thống lưới địa chính có

đủ độ chính xác bảo đảm cho đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn 1: 500, 1: 200 Do đó ở khu vực xây dựng công trình, nếu đã có các điểm của lưới khống chế mặt phẳng nhà nước hoặc các điểm của lưới địa chính thì chỉ cần tăng dày, phát triển để có mật

độ điểm bảo đảm đo vẽ bản đồ phục vụ các giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình

Lưới khống chế trắc địa công trình còn nhằm mục đích đảm bảo độ chính xác bố trí công trình và quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình Vì vậy cần phải xét đến hai trường hợp:

a) Yêu cầu về độ chính xác của lưới bố trí công trình tương đương độ chính xác của lưới đo vẽ:

Trong trường hợp này, lưới trắc địa công trình được phát triển theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ như lưới nhà nước và có thể dựa vào các điểm của lưới nhà nước đã có trên khu vực xây dựng công trình

Vị trí, mật độ điểm và độ chính xác của lưới trắc địa công trình chuyên dùng sẽ tuỳ thuộc yêu cầu và đặc điểm của từng công trình và giai đoạn xây dựng công trình Thí dụ khi xây dựng công trình đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện:

- Giai đoạn khảo sát, thiết kế: lưới khống chế trắc địa phục vụ đo vẽ bản

đồ

- Giai đoạn thi công: lưới khống chế trắc địa phục vụ cho bố trí công trình

- Giai đoạn sử dụng công trình: lưới khống chế được dùng để quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình

Như vậy, yêu cầu về độ chính xác tăng dần Việc phát triển xây dựng lưới phải linh hoạt, hợp lý sao cho có thể sử dụng tối đa kết quả của giai đoạn trước vào các giai đoạn sau của quá trình xây dựng công trình

2 Phương pháp thành lập:

- Đối với lưới hạng I, II, III thành lập theo phương pháp tam giác

- Đối với lưới hạng IV thành lập theo phương pháp tam giác, đa giác Hiện nay, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ lưới khống chế được thành lập chủ yếu bằng công nghệ GPS

Lưới tăng dày: Xây dựng bằng phương pháp lưới tam giác giải tích hoặc lưới đa giác, bao gồm lưới cấp 1 và lưới cấp 2

Lưới đo vẽ

Lưới đường chuyền kinh vĩ ( cấp 1, 2), lưới tam giác nhỏ

1.1.2 Đặc điểm một số loại lưới trắc địa công trình

Mục đích của việc thành lập lưới trắc địa công trình là làm cơ sở trắc địa phục vụ cho khảo sát, thiết kế, thi công xây dựng các công trình, xây dựng lưới khống chế, trắc địa công trình còn nhằm mục đích bảo đảm độ chính xác bố trí công trình và quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình

- Đặc điểm của lưới TĐCT:

+ Cạnh của lưới ngắn + Các điểm của lưới được phân bố ở nhiều độ cao khác nhau (Ảnh hưởng đến các tia ngắm)

+ Khu vực xây dựng lưới có nhiều vùng khí hậu khác nhau + Các điểm của lưới chịu ảnh hưởng do rung động của máy móc

và phương tiện giao thông

a) Khu vực thành phố:

Ở thành phố, không thành lập lưới chuyên dùng mà sử dụng lưới khống chế nhà nước làm cơ sở, nhưng chiều dài cạnh rút ngắn 1,5 - 2 lần để có mật độ

1 điểm /5 - 15 km2 Lưới được tăng dày để đảm bảo đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:500

Loại và hình dạng của lưới phụ thuộc vào diện tích và hình dạng của thành phố Thành phố có dạng kéo dài thì thành lập chuỗi tam giác đơn hoặc kép Thành phố có dạng trải rộng thì thành lập lưới có dạng đa giác trung tâm và

Trên khu vực thành phố, lưới đo góc - cạnh kết hợp được xem là tốt nhất

Loại lưới này có độ chính xác cao, đồ hình của lưới có thể vượt ra ngoài những quy định thông thường mà vẫn đảm bảo độ chính xác

Có thể thành lập lưới tam giác đo góc - cạnh: các điểm của lưới hạng II bao quanh thành phố Các cạnh được đo với độ chính xác 1:300.000, các góc được

đo với độ chính xác mp = 1”,0 Lưới được bình sai như một đường chuyền đa giác khép kín Bên trong xây dựng lưới tam giác hoặc đường chuyền

b) Khu công nghiệp

Lưới khống chế trên toàn khu vực được thành lập trong giai đoạn khảo sát là cơ sở để đo vẽ bản đồ, đồng thời cũng dựa vào đó để thành lập lưới bố trí công trình

Đối với khu vực công nghiệp có diện tích trên 30 Km2, cơ sở khống chế

là các điểm của lưới nhà nước

Đối với khu vực nhỏ hơn thì thành lập lưới cục bộ có độ chính xác như lưới hạng IV nhà nước

Để bố trí công trình, ở khu công nghiệp thường thành lập lưới ô vuông xây dựng

c) Công trình cầu vượt

Cơ sở để ước tính độ chính xác cần thiết của lưới là yêu cầu về độ chính xác đo chiều dài cầu và độ chính xác vị trí trụ cầu, thường từ 1-3 cm Đồ hình cơ bản của lưới thường là tứ giác trắc địa đơn hoặc kép Một hoặc hai cạnh đáy được đo với độ chính xác 1:200.000; 1:300.000, góc đo với độ chính xác mp = 1

- 2” Ngày nay, máy đo dài điện tử được sử dụng rộng rãi, lưới trắc địa trong xây dựng cầu thường đo góc - cạnh kết hợp Trong trường hợp này đồ hình lưới có thể đơn giản hơn mà độ chính xác vẫn đảm bảo yêu cầu

d)Khu đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện

Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế, lưới khống chế trắc địa phục vụ cho

đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đo nối các điểm khảo sát địa chất, thuỷ văn và bố trí các trục cơ bản của công trình Vì vậy có thể sử dụng lưới khống chế nhà nước và phát triển theo phương pháp thông thường với độ chính xác và mật độ cần thiết

Trong giai đoạn thi công, thành lập lưới chuyên dùng nhằm đảm bảo độ chính xác bố trí công trình Đặc điểm của lưới tam giác khu vực đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện là cạnh ngắn (0,5 - 1,5 km), đo góc và cạnh đáy với độ chính xác cao: mp = 1” - 1,5” ; ms/ S = 1:200.000 - 1:250.000; sai số vị trí điểm cỡ 5 mm Hình dạng của lưới phụ thuộc vào chiều dài, hình dạng của đập, chiều rộng của sông và địa hình hai bên bờ sông

- Khi xõy đập bờ tụng cao, cỏc điểm của lưới khụng chế cần được phõn

bố ở hai bờ, cú độ cao khỏc nhau để tiện việc bố trớ đập

f) Cụng trỡnh đũi hỏi độ chớnh xỏc cao

Đối với cụng trỡnh đũi hỏi độ chớnh xỏc cao như nhà mỏy gia tốc hạt, cụng trỡnh cao, thỏp vụ tuyến nhưng phạm vi nhỏ thỡ thành lập lưới tam giỏc nhỏ đo cạnh (25 - 50 m ) độ chớnh xỏc rất cao (0,1 - 0,5 mm)

L-ới quan trắc địa chính bản đồ công trình L-ới thi công công trình L-ới khảo sát công trình

Địa chính II

Địa chính I

Địa chính cơ sở Tam giác nhỏ Tam giác nhỏ

Đ-ờng chuyền

Đa giác

Giải tích I t-ơng đ-ơng Giải tích II Hạng I Hạng II Hạng III

- 8 -

1.3 Độ chính xác và số bậc phát triển của lưới

Lưới trắc địa công trình được thành lập theo một trong hai hướng tối ưu hoá:

- Tối ưu hoá về độ chính xác, tức lưới có độ chính xác cao nhất với chi phí lao động, thời gian kinh phí cho trước

- Tối ưu hoá về giá thành, tức lưới có độ chính xác cho trước với giá thành nhỏ nhất Hai bài toán đó được chia thành nhiều bài toán nhỏ khác

Đối với lưới trắc địa công trình, điều quan trọng là xác định được phương

án phát triển lưới Lưới được dựa hoàn toàn trên các điểm của lưới nhà nước hay thành lập lưới cục bộ cho trắc địa công trình Có thể xác định sơ bộ phương án phát triển lưới bằng cách so sánh độ chính xác của lưới cần phải thiết kế với lưới

đã có của nhà nước

Để xác định chính xác hơn phương án phát triển lưới, cần phải đo kiểm tra một số yếu tố của lưới đã có Từ các kết quả đo của các yếu tố này cho phép lựa chọn phương án đối với lưới đã có (lưới gốc) và có thể xác định tầm cỡ của sai

số số liệu gốc

Ước tính độ chính xác các yếu tố của lưới trắc địa công trình thường được thực hiện theo công thức gần đúng Độ chính xác của ước tính sai số của các yếu

tố lưới thiết kế thường đạt khoảng 10  20%

Trong giai đoạn thiết kế thi công, độ chính xác của lưới được tính một cách chặt chẽ hơn, khi mà các thông tin về kết cấu lưới và độ chính xác đo đã được cụ thể và chắc chắn lưới trắc địa công trình được xây dựng theo từng giai đoạn với một số bậc của lưới Trong quá trình phát triển nếu yêu cầu độ chính xác tăng lên thì lưới ở các bậc tiếp theo được xem như lưới cục bộ

Trong trường hợp đó lưới không thể được thành lập chỉ có một bậc Số bậc phát triển bằng số lần chuyển từ lưới có độ chính xác thấp đến lưới có độ chính xác cao

1.3.1 Xác định độ chính xác lưới khống chế theo tiêu chuẩn sai số chiều dài cạnh

Nếu lưới được phát triển theo nguyên tắc từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp thì số bậc phát triển và độ chính xác của mỗi bậc được tính như sau: Cơ

sở ước tính là sai số tương đối cạnh của lưới ở bậc cuối cùng (1/Tc) và sai số tương đối cạnh của lưới ở bậc đầu tiên (1/Tđ), đồng thời phải tính đến ảnh hưởng sai số số liệu gốc có thể chia ra làm hai trường hợp:

a) Lưới bậc thấp dựa trên một cạnh của lưới bậc cao

AB là cạnh trong lưới bậc i có sai số tương đối là 1/Ti

Sai số tương đối cạnh của bậc i + 1 được tính theo công thức:

2 1

2 2

1

1 1

Tc = KTđn

Từ đó: K = n Tđ

Tc (1.2) Công thức (1.2) cũng được áp dụng trong trường hợp các cạnh của tam giác ABC (hình 1.2) cũng có sai số tương đối và góc của tam giác không bị biến dạng công thức (1.2) cũng được áp dụng cho lưới đường chuyền giữa hai điểm bậc cao và trường hợp đường chuyền giữa hai điểm và phương vị bậc cao, nhưng phương vị bậc cao được xem như không có sai số

b Lưới bậc thấp dựa trên trên nhiều điểm của lưới bậc cao

Trong trường hợp này lưới bậc thấp không những bị biến dạng về chiều dài (tỷ lệ của lưới) mà còn bị biến dạng về góc Sự biến dạng về góc được bổ sung thêm bởi thành phần (1/Ti) vào công thức (1.1)

2 1

2 2

2 1

1 1

1 1

thì Tc = Tđ

Kn n Suy ra K = 1

n Tđ

Tc (1.4) Theo khảo sát của giáo sư Provorov thì sai số tỷ lệ lưới có giá trị tương đương với sai số do biến dạng về góc

1

4000

1 Tc

1 , 80.000

1.3.2 Xác định độ chính xác thành lập lưới theo sai số vị trí điểm

Như đã biết sai số của lưới bậc cao sẽ là sai số số liệu gốc của lưới bậc thấp

để giảm sự biến dạng của hệ thống khống chế thì yêu cầu đặt ra là sai số của lưới bậc cao (mg) phải nhỏ hơn sai số đo (mđ) của lưới bậc thấp K lần tức là:

m0n = mn 2 4 2( 1)

1

1 1

K K

hoặc mn =

) 1 ( 2 4

2

1

K K

K

K m

(1.9) Đối với bản đồ tỷ lệ 1: 500, yêu cầu m0 = 0,2 mm M = 10 cm

Kết quả tính theo công thức (1.9) đối với lưới có 3 bậc, 4 bậc và hệ số K khác nhau được ghi ở bảng (1.2)

K

Sai số trung phương vị trí điểm (cm)

Tam giác Đa giác Đo vẽ Tam

giác III

Tam giác IV Đa giác Đo vẽ

1.4 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế

1.4.1 Phương pháp tam giác

Theo phương pháp truyền thống thì lưới khống chế được thiết kế dựa vào tổng bình đồ của khu vực xây dựng, dựa vào đặc điểm của công trình cung như điều kiện địa hình cho phép và trang thiết bị hiện có Với phương pháp truyền thống thì lưới khống chế được lập như sau :

a Lưới đo góc

Dạng đồ hình cơ bản của lưới là chuỗi tam giác, tứ giác trắc địa, đa giác trung tâm, trong đó có đo tất cả các góc và ít nhất là hai cạnh đáy Loại lưới này có những ưu, nhược điểm sau:

độ thông hướng cao

+ Trong quá trình đo đạc vì các cạnh trong lưới khống chế TĐCT

thường có cạnh ngắn cho nên ảnh hưởng của sai số định tâm máy đến kết quả

đo góc là rất lớn, vậy phải định tâm máy và định tâm tiêu thật chính xác

b Lưới đo cạnh

Hiện nay, do các loại máy toàn đạc điện tử có độ chính xác cao đã và đang được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tế sản xuất vì vậy việc lập lưới bằng phương pháp đo toàn cạnh cũng đã được ứng dụng trong việc lập các lưới TĐCT Lưới đo cạnh khắc phục được các nhược điểm của lưới đo góc Tuy nhiên đối với lưới đo toàn cạnh có những hạn chế sau:

* Trong mỗi tam giác sẽ không có trị đo thừa nên không có điều kiện kiểm

tra kết quả đo ngay ở trên thực địa

* Lưới tam giác đo cạnh có độ chính xác định hướng kém nên gây ra dịch

vị ngang lớn đối với vị trí các điểm và ảnh hưởng không tốt đến độ chính xác của lưới…

- 12 -

c Lưới đo góc - cạnh kết hợp

Do những nhược điểm của phương pháp đo toàn góc và phương pháp đo toàn cạnh nên người ta xây dựng lưới tam giác đo góc cạnh kết hợp Với lưới này vì có nhiều trị đo thừa nên có thể kiểm tra chất lượng điểm gốc, các góc và các cạnh; đồ hình sẽ khoẻ hơn Nhưng do có nhiều trị đo dẫn đến thời gian thi công lâu và tốn kém

Quan hệ giữa độ chính xác đo góc và đo cạnh xác lập qua công thức:

3 S

m : ' ρ'

m 3

Từ quan hệ trên người ta kết luận, khi

3

1 S

m : ' ρ'

độ chính xác cao Tuy nhiên cũng cần phải lưu ý đến những vấn đề sau:

Trong lưới đo góc-cạnh kết hợp, tuỳ vào từng dạng lưới và đồ hình lưới mà tiến hành tổ chức đo một số cạnh cho phù hợp, không nhất thiết phải đo tất cả các cạnh như:

* Đối với lưới tứ giác không đường chéo nên đo các cạnh theo chu vi và

một số cạnh giữa lưới để thuận tiện cho công tác tính toán sau này

* Đối với lưới tam giác thì nên lựa chọn đo các cạnh đối diện với góc lớn

nhất trong tam giác

1.4.2 Phương pháp đa giác

Lưới đường chuyền là tập hợp các điểm nối với nhau tạo thành đường gãy khúc Tiến hành đo tất cả các cạnh và các góc ngoặt của đường chuyền, nếu biết toạ độ của một điểm và góc phương vị của một cạnh ta dễ dàng tính

ra góc phương vị các cạnh và toạ độ các điểm khác trên đường chuyền

Đối với lưới đường chuyền việc chọn điểm và phát triển lưới trong khu vực đông dân cư hay trong thành phố rất dễ dàng Tuy nhiên, đối với lưới đường chuyền có những hạn chế vì lượng trị đo ít và có kết cấu đồ hình không chặt chẽ, cho nên độ chính xác của các yếu tố trong lưới không cao Phương án hợp lý để nâng cao chất lượng đồ hình lưới và cũng là một trong các phương pháp để nâng cao độ chính xác của lưới các đường chuyền đa giác là lập lưới có nhiều vòng khép kín

SSTP đo góc ngang/

đứng

SSTP đo cạnh

Tầm hoạt động xa nhất

Bảng 1.6- Một số máy toàn đạc điện tử chính xác (sử dụng để đo các lưới

khống chế mặt bằng)

- 13 -

bàn độ

TC 303 Thụy Sỹ Leica 1" 3"/3" (2mm +2ppm) 3000 m SET2B

SOKKIA

Nhật Bản

1" 2"/2" (2mm +2ppm) 3500 m

GTS-4

TOPCON

Nhật Bản

1" 2"/2" (2mm +2ppm) 3700 m

1.4.3 Phương pháp định vị vệ tinh

Các phương pháp xây dựng lưới mặt bằng đã nêu trên đều đòi hỏi các điểm liền kề tạo thành đồ hình cơ bản, phải trực tiếp hoặc sau khi xây dựng tiêu phải nhìn thấy nhau (thông hướng) Do ảnh hưởng của chiết quang và độ cong Trái đất, cạnh càng dài, tiêu càng cao, gây tốn kém trong thi công lưới và khó khăn khi đo ngắm, chính vì vậy lưới tam giác hạng I là lưới có cạnh dài nhất nhưng trung bình chỉ là 25 km

Để xây dựng lưới có cạnh dài hoặc nối các lưới ở xa nhau với độ chính xác cao, từ những năm 60 của thế kỉ XX ra đời một phương pháp xây dựng lưới mới là lưới Trắc địa vệ tinh

Đầu tiên, người ta chụp ảnh vệ tinh nhân tạo trên nền trời sao, xác định hướng từ điểm ngắm đến vệ tinh, khoảng cách từ điểm ngắm đến vệ tinh được

đo bằng các máy đo khoảng cách Laser đến vệ tinh Sai số vị trí điểm mặt đất cần định vị từ 100m sau chỉ còn cỡ 10m Thập kỉ 70 với kỹ thuật Doppler vệ tinh, độ chính xác định vị đạt cỡ và centimet Hiện nay, với công nghệ GPS độ chính xác định vị tuyệt đối có thể đạt 30m, còn độ chính xác định vị tương đối

có thể đạt centimet thậm chí vài milimet

Ưu điểm của lưới trắc địa vệ tinh là các điểm định vị vệ tinh không cần thông hướng, khoảng cách giữa các điểm từ vài km đến hàng ngàn km, mà lại bất kì lúc nào, bất kì ở đâu nếu thu được tín hiệu vệ tinh tốt đều có thể định vị điểm trên mặt đất

Vì những lý do đó, trên thế giới và ở Việt Nam, lưới Trắc địa vệ tinh bằng công nghệ GPS được dùng thay thế cho việc xây dựng lưới cấp cao hơn lưới hạng I (lưới cấp “0”) và đến cả cấp khống chế thấp nhất là điểm trạm đo chi tiết

Ở nước ta công nghệ GPS được đưa vào sử dụng từ năm 1991 Hiện nay, công nghệ GPS được coi như là dấu mốc quyết định trong cách mạng công nghệ của lĩnh vực đo đạc Công nghệ GPS ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có trắc địa công trình

1.4.3.1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận :

- 14 -

* Đoạn không gian (Space Segrment)

* Đoạn điều khiển (Control Segrment)

* Đoạn sử dụng (User Segrment)

a Đoạn không gian

Đoạn không gian hiện nay bao gồm 32 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo và 3 vệ tinh dự trữ Vệ tinh chuyển động ở đô cao khoảng

20200 km Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo trái đất một góc 550, quỹ đạo mỗi vệ tinh chênh nhau 600 kinh Chu kì chuyển động của vệ tinh là 12 giờ đồng hồ

Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị dao động tần số chuẩn cơ sở

fo= 10,23 MHz Từ tần số cơ sở fo sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1, L2

L1 = 154fo = 1575,42 MHz

L2 = 120fo = 1227,60 MHz

Các sóng này được được điều biến bởi các mã C\A code, P-code và Y-code

Mã C\A (Coarse/Accquisition code) là mã thô, cho phép sử dụng rộng rãi Mã C\A là một chuỗi nhị phân mang tính chất ngẫu nhiên, có tần số 1,023 MHz, tương ứng với bước sóng 293 m Chu kì mã C\A là 1 mili giây, mỗi vệ tinh phát đi một mã C\A khác nhau và mã C\A điều biến sóng tải L1

Mã P (precision code) là mã chính xác, được dùng cho mục đích quân

sự là chủ yếu Mã P cũng là một chuỗi nhị phân nhưng phức tạp hơn, có tần

số fo=10,23 MHz, tương ứng với bước sóng 29,3 m, có chu kì 267 ngày Người ta chia mã P thành 38 đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và mỗi đoạn điều biến cho một vệ tinh và sau 7 ngày lại thay đổi

Đoạn không gian

- 15 -

Ngoài hai mã trên, người ta còn sử dụng mã Y –code, đây là mã bí mật, được phủ lên mã P-code nhằm chống đánh lừa trong kĩ thuật AS (anti-spoofing)

Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ cho mục đích sử dụng, các vệ tinh còn dùng hai sóng tần số 1783,74 MHz và 2227,5 MHz để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển mặt đất

b Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống đinh vị, với trung tâm điều khiển đặt tại Colorado Springs và 4 trạm theo dõi phân bố đều quanh trái đất đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Assension Islands (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) Các trạm này liên tục theo dõi sự hoạt động của các vệ tinh Đồng thời trên mỗi trạm theo dõi đều có các máy thu GPS, chúng đo khoảng cách, sự thay đổi khoảng cách và các số liệu khí tượng Các số liệu này được gửi tới trạm trung tâm để xử lý tính toán Sau đó các thông tin này được chuyển lên các vệ tinh, từ đó chuyển đến các máy thu của người sử dụng

c Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin

từ vệ tinh khác để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau

ở trên biển và ở đất liền Đó có thể một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm hai máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch thời gian nhất định (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân)

1.4.3.2 Quy trình thành lập lưới GPS trong TĐCT

Lưới GPS trong trắc địa công trình được tiến hành theo các trình tự sau:

a Chọn hệ toạ độ và thời gian

Đo GPS sử dụng hệ thống tọa độ toàn cầu WGS – 84 (Hệ tọa độ trắc địa Quốc tế) khi có yêu cầu sử dụng hệ tọa độ HN-72, VN-2000 hoặc hệ tọa độ công trình thì phải tính chuyển tọa độ

Thời gian trong đo GPS được sử dụng là thời gian quốc tế UTC Khi muốn dùng giờ Việt Nam thì phải tiến hành chuyển đổi (giờ Hà Nội = giờ GPS +7)

b Thiết kế kĩ thuật lưới GPS

+ Thiết kế lưới

Việc thiết kế lưới được thực hiện trên bản đồ có tỷ lệ phù hợp đó có trong khu đo Đồ hình lưới GPS có thể là lưới tam giác, lưới đa giác, lưới tam giác và

đa giác kết hợp, lưới đường chuyền gối lên các điểm gốc (tùy từng cấp hạng và

độ chính xác yêu cầu của lưới mà lựa chọn đồ hình lưới cho phù hợp) Nên bố trí thành các vũng khộp kớn để nâng cao độ chính xác và có điều kiện kiểm tra Trong lưới GPS cần ít nhất 1 điểm gốc tọa độ là đủ để tính tọa độ của các điểm cũn lại, nhưng nên có ít nhất 3 điểm gốc phân bố đều trong lưới để có điều kiện kiểm tra, chặt chẽ khi tính chuyển tọa độ về hệ tọa độ địa phương Đối

- Là các điểm mới

- Là các điểm gốc tọa độ

- Là điểm gốc độ cao

Hỡnh 3-2 Sơ đồ lưới GPS

Dựa vào chiều dài trung bình giữa 2 điểm lân cận và độ chính xác của

nó, lưới GPS được chia thành các hạng II, III, IV và các cấp 1 Khi thành lập lưới có thể thực hiện theo phương án tuần tự bao gồm tất cả các cấp, hạng hoặc lưới vượt cấp, lưới cùng một cấp, hạng

Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của các cấp lưới GPS phải phù hợp với qui định nêu ở bảng 1.8 Chiều dài cạnh ngắn nhất giữa 2 điểm lân cận bằng 1/2 đến 1/3 chiều dài cạnh trung bình; chiều dài cạnh lớn nhất bằng 2 3 lần chiều dài cạnh trung bình Khi chiều dài cạnh nhỏ hơn 200m, sai số trung phương chiều dài cạnh phải nhỏ hơn 20mm

Bảng 1.8 : Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS được thành lập:

Cấp

hạng

Chiều dài cạnh trung bình (km)

a (mm)

b (1 x 10 -6 )

Sai số trung phương tương đối cạnh yếu nhất

Trong Lưới GPS cần ít nhất 1 điểm gốc toạ độ là đủ để tính toạ độ của các điểm còn lại, nhưng nên cần có ít nhất 3 điểm gốc phân bố đều khắp trong lưới tạo điều hiện kiểm tra và chặt chẽ khi tính chuyển toạ đô về toạ độ địa phương

Khi thiết kế lưới, để tận dụng các tư liệu trắc địa, bản đồ đã có, nên sử dụng hệ tọa độ đã có của khu đo Các điểm khống chế đã có nếu phù hợp với yêu cầu của điểm lưới GPS thì tận dụng các mốc của chúng

Lưới GPS phải được tạo thành 1 hoặc nhiều vòng đo độc lập, tuyến phù hợp Số lượng cạnh trong vòng đo độc lập, tuyến phù hợp trong các cấp lưới GPS phải tuân theo qui định nêu trong bảng 1.9 Lưới GPS dùng để khống chế mặt bằng phục vụ thi công và quan trắc chuyển dịch ngang công trình cần tạo thành các vòng khép có số cạnh không lớn hơn 4

Bảng 1.9 : Qui định về số lượng cạnh trong vòng đo độc lập hoặc tuyến phù hợp đối với các cấp lưới GPS

Bảng 3-1 Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS

- Phải thông thoáng bầu trời, góc mở tốt nhất là 1500 (hỡnh 3-3)

- Không bố trí dưới đường điện cao thế

- Không bố trí gần các vật có khả năng phản xạ tín hiệu điện từ

- Phải cách xa (Ít nhất là 500m) cỏc trạm phát sóng (đài phát thanh, đài truyền hình, )

- Nếu bắt buộc phải chọn ở những nơi bị che khuất thì phải mô tả sự che khuất đó trong hệ tọa độ địa diện chân trời, lập lịch đo và kiểm tra điều kiện quan sát tốt

Hình 3-3 Góc mở tại điểm đo GPS

Quy cách của dấu mốc và mốc điểm GPS các cấp phải phù hợp với yêu cầu quy phạm hiện hành của Nhà nước Điểm GPS các cấp đều chôn mốc vĩnh cửu, khi chôn mốc đáy hố phải đổ gạch, sỏi hoặc đổ một lớp bê tông lót

d Lập kế hoạch đo

* Để lập lịch cần có các yêu cầu sau:

- Có tọa độ gần đúng của khu đo (đối với khu đo nhỏ thì lấy tọa độ trung bình của khu đo, giá trị này có thể lấy trên bản đồ)

- Có tệp lịch vệ tinh dự báo (không cũ quá 1 tháng)

- Có phần mềm chuyên dụng để tính toán lập lịch

- Đối với những điểm bị che chắn thì phải có thông tin mô tả sự che chắn Kết quả lập lịch sẽ cho ta những khoảng thời gian trong ngày có thể đo được

* Các trường hợp lập lịch sau:

1500

Mỏy thu GPS

- 19 -

- Lập lịch trong điều kiện thông thường, khu đo nhỏ, các điểm không bị che chắn Trường hợp này ta chỉ cần nhập vào tạo độ trung bình của khu đo và nhận được kết quả lập lịch cho cả khu đo

- Lập lịch trong điều kiện các điểm đo ở xa nhau Lúc này tọa độ trung bình của khu đo không còn đặc trưng cho cả khu đo nữa, ta phải lập lịch cho từng session một

- Lập lịch trong điều kiện các điểm đo bị che chắn Lúc này ta cũng phải lập lịch cho từng session và mô tả sự che chắn

* Thiết kế session đo

Thiết kế ca đo là khâu quan trọng để thi công lưới đạt được các yêu cầu kinh tế - kỹ thuật Với số lượng điểm đã xác đinh (bao gồm các điểm gốc và các điểm cần xác định) và tùy thuộc vào số lượng máy thu GPS sử dụng, có thể tạo

ra các ca đo phù hợp Có thể thiết kế ca đo trên bản đồ hoặc trên sơ đồ đã có vị trí sơ bộ của các mốc

Khái niệm ca đo

Session đo hay còn gọi là ca đo là khái niệm chỉ việc máy thu đồng thời thu tín hiệu vệ tinh trong một khoảng thời gian nào đó

Ca đo có thể tạo thành bởi hai máy thu trở lên

Để phát hiện sai số thô trong kết quả đo lưới đồng thời tăng độ tin cậy và

độ chính xác của mạng lưới thông thường có thêm các ca đo dư

Tốc độ ghi và độ dài ca đo

Khi định vị tương đối tĩnh, và tĩnh nhanh, người ta thường sử dụng tốc

độ ghi trong khoảng 5s đến 60s Nếu đặt tốc độ ghi quá dầy thì bộ nhớ của máy thu sẽ nhanh đầy và thời gian xử lý sẽ dài hơn Ngược lại, nếu đặt tốc độ ghi quá thưa sẽ nhận được ít trị đo Trong đo tĩnh, tốc độ ghi số liệu hợp lý thường từ 15s đến 30s; trong đó tĩnh nhanh nên trong khoảng từ 5s đến 15s

b Độ dài ca đo

Độ dài ca đo là khoảng thời gian các máy thu trong ca đo cùng thu tín hiệu hay chính là khoảng thời gian chung từ khi bật máy đến khi tắt máy của các máy thu

Độ dài ca đo phụ thuộc vào các yếu tố:

- Độ chính xác yêu cầu khi xác định Baseline, đo càng lâu thì càng chính xác và ngược lại

- Số lượng vệ tinh quan sát được, số vệ tinh ít thì phải đo lâu và ngược lại

- Chiều dài của Baseline, Baseline càng dài thì phải đo càng lâu và ngược lại

- Máy thu 1 tần hay 2 tần

- 20 -

- Tình trạng che chắn tại các điểm đo

Bảng 3-2 kiến nghị khoảng thời gian đo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ

4 vệ tinh trở lên trong điều kiện khí tượng bình thường

Bảng 3-2 Độ dài ca đo theo chiều dài cạnh

Chiều dài cạnh (km) Độ dài ca đo (phút)

- Quy định của quy phạm

- Đồ hình của lưới

- Số lượng máy thu sử dụng

- Khả năng di chuyển giữa các điểm trong lưới

- Kết quả lập lịch đo

Số lượng ca đo tối thiểu trong lưới được xác định theo công thức:

q r

q s n

q là số lần đặt máy trung bình tại mỗi điểm đo

Nếu kí hiệu m là số lần đặt máy lặp lại tại mỗi điểm, thì số lượng ca đo được xác định theo công thức:

r

s m

Ví dụ: Cho lưới GPS như hình vẽ, các Baseline kết nối với nhau theo đồ hình tam giác hoặc đa giác, sử dụng 4 máy thu

- 21 -

Hình 3-4 Sơ đồ thiết kế session

Số lượng ca đo tối thiểu của mạng lưới trên:

3 3 1 4

q s n

Vậy n = 4 ca đo

Sau khi thiết kế trên sơ đồ lưới, ta lập bảng thiết kế session như sau:

Bảng 3-3 Bảng kết quả thiết kế session đo

Session Máy thu 1 Máy thu 2 Máy thu 3 Máy thu 4 Thời gian

§é dµi thêi gian ca ®o

1 Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản

Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GPS các cấp phải phù hợp với quy định được nêu trong bảng 3-4

Bảng 3-4 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GPS các cấp

Số lượng vệ tinh quan

2 Công tác chuẩn bị

Công tác chuẩn bị bao gồm các nội dung sau:

- Trước khi đo cần kiểm tra các máy thu GPS và các thiết bị đi kèm theo (chân máy, định tâm quang học, ốc nối, thước đo độ cao anten)

- Chuẩn bị nguồn điện đảm bảo máy thu đủ hoạt động

- Kiểm tra bộ nhớ của máy đủ để lưu dữ liệu

- Cài đặt các tham số đo phù hợp như góc ngưỡng, tốc độ ghi, v.v

- Chuẩn bị phương tiện liên lạc như bộ đàm hoặc điện thoại di động

- Chuẩn bị phương tiện đi lại để di chuyển máy theo đúng lịch đo

- Chuẩn bị sổ đo, bút ghi chép, sơ đồ lưới và lịch đo đã lập

- Chuẩn bị đồng hồ bấm thời gian

- Chuẩn bị một số vật dụng khác như áo mưa, ô, v.v

3 Các thao tác tại trạm đo

Đo đạc trong lưới GPS là việc sử dụng máy thu GPS thu tín hiệu vệ tinh tại các điểm lưới theo các session đã thiết kế Máy GPS là thiết bị điện tử hiện đại,

tự động thu và ghi số liệu Công việc của người đo tương đối đơn giản, cụ thể làm các công việc sau:

a Lắp anten vào máy thu

b Định tâm và cân bằng máy

Người đo đặt chân máy lên điểm đo, dọi điểm định tâm đế máy nhờ bộ phận định tâm quang học gắn trên đế máy

Dựa vào bọt thủy gắn trên đế máy, tiến hành cân bằng máy

c Bố trí máy

Sau khi đã định tâm và cân bằng đế máy đặt máy thu lên đế máy, rồi cố định máy thu trên đế máy bằng ốc nối Để khắc phục sai số do lệch tâm pha anten khi đặt máy cần chú ý quay lôgo của máy về hướng Bắc (sai số khoảng 50)

d Đo cao anten

Sử dụng thước chuyên dụng đo độ cao anten Có thể đo chiều cao thực h của máy thu (là khoảng cách từ tâm pha anten đến tâm mốc) hoặc có thể đo khoảng cách nghiêng l (là khoảng cách từ mép ngoài của máy thu đến tâm mốc) Khi xử

lý số liệu cần khai báo đúng kiểu đo để phần mềm tính ra độ cao thực

e Khởi động máy thu

Bật máy thu GPS để máy thu khởi động Khi máy thu thu được số vệ tinh cần thiết, bắt đầu tiến hành đo

f Thực hiện quan trắc

Căn cứ vào thời gian đo đã thiết kế, các máy thu đồng thời tiến hành đo Hầu hết đều sử dụng chế độ đo tự động nên sự can thiệp của con người hầu như không cần thiết Trong quá trình đo, người đo cần theo dõi số lượng vệ tinh thu

và tháo anten ra khỏi máy

Sau khoảng thời gian đo đã thiết kế, người đo dừng đo Có thể dừng đo bằng cách tắt máy thu hoặc dừng thu tín hiệu Trước khi thu máy tiến hành đo lại độ cao anten, ghi vào sổ đo Cuối cùng, tháo máy thu, tháo anten, thu xếp máy và thiết bị kèm theo vào hòm máy, kiểm tra kỹ trước khi di chuyển máy sang trạm khác

Đối với máy thu không di chuyển ở ca tiếp theo, có thể tắt máy đợi các máy khác di chuyển

Khi đo đạc cần chú ý các máy thu phải phối hợp với nhau để bật máy và tắt máy đồng thời vì chỉ có những khoảng thời gian chung mới có ý nghĩa tính baseline và phải bảo quản máy thu trong suốt quá trình đo

4 Ghi sổ đo ngoại nghiệp

Sau khi kết thúc đo tại trạm nên kiểm tra lại chiều cao anten lần cuối trước khi thu máy Các máy thu loại cũ, có thiết bị ghi ngoài cần xem lại số hiệu của các tệp số liệu đã ghi Kiểm tra lại sổ đo, đặc biệt là những trạm đo lặp lại cần ghi đủ tất cả các ca đo cho đến kết thúc

Mẫu số đo GPS

TRẠM ĐO Tên điểm:

Số hiệu:

Ngày đo: Thời tiết: Bắt đầu lúc: Kết thúc lúc: Loại máy: Số máy: Người đo: Người ghi:

Tên tệp đo (file name):

(0C)

Trong khi chọn mô hình xử lý từng vectơ cạnh, đối với cùng một mô hình giải cạnh trong một ca đo thì sai số khép t-ơng đối chiều dài cạnh của bất kỳ tam giác nào cũng không đ-ợc v-ợt quá quy định nêu ở bảng 1.11

Bảng 1.11: Sai số khép t-ơng đối giới hạn

f Bỡnh sai lưới GPS

Khi đã kiểm tra thấy các baseline và các sai số khép vòng đạt yêu cầu thì tiến hành bình sai l-ới GPS L-ới GPS là l-ới không gian nên bình sai l-ới GPS là bình sai l-ới không gian Việc bình sai bằng phần mềm thực hiện các công đoạn sau :

Bình sai l-ới trong hệ toạ độ WGS-84 Kết quả của b-ớc này là toạ độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc toạ độ trắc địa (B, L, H) trong hệ toạ WGS-84

Để có đ-ợc toạ độ trong hệ toạ độ địa ph-ơng (hệ toạ độ VN-2000, 72… thì phải tính chuyển toạ độ từ toạ độ WGS-84 về tạo độ địa ph-ơng bằng các phần mềm chuyên dụng Khi tính chuyển từ hệ tọa độ trắc địa Quốc tế của l-ới GPS sang hệ tọa độ khu vực, cần phải đảm bảo yêu cầu : Bình sai l-ới GPS

HN 25 HN

trong hệ tọa độ vuông góc phẳng theo phép chiếu Gauss (Ko = 1), có kinh tuyến trục Lo cách khu đo không quá 20 km Nếu sử dụng phép chiếu UTM 6 độ (Ko = 0.9996) thì kinh tuyến trục cách khu đo trong giới hạn 160km đến 200km Nếu

sử dụng phép chiếu UTM 3 độ (Ko = 0.9999) thì kinh tuyến trục cách khu đo trong giới hạn 70km đến 110km Khi chọn phép chiếu Gauss phải sử dụng Ellipxoid Krasovxky, còn nếu dùng phép chiếu UTM thì sử dụng Elipxoid WGS – 84

Trong tr-ờng hợp hệ tọa độ công trình không theo hệ tọa độ nhà n-ớc, tọa độ sau bình sai bằng phần mềm sử lý l-ới GPS cần chuyển về hệ tọa độ công trình theo ph-ơng pháp định vị tối -u nhờ ít nhất 3 điểm song trùng (là các điểm có tọa độ trong cả hai hệ) Các điểm song trùng cần bố trí đều về các phía trên vùng biên của mạng l-ới

1.5 Tớnh toỏn bỡnh sai lưới khống chế TĐCT bằng cụng nghệ GPS

Đo lại

Thiết kế lưới, chọn điểm

Việc xử lý để tính cạnh sẽ được thực hiện dựa trên cơ sở thời gian chung

và vệ tinh chung đối với hai máy thu Khoảng thời gian chung khi đo tĩnh được thể hiện trên hình 3-5

Hình 3-5 Nguyên tắc tính thời gian chung

Trên hình vẽ (3-5), thể hiện khoảng thời gian thu tín hiệu của máy thu 1 và máy thu 2 là t1 và t2, trong đó:

t1 = T4 -T2 ; t2 = T3 - T1

T1 và T3 là các thời điểm bật và tắt máy thu 2

T2 và T4 là các thời điểm bật và tắt máy thu 1

Thời gian chung, được sử dụng để tính cạnh là : t(1-2) = T3 - T2

Thời gian chung sẽ tính từ thời điểm của máy thu bật sau đến thời điểm máy thu tắt trước của hai máy thu trong cùng ca đo Khoảng thời gian đo thêm của

t2

t1

t(1-2)

Máy thu 1 Máy thu 2

T1

T3

- 27 -

máy tắt sau hay máy bật trước đều không có giá trị tham gia tính cạnh Như vậy trong khi thu tín hiệu nên đồng thời bật máy và đồng thời tắt máy trong ca đo Khi tính cạnh, chỉ có những vệ tinh có số liệu ghi trong hai tệp của hai máy cùng ca đo mới có giá trị tham gia tính cạnh Số vệ tinh chung được mô tả trên hình 3-6 Trong trường hợp này, tại máy thu 1 nhận được tín hiệu của 8 vệ tinh (1,2,3,4,5,6,7,8), còn máy thu 2 nhận được tín hiệu của 7 vệ tinh (3,4,5,6,7,8,9)

Số lượng vệ tinh chung tham gia tính cạnh sẽ là 6, gồm các vệ tinh sau 3,4,5,6,7,8

Hình 3-6 Số vệ tinh chung tham gia tính cạnh

Từ thực tế trên, cần phải lưu ý sao cho các máy thu trong ca đo cùng quan sát số vệ tinh như nhau Để bảo đảm điều kiện trên cần lưu ý tới tình trạng che chắn tại các trạm máy Khi chiều dài cạnh càng dài (cỡ hàng trăm, hàng ngàn km) thì số vệ tinh chung càng ít

Các phần mềm hiện đại cho phép xử lý nhiều tệp số liệu đo đồng thời để tính cạnh Thường thường số liệu đo của một ngày được ghi vào một thư mục trong

ổ đĩa cứng Còn phần mềm xử lý lại để trong thư mục khác và có đường dẫn để chương trình nhận và xử lý Có hai dạng phần mềm xử lý, đó là: 1- từng vectơ, 2- các lời giải cho nhiều điểm Phần mềm xử lý từng vectơ cạnh đơn lẻ trước đây được sử dụng rộng rãi, song hiện nay người ta lại thường sử dụng phần mềm

xử lý nhiều điểm Có một số trường hợp, một trong các điểm trong ca đo khi quan trắc bị hỏng số liệu và tất các các điểm được xử lý đồng thời, các sai số từ điểm hỏng sẽ nằm trong tất cả các véctơ và sai số sẽ được giữ lại Phần mềm

xử lý vectơ đơn lẻ cho phép kiểm tra tốt hơn những cạnh sai hay điểm sai Điểm sai có thể dễ dàng phát hiện nhờ số liệu thống kê như sai số trung phương đơn

vị trọng số, sai số tiêu chuẩn bằng cách đối chiếu tham số của các cạnh được coi

là chuẩn với các cạnh khác Thêm vào đó, có thể lấy tổng gia số toạ độ theo một tuyến của ca đo, nếu như tổng giá trị số gia toạ độ theo vòng khép không nhỏ thì chứng tỏ một trong các điểm của ca đo có điều kiện đo kém

Việc xử lý bằng phần mềm cho từng vectơ được thực hiện theo trình tự sau:

1 Tạo các tệp quỹ đạo

2 Tính giá trị tốt nhất vị trí điểm theo phương pháp giả khoảng cách

3 Đọc pha sóng tải để tạo số liệu pha (không hiệu số) và số liệu quỹ đạo vệ tinh

4 Tạo hiệu pha và tính các hiệu chỉnh khác

Các vệ tinh được quan trắc tại máy 1

- 28 -

5 Tính giá trị ước lượng véctơ sử dụng hiệu pha bậc 3 Phương pháp này cho phép phát hiện và bù lại hiện tượng trượt chu kỳ để nhận được kết quả tốt nhất

6 Tính toán lời giải hiệu pha bậc 2 xác định véc tơ và giá trị (thực) của pha

7 Ước lượng số nguyên đa trị của pha đã tính được từ bước trước, và có thể tiếp tục tính tiếp số nguyên đa trị chính xác

8 Tính toán sai số lời giải dựa vào số nguyên đa trị chính xác nhất đã được tính

Bước 1 Xử lý theo các tham số mặc định của phần mềm

Trong bước này, sẽ sử dụng toàn bộ trị đo trong thời gian quan trắc ca đo, sử dụng tất cả số liệu của các vệ tinh quan sát để giải cạnh Thông thường qua bước

xử lý này đa số các cạnh đã cho kết quả tốt, trừ những trường hợp tại trạm đo có vấn đề, như bị che chắn, có các tác động nhiễu, đa đường dẫn vv…

Bước 2 Đối với những cạnh không đạt trong bước 1, cần xử lại ở chế độ can

thiệp

Trong bước này, người xử lý có thể cắt bỏ những vệ tinh có dấu hiệu “xấu”, điều này có thể nhận biết sau khi xem kết quả giải cạnh ở bước 1 Cũng có thể cắt bỏ thời gian đầu hoặc cuối, tăng góc ngưỡng trên 15 độ vv

* Kiểm tra kết quả đo

Sau khi tính Baseline cần phải kiểm tra chất lượng trị đo Việc kiểm tra có thể thực hiện trên 2 nội dung:

1 Khử lỗi và kiểm tra chất lượng vectơ cạnh riêng rẽ

Chúng ta có thể đánh giá chất lượng cạnh theo các chỉ tiêu sau :

- Dạng lời giải (Solution type)

- Tỷ số phương sai (Ratio)

- Phương sai chuẩn (Reference variance)

- Biểu đồ tín hiệu của vệ tinh đã thu được (S V residual plots )

a Dạng lời giải

Phương sai chuẩn (Variance) là sai số trung phương trọng số đơn vị của lời giải Trường hợp lý tưởng phương sai chuẩn bằng 1, phương sai chuẩn càng lớn thì chất lượng lời giải càng kém

Chương trình sẽ nhận số liệu quan sát và tiến hành tính cạnh theo trình tự xác định, trình tự đó dựa trên dạng số liệu quan trắc và cài đặt chế độ cùng các tham số tính toán Dựa trên số liệu đo và chế độ cài đặt, chương trình sẽ đưa ra lời giải tốt nhất

Với số liệu hai tần, việc tính toán sẽ tiến hành trên cơ sở phối hợp hai tần số

b Giá trị tỷ số RATIO

c Phương sai chuẩn

Phương sai chuẩn cũng là cơ sở quan trọng để đánh giá chất lượng lời giải

Đó là sai số trung phương đơn vị trọng số, nó không có thứ nguyên Trường hợp

lý tưởng là giá trị phương sai xấp xỉ 1 Đối với máy thu một tần số có thể chấp nhận phương sai trong khoảng từ 1 đến 8 hoặc 9 Thông thường cạnh càng dài thì giá trị phương sai chuẩn càng lớn

Trong trường hợp đo động (chỉ có ít nhất hai lần ghi số liệu) có thể chấp nhận phương sai lớn hơn, khoảng 5.0 hoặc 6.0 Nếu phương sai quá lớn, có thể

đã bị những sai số như :

- Số liệu bị nhiễu (do cây, vật cản che chắn tín hiệu hoặc vệ tinh quá thấp)

- Có dấu hiệu của sai số số nguyên đa trị

- Có sai số hệ thống do sử dụng máy thu một tần trên khoảng cách dài, khi

đó chịu ảnh hưởng của tầng ion

- Chọn cài đặt lời giải FIXED không đúng

d Biểu đồ tín hiệu của vệ tinh đã thu được

Biểu đồ tín hiệu cũng cho ta nhận xét về chất lượng đo GPS, nếu tín hiệu của quá nhiều vệ tinh có tình trạng bị gián đoạn thì chất lượng lời giải thường không tốt Trên hình 3-7 thể hiện tín hiệu vệ tinh thu được liên tục, còn trên hình 3-8, thể hiện tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn hai lần trong thời gian thu

Hình 7.8 Tín hiệu vệ tinh liên tục

Hình 3-7 Tín hiệu vệ tinh liên tục

- 30 -

Hình 3-8 Tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn

Theo kinh nghiệm, các vectơ cạnh có chất lượng xấu thường là bị ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu, bị lẫn tín hiệu đa đường dẫn, bị hiện tượng gián đoạn tín hiệu quá dài vv Vấn đề là phải phát hiện và loại bỏ các vệ tinh tham gia mang theo tín hiệu chất lượng tồi Khi xử lý, có thể xử lý ở chế độ can thiệp như sau:

- Cắt bỏ vệ tinh có nhiều thời gian bị gián đoạn tín hiệu

- Cắt bỏ vệ tinh có góc cao nhỏ (thấp)

- Cắt bỏ thời gian đầu hoặc cuối ca đo khi cần thiết

Một vectơ cạnh đạt yêu cầu là phải bảo đảm một số chỉ tiêu cần thiết như:

- Dạng lời giải: Với cạnh ngắn, tốt nhất là lời giải FIXED

- Tỷ số phương sai: Càng lớn càng tốt

- Phương sai chuẩn: Càng nhỏ càng tốt

- Sai số khoảng cách (RMS) : càng nhỏ càng tốt vv

2 Kiểm tra chất lượng đo lưới GPS

Lưới GPS được tạo thành từ nhiều vectơ cạnh Nếu tất cả các cạnh đều đạt chỉ tiêu của chất lượng cạnh riêng rẽ thì thông thường toàn bộ lưới sẽ đạt yêu cầu Như đã nói ở phần trước, trong lưới GPS, các vectơ cạnh thường được đo khép kín (có thể là các vectơ cùng ca đo, hoặc khác ca đo) Dựa vào đặc điểm kết cấu hình học này chúng ta có thể kiểm tra lần cuối chất lượng đo của các vectơ cạnh trong mạng lưới nhờ tính toán các sai số khép hình Tương tự như sai

số khép hình trong mạng lưới tam giác đo góc, các sai số khép hình trong lưới GPS cũng mang tính chất của sai số thực của hàm các trị đo (độc lập hoặc phụ thuộc)

Việc tính sai số khép hình trong lưới GPS được thực hiện trong các hình khép kín theo công thức sau:

i

i Y

n

i

i X

Z f

Y f

X f

1 ' 1 ' 1 '

f S



trong đó:  S là tổng chiều dài trong vòng khép kín

a là giá trị của vòng khép, đơn vị ppm

Sai số khép tổng hợp tương đối đặc trưng cho độ chính xác của lưới trước khi bình sai Mỗi cấp lưới sẽ có quy định về sai số này

Dựa vào các hình khép kín chúng ta sẽ tính được sai số khép hình theo các cạnh đã đo Nếu các cạnh được xác định trong 1 ca đo thì sẽ tính được sai số khép cùng ca đo Nếu các cạnh khác ca đo thì sẽ tính được sai số khép khác ca

đo Sai số khép cùng ca đo thường nhỏ hơn sai số khép khác ca đo

Thông thường việc kiểm tra sai số khép hình trong lưới GPS được thực hiện

tự động nhờ chức năng sẵn có của phần mềm xử lý số liệu GPS

* Bình sai lưới GPS

Khi kiểm tra thấy các baseline và các sai số khép vòng đạt yêu cầu thì tiến hành bình sai lưới GPS Lưới GPS là lưới không gian nên bình sai lưới GPS là bình sai lưới không gian Việc bình sai được thực hiện bằng phần mềm, gồm các công việc sau:

- Bình sai lưới GPS trong hệ tọa độ WGS-84 Kết quả của bước bình sai này tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc tọa độ trắc địa (B, L, H) trong hệ WGS-84

- Bình sai trên hệ tọa độ địa phương (VN-2000) hoặc (HN-72) Kết quả của bước này là tọa độ vuông góc phẳng (x, y) trong hệ tọa độ địa phương mà ta lựa chọn và độ cao trắc địa của các điểm lưới Trong bước này phải chọn Ellipxoid

và khai bào phép chiếu tương ứng với hệ tọa độ đã chọn

- Bình sai kết hợp với mô hình Goeid Kết quả của bước này tà tọa độ phẳng (x, y) trong hệ tọa độ địa phương và độ cao thường h của các điểm

Lưới GPS là lưới không gian nên bình sai lưới GPS là bình sai lưới không gian Trị đo trong lưới GPS là Baseline, mỗi baseline lại gồm 3 trị đo thành phần

là X, Y, Z Các trị đo này lại không độc lập với nhau mà tương quan với nhau thể hiện ở ma trận hiệp phương sai Vì vậy, bình sai lưới GPS là bình sai

- 32 -

lưới có trị đo tương quan, nghĩa là ma trận trọng số không phải là ma trận đường chéo mà là ma trận có các thành phần ngoài đường chéo khác không

1 Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh

Gọi: Xi, Yi, Zi là tọa độ bình sai của điểm i

Xj, Yj, Zj là tọa độ bình sai của điểm j

X0

i, Y0

i, Z0

i là tọa độ gần đúng của điểm i

X0j, Y0j, Z0j là tọa độ gần đúng của điểm j

dXi, dYi, dZi là số hiệu chỉnh tọa độ của điểm i

dXj, dYj, dZj là số hiệu chỉnh tọa độ của điểm j

X'ij, Y'ij, Z'ij là trị đo sau bình sai

Xij, Yij, Zij là trị đo

Vxij, Vyij, Vzij là số hiệu chỉnh trị đo

n là số baseline trong lưới

m là số điểm cần xác định trong lưới

i j ij

i j ij

Z Z Z

Y Y Y

X X X

' '

ij ij ij

ij ij ij

Vz Z Z

Vy Y Y

Vx X

X

' '

dY Y Y

dX X

X

0 0 0

(3.7) Thay (3.7) vào (3.6), biến đổi ta được:

) (

) (

0 0

0 0

0 0

ij i

j j i ij

ij i

j j i ij

ij i

j j i ij

Z Z

Z dZ dZ Vz

Y Y

Y dY dY Vy

X X

X dX dX Vx

(3.8) Đặt:

) (

) (

0 0

0 0

0 0

ij i

j ij

ij i

j ij

ij i

j ij

Z Z Z lz

Y Y Y ly

X X

X lx

ij j i ij

ij j i

ij

lz dZ dZ Vz

ly dY dY Vy

lx dX dX Vx

(3.10) Đặt:

j

i Xij, Yij, Zij

010010

001001

ij ij

lz ly

ij ij

Vz Vy

dX dZ

dY dX dZ

dY dX

Ta só hệ phương trình số hiệu chỉnh dạng ma trận:

ij ij

A

A A

2 1 ;

L

L L

2 1 ;

V

V V

2 1

(3.14)

2 Lập hệ phương trình chuẩn

Nếu coi các trị đo cùng độ chính xác như nhau ta có hệ phương trình chuẩn:

0 ) ( ).

.

(A T A X  A T L  (3.15a)

Giải hệ ta được:

) ).(

(A A A L

Nếu xét đến trọng số của các trị đo thì lập được hệ phương trình chuẩn:

0 ) ( ).

.

(A T P A X  A T P L  (3.16a)

Giải ra ta được:

) ).(

.

0 3 0 0

0 0 2 0

0 0 0 1

3 3

P P P P P

n nx

) cov(

) cov(

) (

) cov(

) cov(

) cov(

) (

1

Z Z V Z Y Z

X

Z Y Y

Y V Y X

Z X Y

X X

X V M

Mk là ma trận hiệp phương sai của baseline thứ k (k=1,2, n)

Tọa độ sau bình sai của điểm thứ i được tính theo công thức:

i i i

i i

i

dZ Z

Z

dY Y Y

dX X

X

0 0 0

3 Đánh giá độ chính xác

- Sai số trung phương trọng số đơn vị:

- 34 -

 

) (

2.1 Đặc điểm lưới khống chế độ cao trong trắc địa công trình

độ cao phục vụ cho khảo sát, thi công và vận hành các công trình

Các công tác trắc địa trên khu vực xây dựng phải dựa trên hệ thống độ cao thống nhất đã được lựa chọn và thành lập trong giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình