Nghiên cứu bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ thống tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời áp dụng cho mạng lưới trắc địa công trình

Nghiên cứu bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ thống tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời áp dụng cho mạng lưới trắc địa công trình

LÊ VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI ÁP DỤNG CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

LÊ VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI ÁP DỤNG CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

Ngành: Kỹ thuật Trắc ñịa – Bản ñồ

Mã số : 62520503

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1: PGS.TS ðặng Nam Chinh 2: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ðOAN

Tôi cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi Các số liệu tính toán và kết quả nghiên cứu trình bày trong Luận

án là trung thực và chưa từng ñược công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Lê Văn Hùng

MỤC LỤC

Lời cam ñoan……… i

Mục lục…… ……… ii

Danh mục các chữ viết tắt………… ……… vi

Danh mục các bảng……….……… vii

Danh mục các hình vẽ……… ……… ix

MỞ ðẦU ……… 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH VÀ VẤN ðỀ BÌNH SAI LƯỚI GPS……… 7

1.1 Các phương pháp thành lập lưới trắc ñịa công trình 7 1.1.1 Nhóm các phương pháp ño mặt ñất……… 8

1.1.2 Phương pháp ño GPS……… 9

1.1.3 Kết hợp giữa phương pháp ño GPS và phương pháp ño mặt ñất……… 10

1.2 Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình……….………… 11

1.2.1 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình ở nước ngoài……… 11

1.2.2 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình ở Việt Nam ……….…… 13

1.3 Tổng quan về xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa công trình………… ……… 16

1.3.1 Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa công trình ở nước ngoài 16

1.3.2 Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa công trình ở Việt Nam 19

1.4 Các phần mềm bình sai lưới trắc ñịa ở nước ngoài……… 21

1.4.1 Phần mềm STAR*NET v.7.1……… 21

1.4.2 Phần mềm MOVE3 v.4.0.2……… … 23

1.4.3 Phần mềm COLUMBUS v.3.8……… … 24

Chương 2 HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG TRONG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH……… 28

2.1 Yêu cầu về hệ quy chiếu ñối với lưới không chế mặt phẳng trắc ñịa công trình……… 28

2.1.1 Số hiệu chỉnh do chiếu về mặt phẳng ……… 28

2.1.2 Số hiệu chỉnh do ñộ cao so với mặt Ellipsoid quy chiếu 32

2.2 Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…… ……… 33

2.2.1 Thiết lập hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……… 33

2.2.2 Tính ñổi và tính chuyển tọa ñộ…… ……… 36

2.2.3 Phương án ño nối tọa ñộ và ñộ cao Quốc gia vào lưới trắc ñịa công trình……… 47

2.3 Xác ñịnh giới hạn sử dụng của hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời trong trắc ñịa công trình……… 50

2.3.1 Cơ sở lý thuyết……… 50

2.3.2 Xác ñịnh bán kính khu vực sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……… 51

2.3.3 Khảo sát biến dạng góc ngang……… 57

2.3.4 Tính phạm vi khu ño theo giới hạn biến dạng góc ngang 59

2.3.5 Nhận xét……….……… 60

2.4 Sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời thay thế phép chiếu UTM trong trắc ñịa công trình dân dụng và công nghiệp……… 61

2.4.1 So sánh lưới chiếu phẳng UTM với hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……… 61

2.4.2 Ưu nhược ñiểm khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 63 2.4.3 Những lưu ý khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời … 63 Chương 3 BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT

3.1 Trị ño trong lưới GPS ……… 65 3.1.1 Véc tơ cạnh và tác dụng của ma trận hiệp phương sai

trong bình sai lưới GPS …… 65 3.1.2 Kiểm tra sai số khép trong lưới GPS 73 3.2 Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa

tâm…… 74 3.2.1 Khái quát chung……… 74 3.2.2 Thuật toán bình sai gián tiếp lưới GPS trong hệ tọa ñộ

3.3 Bình sai lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa

diện chân trời……… 76 3.3.1 Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…… 76 3.3.2 Bình sai lưới GPS kết hợp với trị ño mặt ñất trong hệ tọa

3.3.3 Khả năng ứng dụng phép lọc Kalman trong bình sai kết

3.3.4 Bình sai kết hợp lưới không gian và lưới mặt ñất……… 94 Chương 4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN

4.1.1 Quy trình bình sai lưới GPS kết hợp các trị ño góc cạnh trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 96

4.1.2 Sơ ñồ khối 99

4.2 Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……… 101

4.2.1 Ngôn ngữ lập trình 101

4.2.2 Xây dựng phần mềm 101

4.3 Tính toán thực nghiệm………… ……… 106

4.3.1 Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất công trình nhà máy lọc dầu Dung Quất ……… 106

4.3.2 Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất công trình nhà máy xi măng Thái Nguyên ……… 110

4.3.3 Nhận xét chung 115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ… 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 119

PHỤ LỤC 1……… 127

PHỤ LỤC 2……… 129

PHỤ LỤC 3……… 131

PHỤ LỤC 4……… 133

PHỤ LỤC 5……… 138

PHỤ LỤC 6……… 144

PHỤ LỤC 7……… 150

PHỤ LỤC 8……… 158

PHỤ LỤC 9……… 160

PHỤ LỤC 10……… 162

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3 Hệ ñịa tâm Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm

4 Hệ ñịa diện Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời

6 ITRF The International Terrestrial Reference Frame

11 SSTPðVTS Sai số trung phương ñơn vị trọng số

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Một số máy TððT chính xác (sử dụng ñể ño các lưới

1.2 Một số máy TððT ñộ chính xác cao (sử dụng ñể ño các

lưới khống chế có ñộ chính xác cao và quan trắc biến dạng

2.1 Bảng biến dạng chiều dài khi chiếu cạnh từ mặt ñất về mặt

Ellipsoid

32

2.5 Tọa ñộ ñiểm quy chiếu G của hệ ñịa diện trong các phương

2.6 Giá trị biến dạng góc ngang δ và số cải chính biến β

3.1 Một số ñặc trưng kỹ thuật của các mạng lưới khảo sát 69 3.2 Các yếu tố sau bình sai lưới theo 3 phương án trọng số 70 3.3 Sai khác lớn nhất về tọa ñộ và kết quả ñánh giá ñộ chính

3.4 Các yếu tố sau bình sai lưới theo 3 phương án trọng số 71 3.5 Sai khác lớn nhất về tọa ñộ và kết quả ñánh giá ñộ chính

4.1 So sánh sai số vị trí ñiểm mạng lưới nhà máy lọc dầu Dung

4.2 So sánh tọa ñộ trắc ñịa giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey

2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy nhà máy lọc dầu

4.3 So sánh sai số trung phương vị trí ñiểm giữa ba phần mềm

TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy

4.4 So sánh sai số tương ñối cạnh mạng lưới NMXM Thái

4.5 So sánh tọa ñộ trắc ñịa giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey

2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy NMXM Thái

4.6 So sánh sai số trung phương vị trí ñiểm giữa ba phần mềm

TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.5 Giao diện chính và giao diện nhập dữ liệu của

2.3 Phạm vi biến dạng do phép chiếu UTM múi chiếu 30 30 2.4 Phạm vi biến dạng do phép chiếu UTM múi chiếu 60 30

2.11 Xét biến dạng chiều dài cạnh trên mặt phẳng chân trời 53

2.12 Tính số cải chính biến dạng góc ngang 55

2.14 Bản ñồ tỉnh Thanh Hóa và vị trí kinh tuyến trung ương

3.5 Sơ ñồ lưới không gian 3D kết hợp với lưới mặt ñất 2D 94

4.8 Sơ ñồ mạng lưới GPS kết hợp trị ño góc cạnh Nhà máy

4.11 Mạng lưới GPS kết hợp các trị ño góc cạnh MNXM

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Công nghệ GPS ñược ứng dụng trong trắc ñịa không chỉ là sự thay ñổi

quan trọng trong công nghệ ño ñạc mà còn dẫn ñến sự thay ñổi trong phương pháp xử lý kết quả ño, ñó là phương pháp bình sai lưới tọa ñộ trong không gian 3 chiều (3D) sử dụng các véc tơ cạnh ño thay cho bình sai trên mặt phẳng (2D) sử dụng các trị ño góc - cạnh truyền thống, ñã ñược áp dụng từ nhiều thế kỷ trước ñây

Ở Việt Nam, công nghệ GPS ñã ñược khai thác sử dụng trong công tác trắc ñịa và bản ñồ từ ñầu những năm 90 của thế kỷ XX Trong lĩnh vực TðCT công nghệ GPS cũng ñã ứng dụng từ những năm cuối thế kỷ XX trở lại ñây Năm 1999, bằng công nghệ GPS, chúng ta ñã xây dựng mạng lưới TðCT hầm ñường bộ xuyên ñèo Hải Vân (dài trên 6 km), nhờ ñó sai số ñào hầm ñối hướng ñạt ñược là 2,5 cm Mạng lưới cơ sở TðCT của KCN Dung Quất ñược xây dựng bằng công nghệ GPS (6/2001) Tháng 5 năm 2005, mạng lưới khống chế công trình hầm thủy ñiện A-Vương (dài trên 4 km) cũng ñược xây dựng bằng công nghệ GPS, nhờ ñó sai số ñào hầm ñối hướng cũng không vượt quá 5 cm Ngoài ra còn nhiều mạng lưới TðCT phục vụ xây dựng các NMXM cũng ñược ño bằng công nghệ GPS, như lưới trắc ñịa công trình NMXM Nghi Sơn (3/2000), NMXM Thái Nguyên (2/2006), NMXM Bút Sơn (4/2008), NMXM Cẩm Phả (2008)

Một ñặc ñiểm chung của các mạng lưới sử dụng trong TðCT ñược ño bằng công nghệ GPS là chiều dài cạnh không quá lớn Chính vì thế, trong nhiều trường hợp các ñiểm lưới công trình lại có khả năng thông hướng với nhau Trong trường hợp này, những người làm công tác TðCT thường ño thêm chiều dài cạnh hoặc góc ngang bằng TððT và xử lý cùng với các trị ño GPS ñể nhận ñược một kết cấu lưới vững chắc, cho ñộ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các ñiểm trong lưới

Ngoài ra có trường hợp, một số ñiểm trong lưới không thuận tiện cho

ño GPS, trong trường hợp này cần ño thêm chiều dài cạnh và góc ñể xác ñịnh ñược tọa ñộ của các ñiểm ñó Có trường hợp cần kết nối giữa hai mạng lưới mặt ñất mà không thể dùng các thiết bị ño góc - cạnh thông dụng thì việc sử dụng công nghệ GPS ñể liên kết các mạng lưới mặt ñất là giải pháp khả thi nhất Do ñó việc kết hợp cả 2 phương pháp (ño mặt ñất và công nghệ GPS) ñể thành lập lưới thì chắc chắn sẽ phát huy ñược ưu ñiểm và khắc phục ñược những mặt hạn chế của mỗi phương pháp, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong công tác xây dựng lưới TðCT

Ở khoảng cách ngắn, ñộ chính xác của ña số các máy TððT phổ biến cho ñộ chính xác ño chiều dài trong khoảng từ 3 mm ñến 5 mm Như vậy là tương ñương với ñộ chính xác ño cạnh bằng GPS Vấn ñề xử lý bình sai ñồng

thời các véc tơ cạnh GPS (Baselines) với cạnh ño bằng TððT là một nhu cầu

thực tế ñược ñặt ra Trước ñây, những người làm công tác xử lý số liệu GPS

có thể sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35 ñể bình sai kết hợp trị ño GPS với các trị ño mặt ñất, mặc dù các thủ tục ñể bình sai chung cũng khá phức tạp Nhưng từ ngày 14 tháng 9 năm 2011 phần mềm trên ñã hết hạn, không còn ñược sử dụng

Vấn ñề nghiên cứu lựa chọn hệ tọa ñộ có thể sử dụng trong giới hạn nhất ñịnh ñể làm hệ tọa ñộ cơ sở cho công tác trắc ñịa công trình cùng với nghiên cứu thuật toán và xây dựng quy trình bình sai lưới GPS có sử dụng thêm các trị ño mặt ñất là hết sức cần thiết trong ñiều kiện chúng ta chưa chủ ñộng xây dựng ñược phần mềm xử lý số liệu GPS Kết quả nghiên cứu sẽ là những ñề xuất góp phần hoàn thiện các quy ñịnh kỹ thuật trong công tác lựa chọn hệ tọa ñộ cũng như phương pháp xử lý số liệu trong công tác trắc ñịa công trình ở Việt Nam

Vấn ñề trên cũng chính mục tiêu nghiên cứu của luận án ðể giải quyết

nội dung nghiên cứu, tác giả ựã tham khảo, tìm hiểu các công trình khoa học

có nội dung liên quan tới tên ựề tài mà các tác giả khác ở trong và ngoài nước

ựã nghiên cứu, công bố trên các tạp chắ và trên mạng thông tin toàn cầu Internet Nhờ các công trình ựó, sẽ có ựược cái nhìn tổng quan về hiện trạng của vấn ựề nghiên cứu, từ ựó sẽ có ựược ựịnh hướng ựúng ựắn cho các nghiên cứu tiếp theo ựể ựạt ựược mục tiêu như mong muốn

2 Mục ựắch, ựối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu phương pháp thiết lập hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời tại vị trắ trung tâm công trình, hoàn thiện quy trình tắnh chuyển, tắnh ựổi giữa hệ tọa ựộ ựịa diện với các hệ tọa ựộ thường dùng khác

- Xác ựịnh phạm vi sử dụng hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời cho các mạng lưới TđCT dân dụng và công nghiệp

- Hoàn thiện cơ sở lý thuyết và ựề xuất quy trình bình sai chặt chẽ kết hợp giữa trị ựo GPS và trị ựo mặt ựất

- Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị ựo GPS và trị ựo mặt ựất có tắnh ứng dụng cao trong ựiều kiện Việt Nam

- đánh giá ựộ xác thực và tin cậy của phần mềm

3 Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tổng quan công nghệ GPS và TđđT ựể thành lập lưới khống chế TđCT;

- Nghiên cứu hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời; Tắnh ựổi tọa ựộ giữa hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời với hệ tọa ựộ trắc ựịa và hệ tọa ựộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM

- Xác ựịnh giới hạn sử dụng hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời trong TđCT;

- Vấn ựề tắnh trọng số trị ựo tương quan trong bình sai lưới GPS;

- Nghiên cứu về bình sai lưới GPS trong hệ tọa ựộ vuông góc không gian ựịa tâm (X,Y,Z), hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời;

- Nghiên cứu về bình sai kết hợp GPS với các trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời với phương trình trị ño khoảng cách bằng TððT, số cải chính góc ngang và phương trình số hiệu chỉnh góc ngang

- Nghiên cứu lập chương trình máy tính phục vụ xử lý số liệu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xử lý các số liệu liên quan

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các tiện ích, phân tích

có lôgíc các tư liệu, số liệu làm cơ sở ñể giải quyết các vấn ñề ñặt ra

- Phương pháp so sánh: tổng hợp kết quả, so sánh ñánh giá và ñưa ra các kết luận về các vấn ñề ñặt ra

- Phương pháp tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, ñánh giá kiểm chứng ñộ xác thực của các công thức ñưa ra

- Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin, lập chương trình máy tính…

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Các kết quả nghiên cứu ñã ñặt cơ sở cho việc bình sai kết hợp giữa trị ño GPS với trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời áp dụng cho các mạng lưới TðCT yêu cầu ñộ chính xác cao

- ðề xuất sử dụng hệ ñịa diện chân trời làm hệ tọa ñộ cơ sở thay thế cho hệ tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM trong công tác TðCT dân dụng và công nghiệp

- Thuật toán và quy trình ñã ñược chuyển thành phần mềm bình sai kết hợp hoàn toàn có thể sử dụng trong thực tiễn công tác TðCT ở Việt Nam

- Có thể ứng dụng những kết quả nghiên cứu của luận án trong các lĩnh vực ñào tạo kỹ sư, giảng dạy, nghiên cứu khoa học và phục vụ sản xuất

6 Các luận ñiểm bảo vệ

- Luận ñiểm thứ nhất: Vấn ñề tính trọng số trị ño trong lưới ño thuần GPS cũng như lưới GPS kết hợp lưới mặt ñất là rất quan trọng Cần phải chuẩn hóa

trị ño GPS theo quy trình bình sai hai bước

- Luận ñiểm thứ hai: Cần phải tính biến dạng góc ñể cải chính vào góc ño trước khi bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt ñất Các yếu tố (kích thước) của mạng lưới sau bình sai bảo ñảm sự phù hợp tốt nhất với yếu tố thực ñịa ðiều này rất cần thiết ñối với công tác thiết kế, thi công các công trình dân dụng và công nghiệp yêu cầu ñộ chính xác cao

- Luận ñiểm thứ ba: Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời có thể sử dụng làm hệ tọa ñộ

cơ sở thay thế cho hệ tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM phục vụ các giai ñoạn khảo sát (tỷ lệ lớn), thiết kế và thi công công trình Phạm vi (bán kính) sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời ñược ước tính theo yêu cầu biến dạng

7 Các ñiểm mới của luận án

- Hoàn thiện hệ thống công thức ñể xác ñịnh phạm vi sử dụng của hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời trong TðCT;

- ðề xuất công thức tính số cải chính biến dạng góc ngang khi bình sai kết hợp trị ño GPS với trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

- Xây dựng phần mềm xử lý số liệu với tên gọi ADGT (ADjustment GPS Topography) gồm các modul tính chuyển, tính ñổi, modul biên tập kết quả xử

lý cạnh, modul bình sai lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời áp dụng cho các mạng lưới TðCT

8 Cấu trúc và nội dung luận án

Cấu trúc luận án gồm ba phần:

1 Phần mở ñầu: Giới thiệu về tính cấp thiết, mục ñích nghiên cứu của luận án, ñối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, ñồng thời ñưa ra các luận ñiểm bảo vệ và ñiểm mới của luận án

2 Phần nội dung ñược trình bày trong 4 chương

Chương 1: Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình và vấn ñề bình sai lưới GPS

Chương 2: Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời và khả năng sử dụng trong trắc ñịa công trình

Chương 3: Bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

Chương 4: Xây dựng phần mềm xử lý số liệu bình sai kết hợp GPS và trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

3 Phần kết luận và kiến nghị

9 Lời cảm ơn

Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc ñến thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS ðặng Nam Chinh, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc ñã tận tình giúp ñỡ tác giả hoàn thành các nội dung của Luận án

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành ñến các thầy cô giáo trong bộ môn Trắc ñịa công trình, Khoa trắc ñịa, Phòng sau ñại học trường ðại học Mỏ ñịa chất, các ñồng nghiệp Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ xây dựng, Viện công nghệ Vũ trụ- Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, Viện khoa học ño ñạc và bản ñồ, trường ðại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội v.v… ñã có sự giúp ñỡ quý báu ñể tác giả hoàn thiện nội dung của luận án

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH VÀ VẤN ðỀ BÌNH SAI LƯỚI GPS 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

Lưới khống chế TðCT thường ñược xây dựng theo các phương pháp truyền thống như phương pháp tam giác (ño góc, ño cạnh hoặc ño góc-cạnh), phương pháp ñường chuyền (ña giác), phương pháp giao hội, phương pháp ño bằng GPS Các thế hệ máy TððT với các cấp ñộ chính xác khác nhau ñang

có mặt ở nước ta cho phép thành lập lưới TðCT một cách thuận tiện và linh hoạt với ñộ chính xác cần thiết (Bảng 1.1 và Bảng 1.2)

Trong ñiều kiện hiện nay, có thể sử dụng 2 phương pháp chủ yếu ñể thành lập các mạng lưới trắc ñịa mặt bằng nói chung cũng như lưới TðCT, ñó

là phương pháp sử dụng các trị ño mặt ñất (truyền thống) và phương pháp vệ tinh (GNSS) Mỗi phương pháp ñều có những ưu nhược ñiểm nhất ñịnh và ñòi hỏi những ñiều kiện áp dụng khi ño ñạc thành lập lưới

Bảng 1.1- Một số máy TððT chính xác (sử dụng ñể ño các lưới khống chế mặt bằng)

Bảng 1.2- Một số máy TððT ñộ chính xác cao (sử dụng ñể ño các lưới khống chế có ñộ chính xác cao và quan trắc biến dạng công trình)

1.1.1.1 Lưới tam giác ño góc

Trước khi có sự xuất hiện của các máy ño dài ñiện quang thì phương pháp lưới tam giác ño góc vẫn là phương pháp chủ yếu áp dụng ñể lập lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng nói chung Nhưng ngày nay, phương pháp này ít ñược sử dụng trong sản xuất

1.1.1.2 Lưới tam giác ño cạnh

Việc áp dụng các máy ño dài ñiện quang ñã mở ra một khả năng xây dựng lưới khống chế trắc ñịa bằng phương pháp lưới tam giác ño cạnh Ảnh hưởng của chiết quang ngang có thể ñược làm giảm một cách rõ rệt, thậm chí

có thể ñược loại trừ bằng cách thay thế lưới tam giác ño góc bằng lưới tam giác ño toàn cạnh Tuy nhiên, nhược ñiểm của phương pháp tam giác ño cạnh

là có ít trị ño dư

1.1.1.3 Lưới tam giác ño góc cạnh kết hợp

ðể khắc phục những nhược ñiểm của hai phương pháp lưới tam giác ño góc và lưới tam giác ño cạnh thì cách tốt nhất là sử dụng các máy TððT ñể

ño lưới theo phương pháp ño góc cạnh kết hợp

1.1.1.4 Lưới ñường chuyền

Trong phương pháp này, người ta ño trực tiếp chiều dài các cạnh và các góc ngoặt, rồi dựa vào phương vị gốc và toạ ñộ gốc ñể tính ra toạ ñộ các ñiểm còn lại ðối với lưới ñường chuyền việc chọn ñiểm và phát triển lưới trong khu vực ñông dân cư hay thành phố là rất dễ dàng

1.1.1.5.Nhận xét

Trong những năm vừa qua, ñể thành lập các mạng lưới TðCT, chúng ta vẫn chủ yếu sử dụng các loại máy TððT Nhiều thế hệ máy TððT với các cấp ñộ chính xác khác nhau ñang có mặt trên thị trường Việt Nam cho phép

ño ñạc lưới nhanh, ñáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cần thiết, rất tiện lợi ở những vùng ñịa hình có tầm thông hướng mặt ñất tốt Khả năng thực hiện 2 loại trị

ño góc và cạnh ngay trên cùng một phương tiện và trên cùng một trạm máy ñã cho phép nâng cao ñộ tin cậy cũng như ñộ chính xác của mạng lưới

Tuy nhiên, ñối với những khu vực có ñịa hình phức tạp, tầm thông hướng mặt ñất kém thì phương pháp này tỏ ra kém hiệu quả

Một hạn chế nữa khi áp dụng phương pháp ño mặt ñất là phải chọn thời tiết và thời gian ño thích hợp ñể tránh ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết và khí tượng tới các kết quả ño Hệ quả là phải kéo dài thời gian ño lưới, ảnh hưởng tới tiến ñộ thi công cũng như tiến trình quan trắc

1.1.2 Phương pháp ño GPS

Phương pháp ño GPS (với kỹ thuật ño tương ñối tĩnh ñể thành lập lưới khống chế) sử dụng tín hiệu thu ñược từ các vệ tinh trong hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS Kết quả là xác ñịnh ñược các vector cạnh (baselines) trong hệ tọa ñộ trắc ñịa quốc tế WGS-84

ðộ chính xác ño cạnh bằng GPS với các tham số ñộ chính xác a, b phổ biến với các máy thu GPS hiện nay là: a= 5mm và b=1ppm (1 phần triệu chiều dài cạnh) Nếu so sánh với ñộ chính xác ño chiều dài cạnh bằng máy TððT phổ biến hiện nay là a = 3 mm và b = 2ppm, thì có thể thấy công nghệ

GPS có ưu thế ở khoảng cách dài, còn ở khoảng cách ngắn, máy TððT có ưu thế hơn, tuy nhiên ñể ño bằng TððT thì cần phải thông hướng Dựa vào các tham số a, b ñặc trưng nêu trên của máy GPS và TððT, tiến hành vẽ ñồ thị

(hình 1.1) ñể so sánh một cách trực quan giữa ñộ chính xác ño chiều dài cạnh

bằng GPS ( mD-GPS) và ñộ chính xác ño cạnh bằng TððT (mD-TD) Theo ñồ thị trên có thể thấy rằng, ở khoảng cách D <2,3 km thì sai số ño cạnh bằng GPS lớn hơn sai số ño bằng TððT

Ưu ñiểm nổi bật của công nghệ GPS là không ñòi hỏi sự thông hướng mặt ñất giữa các ñiểm ño cũng như ít chịu ảnh hưởng của các ñiều kiện thời

tiết và khí hậu Vì vậy, nó có thể ñược áp dụng một cách hiệu quả ở những

khu vực có tầm thông hướng mặt ñất kém

Hình 1.1 - So sánh sai số ño chiều dài bằng GPS và TððT

Nhược ñiểm của phương pháp này là ñòi hỏi sự thông thoáng bầu trời tại các ñiểm ñặt máy thu GPS Vì vậy, nó không thể áp dụng ñược ở những khu vực có ñộ che phủ lớn Ngoài ra, phương pháp này còn chịu ảnh hưởng ñáng kể của các nguồn gây nhiễu tín hiệu như các trạm phát sóng, các ñường dây tải ñiện và các tín hiệu ñiện từ khác

1.1.3 Kết hợp giữa phương pháp ño GPS và phương pháp ño mặt ñất

Lưới khống chế dùng trong TðCT thường có yêu cầu ñộ chính xác cao, lại có những yêu cầu riêng về thiết kế chọn ñiểm cũng như thời gian thi công lưới

Từ những phân tích ở phần trên có thể thấy, nếu chỉ áp dụng một phương pháp duy nhất ñể thành lập lưới (hoặc là chỉ ño mặt ñất, hoặc là chỉ ño bằng công nghệ GPS) sẽ gặp phải những khó khăn vì phương pháp nào cũng ñều có

những nhược ñiểm nhất ñịnh Với những trường hợp các ñiểm lưới công trình lại có khả năng thông hướng với nhau, những người làm công tác TðCT thường ño thêm chiều dài cạnh hoặc góc ngang bằng TððT và xử lý cùng với các trị ño GPS ñể nhận ñược một kết cấu lưới vững chắc, cho ñộ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các ñiểm trong lưới Ngoài ra có trường hợp, một

số ñiểm trong lưới không thuận tiện cho ño GPS, trong trường hợp này cần ño thêm chiều dài cạnh và góc ñể xác ñịnh ñược tọa ñộ của các ñiểm ñó Có trường hợp cần kết nối giữa hai mạng lưới mà không thể dùng TððT thì sử dụng công nghệ GPS ñể liên kết mạng lưới là giải pháp khả thi nhất Do ñó việc kết hợp cả 2 phương pháp ñể thành lập lưới thì chắc chắn sẽ phát huy ñược ưu ñiểm và khắc phục ñược những mặt hạn chế của mỗi phương pháp,

nâng cao hiệu quả và rút ngắn ñược thời gian thi công lưới

1.2 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

1.2.1 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình ở nước ngoài

Hệ thống GPS là một trong các hệ thống vệ tinh dẫn ñường toàn cầu Với mục tiêu ñó, yêu cầu về ñộ chính xác ñịnh vị ñiểm bằng GPS không ñòi hỏi quá cao Từ khi hệ thống GPS ñược khai thác sử dụng trong dân sự, nhiều nghiên cứu ứng dụng GPS trong công tác trắc ñịa ñòi hỏi ñộ chính xác cao ñược triển khai và ñã ñạt ñược nhiều thành tựu quan trọng Ngay từ năm

1984, người ta ñã triển khai ứng dụng GPS trong TðCT tại Stanford (Mỹ) Tháng 4 năm 1985, R Ruland và A Leick ñã công bố kết quả nghiên cứu và thử nghiệm ứng dụng GPS trong ño lưới TðCT ñộ chính xác cao [63]

Nhờ tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo máy thu GPS, thuật toán xử lý trị ño pha ñược sử dụng ñể loại bỏ và giảm thiểu nhiều nguồn sai số, nhờ ñó trong ñịnh vị tương ñối người ta ñã nhận ñược các véc tơ cạnh với ñộ chính xác rất cao [51], [52], [53]

Tại Hungary, ngay từ năm 1990, người ta ñã sử dụng công nghệ GPS

ñể tiến hành ño ñạc quan trắc biến dạng công trình ñập thủy ñiện trên vùng có ñiều kiện ñịa chất không ổn ñịnh (Berhida) và so sánh với kết quả quan trắc bằng ño góc- cạnh truyền thống sử dụng máy kinh vĩ chính xác Wild T2 và máy ño khoảng cách AGA 12A [46]

Tại Cộng hòa Séc, ứng dụng GPS trong TðCT ñược bắt ñầu từ những năm ñầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX Tháng 4 năm 2002, tại Hội nghị trắc ñịa quốc tế (FIG) lần thứ XXII tổ chức tại Washington D.C.(Mỹ), Otakar Svabensky và Josef Weigel ñã công bố kinh nghiệm quản lý (management) ñộ chính xác ño GPS ứng dụng trong TðCT [61] Cũng tại Hội nghị này Abdelkader Nadir Nabed và các tác giả cũng ñã công bố bài báo về mô hình bình sai kết hợp và chuyển ñổi tọa ñộ GPS về tọa ñộ Quốc gia [42]

Trong gần 10 năm ứng dụng GPS trong công tác ño ñạc công trình, các nhà trắc ñịa Séc ñã cho thấy, sử dụng phần mềm Leica SKI v.2.3 ñể xử lý số liệu ño GPS bằng máy thu Leica SR 299/399 và bằng máy thu Ashtech Z-18 ở khoảng cách ngắn có thể ñạt ñược ñộ chính xác 5mm về mặt bằng và 7 mm về

ñộ cao (trắc ñịa)

Hình 1.2 – ðập thủy ñiện Geheyan Hình 1.3 – ðập thủy ñiện Tam Hiệp

Tại Trung Quốc, Trong lĩnh vực TðCT vào cuối những năm 90 các nhà trắc ñịa thuộc ñại học Vũ Hán [66] ñã sử dụng hệ thống GPS tự ñộng ñể quan

trắc ñập vòm trọng lực Geheyan trên sông Qingjiang (Hình 1.2) Kết quả phân

tích ñộ chính xác lưới GPS cạnh ngắn về mặt bằng cỡ 2mm và về ñộ cao cỡ

4.5mm [67] Trong năm cuối năm 2003 sau khi hoàn thành ựập thủy ựiện Tam

Hiệp (Hình 1.3) là ựập lớn nhất thế giới, người ta cũng ựã sử dụng GPS ựể

quan trắc biến dạng công trình [68]

Trong xây dựng lưới GPS cạnh dài, vấn ựề khắc phục ảnh hưởng của tầng ựiện ly và tầng ựối lưu tới kết quả xác ựịnh véc tơ cạnh ựược ựặt ra, song ựối với lưới GPS cạnh ngắn ứng dụng trong TđCT thì vấn ựề trên không phải

là ảnh hưởng chủ yếu do trong không gian hẹp tắnh chất của khắ quyển có thể coi như ựồng nhất, ảnh hưởng của ựiều kiện khắ quyển tới các trị ựo tại các trạm máy gần như nhau và sẽ ựược loại bỏ về cơ bản trong các phương trình hiệu pha

1.2.2 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ựịa công trình ở Việt Nam

Trong công tác TđCT, công nghệ GPS ựã ựược nghiên cứu ứng dụng theo từng giai ựoạn từ thiết kế, thi công ựến giai ựoạn sử dụng công trình Trong giai ựoạn khảo sát, thiết kế công trình, công nghệ GPS ựược ứng dụng

ựể thành lập lưới TđCT có ựộ chắnh xác cao, lưới khống chế phục vụ ựo vẽ bản ựồ ựịa hình công trình và thường sử dụng các loại máy thu GPS một tần

số ựể ựo lưới có chiều dài cạnh ngắn, ựảm bảo ựộ chắnh xác tương hỗ không vượt quá ổ 5mm Một số công trình ựã sử dụng GPS ựể lập lưới trắc ựịa phục

vụ thi công ựiển hình như: Trung tâm hội nghị Quốc Gia, sân vận ựộng Mỹ đình, NMXM Bút Sơn, NMXM Thái Nguyên, cầu Bãi Cháy, cầu Thanh Trì, KCN Dung Quất, KCN Yên Phong v.v một số công trình giao thông ựiển hình như: Tuyến ựường Hồ Chắ Minh ựi qua phắa ựông Trường Sơn có chiều dài 115 km ựược ựo 40 ựiểm GPS hạng IV, tuyến ựường cao tốc Ninh Bình-Thanh Hóa dài 120 km ựược ựo 39 ựiểm GPS hạng IV [41]

Với ựịnh hướng phát triển các ựô thị hiện ựại và hình thành các KCN lớn ở nước ta, trong những năm 2000 ựến năm 2005, ựã có một số ựề tài cấp

Bộ, cấp thành phố triển khai nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong công

tác TðCT ðề tài cấp Bộ Xây dựng mã số RD07-02, “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS và máy TððT ñể quan trắc và ñánh giá chuyển dịch ngang của các công trình“ ñã ñúc kết ñược một số vấn ñề kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS và TððT trong quan trắc và ñánh giá chuyển dịch ngang của các công trình [19]

Với ñặc ñiểm chung của các mạng lưới khống chế trong TðCT công nghiệp là có chiều dài cạnh ngắn dưới 1km, do ñó hoàn toàn có thể sử dụng máy thu GPS 1 tần số ñể ño ñạc với thời gian ca ño không quá 30 phút và sử dụng lịch vệ tinh quảng bá ñể xử lý véc tơ cạnh Sở Xây dựng Hà Nội ñã cho triển khai nghiên cứu ñề tài “Quy trình ño ñạc xây dựng công trình nhà cao tầng trên ñịa bàn thành phố Hà Nội bằng công nghệ GPS và TððT” [14] ðề tài ñã xây dựng ñược quy trình ứng dụng công nghệ GPS và TððT ñể ño ñạc lưới khống chế thi công và chuyển trục công trình nhà cao tầng ðề tài cũng

ñã ñưa ra những lưu ý khi tổ chức ño GPS trong ñiều kiện ñô thị lớn như Hà Nội, là ñịa bàn có nhiều yếu tố gây nhiễu tín hiệu và gây sai số ña ñường dẫn

ðề tài này cũng ñã triển khai thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS chuyển trục công trình xây dựng tòa nhà Công ty Thông tin di ñộng phía Nam (VMS) lên sàn tầng 16 có ñộ cao 61 m Kết quả thực nghiệm ñã góp phần minh chứng ñược khả năng sử dụng công nghệ GPS trong thi công xây dựng nhà cao tầng trong ñiều kiện ñô thị

Trong ba năm từ 2008 ñến 2010, Viện Công nghệ vũ trụ thuộc Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam ñã triển khai ñề tài “ Nghiên cứu và ñề xuất

sử dụng công nghệ GPS ñộ chính xác cao trong việc xác ñịnh ñộ chuyển dịch của công trình xây dựng ven bờ“ [33], [34] Nhóm cán bộ nghiên cứu ñã triển khai thực nghiệm xác ñịnh chuyển dịch công trình nhà máy xi măng Cẩm Phả

trong 5 chu kỳ ño (Hình 1.4) ðặc ñiểm của công trình này là mới ñược xây

dựng ven vịnh Bái Tử Long Kết quả xử lý ñã xác ñịnh ñược vận tốc chuyển

dịch của các mốc quan trắc gắn với công trình có giá trị trong khoảng từ 5 mm/năm ựến 11 mm/năm

Hình 1.4 Ờ Mốc theo dõi chuyển dịch NMXM Cẩm Phả

Một số công trình nghiên cứu về ứng dụng công nghệ GPS trong công tác TđCT cũng ựã ựược ựăng tải trên một số tạp chắ chuyên ngành như [17], [30], [31], [37], [41] Nội dung chắnh của các nghiên cứu trên tập trung vào nhiệm vụ chuyển tọa ựộ, ựộ cao GPS về hệ tọa ựộ, ựộ cao công trình Kết quả thực tế cho thấy ựộ chắnh xác ựảm bảo theo yêu cầu

Dựa trên các kết quả nghiên cứu của Viện Khoa học công nghệ xây dựng, năm 2006, Bộ Xây dựng ựã ban hành Tiêu chuẩn kỹ thuật ựo và xử lý

số liệu GPS trong TđCT - TCXDVN 364:2006 ựể hướng dẫn công tác ựo ựạc

và xử lý số liệu GPS trong các ứng dụng cho mục ựắch TđCT [4]

đánh giá chung về ứng dụng công nghệ GPS trong lĩnh vực trắc ựịa nói chung và trong TđCT nói riêng, chúng ta ựã bám sát sự phát triển của công nghệ GPS về thiết bị phần cứng cũng như nâng cấp phần mềm xử lý số liệu GPS Hiện nay ở nước ta có khá nhiều hãng chế tạo thiết bị GPS có ựại lý tại Việt Nam, có khả năng cung cấp thiết bị và chuyển giao công nghệ GNSS cho các ựơn vị sản xuất trong cả nước Các hãng chế tạo thiết bị GNSS có sản phẩm ở nước ta là Trimble (Mỹ), Topcon, Sokkia (Nhận Bản), Leica (Thụy

Sĩ), South (Trung Quốc) v.v

1.3 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ SỐ LIỆU GPS KẾT HỢP TRỊ ðO MẶT ðẤT TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

1.3.1 Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa công trình ở nước ngoài

Với các trị ño truyền thống, ñã từ lâu, các mạng lưới mặt bằng thường ñược bình sai ñộc lập với các mạng lưới ñộ cao ðối với lưới mặt bằng, người

ta sử dụng dữ liệu gốc mặt bằng (Horizontal Datum) 2D còn ñối với lưới ñộ cao người ta sử dụng dữ liệu gốc ñộ cao (Vertical Datum) 1D

Ngược dòng thời gian trở về trước, chúng ta có thể thấy rằng: Vấn ñề bình sai lưới tam giác trong không gian (3D) tuy ñã ñược Bruns ñề xuất từ năm 1878, nhưng cho mãi ñến năm 1957 Hotine mới phát triển ñầy ñủ lý thuyết của phương pháp này và dựa vào ñó Brazier cùng với Windsor (1957)

ñã công bố kết quả bình sai thử một lưới tam giác trong không gian 3D, ñồng thời cũng ñã so sánh với kết quả bình sai theo phương pháp tách biệt Một số vấn ñề quan trọng trong bình sai lưới trắc ñịa trong không gian 3D, như các phương trình vi phân giữa các hệ tọa ñộ cũng ñã ñược Wolf trình bày từ năm

1963 [28], [45]

Khi bình sai kết hợp các trị ño truyền thống trong không gian 3D, về ảnh hưởng của chiết quang ñứng ñến các trị ño góc thiên ñỉnh cũng ñã ñược Hotine nghiên cứu (1969) và sau ñó, năm 1972, Ramsayer ñã phát triển hoàn

chỉnh những vấn ñề liên quan thành lý thuyết trắc ñịa 3D [28], [62]

Theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất, ñể bình sai chặt chẽ các mạng lưới trắc ñịa chúng ta có thể áp dụng phương pháp bình sai ñiều kiện và cũng có thể áp dụng phương pháp bình sai gián tiếp Với phương tiện tính toán là máy tính ñiện tử, người ta thường sử dụng phương pháp bình sai gián tiếp vì tính khái quát cao của thuật toán này

Trong những năm trước 1980, khi chưa có các trị ño của công nghệ GPS, hệ tọa ñộ trắc ñịa B,L,H ñược sử dụng ñể bình sai lưới không gian 3D

Trong hệ tọa ñộ này, người ta có thể ñưa góc thiên ñỉnh hoặc góc ñứng vào bình sai cùng với các trị ño phương vị, trị ño hướng, trị ño chiều dài Khi bình sai trong hệ tọa ñộ trắc ñịa, mỗi ñiểm cần xác ñịnh (ñiểm mới) sẽ có 3 ẩn số là

là vấn ñề xác ñịnh ñộ cao trắc ñịa H cho các ñiểm khởi tính của mạng lưới Cần nói rõ thêm là ñộ cao trắc ñịa H chính là khoảng cách từ ñiểm xét (trên mặt ñất) ñến mặt Ellipsoid quy chiếu Khi chưa có công nghệ GPS, vấn ñề xác ñịnh ñộ cao trắc ñịa H cho một ñiểm trên mặt ñất là việc không ñơn giản mặc dù ñộ cao thủy chuẩn (ñộ cao chính hay ñộ cao chuẩn) của ñiểm ñó là ñã biết Mấu chốt của vấn ñề chính là yếu tố dị thường ñộ cao bảo ñảm ñược ñộ chính xác cần thiết trong bài toán không gian[69] Nếu thuần túy sử dụng số liệu trọng lực ñể xác ñịnh dị thường ñộ cao thì ñộ chính xác xác ñịnh dị thường ñộ cao trọng lực tuyệt ñối ñạt ñược cũng hạn chế và Ellipsoid chung

ñể xác ñịnh dị thường ñộ cao ñó lại không phải là Ellipsoid quy chiếu sử dụng trong bài toán bình sai 3D

Về lý thuyết bình sai 3D kinh ñiển kết hợp các loại trị ño mặt ñất trong

hệ tọa ñộ trắc ñịa B,L,H ñã ñược giới thiệu trong một số tài liệu [60], [62] Trên thực tế, các góc ñứng hay góc thiên ñỉnh luôn chịu ảnh hưởng khá lớn của chiết quang ñứng, do ñó ñể nâng cao ñộ chính xác kết quả bình sai cần phải giải quyết khắc phục ảnh hưởng của chiết quang ñứng trong các trị ño nói trên

Khi áp dụng lý thuyết bình sai lưới trong không gian, có thể kết hợp bình sai các trị ño khác loại như trị ño dây cung bằng giao thoa cạnh ñáy dài VLBI, trị ño khoảng cách bằng laser và thậm chí với cả các chênh cao thủy chuẩn hình học cùng số liệu của mô hình Geoid

Từ khi công nghệ GPS ñược sử dụng trong trắc ñịa, ngoài các trị ño mặt ñất truyền thống, người ta ñã có thể nhận ñược các trị ño là các gia số tọa

ñộ không gian ñịa tâm ∆ Xi,k , ∆ Yi,k , ∆ Zi,ktrong hệ WGS-84 giữa các ñiểm trên mặt ñất với ñộ chính xác rất cao Tọa ñộ tuyệt ñối X, Y, Z của ñiểm trên mặt ñất cũng có thể ñược xác ñịnh với ñộ chính xác cao dựa vào tọa ñộ và số liệu quan sát tại các ñiểm thường trực của mạng lưới IGS

Như vậy, ngoài thuật toán bình sai lưới trong hệ tọa ñộ trắc ñịa B, L, H, còn có thể bình sai lưới trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm X, Y, Z

và có thể gọi là bình sai 3D hiện ñại Theo thuật toán này, các ẩn số là tọa ñộ

X, Y, Z của các ñiểm cần xác ñịnh ðối với các trị ño GPS tương ñối, kết quả

ño là các véc tơ cạnh (baseline) gồm các gia số tọa ñộ không gian ñịa tâm

k , i k

hệ thực dụng

Các trị ño ∆X,k,∆Y,k,∆Z,ktrong lưới GPS lại là các ñại lượng phụ thuộc (ñại lượng tương quan) [54], chúng là kết quả của bước xử lý giải cạnh dựa trên các trị ño pha sóng tải phối hợp với các trị ño code Ma trận hiệp

phương sai hậu nghiệm (Aposteriory Covariance Matrix) sau giải cạnh sẽ là

ma trận hiệp phương sai tiên nghiệm (Apriory Covariance Matrix) của bài

toán bình sai lưới GPS [64] ðây cũng chính là sự khác biệt giữa bài toán bình sai 3D hiện ñại với bình sai 2D truyền thống trên mặt phẳng với bình sai 3D kinh ñiển sử dụng hệ tọa ñộ trắc ñịa B,L,H và vấn ñề bình sai kết hợp các trị

ño GPS với các trị ño mặt ñất truyền thống trong hệ tọa ñộ ñịa diện cũng ñã

ựược Slawomir Cellmer và Zofia Rzepecka ựể cập tới trong tài liệu [65], tuy vậy, các trị ựo mặt ựất ựược ựề cập trong công trình này chỉ thuần túy là chiều dài các cạnh ựo bằng máy ựo khoảng cách ựiện tử, chưa ựề cập ựến các trị ựo

góc ngang

1.3.2 Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ựo mặt ựất trong trắc ựịa công trình ở Việt Nam

Trong những năm ựầu thập niên 90 công nghệ GPS mới ựược phát triển

ở Việt Nam do ựó chưa có các nghiên cứu về xử lý trị ựo GPS mà các nghiên cứu tập trung vào việc xử lý, tắnh toán và bình sai các trị ựo mặt ựất Từ năm 1991-1993 thực hiện ựề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ của nhóm tác giả PTS.TS đoàn Xuân đài chủ trì ựã nghiên cứu ứng dụng vi tắnh trong xử lý số liệu TđCT [13] Nội dung ựề tài ựề cập ựến các vấn ựề về thuật toán và chương trình xử lý các dạng lưới ựặc trưng ựo góc-cạnh

Năm 1996 tác giả Nguyễn Thế Thận ựã công bố ựề tài nghiên cứu và xây dựng các thuật toán giải hệ phương trình lớn trong bình sai mạng lưới mặt ựất có sử dụng số liệu GPS [36] đề tài ựã nêu ra và phân tắch ựặc ựiểm, ựộ chắnh xác và xử lý toán học mạng lưới tọa ựộ Việt Nam; Mô hình bài toán theo phương pháp bình sai gián tiếp bằng kỹ thuật ma trận thưa kết hợp công thức truy hồi, bình sai chia khối bằng các mặt cắt song song, tắnh chuyển tọa

ựộ WGS-84 về hệ tọa ựộ HN-72

Những nghiên cứu về bình sai kết hợp giữa các trị ựo GPS và các trị ựo mặt ựất còn ựược một số tác giả khác công bố như: Nghiên cứu phương pháp bình sai kết nối lưới mặt ựất và lưới GPS trong TđCT [26], Nghiên cứu phương pháp thành lập và xử lý số liệu mạng lưới hỗn hợp GPS-mặt ựất trong trắc ựịa công trình [27], phương pháp xác ựịnh ma trận tương quan của vector tọa ựộ lưới GPS trong TđCT năm 2004 [25] của PGS.TS Trần Khánh Nội dung nghiên cứu là ựề xuất thuật toán cũng như quy trình tắnh toán dựa trên

cơ sở phương pháp bình sai truy hồi

Năm 2006 GS.TSKH Hoàng Ngọc Hà ñã công bố bài báo “Một số vấn

ñề về các mô hình toán học bình sai hỗn hợp lưới mặt ñất-GPS” [15] Nội dung bài báo trình bày một số thuật toán hỗn hợp lưới mặt ñất và GPS với các

mô hình khác nhau như: bình sai hỗn hợp ñể xác ñịnh 7 tham số tính chuyển, bình sai hỗn hợp khi sử dụng trị ño GPS, bình sai trên Ellipsoid, bình sai hỗn hợp ñể xác ñịnh 4 tham số tính chuyển, bình sai lưới mặt ñất và GPS khi tính chuyển trị ño GPS thành các gia số tọa ñộ, phương vị và cạnh; phương pháp

xử lý và kỹ thuật thuật Bình sai tính toán lưới trắc ñịa và GPS [16]

Liên quan ñến vấn ñề bình sai còn có nghiên cứu về “Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời”[12], nghiên cứu tập trung vào vấn ñề xử lý số liệu GPS trong hệ tọa ñộ ñịa diện; Liên quan ñến vấn ñề tính chuyển trị ño GPS có nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, TS.Trần Viết Tuấn về phương pháp “Tính chuyển tọa ñộ GPS sau bình sai về hệ tọa ñộ ñịa diện, từ ñó dựa vào các ñiểm song trùng trong hệ tọa ñộ thi công tính các tham số tính chuyển theo Helmert rồi xoay các ñiểm ño GPS

ñã xác ñịnh trong hệ ñịa diện về hệ tọa ñộ thi công công trình”[37,[40]

Trong luận án [32] (2012), tác giả Bùi ðăng Quang ñã bình sai lưới tam

giác nhà nước có bổ sung thêm ñiểm mới ñược ño bằng công nghệ GPS Tuy nhiên, cách giải quyết là ñưa các trị ño GPS về dạng trị ño hai chiều (2D) gồm y

,

x ∆

∆ có xét tới ma trận tương quan K∆x,∆y khi tính trọng số

Liên quan ñến ño cao GPS còn có một số bài báo ñề cập ñến việc Thiết lập mô hình Geoid cục bộ phục vụ công tác ño cao GPS [6] và Xây dựng công thức nội suy dị thường ñộ cao trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời ñịa phương [21]

Trong thực tế việc bình sai tính toán mạng lưới trắc ñịa ñược thực hiện hoàn toàn trên bề mặt Ellipsoid sau ñó ñể có thể sử dụng trong TðCT, chúng ñược tính chuyển về tọa ñộ ñịa diện hoặc về tọa ñộ vuông góc UTM Việc khảo sát sự khác biệt giữa hệ tọa ñộ ñịa diện và hệ tọa ñộ vuông góc UTM

trong TðCT là một vấn ñề cần lưu ý [23] Và vấn ñề ứng dụng phép lọc Kalman trong bình sai lưới có trị ño bổ sung hay bình sai lưới theo nhiều giai ñoạn ñã ñược ñề cập trong tài liệu [9]

1.4 CÁC PHẦN MỀM BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ðỊA Ở NƯỚC NGOÀI

Hiện nay trên thế giới có một số phần mềm xử lý số liệu trắc ñịa ñược giới thiệu trên mạng Internet tại các website của một số công ty thiết kế xây dựng phần mềm ðịa tin học như:

- Phần mềm STAR*NET v.7.1 (2012) của Công ty MicroSurvey Software Inc (Canada)

- Phần mềm MOVE3 v.4.0.2 của hãng Grontmij (Hà Lan)

- Phần mềm COLUMBUS v.3.8 của Công ty Best-Fit Computing Inc (Hoa Kỳ)

1.4.1.1 STAR*NET Standard Edition - sử dụng ñể bình sai các mạng lưới

mặt bằng và lưới không gian (2D/3D) [56] Hiệu ñộ cao cũng ñược sử dụng

ñể bình sai phối hợp với dạng lưới 3D Phần mềm này hỗ trợ cho người dùng hầu hết chức năng cần thiết như lựa chọn loại thiết bị, công cụ chuyển ñổi khuôn dạng, công cụ chuyển vẽ ñồ họa (DXF), chuyển ñổi tọa ñộ vuông góc với tọa ñộ trắc ñịa vv

1.4.1.2 STAR*NET PLUS Edition – Có thêm chức năng bình sai lưới ñộ

cao, và ñầy ñủ hơn so với STAR*NET Standard Edition

1.4.1.3 STAR*NET PRO Edition – ðây là phần mềm toàn diện nhất, cho

phép bình sai với trị ño GPS và phối hợp cùng dữ liệu Geoid và các trị ño góc-cạnh truyền thống

1.4.1.4 STAR*NET LEV Edition – là phần mềm chỉ bình sai lưới ñộ cao,

ñược phát hành và chuyển giao với giá rẻ

Hình 1.5 - Giao diện chính và giao diện nhập dữ liệu của STAR*NET

Số liệu GPS ñưa vào bình sai là kết quả của lời giải cạnh ở khuôn dạng ñầu ra của phần mềm xử lý cạnh Thí dụ ở khuôn dạng ssf Việc nhập dữ liệu

lưới GPS ñược thực hiện bởi Import GPS Data Số liệu GPS (dạng ssf) sau

khi nhập ñược hiển thị cùng với sơ ñồ lưới (hình 1.6) Mỗi véc tơ cạnh ñược

thể hiện bởi 4 hàng G0,G1,G2,G3, trong ñó dòng G0 là thông tin nguồn gốc cạnh (ngày, tên tệp ssf), dòng G1 là các gía trị véc tơ cạnh ∆X,∆Y,∆Z còn 2 dòng G2 và G3 là các phần tử ma trận hiệp phương sai của véc tơ cạnh

Hình 1.6 - Hiển thị các véc tơ cạnh cùng sơ ñồ lưới GPS

Phần mềm STAR*NET bình sai lưới GPS trong hệ ñịa tâm, sử dụng hệ quy chiếu WGS-84 hoặc NAD83 tùy lựa chọn của người sử dụng

1.4.2 Phần mềm MOVE3 v.4.0.2

MOVE3 là gói phần mềm ñược công ty Gronmij phát triển chuyển giao, phục vụ thiết kế và bình sai các mạng lưới 3D, 2D và 1D [57] Phần mềm ñược phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết của ðại học tổng hợp Deft (Hà Lan)

Lý thuyết của Deft ñược ñánh giá cao trong lĩnh vực xử lý số liệu lưới trắc ñịa chính xác Cơ sở toán học của phần mềm MOVE3 là mô hình không gian 3D của các trị ño MOVE3 có khả năng quản lý tất cả các dạng trị ño trong trắc ñịa Nếu ñầu vào là các trị ño 3D, phần mềm xử lý ra kết quả là vị trí và ñộ cao

MOVE 3 là phần mềm dễ sử dụng, có thể hướng dẫn sử dụng trong thời gian ngắn nhờ giao diện với các tiện ích có sẵn cho người dùng

Trên hình 1.7 là giao diện các lựa chọn tổng quát của MOVE 3 Thao tác

lựa chọn khá ñơn giản ñối với người sử dụng

Hình 1.7 - Giao diện các lựa chọn tổng quát của MOVE3

Phần mềm MOVE3 cho phép tính toán ước tính lưới thiết kế ở dạng lưới

tự do hoặc lưới ràng buộc Tương tự như vậy, phần mềm cũng có thể bình sai

lưới tự do và lưới ràng buộc Các lưới chiếu tọa ñộ vuông góc phẳng sử dụng trong MOVE3 gồm:

- Lưới chiếu hình trụ ngang

- Lưới chiếu Lambert

- Lưới chiếu Stereographic (ñịa lý phối cảnh)

Phần mềm MOVE3 cho phép bình sai kết hợp trị ño GPS với trị ño bằng TððT

Trên hình 1.8 là cửa sổ nhập số liệu trị ño lưới GPS và cửa sổ nhập dữ

liệu của máy TððT, trong ñó cho phép lựa chọn máy TððT theo hãng sản

Phần mềm COLUMBUS ñược sử dụng nhiều năm ñể xử lý các mạng lưới của Cơ quan trắc ñịa quốc gia Mỹ (NGS) Bằng COLUMBUS, người sử dụng có thể lựa chọn các hệ tọa ñộ khác nhau ñể bình sai lưới như hệ tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM, hệ tọa ñộ ñịa phương (N,E,U) vv Phần mềm COLUMBUS cũng ñã hướng tới xử lý kết hợp các véc tơ trị

ño GPS với các véc tơ trị ño vệ tinh hệ thống GLONASS của Nga và hệ thống GALILEO của Châu Âu

Hình 1.9 - Giao diện phần mềm COLUMBUS

Kết quả xử lý lưới bằng phần mềm COLUMBUS cho ra 16 tệp dạng Text (*.TXT), từ ñó có thể dễ dàng biên tập theo các bảng biểu hoặc báo cáo

cần thiết Trên hình 1.9 là giao diện chính của phần mềm COLUMBUS

Nhận xét chung:

Từ các kết quả nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước ñã nêu ở trên cho thấy, trong khoảng gần 20 năm trở lại ñây, xu thế ứng dụng công nghệ GPS ñể thành lập các mạng lưới khống chế trắc ñịa nói chung và các mạng lưới TðCT nói riêng ñã trở nên phổ biến

Riêng trong TðCT, nhiều công trình xây dựng ñược triển khai tại các

vị trí không hoàn toàn thuận lợi cho ño GPS do hạn chế khả năng thu tín hiệu

từ vệ tinh ðặc biệt ñối với công trình xây chen hoặc trên các khu vực dự kiến xây dựng lưới có nhiều ñịa vật che chắn, có yếu tố gây nhiễu tín hiệu, thường khó có thể áp dụng thuần túy công nghệ GPS ñể xây dựng lưới Trong những trường hợp như vậy, người ta thường kết hợp hai loại trị ño GPS và trị ño mặt ñất ñể tăng tính khả thi và hiệu quả trong công tác thành lập lưới TðCT

ðối với lưới GPS, bản chất là lưới không gian (3D) do ñó mạng lưới ñược bình sai trong hệ tọa ñộ ñịa tâm (X,Y,Z) hoặc hệ tọa ñộ trắc ñịa (B,L,H)

và cuối cùng ñược tính chuyển về hệ tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM ñể sử dụng Quy trình xử lý tính toán nêu trên là hoàn toàn hợp lý khi

áp dụng cho các mạng lưới tọa ñộ quốc gia, bao trùm trên một quy mô cả nước ðối với lưới khống chế TðCT, phạm vi khống chế nhỏ, vấn ñề sử dụng

hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời ñể xử lý lưới GPS ñã ñược ñề cập ñến trong một vài tài liệu, kể cả vấn ñề bình sai trị ño GPS kết hợp trị ño khoảng cách bằng TððT Trên thực tế cũng chưa có một công trình nào có nội dung chuyên sâu

về vấn ñề trên

Liên quan ñến hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời cần làm rõ một số vấn ñề ñể

có thể sử dụng nó một cách hợp lý, xác ñịnh phạm vi lớn nhất cho phép sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời làm hệ tọa ñộ cơ sở cho công tác TðCT trong các giai ñoạn khảo sát, thiết kế, thi công xây dựng công trình như thế nào và giải quyết mối liên hệ giữa hệ ñịa diện với hệ tọa ñộ quốc gia Tuy nội dung trên là một mảng của toán bản ñồ liên quan tới phép chiếu phẳng

(Planar projection), song những công thức tính toán bình sai, phương trình trị

ño và tính chuyển trị ño không ñược ñề cập trong các sách chuyên khảo về toán bản ñồ do ñó cần tìm hiểu và lựa chọn thuật toán và ñưa ra công thức tính toán ñể bình sai chặt chẽ mạng lưới GPS cạnh ngắn kết hợp các trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

Một số công trình nghiên cứu về bình sai hỗn hợp trị ño GPS với trị ño mặt ñất, những chủ yếu là xét trong hệ tọa ñộ trắc ñịa và giải quyết cho lưới lớn Việc lựa chọn một hệ tọa ñộ phù hợp cho quy mô công trình chưa ñược xét một cách ñầy ñủ Ngay sử dụng lưới chiếu UTM như hiện nay không phải hoàn toàn phù hợp cho các công trình lớn có yêu cầu cao về mức ñộ biến dạng do lưới chiếu Như vậy, vấn ñề nghiên cứu lựa chọn một hệ tọa ñộ phù hợp với công trình và hoàn thiện quy trình tính toán xử lý số liệu ño trong hệ tọa ñộ ñó là một yêu cầu thực tế của công tác TðCT ở nước ta

Liên quan ñến vấn ñề phần mềm, ngoài các phần mềm xử lý số liệu ño GPS như GPSurvey 2.35, TTC, TBC, GNSS Solution, TopSur vv luôn kèm theo module bình sai lưới GPS, các phần mềm bình sai lưới trắc ñịa như STAR*NET, MOVE3 hay COLUMBUS kể trên là các phần mềm chuyên về bình sai các dạng lưới trắc ñịa (1D, 2D, 3D) theo nguyên lý bình phương nhỏ nhất, chúng ñều có chức năng bình sai lưới GNSS từ kết quả giải cạnh Một

số phần mềm ñã xét tới bình sai kết hợp GNSS và trị ño TððT ñể ñáp ứng ñược thực tế ứng dụng nhiều công nghệ trong sản xuất Một ñặc ñiểm chung của các phần mềm này là chỉ cho ra các kết quả ở khuôn dạng ñịnh sẵn của người lập trình và ñược giải thích bằng tiếng Anh Cho ñến nay, hầu như các ñơn vị sản xuất ở nước ta chưa sử dụng các phần mềm này mà chỉ sử dụng modul bình sai của các phần mềm xử lý số liệu ño GNSS Theo ñó cần thiết phải xây dựng chương trình máy tính phục vụ tính toán bình sai kết hợp GPS

và trị ño mặt ñất ứng dụng trong TðCT ñể áp dụng vào thực tế sản xuất ở Việt Nam

Chương 2

HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG

TRONG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH 2.1 YÊU CẦU VỀ HỆ QUY CHIẾU ðỐI VỚI LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT PHẲNG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

Khi xây dựng lưới TðCT, một yêu cầu ñặt ra là khoảng cách của các ñiểm trong mạng lưới sau bình sai phải phù hợp với kích thước thực của lưới

ở thực ñịa, tức là từ toạ ñộ phẳng tính ra khoảng cách phải phù hợp với chiều dài ño trên mặt ñất trong phạm vi sai số cho phép Xuất phát từ yêu cầu trên, vấn ñề lựa chọn tỷ lệ chiếu (m0), kinh tuyến trung ương (Lo) có ý nghĩa quan trọng trong xử lý lưới TðCT ðặc biệt là khi sử dụng công nghệ GPS, phải chấp nhận quy luật biến dạng lưới theo các tham số lựa chọn (hệ toạ ñộ) khi

xử lý lưới bằng các phần mềm có sẵn của nước ngoài như GPSurvey 2.35, Trimble Geomatics Office (TGO), Trimble Total Control (TTC), Trimble Business Center (TBC)

2.1.1 Số hiệu chỉnh do chiếu về mặt phẳng

Trên hình 2.1, AB là khoảng cách nghiêng ño ñược giữa 2 ñiểm, A’B’

là khoảng cách ñã ñưa về nằm ngang, A B là khoảng cách tương ứng của AB trên mặt Ellipsoid quy chiếu

ðể có thể tính ñược toạ ñộ phẳng cho các ñiểm khống chế, tiếp theo cần phải chuyển các trị ño trên mặt Ellipsoid quy chiếu về mặt phẳng ðối với phép chiếu Gauss-Kruger biến dạng chiều dài ñược tính theo công thức[18]:

'SR.2

y1

m

2 m

trong ñó: ym là trị trung bình của hoành ñộ ñiểm ñầu và cuối cạnh S (Kinh tuyến trục của múi chiếu trở thành trục toạ ñộ X - trục tung, ñường Xích ñạo trở thành trục toạ ñộ Y - trục hoành)