Tóm Tắt Lats - Lê Văn Hùng.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ ðỊA CHẤT 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[.]

TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2014

Khoa Trắc ñịa, Trường ðại học Mỏ - ðịa chất, Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS ðặng Nam Chinh Trường ðại học Mỏ - ðịa chất

2 PGS.TS Nguyễn Quang Phúc

Trường ðại học Mỏ - ðịa chất

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quang Tác

Trường ðại học Kiến trúc Hà Nội

Phản biện 2: TS Dương Chí Công

Viện Khoa học ðo ñạc và Bản ñồ

Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Vấn

Cục Bản ñồ Bộ Tổng tham mưu

Luận án sẽ ñược bảo vệ trước Hội ñồng ñánh giá luận án cấp Trường, họp tại Trường ðại học Mỏ - ðịa chất vào hồi… giờ, ngày… tháng… năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia – Hà Nội

hoặc Thư viện Trường ðại học Mỏ - ðịa chất

MỞ đẦU

1 Tắnh cấp thiết của luận án

Trong công tác trắc ựịa công trình (TđCT), chúng ta có thể

gặp những trường hợp phải xây dựng lưới ở những vị trắ không hoàn

toàn thuận lợi cho ựo GPS vì ựiều kiện thu tắn hiệu từ vệ tinh bị hạn

chế, do ựó khó có thể áp dụng thuần túy công nghệ GPS ựể xây dựng

lưới Trong những trường hợp như vậy, thường phải kết hợp hai loại

trị ựo GPS và trị ựo mặt ựất ựể tăng tắnh khả thi và hiệu quả trong

công tác thành lập lưới TđCT Thực tế nêu trên ựã ựặt ra nhiệm vụ

cần phải nghiên cứu phương pháp bình sai trị ựo GPS kết hợp với trị

ựo mặt ựất và lựa chọn hệ tọa ựộ có thể sử dụng trong giới hạn nhất

ựịnh ựể làm hệ tọa ựộ cơ sở cho công tác TđCT Việc sử dụng hệ tọa

ựộ ựịa diện chân trời có ựiểm gốc thiết lập tại trung tâm khu vực xây

dựng lưới ựã giải quyết ựồng thời cả hai vấn ựề nêu trên

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 có

gốc 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 trị ựo GPS với các trị ựo mặt ựất

- Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị ựo GPS với các trị ựo

góc-cạnh có tắnh ứng dụng cao trong ựiều kiện Việt Nam

- đánh giá ựộ tin cậy của phần mềm

3 Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tổng quan công nghệ GPS và toàn ựạc ựiện tử (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 các 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 ựo góc-cạnh trong

hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời

- Nghiên cứu lập chương trình máy tắnh ựể bình sai kết hợp trị ựo GPS và trị ựo góc-cạnh

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Các kết quả nghiên cứu ựã ựặt cơ sở cho việc bình sai kết hợp giữa trị ựo GPS với trị ựo mặt ựất trong hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời áp dụng cho các mạng lưới TđCT yêu cầu ựộ chắnh xác cao

- đề xuất sử dụng hệ ựịa diện chân trời làm hệ tọa ựộ cơ sở thay thế cho hệ tọa ựộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM trong công tác TđCT dân dụng và công nghiệp

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

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

5 Các luận ựiểm bảo vệ

- Luận ựiểm thứ nhất: Vấn ựề tắnh trọng số trị ựo trong lưới ựo thuần GPS cũng như lưới GPS kết hợp lưới mặt ựất là rất quan trọng Cần

phải chuẩn hóa trị ựo GPS theo quy trình bình sai hai bước

- Luận ựiểm thứ hai: Cần phải tắnh biến dạng góc ựể cải chắnh vào góc ựo trước khi bình sai kết hợp trị ựo GPS và trị ựo mặt ựất Các yếu tố (kắch thước) của mạng lưới sau bình sai bảo ựảm sự phù hợp tốt nhất với yếu tố thực ựịa điều này rất cần thiết ựối với công tác thiết kế, thi công các công trình dân dụng và công nghiệp yêu cầu ựộ chắnh xác cao

- Luận ựiểm thứ ba: Hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời có thể sử dụng làm

hệ tọa ựộ cơ sở thay thế cho hệ tọa ựộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM phục vụ các giai ựoạn khảo sát (tỷ lệ lớn), thiết kế và thi công công trình Phạm vi (bán kắnh) sử dụng hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời ựược ước tắnh theo yêu cầu biến dạng góc và biến dạng chiều dài

6 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

7 Khối lượng và kết cấu luận án

Kết cấu luận án ñược trình bày trong 118 trang, 39 hình vẽ và

sơ ñồ, 21 bảng biểu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY

DỰNG LƯỚI TðCT VÀ VẤN ðỀ BÌNH SAI LƯỚI GPS

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI TRẮC ðỊA

CÔNG TRÌNH

Có hai 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

1.1.1 Nhóm các phương pháp ño mặt ñất

Trong những năm vừa qua, ñể thành lập các mạng lưới TðCT,

chúng ta vẫn chủ yếu sử dụng các loại máy TððT 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

1.1.2 Phương pháp ño GPS

Dựa vào các tham số a, b ñặc trưng của các 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

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

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 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 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

Ở nước ngoài các nhà trắc ñịa ñã ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới TðCT từ rất sớm, các kết quả cho thấy ñộ chính xác (mặt bằng, ñộ cao) ở khoảng cách ngắn có thể ñạt ñược khoảng 2mm ñến 5mm

1.2.2 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa 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 Một số công trình ựã sử dụng GPS ựể lập lưới trắc

ựịa phục vụ thi công ựiển hình như: KCN Dung Quất, Trung tâm hội

nghị Quốc Gia, sân vận ựộng Mỹ đình, NMXM Bút Sơn, NMXM

Thái Nguyên, cầu Bãi Cháy, cầu Thanh Trì, KCN Yên Phong v.v

1.3 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ SỐ LIỆU GPS KẾT HỢP TRỊ

đO MẶT đẤT TRẮC đỊA CÔNG TRÌNH

1.3.1 Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ựo mặt ựất trong trắc ựịa

công trình ở nước ngoài

Các trị ựo ∆X i,k,∆Y i,k,∆Z i,ktrong lưới GPS lại là các ựại lượng

phụ thuộc [54] và ma trận hiệp phương sai hậu nghiệm sau giải cạnh

sẽ là ma trận hiệp phương sai tiên nghiệm của bài toán bình sai lưới

GPS [64] đây cũng chắnh là sự khác biệt giữa bài toán bình sai lưới

không gian 3D hiện ựại với bình sai lưới mặt bằng 2D truyền thống

Vấn ựề bình sai kết hợp các trị ựo GPS với các trị ựo mặt ựất truyền

thống trong hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời cũng ựã ựược Slawomir

Cellmer và Zofia Rzepecka ựề cập từ năm 2008 [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

Có một số công trình trong nước nghiên cứu về vấn ựề này

nhưng chủ yếu là xét trong hệ tọa ựộ trắc ựịa và giải quyết cho lưới lớn

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

Ngoài những phần mềm xử lý số liệu trắc ựịa ựi kèm theo máy

thu GPS của một số hãng nổi tiếng như Trimble, Leica còn một số

phần mềm ựược giới thiệu trên mạng Internet tại các website của một

số công ty thiết kế xây dựng phần mềm địa tin học như:

- Phần mềm STAR*NET v.7.1 (2012) của Canada

- Phần mềm MOVE3 v.4.0.2 của Hà Lan

- Phần mềm COLUMBUS v.3.8 của Hoa Kỳ vv

Nhận xét chung:

Từ các kết quả nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước ựã nêu

ở trên cho thấy, xu thế ứng dụng công nghệ GPS ựể thành lập các mạng lưới khống chế trắc ựịa nói chung và các mạng lưới TđCT nói riêng ựã trở nên phổ biến Riêng trong TđCT, nhiều công trình xây dựng ựược triển khai tại các vị trắ không hoàn toàn thuận lợi cho ựo GPS do hạn chế khả năng thu tắn hiệu từ vệ tinh đặc biệt ựối với công trình xây chen hoặc trên các khu vực dự kiến xây dựng lưới có nhiều ựịa vật che chắn, có yếu tố gây nhiễu tắn hiệu, thường khó có thể áp dụng thuần túy công nghệ GPS ựể xây dựng lưới Trong những trường hợp như vậy, người ta thường kết hợp hai loại trị ựo GPS và trị ựo mặt ựất ựể tăng tắnh khả thi và hiệu quả trong công tác thành lập lưới TđCT

đối với lưới GPS, bản chất là lưới không gian (3D) do ựó mạng lưới ựược bình sai trong hệ tọa ựộ ựịa tâm (X,Y,Z) hoặc hệ tọa

ựộ trắc ựịa (B,L,H) và cuối cùng ựược tắnh chuyển về hệ tọa ựộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM ựể sử dụng Quy trình xử lý tắnh toán nêu trên là hoàn toàn hợp lý khi áp dụng cho các mạng lưới tọa ựộ quốc gia, bao trùm trên một quy mô cả nước đối với lưới khống chế TđCT, phạm vi khống chế nhỏ, vấn ựề sử dụng hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời ựể xử lý lưới GPS ựã ựược ựề cập ựến trong một vài tài liệu, kể cả vấn ựề bình sai trị ựo GPS kết hợp trị ựo khoảng cách bằng TđđT Trên thực tế cũng chưa có một công trình nào có nội dung chuyên sâu về vấn ựề trên

Liên quan ựến hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời cần làm rõ một số vấn ựề ựể có thể sử dụng nó một cách hợp lý, xác ựịnh phạm vi lớn nhất cho phép sử dụng hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời làm hệ tọa ựộ cơ

sở cho công tác TđCT trong các giai ựoạn khảo sát, thiết kế, thi công xây dựng công trình như thế nào và giải quyết mối liên hệ giữa hệ ựịa diện với hệ tọa ựộ quốc gia Một số công trình nghiên cứu về bình sai hỗn hợp trị ựo GPS với trị ựo mặt ựất, những chủ yếu là xét trong hệ

tọa ñộ trắc ñịa và giải quyết cho lưới lớn 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, 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) 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 Xuất phát từ yêu cầu trên, vấn ñề lựa

chọn tỷ lệ chiếu (m0), kinh tuyến trung ương (Lo) khi dùng phép

chiếu UTM có ý nghĩa quan trọng trong xử lý lưới TðCT

2.1.1 Số hiệu chỉnh do chiếu về mặt phẳng

Số hiệu chỉnh cho chiều dài cạnh ño khi tính toán theo phép

chiếu UTM là:

' S R 2

y 1 m (

m

2 m 0

UTM= − +

Với múi chiếu 30 (m0=0,9999) và cho biến dạng chiều dài tương ñối giới hạn là 1/T= 1/200000, tính ñược ymax=92,3 km và

ymin=87,8 km Như vậy khu vực có biến dạng nhỏ hơn 1/200000 chỉ

có ñộ rộng là 4,5km

Với múi chiếu 60 (m0=0,9996) và cho biến dạng chiều dài tương ñối giới hạn là 1/T= 1/200000, tính ñược ymax=181,3 km và

ymin=179,1 km Như vậy khu vực có biến dạng nhỏ hơn 1/200000 chỉ

có ñộ rộng là 2,25 km

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

Số hiệu chỉnh do ñộ cao tính theo công thức:

S R

H S

m

m

∆ (1.2)

ðể làm giảm biến dạng này người ta có thể chọn mặt chiếu có ñộ cao

xấp xỉ ñộ cao trung bình khu ño

2.2 HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI 2.2.1 Thiết lập hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

Hệ ñịa diện thường ñược sử dụng trong trắc ñịa vệ tinh, trong thiên văn trắc ñịa, dùng ñể thể hiện vị trí tức thời của vệ tinh hay vị trí tức thời của thiên thể (tọa ñộ của vệ tinh

hay thiên thể liên tục thay ñổi trong hệ ñịa diện và do ñó phải xét thêm yếu tố thời gian) trong hệ tọa ñộ thiết lập tại ñiểm quan sát trên mặt ñất Hệ ñịa diện còn ñược sử dụng ñể biến ñổi các công thức của mô hình trắc ñịa không gian (3D), vấn ñề này ñược nêu trong tài liệu [58],[62]

2.2.2 Tính ñổi và tính chuyển tọa ñộ

Z

Y

X

LG

BG O

H Gr

G

x

y z

Hình 2.1- Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

Khi thiết lập một hệ tọa ñộ vuông góc phẳng và sử dụng hệ tọa

ñộ này trong công tác trắc ñịa - bản ñồ, trước hết cần phải xây dựng

và hoàn thiện toàn bộ hệ thống công thức tính ñổi tọa ñộ giữa hệ tọa

ñộ này với các hệ tọa ñộ thường dùng khác Các công thức tính ñổi

tọa ñộ (theo các chiều thuận và nghịch) phải bảo ñảm ñộ chính xác

cần thiết, cỡ 0,”00001 ñối với tọa ñộ trắc ñịa B, L

Ví dụ tính ñổi tọa ñộ trắc ñịa sang tọa ñộ ñịa diện chân trời và

ngược lại ñã ñược trình bày trong luận án

Nhận xét: Sau khi tính từ ñổi tọa ñộ trắc ñịa (B, L, H) sang tọa ñộ ñịa

diện (x, y, z) và ngược lại cho thấy, sai số tính toán chỉ là 0,00001”,

hoàn toàn ñáp ứng cho các tính toán ñòi hỏi ñộ chính xác cao Còn ñộ

cao trắc ñịa (H) hoàn toàn trùng khớp với giá trị ban ñầu

2.2.3 Phương án ño nối tọa ñộ và ñộ cao vào lưới trắc ñịa công trình

Theo yêu cầu của các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành và trong

công tác quản lý nhà nước cần phải ño nối tọa ñộ và ñộ cao quốc gia

vào lưới thi công công trình nhằm mục ñích:

- Thực hiện xây dựng công trình theo quy hoạch chung, kiểm tra

chỉ giới ñường ñỏ và chỉ giới xây dựng

- Thống nhất hệ ñộ cao của lưới thi công công trình với hệ ñộ cao

quốc gia, ñáp ứng ñược các yêu cầu về quy hoạch không gian, công

tác cấp, thoát nước cho công trình

- Quản lý công trình trong cơ sở dữ liệu thông tin ñịa lý quốc gia

2.3 XÁC ðỊNH GIỚI HẠN SỬ DỤNG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN

CHÂN TRỜI TRONG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

2.3.1 Cơ sở lý thuyết

Mặt phẳng cơ sở ñóng vai trò quan trọng trong hệ ñịa diện là

mặt phẳng nằm ngang (mặt phẳng chân trời) vuông góc với phương

pháp tuyến của mặt Ellipsoid tại ñiểm quy chiếu Trên mặt phẳng

nằm ngang ñó, thiết lập hệ tọa ñộ vuông góc phẳng x,y và có thể sử

dụng làm tọa ñộ mặt bằng của công trình Theo cách này có thể xây

dựng một hệ tọa ñộ vuông góc không gian (ñịa phương) trong ñó có

mặt phẳng cơ sở gần với mặt phẳng ngang trung bình của công trình

ðiều này rất cần cho các công trình dân dụng, công nghiệp có diện tích không rộng, nằm trên các ñộ cao lớn ở vùng núi

Hình 2.2 - Các lựa chọn trong thiết lập hệ ñịa diện Với 3 trường hợp thể hiện trên hình 2.2, so sánh chiều dài L trên mặt phẳng chân trời với chiều dài ñường trắc ñịa S trên Ellipsoid, nhưng ở ñây ñược thay bằng chiều dài cung vòng tròn lớn bán kính Rm

(hình 2.2.a) hoặc bằng cung vòng tròn lớn bán kính Rm+HG (hình 2.2.b) Trong trường hợp thứ 3 (hình 2.2.c), vị trí ñiểm trên mặt ñịa hình ñược chiếu thẳng theo phương pháp tuyến tại G xuống mặt phẳng

nằm ngang mà không sử dụng tới Ellipsoid thực dụng

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

1 Tính phạm vi khu ño theo giới hạn biến dạng chiều dài

- ðối với trường hợp biến dạng chiều dài L có một ñầu gối lên

ñiểm gốc: L ≤ 15,6 km;

- ðối với trường hợp biến dạng chiều dài L không gối lên ñiểm

gốc: L ≤ 20,1km;

- ðối với trường hợp tổng quát (ước tính theo yêu cầu biến dạng):

L≤ 2,45.R 1 /T

2 Công thức tính biến dạng góc ngang

Số cải chính biến dạng góc ngang do chênh cao giữa các ñiểm sẽ là hiệu số:







− Φ

∆

=

−

=

∆

T T T T

P P P P

m T P

d L z d

L z R

sin sin

"

ρ δ δ β ββ β

(2.1) Hình 2.2 - Tính số cải chính biến dạng góc ngang

2.3.3 Khảo sát biến dạng góc ngang

Có thể thấy rằng trong trường hợp góc xét cách ñiểm quy chiếu của

hệ ñịa diện L=1 km và chênh cao 55m (cạnh dài 200m), biến dạng

góc ngang do chênh cao của các ñiểm ñã có giá trị trên 13” Nếu chiều

dài cạnh lớn hơn thì biến dạng góc sẽ nhỏ hơn theo quy luật tỷ lệ

nghịch Nói chung, biến dạng này khá lớn, phải xét tới khi bình sai

kết hợp trị ño góc ngang với các trị ño GPS trong hệ ñịa diện

Bảng 2.1- Giá trị biến dạng góc ngang δβ và số cải chính biến

dạng∆β

TT Ký hiệu góc

(T – M – P)

Góc trên mặt Ellipsoid (β)

Góc trên mặt phẳng (β') δβ

(“)

β

∆

(“)

5 6 - 1 - 2 120 00 00.08 119 59 46.95 -13.13 -13.15

Có thể kiểm tra tổng của ba số hiệu chỉnh biến dạng góc ∆β trong

tam giác 1-2-6 ở ba dòng cuối bảng 2.1 có giá trị bằng 0, hoàn toàn

phù hợp với số dư mặt cầu trong trường hợp này rất nhỏ, gần bằng 0

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

Bảng 2.2- Giá trị biến dạng góc khi sử dụng hệ ñịa diện

Phương

án (km) L Trường hợp A : δβ Trường hợp B: ( H )

β

δ

Theo kết quả tính toán ở bảng 2.2 có thể thấy rằng, ñể biến dạng góc (hoặc sai lệch sau cải chính) không quá 0”,2, tức bằng 20% sai số ño góc ngang chính xác (lấy là 1”) thì bán kính (L) sử dụng hệ ñịa diện có thể ñến 13 km nếu khu vực xét là bằng phẳng ðối với vùng có chênh cao thì phạm vi sử dụng hẹp hơn, chỉ sử dụng trong phạm vi bán kính 9 km và phải tính số cải chính biến dạng góc ngang theo công thức (2.1)

2.3.5 Nhận xét

1 Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời ñược xây dựng dựa trên nguyên tắc phép chiếu trực giao bề mặt ñất thực lên mặt phẳng nằm ngang (là mặt phẳng chân trời ñịa phương) tại ñiểm quy chiếu (ñiểm gốc) Chiều dài cạnh sẽ không bị thay ñổi khi thay ñổi ñộ cao của mặt phẳng chân trời theo phương pháp tuyến tại ñiểm gốc

2 Trong trường hợp ñộ cao các ñiểm khác nhau ñáng kể thì 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

3 Các công thức tính ñổi tọa ñộ giữa hệ trắc ñịa với hệ ñịa diện cũng như hệ ñịa diện công trình ñược xác lập chặt chẽ về phương diện toán học, rất thuận tiện cho lập trình trên máy tính ñể tự ñộng hóa công tác tính ñổi và chuyển tọa ñộ giữa hệ ñịa diện và hệ tọa ñộ quốc gia

4 Hệ ñịa diện cũng là một cách thể hiện vị trí trong hệ tọa ñộ quốc gia, tương tự như hệ tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM có kinh tuyến trung ương Lo xác lập riêng không theo quy ñịnh chung [41]

5 Phạm vi (bán kính) sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời trong

TðCT ñược ước tính theo yêu cầu biến dạng theo công thức: L≤

2,45.R. 1/T

2.4 SỬ DỤNG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI THAY THẾ PHÉP CHIẾU UTM TRONG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG-CÔNG NGHIỆP

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

Thí dụ: Xét cho tỉnh Thanh Hóa

Theo tính toán nêu trên, chỉ có một dải hẹp có bề rộng là 4,5km nằm

ñối xứng nhau, cách kinh tuyến trung ương 90km là có biến dạng

chiều dài nhỏ hơn 1/200000 (hình 2.5) Tất cả các vùng không thuộc

hai dải hẹp trên ñều chịu biến dạng chiều dài của phép chiếu UTM

lớn hơn 1/200000, tỷ lệ biến dạng như vậy là rất lớn ñối với công tác

TðCT và vượt quá yêu cầu

trong Tiêu chuẩn 309:2004 [3]

Rõ ràng là, vấn ñề tuân thủ chia

mảnh bản ñồ theo quy ñịnh ñối

với bản ñồ ñịa chính không còn

phù hợp cho bản ñồ ñịa hình tỷ

lệ lớn phục vụ thiết kế thi công

công trình, mà phải sử dụng

kinh tuyến trung ương riêng ñể

bảo ñảm biến dạng chiều dài

không quá lớn Sử dụng kinh

tuyến trung ương riêng theo phép chiếu UTM, về ý nghĩa cũng là

thiết lập một hệ tọa ñộ ñịa phương

Từ lý luận nói trên, việc sử dụng hệ ñịa diện cũng có ý nghĩa

về mặt kỹ thuật tương tự như sử dụng phép chiếu UTM có kinh tuyến

trung ương riêng (phù hợp) nhưng lại có ưu ñiểm là chiều rộng của

khu vực ñược mở rộng hơn mà vẫn bảo ñảm biến dạng dài tới

1/1000000 và khắc phục ñược biến dạng do ñộ cao của khu vực ño vẽ

bản ñồ (nếu xét cho vùng núi)

2.4.2 Ưu nhược ñiểm khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

1 Xử lý trị ño GPS với trị ño mặt ñất rất thuận lợi trong một

phạm vi thích hợp

2 Hướng trục x của hệ ñịa diện luôn hướng về hướng Bắc và

trùng với kinh tuyến ñi qua ñiểm gốc của hệ ñịa diện Khác với hướng

x trong phép chiếu UTM là hướng kinh truyến trục của múi chiếu

3 Hệ ñịa diện chân trời là hệ tọa ñộ không gian (3D), có thành

phần thứ 3 là z (hay U) cho nên chứa cả thông tin về ñộ cao, như vậy

có tính ưu việt hơn so với lưới chiếu phương vị thuần túy, chỉ là lưới

chiếu tọa ñộ phẳng (2D)

Hình 2.5- Bản ñồ tỉnh Thanh Hóa và

vị trí kinh tuyến trung ương (Lo=105o)

4 Nhờ gắn tọa ñộ của hệ tọa ñộ Nhà nước vào một ñiểm gốc của hệ ñịa diện cho nên vấn ñề tính chuyển tọa ñộ giữa hệ ñịa diện với hệ tọa ñộ trắc ñịa và hệ tọa ñộ Nhà nước hoàn toàn thực hiện chính xác theo các công thức chặt chẽ ðồng thời thỏa mãn yêu cầu quản lý vị trí công trình trong hệ tọa ñộ Nhà nước

2.4.3 Những lưu ý khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

1 Về ñối tượng sử dụng: với các công trình công nghiệp và dân dụng (trong phạm vi khoảng 250 km2), có thể sử dụng hệ ñịa diện với ñiểm gốc nằm gần trung tâm của công trình làm hệ tọa ñộ cơ

sở cho công tác khảo sát phục thiết kế và thi công công trình

2 Hệ ñịa diện cần ñược thành lập và sử dụng ngay từ khâu ño vẽ bản ñồ ñịa hình tỷ lệ lớn phục vụ thiết kế, thi công công trình cho ñến khâu ño vẽ hoàn công công trình Việc chuyển ñổi tọa ñộ từ hệ ñịa diện

về tọa ñộ vuông góc phẳng UTM và ngược lại ñược tính toán thông qua tọa ñộ trắc ñịa (B, L, H) theo các công thức chặt chẽ Còn ñối với trường hợp tính chuyển từ hệ ñịa diện về hệ tọa ñộ ñịa phương cần có một số ñiểm song trùng ñể xác ñịnh các tham số tính chuyển dựa vào các thuật toán Helmert, Aphin bậc nhất, Aphin bậc hai vv

3 ðể bảo ñảm biến dạng góc và biến dạng chiều dài, ñối với khu vực bằng phẳng, bán kính khu vực xét có thể ñến 13 km ðối với vùng ñịa hình không bằng phẳng (ñộ dốc ñến 0,275) thì bán kính vùng xét chỉ lấy ñến 9 km (ñường kính 18 km) và trước khi bình sai kết hợp góc ngang với trị ño GPS trong hệ tọa ñộ diện cần phải tính

số cải chính biến dạng góc ngang do chênh cao vào giá trị góc ño

4 Khi sử dụng tọa ñộ ñịa diện ñể bố trí công trình, tránh dùng những ñiểm ngắm có chênh cao lớn ñể không phải cải chính số hiệu chỉnh biến dạng góc vào góc bố trí

5 ðể tính toán ñộ cao cho các ñiểm lưới GPS ñã bình sai trong

hệ ñịa diện, cần tính chuyển tọa ñộ ñịa diện chân trời sau bình sai về tọa ñộ trắc ñịa (B, L, H) và xác ñịnh dị thường ñộ cao dựa vào các

mô hình Geoid hoặc sử dụng các ñiểm song trùng GPS-thủy chuẩn ñể nội suy dị thường ñộ cao

CHƯƠNG 3 BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ đO GPS VÀ TRỊ đO MẶT đẤT

TRONG HỆ TỌA đỘ đỊA DIỆN CHÂN TRỜI

3.1 TRỊ đO TRONG LƯỚI GPS

3.1.1 Véc tơ cạnh và tác dụng của ma trận hiệp phương sai trong

bình sai lưới GPS

1 Khi bình sai chặt chẽ lưới GPS (theo phương án 1) với trọng

số véc tơ cạnh là nghịch ựảo của ma trận hiệp phương sai Cxyz sẽ cho

sai số trung phương ựơn vị trọng số ộ sau bình sai có giá trị thường

lớn hơn 1 nhiều lần và kiểm ựịnh Chi-bình phương ( 2

χ ) không ựạt

(Failed), ựiều ựó chứng tỏ ma trận hiệp phương sai Cxyz của các véc

tơ cạnh ựo chỉ thể hiện quy luật tương quan (phụ thuộc) của các

thành phần véc tơ cạnh mà chưa thể ựúng ựộ lớn của các giá trị

phương sai, hiệp phương sai thực tế đây chắnh là ựặc ựiểm cần lưu ý

khi tắnh trọng số ựể bình sai kết hợp trị ựo GPS với các trị ựo mặt ựất

2 Khi sử dụng trọng số ựơn giản bỏ qua các thành phần tương

quan (phương án 2) và coi trọng số bằng nhau (phương án 3) không chỉ

làm thay ựổi kết quả ựánh giá ựộ chắnh xác mà còn làm thay ựổi tọa ựộ,

ựộ cao, chiều dài cạnh và phương vị cạnh sau bình sai

3 để nhận ựược kết quả bình sai chặt chẽ với ựộ tin cậy cao,

khi bình sai lưới cần xét ựến ma trận hiệp phương sai CXYZ của các trị

ựo một cách ựầy ựủ Chỉ có thể lược bỏ thành phần hiệp phương sai

trong ma trận CXYZ hay dùng ma trận trọng số P=E trong trường hợp

bình sai gần ựúng lưới GPS

3.1.2 Kiểm tra sai số khép trong lưới GPS

Việc kiểm tra trị ựo trước khi bình sai nhờ sai số khép giới

hạn nhằm phát hiện ựể loại bỏ sai số thô đây là một công việc quan

trọng cần ựược tiến hành trước khi bình sai lưới ựể công tác bình sai

cho kết quả chắnh xác và tin cậy

3.2 BÌNH SAI LƯỚI GPS TRONG HỆ TỌA đỘ VUÔNG GÓC

KHÔNG GIAN đỊA TÂM

để bình sai gián tiếp lưới GPS trong hệ ựịa tâm thực hiện các bước sau:

Bước 1: Xử lý cạnh Bước 2: Kiểm tra sai số khép trước khi bình sai Bước 3: Lập phương trình số hiệu chỉnh Bước 4: Tắnh ma trận trọng số P của hệ phương trình : Bước 5: Lập hệ phương trình chuẩn

Bước 6: Giải hệ phương trình chuẩn Bước 7: Tắnh số hiệu chỉnh cho trị ựo và trị bình sai Bước 8: đánh giá ựộ chắnh xác sau bình sai

3.3 BÌNH SAI LƯỚI GPS KẾT HỢP TRỊ đO MẶT đẤT TRONG

HỆ TỌA đỘ đỊA DIỆN CHÂN TRỜI 3.3.1 Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ựộ ựịa diện chân trời

1 Tắnh tọa ựộ gần ựúng của các ựiểm lưới GPS

2 Phương trình số hiệu chỉnh trị ựo trong hệ ựịa diện chân trời

V = AX + L (3.1)

3 Lập và giải hệ phương trình chuẩn

Từ các phương trình số hiệu chỉnh (3.1) và các ma trận hiệp phương sai, tiến hành lập hệ phương trình chuẩn như sau:

Với P là ma trận khối tựa ựường chéo, Pi là ma trận nghịch ựảo của

i

i M

trong ựó: M=RTCxyzR, với R là ma trận xoay

Với công thức (3.3), thực chất ta ựã lấy hằng số c=1 ựể tắnh trọng số trong bài toán bình sai lưới

Hệ phương trình chuẩn (3.2) sẽ ựược giải theo phương pháp thông thường X=−(ATPA)−1ATPL (3.4)

4 Tắnh trị sau bình sai và ựánh giá ựộ chắnh xác

Việc ựánh giá ựộ chắnh xác lưới sau bình sai bao gồm:

Tắnh sai số trung phương trọng số ựơn vị ộ; Sai số vị trắ ựiểm;

Sai số trung phương của các hàm trọng số chiều dài cạnh

ngang và hàm trọng số phương vị cạnh

3.3.2 Bình sai lưới GPS kết hợp với trị ựo mặt ựất trong hệ tọa

ựộ ựịa diện chân trời

Các trị ựo truyền thống mặt ựất ựược bình sai kết hợp với các trị

ựo GPS gồm: Các trị ựo góc bằng, các trị ựo chiều dài cạnh

3.3.2.1 Các trị ựo góc bằng

Phương trình số hiệu chỉnh góc dạng tuyến tắnh như sau :

β

v =(m,p− m,t) m+(m,p− m,t) m− m,p p− m,p p+ m,t t+ m,t t+ (3.5)

Lưu ý rằng, góc bằng sẽ bị biến dạng do phép chiếu trực giao

lên mặt phẳng khi các ựiểm có chênh cao Trong trường hợp này, cần

tắnh số cải chắnh ∆βvào góc ựo β theo công thức ( 2.1):

t

p δδδδ δ δδ δ

∆ (3.6)

3.3.2.2 Các trị ựo chiều dài cạnh

Phương trình số hiệu chỉnh cạnh ngang như sau:

i k i o i k

o o i i o i k

o o i k o i k

o o i k o

i

k

o

o

i

i

D y y dx D x x dy D y y dx D

x

x

, ,

, ,

,

) ( ) ( ) ( )

(

+

− +

− +

−

−

−

−

Cũng có thể sử dụng chiều dài cạnh nghiêng ựể lập phương trình

số hiệu chỉnh

3.3.2.3 Lập và giải hệ phương trình chuẩn chung

A T PA.X+A T PL=0

(3.8)

Ma trận hệ số phương trình chuẩn sẽ ựược lập theo công thức:

MD GPS GPS T GPS T

A P A A P A PA

T MD GPS GPS T GPS T

L P A L P A PL

Giải hệ phương trình chuẩn (3.8) sẽ nhận ựược ẩn số của bài

toán bình sai kết hợp

Khi bình sai lưới GPS thuần túy, sai số trung phương ựơn vị

trọng số ộGPS thường lớn hơn 1 nhiều lần, ựiều này cho thấy các ma

trận hiệp phương sai CXYZ của các cạnh chưa phản ánh ựúng sai số ựo

GPS Phép kiểm ựịnh Chi - bình phương thường không ựạt

để xử lý trọng số trong bình sai kết hợp, cần thực hiện theo hai bước:

Bước 1: Sử dụng các phương trình số hiệu chỉnh trị ựo GPS, ma trận

hiệp phương sai tiên nghiệm Mxyz và tọa ựộ khởi tắnh của ựiểm gốc

G, tiến hành bình sai riêng lưới GPS trong hệ ựịa diện ựể nhận ựược tọa ựộ bình sai lần 1 của các ựiểm và sai số trung phương ựơn vị trọng số ộGPS

Bước 2 Bình sai các trị ựo GPS kết hợp với các trị ựo góc và cạnh

Trọng số của các véc tơ cạnh GPS trong bước này phải ựược tắnh

theo công thức:

2 1

=

GPS xyz

GPS

P

ộ

Nhờ có giá trị ộGPS ựể ước lượng lại ma trận hiệp phương

sai tiên nghiệm, khi ựó trọng số trị ựo GPS mới phù hợp với trọng số

góc, cạnh

3.3.2.4 đánh giá ựộ chắnh xác

Việc ựánh giá ựộ chắnh xác kết quả binh sai lưới bao gồm:

1 Tắnh sai số trung phương ựơn vị trọng số

t n n n PV

− + +

=

2 1

3

2 đánh giá ựộ chắnh xác vị trắ ựiểm và ựánh giá ựộ chắnh xác tương hỗ

Sai số trung phương vị trắ mặt bằng của ựiểm ựược tắnh:

m p = m x2+m2y = ộ Q xx +Q yy (3.13) Sai số trung phương chiều dài cạnh ngang m S =ộ Q S (3.14) Sai số trung phương phương vị cạnh mα = ộ Qα (3.15)

3.3.3 Khả năng ứng dụng phép lọc Kalman trong bình sai kết hợp (chia nhiều giai ựoạn)

Quy trình tắnh toán bình sai liên tiếp nhiều giai ựoạn sử dụng lời giải phép lọc Kalman như sau:

Bước 1: Sử dụng trị ựo bước (i) và ẩn số ựã bình sai ở bước (i-1) ựể tắnh số

hạng tự do L(i) Tắnh ma trận tăng ắch K(i) dựa vào ma trận hiệp trọng