TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ ---@&?--- SINH VIÊN: TRẦN VĂN HẢI XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC G
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
-@&? -
SINH VIÊN: TRẦN VĂN HẢI
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ
GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ PHỤC VỤ TRAO ĐỔI, KHAI THÁC DỮ LIỆU DÙNG CHUNG
TRONG HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ
Chuyên ngành: Trắc địa
Mã ngành: D520503
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH
HÀ NỘI - 2015
Trang 2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
-@&? -
SINH VIÊN: TRẦN VĂN HẢI
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ
GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ PHỤC VỤ TRAO ĐỔI, KHAI THÁC DỮ LIỆU DÙNG CHUNG
TRONG HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ
Chuyên ngành: Trắc địa
Mã ngành: D520503
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH
HÀ NỘI - 2015
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đồ án nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong đồ
án là trung thực Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về các nội dung trình bày trong
đồ án
Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, được sự giúp đỡ nhiệt tình giảng dạy của các thầy, các cô trong trường nói chung và trong khoa Trắc địa Bản đồ nói riêng, em đã trang bị những kiến thức cơ bản về chuyên môn cũng như lối sống, tạo cho em hành trang vững chắc cho công tác sau này
Xuất phát từ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Đặc biệt để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em còn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của TS Nguyễn Đình Thành công tác tại Cục Bản đồ\Bộ Tổng Tham Mưu,TS Phạm Thị Hoa và sự giúp
đỡ của các thầy, các cô trong khoa Trắc địa bản đồ Ngoài ra em cũng xin cám ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên cạnh em, cổ vũ và động viên em những lúc khó khăn
để vượt qua và hoàn thành tốt đồ án này
Đồ án chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được
sự đóng góp chỉ bảo của các thầy, các cô cùng các bạn để bài đồ án của em càng hoàn thiện hơn Đây sẽ là kiến thức bổ ích cho công việc của em sau này
Cuối cùng, một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của
TS Nguyễn Đình Thành công tác tại Cục Bản đồ\Bộ Tổng Tham Mưu, TS Phạm Thị Hoa cùng các thầy, các cô trường Đại học Tài nguyên và Môi Trường Hà Nội Kính chúc các thầy, các cô luôn luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và gặt hái được nhiều thành công trong công tác cũng như cuộc sống
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài 1
2 Mục đích của đề tài 2
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4 Nội dung nghiên cứu 2
5 Phương pháp nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TỌA ĐỘ VÀ CHUYỂN HỆ TỌA ĐỘ 4
1.1.PHÂNLOẠIHỆTỌAĐỘ 4
1.1.1 Hệ tọa độ không gian 4
1.1.2 Hệ tọa độ Ellipsoid 6
1.1.3 Hệ tọa độ phẳng 8
1.2.HỆTỌAĐỘVN-2000 10
1.3.HỆTỌAĐỘWGS-84 11
1.4.HỆTỌAĐỘĐỘNGLỰCQUỐCTẾITRF 12
1.5.CÁCHỆTHỐNGĐỘCAO 13
1.5.1 Độ cao trắc địa 14
1.5.2 Độ cao chuẩn 14
1.5.3 Độ cao chính, độ cao động lực 15
1.6.VẤNĐỀCHUYỂNĐỔITỌAĐỘ 16
CHƯƠNG 2: MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ 18
2.1.PHÉPCHIẾUVÀYÊUCẦUCỦAPHÉPCHIẾUTRONGCÔNGTÁCTRẮC ĐỊABẢNĐỒ 18
Trang 62.1.1 Phép chiếu mặt phẳng 19
2.1.2 Phép chiếu Gauss-Kruger 19
2.1.3 Phép chiếu UTM 20
2.1.4 Yêu cầu của phép chiếu sử dụng trong công tác trắc địa bản đồ 21
2.2.QUANHỆGIỮAHỆTỌAĐỘKHÔNGGIANTRÁIĐẤTVÀHỆTỌAĐỘ ELLIPSOID 22
2.2.1 Chuyển đổi các hệ toạ độ ellipsoid thành các toạ độ không gian 22
2.2.2 Chuyển đổi các toạ độ không gian thành các toạ độ ellipsoid 23
2.3.QUANHỆGIỮAHỆTỌAĐỘELLIPSOIDVÀHỆTỌAĐỘPHẲNG 24
2.3.1 Chuyển đổi toạ độ ellipsoid thành toạ độ phẳng 24
2.3.2 Chuyển đổi toạ độ phẳng thành toạ độ ellipsoid 27
CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC HỆ THỐNG
TỌA ĐỘ 29
3.1.CHUYỂNĐỔITỌAĐỘGIỮACÁCHỆTỌAĐỘKHÔNGGIANTRÁIĐẤT 29
3.2.CHUYỂNĐỔITỌAĐỘGIỮACÁCHỆTỌAĐỘELLIPSOID 30
3.3.CHUYỂNĐỔITỌAĐỘGIỮACÁCHỆTỌAĐỘPHẲNG 41
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VÀ CÁC HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA LIỀN KỀ 41
4.1.MỘTSỐNÉTVỀCÁCHỆTHỐNGTỌAĐỘCỦACÁCQUỐCGIA LIỀN KỀ 41
4.1.1 Các lưới chiếu tọa độ phẳng được sử dụng ở Việt Nam 41
4.1.2 Một số hệ thống tọa độ các quốc gia liền kề 43
4.2.CHUYỂNĐỔITỌAĐỘGIỮAHỆTỌAĐỘQUỐCGIAVIỆTNAM VN-2000VÀHỆTỌAĐỘĐỘNGLỰCQUỐCTẾITRF 44
4.3.NGUYÊNTẮCCHUYỂNĐỔITỌAĐỘGIỮACÁCHỆTHỐNGTỌAĐỘ CỦACÁCQUỐCGIALIỀNKỀ 49
4.4.THỰCNGHIỆMCHUYỂNĐỔIGIỮAHỆTỌAĐỘQUỐCGIAVIÊTNAM VN–2000VÀHỆTỌAĐỘQUỐCGIALÀO 50
4.4.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của Lào 50
Trang 74.4.2 Hệ thống lưới tọa độ quốc gia của Lào 51 4.4.3 Lưới độ cao của Lào 57 4.4.3 Hệ thống lưới do Phần Lan xây dựng 59 4.4.5 Kết quả tính toán thực nghiệm chuyển đổi Hệ tọa độ Lào97 về Hệ tọa độ
VN-2000 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
Trang 8DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các tham số hình học và vật lý của một số ellipsoid hiện đại 6 Bảng 1.2 : Các sản phẩm của IGS gắn với giai đoạn ra đời và sử dụng các phiên bản ITRF 13 Bảng 4.1 Tọa độ điểm trong ITRF2008 tại thời điểm ngày 1 tháng 8 năm 2010 47 Bảng 4.2: Tọa độ điểm trong hệ tọa độ VN-2000 47 Bảng 4.3: Giá trị các tham số tính chuyển tọa độ từ ITRF2008 và VN-2000 48 Bảng 4.4: So sánh độ lệch tọa độ WGS-84 ban đầu và tọa độ WGS-84 tính chuyển 49 Bảng 4.5: Giá trị các tham số tính chuyển tọa độ từ Lào97 sang WGS-84 63 Bảng 4.6: So sánh sai lệch tọa độ giữa 20 điểm tọa độ WGS-84 ban đầu và tọa độ WGS-84 tính chuyển mới 64
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ tọa độ ellipsoid 7
Hình 1.2 Hệ tọa độ phẳng 8
Hình 1.3 Hệ tọa độ vuông góc phẳng UTM 9
Hình 1.4 Hệ tọa độ vuông góc phẳng Gauss-Kruger 9
Hình 2.1 Phép chiếu mặt phẳng 19
Hình 2.2 Quan hệ giữa các hệ toạ độ trắc địa B, L, H 22
Hình 2.3 Chuyển đổi ellipsoid thành hệ tọa độ phẳng 25
Hình 3.1 Chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ 29
Hình 3.2 Quan hệ giữa ellipsoid 1 và ellipsoid 2 31
Hình 3.3 Nguyên tắc chuyển đổi tọa độ giữa các hệ tọa độ phẳng 41
Hình 4.1 Nguyên tắc chuyển đổi tọa độ giữa các quốc gia liền kề 50
Hình 4.2 Sơ đồ mạng lưới các điểm tọa độ quốc gia Lào 56
Hình 4.3 Sơ đồ các tuyến độ cao hạng II, III quốc gia Lào đã được xây dựng trong giai đoạn từ năm 1983 đến năm 2007 58
Hình 4.4 Mạng lưới do Phần Lan xây dựng 61
Hình 4.5 Xây dựng theo tiêu chuẩn NGD 62
Trang 10DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Tính chuyển 19 điểm tọa độ ITRF từ BLH sang XYZ
Phụ lục 2: Bảng tọa độ 19 điểm ITRF mới được tính chuyển theo 7 tham số ở bảng
4.3
Phụ lục 3: Bảng tọa độ của mạng lưới do Phần Lan xây dựng
Phụ lục 4: Bảng tính chuyển 100 điểm tọa độ BLH sang tọa độ XYZ
Phụ lục 5: 20 điểm kiểm tra tính chuyển
Phụ lục 6: 20 điểm WGS-84 mới sau khi thực hiện tính chuyển bằng 7 tham số ở
bảng 4.4
Phụ lục 7: 132 điểm tọa độ VN-2000 được tính chuyển theo 2 bảng tham số (bảng
4.3 và bảng 4.4)
Phụ lục 8: Chương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ BLH sang hệ tọa độ XYZ
Phụ lục 9: Chương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ XYZ sang hệ tọa độ BLH
Phụ lục 10: Chương trình xác định 7 tham số tính chuyển theo Bursa-Wolf
Phụ lục 11: Chương trình chuyển hệ tọa độ X1Y1Z1 thành hệ tọa độ X2Y2Z2 theo 7 tham số
Trang 111
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Tổ chức IGS dựa trên khung quy chiếu sao quốc tế (ICRF) và các kết quả thu tín hiệu vệ tinh GNSS trên mạng lưới trạm tham chiếu mặt đất CORS thuộc IGS để xây dựng Hệ tọa độ động lực quốc tế ITRF, phục vụ kiểm soát sự biến dạng lớp vỏ Trái đất, giám sát sự quay của Trái đất, sự biến thiên của thuỷ triều, băng cực, xác định quỹ đạo của vệ tinh, mô hình hoá tầng điện ly, nghiên cứu khí hậu, nghiên cứu thời gian và tốc độ truyền dẫn tín hiệu trong môi trường khí quyển Trong giai đoạn công nghệ dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GNSS) phát triển rất mạnh và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành, trong đời sống xã hội, các hệ tọa độ địa phương (hệ tọa độ của các quốc gia) được xây dựng và hoàn thiện dựa trên khung tham chiếu mặt đất toàn cầu ITRF hay gắn chặt vào ITRF Trong xu thế phát triển hiện đại, các quốc gia phải hợp tác với nhau thông qua việc trao đổi khai thác dữ liệu dùng chung để giải quyết các nhiệm vụ khoa học kỹ thuật mang tính khu vực và toàn cầu như biến đổi khí hậu, nước biển dâng, trôi dạt các mảng lục địa, động đất, sóng thần,… và các tai biến thiên nhiên khác Như vậy, nhu cầu chuyển đổi tọa độ giữa các hệ tọa độ của các quốc gia liền kề là rất cần thiết, làm cơ sở để chuyển đổi
cơ sở dữ liệu và bản đồ về một hệ thống tọa độ, độ cao thống nhất
Cơ sở dữ liệu và bản đồ được xây dựng từ các đối tượng địa lý Mỗi một đối tượng địa lý được thiết lập từ các tập hợp điểm, đường, vùng cùng các tính chất thuộc tính của chúng và nói cho cùng, chúng cũng được cấu tạo từ tập hợp các điểm theo một quy tắc nhất định Một điểm trong không gian, tùy thuộc vào các góc quan sát sẽ có vai trò khác nhau Như vậy, cơ sở dữ liệu và bản đồ trong các hệ thống tọa
độ khác nhau sẽ giữ các vai trò khác nhau Mặt khác, các quốc gia liền kề, tùy thuộc vào mức độ phát triển kinh tế xã hội, vị trí địa lý, hình dạng, diện tích lãnh thổ và thói quen sử dụng,… thường xây dựng cho mình một hệ quy chiếu tọa độ riêng Tuy nhiên, trong bối cảnh biến đổi khí hậu phức tạp, các quốc gia trong một khu vực phải hợp tác chia sẻ và khai thác sử dụng dữ liệu để giải quyết các nhiệm vụ nêu trên Vì vậy, cần phải có phương án chuyển đổi tọa độ giữa các hệ thống tọa độ
Trang 122
của các quốc gia, đặc biệt là các quốc gia liền kề (có chung đường biên giới) để thống nhất cơ sở dữ liệu và bản đồ sử dụng cho các mục đích khác nhau Để tìm tham số chuyển đổi tọa độ giữa hai quốc gia, cần phải thu thập tọa độ thuộc các mạng lưới tọa độ nhà nước của quốc gia thứ nhất, chuyển các tọa độ này về tọa độ quốc tế ITRF, sau đó thông qua các tham số chuyển đổi để chuyển về tọa độ của quốc gia thứ hai Như vậy, khung quy chiếu Trái đất quốc tế ITRF sẽ đóng vai trò là cầu nối để chuyển đổi tọa độ giữa các quốc gia Độ tin cậy của tham số chuyển đổi phụ thuộc vào độ chính xác của tọa độ các điểm thu thập được, số lượng, mật độ và
sự phân bố của chúng trên lãnh thổ quốc gia cần tìm thiết lập tham số chuyển đổi…
Đề tài “Xây dựng thuật toán chuyển đổi tọa độ giữa các hệ thống tọa độ của các quốc gia liền kề phục vụ trao đổi, khai thác dữ liệu dùng chung trong hợp tác khoa học quốc tế” nghiên cứu toàn diện bài toán chuyển đổi tọa độ trong các hệ thống tọa độ không gian, trắc địa và hệ tọa độ phẳng Đồng thời xây dựng thuật toán, xác định các tham số chuyển đổi tọa độ, lập chương trình chuyển đổi tọa độ và thử nghiệm tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ Lao97 (hệ tọa độ quốc gia của Cộng hòa Dân chủ nhân dân Lào) về Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam VN-2000
2 Mục đích của đề tài
Xây dựng thuật toán và thực nghiệm chuyển đổi tọa độ giữa các hệ tọa độ quốc gia Việt Nam và các hệ thống tọa độ của các quốc gia liền kề phục vụ trao đổi khai thác dữ liệu dùng chung trong hợp tác khoa học quốc tế
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là nghiên cứu và tìm hiểu, phân tích cơ sở lý thuyết của một số phương pháp tính chuyển đổi tọa độ, số liệu thực nghiệm được cung cấp bởi cục bản đồ Quân đội để thực hiện tính chuyển tọa độ giữa quốc gia Lào và Việt Nam
4 Nội dung nghiên cứu
Đồ án tập trung nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích cơ sở lý thuyết của một số phương pháp tính chuyển đổi tọa độ và từ đó tổng hợp và phân tích các nguồn tài
Trang 133
liệu thực nghiệm được cung cấp bởi Cục bản đồ Quân đội để thành lập thuật toán chuyển đổi tọa độ và đánh giá kết quả thu được
5 Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được các nhiệm vụ đặt ra của đồ án, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu là:
- Phương pháp phân tích: Phân tích, lựa chọn phương pháp, thuật toán, tìm đường đi tối ưu
- Phương pháp toán học: Phương pháp tính và đại số tuyến tính trong xây dựng thuật toán
- Phương pháp thực nghiệm: Điều tra số liệu, kiểm chứng kết quả nghiên cứu trên cơ sở đánh giá độ chính xác
- Phương pháp chuyên gia: Tham vấn các thầy cô, các chuyên gia trong vực chuyển đổi tọa độ