Bình sai kết hợp các trị đo véc tơ cạnh GPS với các trị đo mặt đất trong hệ tọa độ vuông góc không gian

LUẬN VĂN THẠC SĨ BÌNH SAI KẾT HỢP CÁC TRỊ ĐO VÉC TƠ CẠNH GPS VỚI CÁC TRỊ ĐO MẶT ĐẤT TRONG HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ NGUYỄN XUÂN ANH MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BÌNH SAI KẾT HỢP CÁC TRỊ ĐO VÉC TƠ CẠNH GPS

VỚI CÁC TRỊ ĐO MẶT ĐẤT TRONG HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

NGUYỄN XUÂN ANH MINH

HÀ NỘI, NĂM 2017

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BÌNH SAI KẾT HỢP CÁC TRỊ ĐO VÉC TƠ CẠNH GPS

VỚI CÁC TRỊ ĐO MẶT ĐẤT TRONG HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN

NGUYỄN XUÂN ANH MINH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 60520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS ĐẶNG NAM CHINH

HÀ NỘI, NĂM 2017

Cán bộ hướng dẫn chính: PGS TS Đặng Nam Chinh

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS TS Vi Quốc Hải

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Bùi Thị Hồng Thắm

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày tháng năm 201

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài này là do chính tôi thực hiện, các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực, đề tài không trùng với bất

kỳ đề tài nghiên cứu khoa học nào Những thông tin tham khảo trong khóa luận đều được trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng

Hà Nội, ngày tháng năm 201

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Xuân Anh Minh

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện được bản luận văn này, tác giả xin chân thành gửi lời

cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Đặng Nam Chinh đã tận tình hướng

dẫn, bảo ban, chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Trắc Địa – Bản Đồ Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cùng toàn thể bạn bè đã đóng góp ý kiến quý báu để có thể thực hiện đầy đủ, hoàn thiện hơn bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

THÔNG TIN LUẬN VĂN xi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Các phương pháp thành lập lưới trắc địa 5

1.1.1 Nhóm các phương pháp đo mặt đất 6

1.1.2 Phương pháp đo GPS 7

1.1.3 Kết hợp giữa phương pháp đo GPS và phương pháp đo mặt đất 8

1.2 Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa 9

1.2.1 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa ở nước ngoài 9

1.2.2 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa ở Việt Nam 11

1.3 Tổng quan về xử lí số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất 15

1.3.1 Xử lí số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất trong trắc địa ở nước ngoài 15

1.3.2 Xử lí số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất trong trắc địa ở Việt Nam 18

CHƯƠNG 2: HỆ QUY CHIẾU TRẮC ĐỊA VÀ SỬ DỤNG HỆ TỌA ĐỘ TRONG TÍNH TOÁN BÌNH SAI 21

2.1 Các hệ quy chiếu trắc địa và vai trò của chúng trong tính toán bình sai 21 2.1.1 Khái quát chung 21

2.1.2 Các hệ quy chiếu đã và đang sử dụng ở Việt Nam 22

2.2 Các hệ tọa độ và vấn đề tính đổi tọa độ trong một hệ quy chiếu 24

2.2.1 Tính đổi toạ độ Trắc địa B, L, H và tọa độ địa tâm X, Y, Z 24

2.2.2 Tính đổi toạ độ địa tâm và địa diện 26

2.2.3 Tính đổi giữa toạ độ trắc địa và tọa độ vuông góc phẳng 28

2.2.4 Tính đổi toạ độ qua múi 32

2.3 Tính chuyển tọa độ giữa các hệ quy chiếu 32

2.3.1 Công thức tính chuyển tọa độ 7 tham số 32

2.3.2 Xác định 7 tham số tính chuyển tọa độ 34

2.3.3 Mối quan hệ giữa các tham số tính chuyển tọa độ liên quan đến 3 hệ quy chiếu 36

2.4 Các loại trị đo trắc địa và lựa chọn hệ tọa độ cho bài toán bình sai 38

2.4.1 Các loại trị đo trong trắc địa 38

2.4.2 Lựa chọn hệ tọa độ cho bài toán bình sai 39

2.5 Quy chuyển trị đo trước bình sai 40

2.5.2 Quy chuyển khoảng cách nghiêng đo bằng TĐ ĐT về tâm mốc trắc địa 43

2.5.3 Quy chuyển góc ngang 47

CHƯƠNG 3: BÌNH SAI LƯỚI GPS VÀ BÌNH SAI GPS KẾT HỢP 49

CÁC TRỊ ĐO MẶT ĐẤT 49

3.1 Véc tơ cạnh GPS và các đặc trưng của véc tơ cạnh 49

3.1.1 Véc tơ cạnh GPS 49

3.1.2 Các đặc trưng của véc tơ cạnh 50

3.2 Các phương trình số hiệu chỉnh trị đo véc tơ cạnh GPS trọng hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm 52

3.3 Bình sai các đại lượng tương quan theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất 54

3.3.1 Khái niệm chung 54

3.3.2 Thuật toán bình sai gián tiếp lưới GNSS trong hệ toạ độ địa tâm 55

3.4 Các phương trình số hiệu chỉnh trị đo mặt đất trong hệ vuông góc không gian địa tâm 63

3.4.1 Mối liên hệ giữa các hệ tọa độ 64

3.4.2 Mối quan hệ vi phân 68

3.4.3 Các phương trình số hiệu chỉnh trị đo mặt đất 70

3.5 Vấn đề bình sai lưới GPS kết hợp các trị đo mặt đất 72

3.5.1 Khái quát chung 72

3.5.2 Các ký hiệu 73

3.5.3 Các bước bình sai lưới GPS kết hợp các trị đo góc - cạnh 73

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM BÌNH SAI LƯỚI GPS 78

KẾT HỢP TRỊ ĐO MẶT ĐẤT TRONG HỆ WGS-84 78

4.1 Giới thiệu số liệu thực nghiệm và nội dung tính toán 78

4.1.1 Khái quát về khu kinh tế Dung Quất 78

4.1.2 Mạng lưới trắc địa công trình khu công nghiệp Dung Quất 81

4.2 Chương trình máy tính bình sai lưới GPS kết hợp các trị đo góc-cạnh trong hệ tọa độ địa tâm X, Y, Z 86

4.2.1 Cấu trúc và ngôn ngữ lập trình 86

4.2.2 Các phương án bình sai lưới thực nghiệm 87

4.2.3 Khuôn dạng số liệu đầu vào của chương trình 88

4.3 Kết quả tính toán bình sai lưới thực nghiệm theo các phương án 96

4.4 So sánh và phân tích các kết quả tính toán thực nghiệm 97

4.4.1 So sánh phương án 1 với phương án 2 97

4.4.2 So sánh phương án 1 với phương án 3 100

4.4.3 So sánh phương án 1 với phương án chỉ sử dụng trị đo GPS 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

2 GNSS Global Navigation

Satellite Systems

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

không gian địa tâm

gian địa diện chân trời

5 IGS The International

GNSS Service Dịch vụ GNSS Quốc tế

6 ITRF The International Terrestrial

Reference Frame

Hệ quy chiếu trắc địa Quốc tế

12 UTM Universal Transverse

Mercator

Phép chiếu hình trụ ngang đồng góc

13 VLBI Very long baseline

interferometry Đoạn giao thoa cơ bản rất dài

14 WGS-84 World Geodetic System 84 Hệ thống trắc địa thế giới

năm 1984

15 TĐCT Trắc địa công trình Trắc địa công trình

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng so sánh các phương pháp thành lập lưới Trắc địa 5

Bảng 2.1 Giá trị K theo một số giá trị của t và ZA như sau: 46

Bảng 4.1 Thống kê chỉ tiêu kỹ thuật các véc tơ cạnh GPS sau xử lý 83

Bảng 4.2 Giá trị các góc đo 85

Bảng 4.3 Giá trị các cạnh đo 85

Bảng 4.4 So sánh tọa độ x, y, H và sai số trung phương mx, my, mH 97

Bảng 4.5 So sánh sai số phương vị và sai số tương đối cạnh 98

Bảng 4.6 So sánh tọa độ x, y, H và sai số trung phương mx, my, mH 100

Bảng 4.7 So sánh sai số phương vị và sai số tương đối cạnh 101

Bảng 4.8 So sánh tọa độ x, y, H và sai số trung phương mx, my, mH 103

Bảng 4.9 So sánh sai số phương vị và sai số tương đối cạnh 104

Bảng 4.10 So sánh các tỷ số K giữa các phương án bình sai 106

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 So sánh sai số đo chiều dài bằng GPS và TĐĐT 8

Hình 1.2 Quan trắc đập Altynkay…… 9

Hình 1.3 Quan trắc cầu Wilford……… 11

Hình 1.4 Mốc theo dõi chuyển dịch NMXM Cẩm Phả 14

Hình 2.1 Tính chuyển tọa độ X, Y, Z 33

Hình 2.2 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm 39

Hình 2.3 Chiều cao ăng ten máy thu tại các trạm đo M1, M2. 41

Hình 2.4 Trường hợp l > i 44

Hình 2.5 Trường hợp l < i 45

Hình 3.1 Hệ địa tâm (X,Y,Z) và hệ địa diện (N,E,U) 60

Hình 3.2 Tọa độ trắc địa B,L,H và tọa độ vuông góc địa tâm X,Y,Z 64

Hình 3.3 Hệ địa tâm và hệ diện chân trời 66

Hình 3.4 Mối liên hệ trị đo A, E, S trong hệ địa diện chân trời 66

Hình 4.1 Vị trí khu kinh tế Dung Quất và nhà máy lọc dầu số 1 78

Hình 4.2 Bản đồ quy hoạch khu kinh tế Dung Quất-103km2 80

Hình 4.3 Nhà máy lọc dầu Dung Quất 81

Hình 4.4 Sơ đồ mạng lưới GPS khu công nghiệp Dung Quất (2001) 82

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Nguyễn Xuân Anh Minh

Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Đặng Nam Chinh

Tên đề tài: Bình sai kết hợp các trị đo véc tơ cạnh GPS với các trị đo mặt

đất trong hệ tọa độ vuông góc không gian

Luận văn trình bày cách thực hiện được bình sai kết hợp các trị đo véc

tơ cạnh GPS với các trị đo mặt đất (góc - cạnh) trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm Nghiên cứu ảnh hưởng của các giá trị hiệp phương sai trong tính toán trọng số khi bình sai kết hợp GPS và góc - cạnh Đánh giá ảnh hưởng của các trị đo mặt đất bổ sung đến độ chính xác của mạng lưới

GPS Kết quả nghiên cứu sẽ là những đề xuất góp phần hoàn thiện các quy

định kỹ thuật trong công tác lựa chọn hệ tọa độ cũng như phương pháp xử lý

số liệu trong công tác trắc địa ở Việt Nam

độ quốc tế WGS-84 hay hệ tọa độ quốc gia VN-2000 của Việt Nam đều xác định trong hệ không gian địa tâm (3D) Bảy tham số chuyển đổi tọa độ không gian X, Y, Z giữa WGS-84 và VN2000 cũng đã được công bố (2007) Từ tọa độ X, Y, Z sau bình sai của các điểm lưới sẽ được tính đổi

về tọa độ trắc địa (B, L, H), từ đó dễ dàng xác định được tọa độ vuông góc phẳng (x, y) theo phép chiếu hình trụ ngang đồng góc UTM vẫn thường

sử dụng trong công tác Trắc địa ở nước ta

Lý thuyết và thuật toán bình sai kết hợp GPS và trị đo mặt đất đã được trình bày trong một số tài liệu trong và ngoài nước Trong tài liệu GPS Satellite Surveying - Orono-Maine, Alfred Leick đã trình bày khái lược thuật toán bình sai lưới GPS và trị đo mặt đất trong hệ tọa độ không gian, tuy nhiên trong đó không có ví dụ tính toán minh họa Một số phần mềm khác của các công ty viết phần mềm nước ngoài như STAR*NET của Microsurvey (Canada), MOVE-3 của hạng GRONTMIJ (Hà Lan) hay phần mềm COLUMBUS của Công ty BEST FIT Computing (Hoa Kỳ),… cho phép bình sai lưới GNSS, còn việc bình sai kết hợp GNSS với trị đo mặt đất

không được nói tới

Trong nước, có một số luận văn thạc sĩ đã nghiên cứu bình sai kết hợp GPS với trị đo mặt đất như luận văn của Dương Thành Trung, Lã Phú Hiến, Lưu Anh Tuấn,… Tuy nhiên, các luận văn này cũng chỉ giải quyết về phương

pháp mà chưa đi sâu giải quyết quan hệ trọng số của các loại trị đo khác loại

và sản phầm phần mềm cũng chưa phổ biến Năm 2014, NCS Lê Văn Hùng

đã hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài “ Nghiên cứu bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời

áp dụng cho các mạng lưới trắc địa công trình”, tuy nhiên luận án chỉ mới giải quyết thuật toán cho lưới GPS cạnh ngắn và bình sai kết hợp trong hệ địa diện chân trời

Hiện nay các phần mềm xử lý số liệu lưới GPS (hay GNSS) chủ yếu là phần mềm nhập ngoại Các hãng chế tạo máy thu GPS thường bán phần mềm cùng với máy thu với giá tiền không ít Giao diện các phần mềm thường là tiếng Anh, chưa được Việt hóa Các Modul bình sai lưới GPS có thể cho phép bình sai kết hợp trị đo GPS với trị đo mặt đất như phần mềm GPSurvey 2.35, TGO của hãng Trimble Tuy nhiên, các phần mềm này hiện nay đã không còn được phép sử dụng ở Việt Nam Một số phần mềm khác thay thế các phần mềm trên lại không có hoặc không dễ dàng khai thác chức năng

bình sai kết hợp GPS và trị đo mặt đất

Chính vì thế, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết làm nền tảng cho việc xây dựng chương trình máy tính bình sai lưới GPS nói chung hay bình sai GPS kết hợp trị đo mặt đất nói riêng là cần thiết Các phần mềm này được coi là phần xử lý tiếp theo cho các phần mềm xử lý véc tơ cạnh trong định vị tương đối, vốn khá phổ biến ở nước ta Ưu điểm của phần mềm bình sai tự xây dựng này là kết quả sẽ xuất ra các bảng biểu được giải thích bằng tiếng Việt, tiện cho người sử dụng và phù hợp với khuôn dạng quy định của Cục Đo đạc

và Bản đồ Việt nam

b Tính thực tiễn

Lựa chọn hệ tọa độ có thể sử dụng trong giới hạn nhất định để làm hệ tọa

độ cơ sở cho công tác trắc địa cùng với nghiên cứu thuật toán và xây dựng

quy trình bình sai lưới GPS có sử dụng thêm các trị đo mặt đất là hết sức cần thiết trong điều kiện chúng ta chưa chủ động xây dựng được phần mềm xử lý

số liệu GPS Kết quả nghiên cứu sẽ là những đề xuất góp phần hoàn thiện các quy định kỹ thuật trong công tác lựa chọn hệ tọa độ cũng như phương pháp

xử lý số liệu trong công tác trắc địa ở Việt Nam

2 Mục tiêu của đề tài

Thực hiện được bình sai kết hợp các trị đo véc tơ cạnh GPS với các trị

đo mặt đất (góc - cạnh) trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm Nghiên cứu ảnh hưởng của các giá trị hiệp phương sai trong tính toán trọng

số khi bình sai kết hợp GPS và góc - cạnh Đánh giá ảnh hưởng của các trị

đo mặt đất bổ sung đến độ chính xác của mạng lưới GPS

3 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 logic các tư liệu, số liệu làm cơ sở để giải quyết các vấn đề đặt ra

- Phương pháp so sánh: Tổng hợp kết quả, so sánh đánh giá và đưa ra các kết luận về các vấn đề đặt ra

- Phương pháp tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, đánh giá kiểm chứng độ xác thực của các công thức và quy trình đưa ra

- Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin, hoàn thiện thuật toán và quy trình bình sai phục vụ cho xây dựng chương trình máy tính

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan công nghệ GPS và các trị đo mặt đất để thành lập lưới khống chế trắc địa

- Nghiên cứu hệ tọa độ vuông góc không gian, tính đổi tọa độ giữa hệ tọa độ vuông góc không gian với hệ tọa độ trắc địa và hệ tọa độ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM

- Vấn đề tính trọng số trị đo tương quan trong bình sai lưới GPS

- Nghiên cứu về bình sai lưới GPS trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm (X, Y, Z)

- Nghiên cứu về bình sai kết hợp GPS với các trị đo mặt đất (góc, cạnh) trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm Cách lập các phương trình trị đo góc ngang và trị đo khoảng cách nghiêng

- Vấn đề quy chuyển véc tơ cạnh GPS và khoảng cách nghiêng về tâm mốc trắc địa Số cải chính quy chuyển góc ngang từ mặt đất lên Ellipssoid

- Nghiên cứu hoàn thiện thuật toán và quy trình bình sai phục vụ cho xây dựng chương trình máy tính để xử lý số liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Các phương pháp thành lập lưới trắc địa

Lưới khống chế trắc địa thường được xây dựng theo các phương pháp truyền thống như phương pháp tam giác (đo góc, đo cạnh hoặc đo góc

- cạnh), phương pháp đường chuyền (đa giác), phương pháp giao hội, phương pháp đo bằng GPS Các thế hệ máy TĐĐT với các cấp độ chính xác khác nhau đang có mặt ở nước ta cho phép thành lập lưới trắc địa một cách thuận tiện và linh hoạt với độ chính xác cần thiết

Trong điều kiện hiện nay, có thể sử dụng 2 phương pháp chủ yếu để thành lập các mạng lưới trắc địa mặt bằng nói chung cũng như lưới trắc địa,

đó là phương pháp sử dụng các trị đo mặt đất (truyền thống) và phương pháp vệ tinh (GNSS) Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định và đòi hỏi những điều kiện áp dụng khi đo đạc thành lập lưới

Bảng 1.1 Bảng so sánh các phương pháp thành lập lưới Trắc địa

Ưu điểm

- Phù hợp với điều kiện, hoàn cảnh của nước ta thời điểm trước

- Có nhiều trị đo

- Thời gian thi công nhanh

- Ít phụ thuộc vào thời tiết

- Không cần thông hướng trên cạnh đo

- Thời gian đo đạc lâu

- Phụ thuộc nhiều vào thời tiết

- Cần thông hướng trên cạnh đo

- Tốn kém chi phí xây dựng cột tiêu

- Khoảng cách đo ngắn

- Không có khả năng tự động hóa

1.1.1 Nhóm các phương pháp đo mặt đất

a Lưới tam giác đo góc

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

b Lưới tam giác đo cạnh

Việc áp dụng các máy đo dài điện quang đã mở ra một khả năng xây dựng lưới khống chế trắc địa bằng phương pháp lưới tam giác đo cạnh Ảnh hưởng của chiết quang ngang có thể được làm giảm một cách rõ rệt, thậm chí

có thể được loại trừ bằng cách thay thế lưới tam giác đo góc bằng lưới tam giác đo toàn cạnh Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp tam giác đo cạnh

là có ít trị đo dư

c Lưới tam giác đo góc cạnh kết hợp

Để khắc phục những nhược điểm của hai phương pháp lưới tam giác

đo góc và lưới tam giác đo cạnh thì cách tốt nhất là sử dụng các máy

TĐĐT để đo lưới theo phương pháp đo góc cạnh kết hợp

d Lưới đường chuyền

Trong phương pháp này, người ta đo trực tiếp chiều dài các cạnh và các góc ngoặt, rồi dựa vào phương vị gốc và toạ độ gốc để tính ra toạ độ các điểm còn lại Đối với lưới đường chuyền việc chọn điểm và phát triển lưới trong khu vực đông dân cư hay thành phố là rất dễ dàng

e Nhận xét

Trong những năm vừa qua, để thành lập các mạng lưới trắc địa, chúng ta vẫn chủ yếu sử dụng các loại máy TĐĐT Nhiều thế hệ máy TĐĐT với các cấp độ chính xác khác nhau đang có mặt trên thị trường Việt Nam cho phép

đo đạc lưới nhanh, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cần thiết, rất tiện lợi ở những vùng địa hình có tầm thông hướng mặt đất tốt Khả năng thực hiện 2 loại trị

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

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

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

1.1.2 Phương pháp đo GPS

Phương pháp đo GPS (với kỹ thuật đo tương đối tĩnh để thành lập lưới khống chế) sử dụng tín hiệu thu được từ các vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu GPS Kết quả là xác định được các véc tơ cạnh (baselines) trong hệ tọa độ trắc địa quốc tế WGS-84

Độ chính xác đo cạnh bằng GPS với các tham số độ 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 độ chính xác đo chiều dài cạnh bằng máy TĐĐT phổ biến hiện nay là a = 3mm và b = 2ppm, thì có thể thấy công nghệ GPS có ưu thế ở khoảng cách dài, còn ở khoảng cách ngắn, máy TĐĐT có ưu thế hơn, tuy nhiên để đo bằng TĐĐT thì cần phải thông hướng Dựa vào các tham số a, b đặc trưng nêu trên của máy GPS và TĐĐT, tiến hành vẽ đồ thị (hình 1.1) để so sánh một cách trực quan giữa độ chính xác đo chiều dài cạnh bằng GPS (mD-GPS) và độ chính xác đo cạnh bằng TĐĐT (mD-TD) Theo đồ thị trên có thể thấy rằng, ở khoảng cách D < 2,3 km thì sai số đo cạnh bằng GPS lớn hơn sai số đo bằng TĐĐT [2]

Ưu điểm nổi bật của công nghệ GPS là không đòi hỏi sự thông hướng mặt đất giữa các điểm đo cũng như ít chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết và khí hậu Vì vậy, nó có thể được áp dụng một cách hiệu quả ở những khu vực có tầm thông hướng mặt đất kém

Hình 1.1 So sánh sai số đo chiều dài bằng GPS và TĐĐT

Nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi sự thông thoáng bầu trời tại các điểm đặt máy thu GPS Vì vậy, nó không thể áp dụng được ở những khu vực có độ che phủ lớn như khu đô thị nhiều nhà cao tầng hoặc trong rừng rậm

có tán cây dày che phủ phía trên Ngoài ra, phương pháp này còn chịu ảnh hưởng đáng kể của các nguồn gây nhiễu tín hiệu như các trạm phát sóng, các đường dây tải điện và các tín hiệu điện từ khác

1.1.3 Kết hợp giữa phương pháp đo GPS và phương pháp đo mặt đất

Đối với những lưới khống chế thường yêu cầu độ chính xác cao, lại

có những yêu cầu riêng về thiết kế chọn điểm cũng như thời gian thi công lưới Nếu chỉ áp dụng một phương pháp duy nhất để thành lập lưới (hoặc

là chỉ đo mặt đất, hoặc là chỉ đo bằng công nghệ GPS) sẽ gặp phải những khó khăn vì phương pháp nào cũng đều có những nhược điểm và hạn chế nhất định Đối với những trường hợp các điểm lưới có khả năng thông hướng với nhau, người ta thường đo thêm chiều dài cạnh hoặc góc ngang bằng TĐĐT và xử lý cùng với các trị đo GPS để nhận được một kết cấu lưới vững chắc, cho độ chính xác và độ tin cậy cao về vị trí tương hỗ giữa các điểm trong lưới Ngoài ra có trường hợp, một số điểm trong lưới không thuận tiện cho đo GPS, trong trường hợp này cần đo thêm chiều dài cạnh và góc để xác định được tọa độ của các điểm đó Có trường hợp cần kết nối

giữa hai mạng lưới mà không thể dùng TĐĐT thì sử dụng công nghệ GPS

để liên kết mạng lưới là giải pháp nhanh chóng và khả thi nhất Có thể thấy rằng việc kết hợp cả 2 phương pháp để thành lập lưới trắc địa chắc chắn sẽ phát huy được ưu điểm và khắc phục được những mặt hạn chế của mỗi phương pháp, nâng cao hiệu quả và rút ngắn được thời gian thi công lưới trắc địa, đặc biệt là đối với các mạng lưới cạnh ngắn và trung bình

1.2 Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa 1.2.1 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa ở nước ngoài

Hệ thống GPS là một trong các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) Nếu chỉ đáp ứng cho mục tiêu định vị dẫn đường thì yêu cầu về độ chính xác định vị điểm bằng GPS không đòi hỏi quá cao Từ năm 1980, khi

hệ thống GPS được khai thác sử dụng trong dân sự, nhiều nghiên cứu ứng dụng GPS trong công tác trắc địa đòi hỏi độ chính xác cao được triển khai

và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, mở ra thời kỳ thay đổi công nghệ đo đạc trong lĩnh vực trắc địa - bản đồ Ngay từ năm 1984, người ta

đã triển khai ứng dụng GPS trong TĐCT tại Stanford (Mỹ) Tháng 4 năm

1985, R Ruland và A Leick đã công bố kết quả nghiên cứu và thử nghiệm ứng dụng GPS trong đo lưới trắc địa có độ chính xác cao [1] Tiếp theo, nhiều nghiên cứu mới cũng tiếp tục khẳng định độ chính xác của công nghệ GPS đo tương đối, có thể áp dụng vào các mục đích khác cần độ chính xác cao và rất cao như quan trắc chuyển dịch trong nghiên cứu địa động [3] Như đã biết, nhờ tiến bộ trong kỹ thuật trong việc chế tạo ăng ten máy thu GPS, cải tiến thuật toán xử lý trị đo pha được sử dụng để loại bỏ và giảm thiểu nhiều nguồn sai số, nhờ đó trong định vị GPS tương đối người ta

đã nhận được các véc tơ cạnh với độ chính xác rất cao, cỡ vài mm trên khoảng cách tới hàng trăm hay hàng ngàn km

Ở Hungary, ngay từ năm 1990 người ta đã sử dụng công nghệ GPS để tiến hành đo đạc quan trắc biến dạng công trình đập thủy điện trên vùng có điều kiện địa chất không ổn định (Berhida) và so sánh với kết quả quan trắc bằng đo góc - cạnh truyền thống sử dụng máy kinh vĩ chính xác Wild T2

và máy đo khoảng cách AGA 12A [2]

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

Trong gần 10 năm ứng dụng GPS trong công tác đo đạc công trình, các nhà trắc địa Séc đã cho thấy, sử dụng phần mềm Leica SKI v.2.3 để xử lý số liệu đo GPS bằng máy thu Leica SR 299/399 và bằng máy thu Ashtech Z-18

ở khoảng cách ngắn có thể đạt được độ chính xác 5mm về mặt bằng và 7 mm

về độ cao (trắc địa)

Tại Trung Quốc, trong lĩnh vực trắc địa vào cuối những năm 90 của thế

kỷ XX, các nhà trắc địa thuộc Đại học tổng hợp Vũ Hán đã sử dụng hệ thống GPS tự động để quan trắc đập vòm trọng lực Geheyan trên sông Qingjiang Kết quả phân tích độ chính xác lưới GPS cạnh ngắn về mặt bằng cỡ 2mm và

về độ cao cỡ 4.5mm Trong năm cuối năm 2003 sau khi hoàn thành đập thủy điện Tam Hiệp là đập lớn nhất thế giới, tại đây người ta cũng đã sử dụng GPS để quan trắc biến dạng công trình thủy điện này [5] Trên hình 1.2 là sơ đồ vị trí các điểm quan trắc bằng GPS trên đập thủy điện Altynkaya ở Thổ Nhĩ Kỳ [6]

Công nghệ GPS cũng được ứng dụng trong quan trắc biến dạng cầu lớn

Trên hình (1.3) là hình ảnh các trạm máy GPS đang thu tín hiệu phục vụ quan trắc biến dạng cầu Wilford ở nước Anh [7]

Hình 1.2 Quan trắc đập Altynkaya Hình 1.3 Quan trắc cầu Wilford

Một nhiệm vụ kỹ thuật cần giải quyết trong xây dựng lưới GPS cạnh dài là vấn đề khắc phục ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu tới kết quả xác định véc tơ cạnh được đặt ra, song đối với lưới GPS cạnh ngắn ứng dụng trong trắc địa thì vấn đề trên không phải là ảnh hưởng chủ yếu do trong không gian hẹp tính chất của khí quyển có thể coi như đồng nhất, ảnh hưởng của điều kiện khí quyển tới các trị đo tại các trạm máy gần như nhau

và sẽ được loại bỏ về cơ bản trong các phương trình hiệu pha đơn, hiệu pha kép khi xử lý véc tơ cạnh

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

Từ năm 1994 đến 2003, lưới địa chính cơ sở đã được xây dựng theo công nghệ GNSS phục vụ cho công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính

và các công tác đo đạc bản đồ khác ở địa phương Lưới phủ trùm toàn quốc với tổng số 12.631 điểm thay thế hoàn toàn lưới hạng III và lưới hạng IV

cũ, chiều dài cạnh từ 3 đến 5 km [5] Các điểm của lưới là các mốc tọa độ hạng III, IV cũ và điểm mới được lựa chọn theo các yêu cầu của chọn điểm GNSS Lưới được tính toán bình sai trong hệ tọa độ VN - 2000 theo kinh tuyến trục địa phương và được hoàn thành vào năm 2004 Lưới này còn

được gọi là lưới tọa độ hạng III quốc gia

Hệ thống các trạm DGPS phục vụ đo đạc biển và đo đạc biên giới bao gồm các trạm Đồ Sơn, Vũng Tàu, Điện Biên, Hà Giang, Cao Bằng và Quảng Nam là các trạm do Bộ Tài nguyên và Môi trường xây dựng và đang quản lý Các trạm Đồ Sơn, Quảng Nam và Vũng Tàu có khả năng cung cấp tín hiệu cải chính sai phân chủ yếu cho các ứng dụng đo biển Hệ thống trạm quốc gia Đồ Sơn, Điện Biên, Vũng Tàu và Quảng Nam được xây dựng theo tiêu chuẩn quốc tế đối với một trạm GNSS cố định Trạm Điện Biên, Hà Giang và Cao Bằng xây dựng để phục vụ cho công tác phân giới cắm mốc trên đất liền Việt Nam - Trung Quốc

Ngoài ra, trong lĩnh vực trắc địa công trình, công nghệ GPS đã được nghiên cứu ứng dụng theo từng giai đoạn từ giai đoạn khảo sát phục vụ thiết kế công trình, giai đoạn đo đạc trong thi công đến giai đoạn khai thác sử dụng công trình Trong giai đoạn khảo sát phục vụ thiết kế công trình, công nghệ GPS được ứng dụng để thành lập lưới trắc địa có độ chính xác cao, lưới khống chế phục vụ đo vẽ bản đồ địa hình công trình và thường sử dụng các loại máy thu GPS một tần số để đo lưới có chiều dài cạnh ngắn, đảm bảo độ chính xác tương hỗ không vượt quá ± 5mm Trong các năm 2003-2004, Sở Xây dựng Hà Nội đã cho thực hiện đề tài cấp thành phố “Ứng dụng toàn đạc điện tử và công nghệ GPS trong công tác đo đạc nhà cao tầng trên địa bàn TP Hà Nội”, đây là một trong những đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS vào công tác trắc địa công trình ở nước ta [2] Trong thực tế, một số công trình xây dựng quan trọng ở nước ta đã sử dụng GPS để lập lưới trắc địa phục vụ thi công điển hình như: Trung tâm hội nghị Quốc Gia, sân vận động Mỹ Đình, công trình hầm Hải Vân, NMXM Bút Sơn, NMXM Thái Nguyên, cầu Bãi Cháy, cầu Thanh Trì, thủy điện A Vương, KCN Dung Quất, KCN Yên Phong v.v .một số công trình giao

thông điển hình như: Tuyến đường Hồ Chí Minh đi qua phía đông Trường Sơn có chiều dài 115 km được đo 40 điểm GPS hạng IV, tuyến đường cao tốc Ninh Bình-Thanh Hóa dài 120 km được đo 39 điểm GPS hạng IV [2] Theo định hướng của Nhà Nước về phát triển các đô thị hiện đại và hình thành các KCN lớn ở nước ta, trong những năm 2000 đến năm 2005,

đã có một số đề tài cấp Bộ, cấp thành phố triển khai nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong công tác trắc địa Đề tài cấp Bộ Xây dựng mã số RD07-02, “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS và máy TĐĐT để quan trắc và đánh giá chuyển dịch ngang của các công trình đã đúc kết được một

số vấn đề kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS và TĐĐT trong quan trắc và đánh giá chuyển dịch ngang của các công trình xây dựng [8]

Đặc điểm chung của các mạng lưới khống chế trong trắc địa công trình là có chiều dài cạnh thường ngắn dưới 1km, do đó hoàn toàn có thể sử dụng máy thu GPS 1 tần số để đo đạc với thời gian ca đo không quá 30 phút

và sử dụng lịch vệ tinh quảng bá để xử lý véc tơ cạnh Năm 2004, sở Xây dựng Hà Nội đã cho triển khai nghiên cứu đề tài “Quy trình đo đạc xây dựng công trình nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội bằng công nghệ GPS và TĐĐT” Đề tài đã xây dựng được quy trình ứng dụng công nghệ GPS và TĐĐT để đo đạc lưới khống chế thi công và chuyển trục công trình nhà cao tầng Đề tài cũng đã đưa ra những lưu ý khi tổ chức đo GPS trong điều kiện đô thị lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh là địa bàn

có nhiều yếu tố gây nhiễu tín hiệu và gây sai số đa đường dẫn Đề tài này cũng đã triển khai thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS chuyển trục công trình xây dựng tòa nhà Công ty Thông tin di động phía Nam (VMS) lên sàn tầng 16 có độ cao 61 m Kết quả thực nghiệm đã góp phần minh chứng được khả năng sử dụng công nghệ GPS trong thi công xây dựng nhà cao tầng trong điều kiện đô thị

Trong khoảng thời gian ba năm từ 2008 đến 2010, tại Viện Công nghệ

vũ trụ thuộc Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam đã triển khai đề tài

“Nghiên cứu và đề xuất sử dụng công nghệ GPS độ chính xác cao trong việc xác định độ chuyển dịch của công trình xây dựng ven bờ” Nhóm cán bộ nghiên cứu đã triển khai thực nghiệm xác định chuyển dịch công trình nhà máy xi măng Cẩm Phả trong 5 chu kỳ đo (Hình 1.4) Đặc điểm của công trình này là mới được xây dựng ven vịnh Bái Tử Long, điều kiện địa chất không ổn định Kết quả xử lý đã xác định được vận tốc chuyển dịch của các mốc quan trắc gắn với công trình có giá trị trong khoảng từ 5 mm/năm đến

11 mm/năm [2]

Hình 1.4 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 đã được đăng tải trên một số tạp chí chuyên ngành Nội dung chính của các nghiên cứu trên tập trung vào nhiệm vụ chuyển tọa độ, độ cao GPS về hệ tọa độ, độ cao công trình Kết quả thực tế cho thấy độ chính xác đảm bảo theo yêu cầu

Đánh giá chung về ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình nói riêng và trong lĩnh vực trắc địa bản đồ nói chung, chúng ta đã 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 đại lý tại Việt Nam, có khả năng cung cấp thiết bị và chuyển

giao công nghệ GNSS cho các đơn vị sản xuất và nghiên cứu 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, CHC (Trung Quốc) v.v

1.3 Tổng quan về xử lí số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất

1.3.1 Xử lí số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất trong trắc địa ở nước ngoài

Đã từ lâu, với các trị đo bằng công nghệ truyền thống, các mạng lưới mặt bằng thường được bình sai độc lập với các mạng lưới độ cao Đối với

lưới mặt bằng, người ta sử dụng dữ liệu gốc mặt bằng (Horizontal Datum) 2D còn đối với lưới độ cao người ta sử dụng dữ liệu gốc độ cao (Vertical

Datum) 1D

Vấn đề bình sai lưới tam giác trong không gian (3D) tuy đã được Bruns

đề xuất từ năm 1878, nhưng cho mãi đến năm 1957 Hotine mới phát triển đầy

đủ lý thuyết của phương pháp này và dựa vào đó Brazier cùng với Windsor (1957) đã công bố kết quả bình sai thử một lưới tam giác trong không gian

3D, đồng thời cũng đã so sánh với kết quả bình theo phương pháp tách biệt

Một số vấn đề quan trọng trong bình sai lới trắc địa trong không gian 3D, như các phương trình vi phân giữa các hệ tọa độ cũng đã được Wolf trình bày

từ năm 1963 Về ảnh hưởng của chiết quang đứng đến các trị đo góc thiên đỉnh khi bình sai kết hợp các trị đo truyền thống trong không gian 3D cũng đã được Hotine nghiên cứu (1969) và sau đó, năm 1972 Ramsayer đã phát triển hoàn chỉnh những vấn đề liên quan thành lý thuyết trắc địa 3D [1]

Cùng dựa trên nguyên lý số bình phương nhỏ nhất, để bình sai chặt chẽ các mạng lưới trắc địa chúng ta có thể áp dụng phương pháp bình sai điều kiện và cũng có thể áp dụng phương pháp bình sai gián tiếp Hiện nay, với phương tiện tính toán chủ yếu là máy tính điện tử, người ta thường chỉ sử dụng phương pháp bình sai gián tiếp vì phương pháp này có tính khái quát

cao và dễ tự động hóa trong tính toán

Xét quá trình phát triển của công nghệ đo đạc và tính toán, vào những năm trước 1980, khi chưa ứng dụng công nghệ GPS vào công tác trắc địa,

hệ tọa độ trắc địa B, L, H cũng đã được sử dụng để bình sai lưới không gian 3D Trong hệ tọa độ này, người ta có thể đưa góc thiên đỉnh hoặc góc đứng vào bình sai cùng với các trị đo phương vị, trị đo hướng, trị đo chiều dài cạnh Khi bình sai trong hệ tọa độ trắc địa, mỗi điểm cần xác định (điểm mới) sẽ có 3 ẩn số là B, L, H có thể gọi đây là cách giải quyết bài toán bình sai 3D kinh điển với các trị đo góc cạnh theo công nghệ đo đạc truyền thống Chúng ta biết rằng, cách tiếp cận của bài toán bình sai 3D kinh điển nêu trên đã bảo đảm tính chặt chẽ về cơ sở toán học, nhưng trên thực tiễn gặp khó khăn của bài toán đó chính là vấn đề xác định độ cao trắc địa H cho các điểm khởi tính của mạng lưới trắc địa Như đã biết, độ cao trắc địa H chính

là khoảng cách theo phương pháp tuyến tính từ điểm xét (trên mặt đất) đến mặt Ellipsoid quy chiếu Khi chưa có công nghệ GPS, vấn đề xác định độ cao trắc địa H cho một điểm trên mặt đất là việc không đơn giản mặc dù độ cao thủy chuẩn (độ cao chính hay độ cao chuẩn) của điểm đó là đã biết nhờ

đo thủy chuẩn hình học chính xác (hạng I, II) Mấu chốt của vấn đề chính là yếu tố dị thường độ cao bảo đảm được độ chính xác cần thiết trong bài toán không gian Nếu thuần túy sử dụng số liệu trọng lực để xác định dị thường độ cao thì độ chính xác xác định dị thường độ cao trọng lực tuyệt đối đạt được cũng hạn chế và Ellipsoid chung để xác định dị thường độ cao

đó lại không phải là Ellipsoid quy chiếu (thực dụng) vốn được sử dụng trong bài toán bình sai 3D

Về cơ sở lý thuyết bình sai 3D kinh điển kết hợp các loại trị đo mặt đất trong hệ tọa độ trắc địa B, L, H đã được giới thiệu trong một số tài liệu Trên thực tế, các góc đứng hay góc thiên đỉnh luôn chịu ảnh hưởng khá lớn

của chiết quang đứng, do đó để nâng cao độ chính xác kết quả bình sai cần phải giải quyết khắc phục ảnh hưởng của chiết quang đứng trong các trị đo nói trên trước khi đưa chúng vào bình sai chung

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

Từ khi công nghệ GPS được sử dụng trong trắc địa (1980), ngoài các trị

đo mặt đất truyền thống, người ta đã có thể nhận được các trị đo là các gia số tọa

độ không gian địa tâm Δ𝑋𝑖,𝑘 , Δ𝑌𝑖,𝑘, Δ𝑍𝑖,𝑘 trong hệ WGS-84 giữa các điểm trên mặt đất với độ chính xác rất cao Tọa độ tuyệt đối X, Y, Z của điểm trên mặt đất cũng có thể được xác định với độ chính xác cao dựa vào tọa độ và số liệu quan sát tại các điểm thường trực của mạng lưới IGS và các trị đo kết nối với các điểm IGS

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

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

độ X, Y, Z của các điểm cần xác định Đối với các trị đo GPS tương đối, kết

quả đo là các véc tơ cạnh (baseline) gồm các gia số tọa độ không gian địa

tâm giữa các cặp điểm i, k là Δ𝑋𝑖,𝑘 , Δ𝑌𝑖,𝑘, Δ𝑍𝑖,𝑘 áp dụng thuật toán trên để bình sai lưới sẽ khá đơn giản về phương pháp và quy trình tính toán

Như đã biết, sự khác biệt giữa hệ WGS-84 với hệ thực dụng không còn là vấn đề phức tạp khi chúng ta có thể xác định được các tham số chuyển đổi tọa độ giữa các hệ này Bảy tham số và mô hình toán tính chuyển tọa độ Bursa-Wolf thường được sử dụng để tính chuyển tọa độ giữa

hệ WGS-84 hoặc ITRF với hệ thực dụng (VN2000) [6]

Các trị đo Δ𝑋𝑖,𝑘 , Δ𝑌𝑖,𝑘, Δ𝑍𝑖,𝑘 trong lưới GPS là các đại lượng phụ thuộc (đại lượng tương quan), chúng là kết quả của bước xử lý giải cạnh dựa trên các trị đo pha sóng tải phối hợp với các trị đo 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 Đây cũng chính là sự khác biệt giữa bài toán bình sai 3D hiện đại với bình sai 3D kinh điển sử dụng hệ tọa độ trắc địa B, L, H hay bình sai lưới mặt bằng (2D) trên mặt phẳng Vấn đề bình sai kết hợp các trị đo GPS với các trị đo mặt đất truyền thống trong hệ tọa độ địa diện đã được trình bày đầy đủ trong luận án TS của NCS Lê Văn Hùng [2] Trong luận văn này sẽ xem xét kỹ vấn đề bình sai GPS kết hợp các trị đo mặt đất trong hệ vuông góc không gian địa tâm Các trị đo mặt đất được đề cập trong luận văn này không chỉ thuần túy là chiều dài các cạnh đo bằng máy đo khoảng cách điện tử mà xét cả các trị đo góc ngang bằng TĐĐT hoặc bằng máy kinh vĩ

1.3.2 Xử lí số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất trong trắc địa ở Việt Nam

Trong những năm đầu thập niên 90 của thế kỷ trước, công nghệ GPS mới bắt đầu được đưa vào ứng dụng ở Việt Nam do đó chưa có các nghiên cứu về xử lý trị đo GPS mà các nghiên cứu tập trung vào việc xử lý, tính toán

và bình sai các trị đo mặt đất Từ năm 1991-1993 thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ của nhóm tác giả PTS.TS Đoàn Xuân Đài chủ trì đã nghiên cứu ứng dụng vi tính trong xử lý số liệu Trắc địa Nội dung đề tài đề cập đến các vấn đề về thuật toán và chương trình xử lý các dạng lưới đặc trưng đo góc - cạnh truyền thống

Tiếp theo, năm 1996 tác giả Nguyễn Thế Thận đã công bố đề tài nghiên cứu và xây dựng các thuật toán giải hệ phương trình lớn trong bình sai mạng lưới mặt đất có sử dụng số liệu GPS Đề tài đã nêu ra và phân tích đặc điểm,

độ chính xác và xử lý toán học mạng lưới tọa độ 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, tính chuyển tọa

độ WGS-84 về hệ tọa độ HN-72

Những nghiên cứu về bình sai kết hợp giữa các trị đo GPS và các trị đo mặt đất còn được một số tác giả khác công bố như: Nghiên cứu phương pháp bình sai kết nối lưới mặt đất và lưới GPS trong trắc địa, nghiên cứu phương pháp thành lập và xử lý số liệu mạng lưới hỗn hợp GPS - mặt đất trong trắc địa, phương pháp xác định ma trận tương quan của véc tơ tọa

độ lưới GPS trong trắc địa năm 2004 của PGS.TS Trần Khánh Nội dung của các nghiên cứu này là đề xuất thuật toán cũng như quy trình tính toán dựa trên cơ sở phương pháp bình sai truy hồi

GS.TSKH Hoàng Ngọc Hà và một số đồng tác giả đã công bố bài báo

“Một số vấn đề về các mô hình toán học bình sai hỗn hợp lưới mặt đất-GPS” (2006) Nội dung các mô hình khác nhau như: bình sai hỗn hợp để xác định 7 tham số tính chuyển, bình sai hỗn hợp khi sử dụng trị đo GPS, bình sai trên Ellipsoid, bình sai hỗn hợp để xác định 4 tham số tính chuyển tọa độ, bình sai lưới mặt đất và GPS khi tính chuyển trị đo GPS thành các gia số tọa

độ, phương vị và cạnh; phương pháp xử lý và kỹ thuật bình sai tính toán lưới trắc địa và GPS

Liên quan đến ứng dụng công nghệ GPS trong xác định độ cao, còn có một số bài báo đề cập đến phương pháp thiết lập mô hình Geoid (hay Quasigeoid) cục bộ phục vụ công tác đo cao bằng GPS và xây dựng công thức nội suy dị thường độ cao trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời địa phương Trong phạm vi nội dung luận văn này, chúng tôi không đề cập nhiều tới vấn đề xác định dị thường độ cao

Từ những thành tựu nghiên cứu của các Nhà khoa học, các chuyên gia Trắc

địa với các đề tài đã công bố và công nhận thì trong luận văn này tôi đã nghiên cứu theo hướng thực hiện được bình sai kết hợp các trị đo véc tơ cạnh GPS với các trị

đo mặt đất (góc - cạnh) trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm Nghiên cứu ảnh hưởng của các giá trị hiệp phương sai trong tính toán trọng số khi bình sai kết hợp GPS và góc - cạnh Đánh giá ảnh hưởng của các trị đo mặt đất bổ sung đến độ chính xác của mạng lưới GPS

CHƯƠNG 2: HỆ QUY CHIẾU TRẮC ĐỊA VÀ SỬ DỤNG HỆ TỌA ĐỘ

TRONG TÍNH TOÁN BÌNH SAI 2.1 Các hệ quy chiếu trắc địa và vai trò của chúng trong tính toán bình sai

2.1.1 Khái quát chung

Để phục vụ cho công tác trắc địa bản đồ, quản lý đất đai và quản lý lãnh thổ, mỗi quốc gia cần phải xây dựng hệ quy chiếu trắc địa Bao gồm hệ quy chiếu toạ độ (mặt bằng) và hệ quy chiếu độ cao Một hệ quy chiếu được coi là phù hợp với phạm vi lãnh thổ đang xét nếu đạt được 3 tiêu chuẩn sau:

1 Có độ lệch nhỏ nhất (theo một nghĩa toán học nào đó) giữa mô hình toán học và không gian vật lý của thế giới thực

2 Thuận tiện sử dụng trong thực tiễn, có lưu ý tới các tập quán hình thành từ lịch sử và tính phổ cập trên thế giới

3 Dễ dàng tính toán chuyển đổi với các hệ quy chiếu đang sử dụng và đặc biệt là với hệ quy chiếu toàn cầu hiện hành ITRF.xy

Bài toán xác định hệ quy chiếu thực dụng cho quốc gia bao gồm các bài toán

- Xác định phép chiếu toạ độ phẳng phù hợp để biểu diễn bề mặt Ellipxoid về hệ toạ độ vuông góc phẳng phục vụ thành lập hệ thống bản đồ cơ bản quốc gia

- Xử lý toán học chặt chẽ lưới toạ độ quốc gia và lưới độ cao quốc gia

- Xây dựng mô hình Geoid độ chính xác cao cho phạm vi lãnh thổ và lãnh hải

2.1.2 Các hệ quy chiếu đã và đang sử dụng ở Việt Nam

a Hệ quy chiếu của Pháp xây dựng ở Việt nam trước năm 1945

Sau khi Thực dân Pháp đặt chân đến Đông Dương, chính quyền Pháp ở Đông Dương đã tiến hành xây dựng hệ quy chiếu và hệ thống điểm toạ độ quốc gia cùng các tài liệu trắc địa bản đồ nhằm phục vụ cho chính sách khai thác thuộc địa tại Đông Dương

Hệ quy chiếu này có những đặc điểm như sau:

Ellipsoid quy chiếu: Ellipsoid Clarke

Bán trục lớn: a = 6378249,145

Độ dẹt: f = 1/293,465

Điểm gốc: cột cờ Hà Nội

Lưới chiếu toạ độ phẳng: Bonne (lưới chiếu hình nón giả)

Kinh tuyến chuẩn cho lãnh thổ Đông Dương là 111 grad

Vĩ tuyến chuẩn là 19 grad

Theo lưới chiếu này, trên kinh tuyến chuẩn dọc theo lãnh thổ Đông Dương không bị biến dạng chiều dài và diện tích Ngoài phạm vi kinh tuyến chuẩn đều bị biến dạng về góc và chiều dài Càng xa kinh tuyến chuẩn và vĩ tuyến chuẩn biến dạng càng lớn Cho đến nay không còn một điểm trắc địa nào thuộc mạng lưới trước 1945 còn tồn tại Hệ quy chiếu này chỉ còn ý nghĩa lịch sử

b Hệ INDIAN-54

Khi Đế quốc Mỹ đến Miền Nam nước ta cũng đã xây dựng ngay một hệ quy chiếu và hệ thống điểm toạ độ quốc gia trên cơ sở bổ sung lưới toạ độ do Pháp xây dựng Hệ quy chiếu này gọi là INDIAN-1954 và có các đặc điểm như sau: Ellipsoid quy chiếu: Ellipsoid Everest 1830

Bán trục lớn a = 6377276,345m

Độ dẹt: f = 1/300,8017

Điểm gốc toạ độ tại Ấn Độ

Lưới chiếu toạ độ phẳng UTM

Vĩ tuyến chuẩn là xích đạo

Điểm gốc độ cao cho miền nam Việt Nam (trước 1975) là điểm nghiệm triều Mũi Nai (Hà Tiên)

Hệ quy chiếu này không chỉ sử dụng cho các nước Đông Dương mà còn

sử dụng cho một số nước thuộc khu vực Đông Nam Á Tuy cho đến nay không còn điểm toạ độ có giá trị sử dụng nhưng còn một số tư liệu trắc địa bản đồ thuộc hệ INDIAN-54 đang còn sử dụng trong thực tiễn Thí dụ hệ thống bản đồ UTM do Mỹ để lại sau 1975

c Hệ HN-72

Trong các năm 1959-1966, dưới sự chỉ đạo của Cục Đo đạc Bản đồ Phủ thủ tướng (nay là Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam) và sự giúp đỡ hợp tác của các chuyên gia Liên Xô, Trung Quốc, nước ta đã có hệ quy chiếu HN-72 với các đặc điểm sau:

- Ellipsoid quy chiếu: Ellipsoid Krasovsky

- Bán trục lớn a = 6378245m

- Độ dẹt: f = 1/298.3

- Điểm gốc toạ độ: Punkovo (Liên Xô)

- Điểm gốc độ cao: Hòn Dấu, Đồ Sơn, Hải Phòng

- Lưới chiếu toạ độ phẳng: Lưới chiếu Gauss-Kruger

- Vĩ tuyến chuẩn: xích đạo

- Tỷ lệ biến dạng dài trên kinh tuyến trục : mo=1

d Hệ VN-2000

Theo quyết định của Thủ tướng chính phủ vào tháng 7 năm 2000, hệ quy chiếu và hệ toạ độ VN-2000 chính thức được đưa vào sử dụng thay thế cho hệ quy chiếu HN-72 Hệ quy chiếu VN-2000 có những tham số cơ bản như sau:

- Ellipsoid quy chiếu: WGS-84 được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam

- Bán trục lớn: a = 6378137m

- Độ dẹt: f = 1/298,257223563

- Điểm gốc toạ độ quốc gia: Điểm N00 đặt trong Khuôn viên Viện Nghiên cứu Địa chính, đường Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

- Điểm gốc độ cao: Hòn Dấu, Đồ Sơn, Hải Phòng

- Lưới chiếu toạ độ phẳng: UTM

- Vĩ tuyến chuẩn: xích đạo

- Tỷ lệ biến dạng dài trên kinh tuyến trục: mo= 0.9996 ( với múi 6 độ)

mo= 0,9999 (với múi 3 độ)

2.2 Các hệ tọa độ và vấn đề tính đổi tọa độ trong một hệ quy chiếu

Tên gọi một hệ toạ độ trái đất thường phản ảnh vị trí gốc toạ độ, các trục hoặc các mặt phẳng toạ độ vv ví dụ:

- Hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm

- Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện xích đạo

- Hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời vv

2.2.1 Tính đổi toạ độ Trắc địa B, L, H và tọa độ địa tâm X, Y, Z



Cần lưu ý rằng giá trị H trong công thức (2.2.1) là độ cao trắc địa Nếu

tại điểm xét biết độ cao thuỷ chuẩn h thì cần biết thêm độ cao Geoid (N) hay

dị thường độ cao  để chuyển về độ cao trắc địa theo công thức:

b Tính đổi X, Y, Z sang B, L, H

Trong trường hợp đã biết toạ độ vuông góc không gian địa tâm X, Y, Z cần

tính toạ độ trắc địa B, L, H chúng ta có thể sử dụng công thức tính lặp sau:

Khi tính lặp độ vĩ B theo các công thức (2.2.4) và (2.2.5) ta lấy giá trị

gần đúng đầu tiên B0 theo công thức :

,

Ngoài ra còn một số công thức khác có sử dụng để tính đổi từ X, Y, Z sang

B, L, H, thí dụ công thức không tính lặp của Z Altamimi theo trình tự sau:

4 Độ cao trắc địa H được tính:

Cũng có thể tính đổi tọa độ X, Y, Z sang B, L, H theo công thức

Bowring sẽ được trình bày ở phần chương 3

Để biểu thị vị trí mặt bằng chính xác đến 1 mm, thì giá trị toạ độ B, L phải tính đến 0,00003”, tức là phải có tới 5 chữ số lẻ có nghĩa sau đơn vị giây

2.2.2 Tính đổi toạ độ địa tâm và địa diện

a Tính đổi giữa toạ độ vuông góc không gian địa tâm và toạ độ địa diện xích đạo

Như đã biết, các hệ toạ độ địa diện được thiết lập tại một điểm bất kỳ trên mặt đất (H  0) hoặc trên mặt Ellipsoid (H = 0) do đó luôn mang ý nghĩa địa phương (tại điểm xét) Hệ toạ độ địa diện xích đạo là hệ toạ độ vuông góc không gian (3 chiều) có gốc toạ độ O trùng với điểm T0 trên mặt đất có toạ

độ trắc địa là B0, L0, H0 Các trục toạ độ là O X,O Y,O Z , trong đó trục O Z

song song với trục OZ của hệ toạ độ địa tâm Mặt phẳng X O Y song song với mặt phẳng xích đạo XOY, và các trục toạ độ O , X O Y tương ứng song song với các trục OX và OY Vì các trục của hai hệ này song song nhau cho nên toạ độ của 1 điểm T1 nào đó trong hai hệ sẽ có các quan hệ như sau:

đi qua điểm xét T0) Gồm có hai loại toạ độ trong hệ địa diện chân trời là toạ

độ vuông góc không gian địa diện chân trời x, y, z (hay N, E, U) và toạ độ cực địa diện chân trời A, E,  Hệ toạ độ cực địa diện chân trời thường được sử dụng để thể hiện vị trí của thiên thể hay vệ tinh tại điểm quan sát

Công thức tính đổi giữa toạ độ vuông góc không gian địa tâm X, Y, Z và toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời x, y, z như sau:

2.2.3 Tính đổi giữa toạ độ trắc địa và tọa độ vuông góc phẳng

Trong thực tiễn chúng ta thường sử dụng tọa độ vuông góc phẳng theo phép chiếu nào đó Trước đây chúng ta sử dụng phép chiếu Gauss-Kruger,