Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công nghệ gps trong trắc địa công trình

NGUYỄN ANH TÚ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHUYỀN ĐỘ CAO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2015... NGUYỄN ANH TÚ

NGUYỄN ANH TÚ

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH

XÁC CHUYỀN ĐỘ CAO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS

TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015

NGUYỄN ANH TÚ

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC

CHUYỀN ĐỘ CAO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ

Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Trần Viết Tuấn

HÀ NỘI, NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, hoàn toàn không sao chép ở bất kỳ một tài liệu nào Các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm đưa ra trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chưa được ai công bố trong công trình nào

Hà Nội, ngày tháng 04 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Anh Tú

MỤC LỤC

Trang phụ bìa Trang

Lời cam đoan……… 1

Mục lục……….……… ……… 2

Danh mục các hình vẽ……… …….…… ……….… 4

Danh mục các bảng ……… ……….….……… 5

Mở đầu……… ……….…….……. 6

Chương 1 - Vai trò và đặc điểm công tác đo cao trong trắc địa công trình……….…… 9

1.1 Vai trò của công tác đo cao trong trắc địa công trình………….… 9

1.2 Đặc điểm công tác đo cao trong trắc địa công trình………….……. 9

1.3 Các phương pháp đo cao truyền thống……….… 14

Chương 2 - Ứng dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao trong trắc địa công trình……….……… … …… ……… 22

2.1 Các hệ thống độ cao……… 22

2.2 Hệ thống định vị vệ tinh GPS……… … … ……….……… 27

2.3 Ứng dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao trong trắc địa công trình……… 31

Chương 3 - Nghiên cứu các mô hình nội suy dị thường độ cao bằng công nghệ GPS……… ……… 34

3.1 Nguyên lý đo cao GPS……… 34

3.2 Các phương pháp xác định dị thường độ cao bằng công nghệ GPS……… ……… 35

3.3 Các mô hình nội suy dị thường độ cao……… … ……….… 36

3.4 Thực nghiệm nội suy độ cao đo bằng công nghệ định vị vệ tinh 44

Chương 4 - Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công nghệ GPS trong trắc địa công trình……… … … ……… 58

4.1 Cơ sở độ chính xác yêu cầu……….……… 58

4.2 Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công nghệ GPS……… ……… …… … 58

4.3 Xây dựng chương trình máy tính……… 61

4.4 Thực nghiệm tính chuyển kết quả đo cao……… 65

Kết luận……… 69

Kiến nghị 70

Tài liệu tham khảo……… 71

Phụ lục 1………. 72

Phụ lục 2………. 75

Phụ lục 3………. 79

Phụ lục 4………. 81

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.6 Sơ đồ đo cao thủy tĩnh tại một trạm đo 19

Hình 3.2 Bề mặt đại dương tại vùng núi ngầm 36 Hình 3.3 Nguyên lý tính chuyển độ cao GPS theo góc nghiêng Geoid 39

HÌnh 3.4 Nguyên lý tính chuyển độ cao GPS theo mặt Elipxoid thi công 41 Hình 3.5 Sơ đồ lưới GPS tuyến Nội Bài - Lào Cai 45 Hình 3.6 Sơ đồ lưới GPS nhà máy thép Vũng Áng 48 Hình 3.7 Sơ đồ lưới thủy chuẩn tuyến Ninh Bình - Thanh Hoá 53 Hình 4.1 Sơ đồ khối cho chương trình máy tính 60 Hình 4.2 Sơ đồ khối cho chương trình máy tính 61

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu lưới độ cao hạng I, II, III 13 Bảng 3.1 Tọa độ, độ cao điểm GPS tuyến đường Nội Bài - Lào Cai 45 Bảng 3.2 Kết quả nội suy dị thường độ cao có tính đến số hiệu

chỉnh địa hình tuyến đường Nội Bài - Lào Cai 46 Bảng 3.3 Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp góc

nghiêng Geoid tuyến đường Nội Bài - Lào Cai 46 Bảng 3.4 Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp

Elipxoid thi công tuyến đường Nội Bài - Lào Cai 47 Bảng 3.5 Tọa độ, độ cao các điểm song trùng nhà máy thép Vũng

Bảng 3.6 Kết quả nội suy dị thường độ cao có tính đến số hiệu

chỉnh địa hình nhà máy thép Vũng Áng 49 Bảng 3.7 Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp góc

nghiêng Geoid nhà máy thép Vũng Áng 50 Bảng 3.8 Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp

Elipxoid thi công nhà máy thép Vũng Áng 51 Bảng 3.9 Tọa độ, độ cao các điểm song trùng tuyến đường Ninh

Bảng 3.10 Kết quả nội suy dị thường độ cao có tính đến số hiệu

chỉnh địa hình tuyến đường Ninh Binh - Thanh Hóa 54 Bảng 3.11 Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp góc

nghiêng Geoid tuyến đường Ninh Binh - Thanh Hóa 54 Bảng 3.12 Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp

Elipxoid thi công tuyến đường Ninh Binh - Thanh Hóa 55 Bảng 3.13 Bảng tổng hợp kết quả nội suy độ cao 56

Bảng 4.5 Kết quả nội suy các điểm cần chuyền độ cao 66

Bảng 4.7 Kết quả nội suy các điểm cần chuyền độ cao 67

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội đã và đang áp dụng những thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới Trong trắc địa cũng vậy, công nghệ định vị vệ tinh GPS đã mở ra thời kỳ mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới tọa độ các cấp

Ứng dụng công nghệ GPS cho phép chúng ta thành lập các mạng lưới tọa độ trên diện rộng, không những bao phủ toàn quốc mà còn cho phép liên kết với các mạng lưới trên khắp thế giới Công nghệ GPS đã giúp các nhà quản lý giải quyết được các bài toán vĩ mô mang tính toàn cầu

Chúng ta ứng dụng công nghệ GPS trong hơn 20 năm qua đã giải quyết được các bài toán lớn như: xây dựng hệ tọa độ VN 2000, thành lập được mạng lưới Địa chính cơ sở phủ trùm toàn quốc, ghép nối hệ tọa độ VN2000 với các hệ tọa độ khác, xây dựng trạm DGPS Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao trong các công tác Trắc địa nói chung

và Trắc địa công trình nói riêng ở nước ta còn vô cùng hạn chế Trong thực tế,

có nhiều trường hợp khó có thể thực hiện đo cao hình học qua địa hình vùng núi cao, đầm lầy, đo qua sông, qua eo biển… Trong những trường hợp này, nếu áp dụng phương pháp chuyền độ cao bằng công nghệ GPS sẽ giải quyết được khó khăn trong công tác đo cao Vì vậy nghiên cứu ứng dụng phương pháp chuyền độ cao bằng công nghệ GPS trong khảo sát thiết kế và thi công xây dựng các công trình ở nước ta là rất cần thiết

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích của đề tài là nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công nghệ GPS trong điều kiện địa hình khó khăn (khi

phương pháp thủy chuẩn hình học rất khó để thực hiện, thậm chí không thể

thực hiện được), phục vụ khảo sát thiết kế và thi công xây dựng công trình

Đối tượng nghiên cứu là lưới độ cao Trắc địa công trình

Phạm vi nghiên cứu là ứng dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao đối với các công trình có điều kiện địa hình khó khăn, phức tạp; Phục vụ khảo sát thiết kế và thi công xây dựng công trình

3 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu về công tác đo cao và yêu cầu độ chính xác đo cao đối với các dạng công trình ở nước ta

Nghiên cứu các mô hình chuyền độ cao bằng công nghệ GPS và khả năng ứng dụng của công nghệ này trong trắc địa công trình

Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công nghệ GPS

Thực nghiệm đo đạc và xử lý số liệu đo GPS để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết

4 Phương pháp nghiên cứu

Thống kê, thu thập, tổng hợp số liệu để khảo sát các mô hình tính dị thường độ cao dựa trên các điểm song trùng (các điểm có độ cao thủy chuẩn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Góp phần nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công nghệ GPS, đáp ứng được độ chính xác đo cao yêu cầu khi khảo sát thiết kế và thi công

xây dựng một số dạng công trình ở nước ta Đặc biệt, góp phần giải quyết các khó khăn khi chuyền độ cao bằng các phương pháp truyền thống

6 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm 4 chương, tổng số 71 trang (không kể phụ lục), trong đó

có 22 hình vẽ và 21 bảng biểu.

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS TS Trần Viết Tuấn, cán bộ giảng dạy bộ môn Trắc địa công trình, khoa Trắc địa, trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy hướng dẫn, người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Xin cảm ơn các thầy

cô giáo khoa Trắc địa và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 VAI TRÒ VÀ ĐẶC ĐIỂM CÔNG TÁC ĐO CAO TRONG

công nghiệp, sân bay hay bến cảng …

Trong giai đoạn khảo sát thiết kế, lưới khống chế độ cao là một trong những cơ sở để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, bản đồ địa vật để phục vụ cho công tác thiết kế các phương án kỹ thuật, định tuyến trong phòng, lên phương án giải phóng mặt bằng … Giúp thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn dọc tuyến, loại bản đồ này bao gồm bản đồ và mặt cắt (mặt cắt ngang, mặt cắt dọc), căn cứ vào các tài liệu này tính ra khối lượng đào đắp cần thiết khi thi công công trình

Trong giai đoạn thi công công trình nó là cơ sở để bố trí và thi công xây dựng công trình nhằm đảm bảo độ chính xác đúng như thiết kế đã đề ra, đồng thời lên phương án khắc phục sự cố có thể xảy ra trong khi thi công

1.2 ĐẶC ĐIỂM CÔNG TÁC ĐO CAO TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

Công tác đo cao phục vụ xây dựng các loại công trình khác nhau đều có đặc điểm và yêu cầu riêng

1.2.1 Tuyến đường giao thông

Tuyến đường là trục thiết kế của một công trình dạng thẳng kéo dài qua nhiều vùng, đi theo dải hẹp được đánh dấu ngoài thực địa, được đo vẽ chuyển lên bản đồ hoặc bình đồ ảnh hay được ghi trước bởi những tọa độ vẽ lên bản

đồ trên mô hình số của bề mặt thực địa

Quy trình khảo sát đường ôtô (TCN 263-2000) nêu rất rõ về quy định khảo sát đo cao cho các tuyến đường ở các bước của dự án (bước nghiên cứu khả thi, bước khả thi, bước thiết kế kỹ thuật, bước thiết kế bản vẽ thi công)

Lưới khống chế độ cao hạng IV được xây dựng theo tiêu chuẩn cấp nhà nước Các mốc độ cao này hoặc sử dụng độc lập hoặc sử dụng chung với các mốc của lưới khống chế mặt bằng hạng IV Các mốc độ cao hạng IV được tiến hành đo theo phương pháp đo cao hình học Sai số khép độ cao phải đảm bảo yêu cầu:

fh ≤ ±20√L (mm) (1.1) L: chiều dài đo tính bằng km

Lưới độ cao cấp kỹ thuật sử dụng hệ mốc đường chuyền 2 và đo theo phương pháp đo cao hình học Sai số khép độ cao phải thỏa mãn yêu cầu:

- Đối với đồng bằng: f ≤ ±30√L (mm) (1.2)

- Đối với miền núi: f ≤ ±50√L (mm) (1.3) Trong trường hợp địa hình quá dốc (1 km phải đặt nhiều hơn 25 trạm máy) thì sai số khép cao độ cũng không được vượt quá:

fhcf ≤ ±10√n (1.4) n: số trạm máy trong đường đo

Đặc điểm của các tuyến đường là kéo dài qua nhiều vùng địa hình khác nhau, có những khu vực địa hình phức tạp, rất khó khăn và tốn kém trong công tác chuyền độ cao bằng các phương pháp truyền thống như vùng núi cao, đầm lầy, thung lũng …

dẫn, các công trình điều chỉnh dùng để điều chỉnh chế độ dòng chảy ở vị trí cầu vượt [3]

Nhiệm vụ chủ yếu của lưới khống chế thi công cầu vượt là xác định chiều dài cầu và bố trí trụ cầu Trong đó yêu cầu độ chính xác bố trí trụ cầu

thường cao hơn yêu cầu độ chính xác xác định chiều dài cầu vượt

Đối với công trình cầu, theo yêu cầu của quy phạm đối với các cầu vượt lớn độ dài trên 300 m thì tại mỗi bờ phải chôn ít nhất hai mốc thủy chuẩn lâu dài, sai số giới hạn xác định độ cao của chúng so với điểm gốc không được vượt quá ± 10 mm Các mốc bố trí ở hai bên bờ khác nhau cần phải nối với nhau bằng đo thủy chuẩn hình học, tức là khi khảo sát các chỗ vượt sông cần phải chuyền độ cao qua sông Chuyền độ cao qua sông được tiến hành bằng đo thủy chuẩn kép, thủy chuẩn lượng giác hay thủy chuẩn thủy tĩnh [3] Các phương pháp này thường đòi hỏi những yêu cầu chặt chẽ và rất khó để thực hiện do ảnh hưởng của chiết quang và nhiệt độ, áp suất giữa hai

bờ sông là khác nhau

Hình 1.1 Cầu Long Biên

1.2.3 Công trình hầm

Khi xây dựng một số công trình vì một số điều kiện, nguyên nhân và lý

do khác nhau mà người ta phải tiến hành xây dựng dưới lòng đất, dưới nước

Các công trình xây dựng dưới đất, nước gọi là các công trình hầm

Hệ thống lưới khống chế độ cao trong xây dựng hầm bao gồm: lưới khống chế độ cao trên mặt đất và trong hầm Độ chính xác của lưới khống chế

độ cao trên mặt đất tùy thuộc yêu cầu độ chính xác đào thông hầm đối hướng theo phương thẳng đứng (độ cao), tùy thuộc chiều dài đường hầm, sai số cho phép lắp đặt thiết bị trong hầm và yêu cầu độ chính xác đo biến dạng Thông thường độ chính xác của thủy chuẩn hạng III có thể thỏa mãn các yêu cầu đó

Hình 1.2 Hầm Hải Vân

Cấp hạng thủy chuẩn để thành lập lưới khống chế độ cao trên mặt đất không chỉ phụ thuộc vào chiều dài đường hầm mà quan trọng hơn là phụ thuộc vào điều kiện địa hình khu vực đường hầm vì chiều dài của tuyến thủy chuẩn phụ thuộc vào địa hình phía trên đường hầm

Với các công trình hầm vượt núi, công tác chuyền độ cao trên mặt đất bằng thủy chuẩn hình học là vô cùng khó khăn do điều kiện địa hình phức tạp, hiểm trở và khó khăn trong công tác lựa chọn tuyến đo

1.2.4 Công trình công nghiệp - thành phố

Lưới khống chế thi công công trình công nghiệp thường được chia làm 2 cấp Cấp đầu tiên khi ứng dụng công nghệ truyền thống, thường được thành lập dưới dạng lưới ô vuông (chữ nhật) có chiều dài cạnh trung bình khoảng 200m phủ trùm toàn bộ khu vực xây dựng công trình Dựa vào lưới

đó để bố trí trục chính của các nhà xưởng Sai số bố trí trục chính của các nhà xưởng ảnh hưởng đến khoảng cách giữa chúng, nhưng khoảng cách này tương đối lớn nên yêu cầu độ chính xác không cao lắm

Trên khu vực xây dựng công trình công nghiệp, lưới độ cao thi công hạng IV được thiết kế dựa vào các điểm khống chế hạng III Lưới độ cao hạng III tạo thành một hoặc một số vòng khép, chia khu đo thành các mảng, bên trong được chêm dày bằng các tuyến hoặc lưới thủy chuẩn hạng IV Trên khu vực có diện tích lớn (đến 500 km2), người ta thành lập lưới độ cao hạng II để làm cơ sở phát triển các bậc lưới tiếp theo Lưới độ cao ở khu vực thành phố

và khu công nghiệp có những chỉ tiêu kỹ thuật đặc trưng như sau [2]:

Bảng 1.1 chỉ tiêu lưới độ cao hạng I, II, III

Chỉ tiêu kỹ thuật Hạng II Hạng III Hạng IV Chiều dài lớn nhất của tuyến (km)

Hình 1.3 Nhà máy thép Vũng Áng

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CAO TRUYỀN THỐNG

Trong trắc địa có nhiều phương pháp đo cao như: đo cao hình học, đo cao lượng giác, đo cao thủy tĩnh, đo cao áp kế Trong đó phương pháp đo cao hình học và phương pháp đo cao lượng giác là được dùng phổ biến, đặc biệt với những công trình trải dài trên khu vực rộng lớn như các công trình giao thông, thủy lợi, đường nước tự chảy… thì phương pháp đo cao hình học

tỏ ra vượt trội hơn cả về độ chính xác Từ khi công nghệ GPS ra đời chúng ta

có thêm khái niệm đo cao GPS

Khi nói đến mạng lưới độ cao, trước tiên ta phải quan tâm đến cơ sở của lưới khống chế độ cao Cơ sở của mạng lưới khống chế độ cao là mặt thủy chuẩn gốc (mặt Geoid) Đó là mặt nước biển ở trạng thái trung bình, yên tĩnh kéo dài xuyên qua các lục địa Việc chọn mặt thủy chuẩn gốc làm cơ sở xuất phát từ mặt thủy chuẩn là mặt vật lý, nó phản ánh tất cả các hiện tượng

tự nhiên xảy ra trong và trên Trái đất

Để lập một mạng lưới độ cao phải trải qua nhiều giai đoạn bao gồm:

- Xây dựng trạm nghiệm triều

- Xung quanh trạm đo mực nước nghiệm triều, người ta xây dựng một

số mốc thành mạng lưới Căn cứ vào độ cao của mực nước trung bình qua nhiều năm (độ cao điểm “0”) người ta tính ra độ cao điểm mốc của lưới này

và được gọi là lưới các điểm thủy chuẩn gốc Trong số các điểm của lưới gốc,

có một số điểm xác định với độ chính xác rất cao gọi là điểm thủy chuẩn gốc chính, còn những điểm khác được xác định với độ chính xác thấp hơn gọi là các điểm thủy chuẩn gốc phụ dùng để kiểm tra điểm gốc chính

- Xây dựng mạng lưới có cấp hạng thấp hơn trải đều trên lãnh thổ quốc gia: hạng I, hạng II, hạng III, hạng IV, thủy chuẩn kỹ thuật

1.3.1 Đo cao hình học (thủy chuẩn)

B

A Hình 1.4 Nguyên tắc đo cao hình học

Đo cao hình học là phương pháp đo cao truyền thống có lịch sử hình thành và phát triển từ nhiều thế kỷ nay Nó được xem là phương pháp đo cao chính xác nhất với quy mô trải dài hàng trăm, hàng nghìn kilômet Tuy vậy đây là dạng đo đạc khá tốn công sức và có hạn chế cơ bản là không khả thi trong điều kiện mặt đất có độ dốc lớn hoặc bị ngăn cách bởi sình lầy, bị bao phủ bởi biển cả

Máy sử dụng trong đo cao hình học là máy thủy bình Nguyên tắc đo cao hình học bằng máy thủy bình là sử dụng tia ngắm song song với trục của

ống thủy dài tức là song song với mặt thủy chuẩn đi qua điểm đo để xác định hiệu số độ cao giữa hai điểm dựng mia là A, B qua số đọc a, b trên mia

Chênh cao giữa hai điểm A và B được xác định: ∆hAB = b – a (1.5) Đối với phương pháp đo cao thủy chuẩn hình học thì nhược điểm lớn nhất của phương pháp là chịu ảnh hưởng rất lớn do sai số góc i tới độ cao, yêu cầu phải thông hướng đo và thiết kế bãi đo khá chặt chẽ do đó nhiều khi chúng ta không thể đáp ứng được những yêu cầu này Bên cạnh đó phương pháp đo cao thủy chuẩn hình học còn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện ngoại cảnh, độ cong trái đất …, thêm vào đó việc phải ngắm mia xa thông qua bảng ngắm cũng gây khó khăn khi đo đây cũng chính là một hạn chế cần khắc phục của phương pháp đo cao hình học

1.3.2 Đo cao lượng giác

Đo cao lượng giác chủ yếu được áp dụng khi đo vẽ chi tiết bản đồ Đo cao lượng giác kém chính xác hơn đo cao hình học Nhưng khi cần đo nhiều

và nhanh, yêu cầu độ chính xác không cao ta sẽ áp dụng phương pháp này

Để xác định chênh cao giữa điểm A và B cần phải đo các đại lượng:

chiều cao máy i, chiều cao tiêu l, khoảng cách ngang D và góc thiên đỉnh Z

(hoặc góc đứng V)

A

B i

A,B

h D

Z

Hình 1.5 Nguyên tắc đo cao lượng giác

Để xác định chênh cao h Khi đã biết độ cao của điểm A, ta đặt máy kinh vĩ tại A Đo chiều cao của máy là i, dựng mia tại B

Chênh cao giữa hai điểm A, B được tính theo công thức:

hAB= D.ctgZ +i - l + f (1.6)

Hoặc: hAB= D.ctgV +i - l + f (1.7) trong đó f là số hiệu chỉnh chiết quang và được tính gần đúng theo công thức:

f = 1-K2R D

2 (1.8) với R là bán kính trung bình của Trái đất (R ≈ 6372 km), K là hệ số chiết quang đứng (K = 0,12 ÷ 0,16)

Trong một số trường hợp, khoảng cách ngang D có thể được xác định gián tiếp bằng cách đo hai góc thiên đỉnh Z1, Z2 đến hai vạch dấu trên tiêu đo (khoảng cách giữa hai vạch dấu được xác định chính xác và có giá trị bằng b), khi đó:

D = b.sinZ1.sinZ2

sin(Z2 - Z1) (1.9) Các nguồn sai số trong đo cao lượng giác là: sai số đo góc thiên đỉnh

mz (hoặc sai số đo góc đứng mv), sai số đo chiều dài mD, sai số đo chiều cao máy mi, sai số đo chiều cao tiêu ml và sai số chiết quang đứng mf

Trên cơ sở các công thức (1.6) và (1.7) sẽ xác định được công thức tính sai số trung phương chênh cao trong đo cao lượng giác :

mhAB = ctg2Z.mD2 + (D.secZ)2 mZ

ρ

2 + mi2 + ml2 + mf2 (1.10) Nhiều khảo sát thực tế cho thấy, đo cao lượng giác có thể đạt độ chính xác tương đương thủy chuẩn hình học hạng IV Để nâng cao độ chính xác đo cao lượng giác cần áp dụng đồ hình đo cao từ giữa và đồ hình đo cao đối

hướng Ưu điểm chính của phương pháp đo cao lượng giác là khả năng đo được chênh cao lớn trên một trạm máy

Đối với phương pháp đo cao lượng giác cũng giống như phương pháp

đo cao hình học thì phương pháp đo cao lượng giác cũng chịu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh, độ cong trái đất và cả vấn đề ngắm mục tiêu thông qua bảng ngắm sẽ dẫn tới sai số xác định số đọc trên mia qua bảng ngắm, đây cũng chính là hạn chế của phương pháp này Hạn chế lớn nhất của phương pháp đo cao lượng giác chính là độ chính xác đo cao của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào sai số góc thiên đỉnh (tức là sai số bàn độ đứng)

1.3.3 Thủy chuẩn thủy tĩnh

Phương pháp đo cao thủy tĩnh là phương pháp xác định chênh cao dựa trên định luật cơ bản của thủy tĩnh học: “Mặt thoáng của chất lỏng luôn luôn vuông góc với phương của trọng lực và trong các bình thông nhau thì luôn nằm trên cùng một mặt thủy chuẩn, không phụ thuộc vào khối lượng chất lỏng và tiết diện ngang của bình” Như vậy trong phương pháp thủy chuẩn thủy tĩnh, các chênh cao được xác định trực tiếp từ bề mặt chất lỏng, do vậy

nó khắc phục được ảnh hưởng của một số nguồn sai số trong thủy chuẩn hình học như sai số do máy, sai số do chiết quang …

Phương pháp này được ứng dụng trong việc lắp đặt và kiểm tra về độ cao các mặt phẳng tựa và đường dẫn hướng của máy móc thiết bị công nghệ,

đo độ lún công trình, chuyển độ cao qua vùng mặt nước rộng hoặc chướng ngại vật

Vị trí thứ nhất Vị trí thứ 2

N2 N1

1

2

N1 N2

2

1

Hình 1.6 Sơ đồ đo cao thủy tĩnh tại một trạm đo

Chênh cao tại một trạm đo sẽ được đo bằng 2 vị trí thuận và nghịch của các bình (hình 1.6) Giả sử hệ thống đo thủy tĩnh gồm 2 bình N1 và N2 dùng

để xác định chênh cao giữa 2 điểm A và B Chênh cao cần xác định h được tính tương tự như trong thủy chuẩn hình học

h = (d1 - S1) - (d2 - T1) (1.11) Trong đó:

d1, d2 - khoảng cách từ điểm “0” của thang vạch đến mặt phẳng tựa của các bình

N1 và N2; S1, T1 - Số đọc trên vành đọc số của bình sau và bình trước

Như vậy ở vị trí thứ nhất (vị trí thuận) ta có:

h = (T1 - S1) + (d1 - d2) (1.12) Khi đổi chỗ các bình cho nhau (vị trí nghịch) thì:

h = (d − S ) − (d − T ) (1.13) Hay: h = (T − S ) − (d − d ) (1.14)

Hiệu số d1 - d2 là sai số MO của máy hay còn gọi là hằng số của dụng

cụ, nó thể hiện độ chính xác của công tác chế tạo dụng cụ Khi lắp ráp chế tạo, người ta cố gắng đưa hằng số của dụng cụ về giá trị tuyệt đối nhỏ nhất

Khi lấy trung bình cộng các kết quả (1.13) và (1.14) ta được giá trị trung bình của chênh cao xác định tại 1 trạm đo:

hAB = (T1 - S1) + (T2 - S2)

2 = - (S1 - T1) + (S2 - T2)

2 (1.15) Hiệu (d1 - d2) được gọi là sai số MO của máy, khi chế tạo người ta cố gắng làm cho MO có giá trị tuyệt đối nhỏ:

- Sai số do tiếp xúc đầu đo với bề mặt chất lỏng: khi di chuyển đầu đo với tốc độ chậm thì sai số này nằm trong khoảng 1 ÷ 2 µm

- Ảnh hưởng của biến thiên nhiệt độ, áp suất: đây là nguồn có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác đo cao thủy tĩnh, vì vậy khi tổ chức thực

hiện công việc ở ngoại nghiệp cần phải chọn tuyến và thời điểm đo có nhiệt

độ, áp suất ổn định

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy độ chính xác của phương pháp đo cao thủy tĩnh cao hơn so với phương pháp đo cao hình học, với sai số trung phương xác định chênh cao trên một trạm đo có thể đạt đến giá trị 0,02 ÷ 0,03

mm Ngoài ra các hệ thống thủy tĩnh cố định còn cho phép tự động hóa hoàn toàn quá trình đo chênh cao giữa các điểm quan trắc Vì vậy, phương pháp này được sử dụng để quan trắc lún nền và các kết cấu xây dựng, những nơi có môi trường độc hại, không thuận lợi cho việc tiếp xúc của con người

Mặc dù có độ chính xác cao nhưng phương pháp đòi hỏi có những yêu cầu chặt chẽ và khó thực hiện nhất Vì trong các công trình vượt sông, việc đặt ống mềm dưới đáy sông sao cho luôn tiếp xúc với mặt đáy sông và phải tạo ra một áp suất lớn sao cho trong ống dẫn không có bọt thủy là rất khó thực hiện Bên cạnh đó việc tạo ra một ống dẫn dài để chuyền độ cao tại các khu vực có khoảng cách rộng là rất khó khăn, yêu cầu về bãi đo cũng khá chặt chẽ Đồng thời hạn chế lớn nhất của phương pháp đo cao thủy tĩnh là không thể tiến hành đo tại các khu vực có độ chênh cao lớn Chính vì vậy phương pháp đo cao thủy tĩnh không mang tính khả thi trong thực tiễn chuyền độ cao qua sông

Các phương pháp đo cao truyền thống có những mặt hạn chế khác nhau, tuy nhiên cũng có những hạn chế chung mà nổi bật nhất là tại các khu vực đo rộng lớn, địa hình phức tạp, việc chuyền độ cao rất khó thực hiện thậm chí trong một số trường hợp không thể thực hiện được Đồng thời dù đã có các biện pháp khắc phục song các phương pháp đo cao truyền thống vẫn còn chịu ảnh hưởng trực tiếp của điều kiện ngoại cảnh, độ cong trái đất…

Chương 2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ CHUYỀN ĐỘ CAO

TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

2.1 CÁC HỆ THỐNG ĐỘ CAO

Trong công tác trắc địa bản đồ, để xác định vị trí của một điểm trên bề mặt trái đất, ngoài việc xác định tọa độ mặt bằng chúng ta còn quan tâm tới độ cao của nó trong hệ thống độ cao thống nhất Trong hệ tọa độ không gian một điểm bất kỳ luôn được thể hiện bởi 3 thành phần tọa độ (X,Y,Z) Ngoài ra còn có thể biểu diễn theo hệ tọa độ trắc địa (B,L,H), trong đó H là độ cao trắc địa hay còn gọi là độ cao so với Ellipxoid Đã nói đến tọa độ trắc địa

là gắn với một ellipxoid có hình dạng, kích thước xác định và được định vị

so với trái đất, chúng ta thường gọi đó là ellipxoid thực dụng Trong thực tế,

độ cao trắc địa H hầu như ít được sử dụng trong trắc địa công trình

Trước hết, ta xét bản chất của việc xác định độ cao bằng phương pháp thủy chuẩn hình học Khi các mặt đẳng thế song song với nhau thì độ cao h của điểm B so với điểm khởi đầu 0 được xác định bằng cách lấy tổng chênh cao từ 1, 2, , n của các trạm thủy chuẩn:

hB= ∆hi

n i=1

= ∆HOB

(2.1)

Trong thực tế, khi đo thủy chuẩn ở khu vực nhỏ với độ chính xác cao thì các mặt đẳng thế có thể coi là song song với nhau Khi độ cao được truyền trong khoảng cách lớn thì phải tính đến ảnh hưởng của các mặt đẳng thế không song song với nhau do sự phân bố vật chất trong lòng Trái đất Chính vì vậy tổng chênh cao các đường đo khác nhau thì ta nhận được các giá trị độ cao khác nhau

Hình 2.1 Nguyên tắc xác định độ cao

Như vậy ta nhận thấy độ cao đo được không đơn trị, để có được độ cao đơn trị ta có nhiều cách hiệu chỉnh độ cao đo được, ứng với mỗi cách hiệu chỉnh ta có một hệ thống độ cao Trong trắc địa, sử dụng 3 hệ thống độ cao: hệ độ cao chính, hệ độ cao chuẩn và độ cao động học

2.1.1 Hệ thống độ cao chính (orthometric height)

Độ cao chính cũng có thể gọi là độ cao trực giao Độ cao chính của điểm trên mặt đất tự nhiên là khoảng cách từ điểm đó đến mặt Geoid tính theo đường sức Khái niệm trực giao ở đây liên quan đến tính chất vuông góc của đường sức với tất cả các mặt thủy chuẩn mà nó đi qua Như trên hình 2.1 độ cao chính của điểm B được xác định như sau:

Trong đó: dh là khoảng cách vi phân giữa 2 mặt thủy chuẩn tại điểm có

(2.5)

Ta biết, dọc đường sức đi qua B, ở các độ cao khác nhau, gB có giá trị

khác nhau Nếu lấy giá trị trung bình của g trên toàn đường sức CB là gBm rồi

đưa ra ngoài dấu tích phân ta có:

HBg= 1

g gdh

(2.6)

Như vậy, để tính được độ cao chính cần phải biết giá trị trọng lực trung

bình dọc theo đường sức trên đoạn BC, thực tế không thể biết chính xác giá

trị đó được, vì vậy độ cao chính chỉ tồn tại trên lý thuyết để tính được độ cao

chính người ta phải chọn cách tính gần đúng trên cơ sở kết hợp giá trị trọng

lực thực g dọc tuyến đo với giá trị trọng lực chuẩn tính ra được độ cao

thường

2.1.2 Độ cao thường (độ cao Chuẩn)

Để khắc phục nhược điểm của hệ thống độ cao chính người ta sử dụng

hệ độ cao thường bằng cách thay giá trị trọng lực trung bình thực gm bằng giá

trị trọng lực chuẩn dọc đường sức γmvà có công thức mô tả định nghĩa của

độ cao thường như sau:

( ) 2.7

gdh γ

1 H

m B

Như vậy độ cao thường của 1 điểm là khoảng cách từ điểm đó đến mặt

Kvadigeoid Giá trị γmtính được đơn trị và độ cao chuẩn của 1 điểm cũng đơn

trị

Sự khác nhau giữa độ cao chính và độ cao chuẩn chính là sự khác nhau

giữa giá trị trọng lực thực trung bình gBm và trọng lực thường trung bình γBm

Giá trị trọng lực thường trung bình hoàn toàn xác định chính xác, vì thế hệ

thống độ cao thường là hệ thống độ cao chặt chẽ

Hệ thống độ cao thường gắn liền với bề mặt Kvadigeoid, có thể dựng

bề mặt Kvadigeod bằng cách từ mặt đất theo phương đường sức trọng

trường bình thường dựng các đoạn bằng độ cao chuẩn Hg của điểm đó Tập

hợp các điểm nhận được sẽ tạo thành mặt Kvadigeoid

Trên đại dương hai mặt Geoid và Kvadigeoid hầu như trùng nhau, ở

vùng đồng bằng hai mặt này cách nhau khoảng 2 - 3 cm, ở vùng núi cao

khoảng cách không vượt quá 2 m

Mặt đất

Hg

z Kvadigeoid Elipsoid

Hình 2.2 Mặt Kvadigeoid

2.1.3 Hệ thống độ cao động lực

Ta thấy cả 2 hệ thống độ cao kể trên đã giải quyết được vấn đề đa trị

khi dẫn độ cao từ 1 điểm đến 1 điểm khác đi theo các tuyến khác nhau Khi

tính giá trị độ cao chính ta phải dùng đến gm, còn khi tính độ cao thường ta

phải dùng đến γm Hai giá trị trọng lực nói trên phụ thuộc vào phân bố vật chất trong lòng trái đất và phụ thuộc vào vị trí điểm xét Thành ra, căn cứ vào công thức (2.6) hoặc (2.7) , giá trị ògdhlà như nhau Nhưng trên cùng một mặt thủy chuẩn, ở các vị trí khác nhau, gm hoặc γm khác nhau Do vậy ngay trên cùng một mặt thủy chuẩn ở các điểm khác nhau lại có độ cao khác nhau

Người ta tính được 2 đầu hồ BaiKan cách nhau 450 km, mặt nước yên tĩnh, tính theo hai hệ độ cao nói trên sẽ có chênh cao cỡ 165mm Như vậy hệ

độ cao chính và thường không thích hợp khi xử lý số liệu đo thủy chuẩn phục

vụ nghiên cứu thủy lực và xây dựng các công trình thủy lợi Vấn đề được giải quyết đơn giản vì ògdhđã như nhau cho 1 mặt thủy chuẩn, ta chỉ cần thay gm

hoặc γmbằng một giá trị không phụ thuộc vào vị tri điểm xét, ta sẽ được một

hệ độ cao có độ cao của các điểm trên cùng một mặt thủy chuẩn là như nhau

Người ta định nghĩa, độ cao động lực của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến mặt Kvadigeoid ở độ vĩ 450, tức là:

(2.8a)

gdhγ

1

45 m

1gdh

bằng giá trị trọng lực trung bình ở độ vĩ trung bình của khu đo γjm Khi đó (2.8b) có dạng:

( g γ ) dh ( ) 2.8c γ

1 gdh

Có thể tính được số chênh giữa độ cao chuẩn và độ cao động lực của một điểm là:

H

γ

γγH

j j

-=-

Như trong định nghĩa đã nêu, độ cao động lực khác với độ cao thường, nên nó không thể dùng là hệ thống độ cao thống nhất mà chỉ là hệ thống độ cao khu vực, vì vậy độ cao động lực được áp dụng để giải quyết các vấn đề kĩ thuật trong khu vực

2.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ trước, cơ quan hàng không và vũ trụ của

Mỹ, Nga đã tiến hành các chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT (Mỹ) và SIKADA (Nga) Một thời gian ngắn sau đó các hệ thống định vị trên bắt đầu được ứng dụng trong trắc địa, tuy nhiên độ chính xác đạt được của các hệ thống trên là không cao

Cho đến nay các hệ thống định vị vệ tinh có tiềm năng ứng dụng hiệu quả trong trắc địa là NAVSTAR - GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (Cộng đồng Châu Âu)…

2.2.1 Cấu tạo hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global positioning system)

Đoạn không gian: Đoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất Quỹ đạo của vệ tinh hầu như tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20180km so với mặt đất, chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút (xấp xỉ 12 giờ) Do vậy vệ tinh sẽ bay qua đúng điểm cho trước trên mặt đất mỗi ngày một lần, với cách phân bố như vậy thì tại bất kỳ thời điểm nào,

ở bất cứ vị trí nào trên trái đất cũng đều nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo hệ thống GPS

Đoạn Điều khiển: Được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ

thống định vị này Vai trò đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo hàng, trong đó có lịch vệ tinh quảng bá, bảo đảm độ chính xác cho công tác

định vị bằng GPS

Hình 2.4 Vệ tinh trong hệ thống GPS

Đoạn sử dụng: Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả trên trời, trên biển và trên đất liền

đã biết là các vệ tinh

Bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có thể xác định được tọa độ của máy thu trong hệ tọa độ WGS-84 quốc tế, ngoài

ra còn xác định được số hiệu chỉnh cho đồng hồ (thạch anh) của máy thu ∆t

Trên thực tế độ chính xác của phương pháp này là thấp, sai số vị trí điểm có thể tới vài chục mét Để tháo gỡ sự hạn chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thu GPS đã đưa ra một phương pháp đo gọi là GPS vi phân

2.2.2.2 Đo vi phân

Phương pháp này chỉ có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu vô tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (gọi là máy cố định), đồng thời có máy khác (gọi là máy động) đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, đó có thể là điểm

cố định hoặc điểm di động Cả hai máy cố định và di động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông ước tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh bị nhiễu, thì kết quả xác định tọa độ của cả máy cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch Độ sai lệch này, được xác định trên

cơ sở so sánh tọa độ tính ra theo tín hiệu thu được và tọa độ đã biết trước của máy cố định và có thể được xem là như nhau cho cả máy cố định và di động

Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác định tọa độ của mình

Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Cách hiệu chỉnh thứ hai đòi hỏi máy thu cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sử dụng xử lý chủ động, linh hoạt hơn

2 2.2.3 Đo tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS trở lên đặt ở các điểm quan sát khác nhau để xác định hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆X,

∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa độ trắc địa (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84

- Định vị tương đối trạng thái tĩnh (Static Relative Positioning): Định vị tương đối trạng thái tĩnh còn gọi là định vị tương đối tĩnh Để xác định một cạnh giữa hai điểm A và B, cả hai máy thu GPS phải được đặt cố định tại hai điểm đó trong suốt thời gian của ca đo Định vị tương đối tĩnh cho độ chính xác rất cao, thông thường có thể đạt độ chính xác 1ppm tức 1mm trên 1km

- Định vị tương đối trạng thái động: Phương pháp được tiến hành với một máy đặt tại trạm cố định (base station) và một hoặc nhiều máy khác (rover station) di động đến các điểm cần đo tọa độ thu tín hiệu vệ tinh đồng thời Đo GPS động là giải pháp nhằm giảm tối thiểu thời gian đo so với phương pháp đo GPS tĩnh nhưng vẫn đạt độ chính xác đo tọa độ cỡ centimet

2.2.2.4 Các nguồn sai số trong đo GPS

Có một số nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị GPS, chúng được chia thành ba nhóm như bảng 2.1

Ngoài ba nhóm sai số trong bảng 2.1, còn có sai số do người đo ảnh hưởng đến kết quả đo GPS, thí dụ như dọi tâm, cân máy, đo cao anten, đặt nhầm điểm…

Bảng 2.1 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh [1]

Nhóm sai số Gồm các nguồn sai số

1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh

- Sai số do tầng đối lưu

- Sai số do đa đường dẫn

3 Sai số liên quan tới máy thu

- Sai số đồng hồ máy thu

- Sai số do lệch tâm pha anten

- Sai số do sự không ổn định phần cứng của máy thu

2.3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ CHUYỀN ĐỘ CAO TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

Sự ra đời của công nghệ định vị vệ tinh GPS đã đưa lại một phương pháp mới cho việc xác định độ cao: phương pháp đo cao GPS Phương pháp này cho phép khắc phục các nhược điểm của phương pháp đo cao thủy chuẩn truyền thống, và do vậy nó thu hút được sự quan tâm ngày càng rộng rãi của những người làm công tác trắc địa trên khắp thế giới trong đó có Việt Nam Vấn đề đặt ra là làm sao để có thể nâng cao độ chính xác của phương pháp đo cao này đáp ứng yêu cầu độ chính xác trong khảo sát thiết kế và thi công công trình

Như ta đã biết, ứng với mặt Geoid ta có hệ thống độ cao chính Hg ứng với mặt Kvadigeoid ta có hệ thống độ cao thường Hg và ứng với mặt Elipxoid

cú hệ thống độ cao trắc địa H Cỏc mặt này khụng trựng nhau, giữa chỳng cú một khoảng cỏch nhất định

Mặt đất

Elipxoid Kvadigeoid

z là dị thường độ cao, độ cao Kvadigeoid so với mặt Elipxoid Cỏc cụng thức (2.10) và (2.11) là cụng thức cơ bản của đo cao GPS theo phương phỏp định vị tuyệt đối

Như vậy để xỏc định độ cao bằng cụng nghệ định vị vệ tinh vấn đề mấu chốt là xỏc định dị thường độ cao z hoặc hiệu dị thường độ cao ∆z tại cỏc điểm đặt mỏy thu tớn hiệu Cú thể nhận thấy rằng độ chớnh xỏc chuyền độ cao bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố quyết định đú là chất lượng đo cạnh GPS và độ chớnh xỏc xỏc định hiệu dị thường độ cao giữa cặp điểm cần xỏc định độ cao

Để xác định độ cao thủy chuẩn cho một số điểm trong lưới định vị vệ tinh có thể thực hiện theo hai cách sau đây:

1 Dẫn độ cao bằng thủy chuẩn hình học từ độ cao nhà nước đến một số mốc của lưới định vị vệ tinh

2 Bố trí một số điểm định vị vệ tinh trùng vào mốc thủy chuẩn nhà nước Trong trường hợp này nếu tại điểm thủy chuẩn không thể thu tín hiệu vệ tinh được (do bị che chắn tín hiệu) thì có thể thực hiện đo lệch tâm, tức là bố trí một điểm phụ gần đó và xác định độ cao cho điểm phụ bằng thủy chuẩn hình học từ điểm thủy chuẩn nhà nước qua một vài trạm máy

Các điểm định vị vệ tinh có độ cao hình học gọi là các điểm song trùng Các điểm này dùng kiểm tra việc xác định độ cao cho các điểm lưới định vị vệ tinh, làm

cơ sở nội suy dị thường độ cao cho các điểm khác trong lưới, góp phần nâng cao độ chính xác xác định độ cao đồng thời cũng có thể sử dụng để chính xác hóa mô hình Kvadigeoid đã có trên khu vực

Hiện nay vấn đề ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh để chuyền độ cao đáp ứng đo cao lưới hạng III, IV vẫn đang là vấn đề được nhiều người quan tâm Ưu điểm của phương pháp đo cao GPS thì đã rõ nhưng nhược điểm của nó hiện nay là chưa đảm bảo độ tin cậy 100% trên tất cả các khu vực và trên mọi điều kiện địa hình Chính vì thế, trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xây dựng lưới độ cao, ban hành năm 2008 vẫn chưa đưa phương pháp chuyền độ cao bằng công nghệ định vị vệ tinh

là phương pháp đo cao chính thức

Chương 3 NGHIấN CỨU CÁC Mễ HèNH NỘI SUY DỊ THƯỜNG ĐỘ

CAO BẰNG CễNG NGHỆ GPS

3.1 NGUYấN Lí ĐO CAO GPS

Sau khi bỡnh sai mạng lưới GPS trong hệ tọa độ khụng gian địa tõm, chỳng ta

sẽ nhận được tọa độ bỡnh sai X, Y, Z của cỏc điểm Bằng cỏc cụng thức tớnh đổi tọa

độ giữa hệ vuụng gúc địa tõm và hệ tọa độ trắc địa, chỳng ta dễ dàng nhận được độ cao trắc địa H cựng tọa độ B, L của cỏc điểm nếu tại cỏc điểm của mạng lưới, chỳng

ta cú giỏ trị dị thường độ cao z , theo cụng thức (2.10), (2.11) chỳng ta sẽ nhận được

độ cao thủy chuẩn của cỏc điểm Nếu trong lưới định vị vệ tinh cú một điểm cú độ cao thủy chuẩn h, thỡ cỏc điểm khỏc sẽ được xỏc định độ cao thủy chuẩn theo điểm đó biết đú Trong trường hợp này sẽ khụng sử dụng giỏ trị tuyệt đối của độ cao trắc địa

mà thực chất là sử dụng hiệu độ cao trắc địa giữa cỏc điểm trong lưới

Mặt đất A

Hỡnh 3.1 Độ cao giữa hai điểm A, B

Ký hiệu độ cao trắc địa tại điểm A và điểm B là HA và HB, độ cao chớnh tại A và B là H và H (hỡnh 3.1) Theo cụng thức (2.10) ta cú:

HAg = HA - NA (3.1)

3.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH DỊ THƯỜNG ĐỘ CAO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS

Giá trị độ cao trắc địa H nhận được khi đo GPS là độ cao so với mặt Elipxoid WGS-84 Trong khi đó hệ độ cao được sử dụng phổ biến trong thi công xây dựng các công trình ở nước ta là hệ độ cao thường (Hg), tức là độ

cao của điểm xét so với mặt Kvadigeoid

Nếu xác định được dị thường độ cao z thì hoàn toàn có thể xác định được độ cao thường Hg dựa vào độ cao trắc địa H xác định bằng công nghệ GPS Đây là vấn đề rất có ý nghĩa khi thi công xây dựng các công trình trải dài trên khu vực rộng lớn hay phải vượt các địa hình khó khăn như: giao thông, thủy lợi như cầu lớn, cầu vượt, hầm, đường cao tốc, công trình thủy điện …

Từ trước đến nay đã có nhiều tác giả nghiên cứu và đề xuất nhiều phương pháp khác nhau để tính dị thường độ cao z Có thể chia các phương pháp tính z thành ba nhóm như sau:

(a) Tính z theo kết quả đo thiên văn - trọng lực

(b) Tính z dựa vào nguyên lý cơ bản của đo cao GPS, là phương pháp dựa vào các điểm song trùng (tức là tại một số điểm GPS có đo thêm độ cao thủy chuẩn) để nội suy ra z cho các điểm còn lại

(c) Tính z dựa vào kết quả định hướng lại Elipxoid:

- Phương pháp tính chuyển độ cao GPS theo mặt Elipxoid thi công

- Phương pháp xác định mặt Elipxoid quy chiếu khu vực bằng cách điều chỉnh định hướng, định vị Elipxoid quy chiếu

Có thể nhận thấy, để sử dụng kết quả đo GPS vào mục đích tính chuyển

độ cao trong trắc địa công trình ở nước ta, thuận lợi hơn cả là sử dụng các phương pháp xác định z ở nhóm (b) và (c) Vấn đề cần đặt ra ở đây là lựa chọn phương pháp thích hợp để xác định dị thường độ cao có độ chính xác đáp ứng được yêu cầu khảo sát thiết kế và thi công xây dựng các công trình ở nước ta

3.3 CÁC MÔ HÌNH NỘI SUY DỊ THƯỜNG ĐỘ CAO

3.2.1 Nguyên lý tính dị thường độ cao theo số hiệu chỉnh địa hình sử dụng hàm Walter H.F Smith

Theo nghiên cứu của Walter H.F Smith về đại dương cho thấy tại vùng núi ngầm của đại dương, bề mặt đại dương cũng được nâng lên

Hình 3.2 Bề mặt đại dương tại vùng núi ngầm

Trên một khu vực giới hạn, mô hình toán học xác định độ cao Geoid có xét tới độ cao trung bình địa hình htb được thể hiện qua biểu thức:

N = a + a X + a Y + a h = N + δ (3.5) Trong đó : N = a + a X + a Y (3.6)

δ = a h (3.7) Tại các điểm song trùng ta có thể tính được giá trị N theo công thức:

N = H − h (3.8) Với mỗi điểm song trùng ta viết được phương trình dạng (3.5) Các tham số a , a , a , a sẽ được xác định theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất khi có ít nhất 5 điểm song trùng Viết dưới dạng ma trận:

N = A X (3.9) Trong trường hợp này, ma trận hệ số phương trình chuẩn A, vectơ số hạng tự do N có dạng:

úúúúû

ùê

H Y X 1

H Y X 1

A

3 3 3

2 2 2

1 1 1

úúúúû

ùêêêêë

é

=

3 2 1 0

aaa

a

X

úúúúû

ùêêêêë

é

=

ξξ

ξ

N

3 2

h = + (3.11) Đánh giá sai số trung phương theo công thức trị đo kép:

[ ]2n

dd

m0 = ± (3.12) Trong đó: n: tổng số điểm cần tính trong lưới GPS

d: độ lệch giữa htinh và hdo

3.2.1.Nguyên lý tính dị thường độ cao theo góc nghiêng giữa mặt Geoid

và mặt Elipxoid

Độ cao của các điểm được khởi tính từ mặt Geoid (mặt thủy chuẩn gốc)

có hướng ngược hướng Gradien trọng lực thực (hướng đường dây dọi) Giá trị

độ cao này được gọi là độ cao chuẩn (gọi tắt là độ cao) để phân biệt với độ cao trắc địa ( khởi tính từ mặt Elipxoid và có hướng ngược với phương pháp tuyến) Khái niệm cao thấp giữa các mặt chính là vị trí tương hỗ giữa hai mặt đẳng thế đi qua các điểm đó Chênh cao giữa hai điểm A và B là tổng chênh cao của từng trạm đo dọc tuyến từ A đến B

* Trong đo cao hình học, việc xác định chênh cao thủy chuẩn được thực hiện theo một nguyên lý khá đơn giản là đưa tia ngắm của máy thủy chuẩn song song với mặt đẳng thế và chênh cao của một trạm đo chính là khoảng cách dh giữa 2 mặt đẳng thế đi qua 2 điểm đặt mia của trạm đo này

Ta có: dh = I − I (3.13)

∆hAB= dhi

B A

Độ cao thủy chuẩn h và độ cao trắc địa H liên kết qua mối quan hệ hình học đơn giản:

hchính = H – N hoặc hthường = H – ζ (3.15)

dhchính = dH – dN hoặc dhthường = dH – dζ (3.16)