Tiến Sĩ Nghiên cứu bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ thống tọa độ vuông góc không gian

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014


MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Mục lục . ii
Danh mục các chữ viết tắt . vi
Danh mục các bảng vii
Danh mục các hình vẽ ix
MỞ ĐẦU . 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH VÀ VẤN ĐỀ
BÌNH SAI LƯỚI GPS 7

Các phương pháp thành lập lưới trắc địa công trình 7
Nhóm các phương pháp đo mặt đất 8

Phương pháp đo GPS . 9

Kết hợp giữa phương pháp đo GPS và phương pháp đo

mặt đất . 10 Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới
trắc địa công trình 11 Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa công trình ở nước ngoài . 11

Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa công trình ở Việt Nam 13
Tổng quan về xử lý số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất trong

trắc địa công trình . 16 Xử lý số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất trong trắc địa công trình ở nước ngoài . 16

Xử lý số liệu GPS kết hợp trị đo mặt đất trong trắc địa công trình ở Việt Nam . 19


Các phần mềm bình sai lưới trắc địa ở nước ngoài 21 1.4.1. Phần mềm STAR*NET v.7.1 . 211.4.2. Phần mềm MOVE3 v.4.0.2 23
1.4.3. Phần mềm COLUMBUS v.3.8 . 24
Chương 2. HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA DIỆN CHÂN TRỜI VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH . 28
Yêu cầu về hệ quy chiếu đối với lưới không chế mặt phẳng trắc địa công trình . 28
Số hiệu chỉnh do chiếu về mặt phẳng 28

Số hiệu chỉnh do độ cao so với mặt Ellipsoid quy chiếu . 32

Hệ tọa độ địa diện chân trời 33

Thiết lập hệ tọa độ địa diện chân trời . 33

Tính đổi và tính chuyển tọa độ . 36

Phương án đo nối tọa độ và độ cao Quốc gia vào lưới

trắc địa công trình 47
Xác định giới hạn sử dụng của hệ tọa độ địa diện chân trời trong trắc địa công trình 50
2.3.1. Cơ sở lý thuyết . 50 Xác định bán kính khu vực sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời . 51

Khảo sát biến dạng góc ngang 57

Tính phạm vi khu đo theo giới hạn biến dạng góc ngang 59 2.3.5. Nhận xét . 60

Sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời thay thế phép chiếu UTM trong trắc địa công trình dân dụng và công nghiệp 61
So sánh lưới chiếu phẳng UTM với hệ tọa độ địa diện chân trời 61


Ưu nhược điểm khi sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời 63

Những lưu ý khi sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời 63
Chương 3. BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ĐO GPS VÀ TRỊ ĐO MẶT ĐẤT TRONG HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA DIỆN CHÂN TRỜI . 65

3.1. Trị đo trong lưới GPS . 65
3.1.1. Véc tơ cạnh và tác dụng của ma trận hiệp phương sai trong bình sai lưới GPS . 65

3.1.2. Kiểm tra sai số khép trong lưới GPS . 73

Bình sai lưới GPS trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm 74
Khái quát chung . 74
Thuật toán bình sai gián tiếp lưới GPS trong hệ tọa độ

vuông góc không gian địa tâm 74

Bình sai lưới GPS kết hợp trị đo mặt đất trong hệ tọa độ địa

diện chân trời 76

Bình sai lưới GPS trong hệ tọa độ địa diện chân trời 76

Bình sai lưới GPS kết hợp với trị đo mặt đất trong hệ tọa
độ địa diện chân trời . 82 Khả năng ứng dụng phép lọc Kalman trong bình sai kết
hợp (chia nhiều giai đoạn) 88 Bình sai kết hợp lưới không gian và lưới mặt đất 94

Chương 4. XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ĐO GPS VÀ TRỊ ĐO MẶT ĐẤT TRONG HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA DIỆNCHÂN TRỜI . 96 Chương trình bình sai kết hợp . 96


Quy trình bình sai lưới GPS kết hợp các trị đo góc cạnh trong hệ tọa độ địa diện chân trời . 96


4.1.2. Sơ đồ khối 99

Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt

đất trong hệ tọa độ địa diện chân trời . 101 4.2.1. Ngôn ngữ lập trình 101
4.2.2. Xây dựng phần mềm 101

Tính toán thực nghiệm . 106

Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị đo mặt
đất công trình nhà máy lọc dầu Dung Quất . 106
Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị đo mặt
đất công trình nhà máy xi măng Thái Nguyên 110
4.3.3. Nhận xét chung 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 119 162


1Tính cấp thiết của luận án

MỞ ĐẦU
Công nghệ GPS được ứng dụng trong trắc địa không chỉ là sự thay đổi quan trọng trong công nghệ đo đạc mà còn dẫn đến sự thay đổi trong phương pháp xử lý kết quả đo, đó là phương pháp bình sai lưới tọa độ trong không gian 3 chiều (3D) sử dụng các véc tơ cạnh đo thay cho bình sai trên mặt phẳng (2D) sử dụng các trị đo góc - cạnh truyền thống, đã được áp dụng từ nhiều thế kỷ trước đây.
Ở Việt Nam, công nghệ GPS đã được khai thác sử dụng trong công tác trắc địa và bản đồ từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX. Trong lĩnh vực TĐCT công nghệ GPS cũng đã ứng dụng từ những năm cuối thế kỷ XX trở lại đây. Năm 1999, bằng công nghệ GPS, chúng ta đã xây dựng mạng lưới TĐCT hầm đường bộ xuyên đèo Hải Vân (dài trên 6 km), nhờ đó sai số đào hầm đối hướng đạt được là 2,5 cm. Mạng lưới cơ sở TĐCT của KCN Dung Quất được xây dựng bằng công nghệ GPS (6/2001). Tháng 5 năm 2005, mạng lưới khống chế công trình hầm thủy điện A-Vương (dài trên 4 km) cũng được xây dựng bằng công nghệ GPS, nhờ đó sai số đào hầm đối hướng cũng không vượt quá 5 cm. Ngoài ra còn nhiều mạng lưới TĐCT phục vụ xây dựng các NMXM cũng được đo bằng công nghệ GPS, như lưới trắc địa công trình NMXM Nghi Sơn (3/2000), NMXM Thái Nguyên (2/2006), NMXM Bút Sơn (4/2008), NMXM Cẩm Phả (2008).
Một đặc điểm chung của các mạng lưới sử dụng trong TĐCT được đo bằng công nghệ GPS là chiều dài cạnh không quá lớn. Chính vì thế, trong nhiều trường hợp các điểm lưới công trình lại có khả năng thông hướng với nhau. Trong trường hợp này, những người làm công tác TĐCT 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 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 mặt đất mà không thể dùng các thiết bị đo góc - cạnh thông dụng thì việc sử dụng công nghệ GPS để liên kết các mạng lưới mặt đất là giải pháp khả thi nhất. Do đó việc kết hợp cả 2 phương pháp (đo mặt đất và công nghệ GPS) để thành lập lưới thì chắc chắn sẽ phát huy được ưu điểm và khắc phục được những mặt hạn chế của mỗi phương pháp, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong công tác xây dựng lưới TĐCT.
Ở khoảng cách ngắn, độ chính xác của đa số các máy TĐĐT phổ biến cho độ chính xác đo chiều dài trong khoảng từ 3 mm đến 5 mm. Như vậy là tương đương với độ chính xác đo cạnh bằng GPS. Vấn đề xử lý bình sai đồng thời các véc tơ cạnh GPS (Baselines) với cạnh đo bằng TĐĐT là một nhu cầu thực tế được đặt ra. Trước đây, những người làm công tác xử lý số liệu GPS có thể sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35 để bình sai kết hợp trị đo GPS với các trị đo mặt đất, mặc dù các thủ tục để bình sai chung cũng khá phức tạp. Nhưng từ ngày 14 tháng 9 năm 2011 phần mềm trên đã hết hạn, không còn được sử dụng.
Vấn đề nghiên cứu 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 công trình 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 công trình ở Việt Nam.
Vấn đề trên cũng chính mục tiêu nghiên cứu của luận án. Để giải quyết nội dung nghiên cứu, tác giả đã tham khảo, tìm hiểu các công trình khoa học có nội dung liên quan tới tên đề tài mà các tác giả khác ở trong và ngoài nước đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và trên mạng thông tin toàn cầu Internet. Nhờ các công trình đó, sẽ có được cái nhìn tổng quan về hiện trạng của vấn đề nghiên cứu, từ đó sẽ có được định hướng đúng đắn cho các nghiên cứu tiếp theo để đạt được mục tiêu như mong muốn.