Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả thành lập lưới khống chế mặt bằng thi công bằng công nghệ GPS

Bộ giáo dục đào tạo TRƯờNG đại học mỏ - địa chất NGUYễN VĂN TIếN Nghiên cứu GIảI PHáP NÂNG CAO HIệU QUả THàNH LậP LƯớI khống chế mặt thi công b»ng c«ng nghƯ gps LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà nội - 2018 Bộ giáo dục đào tạo TRƯờNG đại học mỏ - địa chất NGUYễN VĂN TIếN Nghiên cứu GIảI PHáP NÂNG CAO HIệU QUả THàNH LậP LƯớI khống chế mặt thi công công nghệ gps Ngnh: K thuật trắc địa-bản đồ Mã số: 8520503 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ng-êi h-íng dÉn khoa häc PGS.TS Ngun Quang Phóc Hµ néi - 2018 -1- LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Người cam đoan: Nguyễn Văn Tiến -2- MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Chương – KIẾN THỨC CHUNG VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH 1.1 Mục đích đặc điểm lưới khống chế thi cơng 1.2 Yêu cầu độ xác lưới thi cơng cơng trình 15 1.3 Phương pháp thành lập lưới khống chế thi công 18 Chương – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 25 2.1 Hệ thống định vị tồn cầu GPS hoạt động 25 2.2 Các trị đo GPS 29 2.3 Các phương pháp định vị GPS 30 2.4 Các loại sai số kết đo GPS 35 2.5 Một số hệ tọa độ dùng trắc địa vệ tinh 38 Chương – MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG GPS TRONG THÀNH LẬP LUỚI THI CÔNG 43 3.1 Giải pháp kỹ thuật thiết kế thành lập lưới GPS 43 3.2 Giải pháp ước tính độ xác lưới GPS 52 3.3 Giải pháp tính chuyển tọa độ lưới GPS hệ tọa độ cơng trình 58 Chương – THỰC NGHIỆM 64 4.1 Thực nghiệm ước tính độ xác lưới GPS 64 4.2 Thực nghiệm tính chuyển tọa độ lưới GPS 67 -3- KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 71 72 73 -4- DANH MỤC CÁC BẢNG T.T Tên bảng Nội dung Trang Bảng 1.1 Một số máy toàn đạc điện tử xác 19 Bảng 1.2 Yêu cầu kỹ thuật đo GPS cấp 23 Bảng 2.1 Các thành phần tín hiệu vệ tinh 26 Bảng 3.1 Quy định số lượng cạnh vòng đo độc lập tuyến phù hợp cấp lưới GPS 43 Bảng 3.2 Lựa chọn máy thu GPS 46 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật số máy GPS xác cao 47 Bảng 4.1 Tọa độ phẳng gần điểm 65 Bảng 4.2 Tọa độ không gian gần điểm 65 Bảng 4.3 So sánh kết thực nghiệm 66 10 Bảng 4.4 Tọa độ điểm mặt phẳng chiếu hình đồ 68 11 Bảng 4.5 So sánh chiều dài cạnh trước tính chuyển 69 12 Bảng 4.5 So sánh chiều dài cạnh sau tính chuyển 70 -5- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ T.T Tên hình vẽ Nội dung Trang Hình 1.1 Sơ đồ xác lập yêu cầu độ xác bố trí cơng trình 16 Hình 2.1 Sự phân bố vệ tinh quý đạo vệ tinh GPS 25 Hình 2.2 Vị trí trạm đoạn điều khiển hệ thống GPS 27 Hình 2.3 Một số kiểu máy thu GPS 29 Hình 2.4 Phương pháp định vị tuyệt đối 31 Hình 2.5 Phương pháp định vị tương đối 35 Hình 2.6 Hệ tọa độ vng góc khơng gian WGS -84 38 Hình 2.7 Hệ tọa độ trắc địa 40 Hình 2.8 Hệ tọa độ địa diện xích đạo 41 10 Hình 2.9 Hệ tọa độ địa diện chân trời 42 11 Hình 3.1a Liên kết điểm 44 12 Hình 3.1b Liên kết cạnh 44 13 Hình 3.1c Liên kết cạnh-điểm 45 14 Hình 3.1d Liên kết chuỗi tam giác 45 15 Hình 3.1e Liên kết đường chuyền 46 16 Hình 3.1f Liên kết hình 46 17 Hình 3.2 Góc mở điểm đo GPS 48 18 Hình 3.3 Cấu tạo dấu mốc có định tâm bắt buộc 49 19 Hình 3.4 Quan hệ hai tọa độ vng góc khơng gian 60 20 Hình 3.5 Thuật tốn biến đổi đồng dạng theo độ cao mặt chiếu 63 21 Hình 4.1 Sơ đồ lưới địa hình khu vực nhìn Google Earth 64 22 Hình 4.2 Sơ đồ lưới thực nghiệm 66 23 Hình 4.3 Sơ đồ lưới thực nghiệm 67 24 Hình 4.4 Tồn đạc điện tử Geomax ZTS600 68 -6- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Các mạng lưới tọa độ Trắc địa cơng trình mạng lưới trắc địa chuyên dùng Ngoài yêu cầu chung lập lưới khống chế tọa độ, mạng lưới cịn địi hỏi phải có u cầu kỹ thuật riêng thiết kế, đo đạc xử lý số liệu, cho phù hợp với mục đích sử dụng chun ngành Trắc địa cơng trình Hiện nay, cơng nghệ GPS (Global Positioning System) ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Trắc địa, có trắc địa cơng trình Một ứng dụng quan trọng xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ nhờ kỹ thuật đo tương đối-tĩnh Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS lập lưới tọa độ cơng trình nhằm nâng cao hiệu GPS lĩnh vực trắc địa chuyên ngành yêu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích đề tài - Nghiên cứu đặc điểm thành lập lưới khống chế mặt thi cơng cơng trình đo công nghệ GPS - Nghiên cứu khả ứng dụng thực tế công nghệ GPS thành lập lưới khống chế mặt thi công Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tượng: Nghiên cứu giải pháp thiết kế thành lập mạng lưới khống chế thi công, khả ứng dụng công nghệ GPS số vấn đề thiết kế thành lập mạng lưới khống chế thi công công nghệ GPS Phạm vi: Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu thành lập lưới khống chế thi công công nghệ GPS -7- Nội dung nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu mục đích, đặc điểm thành lập yêu cầu độ xác mạng lưới khống chế mặt trắc địa cơng trình - Nghiên cứu phương pháp đo đạc, xử lý số liệu giải pháp nâng cao hiệu công nghệ GPS thành lập mạng lưới khống chế mặt trắc địa cơng trình - Tính tốn thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu cập nhật thông tin mạng Internet thư viện - Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết quan trắc biến dạng cơng trình, phân tích so sánh phương pháp áp dụng thực tế - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết khẳng định kết luận đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Góp phần làm sáng tỏ số vấn đề lý luận thành lập lưới khống chế thi công công nghệ GPS - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu đề tài làm tài liệu tham khảo cho tổ chức cá nhân có quan tâm đến cơng tác thành lập lưới khống chế thi công công nghệ GPS nước ta Cấu trúc luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận Tài liệu tham khảo, Luận văn bao gồm chương: Chương - Kiến thức chung lưới khống chế trắc địa cơng trình Chương – Tổng quan công nghệ GPS -8- Chương - Một số giải pháp nâng cao hiệu ứng dụng GPS thành lập lưới thi công Chương - Thực nghiệm Luận văn thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, mơn Trắc địa cơng trình, khoa Trắc địa-Bản đồ QLĐĐ, trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Người hướng dẫn khoa học tận tình hướng dẫn, xin cảm ơn thầy, cô Bộ môn Trắc địa cơng trình khoa Trắc địa-Bản đồ QLĐĐ tận tình bảo, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ! - 66 - trị đo theo công thức (3.12) với tham số a=5mm, b=1ppm Từ tính tốn thực nghiệm so sánh độ xác vị trí điểm phương án so với kết bình sai lưới theo phần mềm chuyên dụng TBC 3.5 Kết thu Bảng 4.3 TC-04 TC-03 HP-03 HP-02 TC-02 TC-01 054451 054452 Hình 4.2- Sơ đồ lưới thực nghiệm Bảng 4.3- So sánh kết thực nghiệm TT Số hiệu điểm Kết ước tính (cm) Phương án Phương án Kết bình sai (cm) mx my mP mx my mP mx my mP HP02 1.40 0.83 1.63 0.48 0.57 0.75 0.42 0.45 0.62 HP03 1.51 0.85 1.73 0.66 0.76 1.01 0.54 0.56 0.78 TC01 0.83 0.56 1.01 0.38 0.39 0.54 0.25 0.33 0.41 TC02 0.80 0.58 0.98 0.35 0.47 0.59 0.22 0.34 0.40 TC03 1.90 0.99 2.14 0.78 0.69 1.04 0.66 0.52 0.84 TC04 1.85 0.91 2.06 0.53 0.70 0.88 0.63 0.54 0.83 - 67 - Nhận xét: Từ Bảng 4.3 nhận thấy rằng, phương án 1, độ xác vị trí điểm sai lệch nhiều so với kết bình sai, cịn phương án 2, độ xác vị trí điểm sai lệch so với kết bình sai Thực khảo sát số lưới đo thực tế khác nữa, có nhận xét định tính tương tự 4.2 THỰC NGHIỆM TÍNH CHUYỂN TỌA ĐỘ LƯỚI GPS Trong thực nghiệm thực tính chuyển tọa độ lưới GPS hệ tọa độ thi cơng, lấy ví dụ mạng lưới GPS cơng trình xã Bình Lư, huyện Tam Đường, tỉnh Lai Châu (Hình 4.3) Hình 4.3- Sơ đồ lưới thực nghiệm - 68 - Trong Bài tốn 1, thực tính chuyển tọa độ GPS sang tọa độ phẳng hệ tọa độ VN-2000, kinh tuyến trục 103000’00”, múi chiếu 30 Các bước tính chuyển thực phần mềm TBC 2.20, biên tập bảng theo phần mềm DPSurvey (có Phụ lục kèm theo) Theo kết bình sai TBC, tọa độ phẳng bình sai điểm mặt phẳng chiếu hình đồ thu sau (Bảng 4.4): Bảng 4.4- Tọa độ điểm mặt phẳng chiếu hình đồ (H=0m) Số Tên Tọa độ Độ cao TT điểm X (m) Y (m) H (m) GPS1 2471197.861 568591.529 779.150 GPS2 2471383.327 568479.337 774.637 GPS3 2472236.073 568690.337 860.457 GPS4 2472578.871 568895.768 908.596 GPS5 2473050.944 568649.290 911.829 GPS6 2472918.173 569886.795 932.264 Sử dụng máy toàn đạc điện tử Geomax ZTS600 với độ xác đo góc m= 2” độ xác đo cạnh mS=2mm+2ppm để đo kiểm tra số cạnh (Hình 4.4) Đây loại máy tồn đạc điện tử xây dựng tảng kỹ thuật dòng TC,TCR 700 & 800 Leica, quen thuộc Việt Nam So sánh chiều dài cạnh đo máy Hình 4.4- Tồn đạc điện tử Geomax ZTS600 Geomax ZTS600 với chiều dài cạnh lưới tam giác đo GPS, kết thống kê Bảng 4.5 - 69 - Bảng 4.5- So sánh chiều dài cạnh trước tính chuyển Tên cạnh Cạnh đo Cạnh trước tính Sai khác máy ZTS600 chuyển (GPS) (∆S) (m) (m) (mm)  S S GPS2- GPS4 1266.160 1265.994 +166 1: 7.570 GPS3- GPS6 1377.428 1377.234 +194 1: 7.110 GPS4- GPS6 1047.653 1047.502 +151 1: 6.920 Theo kết Bảng 4.5 độ biến dạng chiều dài cạnh GPS  vượt hạn sai cho phép  S   S  Max = 6.920 >  mS  (theo đề cương     S  gh 70.000 phương án kỹ thuật Dự án) Sự biến dạng làm cho lưới khống chế thi cơng khơng đáp ứng độ xác bố trí cơng trình Thực tính chuyển tọa độ phẳng điểm từ mặt phẳng chiếu hình đồ (mặt ellipsoid quy chiếu) lên bề mặt quy chiếu toạ độ cơng trình theo quy trình tính chuyển mục 3.3.3, với độ cao mặt chiếu cơng trình chọn Hm=850m, kết tính chuyển thu sau: KET QUA TINH CHUYEN TOA DO PHANG TRONG CUNG HE QUY CHIEU LUOI GPS THI CONG BINH LU - LAI CHAU ========================== ================================================================= | T | TEN | TOA DO | HE TOA DO VN-2000 | | T | DIEM | TRAC DIA | (Truoc TC) | (Sau TC) | | -| | | GPS1 | 22 20 18.92639 | 2471197.861 | 2471197.724 | | | | 103 39 57.22061 | 568591.529 | 568591.492 | | | -| | | | | | GPS2 | 22 20 24.97220 | 2471383.327 | 2471383.214 | | | | 103 39 53.32838 | 568479.337 | 568479.285 | | | -| | | | | | GPS3 | 22 20 52.66560 | 2472236.073 | 2472236.074 | | | | 103 40 83425 | 568690.337 | 568690.314 | | | -| | | | | | GPS4 | 22 21 3.78073 | 2472578.871 | 2472578.918 | | | | 103 40 8.06720 | 568895.768 | 568895.772 | - 70 - ================================================================= | T | TEN | TOA DO | HE TOA DO VN-2000 | | T | DIEM | TRAC DIA | (Truoc TC) | (Sau TC) | | -| | | GPS5 | 22 21 19.16384 | 2473050.944 | 2473051.054 | | | | 103 39 59.52567 | 568649.290 | 568649.261 | | | -| | | | | | GPS6 | 22 21 14.66769 | 2472918.173 | 2472918.265 | | | | 103 40 42.75746 | 569886.795 | 569886.931 | ================================================================= Thong tin chung: - KINH TUYEN TRUNG DO CAO MAT CHIEU - KINH TUYEN TRUNG DO CAO MAT CHIEU - MUI CHIEU DO UONG TRUOC TINH CHUYEN : : M UONG SAU TINH CHUYEN : : 850 M ELLIPSOID : 1030 0’ 00” 1030 0’ 00” WGS-84 Sử dụng máy toàn đạc điện tử Geomax ZTS600 nói để đo kiểm tra lại số cạnh So sánh chiều dài cạnh đo máy Geomax ZTS600 với chiều dài cạnh đo GPS sau tính chuyển, kết thống kê Bảng 4.6 Bảng 4.6- So sánh chiều dài cạnh sau tính chuyển Tên cạnh Cạnh đo máy ZTS600 (m) Cạnh sau tính chuyển (GPS) (m) Sai khác (∆S) (mm) GPS2- GPS4 1266.160 1266.163 -3 1/422.000 GPS3- GPS6 1377.428 1377.417 +11 1/125.200 GPS4- GPS6 1047.653 1047.641 +12 1/87.300  S S Kết Bảng 4.6 cho thấy, biến dạng chiều dài cạnh giảm  S   =  S  Min 87.300 đáng kể, cạnh có độ biến dạng lớn   mS     S  gh 70 000