Đồ án ỨNG DỤNG GPS cầm TAY TRONG VIỆC CHỈNH lý

MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 4 1.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống GPS 4 1.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS 5 1.1.2. Đoạn không gian (Space Segment) 6 1.1.3. Đoạn điều khiển (Control Segment) 7 1.1.4. Đoạn sử dụng (User Segment) 9 1.2. Các phương pháp đo GPS 9 1.2.1. Đo tuyệt đối 10 1.2.2. Đo tương đối 14 1.3. Một số công nghệ đo hiện nay 21 1.3.1. Công nghệ RTK 21 1.3.2. bổ xung thêm bản tin số 3 và 32 dành cho giả khoảng cách GPS và GLONASS. 22 1.3.3. Công nghệ VRS 23 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác định vị GPS 25 1.4.1. Các nhiễu cố ý 26 1.4.2. Về thời gian đo 26 1.4.3. Các kỹ thuật đo 26 1.4.4. Phân loại sai số và các biện pháp khắc phục 27 1.5. Giới thiệu một số máy GPS cầm tay và chức năng của nó 32 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ GIS 38 2.1. Giới thiệu chung về GIS 38 2.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý 39 2.3. Ứng dụng GIS trong Môi trường 42 2.4. Ứng dụng GIS trong Khí tượng thuỷ văn 43 2.5. Ứng dụng GIS trong Nông nghiệp, quản lý đất đai 43 2.6. Ứng dụng GIS trong Dịch vụ tài chính 43 2.7. Ứng dụng GIS trong Y tế 43 2.8. Ứng dụng GIS cho Chính quyền địa phương 43 2.9. Ứng dụng GIS trong thị trường Bán lẻ 44 2.10. Ứng dụng GIS trong Giao thông 44 2.11. Ứng dụng GIS cho Các dịch vụ điện, nước, gas, điện thoại 44 2.11.1. Cơ sở dữ liệu địa lý 45 2.11.2. Dữ liệu vector 45 2.12. Dữ liệu raster 51 2.12.1. Khái niệm dữ liệu raster 51 2.12.2. Đặc điểm 53 2.12.3. Các loại cấu trúc Raster 54 2.12.4. Ưu nhước điểm của cấu trúc raster 55 Chương 3 ĐO ĐẠC CHỈNH LÝ VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ TUYẾNN ĐƯỜNG ĐẠI LỘTHĂNG LONG 59 3.1. Quy định chung. 59 3.2. Quy trình công nghệ 59 3.2.1. Chọn điểm đặt Trạm BASE 60 3.2.2. Đo đạc, chỉnh lý và thu thập thông tin đối với trạm ROVE 60 3.2.3. Tính toán nội nghiệp 64 3.3. Thực hành đo chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường Đại lộ Thăng Long 68 3.3.1. Thực hành đo chỉnh lý 68 3.3.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường Đại lộ Thăng Long. 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 MỞ ĐẦU Dưới tác động thường xuyên liên tục của các hoạt động tự nhiên và xã hội, các đối tượng được thể hiện trên bản đồ cũng thường xuyên bị thay đổi. Vì vậy việc cập nhật, chỉnh lý bản đồ, thu thập thông tin địa lý cho các đối tượng là cần thiết và phải làm thường xuyên vì nó mang lại tính thời sự của tờ bản đồ. Từ trước đến nay người ta thường cập nhật chỉnh lý bản đồ theo một số phương pháp sau: Phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ bằng máy toàn đạc điện tử: Dùng máy toàn đạc điện tử tiến hành đo vẽ bổ sung các đối tượng mới xuất hiện ngoài thực địa mà trên bản đồ không có hoặc các đối tượng đã có trên bản đồ nhưng ngoài thực địa đã bị thay đổi. Phương pháp này đòi hỏi nhiều nhân lực, tốn nhiều kinh phí, thường mất rất nhiều thời gian do phải làm các công tác ngoại nghiệp nhiều như: thành lập lưới khống chế trắc địa, lưới khống chế đo vẽ và đo vẽ chi tiết. Công tác thu thập thông tin thuộc tính của các đối tượng hầu như phải làm thủ công như: vẽ sơ đồ, ghi chú các thuộc tính của đối tượng vào sổ đo, sau đó phải thêm công đoạn nhập các thông tin thuộc tính đó vào cơ sở dữ liệu. Phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ bằng công nghệ ảnh hàng không: Từ những tư liệu địa hình đã có kết hợp với tư liệu ảnh hàng không, ảnh viễn thám người ta tiến hành giải đoán các đối tượng cần chỉnh lý trên trạm ảnh số và điều tra đối soát ngoài thực địa. Phương pháp này vừa phải kết hợp giữa công tác giải đoán ảnh nội nghiệp với công tác điều tra ngoại nghiệp, trong đó việc đối soát ngoại nghiệp chiếm phần lớn thời gian. Hạn chế lớn nhất của phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ bằng công nghệ ảnh hàng không đó là: + Tư liệu ảnh hàng không sử dụng cho chỉnh lý bản đồ đòi hỏi phải mới. Việc tiếp cận nguồn tư liệu ảnh hiện nay còn hạn chế không phải lúc nào cũng đáp ứng được yêu cầu vì phụ thuộc vào nhà cung cấp. + Quy trình chỉnh lý phức tạp do phải thực hiện hai công đoạn là: đo vẽ, giải đoán nội nghiệp và đi thực địa để đối soát ngoại nghiệp. 1 + Việc thu thập thông tin địa lý cho các đối tượng vẫn phải làm thủ công, không cho phép tự động từ khâu đầu đến khâu cuối do vậy dễ nhầm lẫn không thống nhất. Chính vì những lý do trên việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh kết hợp với phần mềm chuyên dụng được cài đặt sẵn trên máy thu GPS để cập nhật, chỉnh lý bản đồ là một vấn đề cần thiết và cấp bách. Phương pháp này có những ưu điểm sau: + Không đòi hỏi nhiều nhân lực, một cá nhân cũng có thể tham gia cập nhật, chỉnh lý bản đồ và thu thập thông tin một cách nhanh chóng, chính xác. + Quy trình đo đạc, chỉnh lý và cập nhật thông tin được tiến hành một cách tự động hoàn toàn theo một chu trình khép kín. Với bộ công cụ cho phép thu thập thông tin một cách nhanh chóng, hiệu quả và chính xác, dữ liệu được cập nhật có thể xuất sang định dạng *.dgn để phục vụ trực tiếp trong quá trình biên tập bản đồ hoặc định dạng *.mdb, *.shp để phục vụ cho việc thu thập cơ sở dữ liệu thông tin địa lý. Những dữ liệu xuất ra có thể kết nối với các phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu như Mapinfo, Geomedia, Geoconcept, ArcGis… + Làm giảm đáng kể công tác đo đạc ngoại nghiệp so với phương pháp sử dụng máy toàn đạc điện tử. + Không phụ thuộc vào nguồn tư liệu ảnh như ở phương pháp chỉnh lý bằng ảnh hàng không. + Đáp ứng yêu cầu cấp thiết, nhanh chóng, phục vụ đắc lực, kịp thời cho các hoạt động của quân đội. + Đây là quy trình khép kín nhưng lại có tính mở: đó là sự lựa chọn trang thiết bị máy thu GPS, các phần mềm ứng dụng đa dạng đáp ứng với yêu cầu ngày càng cao của công tác đo vẽ thành lập bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin địa lý. Xuất phát từ nhu cầu thực tế hằng năm của các Ban Bản đồ trong Quân đội nhân dân Lào cần đo đạc, cập nhật và chỉnh lý một khối lượng lớn các loại bản đồ địa hình với nhiều tỷ lệ khác nhau. Chính vì những lý do đó mà tôi đã 2 chọn đề tài: “Ứng dụng GPS cầm tay trong việc chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường đại lộ Thăng Long” với mong muốn xây dựng một quy trình đo đạc chỉnh lý thu thập thông tin địa lý khoa học hơn, phù hợp với điều kiện trang thiết bị hiện có trong Quân đội nhân dân Lào để giúp cho ngành Bản đồ QĐND Lào tiết kiệm một lượnng đáng kể thời gian và kinh phí trong công tác đo đạc và thu thập thông tin địa lý. * Nội dung đồ án bao gồm: Chương I : Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương II: Tổng quan về GIS. Chương III: Đo đạc chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường đại lộ Thăng Long . Kết luận Hà nội, ngày… tháng năm 2013 Học viên thực hiện 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống GPS GPS là từ viết tắt của Global Positioning System, là hệ thống định vị toàn cầu do Bộ Quốc phòng Hoa kỳ triển khai và đưa vào hoạt động từ những năm 80 của thế kỷ 20, nhằm cung cấp thong tin phục vụ mục tiêu định vị và dẫn đường cho quân sự và dân sự. Tín hiệu định vị và dẫn đường bằng vệ tinh GPS được phát lien tục 24 giờ một ngày, trong mọi điều kiện thời tiết, phủ trùm trên toàn trái đất. Hệ thống GPS được xây dựng trên cơ sở một hệ thống bao gồm 24 vệ tinh NAVSTAR có độ cao bay 20200 km. Các vệ tinh này được coi là các điểm tham chiếu trong không gian để từ đó các máy thu tín hiệu vệ tinh GPS đặt dưới bề mặt trái đất xác định được vị trí hiện thời của chúng. Dưới đây là mô hình của hệ thống định vị vệ tinh GPS. Hình 1.1: Sơ đồ quỹ đạo bay của các vệ tinh GPS Sở dĩ có thể xem các vệ tinh như các điểm tham chiếu bởi vì quỹ đạo bay của chúng đã được xác định và giám sát liên tục một cách rất chính xác thông qua các trạm điều khiển mặt đất. Bằng cách đo khoảng thời gian di chuyển của 4 các tín hiệu được truyền đi từ các vệ tinh, máy thu tín hiệu định vị vệ tinh GPS đặt trên bề mặt trái đất có thể xác định được khoảng cách từ chúng tới mỗi vệ tinh. Với khoảng cách đo được từn 4 vệ tinh trở lên kết hợp với một số thuật toán được cài đặt sẵn trong bộ vi xử lý của máy thu có thể tính được toạ độ (vĩ độ, kinh độ, độ cao), hướng và tốc độ di chuyển . Trong thực tế, các loại máy thu tín hiệu định vị vệ tinh GPS có cấu hình tốt có thể xác định được vị trí của chúng tại bất kỳ nơi nào trên trái đất với độ chính xác cỡ centimet, khoảng thời gian để thực hiện việc xác định vị trí này chỉ là một vài giây. Thêm vào đó là khả năng xử lý tín hiệu tiên tiến do đó chỉ cần các ăng ten rất nhỏ đã có thể thu được các tín hiệu phát đi từ vệ tinh kể cả các tín hiệu rất yếu, chính vì vậy mà các máy thu tín hiệu định vị vệ tinh GPS ngày càng có kích thước gọn nhỏ nhưng các tính năng hoạt động lại cao cấp hơn. Một đặc điểm trội hơn tất cả các đặc điểm khác của hệ thống GPS, đó là việc tất cả mọi người đều được quyền khai thác miễn phí tín hiệu GPS mà không cần khai báo hoặc đăng ký quyền sử dụng với nhà sản xuất và số lượng người dùng không hạn chế. Với tất cả các đặc điểm trên, chúng ta cũng dễ dàng nhận thấy tại sao công nghệ GPS lại phát triển mạnh và nhanh chóng trở thành phổ cập trên toàn cầu trong định vị và dẫn đường. Ngày nay GPS thực sự là một hệ thống với đầy đủ các tính năng mạnh mẽ, phục vụ cho tất cả mọi người sử dụng tại bất kỳ nơi nào trên thế giới. Cùng với hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ, Nga có hệ thống định vị toàn cầu GLONASS, Các nước Châu Âu (EU) có hệ thống định vị toàn cầu GALILEO, Trung Quốc đang triển khai xây dựng hệ thống định vị toàn cầu Bắc Đẩu (COMPASS). 1.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS Hệ thống GPS là một hệ thống kỹ thuật rất phức tạp, song xét theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần, bao gồm: • Đoạn không gian (Space segment) • Đoạn điều khiển (Control segment) • Đoạn sử dụng (User segment) 5 Hình 1.2: Các thành phần cấu tạo Hệ thống định vị toàn cầu GPS. 1.1.2. Đoạn không gian (Space Segment) Đoạn không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các quỹ đạo xác định trên Trái Đất. Các quỹ đạo này đều nằm trên một trong 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55 0 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất và cách nhau 60 0 , quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn. Vệ tinh bay ở độ cao 20200 km so với mặt đất, chu kỳ chuyển động của vệ tinh là 718 phút, tức là khoảng gần 12 giờ. Với cách bố trí vệ tinh trong không gian như vậy đảm bảo vào bất kỳ một thời điểm nào tại một vị trí bất kỳ trên trái đất đều thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh khác nhau. Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời và gắn tên lửa nhỏ ở mỗi quả vệ tinh để giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định. Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao cỡ 10 -12 . Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23Mhz, và từ đây tạo 6 ra các sóng tải tần số L1=1575,42Mhz và L2=1227,60Mhz. Người ta sử dụng 2 tần số song tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly. Hình 1.3: Vệ tinh GPS. 1.1.3. Đoạn điều khiển (Control Segment) Đoạn điều khiển được đặt trên mặt đất, hệ thống này gồm bốn trạm quan sát, một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và bốn trạm giám sát, truyền tin đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Assension Islands (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Thái Bình Dương).Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất để điều khiển, theo dõi mọi hoạt động và thu thập thông tin của tất cả các vệ tinh trong hệ thống. Tất cả các số liệu thu nhận được ở các trạm điều được chuyển về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu được chuyển về cùng với số liệu của chính nó. Kết quả xử lý cho ra lịch thiên văn (Ephemeris) chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Từ trung tâm, các số liệu này lại được truyền trở lại các trạm theo dõi rồi truyền tiếp cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác. 7 Hình 1.4: Các trạm quan sát đoạn điều khiển thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ. Ngoài các trạm quan sát thuộc hệ thống quan sát của Bộ Quốc phòng Mỹ, hệ thống GPS còn sử dụng một số trạm quan sát khác thuộc mạng lưới thường xuyên của Cơ quan Bản đồ và ảnh quốc gia NIMA.(Nay là NGA). Hình 1.5: Các trạm quan sát trong đoạn điều khiển GPS thuộc NGA 8 [...]... pháp đo GPS Có rất nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng trong việc đo đạc sử dụng công nghệ GPS Mỗi phương pháp thu nhận số liệu khác nhau rất nhiều về độ chính xác, thời gian đo, hiệu suất công việc nói chung như: Phương pháp đo GPS tuyệt đối, đo GPS tương đối, đo vi phân (DGPS) Trong những phương pháp đo cơ bản này lại gồm có nhiều kiểu cách đo khác nhau: 10 Bảng 1.1: Các phương pháp đo GPS Phương... trong thời gian thực Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý công nghệ VRS Nhờ độ chính xác đạt đến cỡ cm mà hiện nay giải pháp VRS đã có mặt trên toàn cầu với những ứng dụng to lớn trong công tác đo đạc làm bản đồ, xây dựng vv Do tầm phủ sóng cho phép không vượt quá 70 km mà mạng lưới VRS đòi hỏi mật độ rất cao Hiện các quốc gia phát triển đều sử dụng công nghệ VRS trong các ứng dụng về đo đạc, thành lập bản đồ, ...9 1.1.4 Đoạn sử dụng (User Segment) Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh và kể cả các phần mềm tính toán, xử lý để khai thác và sử dụng cho các mục đích khác nhau của người dung Máy thu GPS là một phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ các tiến bộ trong lĩnh vực điện tử, viễn thong và kỹ thuật thong tin tín hiệu số mà các máy thu GPS ngày càng hoàn... Phần mềm GPS Terasync và các phần mềm khác Tính năng tác dụng: + Máy vừa đo tĩnh, vừa đo động + Dẫn đường, tìm điểm + Chỉnh lý bản đồ, giao thông… + Thu nhận và lưu trữ dữ liệu đo định vị + Đo vẽ bản đồ, cập nhật thông tin… Trong nội dung đồ án tôi sẽ đi sâu vào giới thiệu, chức năng và một số thao tác chính của máy GPS Geo XT 2005 d Máy GeoExplorer XT2005 Đặc tính của máy: Hình 1.22: Máy GPS Juno... Sai số của đồng hồ (Máy thu và vệ tinh) Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để xử lý Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các... thu là một trong các nguồn sai số hệ thống trong đo đạc định vị bằng công nghệ GPS Mặc dù sự thay đổi này ảnh 29 hưởng không lớn đến kết quả đo đạc, song để đạt được độ chính xác cao, nguồn sai số này không thể bỏ qua, đặc biệt trong đo độ cao bằng GPS Trong mục này phân tích các đặc tính của nguồn sai số đó, cơ sở lý thuyết các phương pháp mô hình hóa sự thay đổi tâm pha anten Để tính toán ảnh hưởng... pha (phase) của bước sóng giữa vệ tinh và máy thu và cho độ chính xác cao Một số máy GPS đang sử dụng trong Quân đội a Máy GPS Garmin - GPS cầm tay du lịch - Đo tuyệt đối: khoảng 5-10 mét - Dùng 2 pin AA - Có 6 phím cơ bản - Máy có 5 màn hình chính Hình 1.20: Máy GPS Garmin - Dẫn đường, tìm điểm… b Máy GPS Explorist 500 - 14 kênh song song - Kích thước 11,3x5,3x3,3 cm 33 - Trọng lượng máy 110 gam... nhau một tiếng đồng hồ, có tác dụng tương đương như phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng 21 Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có được ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát Điều đáng chú ý là máy thu không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận chuyển... trừ một cách đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát Ảnh hưởng của tầng đối lưu chỉ có tác dụng xấu đối với các trị đo trên khoảng cách dài mà không có ảnh hưởng đáng kể trên khoảng cách ngắn Trước kia để khắc phục sai số này người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, … để tính ra các trị số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của tầng đối lưu Ngày nay, các phần mềm đã sử dụng số hiệu chỉnh theo mô... nhất 1 hay 2 Cần ít nhất là 5 vệ tinh cho việc tự động khởi đo lần ghi số liệu (epochs) Phải có bộ liên kết sóng radio giữa máy trạm tĩnh và trạm di động 1.2.1 Đo tuyệt đối 11 a Nguyên lý định vị tuyệt đối Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh, từ đó tính ra toạ độ của điểm quan sát trong hệ thống toạ độ WGS-84 Đó có thể là các