Nghiên cứu bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ thống tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời áp dụng cho mạng lưới trắc địa công trình

Nghiên cứu bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ thống tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời áp dụng cho mạng lưới trắc địa công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ -ðỊA CHẤT LÊ VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI ÁP DỤNG CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ -ðỊA CHẤT LÊ VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI ÁP DỤNG CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH Ngành: Kỹ thuật Trắc ñịa – Bản ñồ Mã số : 62520503 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: PGS.TS ðặng Nam Chinh 2: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc HÀ NỘI - 2014 i LỜI CAM ðOAN Tôi cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi. Các số liệu tính toán và kết quả nghiên cứu trình bày trong Luận án là trung thực và chưa từng ñược công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Văn Hùng ii MỤC LỤC Lời cam ñoan………………………………………………………… i Mục lục…… …………………………………………………………. ii Danh mục các chữ viết tắt…………. ………………………………… vi Danh mục các bảng……….……………………………………… vii Danh mục các hình vẽ……… ……………………………………… ix MỞ ðẦU ………………………………………………………… 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH VÀ VẤN ðỀ BÌNH SAI LƯỚI GPS………………………………………………… 7 1.1. Các phương pháp thành lập lưới trắc ñịa công trình 7 1.1.1. Nhóm các phương pháp ño mặt ñất……………………… 8 1.1.2. Phương pháp ño GPS……………………………………. 9 1.1.3. Kết hợp giữa phương pháp ño GPS và phương pháp ño mặt ñất…………………………………………………………………. 10 1.2. Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình………………………………………….………… 11 1.2.1. Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình ở nước ngoài………………………………… 11 1.2.2. Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình ở Việt Nam …………………….…… 13 1.3. Tổng quan về xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa công trình………… ………………………………………… 16 1.3.1. Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa công trình ở nước ngoài 16 1.3.2. Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa công trình ở Việt Nam 19 iii 1.4. Các phần mềm bình sai lưới trắc ñịa ở nước ngoài…………… 21 1.4.1. Phần mềm STAR*NET v.7.1……………… 21 1.4.2. Phần mềm MOVE3 v.4.0.2…………… … 23 1.4.3. Phần mềm COLUMBUS v.3.8…………… …. 24 Chương 2. HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG TRONG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH………………………. 28 2.1. Yêu cầu về hệ quy chiếu ñối với lưới không chế mặt phẳng trắc ñịa công trình…………………………………………… 28 2.1.1. Số hiệu chỉnh do chiếu về mặt phẳng …………………… 28 2.1.2. Số hiệu chỉnh do ñộ cao so với mặt Ellipsoid quy chiếu 32 2.2. Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…… ………………………… 33 2.2.1. Thiết lập hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……………………. 33 2.2.2. Tính ñổi và tính chuyển tọa ñộ…… ……………………. 36 2.2.3. Phương án ño nối tọa ñộ và ñộ cao Quốc gia vào lưới trắc ñịa công trình………………………………………… 47 2.3. Xác ñ ịnh giới hạn sử dụng của hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời trong trắc ñịa công trình……………………………………… 50 2.3.1. Cơ sở lý thuyết………………………………………… 50 2.3.2. Xác ñịnh bán kính khu vực sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời………………………………………………… 51 2.3.3. Khảo sát biến dạng góc ngang…………………………… 57 2.3.4. Tính phạm vi khu ño theo giới hạn biến dạng góc ngang 59 2.3.5. Nhận xét…………………….…………………………… 60 2.4. Sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời thay thế phép chiếu UTM trong trắc ñịa công trình dân dụng và công nghiệp…………… 61 2.4.1. So sánh lưới chiếu phẳng UTM với hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……………………………………………………………… 61 iv 2.4.2. Ưu nhược ñiểm khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 63 2.4.3. Những lưu ý khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời … 63 Chương 3. BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI……………… 65 3.1. Trị ño 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 3.2. Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm…… 74 3.2.1. Khái quát chung…………………………………………. 74 3.2.2. Thuật toán bình sai gián tiếp lưới GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm……………………… 74 3.3. Bình sai lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…………………… 76 3.3.1. Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…… 76 3.3.2. Bình sai lưới GPS kết hợp với trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…………………………………… 82 3.3.3. Khả năng ứng dụng phép lọc Kalman trong bình sai kết hợp (chia nhiều giai ñoạn)……………………………… 88 3.3.4. Bình sai kết hợp lưới không gian và lưới mặt ñất……… 94 Chương 4. XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI………………………………………………………… 96 4.1. Chương trình bình sai kết hợp………………………………. 96 4.1.1. Quy trình bình sai lưới GPS kết hợp các trị ño góc cạnh trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 96 v 4.1.2. Sơ ñồ khối 99 4.2. Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…………………………………. 101 4.2.1. Ngôn ngữ lập trình 101 4.2.2. Xây dựng phần mềm 101 4.3. Tính toán thực nghiệm………… …………………………… 106 4.3.1. Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất công trình nhà máy lọc dầu Dung Quất ………………………… 106 4.3.2. Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất 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 ðà CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ…. 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………. 119 PHỤ LỤC 1…………………………………………………………… 127 PHỤ LỤC 2…………………………………………………………… 129 PHỤ LỤC 3…………………………………………………………… 131 PHỤ LỤC 4…………………………………………………………… 133 PHỤ LỤC 5…………………………………………………………… 138 PHỤ LỤC 6…………………………………………………………… 144 PHỤ LỤC 7…………………………………………………………… 150 PHỤ LỤC 8…………………………………………………………… 158 PHỤ LỤC 9…………………………………………………………… 160 PHỤ LỤC 10………………………………………………………… 162 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Ý nghĩa 1 GPS Global Positioning System 2 GNSS Global Navigation Satellite Systems 3 Hệ ñịa tâm Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm 4 Hệ ñịa diện Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời 5 IGS The International GNSS Service 6 ITRF The International Terrestrial Reference Frame 7 NMXM Nhà máy xi măng 8 KCN Khu công nghiệp 9 TðCT Trắc ñịa công trình 10 TððT Toàn ñạc ñiện tử 11 SSTPðVTS Sai số trung phương ñơn vị trọng số 12 SSTP Sai số trung phương 13 UTM Universal Transverse Mercator 14 VLBI Very long baseline interferometry 15 WGS-84 World Geodetic System 84 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Một số máy TððT chính xác (sử dụng ñể ño các lưới khống chế mặt bằng) 7 1.2 Một số máy TððT ñộ chính xác cao (sử dụng ñể ño các lưới khống chế có ñộ chính xác cao và quan trắc biến dạng công trình) 8 2.1 Bảng biến dạng chiều dài khi chiếu cạnh từ mặt ñất về mặt Ellipso id 32 2.2 Số liệu tọa ñộ trắc ñịa ban ñầu 39 2.3 Số liệu tọa ñộ ñịa diện ban ñầu 44 2.4 Tọa ñộ trắc ñịa B,L H của các ñiểm xét 57 2.5 Tọa ñộ ñiểm quy chiếu G của hệ ñịa diện trong các phương án 58 2.6 Giá trị biến dạng góc ngang β δ và số cải chính biến dạng β ∆ 58 2.7 Giá trị biến dạng góc khi sử dụng hệ ñịa diện 60 3.1 Một số ñặc trưng kỹ thuật của các mạng lưới khảo sát 69 3.2 Các yếu tố sau bình sai lưới theo 3 phương án trọng số 70 3.3 Sai khác lớn nhất về tọa ñộ và kết quả ñánh giá ñộ chính xác 71 3.4 Các yếu tố sau bình sai lưới theo 3 phương án trọng số 71 3.5 Sai khác lớn nhất về tọa ñộ và kết quả ñánh giá ñộ chính xác 71 3.6 Sai số khép giới hạn trong vòng khép GPS 74 4.1 So sánh sai số vị trí ñiểm mạng lưới nhà máy lọc dầu Dung Quất 107 viii 4.2 So sánh tọa ñộ trắc ñịa giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy nhà máy lọc dầu Dung Quất 108 4.3 So sánh sai số trung phương vị trí ñiểm giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy nhà máy lọc dầu Dung Quất 109 4.4 So sánh sai số tương ñối cạnh mạng lưới NMXM Thái Nguyên 111 4.5 So sánh tọa ñộ trắc ñịa giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy NMXM Thái Nguyên 113 4.6 So sánh sai số trung phương vị trí ñiểm giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy NMXM Thái Nguyên 114 [...]... quan v ng d ng công ngh GPS trong xây d ng lư i tr c ñ a công trình và v n ñ bình sai lư i GPS 6 Chương 2: H t a ñ ñ a di n chân tr i và kh năng s d ng trong tr c ñ a công trình Chương 3: Bình sai k t h p tr ño GPS và tr ño m t ñ t trong h t a ñ ñ a di n chân tr i Chương 4: Xây d ng ph n m m x lý s li u bình sai k t h p GPS và tr ño m t ñ t trong h t a ñ ñ a di n chân tr i 3 Ph n k t lu n và ki n ngh... và h t a ñ vuông góc ph ng theo phép chi u UTM - Xác ñ nh gi i h n s d ng h t a ñ ñ a di n chân tr i trong TðCT; - V n ñ tính tr ng s tr ño tương quan trong bình sai lư i GPS; - Nghiên c u v bình sai lư i GPS trong h t a ñ vuông góc không gian ñ a tâm (X,Y,Z), h t a ñ ñ a di n chân tr i; 4 - Nghiên c u v bình sai k t h p GPS v i các tr ño m t ñ t trong h t a ñ ñ a di n chân tr i v i phương trình tr ño... ñ a và GPS [16] Liên quan ñ n v n ñ bình sai còn có nghiên c u v Bình sai lư i GPS trong h t a ñ vuông góc không gian ñ a di n chân tr i”[12], nghiên c u t p trung vào v n ñ x lý s li u GPS trong h t a ñ ñ a di n; Liên quan ñ n v n ñ tính chuy n tr ño GPS có nghiên c u c a PGS.TS Nguy n Quang Phúc, TS.Tr n Vi t Tu n v phương pháp “Tính chuy n t a ñ GPS sau bình sai v h t a ñ ñ a di n, t ñó d a vào... bài báo trình bày m t s thu t toán h n h p lư i m t ñ t và GPS v i các mô hình khác nhau như: bình sai h n h p ñ xác ñ nh 7 tham s tính chuy n, bình sai h n h p khi s d ng tr ño GPS, bình sai trên Ellipsoid, bình sai h n h p ñ xác ñ nh 4 tham s tính chuy n, bình sai lư i m t ñ t và GPS khi tính chuy n tr ño GPS thành các gia s t a ñ , phương v và c nh; phương pháp x lý và k thu t thu t Bình sai tính... phương pháp bình sai gián ti p b ng k thu t ma tr n thưa k t h p công th c truy h i, bình sai chia kh i b ng các m t c t song song, tính chuy n t a ñ WGS-84 v h t a ñ HN-72 Nh ng nghiên c u v bình sai k t h p gi a các tr ño GPS và các tr ño m t ñ t còn ñư c m t s tác gi khác công b như: Nghiên c u phương pháp bình sai k t n i lư i m t ñ t và lư i GPS trong TðCT [26], Nghiên c u phương pháp thành l p và x... các tr ño t i các tr m máy g n như nhau và s ñư c lo i b v cơ b n trong các phương trình hi u pha 1.2.2 ng d ng công ngh GPS trong xây d ng lư i tr c ñ a công trình Vi t Nam Trong công tác TðCT, công ngh GPS ñã ñư c nghiên c u ng d ng theo t ng giai ño n t thi t k , thi công ñ n giai ño n s d ng công trình Trong giai ño n kh o sát, thi t k công trình, công ngh GPS ñư c ng d ng ñ thành l p lư i TðCT... Chương 1 T NG QUAN V NG D NG CÔNG NGH GPS TRONG XÂY D NG LƯ I TR C ð A CÔNG TRÌNH VÀ V N ð BÌNH SAI LƯ I GPS 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH L P LƯ I TR C ð A CÔNG TRÌNH Lư i kh ng ch TðCT thư ng ñư c xây d ng theo các phương pháp truy n th ng như phương pháp tam giác (ño góc, ño c nh ho c ño góc- c nh), phương pháp ñư ng chuy n (ña giác), phương pháp giao h i, phương pháp ño b ng GPS Các th h máy TððT v i... ño GPS MNXM Thái Nguyên 110 4.11 M ng lư i GPS k t h p các tr ño góc c nh MNXM Thái Nguyên 111 1 M ð U 1 Tính c p thi t c a lu n án Công ngh GPS ñư c ng d ng trong tr c ñ a không ch là s thay ñ i quan tr ng trong công ngh ño ñ c mà còn d n ñ n s thay ñ i trong phương pháp x lý k t qu ño, ñó là phương pháp bình sai lư i t a ñ trong không gian 3 chi u (3D) s d ng các véc tơ c nh ño thay cho bình sai. .. n ñ bình sai lư i tam giác trong không gian (3D) tuy ñã ñư c Bruns ñ xu t t năm 1878, nhưng cho mãi ñ n năm 1957 Hotine m i phát tri n ñ y ñ lý thuy t c a phương pháp này và d a vào ñó Brazier cùng v i Windsor (1957) ñã công b k t qu bình sai th m t lư i tam giác trong không gian 3D, ñ ng th i cũng ñã so sánh v i k t qu bình sai theo phương pháp tách bi t M t s v n ñ quan tr ng trong bình sai lư i... Theo phương pháp s bình phương nh nh t, ñ bình sai ch t ch các m ng lư i tr c ñ a chúng ta có th áp d ng phương pháp bình sai ñi u ki n và cũng có th áp d ng phương pháp bình sai gián ti p V i phương ti n tính toán là máy tính ñi n t , ngư i ta thư ng s d ng phương pháp bình sai gián ti p vì tính khái quát cao c a thu t toán này Trong nh ng năm trư c 1980, khi chưa có các tr ño c a công ngh GPS, h t a . Bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời Chương 4: Xây dựng phần mềm xử lý số liệu bình sai kết hợp GPS và trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân. GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm……………………… 74 3.3. Bình sai lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời ………………… 76 3.3.1. Bình sai lưới GPS. hạn sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời trong TðCT; - Vấn ñề tính trọng số trị ño tương quan trong bình sai lưới GPS; - Nghiên cứu về bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa