Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác đo cao gps trong điều kiện việt nam

CÁC BỘ KHOA HỌC THỰC HIỆN CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI PGS.TS Đặng Nam Chinh Đại học Mỏ - Địa chất TS Lê Minh Tá Đại học Mỏ - Địa chất Th.S Trần Thuỳ Dương Đại học Mỏ - Địa chất KS Phạm Hoàng Long Đại học Mỏ - Địa chất KS Bùi Khắc Luyên Đại học Mỏ - Địa chất KS Nguyễn Gia Trọng Đại học Mỏ - Địa chất KS Nguyễn Thị Thu Hiền Viện nghiên cứu địa KS Phan Ngọc Mai Cục đo đạc đồ KS Nguyễn Tuấn Anh Trung tâm viễn thám 10 Th.S Phạm Thị Hoa Trường Cao đẳng Tài nguyên Môi trường TÓM TẮT Đề tài định hướng vào việc nghiên cứu giải pháp nhằm nâng cao độ xác kết đo cao GPS điều kiện Việt Nam mà mục tiêu cụ thể đạt tới độ xác tương đương thuỷ chuẩn hạng III nhà nước Trên sở phân tích cơng thức đo cao GPS xét phương án triển khai phương pháp đo cao thực tế, đề tài nêu yêu cầu độ xác cho hai thành phần kết đo cao GPS đo GPS xác định dị thường độ cao nhằm đáp ứng mục đích đạt độ xác đặt cho độ cao chuẩn Đề tài sâu phân tích khảo sát nguồn sai số kết xác định độ cao trắc địa GPS, cụ thể xét ảnh hưởng sai số toạ độ mặt sai số độ cao điểm đầu véctơ cạnh, ảnh hưởng chiều dài véctơ cạnh, ảnh hưởng thân sai số đo GPS Vấn đề nghiên cứu giải xác định dị thường độ cao, mà cụ thể xét hai cách giải bản, : xác định trực số liệu trọng lực xác định gián phương pháp nội suy sở sử dụng số liệu đo GPS đo thuỷ chuẩn chủ yếu Theo cách thứ xuất phát từ sở lý thuyết sâu khảo sát, luận chứng yêu cầu độ xác, mật độ độ rộng vùng cần đo trọng lực áp dụng lý thuyết hàm hiệp phương sai dị thường trọng lực kết hợp với số liệu thực tế Việt Nam, đồng thời sử dụng lý thuyết xây dựng mô hình trọng trường nhiễu Đã khảo sát hai phương pháp việc tính dị thường độ cao theo số liệu trọng lực sử dụng cơng thức tích phân Stokes sử dụng collocation sở rút nhận xét, so sánh cho việc sử dụng chúng Đáng ý đề tài xét mối quan hệ dị thường độ cao trọng lực với độ cao trắc địa độ cao chuẩn để sở cần thiết phải tính đến sử dụng kết hợp kết đo cao GPS với kết đo thuỷ chuẩn đo trọng lực Theo cách xác định gián tiếp dị thường độ cao đề tài khảo sát phương pháp nội suy dị thường độ cao mơ hình, nội suy tuyến tính, nội suy theo đa thức bậc hai, nội suy kriging, nội suy collocation nội suy spline Tiếp tiến hành khảo sát dựa số liệu thực tế nước ta có số liệu trọng lực số liệu độ cao địa hình Cuối đề tài triển khai thực nghiệm đo cao GPS khu vực đồng chuyển tiếp sang trung du thuộc địa phận Sóc sơn- Tam đảo Kết đo đạc xử lý tính tốn với dạng số liệu đo GPS, đo thuỷ chuẩn số liệu trọng lực cho thấy khu vực thực nghiệm đạt kết đo cao GPS với độ xác tương đương thuỷ chuẩn hạng III nhà nước MỞ ĐẦU Độ cao ba thành phần toạ độ xác định vị trí điểm xét Tuỳ thuộc vào bề mặt khởi tính chọn, có hệ thống độ cao khác Các hệ thống độ cao sử dụng rộng rãi thực tế thường có bề mặt khởi tính gần với mực nước biển trung bình Trái đất Đó mặt geoid hệ thống độ cao hay mặt quasigeoid hệ thống độ cao chuẩn Thành phần chủ yếu hai loại độ cao độ cao đo đựơc- tổng chênh cao nhận trạm máy theo phương pháp đo cao hình học (đo cao thuỷ chuẩn) từ điểm gốc độ cao mặt biển đến điểm xét Bằng cách tính thêm vào độ cao đo số hiệu chỉnh tương ứng ta có độ cao chính, độ cao chuẩn hay độ cao động học Ngoại trừ độ cao động học thích ứng chủ yếu cho mục đích thuỷ văn, độ cao độ cao chuẩn sử dụng rộng rãi công tác trắc địa-bản đồ nói riêng cho nhiều ngành khoa học-kỹ thuật nói chung Hệ thống độ cao chuẩn biết đến cách không lâu, từ khoảng kỷ trước, có ưu điểm chặt chẽ mặt lý thuyết, đơn giản mặt tính tốn Trên thực tế số hiệu chỉnh phân biệt độ cao chính, độ cao chuẩn độ cao đo thường nhỏ đến mức bỏ qua nhiều trường hợp khơng địi hỏi độ xác cao Chính phần tiếp theo, trừ trường hợp cần phân biệt rạch ròi, gọi chung ba loại độ cao “độ cao thủy chuẩn” để nhấn mạnh nguồn gốc xuất xứ chúng rút từ kết đo cao thuỷ chuẩn Đo cao thuỷ chuẩn phương pháp đo cao truyền thống có lịch sử hình thành phát triển từ nhiều kỷ Nó xem phương pháp đo cao xác với quy mơ trải dài hàng trăm, hàng nghìn kilơmét Tuy dạng đo đạc tốn cơng sức có hạn chế không khả thi điều kiện mặt đất có độ dốc lớn bị ngăn cách sình lầy, bị bao phủ biển Sự đời cơng nghệ định vị tồn cầu (GPS) đưa lại phương pháp cho việc xác định độ cao - phương pháp đo cao GPS Phương pháp cho phép khắc phục nhược điểm nêu phương pháp đo cao thuỷ chuẩn truyền thống, thu hút quan tâm ngày rộng rãi người làm công tác trắc địa-bản đồ khắp giới có Việt Nam Vấn đề đặt để nâng cao độ xác phương pháp đo cao GPS ngang tầm chí vượt so với đo cao thuỷ chuẩn Ở nước cơng nghệ GPS cho phép xác định vị trí tương đối mặt với sai số cỡ xentimét, chí milimét khoảng cách tới hàng trăm, hàng ngàn kilômét Công nghệ tỏ hữu hiệu việc truyền độ cao, song lại phụ thuộc chủ yếu trước hết vào mức độ phức tạp trọng trường Trái đất vùng xét Ở nước phát triển Mỹ, Nga , Đức , Úc có mạng lưới trọng lực dày đặc rộng khắp, người ta sử dụng đo cao GPS thay cho đo cao thuỷ chuẩn xác tới hạng II Ở Hungari có dự án sử dụng đo cao GPS để phát triển mạng lưới độ cao hạng III phạm vi toàn quốc Với mục đích tiếp tục nâng cao độ xác cơng tác đo cao GPS người ta tìm cách xây dựng mơ hình quasigeoid chi tiết với độ xác tới 1-2 xentimét phạm vi lãnh thổ quốc gia Từ đầu thập niên cuối kỷ trước, sau công nghệ GPS du nhập vào Việt Nam, công tác đo cao GPS quan tâm kịp thời Có nhiều cơng trình khảo sát thực nghiệm triển khai Nhiều đơn vị sản xuất mạnh dạn áp dụng đo cao GPS để xác định độ cao cho điểm khống chế phục vụ đo vẽ địa hình, khảo sát giao thơng, thuỷ lợi… Thậm chí Tổng cục Địa có quy định tạm thời cho cơng tác đo cao GPS Song kết khảo sát đo đạc thực tế cho thấy điều kiện số liệu trọng lực cịn hạn chế khó tiếp cận Việt Nam, phương pháp đo cao GPS đảm bảo xác định độ cao thuỷ chuẩn với độ xác phổ biến tương đương thuỷ chuẩn kỹ thuật, số trường hợp đạt tương đương thuỷ chuẩn hạng IV, mà chủ yếu lại cho vùng đồng trung du, điều quan trọng dự đoán chắn trước triển khai đo đạc Do vậy, nâng cao độ xác đo cao GPS điều kiện Việt Nam nhu cầu bách thực tế đo đạc-bản đồ nước ta Với mong muốn góp phần giải tốn đặt ra, chúng tơi đề xuất Bộ Tài nguyên Môi trường chấp thuận cho triển khai đề tài NCKH cấp Bộ có tiêu đề : “ Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ xác đo cao GPS điều kiện Việt Nam “ Dưới mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ cụ thể giải trình triển khai thực đề tài nói Mục tiêu đề tài Trên sở phân tích chất, yêu cầu độ xác yếu tố ảnh hưởng chính, đề xuất giải pháp nhằm nâng cao độ xác đo cao GPS điều kiện nước ta Nhiệm vụ cụ thể cần giải - Phân tích chất đo cao GPS - Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến kết xác định độ cao trắc địa GPS - Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến kết xác định dị thường độ cao - Thực nghiệm đo cao GPS với yêu cầu tương đương thuỷ chuẩn hạng III - Đề xuất yêu cầu cho việc đảm bảo đo cao GPS tương đương thuỷ chuẩn hạng III Việt Nam Các nhiệm vụ cụ thể nêu kết giải trình bày chương Bản báo cáo tổng kết Trong trình nghiên cứu thực đề tài, nhận quan tâm, đạo đồng chí lãnh đạo phận quản lý chức Bộ Tài nguyên Môi trường, Vụ khoa học-kỹ thuật, Viện nghiên cứu địa chính, hỗ trợ, giúp đỡ Cục đo đạc đồ, Trung tâm Viễn thám, Khoa Trắc địa trường Đại học Mỏ-Địa chất nhiều đồng nghiệp Chúng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐO CAO GPS 1.1.Công thức M Mặt đất thực M Mặt teluroid N hM hM Mặt biển Mặt quasigeoid Q G uN=con st M M G u0=const Ellipsoid chuẩn(E) Ký hiệu trọng trường thực Trái đất M W M, ta chọn pháp tuyến với Ellipsoid chuẩn qua M điểm N cho U N=WM Khi khoảng cách MN dị thường độ cao điểm M; Nó kí hiệu M Khoảng cách gọi độ cao chuẩn điểm M kí hiệu  h M Ta có : HM = hM + M ; γ h M = HM - M Như vậy, độ cao chuẩn điểm xét xác định, biết độ cao trắc địa dị thường độ cao Độ cao trắc địa điểm xác định từ kết đo GPS Chính lí mà phương pháp đo cao xét gọi đo cao GPS 1.2 Các phương án triển khai Các phương án đo cao GPS dựa dạng số liệu chung độ cao trắc địa H xác định từ kết đo GPS Chúng khác cách xác định thành phần thứ hai đại lượng  1.2.1 Trong trường hợp xác định trực tiếp  Số liệu sử dụng giá trị dị thường trọng lực chân khơng cho phạm vi tồn bề mặt Trái đất: g = gs -  Giá trị dị thường độ cao  điểm xét xác định sở giải toán biên trị lý thuyết thể theo cách đặt vấn đề Molodenski Lời giải cuối dạng xấp xỉ bậc đảm bảo thoả mãn yêu cầu độ xác cao thực tế vùng có bề mặt địa hình biến đổi phức tạp vùng núi, có dạng: (B,L,hγ) = G1 = ; , R,  bán kính trung bình giá trị trọng lực chuẩn trung bình Trái đất ; r0 khoảng cách tính theo dây cung điểm xét điểm chạy mặt cầu ; d phần tử góc nhìn G1 ảnh hưởng bề mặt địa hình giá trị dị thường trọng lực Nó làm cho giá trị dị thường độ cao  thay đổi tới 5-7 cm Chính cần đạt độ xác cao vùng núi, thiết phải tính đến ảnh hưởng Trong trường hợp ngược lại sử dụng cơng thức Molodenski dạng xấp xỉ bậc 0, cơng thức Stokes biết đến từ lâu 1.2.2 Trong trường hợp xác định gián tiếp  Cần có số liệu đo GPS số liệu đo thuỷ chuẩn kết hợp với số liệu trọng lực dọc tuyến đo cao Khi ta tính hiệu  = ( H - h) cho số “điểm cứng”, chẳng hạn N điểm Bằng cách sử dụng phương pháp nội suy khác nhau, chẳng hạn, đa thức, hàm spline, kriging, collocation … ta nội suy liệu từ “điểm cứng” sang cho điểm xét bao quanh “điểm cứng” Ngoài số liệu đo GPS đo cao thuỷ chuẩn ta cịn sử dụng số liệu bổ sung : số liệu dị thường trọng lực phạm vi hạn chế đó, số liệu độ cao địa hình Chúng có khả “làm nhẵn” mặt quasigeoid cho phép đơn giản hố q trình nội suy để đạt tới độ xác cao 1.3 Yêu cầu độ xác 1.3.1 Trường hợp xác định trực tiếp  m2h = m2H + m2 Dựa nguyên tắc đồng ảnh hưởng, ta rút ra: Nếu yêu cầu cho sai số đo cao GPS tương đương với đo cao thuỷ chuẩn, ta phải đặt điều kiện : ,  sai số trung phương (tính milimet) km dài; L (tính kilomet) khoảng cách hai điểm xét Từ hai biểu thức ta rút ra: Cho khoảng cách điểm GPS có độ cao thuỷ chuẩn biết điểm GPS có độ cao thuỷ chuẩn cần xác định L = 20 km, ứng với yêu cầu thuỷ chuẩn hạng II ta phải bảo đảm cho MH = m = 15,8mm, ứng với thuỷ chuẩn hạng III - 31,6 mm Điều có nghĩa để đảm bảo cho kết xác định độ cao thuỷ chuẩn đo cao GPS có độ xác tương đương với thuỷ chuẩn hạng II hay hạng III chênh cao trắc địa hiệu dị thường độ cao khoảng cách cỡ 20 km cần đựơc xác định với sai số trung phương cỡ 1,6 cm hay 3,2 cm 1.3.2 Trường hợp xác định gián tiếp  Phương pháp nội suy chấp nhận phổ biến nội suy tuyến tính Giả sử có điểm cứng A, B, C phân bố cách cách điểm xét M Ký hiệu dị thường độ cao điểm cứng A, B, C giá trị dị thường độ cao M điểm xét M xác định theo cách nội suy tuyến tính bằng: M = 1/3(a + B + C) Tương ứng ta có Cho , ta rút ra: Trong trường hợp tổng quát có N “điểm cứng” phân bố cách cách điểm xét, đồng thời giá trị dị thường độ cao “điểm cứng” có độ xác mi Khi ta có : Dị thường độ cao “điểm cứng” xác định theo số liệu đo GPS đo cao thuỷ chuẩn sở công thức: i = Hi - hi Sai số trung phương tương ứng : Cũng theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng, ta đặt yêu cầu “điểm cứng” : mHi = mhi = Thay giá trị mi = mM , ta có : Độ cao thuỷ chuẩn điểm xét M nhận theo biểu thức: hM = HM - M Đặt điều kiện với L khoảng cách từ điểm xét M tới “điểm cứng” i, ta viết : Cũng theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng ta suy : Cho L = 20km, N = 3, ta rút : mHi = mhi = 3,87  19,4mm ứng với thuỷ chuẩn hạng II 38,7mm ứng với thuỷ chuẩn hạng III 15,8mm ứng với thuỷ chuẩn hạng II 31,6mm ứng với thuỷ chuẩn hạng III Như trường hợp đo cao GPS có sử dụng điểm GPS - thuỷ chuẩn với tư cách “điểm cứng” nằm cách điểm xét cỡ 20km độ cao thuỷ chuẩn điểm phải có sai số khơng vượt q 19mm, cịn độ cao trắc địa xác định từ kết đo GPS điểm xét phải có sai số khơng vượt q 16mm, đặt yêu cầu đo cao GPS có độ xác tương đương đo thuỷ chuẩn hạng II; Cịn đặt yêu cầu tương đương thuỷ chuẩn hạng III địi hỏi tương ứng 39mm 32mm “Điểm cứng” i dẫn từ điểm thuỷ chuẩn khác, chẳng hạn j , phải có cấp hạng khơng thấp “điểm cứng” i Gọi khoảng cách i j Lij , ta rút : Điều có nghĩa điểm thuỷ chuẩn j nằm cách xa “điểm cứng” i toán ta tới 15km 10