Đang tải... (xem toàn văn)
Trong lĩnh vực Công Nghệ Thông Tin nói riêng, yêu cầu quan trọng nhất của người học đó chính là thực hành. Có thực hành thì người học mới có thể tự mình lĩnh hội và hiểu biết sâu sắc với lý thuyết. Với ngành mạng máy tính, nhu cầu thực hành được đặt lên hàng đầu. Tuy nhiên, trong điều kiện còn thiếu thốn về trang bị như hiện nay, người học đặc biệt là sinh viên ít có điều kiện thực hành. Đặc biệt là với các thiết bị đắt tiền như Router, Switch chuyên dụng
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH CHUYỂN TOẠ ĐỘ TRONG KHẢO SÁT THỦY ĐẠC HIỆN ĐANG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM METHODS OF CO-ORDINATE TRANSFER CALCULATING IN SEA-BED TOPOGRAPHY APPLIED IN VIETNAM NCS TRẦN KHÁNH TỒN Khoa Cơng trình thủy, NSC Cộng Hịa Pháp Tóm tắt: Bài báo gưới thiệu số phương pháp tính tính chuyển tọa độ khảo sát thủy đạc áp dụng tạo Việt Nam Abstract: This article introduces some methods of co-ordinate transfer calculting in sea-bed topography applied in Vietnam Đặt vấn đề Trước đây, với công tác định vị khảo sát thủy đạc sử dụng phương tiện định vị truyền thống: máy kinh vĩ, hệ thống định vị vơ tuyến, sử dụng hệ toạ độ thống hệ toạ độ quốc gia Từ đời hệ thống định vị vệ tinh GPS, số liệu định vị xử lý hệ toạ độ: 1-Hệ toạ độ trắc địa giới WGS-84: Là hệ toạ độ chung toàn cầu, máy thu GPS trực tiếp thu tín hiệu vệ tinh tính tốn vị trí điểm định vị hệ 2-Hệ toạ độ địa phương ( Local Coordinate System): Là hệ toạ độ riêng biệt quốc gia, vùng Số liệu định vị GPS sau thu hệ WGS-84, phải chuyển hệ Local để biên tập đồ Việt Nam nay, hệ Local - hệ toạ độ quốc gia thường sử dụng hệ HN72 (hệ tọa độ cũ) VN-2000 ( hệ tọa độ mới) Do đó, cần phải xây dựng thuật tốn phương pháp tính chuyển tọa độ hệ tọa độ, tính chuyển loại tọa độ hệ tùy theo công nghệ đo yêu cầu sử dụng đồ Các yêu cầu tính chuyển toạ độ khảo sát thủy đạc 2.1 Các phần tính chuyển toạ độ khảo sát thủy đạc: Trong khảo sát thủy đạc, thường có phần tính chuyển chính: + Phần tính chuyển hệ toạ độ: Hệ WGS-84 Hệ toạ độ quốc gia + Phần tính chuyển hệ toạ độ: Tính chuyển toạ độ địa lý (B,L) toạ độ vng góc phẳng Gauss (X,Y) Trong định vị khảo sát thủy đạc, quan tâm đến thành phần toạ độ mặt (X,Y) (B,L) mà không quan tâm đến thành phần độ cao Z H, cơng thức tính chuyển toạ độ khơng đề cập đến thành phần độ cao Z H 2.2 Thống hệ toạ độ quốc gia sử dụng Việt Nam: Quyết định Thủ tướng Chính phủ, ký ngày 12 tháng năm 2000, qui định sử dụng thống Hệ toạ độ quốc gia VN-2000 Hệ VN-2000 thay cho hệ cũ HN-72 Cơ sở tốn học tính chuyển toạ độ khảo sát thủy đạc A- Tính chuyển toạ độ Hệ WGS-84 Hệ toạ độ quốc gia: 3.1 Tính toán yếu tố lưới chiếu toạ độ phẳng UTM hệ VN-2000 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 77 3.1.1 Tính toạ độ phẳng lưới chiếu UTM Hệ VN-2000: Trong hệ quy chiếu, toạ độ phẳng lưới chiếu UTM tính thơng qua toạ độ phẳng lưới chiếu Gauss theo công thức: X UTM k X Y UTM k (YG 500000) 500000 UTM G mUTM k mG Trong đó: k0: Hệ số tỷ lệ biến dạng chiều dài hệ WGS-84 VN-2000, với: k0=0,9996 cho múi 60; k0=0,9999 cho múi 30 (XUTM,YUTM): toạ độ phẳng lưới UTM (XG,YG): toạ độ phẳng lưới chiếu Gauss UTM G góc lệch kinh tuyến tương ứng lưới chiếu UTM lưới chiếu Gauss mUTM m G tỷ lệ biến dạng chiều dài tương ứng lưới chiếu UTM lưới chiếu Gauss 3.1.2 Tính toạ độ trắc địa theo toạ độ phẳng lưới chiếu UTM Hệ VN-2000: Trong hệ qui chiếu, việc tính tốn toạ độ trắc địa (B,L) theo toạ độ phẳng (XUTM,YUTM) lưới chiếu UTM thực thơng qua cơng thức tính toạ độ trắc địa (B,L) theo toạ độ phẳng (XG,YG) lưới chiếu Gauss, đó: X UTM X G k Y YUTM 500000 500000 G k0 3.1.3 Chuyển trị đo GPS từ Hệ WGS-84 quốc tế Elipsoid qui chiếu Hệ VN-2000 : +/ Tính chuyển toạ độ (X,Y) hệ WGS-84 quốc tế sang Hệ VN-2000 theo công thức: X ' X k ( X Y Z ) ' Y Y0 k ( X Y Z ) (1) Trong đó: k: tỷ lệ biến dạng chiều dài Hệ WGS-84 quốc tế so với Hệ HN-72 (0, 0, 0) góc quay Ơle trục toạ độ Hệ WGS-84 quốc tế so với Hệ VN-2000 (X0, Y0) toạ độ tâm Hệ WGS-84 quốc tế hệ VN-2000 +/ Tính toạ độ trắc địa (B,L) theo toạ độ vng góc khơng gian (X’, Y’) hệ Hệ VN-2000 theo công thức: ' Z ' e N ' sin B ' B arctg X ' Y ' L' arctg Y ' X' Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải (2) Số 19 – 8/2009 78 đó: e: tâm sai bậc Elipsoid WGS-84 ( e N' a e sin B' a2 b2 ) a2 : bán kính cung thẳng đứng thứ Elipsoid WGS-84 điểm có vĩ độ B’ đó: a: bán trục lớn, b: bán trục nhỏ Elipsoid WGS-84 3.2 Tính chuyển toạ độ từ Hệ HN-72 sang Hệ VN-2000 - Mục đích: Hệ HN-72 xây dựng sở dẫn truyền toạ độ từ nước vào Việt Nam Từ điểm gốc nước, toạ độ dẫn truyền vùng đất nước thông qua lưới trắc địa thành phần phủ khu vực điều kiện lưới trắc địa nước chưa tính tốn bình sai thống Vì vậy, thiết lập công thức thống để tính chuyển toạ độ từ hệ HN-72 sang hệ VN-2000 cho nước, cơng thức tính chuyển thiết lập cho khu vực mà khu vực có lưới trắc địa thành phần khống chế - Bài tốn tính chuyển: Trên khu vực Vi xét, giả sử có k điểm (P1, P2 Pk) biết toạ độ hệ thống Cơng thức tính chuyển toạ độ viết dạng khai triển luỹ thừa bậc 2: x'V x a i bi x ci y d i x ei y g i x y 2 y 'V y a ' i b' i x c'i y d ' i x e'i y g ' i x y đó: (x’,y’): toạ độ Hệ VN-2000 (x,y): toạ độ Hệ HN-72 Vx, Vy: số hiệu chỉnh vào toạ độ tính chuyển ai, bi, ci, di, ei, gi, a’i, b’i, c’ i, d’i, e’i, g’ i: hệ số cần xác định cho khu vực Vi Căn vào giá trị toạ độ biết hệ qui chiếu k điểm (P1, P2 Pk), xác định hệ số (ai, bi, ci, di, ei, gi, a’i, b’ i, c’i, d’i, e’ i, g’i) phương pháp bình phương nhỏ với điều kiện: k (V X VY2 ) j j 1 Từ cơng thức tính chuyển toạ độ cho khu vực Vi: x' a i bi x ci y d i x ei y g i x y y ' a ' i b 'i x c' i y d ' i x e' i y g ' i x y (3) Phân tích tất lưới trắc địa thành phần tạo thành lưới trắc địa nhà nước hệ HN72, chia nước thành 79 khu vực, khu vực Vi có cơng thức tính chuyển toạ độ dạng (3) với hệ số (ai, bi, ci, di, ei, gi, a’i, b’ i, c’i, d’i, e’i, g’i), hệ số xác định dựa sở điểm biết thuộc lưới cấp “0”, hạng I, hạng II nhà nước thuộc khu vực Vi Cơng thức tính đạt độ xác tính chuyển cho đồ tỷ lệ 1:2000 tỷ lệ nhỏ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 79 3.3 Tính chuyển toạ độ từ Hệ VN-2000 sang Hệ WGS-84 Lưới trắc địa nhà nước GPS cấp “0” Hệ VN-2000 lưới không gian chiều có độ xác cao, xác định rõ mối quan hệ với Hệ WGS-84 quốc tế với độ xác cao cỡ đềxi-mét giá trị tuyệt đối cỡ cen-ti-mét giá trị tương đối Toạ độ vng góc khơng gian hệ quy chiếu xác định theo công thức (1) phần 3.1.3 Để chuyển toạ độ địa lý (B’,L’) từ Hệ VN-2000 sang Hệ WGS-84 quốc tế, cần phải chuyển toạ độ trắc địa (B’,L’) sang toạ độ vng góc không gian (X’,Y’) hệ VN-2000 theo công thức: X ' ( N ' H ' ) cos B'.cos L' Y ' ( N ' H ' ) cos B'.sin L' ký hiệu sử dụng công thức (2) H ' Z' N ' (1 e ) : Cao độ điểm cho sin B' Dựa vào công thức (1), tính toạ độ vng góc khơng gian (X,Y) Hệ WGS-84 quốc tế theo toạ độ vuông góc khơng gian (X’,Y’) Hệ VN-2000 theo cơng thức: X X k 1 (X'0 Y' Z' ) Y Y0 k 1 ( X ' Y' Z' ) ký hiệu sử dụng công thức (1) Từ toạ độ vuông góc khơng gian (X,Y) Hệ WGS-84 quốc tế, tính toạ độ địa lý (B,L) Hệ WGS-84 theo công thức: Z e N sin B B arctg X Y2 L arctg Y X đó: a, b, e: sử dụng công thức (2) N a 1 e sin B : bán kính cung thẳng đứng thứ Elipsoid WGS-84 điểm có vĩ độ B B- Tính chuyển toạ độ toạ độ địa lý (B,L) toạ độ phẳng (X,Y) hệ 3.4 Tính chuyển từ toạ độ địa lý (B,L) sang toạ độ phẳng (X,Y): Giả sử điểm có toạ độ địa lý (B,L), toạ độ vng góc phẳng Gauss (X,Y) điểm tính theo cơng thức: X ( N H ).cos B.cos L Y ( N H ).cos B.sin L đó: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 80 N a 1 e sin B : bán kính cung thẳng đứng thứ Elipsoid WGS-84 điểm có vĩ độ B H Z N (1 e ) : Cao độ địa lý điểm cho sin B 3.5 Tính chuyển từ toạ độ phẳng (X,Y) sang toạ độ địa lý (B,L): Giả sử điểm có toạ độ vng góc phẳng Gauss (X,Y), toạ độ địa lý (B,L) điểm tính theo công thức: Z e N sin B B arctg X Y L arctg Y X đó: e: tâm sai bậc Elipsoid tham khảo ( e N a a2 b2 ) a2 : bán kính cung thẳng đứng thứ Elipsoid tham khảo điểm 1 e sin B có vĩ độ B a: bán trục lớn, b: bán trục nhỏ Elipsoid tham khảo Thực tế áp dụng Trong khảo sát thủy đạc, thường áp dụng phương pháp tính chuyển phổ biển: 1- Phương pháp tính chuyển theo tham số 2- Phương pháp tính chuyển theo tham số Do phương pháp số hạn chế điều kiện áp dụng Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ địa nghiên cứu đề xuất thêm phương pháp tính chuyển Hệ WGS-84 Hệ HN-72: 3- Phương pháp tính chuyển theo tham số khơng sử dụng độ cao Geoid 4- Phương pháp biến đổi affin để thiết lập cơng thức tính chuyển hệ toạ độ phẳng 4.1 Phương pháp tính chuyển theo tham số: Đây phương pháp tính chuyển gần Thực chất tính gia số kinh độ B gia số vĩ độ L Hệ WGS-84 Hệ toạ độ địa phương Gia số (B,L) coi số hiệu chỉnh cho toạ độ địa lý thu Hệ WGS-84, trước chuyển đổi sang toạ độ phẳng (X,Y) theo lưới chiếu hệ toạ độ địa phương Phương pháp tính chuyển toạ độ theo tham số áp dụng cho khu đo nhỏ, điểm toạ độ tham khảo đặt trạm tĩnh( Base Station) gần khu đo Trong phạm vi 50km đảm bảo độ xác cho định vị khảo sát thủy đạc - Thực hiện: Trước đo, nhập toạ (B,L) trạm Base theo hệ địa phương, tham số tính chuyển menu tham số tính chuyển đặt “0” Tiến hành đo khoảng thời gian trạm tĩnh, trạm động di chuyển qua số điểm toạ độ Nhà nước gần khu đo Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 81 So sánh toạ độ thu toạ độ biết trước điểm, từ tính tham số chuyển đổi - Hạn chế phương pháp: Nếu khu đo lớn, cự li đo cách xa điểm đặt trạm Base độ xác suy giảm đáng kể 4.2 Phương pháp tính chuyển theo tham số: Phương pháp tính chuyển theo tham số: + Hệ số tịnh tiến theo trục toạ độ X,Y,X: (x, y, z) (3 tham số) + Góc góc quay Ơle trục toạ độ X, Y, Z: (0, 0, 0) (3 tham số) + Hệ số tỷ lệ biến dạng theo chiều dài hệ: k( tham số) - Thực hiện: Phải có từ điểm toạ độ tham khảo trở lên bao quanh khu đo Các điểm xác định toạ độ (B,L) độ cao H Elipsoid hệ Nhập toạ độ độ cao hệ WGS-84 điểm theo hệ WGS-84 hệ toạ độ địa phương Theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất, phần mềm tính tham số tính chuyển - Hạn chế phương pháp: Tuy đạt độ xác cao, song khơng phải lúc chọn điểm tham khảo có toạ độ theo hệ WGS-84 hệ toạ độ địa phương Việc xác định xác độ cao Ellipsoid ngồi thực tế khó 4.3 Phương pháp tính chuyển theo tham số khơng sử dụng độ cao Geoid: - Cơ sở lý thuyết phương pháp: + Nếu có tập hợp toạ độ khơng gian chiều điểm trùng tính hệ toạ độ: Hệ WGS-84 (Xi1, Yi1, Zi1) Hệ HN-72 (Xi2, Yi2, Zi2), tính chuyển tham số từ hệ (1) sang hệ (2) + Tập hợp toạ độ không gian (Xi, Yi, Zi) tính chuyển thành tập hợp toạ độ địa lý (Bi, Li, Hi) Nếu coi thành phần Hi=0, tính chuyển ngược từ (Bi, Li, Hi=0) thành (X’i, Y’i, Z’i) Khi (X’i, Y’i, Z’i) toạ độ điểm i chiếu xuống mặt Ellipsoid (Hi=0) Như vậy, tính chuyển toạ độ điểm trùng tính hệ toạ độ [(Xi1, Yi1, Zi1) (Xi2, Yi2, Zi2)] thành [(X’ i1, Y’ i1, Z’i1) (X’ i2, Y’ i2, Z’i2)] theo phương pháp coi Hi=0, dùng hai tập hợp toạ độ để tính tham số tính chuyển, ta thu tham số tính chuyển tương ứng với điểm mặt đất có Hi=0 Toạ độ thu sau sử dụng tham số tính chuyển khơng phải toạ độ thật điểm, tương ứng toạ độ hình chiếu điểm Ellipsoid Điều đảm bảo hai thành phần (B,L) sau tính chuyển - Thực hiện: Dùng điểm đo GPS phân bố toàn lãnh thổ Việt Nam, trùng với điểm tam giác hạng cao để thực tính tham số tính chuyển khơng sử dụng độ cao Geoid 4.4 Phương pháp biến đổi affin thiết lập cơng thức tính chuyển hệ toạ độ phẳng - Thực hiện: Chọn điểm GPS trùng với điểm toạ độ Nhà nước Trong hệ WGS-84, tính chuyển toạ độ chiều (X,Y,Z) thành toạ độ địa lý (B,L,H) Sau chiếu toạ độ vng góc phẳng Gauss Sử dụng tập hợp toạ độ phẳng điểm trùng để viết cơng thức tính chuyển Để hạn chế sai số biến dạng phép biển đổi affin, chia Việt nam thành khu vực tính, từ thiết lập cơng thức tính chuyển cho khu vực: + Miền Bắc: giới hạn từ vĩ tuyến 17030’ đến 23010’ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 82 Xi2= 77.783 + 0.00000172 Yi1 + 0.99999191 Xi1 Yi2= -64.960 + 0.00000286 Yi1 + 0.00000017 Xi1 + Miền Trung: giới hạn từ vĩ tuyến 12000’ đến 17030’ Xi2= 58.435 + 0.00000590 Yi1 + 1.00000191 Xi1 Yi2= -21.315 + 1.00000771 Yi1 + 0.00000189 Xi1 + Miền Nam: giới hạn từ vĩ tuyến 12000’ trở xuống Xi2= 65.106 + 0.00000358 Yi1 + 0.99999704 Xi1 Yi2= -11.478 + 1.00000436 Yi1 - 0.00000422 Xi1 Kết luận Tính tốn chuyển đổi toạ độ công việc vô quan trọng khảo sát thủy đạc, định độ tin cậy số liệu định vị Hiện nay, giới công nghệ khảo sát thủy đạc phát triển đến trình độ cao, với việc bắt buộc phải ứng dụng kỹ thuật đo vi phân DGPS để nâng cao hiệu công việc chất lượng kết đo đạc, ngành khảo sát thủy đạc Việt Nam ln phải nghiên cứu hồn thiện phương pháp tính chuyển toạ độ Bài báo tổng hợp giới thiệu số vấn đề toán học phương pháp tính chuyển toạ độ khảo sát thủy đạc áp dụng Việt Nam Người phản biện: TS Nguyễn Phùng Hưng Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 83