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[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT Cơng trình hồn thành Bộ mơn Trắc địa cơng trình, Khoa Trắc địa, Trường ðại học Mỏ - ðịa chất, Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: LÊ VĂN HÙNG PGS.TS ðặng Nam Chinh Trường ðại học Mỏ - ðịa chất PGS.TS Nguyễn Quang Phúc NGHIÊN CỨU BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ VNG GĨC KHƠNG GIAN ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI ÁP DỤNG CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ðỊA CƠNG TRÌNH Trường ðại học Mỏ - ðịa chất Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quang Tác Trường ðại học Kiến trúc Hà Nội Phản biện 2: TS Dương Chí Cơng Viện Khoa học ðo ñạc Bản ñồ Ngành: Kỹ thuật Trắc ñịa – Bản ñồ Mã số : 62520503 Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Vấn Cục Bản ñồ Bộ Tổng tham mưu Luận án ñược bảo vệ trước Hội ñồng ñánh giá luận án cấp Trường, họp Trường ðại học Mỏ - ðịa chất vào hồi… giờ, TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2014 ngày… tháng… năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc Gia – Hà Nội Thư viện Trường ðại học Mỏ - ðịa chất MỞ ðẦU Tính cấp thiết luận án Trong cơng tác trắc địa cơng trình (TðCT), gặp trường hợp phải xây dựng lưới vị trí khơng hồn tồn thuận lợi cho đo GPS điều kiện thu tín hiệu từ vệ tinh bị hạn chế, khó áp dụng túy cơng nghệ GPS để xây dựng lưới Trong trường hợp vậy, thường phải kết hợp hai loại trị ño GPS trị ño mặt ñất để tăng tính khả thi hiệu cơng tác thành lập lưới TðCT Thực tế nêu ñã ñặt nhiệm vụ cần phải nghiên cứu phương pháp bình sai trị đo GPS kết hợp với trị đo mặt đất lựa chọn hệ tọa độ sử dụng giới hạn ñịnh ñể làm hệ tọa độ sở cho cơng tác TðCT Việc sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời có điểm gốc thiết lập trung tâm khu vực xây dựng lưới ñã giải ñồng thời hai vấn ñề nêu Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án - Nghiên cứu phương pháp thiết lập hệ tọa độ địa diện chân trời có gốc vị trí trung tâm cơng trình, hồn thiện quy trình tính chuyển, tính đổi hệ tọa độ ñịa diện với hệ tọa ñộ thường dùng khác - Xác ñịnh phạm vi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời cho mạng lưới TðCT dân dụng cơng nghiệp - Hồn thiện sở lý thuyết đề xuất quy trình bình sai chặt chẽ kết hợp trị ño GPS với trị ño mặt ñất - Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị đo GPS với trị đo góccạnh có tính ứng dụng cao ñiều kiện Việt Nam - ðánh giá ñộ tin cậy phần mềm Nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu tổng quan cơng nghệ GPS tồn đạc điện tử (TððT) để thành lập lưới khống chế TðCT; - Nghiên cứu hệ tọa độ địa diện chân trời; Tính đổi tọa độ hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời với hệ tọa độ trắc địa hệ tọa độ vng góc phẳng theo phép chiếu UTM - Xác ñịnh giới hạn sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời TðCT; - Vấn đề tính trọng số trị đo tương quan bình sai lưới GPS; - Nghiên cứu bình sai lưới GPS hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm (X,Y,Z), hệ tọa độ địa diện chân trời; - Nghiên cứu bình sai kết hợp GPS với trị đo góc-cạnh hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời - Nghiên cứu lập chương trình máy tính để bình sai kết hợp trị đo GPS trị đo góc-cạnh Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Các kết nghiên cứu đặt sở cho việc bình sai kết hợp trị ño GPS với trị ño mặt ñất hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời áp dụng cho mạng lưới TðCT u cầu độ xác cao - ðề xuất sử dụng hệ ñịa diện chân trời làm hệ tọa ñộ sở thay cho hệ tọa độ vng góc phẳng theo phép chiếu UTM công tác TðCT dân dụng công nghiệp - Thuật tốn quy trình chuyển thành phần mềm bình sai kết hợp hồn tồn sử dụng thực tiễn công tác TðCT Việt Nam - Có thể ứng dụng kết nghiên cứu luận án lĩnh vực ñào tạo, giảng dạy, nghiên cứu khoa học phục vụ sản xuất Các luận ñiểm bảo vệ - Luận ñiểm thứ nhất: Vấn đề tính trọng số trị đo lưới ño GPS lưới GPS kết hợp lưới mặt đất quan trọng Cần phải chuẩn hóa trị đo GPS theo quy trình bình sai hai bước - Luận điểm thứ hai: Cần phải tính biến dạng góc để cải vào góc đo trước bình sai kết hợp trị ño GPS trị ño mặt ñất Các yếu tố (kích thước) mạng lưới sau bình sai bảo đảm phù hợp tốt với yếu tố thực ñịa ðiều cần thiết ñối với cơng tác thiết kế, thi cơng cơng trình dân dụng cơng nghiệp u cầu độ xác cao - Luận ñiểm thứ ba: Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời sử dụng làm hệ tọa ñộ sở thay cho hệ tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM phục vụ giai ñoạn khảo sát (tỷ lệ lớn), thiết kế thi cơng cơng trình Phạm vi (bán kính) sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời ước tính theo yêu cầu biến dạng góc biến dạng chiều dài 3 Các ñiểm luận án - Hồn thiện hệ thống cơng thức để xác định phạm vi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời TðCT; - ðề xuất cơng thức tính số cải biến dạng góc ngang bình sai kết hợp trị ño GPS với trị ño mặt ñất hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời - Xây dựng phần mềm xử lý số liệu với tên gọi ADGT (ADjustment GPS Topography) gồm modul tính chuyển, tính đổi, modul biên tập kết xử lý cạnh, modul bình sai lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời áp dụng cho mạng lưới TðCT Khối lượng kết cấu luận án Kết cấu luận án trình bày 118 trang, 39 hình vẽ sơ đồ, 21 bảng biểu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TðCT VÀ VẤN ðỀ BÌNH SAI LƯỚI GPS 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI TRẮC ðỊA CƠNG TRÌNH Có hai phương pháp chủ yếu ñể thành lập mạng lưới trắc ñịa mặt nói chung lưới TðCT, phương pháp sử dụng trị ño mặt ñất (truyền thống) phương pháp vệ tinh (GNSS) Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm định địi hỏi ñiều kiện áp dụng ño ñạc thành lập lưới 1.1.1 Nhóm phương pháp đo mặt đất Trong năm vừa qua, ñể thành lập mạng lưới TðCT, chủ yếu sử dụng loại máy TððT Tuy nhiên, khu vực có địa hình phức tạp, tầm thơng hướng mặt đất phương pháp tỏ hiệu Một hạn chế áp dụng phương pháp ño mặt ñất phải chọn thời tiết thời gian đo thích hợp ñể tránh ảnh hưởng yếu tố thời tiết khí tượng tới kết đo 1.1.2 Phương pháp ño GPS Dựa vào tham số a, b ñặc trưng máy GPS TððT, tiến hành vẽ đồ thị (hình 1.1) để so sánh cách trực quan độ xác đo chiều dài cạnh GPS ( mD-GPS) độ xác đo cạnh TððT (mD-TD) Theo đồ thị thấy rằng, khoảng cách D 1 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÌNH SAI KẾT HỢP GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI 4.1 CHƯƠNG TRÌNH BÌNH SAI KẾT HỢP Mxyz GPS định bước trước Việc giải hệ phương trình chuẩn bước tính tốn số hiệu chỉnh, trị bình sai đánh giá độ xác thực theo trình tự mạng lưới khác G Ma trËn xoay RG Kiểm tra sai số khép hình hệ địa diện hóa trọng số cho bước bình sai kết hợp với trị ño mặt ñất Dùng tọa ñộ gần ñúng (x, y) ñiểm liên kết trị ño mặt ñất ñể tính tọa ñộ gần ñúng cho ñiểm lưới 2D Bước Lập phương trình số hiệu chỉnh cho trị đo mặt đất để bình sai kết hợp với trị ño GPS Trọng số trị ño GPS tính dựa vào ma trận hiệp phương sai CXYZ nhân với µ 2GPS xác G TÝnh số cải B Tính số hạng tự L MĐ Lập phơng trình số hiệu chỉnh chung GPS kết hợp trị đo mặt đất Lập giải hệ phơng trình chuẩn chung Đánh giá độ xác sau bình sai KÕt thóc Hình 4.1 - Sơ đồ khối cho chương trình máy tính 21 4.2 XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI Trong cơng tác xử lý số liệu trắc địa việc đảm bảo tính đắn kết yêu cầu quan trọng ñể làm ñược việc cần phải chọn thuật tốn quy trình xử lý Dựa thuật tốn quy trình tiết 4.1 để bình sai mạng lưới GPS kết hợp với trị ño mặt ñất hệ tọa ñộ ñịa diện cần phải thực bước sau: Bước 1: Sử dụng phần mềm ñi kèm theo máy thu GPS ñể trút xử lý trị ño GPS Như: GPSurvey 2.35, TGO, TTC, TBC Bước 2: Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp ADGT.EXE Phần mềm “ADGT (ADjustment GPS Topography): Gồm modul với giao diện chương trình thân thiện hiển thị ngơn ngữ tiếng việt, ñơn giản, nhập số liệu trực tiếp Windows, chạy ñược hệ ñiều hành Windows với tốc ñộ xử lý nhanh, kết xuất tệp dạng bảng biểu tiếng Việt 4.3 TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM 4.3.1 Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị đo mặt đất cơng trình nhà máy lọc dầu Dung Quất Mạng lưới TðCT nhà máy lọc dầu Dung Quất bao gồm ñiểm gốc GPS06, 14 ñiểm cần xác ñịnh, ño 34 baseline, ño 04 góc 08 cạnh Kết bình sai mạng lưới GPS theo phần mềm ADGT, TBC, GPSurvey 2.35 cho thấy: • Sự chênh lệch tọa độ trắc ñịa phần mềm ADGT so với hai phần mềm TBC GPSurvey 2.35 tương tự chênh lệch tọa ñộ trắc ñịa phần mềm TBC so với GPSurvey 2.35 • Sai số trung phương vị trí điểm hai phần mềm ADGT GPSurvey 2.35 hoàn toàn trùng Cịn sai lệch mặt trung bình cỡ khoảng 3mm phần mềm ADGT so với TBC; Bình sai lưới GPS kết hợp với trị ño mặt ñất phần mềm ADGT: • Trị ño góc cạnh có tác dụng tốt với khu vực bổ sung; 22 • Khẳng định phù hợp cơng nghệ nâng cao độ tin cậy kết mạng lưới 4.3.2 Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị đo mặt đất cơng trình nhà máy xi măng Thái Nguyên Mạng lưới TðCT nhà máy xi măng Thái Ngun gồm 21 điểm cần xác định, có điểm khống chế vịng ngồi ký hiệu GPS-01 ñến GPS-04, 13 ñiểm khống chế mặt xây dựng ký hiệu TN01 đến TN-13 Ngồi 51 cạnh ño GPS (Baselines), lưới ñược ño thêm 26 cạnh 19 góc máy TððT Kết bình sai mạng lưới GPS theo phần mềm ADGT, TBC, GPSurvey 2.35 cho thấy: • Sự chênh lệch tọa ñộ trắc ñịa phần mềm ADGT so với hai phần mềm TBC GPSurvey 2.35 tương tự chênh lệch tọa ñộ trắc ñịa phần mềm TBC so với GPSurvey 2.35 • Sai số trung phương vị trí điểm hai phần mềm ADGT GPSurvey 2.35 khoảng 0,1mm Cịn sai lệch mặt trung bình cỡ khoảng 1,5mm phần mềm ADGT so với TBC; Bình sai lưới GPS kết hợp với trị ño mặt ñất phần mềm ADGT: • Trị ño GPS kết hợp với trị đo góc cạnh làm tăng độ vững mạng lưới; • Khẳng định phù hợp hai cơng nghệ nâng cao độ tin cậy kết mạng lưới 4.3.3 Nhận xét chung Ma trận hiệp phương sai véc tơ cạnh GPS nhận ñược từ lời giải cạnh phản ánh đặc tính sai số véc tơ cạnh riêng rẽ mà khơng thể chất lượng đo tổng thể mạng lưới GPS bình sai kết hợp trị đo GPS trị đo góc-cạnh cần thực theo quy trình xử lý hai bước Sau bước thứ xác ñịnh ñược sai số trung phương đơn vị trọng số µGPS , sở ñể ước lượng lại ma trận hiệp phương sai tiên nghiệm nhằm chuẩn hóa trọng số trị đo GPS bước thứ hai 23 24 Bình sai kết hợp trị đo GPS với trị đo góc-cạnh hệ tọa độ địa diện chân trời có gốc tọa ñộ thiết lập trung tâm mạng lưới với phạm vi khống chế thích hợp làm đơn giản bước tính tốn bình sai mà đảm bảo tính chặt chẽ đáp ứng mức độ biến dạng mạng lưới theo yêu cầu Các yếu tố (kích thước) mạng lưới sau bình sai bảo đảm phù hợp tốt với yếu tố thực ñịa ðiều cần thiết cơng tác thiết kế, thi cơng cơng trình dân dụng cơng nghiệp u cầu độ xác cao Trong hệ tọa độ địa diện chân trời bình sai lưới GPS (3D) kết hợp lưới mặt ñất (2D) trường hợp có điểm lưới khơng thể đặt máy thu tín hiệu GPS mà có trị đo góc cạnh theo cơng nghệ truyền thống KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận 1/ Bình sai lưới GPS hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời kết hợp với trị đo mặt đất, thực chất bình sai hệ tọa độ khơng gian (3D), có thuật tốn quy trình bình sai chặt chẽ Thành phần tọa độ z hệ địa diện cho phép tính tốn xác định độ cao trắc địa H điểm lưới sau bình sai 2/ Ma trận hiệp phương sai CXYZ véc tơ cạnh GPS phản ánh quy luật tương quan trị ño mà chưa thể ñúng ñộ lớn phương sai hiệp phương sai chúng, giá trị sai số trung phương đơn vị trọng số µ GPS nhận sau bình sai túy trình Phạm vi (bán kính) sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời ñược ước tính theo u cầu biến dạng dựa vào cơng thức tổng quát L≤ lưới GPS thường lớn nhiều lần Giá trị µ GPS cần xác định ñể làm sở ñể ước lượng lại ma trận hiệp phương sai trị đo GPS bình sai kết hợp với trị đo mặt đất 3/ Phải tính biến dạng góc để cải vào góc đo trước bình sai kết hợp với trị đo GPS ðiều quan trọng góc ño ñiểm có chênh cao lớn 4/ Hệ tọa độ địa diện chân trời sử dụng làm hệ tọa ñộ sở thay cho hệ tọa độ vng góc phẳng theo phép chiếu UTM phục vụ giai ñoạn khảo sát (tỷ lệ lớn), thiết kế thi công công 2,45.R 1/T 5/ Trong phạm vi giới hạn khu vực ñã xác ñịnh, yếu tố (kích thước) mạng lưới sau bình sai bảo ñảm phù hợp tốt với yếu tố thực địa ðiều cần thiết cơng tác thiết kế, thi cơng cơng trình dân dụng cơng nghiệp u cầu độ xác cao 6/ Phần mềm ADGT hồn tồn đủ độ tin cậy để áp dụng vào bình sai kết hợp trị đo GPS trị ño mặt ñất cho mạng lưới trắc địa cơng trình Việt Nam B Kiến nghị 1/ Trong thực tế công tác TðCT dân dụng cơng nghiệp, kết hợp cơng nghệ GPS với cơng nghệ TððT để xây dựng lưới trắc địa xử lý bình sai hệ địa diện chân trời nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu kỹ thuật làm tăng ñộ tin cậy mạng lưới 2/ Trong hệ địa diện chân trời bình sai lưới GPS (3D) lưới mặt đất (2D) có số điểm khơng có điều kiện đặt máy thu tín hiệu GPS 3/ Khi thiết lập hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời cần phải chọn ñiểm gốc ñiểm ñặt ñược máy nằm gần trung tâm mạng lưới Hệ tọa ñộ sử dụng phép chiếu trực giao nên trường hợp ñộ cao ñiểm khác đáng kể biến dạng góc cần phải tính theo cơng thức (2.1) để cải vào góc ño trước bình sai 4/ ðể xác ñịnh ñúng trọng số trị đo GPS bình sai kết hợp với trị đo góc - cạnh cần áp dụng quy trình bình sai hai bước Bước thứ bình sai trị ño GPS túy ñể xác ñịnh tọa ñộ gần ñúng xác ñịnh sai số trung phương đơn vị trọng số µ GPS , từ làm sở ñể ước lượng lại ma trận hiệp phương sai trị đo GPS bước bình sai thứ hai Khi tính trọng số cho trị đo, sử dụng số C=1 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ðà CÔNG BỐ LIÊN QUAN ðẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN Lê Văn Hùng (2008), “ Hiệu kinh tế - kỹ thuật việc sử dụng kết hợp máy tồn đạc điện tử Trimble5602 GPS Trimble R3 quan trắc chuyển dịch cơng trình”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ xây dựng, (số 2), Hà Nội Lê Văn Hùng (2008), “ Giải pháp hợp lý chuyển trục lên cao thi công tịa nhà có chiều cao lớn”, Tạp chí Khoa học công nghệ xây dựng, (số 3), Hà Nội Ngô Xuân Thế, Nguyễn Xuân Hòa, Lê Văn Hùng (2010), “ Xây dựng phần mềm tính chuyển hệ toạ độ GPS hệ toạ độ cơng trình”, Tạp chí Khoa học công nghệ xây dựng, (số 3), Hà Nội ðặng Nam Chinh, Lê Văn Hùng (2011),“ Bình sai nhiều giai ñoạn cách tiếp cận phép lọc Kalman” Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏðịa chất, (Số 35) Hà Nội Lê Văn Hùng (2012), “Sự khác biệt hệ tọa vng góc phẳng UTM với hệ tọa độ vng góc phẳng địa diện chân trời”, Tạp chí Khoa học công nghệ xây dựng, (số 3), Hà Nội ðặng Nam Chinh, Lê Văn Hùng (2013), “Xác ñịnh giới hạn sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời ñịa phương trắc địa cơng trình”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- ðịa chất, (số 41), số chuyên ñề Kỷ niệm 40 năm thành lập mơn Trắc địa cao cấp, Trường ðại học Mỏ ñịa chất, Hà Nội Nguyễn Xuân Hòa, Lê Văn Hùng (2013), “Xây dựng cơng thức nội suy dị thường độ cao hệ tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời địa phương” Tạp chí Khoa học cơng nghệ xây dựng, (số 2), Hà Nội ðặng Nam Chinh, Nguyễn Quang Phúc, Lê Văn Hùng (2013),“ Bình sai kết hợp trị ño GPS trị ño toàn ñạc ñiện tử hệ tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời” Hội nghị khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng – Tiểu ban ñịa kỹ thuật-trắc ñịa, (ISBN 978-604-82-0021-3) NXB Xây dựng, Hà Nội