Xây dựng thuật toán chuyển đổi tọa độ giữa các hệ thống tọa độ của các quốc gia liền kề phục vụ trao đổi, khai thác dữ liệu dùng chung trong hợp tác khoa học quốc tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ @&? SINH VIÊN: TRẦN VĂN HẢI XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ PHỤC VỤ TRAO ĐỔI, KHAI THÁC DỮ LIỆU DÙNG CHUNG TRONG HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ Chuyên ngành: Trắc địa Mã ngành: D520503 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH HÀ NỘI - 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ @&? SINH VIÊN: TRẦN VĂN HẢI XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ PHỤC VỤ TRAO ĐỔI, KHAI THÁC DỮ LIỆU DÙNG CHUNG TRONG HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ Chuyên ngành: Trắc địa Mã ngành: D520503 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án nghiên cứu Các số liệu, kết nêu đồ án trung thực Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung trình bày đồ án Hà Nội, tháng năm 2015 Sinh viên thực Trần Văn Hải LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập rèn luyện trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội, giúp đỡ nhiệt tình giảng dạy thầy, cô trường nói chung khoa Trắc địa Bản đồ nói riêng, em trang bị kiến thức chuyên môn lối sống, tạo cho em hành trang vững cho công tác sau Xuất phát từ kính trọng lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Đặc biệt để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, cố gắng nỗ lực thân, em nhận giúp đỡ nhiệt tình TS Nguyễn Đình Thành công tác Cục Bản đồ\Bộ Tổng Tham Mưu,TS Phạm Thị Hoa giúp đỡ thầy, cô khoa Trắc địa đồ Ngoài em xin cám ơn bạn bè gia đình bên cạnh em, cổ vũ động viên em lúc khó khăn để vượt qua hoàn thành tốt đồ án Đồ án chắn không tránh khỏi sai sót, em mong nhận đóng góp bảo thầy, cô bạn để đồ án em hoàn thiện Đây kiến thức bổ ích cho công việc em sau Cuối cùng, lần em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình TS Nguyễn Đình Thành công tác Cục Bản đồ\Bộ Tổng Tham Mưu, TS Phạm Thị Hoa thầy, cô trường Đại học Tài nguyên Môi Trường Hà Nội Kính chúc thầy, cô luôn mạnh khỏe, hạnh phúc gặt hái nhiều thành công công tác sống Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TỌA ĐỘ VÀ CHUYỂN HỆ TỌA ĐỘ 1.1 PHÂN LOẠI HỆ TỌA ĐỘ 1.1.1 Hệ tọa độ không gian 1.1.2 Hệ tọa độ Ellipsoid 1.1.3 Hệ tọa độ phẳng 1.2 HỆ TỌA ĐỘ VN-2000 10 1.3 HỆ TỌA ĐỘ WGS-84 11 1.4 HỆ TỌA ĐỘ ĐỘNG LỰC QUỐC TẾ ITRF 12 1.5 CÁC HỆ THỐNG ĐỘ CAO 13 1.5.1 Độ cao trắc địa 14 1.5.2 Độ cao chuẩn 14 1.5.3 Độ cao chính, độ cao động lực 15 1.6 VẤN ĐỀ CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ 16 CHƯƠNG 2: MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ 18 2.1 PHÉP CHIẾU VÀ YÊU CẦU CỦA PHÉP CHIẾU TRONG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ 18 2.1.1 Phép chiếu mặt phẳng 19 2.1.2 Phép chiếu Gauss-Kruger 19 2.1.3 Phép chiếu UTM 20 2.1.4 Yêu cầu phép chiếu sử dụng công tác trắc địa đồ 21 2.2 QUAN HỆ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN TRÁI ĐẤT VÀ HỆ TỌA ĐỘ ELLIPSOID 22 2.2.1 Chuyển đổi hệ toạ độ ellipsoid thành toạ độ không gian 22 2.2.2 Chuyển đổi toạ độ không gian thành toạ độ ellipsoid 23 2.3 QUAN HỆ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ ELLIPSOID VÀ HỆ TỌA ĐỘ PHẲNG 24 2.3.1 Chuyển đổi toạ độ ellipsoid thành toạ độ phẳng 24 2.3.2 Chuyển đổi toạ độ phẳng thành toạ độ ellipsoid 27 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ 29 3.1 CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN TRÁI ĐẤT 29 3.2 CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ TỌA ĐỘ ELLIPSOID 30 3.3 CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ TỌA ĐỘ PHẲNG 41 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VÀ CÁC HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA LIỀN KỀ 41 4.1 MỘT SỐ NÉT VỀ CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ 41 4.1.1 Các lưới chiếu tọa độ phẳng sử dụng Việt Nam 41 4.1.2 Một số hệ thống tọa độ quốc gia liền kề 43 4.2 CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VN2000 VÀ HỆ TỌA ĐỘ ĐỘNG LỰC QUỐC TẾ ITRF 44 4.3 NGUYÊN TẮC CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ 49 4.4 THỰC NGHIỆM CHUYỂN ĐỔI GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VIÊT NAM VN – 2000 VÀ HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA LÀO 50 4.4.1 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội Lào 50 4.4.2 Hệ thống lưới tọa độ quốc gia Lào 51 4.4.3 Lưới độ cao Lào 57 4.4.3 Hệ thống lưới Phần Lan xây dựng 59 4.4.5 Kết tính toán thực nghiệm chuyển đổi Hệ tọa độ Lào97 Hệ tọa độ VN2000 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các tham số hình học vật lý số ellipsoid đại Bảng 1.2 : Các sản phẩm IGS gắn với giai đoạn đời sử dụng phiên ITRF 13 Bảng 4.1 Tọa độ điểm ITRF2008 thời điểm ngày tháng năm 2010 47 Bảng 4.2: Tọa độ điểm hệ tọa độ VN-2000 47 Bảng 4.3: Giá trị tham số tính chuyển tọa độ từ ITRF2008 VN-2000 48 Bảng 4.4: So sánh độ lệch tọa độ WGS-84 ban đầu tọa độ WGS-84 tính chuyển 49 Bảng 4.5: Giá trị tham số tính chuyển tọa độ từ Lào97 sang WGS-84 63 Bảng 4.6: So sánh sai lệch tọa độ 20 điểm tọa độ WGS-84 ban đầu tọa độ WGS-84 tính chuyển 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ tọa độ ellipsoid Hình 1.2 Hệ tọa độ phẳng Hình 1.3 Hệ tọa độ vuông góc phẳng UTM Hình 1.4 Hệ tọa độ vuông góc phẳng Gauss-Kruger Hình 2.1 Phép chiếu mặt phẳng 19 Hình 2.2 Quan hệ hệ toạ độ trắc địa B, L, H 22 Hình 2.3 Chuyển đổi ellipsoid thành hệ tọa độ phẳng 25 Hình 3.1 Chuyển đổi hai hệ tọa độ 29 Hình 3.2 Quan hệ ellipsoid ellipsoid 31 Hình 3.3 Nguyên tắc chuyển đổi tọa độ hệ tọa độ phẳng 41 Hình 4.1 Nguyên tắc chuyển đổi tọa độ quốc gia liền kề 50 Hình 4.2 Sơ đồ mạng lưới điểm tọa độ quốc gia Lào 56 Hình 4.3 Sơ đồ tuyến độ cao hạng II, III quốc gia Lào xây dựng giai đoạn từ năm 1983 đến năm 2007 58 Hình 4.4 Mạng lưới Phần Lan xây dựng 61 Hình 4.5 Xây dựng theo tiêu chuẩn NGD 62 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tính chuyển 19 điểm tọa độ ITRF từ BLH sang XYZ Phụ lục 2: Bảng tọa độ 19 điểm ITRF tính chuyển theo tham số bảng 4.3 Phụ lục 3: Bảng tọa độ mạng lưới Phần Lan xây dựng Phụ lục 4: Bảng tính chuyển 100 điểm tọa độ BLH sang tọa độ XYZ Phụ lục 5: 20 điểm kiểm tra tính chuyển Phụ lục 6: 20 điểm WGS-84 sau thực tính chuyển tham số bảng 4.4 Phụ lục 7: 132 điểm tọa độ VN-2000 tính chuyển theo bảng tham số (bảng 4.3 bảng 4.4) Phụ lục 8: Chương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ BLH sang hệ tọa độ XYZ Phụ lục 9: Chương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ XYZ sang hệ tọa độ BLH Phụ lục 10: Chương trình xác định tham số tính chuyển theo Bursa-Wolf Phụ lục 11: Chương trình chuyển hệ tọa độ X1Y1Z1 thành hệ tọa độ X2Y2Z2 theo tham số MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Tổ chức IGS dựa khung quy chiếu quốc tế (ICRF) kết thu tín hiệu vệ tinh GNSS mạng lưới trạm tham chiếu mặt đất CORS thuộc IGS để xây dựng Hệ tọa độ động lực quốc tế ITRF, phục vụ kiểm soát biến dạng lớp vỏ Trái đất, giám sát quay Trái đất, biến thiên thuỷ triều, băng cực, xác định quỹ đạo vệ tinh, mô hình hoá tầng điện ly, nghiên cứu khí hậu, nghiên cứu thời gian tốc độ truyền dẫn tín hiệu môi trường khí Trong giai đoạn công nghệ dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GNSS) phát triển mạnh ứng dụng rộng rãi ngành, đời sống xã hội, hệ tọa độ địa phương (hệ tọa độ quốc gia) xây dựng hoàn thiện dựa khung tham chiếu mặt đất toàn cầu ITRF hay gắn chặt vào ITRF Trong xu phát triển đại, quốc gia phải hợp tác với thông qua việc trao đổi khai thác liệu dùng chung để giải nhiệm vụ khoa học kỹ thuật mang tính khu vực toàn cầu biến đổi khí hậu, nước biển dâng, trôi dạt mảng lục địa, động đất, sóng thần,… tai biến thiên nhiên khác Như vậy, nhu cầu chuyển đổi tọa độ hệ tọa độ quốc gia liền kề cần thiết, làm sở để chuyển đổi sở liệu đồ hệ thống tọa độ, độ cao thống Cơ sở liệu đồ xây dựng từ đối tượng địa lý Mỗi đối tượng địa lý thiết lập từ tập hợp điểm, đường, vùng tính chất thuộc tính chúng nói cho cùng, chúng cấu tạo từ tập hợp điểm theo quy tắc định Một điểm không gian, tùy thuộc vào góc quan sát có vai trò khác Như vậy, sở liệu đồ hệ thống tọa độ khác giữ vai trò khác Mặt khác, quốc gia liền kề, tùy thuộc vào mức độ phát triển kinh tế xã hội, vị trí địa lý, hình dạng, diện tích lãnh thổ thói quen sử dụng,… thường xây dựng cho hệ quy chiếu tọa độ riêng Tuy nhiên, bối cảnh biến đổi khí hậu phức tạp, quốc gia khu vực phải hợp tác chia sẻ khai thác sử dụng liệu để giải nhiệm vụ nêu Vì vậy, cần phải có phương án chuyển đổi tọa độ hệ thống tọa độ quốc gia, đặc biệt quốc gia liền kề (có chung đường biên giới) để thống sở liệu đồ sử dụng cho mục đích khác Để tìm tham số chuyển đổi tọa độ hai quốc gia, cần phải thu thập tọa độ thuộc mạng lưới tọa độ nhà nước quốc gia thứ nhất, chuyển tọa độ tọa độ quốc tế ITRF, sau thông qua tham số chuyển đổi để chuyển tọa độ quốc gia thứ hai Như vậy, khung quy chiếu Trái đất quốc tế ITRF đóng vai trò cầu nối để chuyển đổi tọa độ quốc gia Độ tin cậy tham số chuyển đổi phụ thuộc vào độ xác tọa độ điểm thu thập được, số lượng, mật độ phân bố chúng lãnh thổ quốc gia cần tìm thiết lập tham số chuyển đổi… Đề tài “Xây dựng thuật toán chuyển đổi tọa độ hệ thống tọa độ quốc gia liền kề phục vụ trao đổi, khai thác liệu dùng chung hợp tác khoa học quốc tế” nghiên cứu toàn diện toán chuyển đổi tọa độ hệ thống tọa độ không gian, trắc địa hệ tọa độ phẳng Đồng thời xây dựng thuật toán, xác định tham số chuyển đổi tọa độ, lập chương trình chuyển đổi tọa độ thử nghiệm tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ Lao97 (hệ tọa độ quốc gia Cộng hòa Dân chủ nhân dân Lào) Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam VN-2000 Mục đích đề tài Xây dựng thuật toán thực nghiệm chuyển đổi tọa độ hệ tọa độ quốc gia Việt Nam hệ thống tọa độ quốc gia liền kề phục vụ trao đổi khai thác liệu dùng chung hợp tác khoa học quốc tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đồ án nghiên cứu tìm hiểu, phân tích sở lý thuyết số phương pháp tính chuyển đổi tọa độ, số liệu thực nghiệm cung cấp cục đồ Quân đội để thực tính chuyển tọa độ quốc gia Lào Việt Nam Nội dung nghiên cứu Đồ án tập trung nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích sở lý thuyết số phương pháp tính chuyển đổi tọa độ từ tổng hợp phân tích nguồn tài liệu thực nghiệm cung cấp Cục đồ Quân đội để thành lập thuật toán chuyển đổi tọa độ đánh giá kết thu Phương pháp nghiên cứu Để thực nhiệm vụ đặt đồ án, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu là: - Phương pháp phân tích: Phân tích, lựa chọn phương pháp, thuật toán, tìm đường tối ưu - Phương pháp toán học: Phương pháp tính đại số tuyến tính xây dựng thuật toán - Phương pháp thực nghiệm: Điều tra số liệu, kiểm chứng kết nghiên cứu sở đánh giá độ xác - Phương pháp chuyên gia: Tham vấn thầy cô, chuyên gia vực chuyển đổi tọa độ