ứng dụng kỹ thuật DGPS

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DGPS TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN THE DGPS APPLICATION OF SETTING UP SEABED TOPOGRAPHY MAP Nguyễn Thanh Nhuận Trung tâm Tư vấn Thẩm định Trắc địa Bản đồ TP Hồ Chí Minh BẢN TÓM TẮT Sự phát triển mạnh mẽ ngày hoàn thiện công nghệ GPS giúp cho việc xác định vị trí dựa vào công nghệ GPS trở nên xác thuận tiện Ngày việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với máy đo sâu hồi âm để thành lập đồ địa hình đáy biển trở nên phổ biến Bài báo giới thiệu kỹ thuật DGPS phần mềm phục vụ cho công tác đo sâu để thành lập đồ địa hình đáy biển ABSTRACT The faster and better development of GPS technology helps defining situations more accurately and conveniently Nowadays, the application of GPS technology in combination with Echo-sounder to set up seabed topography map is more and more popular This paper introduces the techniques of DGPS and the software applied in measuring depth to set up seabed topography map 224 số hiệu chỉnh khoảng cách ∆S đến vệ tinh tham chiếu theo thông điệp chuẩn RTCM SC-104 Thông điệp truyền sang máy phát vô tuyến Tại thông điệp điều biến trộn lẫn vào sóng mang loại HF, hay UHF phát vào không gian anten vô tuyến * Tại trạm động (Rover): Khi thu sóng vô tuyến truyền đến từ trạm tĩnh, máy thu vô tuyến khuyếch đại lên, giải điều biến tách thông điệp RTCM SC-104 gửi đến máy thu GPS từ có số hiệu chỉnh khoảng cách Những số hiệu chỉnh ∆S máy thu cộng vào khoảng cách giả đo trước tính tọa độ tuyệt đối vị trí hành thời điểm đo Quá trình thu nhận xử lý xảy liên tục suốt trình đo Khoảng cách từ trạm tĩnh đến trạm động phụ thuộc vào khả truyền tải tín hiệu thu phát radio link Nếu radio link dùng sóng mang HF tầm xa đạt đến 500Km Nếu radio link dùng sóng mang UHF tầm xa đạt đến 50Km với điều kiện phải có thông thoáng anten UHF Ngoài tầm xa phụ thuộc vào công suất thu phát máy radio link MỞ ĐẦU Công nghệ GPS đưa vào ứng dụng Việt Nam từ năm đầu thập kỷ 90 mang lại hiệu to lớn công tác đo đạc lưới khống chế trắc địa Những năm gần đây, công nghệ GPS cho định vị đối tượng chuyển động áp dụng Việt Nam Đầu tiên, kỹ thuật DGPS (Differential GPS – GPS sai phân) cho phép định vị đối tượng chuyển động với độ xác cỡ 0.5m, kỹ thuật RTK GPS (Real Time Kinematic GPS – GPS đo động thời gian thực) để định vị đối tượng chuyển động với độ xác cao (cỡ vài centimet) [1] Hiện nay, máy thu GPS đại có độ xác định vị cao nên việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với máy đo sâu hồi âm để thành lập đồ địa hình đáy biển trở nên phổ biến giới Tại Việt Nam bước đầu du nhập sử dụng công nghệ GPS để ứng dụng cho việc đo đạc thành lập đồ địa hình đáy biển, kèm theo phần mềm xử lý số liệu đo sâu HYPACK, HYDRO, GEONAV, NEPTUNE … Trong báo này, tác giả giới thiệu việc ứng dụng kỹ thuật DGPS phần mềm HYPACK phục vụ cho công tác đo sâu để thành lập đồ địa hình đáy biển 2.1 Định vị kỹ thuật DGPS PHƯƠNG PHÁP DGPS Số cải tính toán phát tức thời thông qua thiết bị Radio tới máy thu GPS Các máy thu GPS thu nhận đồng thời tín hiệu định vị từ vệ tinh, tín hiệu cải để tính toán vị trí xác (vị trí định vị GPS cải phân sai) Với phương pháp này, vị trí bất kỳ, thời điểm ta biết vị trí không gian xác điểm đặt Antena máy thu GPS Để tính toán phát số cải phân sai, phục vụ cho đối tượng sử dụng, người ta ứng dụng hai phương pháp: - Mỗi quốc gia xây dựng mạng lưới trạm định vị cố định (các trạm gọi trạm GPS sở – Base Station) Các trạm thu tín hiệu từ vệ tinh GPS 24/24 liên tục tính toán, phát số cải phân sai Một máy thu GPS thu xử lý số liệu cải phân sai từ hay nhiều trạm GPS tĩnh - Xây dựng mạng lưới trạm tĩnh có tính chất toàn cầu Các số liệu cải phân sai phát lên vệ tinh phát lại cho máy thu GPS toàn cầu theo khu vực, điển hình hệ thống trạm tĩnh hệ thống định vị Phương pháp DGPS phương pháp định vị động tuyệt đối thời gian thực dùng máy thu GPS, máy thu GPS kết nối với thu phát tín hiệu sóng vô tuyến thường gọi Radio link Một máy thu GPS cố định đặt mốc tọa độ gốc có kết nối với máy phát vô tuyến máy thu di động có kết nối với máy thu vô tuyến đặt phương tiện di chuyển Giữa máy thu GPS máy vô tuyến trao đổi thông điệp dạng số (Digital) chứa thông tin số hiệu chỉnh khoảng cách giả theo chuẩn RTCM SC-104 Loại thông điệp ủy ban kỹ thuật vô tuyến hàng hải quốc tế (Radio Technical Commission for Marine Service) định nghĩa đề xuất Cơ chế hoạt động phương pháp tóm tắt sau: * Tại trạm tĩnh (Base): Tọa độ gốc biết trước theo hệ WGS84 nhập vào máy thu cố định Khi hoạt động máy thu thực đồng thời việc đo khoảng cách giả tính toán khoảng cách thật đến vệ tinh Sau tính 225 OmniSTAR (Úc) 2.2 Định vị kỹ thuật RTK GPS Về mặt nguyên tắc kỹ thuật RTK GPS tương tự kỹ thuật DGPS Tuy nhiên trường hợp RTK, trạm sở truyền trị đo pha phía trạm động Trạm động thành lập trị đo pha dạng hiệu đôi để xử lý Vì trị đo pha có độ xác đến mm nên độ xác định vị đạt từ cm đến dm tùy thuộc vào việc tìm trị nguyên cho tham số đa trị trị đo pha Nếu 100% tham số đa trị giải ta có nghiệm fix nghiệm xác nhất, giải phần ta có nghiệm partial nhận nghiệm float không giải tham số đa trị Việc giải thành công tham số đa trị dựa vào trị đo pha thời điểm đo thách thức lớn mặt thiết bị GPS Ngoài phụ thuộc nhiều vào khoảng cách trạm sở trạm động, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời tốc độ di chuyển tàu Ví dụ điển hình cho phương pháp định vị hệ thống định vị hãng Topcon bao gồm máy thu đặt trạm cố định có phát sóng radio link để hiệu chỉnh vào trị đo pha trạm động Hình Xác định độ cao kỹ thuật RTK Sơ đồ mô tả nguyên tắc xác định độ cao đáy sông kỹ thuật RTK, đó: - h: độ chênh cao hai anten trạm sở trạm động, xác định kỹ thuật RTK với độ xác đến cm - a: chiều cao anten trạm sở so với mốc đo thước với độ xác khoảng 5mm - h0: độ cao mốc so với mặt Geoid tham khảo - f: chiều cao anten trạm động so với mực nước vị trí thuyền đo thước với độ xác cm - d: khoảng cách đáy đo máy đo sâu hồi âm - h: độ cao đáy sông tính theo công thức: h = hw - d - hw: độ cao tức thời mực nước thuyền thời điểm đo, xác định theo công thức: hw = h0 + a - ∆ h - f Như kỹ thuật RTK cung cấp cho ta vị trí mặt độ cao xác anten thời điểm đo Điều giúp tránh khuyết điểm trình xác định độ sâu đo mực nước 2.3 Xác định độ cao kỹ thuật RTK GPS Nguyên tắc việc xác định độ cao đáy sông (biển) đo mực nước giả sử độ cao mực nước điểm gần bờ độ cao mực nước vị trí tàu (thuyền) phải Giả thiết vùng nước yên tĩnh tác động sóng, gió, dòng chảy… Trong thực tế nhiều nguyên nhân gây chênh lệch mực nước trạm đo gần bờ vị trí đo sâu ảnh hưởng đoạn sông cong, đoạn sông co hẹp hay mở rộng, tác động gió sóng thủy triều… Những ảnh hưởng làm cho độ cao mực nước thuyền bờ có chênh đến mét Để khắc phục nhược điểm này, kỹ thuật RTK GPS có khả xác định vị trí thực địa điểm phương diện mặt độ cao với độ xác cao (Hình 1) THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 3.1 Phương pháp tích hợp liệu GPS máy đo sâu hồi âm Dựa vào máy thu GPS máy đo sâu hồi âm tích hợp với máy tính phần mềm chuyên dùng để từ xác định tọa độ độ cao điểm đo sâu Để việc xác định toạ độ độ sâu điểm đo đồng liên tục người ta nối kết máy thu GPS máy đo sâu với máy tính thông qua cổng nối tiếp 226 Máy đo sâu máy thu GPS phải có cổng xuất liệu theo dạng kỹ thuật số máy tính phải có phần mềm chuyên dùng cài sẵn nhận biết thông tin truyền sang từ hai thiết bị Khi khởi động hệ thống, thời điểm đo liệu truyền liên tục từ máy thu GPS máy đo sâu vào máy tính Máy tính đồng thời thu hai tín hiệu tích hợp thành sở liệu Cơ sở liệu file chứa thông tin tọa độ, độ sâu, thời gian tham số cài đặt giá trị liên quan thường gọi file thô hay file gốc lưu trữ vào đĩa cứng máy tính Các liệu đồng thời máy tính xử lý hiển thị theo yêu cầu người dùng như: vị trí đường đo thiết kế trước, vị trí mô tàu, mặt cắt độ sâu đo, tốc độ tàu, thời gian … Ứng dụng thuận lợi không đơn khả định vị nơi, vào lúc biển mà khắc phục hầu hết nhược nhiểm công nghệ truyền thống, nâng cao độ xác đạt suất cao Hình Qui trình thành lập BĐĐH đáy biển 3.2 Qui trình thành lập đồ địa hình đáy biển công nghệ GPS CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG (MÁY THU GPS, ECHO-SOUNDER) VÀ PHẦN MỀM Trong phương pháp đo sâu ứng dụng công nghệ GPS tích hợp với máy đo sâu hồi âm thiết bị phục vụ cho việc đo sâu tàu thuyền, máy đo GPS, máy đo sâu … ta cần phải có phần mềm chuyên dụng để tích hợp xử lý trị đo nhận Qui trình thành lập đồ địa hình đáy biển thực theo sơ đồ sau (Hình 2): 4.1 Máy thu GPS Máy thu GPS thiết bị thu tín hiệu vệ tinh, phù hợp cho phương pháp đo số sloại máy sau: - Máy thu Topcon Legacy II: Máy thu vệ tinh tần số, đo DGPS thông qua phát tín hiệu radio link - Máy thu Trimble 5800: Máy thu vệ tinh tần số, đo DGPS thông qua phát tín hiệu radio link - Máy thu OmniStar 3000RL12: Đo DGPS dựa vào hệ thống định vị OMNISTAR - Máy thu OmniStar 3000LM: Đo DGPS dựa vào hệ thống định vị OMNISTAR 4.2 Máy đo sâu hồi âm Máy đo sâu hồi âm thiết bị có nhiệm vụ phát thu tín hiệu để tính khoảng cách từ phát biến đến đáy sông (biển) dựa vào sóng âm Một số máy đo sâu hồi âm thông dụng như: - Máy đo NaviSound 210, NaviSound 400 227 gồm đường trắc dọc trắc ngang Tuỳ theo khu vực cần đo sông hẹp hay biển mà ta có phương pháp thiết kế khác + Thiết kế theo luồng hẹp: Ap dụng cho khúc sông hẹp đoạn kênh Các đường trắc ngang thiết kế vuông góc với tim luồng đường trắc dọc song song với tim luồng hai bờ + Thiết kế biển: Vì địa hình biển thông thoáng gặp chướng ngại vật, đường đo sâu thiết kế theo hướng định Các đường song song với cách theo khoảng cho phép theo loại tỷ lệ đồ cần thành lập - Cài đặt thiết bị tham số chuyển đổi: Để phần mềm Hypack nhận thiết bị ngoại vi máy định vị GPS, máy đo sâu hồi âm trước đo đạc thực địa ta phải tiến hành cài đặt thông số Vì loại máy có nhiều chủng loại khác loại có đặc điểm khác công việc cài đặt thiết bị quan trọng sử dụng phần mềm Hypack + Thông tin ban đầu công trình: Khu đo, ngày đo, tên công trình, tên người thực hiện… + Định nghĩa thiết bị ngoại vi dùng + Xác lập thông số giao diện máy tính thiết bị ngoại vi + Chọn file đường đo sâu + Chọn file cho khu vực cần đo đạc để hiển thị hình + Chọn file thiết kế tuyến đo sâu + Chọn dạng hiển thị tàu hình + Chế độ hiển thị tọa độ hình lúc đo đạc + Chọn tên phần mở rộng file số liệu, thư mục lưu trữ + Xác lập tuỳ chọn đo, khoảng cách để chương trình tự động Log file, tăng giảm thứ tự đường đo… + Xác lập thông số trắc địa hệ tọa độ địa phương + Nhập tham số tính chuyển đổi từ hệ toạ độ WGS-84 sang hệ tọa độ địa phương - Thu thập số liệu trường: Chương trình nhận thông tin từ file *.ini hành để định tất tham số cho trình Log số liệu Tập hợp file quản lý log file, muốn cần xử lý nhiều số liệu ta chọn file*.log chứa tên file số - Máy đo Raytheon DE-719 CM - Máy đo Hydrotrac - Máy đo Echotrac MKIII 4.3 Các phần mềm ứng dụng đo sâu Các thông tin thu nhận từ kĩ thuật định vị DGPS đo sâu hồi âm thông tin riêng lẻ, độc lập Để thành lập đồ địa hình đáy biển (đáy sông) thông tin phải đồng với mặt không gian Phần mềm đo vẽ địa hình đáy biển giữ vai trò điều khiển, đồng số liệu quan trắc biển có liên quan thành file số liệu thống tạo sở đồ biển Phần mềm đo vẽ có chức như: Thiết kế, chuẩn bị kế hoạch đo biển, điều khiển thống vận hành quan trắc biển, xử lý, biên tập số liệu quan trắc Các phần mềm sử dụng rộng rãi giới số ứng dụng Việt Nam như: HYPACK, HYDRO, GEONAV, NEPTUNE, TRITON, … Ngoài ra, có số phần mềm đo sâu miễn phí SeaClear phần mềm tương đối đơn giản 4.4 Giới thiệu phần mềm HYPACK Phần mềm HYPACK phần mềm ứng dụng đo sâu thiết kế chạy môi trường Windown với giao diện gần gũi dễ sử dụng nhằm xử lý số liệu đo sâu cách tự động Đây phần mềm có quyền Mỹ, sử dụng thông qua khóa cứng gắn vào cổng LPT1 Phần mềm HYPACK có đầy đủ chức thiết kế tuyến đo, xử lý số liệu đo đạc trực tiếp trường, xử lý số liệu nội nghiệp… Ta xem phần mềm bao gồm hai phần phần giao tiếp với người sử dụng phần liên kết với thiết bị ngoại vi (máy in, máy thu GPS, máy đo sâu hồi âm …) Các chức phần mềm Hypack - Thiết kế đường đo sâu: Mục đích việc thiết kế đường đo sâu để tiến hành đo đạc, người ta cho tàu chạy hướng định đo đạc Kết ghi nhận xác nhờ có hình kiểm tra hướng chạy tàu điều chỉnh kịp thời tàu chạy bị lệch khỏi đường thiết kế Đường đo sâu bao 228 liệu - Thiết lập file hiệu chỉnh thuỷ triều: Như ta biết, đo sâu có thuỷ triều lên xuống nên độ sâu đo thay đổi Để hiệu chỉnh sai số độ sâu thay đổi thuỷ triều, ta tạo file thuỷ triều theo ngày với số liệu quan trắc thực địa đo sâu Từ file này, phần mềm Hypack tự hiệu chỉnh vào độ sâu đo tương ứng với số liệu quan trắc - Xử lý số liệu đo sâu: Khi thực xong công tác đo sâu trường, ta tiến hành công tác xử lý nội nghiệp + Chọn số liệu, loại bỏ số liệu đo sâu trùng nhau: Trong trình đo gặp cố hay nhầm lẫn mà ta đo nhiều lần cho đường đo nên ta cần loại bỏ bớt đường đo sâu trùng Khi cần thành lập đồ tỷ lệ nhỏ ta cần loại bỏ số độ sâu nhằm đảm bảo mật độ điểm đo qui định, làm cho đồ dễ đọc, tránh dày đặc mà đảm bảo thông tin theo yêu cầu + Xuất sang file có định dạng phù hợp: Ta cần chuyển file lưu sang file có định dạng phù hợp ứng dụng cho nhiều phần mềm biên tập Acad, Liscad, Microstation… + Làm trơn đường đo sâu: Cho phép chỉnh lại đường đo sâu trơn mà đường đo sâu thực tế bị gãy khúc, không với đường thiết kế giới hạn cho phép làm cho đường đo sâu hệ thống đưa lên vẽ + Hiệu chỉnh độ sâu: Do tín hiệu đo sâu có lúc bị nhiễu làm cho độ sâu đo bị sai lệch, phần mềm Hypack có sẵn công cụ giúp chỉnh lại độ sâu bị nhiễu + Vẽ đường đẳng sâu xuất sang file*.dxf: Dựa số liệu đo sâu thu thập được, phần mềm Hypack vẽ đường đẳng sâu địa hình đáy sông (đáy biển) theo khoảng cao tuỳ theo khai báo (1m, 2m, 5m…) Sau ta xuất vẽ sang định dạng file *.dxf để dùng phần mềm chuyên dụng biên tập đồ Acad, CadMap, Softdesk, Microstation… KẾT LUẬN Trên sở tính thực tế, độ xác đo đạc hiệu kinh tế cao mà phương pháp thành lập đồ địa hình đáy biển sử dụng công nghệ GPS sử dụng rộng rãi nhiều nước giới Ở Việt Nam bước đầu du nhập triển khai sử dụng số đơn vị sản xuất, qua thực tế áp dụng cho thấy ưu vượt trội so với phương pháp đo sâu truyền thống Đây phương pháp đo tiên tiến, ứng dụng kỹ thuật DGPS, RTK GPS nên cần phổ biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực đo sâu số lĩnh vực khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Hùng Võ, Trần Bạch Giang, Hoàng Dũng Báo cáo Hội thảo khoa học ngày 21/11/2003 “Nhu cầu phát triển công nghệ tích hợp GPS-GIS cho ứng dụng Việt Nam nay” Lê Trung Chơn Giáo trình Trắc địa biển Nhà xuất đại học quốc gia TP.HCM, 2003 Website: @ http://www.odomhydrographic.com @ http://www.hypack.com 229