Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính cho cụm 07 xã miền núi thuộc huyện thanh sơn tỉnh phú thọ

Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính cho cụm 07 xã miền núi thuộc huyện thanh sơn tỉnh phú thọ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

NGUYỄN XUÂN NGẠN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ðỊA CHÍNH PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ðỒ ðỊA CHÍNH CHO CỤM 07 XÃ MIỀN NÚI THUỘC HUYỆN THANH SƠN TỈNH PHÚ THỌ

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Quản lý ñất ñai

Mã số : 606216

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI - 2011

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào Nội dung ñề tài này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học ñược tổng hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trực tiếp tham gia thực hiện

Tôi xin cam ñoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Ngạn

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành ñược ñề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến: Ban giám hiệu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, lãnh ñạo Viện Sau ðại học, Khoa Tài nguyên và Môi trường, cùng các Thầy Cô giáo ñã giảng dạy, truyền ñạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Trường

TS Lê Minh Tá ñã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện ñề tài

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến gia ñình, bạn bè ñã giúp

ñỡ, ñộng viên và ñóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành ñề tài

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Ngạn

2.1 Khái quát về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS 3 2.2 Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ GPS và ứng dụng công

nghệ GPS xây dựng lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng 19

2.4 Tổng quan về huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ 29

3 ðỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THÀNH QUẢ LƯỚI 37

4.2 Lập lưới ñịa chính cho cụm 7 xã miền núi thuộc huyện Thanh

4.2.6 Sơ ñồ lưới GPS và ñánh giá ñộ chính xác kết quả ño lưới GPS 67

4.3.1 So sánh kết quả ño kiểm tra với kết quả ñã thực hiện 70 4.3.2 So sánh kết quả ño kiểm tra vị trí ñiểm 70

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DOP : Dilution of Precision

ðộ mất chính xác GPS : Global Positioning System

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu HDOP : Horizon Dilution of Precision

ðộ mất chính xác theo phương ngang PDOP : Position Dilution of Precision

ðộ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D

Ratio : Tỉ số phương sai

Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo

VDOP : Vertiacal Dilution of Precision

ðộ mất chính xác theo phương dọc

X, Y, h : Tọa ñộ X, Y, ðộ cao thủy chuẩn tạm thời

Mx, My, Mh : Sai số theo phương x, y h

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.1 Số ñiểm thiết kế ño trên ñịa bàn khu ño 44 4.2 Số liệu ñiểm gốc toạ ñộ và ñộ cao trên ñịa bàn khu ño 45 4.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS 63

4.5 So sánh số liệu ñạt ñược với quy phạm ban hành 69 4.6 So sánh kết quả xử lý ñược với kết quả ño kiểm tra 70

2.5 Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm 7

2.6 Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu 9

4.4 Cửa sổ Auto View Time Selection 50

4.8 Cửa sổ GPSurvey Project: THANH SƠN 56

4.9 Cửa sổ Load from RINEX file: Interactive 56

4.11 Cửa sổ Verify Station for Static Occupation 1 58

4.14 Sơ ñồ lưới ñia chính THANH SƠN 60

4.16 Cửa sổ TRIMNET Plus Network Adjustment 64

1 MỞ ðẦU

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài

Phát triển và ứng dụng khoa học công nghệ trong mọi lĩnh vực của cuộc sống, xã hội ñược coi là con ñường nhanh nhất ñể rút ngắn thời gian thực hiện sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện ñại hóa ñất nước ðây cũng chính

là vấn ñề ñang ñược toàn ðảng, toàn dân hết sức quan tâm, khi mà khoa học công nghệ ñang từng ngày mở rộng với sự phát triển của nền kinh tế tri thức trong thời ñại mới, thời kỳ hội nhập

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS là hệ thống ñịnh vị, dẫn ñường sử dụng các vệ tinh nhân tạo ñược Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm ñầu thập kỷ 70 Ban ñầu, hệ thống này ñược dùng cho mục ñích quân sự nhưng sau ñó ñã ñược thương mại hóa, từ năm 1980 hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS ñã ñược sử dụng vào mục ñích dân sự Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của ñời sống kinh tế, xã hội ñã và ñang áp dụng công nghệ GPS Trong ngành trắc ñịa, công nghệ GPS ñã mở ra thời kỳ mới, ñã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng mạng lưới tọa ñộ các cấp Với ngành trắc ñịa bản ñồ thì ñây là cuộc cách mạng thực sự về cả

kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS ñã ñược công nhận và sử dụng rộng rãi như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc ñịa bản ñồ bởi các tính ưu việt sau: Có thể xác ñịnh tọa ñộ của các ñiểm từ ñiểm gốc khác mà không cần thông hướng; ñộ chính xác ño ñạc ít phụ thuộc vào ñiều kiện thời tiết (có thể

ño trong mọi ñiều kiện thời tiết); việc xác ñịnh tọa ñộ các ñiểm rất nhanh chóng, tính chính xác cao, ở bất kỳ vị trí nào trên trái ñất; kết quả ño ñạc có thể tính trong hệ tọa ñộ toàn cầu hoặc hệ tọa ñộ ñịa phương bất kỳ

Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và ñược sử dụng rộng rãi Người ta ñã sử dụng công nghệ GPS ñể xây dựng lưới tọa ñộ nhà nước thay thế cho các phương pháp truyền thống, ñạt ñược ñộ chính xác cao Huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ những năm qua có tốc ñộ phát triển kinh tế tương ñối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng ñất ngày càng tăng Chính

vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý ñất ñai của huyện là phải thành lập ñược bản ñồ ñịa chính (BððC) có ñộ chính xác cao Muốn có ñược ñiều ñó cần phải xây dựng hệ thống lưới ñịa chính trên ñịa bàn huyện

ðể mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần ñưa công nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới ñịa chính huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ, chúng tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài:

“Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới ñịa chính phục vụ công tác thành lập bản ñồ ñịa chính cho cụm 07 xã miền núi thuộc huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ”

1.2 Mục ñích của ñề tài

Thông qua việc nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả năng ứng dụng công nghệ GPS vào xây dựng lưới ñịa chính khu vực ñồi núi của tỉnh Phú Thọ

1.3 Yêu cầu của ñề tài

Thiết kế, thi công lưới ñịa chính trên ñịa bàn khu ño thuộc huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ Phân tích, ñánh giá ñộ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới ñịa chính ở khu vực huyện Thanh Sơn

1.4 Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài

Dựa trên công nghệ GPS ñể xây dựng hệ thống lưới ñịa chính thay thế cho phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần ñưa công nghệ mới vào sản xuất nhằm nâng cao ñộ chính xác, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sản xuất khi xây dựng lưới khống chế trắc ñịa nói chung và lưới khống chế ñịa chính ở vùng núi huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ nói riêng

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Khái quát về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS

2.1.1 Khái niệm về GPS [10]

Tên tiếng Anh ñầy ñủ của GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System ðây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh ñể cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác Hệ thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt ñộng trong mọi ñiều kiện thời tiết

Hình 2.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS

(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

2.1.2 Các thành phần của GPS

GPS gồm 3 ñoạn: ñoạn không gian, ñoạn ñiều khiển và ñoạn người sử dụng

• ðoạn không gian ( Space Segment )

- Hệ thống ban ñầu có 24 vệ tinh, trong ñó có 3 vệ tinh dự trữ Hiện nay

ñã có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái ñất trên 6 quỹ ñạo gần tròn cách ñều

nhau, với ñộ cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích ñạo của trái ñất Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút

- Chức năng chính của các vệ tinh là:

+ Nhận và lưu trữ dữ liệu ñược gửi lên từ các trạm ñiều khiển

+ Duy trì thời gian chính xác bởi ñồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh

+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1

và L2

- Mỗi vệ tinh ñược trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao cỡ 10 -12 Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz và từ ñây tạo ra các sóng tải tần số L1=1575,42 MHz và L2=1227,60 MHz ðể giảm ảnh hưởng của tầng ñiện ly người ta sử dụng hai tần số

- ðể phục vụ cho các mục ñích và ñối tượng khác nhau, các tín hiệu phát ñi ñược ñiều biến mang theo các code riêng biệt ñó là: C/A- Code, P- Code và Y- Code

+ C/A-Code (Coarse/Acquisition Code) là code thô ñược sử dụng rộng rãi C/A Code có tính chất code tựa ngẫu nhiên Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1.023 MHz) C/A Code chỉ ñiều biến sóng tải L1

+ P-Code (Precision Code) là code chính xác ñược sử dụng cho các mục ñích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho các mục ñích khác khi ñược phía Mỹ cho phép P-Code ñiều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa ngẫu nhiên

+ Y-Code là Code bí mật ñược phủ lên P-Code nhằm chống bắt chiếc, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm

1989 mới có khả năng này

Hình 2.2: Cấu trúc tín hiệu GPS (Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

• ðoạn ñiều khiển (Control Segment)

Có 5 trạm ñiều khiển trên mặt ñất: Hawaii (Thái Bình Dương), Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ), Ascension Island (ðại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn ðộ Dương) và Kwajalein (Thái Bình Dương) Nhiệm vụ của ñoạn ñiều khiển là ñiều khiển toàn bộ hoạt ñộng và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển ñộng quỹ ñạo của các vệ tinh và hoạt ñộng của ñồng hồ trên ñó Tất cả các số liệu ño khoảng cách, sự thay ñổi khoảng cách, các số liệu ño khí tượng ở mỗi trạm ñều ñược truyền về trạm trung tâm Trạm trung tâm xử lý các số liệu ñược truyền từ các trạm theo dõi và số liệu

ño của chính nó ñể cho ra các ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các ñồng hồ vệ tinh Các số liệu này ñược truyền trở lại cho các trạm theo dõi và từ ñó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh ñiều khiển khác

Hình 2.3: Các trạm ñiều khiển GPS (Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

• ðoạn sử dụng (User Segment)

Gồm các máy thu ñặt trên mặt ñất, bao gồm phần cứng và phần mềm

- Phần cứng là các máy ño có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh ñể khai thác,

sử dụng cho các mục ñích, yêu cầu khác nhau của khách hàng

- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin ñể cung cấp tọa ñộ của máy thu

Hình 2.4: Các thành phần chính của GPS (Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

2.1.3 Nguyên lý ñịnh vị GPS [11]

2.1.3.1 Các ñại lượng ño

Việc ñịnh vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng ñại lượng

ño cơ bản, ñó là ño khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code

và P-code) và ño pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2

• ðo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Code tựa ngẫu nhiên ñược phát ñi từ vệ tinh cùng với sóng tải Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên ñúng như vậy Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác ñịnh ñược khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ ñó dễ dàng xác ñịnh ñược khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu (ñến tâm anten của máy thu) Do có sự không ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian ño ñược không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, ñó là khoảng cách giả

Hình 2.5: Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)

Nếu ký hiệu tọa ñộ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa ñộ của ñiểm xét (máy

thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh ñến ñiểm xét là t, sai số

không ñồng bộ giữa ñồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆ t, khoảng cách

giả ño ñược là R, ta có phương trình:

Trong ñó, c là tốc ñộ lan truyền tín hiệu

Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế

hệ thống GPS, kỹ thuật ño khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách tương ứng khoảng 30m Nếu tính ñến ảnh hưởng của ñiều kiện lan truyền tín hiệu, sai số ño khoảng cách theo C/A code

sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận ñược ñể cho khách hàng dân sự ñược khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này ñã ñược phát triển ñến mức có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng ñại trà Chính vì lý do này mà trước ñây Chính phủ Mỹ ñã ñưa ra giải pháp SA ñể hạn chế khả năng thực tế của C/A code Nhưng ngày nay do kỹ thuật ño GPS có thể khắc phục ñược nhiễu SA, Chính phủ Mỹ ñã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị ño GPS từ tháng 5 năm 2000

• ðo pha sóng tải

Các sóng tải L1, L2 ñược sử dụng cho việc ñịnh vị với ñộ chính xác cao Với mục ñích này người ta tiến hành ño hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận ñược từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Hiệu số pha do máy thu ño ñược ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π)

Khi ñó ta có thể viết:

Trong ñó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

λ là bước sóng của sóng tải;

t c z z y

y x

x t

t

c

) (

2

t c N

R − + ∆

=

λ π

(1.2)

N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R, N còn ựược gọi là số

nguyên ựa trị, thường không biết trước mà cần phải xác ựịnh trong thời gian ựo;

∆ t là sai số ựồng bộ giữa ựồng hồ của vệ tinh và máy thu;

Trong trường hợp ựo pha theo sóng tải L1 có thể xác ựịnh khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với ựộ chắnh xác cỡ cm, thậm chắ nhỏ hơn Sóng tải L2 cho ựộ chắnh xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm ựáng kể tầng ựiện ly và việc xác ựịnh số nguyên ựa trị ựược ựơn giản hơn

Hình 2.6: Kỹ thuật giải ựa trị tại các máy thu (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)

2.1.3.2 định vị tuyệt ựối (point positioning)

đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS ựể xác ựịnh ngay tọa ựộ của ựiểm quan sát trong hệ tọa ựộ WGS-84 đó có thể là các thành phần tọa ựộ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa ựộ trắc ựịa mặt cầu (B,L,H) Hệ thống tọa ựộ WGS-84 là hệ thống tọa ựộ cơ sở của GPS, tọa ựộ

của vệ tinh và ñiểm quan sát ñều lấy theo hệ thống tọa ñộ này

Việc ño GPS tuyệt ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại lượng ño

là khoảng cách giả từ vệ tinh ñến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từ các ñiểm ñã biết tọa ñộ là các vệ tinh

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh ñến máy thu, ta sẽ tính ñược khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu Khi ñó 3 khoảng cách ñược xác ñịnh ñồng thời từ 3 vệ tinh ñến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian ñơn trị của máy thu Song trên thực tế

cả ñồng hồ trên vệ tinh và ñồng hồ trong máy thu ñều có sai số, nên khoảng cách ño ñược không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một ñiểm, nghĩa là không thể xác ñịnh ñược vị trí của máy thu ðể khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một ñại lượng ño nữa, ñó

là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:

(XS1- X)2 +(YS1- Y)2 +(ZS1- Z)2 = (R1-c∆t)2

(XS2- X)2 +(YS2- Y)2 +(ZS2- Z)2 = (R2-c∆t)2

(XS3- X)2 +(YS3- Y)2 +(ZS3- Z)2= (R3-c∆t)2

(XS4- X)2 +(YS4- Y)2 +(ZS4- Z)2 = (R4-c∆t)2

Với khoảng cách giả ño ñồng thời từ 4 vệ tinh ñến máy thu chúng ta sẽ

lập ñược hệ phương trình dạng (1.3) với 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆ t) Giải hệ phương

trình trên chúng ta tìm ñược tọa ñộ tuyệt ñối của máy thu và số hiệu chỉnh ñồng hồ của máy thu

Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ñộng ñầy ñủ như hiện nay, số lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát ñược thường từ 6-8 vệ tinh, khi ñó số lượng phương trình sẽ lớn 4 và nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên

lý số bình phương nhỏ nhất

(1.3)

Hình 2.7: Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)

2.1.3.3 ðịnh vị tương ñối (Relative Positioning)

ðo GPS tương ñối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS ñặt ở hai ñiểm quan sát khác nhau ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa ñộ trắc ñịa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa ñộ WGS-84

Nguyên tắc ño GPS tương ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại lượng ño là pha của sóng tải ðể ñạt ñược ñộ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác ñịnh hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm xét, người ta ñã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng ñến các nguồn sai số khác nhau như: Sai số của ñồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa ñộ vệ tinh, sai số số nguyên ña trị,

Ta ký hiệu Φrj(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j ño ñược tại trạm r

vào thời ñiểm ti, khi ñó nếu hai trạm ño 1 và 2 ta quan sát ñồng thời vệ tinh j

vào thời ñiểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một ñược biểu diễn như sau:

∆1Φj

(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (1.4)

Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số ñồng hồ vệ tinh

Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k vào

thời ñiểm ti, ta có phân sai bậc hai:

∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti) (1.5)

Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số ñồng hồ vệ tinh và máy thu

Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k

vào thời ñiểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:

∆3Φj,k

= ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti) (1.6)

Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên ña trị

Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 32 vệ tinh hoạt ñộng Do vậy, tại mỗi thời ñiểm ta có thể quan sát ñược số vệ tinh nhiều hơn 4 Bằng cách tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị ño, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong ño tương ñối thường khá dài vì vậy số lượng trị ño ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm là rất lớn, khi ñó bài toán sẽ giải theo phương pháp

hiệu tọa ñộ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai ñiểm xét với ñộ chính xác cao, nhằm ñáp ứng yêu cầu của công tác Trắc ñịa ñịa hình Trong trường hợp này cần có hai máy thu, một máy ñặt ở ñiểm ñã biết tọa ñộ còn máy kia ñặt tại ñiểm cần xác ñịnh Cả hai máy thu ñồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung trong một khoảng thời gian nhất ñịnh, thường từ một ñến hai ba giờ ñồng hồ Số vệ tinh tối thiểu cho hai trạm quan sát là 4 Khoảng thời gian quan sát kéo dài là

ñể cho ñồ hình phân bố vệ tinh thay ñổi từ ñó ta có thể xác ñịnh ñược số nguyên ña trị của sóng tải và ñồng thời là ñể có nhiều trị ño nhằm ñạt ñộ chính xác cao và ổn ñịnh kết quả quan sát

ðây là phương pháp ñạt ñược ñộ chính xác cao nhất trong việc ñịnh vị tương ñối bằng GPS, có thể cỡ centimet, thậm chí là milimet ở khoảng cách giữa hai ñiểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet Nhược ñiểm của phương pháp là thời gian ño phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng xuất ño thường không cao

- Phương pháp ño ñộng: Phương pháp ño ñộng cho phép xác ñịnh vị trí tương ñối của hàng loạt ñiểm so với ñiểm ñã biết Phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu ñể xác ñịnh số nguyên ña trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh ñáy ñã biết ñược gối lên ñiểm ñã có tọa ñộ Sau khi ñã xác ñịnh số nguyên ña trị ñược giữ nguyên ñể tính khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu cho các ñiểm ñi tiếp sau trong suốt cả chu kỳ ño Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại ñiểm ño không phải là một giờ ñồng hồ như trong phương pháp ño tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong phương pháp này

2.1.3.4 ðịnh vị vi phân (Differential GPS) [7]

Phương pháp này dùng một máy thu ñặt cố ñịnh tại ñiểm ñã biết tọa ñộ

và máy thu này có khả năng phát ra tín hiệu vô tuyến, ñồng thời có máy di ñộng khác ñặt ở vị trí cần xác ñịnh tọa ñộ Cả máy cố ñịnh và máy di ñộng cần ñồng thời tiến hành thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ

vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác ñịnh tọa ñộ của cả máy cố ñịnh và máy di ñộng cũng ñều bị sai lệch, ñộ sai lệch này ñược xác ñịnh trên cơ sở so sánh tọa ñộ tính ra theo tín hiệu thu ñược từ vệ tinh và tọa ñộ ñã biết trước của máy

cố ñịnh và có thể xem là như nhau cho cả máy cố ñịnh và máy di ñộng Nó ñược máy cố ñịnh phát ñi qua sóng vô tuyến ñể máy di ñộng thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác ñịnh tọa ñộ của mình

2.1.4 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [6]

2.1.4.1 Sai số của ñồng hồ

Sai số ñồng hồ gồm ñồng hồ trên vệ tinh, ñồng hồ trong máy thu và sự không ñồng bộ giữa chúng gây ra sai số của ñồng hồ trong kết quả ño GPS ðặc biệt là trong ñịnh vị tuyệt ñối sai số này có giá trị tương ñối lớn

Các vệ tinh ñược trang bị ñồng hồ nguyên tử có ñộ chính xác cao, tính ñồng bộ về thời gian giữa các ñồng hồ vệ tinh ñược giữ trong khoảng 20 nano giây Còn các máy thu GPS ñược trang bị ñồng hồ thạch anh chất lượng cao (1 phần 104) ñặt bên trong

Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3.108m/s, nếu sai số ñồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30 m, nếu ñồng hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai 3 m

Với ảnh hưởng như trên, người ta ñã sử dụng nguyên tắc ñịnh vị tương ñối ñể loại trừ ảnh hưởng của sai số ñồng hồ

2.1.4.2 Sai số quỹ ñạo vệ tinh

Chúng ta ñã biết vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo xung quanh trái ñất chịu nhiều sự tác ñộng như ảnh hưởng của sự thay ñổi trọng trường trái ñất, ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác ñộng tới quỹ ñạo của vệ tinh, khi ñó vệ tinh sẽ không chuyển ñộng hoàn toàn tuân theo ñúng 3 ñịnh luật Kepler Sai số quỹ ñạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn ñến kết quả ñịnh vị tuyệt ñối, song ñược khắc phục về cơ bản trong ñịnh

vị tương ñối hoặc vi phân

ðể biết ñược vị trí của vệ tinh trên quỹ ñạo thì người sử dụng có thể căn cứ vào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức ñộ chính xác của thông tin, lịch

vệ tinh ñược chia làm 3 loại là:

- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác ñịnh quang cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời ñiểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai

số khoảng vài km

- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): ðược tạo lập dựa trên

5 trạm quan sát thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế ñộ nhiễu SA ñã ñược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m

- Lịch vệ tinh chính xác: ðược lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc trong mạng lưới giám sát và ñược tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m

2.1.4.3 Ảnh hưởng ñiều kiện khí tượng

Tín hiệu vệ tinh ñến máy thu ñi qua một quãng ñường lớn hơn 20.000km, trong ñó có tầng ñiện ly từ ñộ cao 50km tới ñộ cao 500km và tầng ñối lưu từ ñộ cao 50km ñến mặt ñất Khi tín hiệu ñi qua các tầng này có thể bị thay ñổi (tán xạ) phụ thuộc vào mật ñộ ñiện tử tự do trong tầng ñiện ly và tình trạng hơi nước, nhiệt ñộ và các bụi khí quyển trong tầng ñối lưu

Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng ñiện ly, khi ñịnh vị tuyệt ñối có thể bị sai số khoảng 12m, còn ảnh hưởng của tầng ñối lưu có thể gây sai số khoảng 3m

Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do ñó ảnh hưởng của tầng ñiện ly ñã ñược giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới ñặc tính của sóng cực ngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn

Ảnh hưởng của tầng ñiện ly tỷ lệ với bình phương tần số, vì thế khi sử dụng máy thu 2 tần sẽ khắc phục ñược ảnh hưởng này

Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới 2 máy coi như ñi trong cùng môi trường, sai số sẽ ñược loại trừ trong các công thức tính hiệu tọa ñộ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần, trong khi ñó nếu sử dụng máy hai tần có thể bị nhiễu, làm kết quả kém chính xác

ðể khắc phục ảnh hưởng của tầng ñối lưu, người ta quy ñịnh chỉ sử dụng tín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15o (hoặc trên 10o)

Hiện nay người ta ñang sử dụng một số mô hình khí quyển, trong ñó có

mô hình của Hopfield ñược dùng rộng rãi

2.1.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu ñi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt ñất và môi trường xung quanh Sai số này gọi là sai số do nhiễu tín hiệu Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu

do một số nguyên nhân sau:

- Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tông) gần máy thu

- Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng ñiện từ khác

- Máy thu GPS ñặt gần các ñường dây tải ñiện cao áp

- Tín hiệu bị gián ñoạn do các vật che chắn tín hiệu

ðể khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế ñiểm ño cần bố trí xa các trạm phát sóng, các ñường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các rặng cây

2.1.4.5 Sai số do người ño

Người ño có thể phạm các sai lầm như: trong ño chiều cao anten, dọi ñiểm ñịnh tâm không tốt, ñôi khi ghi nhầm chế ñộ ño cao anten ðể tránh các sai

số này thì người ño GPS cần thận trọng trong ñịnh tâm và ño chiều cao anten Cần chú ý là sai số do ño chiều cao anten không những ảnh hưởng tới

ñộ cao của ñiểm ño mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng

Trong khi thu tín hiệu không nên ñứng vây quanh máy thu, không che ô

cho máy

2.1.5 Ưu ñiểm của phương pháp ñịnh vị GPS [9]

- Các vệ tinh có thể ñược quan trắc trên cùng một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp ñịnh vị truyền thống chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp

- Không ñòi hỏi thông hướng ở các trạm ño

- Có thể ñịnh vị ở thời gian thực và ở thời ñiểm bất kỳ: trên mặt ñất, trên biển và trong không gian cho ñối tượng ñứng yên hay di ñộng

- Có thể ño 24h/ngày trong mọi ñiều kiện thời tiết

- ðộ chính xác ngày càng cao và càng ñược cải thiện

2.1.6 Tọa ñộ và hệ qui chiếu [4]

Hình dạng trái ñất theo quan niệm của thuyết ñẳng tĩnh thì trái ñất là một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái ñất quay sẽ có dạng Ellipsoid và thế trọng trường trên mặt Ellipsoid trái ñất sẽ bằng nhau ðiều này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái ñất và lực ly tâm do chuyển ñộng quay của nó

Một Ellipsoid có hình dạng phù hợp với Geoid trái ñất phải là Ellipsoid phù hợp theo nghĩa trên phạm vi toàn cầu Ellipsoid ñược chọn làm hệ tọa ñộ ñịnh vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu này ñược hệ ñịnh vị GPS sử dụng gọi là Hệ trắc ñịa thế giới 1984 (WGS-84)

Hệ tọa ñộ này dùng Ellipsoid ñịa tâm xác ñịnh bởi bán trục lớn a=6378137.0m và nghịch ñảo ñộ dẹt 1/f =298.257223563

Ellipsoid trái ñất biểu thị một mô hình toán học mô tả bề mặt tự nhiên của trái ñất nhưng không chỉ rõ cách nhận biết một vị trí cụ thể trên trái ñất Mỗi hệ tọa ñộ ñịa phương ñều chỉ rõ mặt quy chiếu và phép chiếu bản ñồ, tức

là xác ñịnh một phương thức biểu thị một ñiểm trên mặt ñất tự nhiên so với mặt quy chiếu ñó

Hệ ñịnh vị GPS cho tọa ñộ vuông góc không gian 3 chiều X, Y, Z hoặc

các thành phần tọa ñộ trắc ñịa mặt cầu B, L, H hoặc các gia số tọa ñộ trên trong hệ tọa ñộ toàn cầu WGS-84 Do ñó cần phải áp dụng phép tính chuyển tọa ñộ ñể chuyển tọa ñộ từ hệ tọa ñộ GPS (WGS-84) về hệ tọa ñộ qui chiếu ñịa phương

Tọa ñộ không gian ñịa phương (3 chiều) còn ở dạng ñược gọi là hệ thống "2+1" Nghĩa là tọa ñộ trắc ñịa B và L xác ñịnh ñộc lập với ñộ cao H

Do ñó bài toán tính chuyển tọa ñộ GPS B, L, H về hệ tọa ñộ ñịa phương yêu cầu dạng tính chuyển tọa ñộ, trong khi ñó ñộ cao lại ñòi hỏi dạng tính chuyển hoàn toàn khác

Việc biến ñổi tọa ñộ WGS-84 về tọa ñộ ñịa phương thực hiện qua 3 giai ñoạn:

1 Tọa ñộ vuông góc không gian X, Y, Z hoặc (∆X, ∆Y, ∆Z) thuộc hệ WGS-84 ñổi thành tọa ñộ B, L, H hoặc (∆B, ∆L, ∆H) thuộc hệ WGS-84, sau

ñó áp dụng 7 tham số tính chuyển về tọa ñộ không gian ñịa phương

2 Tọa ñộ không gian ñịa phương tính ñổi thành tọa ñộ trắc ñịa

3 Tọa ñộ trắc ñịa sau ñó tính chuyển ñổi thành tọa ñộ phẳng qua phép chiếu bản ñồ

Phép tính chuyển ñộ cao có sự khác biệt do ñộ cao xác ñịnh trên Ellipsoid WGS-84 là bề mặt có phương trình toán học, còn ñộ cao sử dụng thực tế lại là ñộ cao thủy chuẩn so với bề mặt Geoid - bề kéo dài từ mặt nước biển trung bình - một bề mặt không mô tả ñược bằng phương trình toán học

ðẳng thức sau là biểu thức biến ñổi ñơn giản ñộ cao Ellipsoid WGS-84

về ñộ cao ñịa phương bằng cộng thêm ñộ chênh Geoid-Ellipsoid tại ñiểm ñó:

H = h +N

Trong công thức trên, H là ñộ cao tính ñến mặt Ellipsoid - là ñộ cao có thể ño ñược chính xác bằng công nghệ GPS; h là ñộ cao thủy chuẩn, ñược sử dụng thực tế; N là ñộ chênh lệch giữa hai bề mặt Geoid và Ellipsoid tại ñiểm

ñó gọi là ñộ cao Geoid (hay dị thường ñộ cao) Dựa vào số liệu ño trọng lực toàn thế giới người ta ñã lập ra mô hình Geoid toàn cầu dùng cho việc nội suy giá trị chênh Geoid-Ellipsoid phục vụ cho việc tính ñộ cao bằng công nghệ GPS Song do bề mặt Geoid biến ñổi phức tạp, số liệu ño trọng lực thưa nên thực tế phương pháp xác ñịnh ñộ cao trong ño GPS còn ñang ñược hoàn thiện thêm ñể kết quả ñạt yêu cầu sử dụng

Nếu có các ñiểm có ñộ cao thủy chuẩn bao quanh khu ño, có thể áp dụng phép nội suy ñộ chênh Geoid-Ellipsoid ðể thực hiện ñiều này tại các ñiểm mốc ñộ cao cũng tiến hành thu dữ liệu GPS, ñộ chênh giữa trị số ñộ cao thủy chuẩn và ñộ cao Ellipsoid WGS-84 cho quy luật về ñộ chênh Geoid- Ellipsoid khu ño và ñược dùng ñể thay thế hoặc kết hợp với mô hình Geoid chung ñể nội suy, tính ñộ cao thủy chuẩn từ số liệu GPS

2.2 Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ GPS và ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng

2.2.1 Trên thế giới [7]

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân ñội Hoa Kỳ ñã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn ñường và ñịnh vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống ñịnh vị dẫn ñường bằng vệ tinh thế hệ ñầu tiên là hệ thống TRANSIT

Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt ñộng theo nguyên lý Doppler Hệ TRANSIT ñược sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau ñó TRANSIT bắt ñầu ứng dụng trong trắc ñịa Việc thiết lập mạng lưới ñiểm ñịnh vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT

ðịnh vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà ñộ chính xác chỉ ñạt khoảng 1m Do vậy trong trắc ñịa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài Hệ này không thoả

mãn ñược các ứng dụng ño ñạc thông dụng như ño ñạc bản ñồ, các công trình dân dụng

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT Hệ thống ñịnh vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra ñời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System), ñược gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái ñất theo những quỹ ñạo xác ñịnh

ðộ chính xác ñịnh vị bằng hệ thống này ñược nâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược ñiểm về thời gian quan trắc ñã ñược khắc phục Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai ñoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt ñầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" Từ năm 1978 ñến năm 1985 có 11 vệ tinh Block I ñã ñược phóng lên quỹ ñạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I ñã hết thời hạn sử dụng Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt ñầu ñược phóng vào năm

1989 Sau giai ñoạn này 24 vệ tinh này ñã triển khai trên 6 quỹ ñạo nghiêng

550 so với mặt phẳng xích ñạo trái ñất với chu kỳ gần 12 giờ ở ñộ cao xấp xỉ 12.600 dặm (20.200km) Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III ñược thiết kế thay thế những vệ tinh Block II ñược phóng lần ñầu vào năm 1995 Cho ñến nay ñã có

27 vệ tinh của hệ thống GPS ñang hoạt ñộng trên quỹ ñạo

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS ñang hoạt ñộng còn có

hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một

hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của Cộng ñồng Châu Âu

Có thể nói, ứng dụng ñầu tiên của công nghệ GPS trong trắc ñịa là ño ñạc các mạng lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng Bởi vì, ưu ñiểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là có thể xác ñịnh ñược véc tơ cạnh giữa các ñiểm khống chế trắc ñịa với ñộ chính xác cao mà không cần tầm thông hướng giữa các ñiểm Phương pháp ño tương ñối tĩnh là phương pháp ñược sử

dụng chủ yếu ñể ño các mạng lưới khống chế trắc ñịa

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ GPS ñể xây dựng các mạng lưới khống chế trắc ñịa ñã ñược ứng dụng phổ biến, ñại trà trong sản xuất, ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới, bằng kỹ thuật ño tương ñối tĩnh, người

ta có thể xây dựng ñược các mạng lưới có cạnh dài ñến hàng ngàn mét Các mạng lưới của từng quốc gia, của các quốc gia trong khu vực hay trên toàn thế giới

Ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ GPS là ño nối mạng lưới toạ ñộ quốc gia của nhiều nước trên thế giới với hệ toạ ñộ trắc ñịa toàn cầu WGS-84, hoàn chỉnh các mạng lưới toạ ñộ quốc gia ñã xây dựng bằng các công nghệ cổ truyền, tăng dày các mạng lưới tọa ñộ, xây dựng các mạng lưới mới Bằng ứng dụng này công nghệ GPS ñã tạo nên sự “giao lưu trắc ñịa” giữa rất nhiều nước thông qua việc sắp ñặt các tham số tính chuyển giữa các hệ toạ ñộ quốc gia và hệ toạ ñộ trắc ñịa toàn cầu WGS-84 ðến nay ñã xác lập ñược sự chuyển ñổi qua lại giữa 185 hệ toạ ñộ của các nước khắp các châu lục trên thế giới với hệ WGS-84

Trong lĩnh vực thành lập lưới trắc ñịa, nhiều nước ñã ứng dụng thành công công nghệ GPS từ lâu, dưới ñây sẽ giới thiệu một số thành quả của việc ứng dụng công nghệ GPS của một số nước trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương, những nước gần gũi với Việt Nam về vị trí ñịa lý và trình ñội phát triển về ño ñạc bản ñồ

- Ở Indônêxia công nghệ GPS ñã ñược ứng dụng trong các lĩnh vực thành lập lưới khống chế mặt bằng quốc gia, ño ñạc thành lập bản ñồ ñịa chính, ño ñạc biển, nghiên cứu ñịa ñộng học, quản lý ñất ñai, trắc ñịa ảnh hàng không, ñạo hàng và giao thông, nghiên cứu tầng ñiện ly, xác ñịnh ñộ cao chính và trọng lực hàng không Bằng công nghệ GPS, Inñônêxia ñã xây dựng trong các năm 1992- 1993 một mạng lưới cấp “0” (Zero order GPS Control

network) gồm 60 ñiểm rải ñều trên các ñảo lớn của ñất nước Lưới cấp “0” này ñược bình sai trong hệ quy chiếu mặt ñất quốc tế 91(ITRF) và chuyển về

hệ WGS-84 ðộ chính xác ñạt từ 0.01÷0.1 ppm Lưới cấp “0” là cơ sở ñể phát triển lưới hạng I cũng ñược thành lập bằng công nghệ GPS CÁc ñiểm hạng I ñược ñặt trên từng huyện, ñến nay ñã xây dựng xong 252 ñiểm trên các ñảo lớn như: Sumatra- 40 ñiểm, Sulaweisi- 36 ñiểm, Kalimantan- 26 ñiểm và

150 ñiểm ở các ñảo Java, Timor, Nusa, Tengara ðộ chính xác cạnh hạng I ñạt từ 0.1÷ 2 phần triệu (ppm)

- Ở Singapore từ năm 1992 ñã có chương trình ứng dụng công nghệ GPS ñể hiện ñại hoá và tăng dày mạng lưới trắc ñịa của mình Chương trình này nhằm thành lập mạng lưới ño ñạc tích hợp (ISN) gồm các ñiểm hạng C cấp I và Cấp II Mạng lưới cấp I gồm 38 ñiểm và cấp II gồm khoảng 10 000 ñiểm (khoảng cách giữa các ñiểm khoảng 300 m) Năm 1994, Singapore cũng

ñã ứng dụng công nghệ GPS ñể xác ñịnh Geoid hình học của mình với mạng lưới khống chế gồm 51 ñiểm

- Ở New Zealand hệ toạ ñộ quốc gia ñã ñược công bố năm 1949 (gọi là

hệ quy chiếu trắc ñịa New Zealand– NZGSD-49) sau ñó ñã hoàn chỉnh lại và gọi là hệ 93 (NZGSD-93), nhưng năm 1993 New Zealand vẫn sử dụng 6 máy thu GPS hai tần số ñể ño mạng lưới gồm 30 ñiểm trùng với các ñiểm cũ ñể nghiên cứu so sánh kiểm chứng lại hệ toạ ñộ quốc gia

- Ở Australia công nghệ GPS ñã ñược ứng dụng ñể thành lập 9 ñiểm phủ trùm lãnh thổ, các ñiểm này tạo thành lưới gọi là lưới chuẩn của Australia Lưới chuẩn này ñã ñược tăng dày bởi 60 ñiểm GPS tạo thành lưới quốc gia Australia Mạng lưới GPS ñã ñược sủ dụng ñể kiểm tra, nâng cao ñộ chính xác các mạng lưới toạ ñộ hạng I, II, III của Australia và bình sai chung mạng lưới GPS và mạng lưới mặt ñất ñã thiết lập hệ toạ ñộ mới của Australia

- Ở HiLap từ năm 1989 ñến năm 1993 ñã thành lập mạng lưới GPS

gồm 66 ñiểm sử dụng 10 ñến 14 máy thu GPS của các hãng LEICA, TRIMBLE và ASHTECH

Công nghệ GPS cũng ñã ñược sử dụng ñể xây dựng các mạng lưới cấp

“0” ở Ba Lan, Latvia, mạng lưới cơ sở vùng biên giới Irắc-Côoet và nhiều nước khác trên thế giới

2.2.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ GPS ñã xây dựng hoàn thiện mạng lưới ñịa chính cơ sở có ñộ chính xác tương ñương hạng III Nhà nước và mật ñộ ñiểm của lưới tương ñương hạng IV phủ trùm khắp các vùng, miền của ñất nước ta Phục vụ cho công tác tăng dày, phát triển các mạng lưới thấp hơn như: lưới cơ sở hạng IV của các dự án xây dựng, các mạng lưới ñịa chính

2 Kết hợp loại máy GPS 2 tần số và 1 tần số ñã xây dựng mạng lưới tạo ñộ trên quần ñảo Trường Sa, ño nối mạng lưới này và phần lớn ñảo chính với mạng lưới ñất liền Các ñiểm GPS này tạo thành mạng lưới toạ ñộ biển Việt Nam gồm 36 ñiểm

3.Mạng lưới cạnh dài phủ trùm phần ñất liền của lãnh thổ Việt Nam ñã hoàn thành ñầu năm 1994 gồm 23 ñiểm GPS Lưới này ñã liên kết các lưới GPS, lưới tam giác và ñường chuyền Nhà nước

4 Công nghệ GPS với máy thu 2 tần số ñã ñược ứng dụng trong việc xây dựng mạng lưới toạ ñộ cấp “0” với 71 ñiểm phủ trùm cả nước

5 Công nghệ GPS ñã ñược ứng dụng ñể ño các mạng lưới toạ ñộ quốc gia hạng III (ñịa chính cơ sở) phủ trùm cả nước với 12 631 ñiểm

6 Công nghệ GPS ñã ñược ứng dụng ñể ño các mạng lưới trắc ñịa nhỏ các mạng lưới khu vực

2.3 Lưới GPS

2.3.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới [8]

2.3.1.1 Khái niệm về lưới GPS

Lưới GPS gồm các ñiểm ñược chôn trên mặt ñất nơi ổn ñịnh hoặc bố trí trên ñỉnh các công trình vững chắc, kiên cố Các ñiểm ñược liên kết với nhau bởi các cạnh ño, nhờ các cạnh ño chúng ta sẽ tính toán xác ñịnh tọa ñộ, ñộ cao của các ñiểm trong một hệ thống tọa ñộ thống nhất

2.3.1.2 Nguyên tắc thiết kế [1]

Công tác thiết kế lưới phải tuân thủ theo các nguyên tắc sau:

- Lưới thiết kế phải ñi từ tổng quát ñến chi tiết, từ ñộ chính xác cao ñến ñộ chính xác thấp

- Hệ thống lưới tọa ñộ cơ sở phải ñược xây dựng trên cơ sở các ñiểm tọa ñộ Nhà nước cấp cao hơn

- Lưới tọa ñộ cơ sở phải ñược nối vào ít nhất hai ñiểm cấp cao hơn và gần khu ño nhất

- Sai số số liệu gốc của lưới cấp trên ảnh hưởng ñến cấp dưới kế cận không ñược vượt quá 12%

- Lưới thiết kế phải ñảm bảo ñủ mật ñộ ñiểm, phủ trùm khu ño, phục

vụ cho công tác ño vẽ bản ñồ ñịa chính theo từng giai ñoạn

- Thường xuyên cập nhật, tiến hành nâng cao ñộ chính xác bằng cộng

nghệ và kỹ thuật ño tiến tiến

- Trong quá trình thiết kế cố gắng chọn phương án tối ưu, giá thành rẻ,

dễ thi công, ñồng thời ñảm bảo ñộ chính xác trong công tác ño vẽ theo từng cấp hạng

2.3.2 Cơ sở toán học của lưới ñịa chính

Khác mặt Geoid, một bề mặt khác ñơn giản thể hiện ñược dưới dạng phương trình toán học ñể thể hiện một cách gần ñúng bề mặt trái ñất dùng làm

cơ sở so sánh mặt bằng ñó là mặt Ellipsoid

Ellipsoid tròn xoay có phương trình toán học:

2 2 2 1

= + +

b

Z a

Y a X

Ellipsoid toàn cầu là một Ellipsoid toán học tròn xoay xấp xỉ tốt nhất ñối với phạm vi toàn thế giới Ellipsoid toàn cầu có trục quay trùng với trục quay Trái ñất, trọng tâm trùng với trọng tâm trái ñất Tuy nhiên ñưa trọng tâm Ellipsoid trùng với trọng tâm của trái ñất là không thể vì vậy ñưa vào hai bề mặt xấp xỉ càng tốt

Ellipsoid toàn cầu chỉ tốt trên phạm vi toàn cầu, vì vậy mỗi quốc gia ñều tìm một mặt Ellipsoid phù hợp với quốc gia ñó gọi là Ellipsoid cục bộ Kích thước Ellipsoid có nhiều giá trị khác nhau

- Có hai phương án ñể chọn Ellipsoid cục bộ:

+ Xây dựng Ellipsoid mới phù hợp với lãnh thổ của mỗi quốc gia, tuy

ñộ phù hợp cao nhưng chi phí quá cao

+ Sử dụng Ellipsoid có sẵn và ñịnh vị lại cho phù hợp với lãnh thổ của quốc gia mình, ñộ phù hợp ở mức ñộ tương ñối nhưng chi phí thấp

ðể khai triển chính xác mặt Ellipsoid lên mặt phẳng thì cần một mặt trung gian ñể biểu diễn thành mặt phẳng Yêu cầu về mặt trung gian này càng gần với mặt Ellipsoid càng tốt ñể giảm sai số biến dạng và mặt cong này ñược gọi là mặt chiếu Có 3 mặt chiếu (hình trụ, hình phẳng, hình nón) và mỗi mặt chiếu sử dụng 3 phép chiếu (ñứng, ngang, nghiêng) Không có phép chiếu nào tốt nhất, phép chiếu chỉ tốt với một khu vực cụ thể Mặt chiếu ñược sử dụng hiện nay là mặt trụ, phép chiếu ñược sử dụng là phép chiếu hình trụ ngang ñồng góc ñối xứng cắt Ellipsoid (phép chiếu UTM)

VN-2000) Hệ quy chiếu và hệ tọa ñộ Quốc gia VN-2000 ñược áp dụng thống nhất ñể xây dựng hệ thống tọa ñộ các cấp hạng, hệ thống bản ñồ ñịa chính, hệ thống bản ñồ hành chính quốc gia và các loại bản ñồ chuyên ñề khác

Hệ VN-2000 có các tham số chính sau ñây:

Ellipsoid quy chiếu quốc gia là Ellipsoid WGS-84 toàn cầu với kích thước:

ðiểm gốc tọa ñộ Quốc gia: ñiểm N00 ñặt tại Viện nghiên cứu ðịa chính, ñường Hoàng Quốc Việt, Hà Nội (nay là Viện khoa học ðo ñạc và Bàn ñồ)

Hệ thống tọa ñộ phẳng: hệ tọa ñộ phẳng UTM Quốc tế, ñược thiết lập trên cơ sở lưới chiếu hình trụ ngang ñồng góc

2.3.2.3 Lưới chiếu bản ñồ [5]

- Sử dụng lưới chiếu hình nón ñồng góc với 2 vĩ tuyến chuẩn 110 và

210 ñể thể hiện các bản ñồ ñịa hình cơ bản, bản ñồ nền, bản ñồ hành chính quốc gia ở tỷ lệ 1:1.000.000 và nhỏ hơn cho toàn lãnh thổ Việt Nam

- Sử dụng lưới chiếu hình trụ ngang ñồng góc với múi chiếu 60 có hệ

số ñiều chỉnh tỷ lệ biến dạng chiều dài k0 = 0,9996 ñể thể hiện các bản ñồ ñịa hình cơ bản, bản ñồ nền, bản ñồ hành chính quốc gia tỷ lệ từ 1:500.000 ñến 1:25.000

- Sử dụng lưới chiếu hình trụ ngang ñồng góc với múi chiếu 30 có hệ

số ñiều chỉnh tỷ lệ biến dạng chiều dài k0 = 0,9999 ñể thể hiện các bản ñồ ñịa hình cơ bản, bản ñồ nền, bản ñồ hành chính tỷ lệ từ 1:10.000 ñến 1:2.000

- Sử dụng lưới chiếu hình trụ ngang ñồng góc với múi chiếu 30 có hệ

số ñiều chỉnh tỷ lệ biến dạng chiều dài k0 = 0,9999 ñể thể hiện hệ thống bản

ñồ ñịa chính cơ sở và bản ñồ ñịa chính các loại tỷ lệ; kinh tuyến trục ñược quy ñịnh cho từng tỉnh (tỉnh Phú Thọ 104045’)

2.3.3 Mật ñộ ñiểm khống chế [3]

• Mật ñộ các ñiểm tọa ñộ các hạng I, II, III (gọi chung là ñiểm tọa ñộ Nhà nước) phục vụ cho xây dựng lưới ñịa chính, lưới khống chế ño vẽ, lưới khống chế ảnh khi ño vẽ bản ñồ ñịa chính ñược xác ñịnh dựa trên yêu cầu về quản lý ñất ñai, mức ñộ phức tạp, khó khăn trong ño vẽ bản ñồ, phụ thuộc vào

tỷ lệ bản ñồ và công nghệ thành lập bản ñồ ñịa chính

- ðể ño vẽ bản ñồ tỷ lệ 1:5.000 - 1:10.000 trên diện tích từ 20 - 30km2

có tối thiểu một ñiểm tọa ñộ Nhà nước

- ðể ño vẽ bản ñồ tỷ lệ 1:200 - 1:2.000 trên diện tích từ 10 - 15km2 có tối thiểu một ñiểm tọa ñộ Nhà nước

- Riêng ở khu vực ñô thị, khu công nghiệp, khu có cấu trúc xây dựng dạng ñô thị, khu ñất có giá trị kinh tế cao, trên diện tích trung bình 5 - 10km2

có tối thiểu một ñiểm tọa ñộ Nhà nước

- ðể ño vẽ bản ñồ ñịa chính bằng phương pháp sử dụng ảnh hàng không kết hợp với ño vẽ ở thực ñịa trên diện tích 20 ñến 30km2 có một ñiểm tọa ñộ Nhà nước (không phụ thuộc vào tỷ lệ bản ñồ)

- Lưới tọa ñộ Nhà nước hiện nay ñã phủ trùm toàn quốc với mật ñộ ñiểm trung bình từ 10 - 20km2 có một ñiểm Mật ñộ này ñảm bảo ñể phục vụ công tác ño ñạc ñịa chính

• Mật ñộ các ñiểm tọa ñộ Nhà nước, ñiểm ñịa chính phục vụ cho ño vẽ bản ñồ ñịa chính ñược quy ñịnh như sau:

- để ựo vẽ bản ựồ tỷ lệ 1:5.000 - 1:10.000, trên diện tắch khoảng 5km2

có một ựiểm từ ựịa chắnh trở lên

- để ựo vẽ bản ựồ tỷ lệ 1:500 - 1: 2.000, trên diện tắch từ 1 ựến 1,5km2

có một ựiểm từ ựịa chắnh trở lên

- để ựo vẽ bản ựồ ựịa chắnh tỷ lệ 1:200, bản ựồ ựịa chắnh ở khu công nghiệp, khu có cấu trúc xây dựng dạng ựô thị, khu ựất có giá trị kinh tế cao, khu ựất ở ựô thị có diện tắch các thửa nhỏ, ựan xen nhau, trên diện tắch trung bình 0,3 km2 (30 ha) có một ựiểm từ ựịa chắnh trở lên

2.4 Tổng quan về huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ

2.4.1 Tổng quan về tỉnh Phú Thọ

Phú Thọ là tỉnh miền núi nằm ở phắa Bắc ựồng bằng Bắc bộ, là cửa ngõ giao lưu giữa các tỉnh thuộc ựồng bằng Bắc bộ với các tỉnh phắa Tây Bắc; Vị trắ ựịa lý nằm trong khoảng từ 104050′ ựến 105030′ ựộ kinh đông; từ 20056′ ựến 21043′ ựộ vĩ Bắc Việc lập lưới ựịa chắnh bằng phương pháp ựường chuyền gặp nhiều khó khăn Cũng như các ựịa phương khác, Phú Thọ ựã có ựược hệ thống mốc tọa ựộ Nhà nước, hiện tại có 293 mốc Tọa ựộ Nhà nước, trong ựó 1 ựiểm cấp 0 (9026), 17 ựiểm hạng II và 216 ựiểm hạng III Các mốc này ựược ựo ựạc bằng công nghệ GPS, có ựộ chắnh xác cao Mật ựộ trung bình 1.206ha/mốc

Do ựịa hình của huyện chủ yếu là ựồi núi, bị chia cắt bởi các dãy núi cao

và hệ thống sông, suối Cơ sở hạ tầng, nhất là mạng lưới giao thông ựang trong giai ựoạn cải tạo, nâng cấp và phát triển nên việc chọn ựiểm chôn mốc gặp nhiều khó khăn, từ các ựiểm mốc tọa ựộ Nhà nước khi phát triển thành lưới ựịa chắnh gặp khá nhiều khó khăn và tốn kém về tiền của, công sức nếu

sử dụng phương pháp truyền thống Chắnh vì thế cần phải áp dụng một công nghệ mới ựể xây dựng lưới ựịa chắnh phục vụ ựo vẽ thành lập bản ựồ.

Với việc áp dụng công nghệ mới, công nghệ GPS trong việc xây dựng

lưới ựịa chắnh ựã hạn chế ựược rất nhiều trở ngại, giảm giá thành và nâng cao

ựộ chắnh xác

Tắnh ưu việt của GPS lại ựược khẳng ựịnh một cách rõ ràng ngay sau khi áp dụng, ựã trở thành giải pháp tối ưu và duy nhất ựể thành lập lưới ựịa chắnh trong ựo vẽ bản ựồ ựịa chắnh tỉnh Phú Thọ

Việc xây dựng lưới ựịa chắnh ựảm bảo tuân thủ theo ựúng quy ựịnh của Nhà nước ựã ựặt ra và ựang tiến hành xây dựng trên phạm vi toàn tỉnh

2.4.2 Tổng quan về hyện Thanh Sơn

2.4.2.1 Vị trắ ựịa lý

Huyện Thanh Sơn thuộc nửa phắa Tây Nam tỉnh Phú Thọ, có toạ ựộ ựịa lý: Theo Nghị ựịnh số 61/2007/Nđ-CP ngày 09/04/2007 của Chắnh phủ về việc ựiều chỉnh ựịa giới hành chắnh huyện Thanh Sơn ựể thành lập huyện Tân Sơn, tỉnh Phú Thọ, huyện Thanh Sơn hiện tại nằm ở phắa Nam tỉnh Phú Thọ

và có vị trắ ựịa lý như sau:

Từ 200 56′ ựến 210 15′ 30" ựộ vĩ Bắc

Từ 1050 02′ ựến 1050 20′37" ựộ kinh đông

- Phắa Bắc giáp các huyện Tam Nông và Yên Lập

- Phắa Nam giáp tỉnh Hoà Bình

- Phắa Tây giáp huyện Tân Sơn

- Phắa đông giáp huyện Thanh Thuỷ và tỉnh Hòa Bình

Thanh Sơn nằm trên trục quốc lộ 32A từ Hà Nội ựi Sơn La, Yên Bái Trên ựịa bàn Thanh Sơn có 7 tuyến ựường tỉnh 313, 313D, 316, 316C, 316D,

317 và 317B Với tuyến Quốc lộ và 7 tuyến ựường tỉnh trên, Thanh Sơn ở vị trắ khá tiện lợi về giao thông Nơi ựây là ựầu mối giao thông quan trọng, nơi chuyển tiếp giữa ựồng bằng với trung du và miền núi Từ ựây, có thể mở rộng giao thương với các huyện lân cận như Tam Nông, Thanh Thủy, Yên lập, Tân

Sơn; giao lưu với các tỉnh khác như Hòa Bình, Sơn La, Yên Bái và Hà Nội Với vị trắ ựịa lý ựó, Thanh Sơn thực sự là ựầu mối giao lưu quan trọng, cửa ngõ chuyển tiếp của khu vực trung du và miền núi Vị trắ ựó tạo những tiềm năng cho phát triển thị trường, giao lưu hàng hóa giữa các khu vực

Tắnh ựến ngày 15/07/2010, tổng diện tắch tự nhiên huyện Thanh Sơn là 62.177,06ha Trong ựó có 50878,22ha ựất nông nghiệp (chiếm 81,83%), có 4289,46ha ựất phi nông nghiệp (chiếm 6,90%) và 7009,38ha ựất chưa sử dụng (chiếm 11,27%) Ngoài diện tắch ựất dốc tụ và phù sa thắch hợp với cây hàng năm, Thanh Sơn còn có tới 80% diện tắch là ựất Ferelit phát triển trên phiến thạch sét có ựộ phì tự nhiên khá và rất thắch hợp ựối với các loại cây lâu năm

và cây lâm nghiệp Theo thống kê năm 2009, dân số toàn huyện Thanh Sơn là

120893 người, chiếm 9,19% dân số toàn tỉnh, trong ựó có 69165 lao ựộng chiếm 57,22% dân số huyện

2.4.2.2 đặc ựiểm ựịa hình ựịa vật

Thanh Sơn chắnh là ựoạn cuối của dãy Hoàng Liên Sơn với nhiều dãy núi nằm nhô lên trong hệ phức hợp vùng núi thấp có ựộ cao trung bình từ 500 ựến 700m đây là vùng thượng lưu của sông Bứa nghiêng dần về vùng trũng phắa đông (địch Quả, Sơn Hùng) rồi ựổ ra sông Hồng ở ựịa phận huyện Tam Nông Theo ựịa hình, có thể chia Thanh Sơn thành 3 tiểu vùng:

- Tiểu vùng miền núi: Bao gồm các xã Thượng Cửu, đông Cửu, Khả Cửu, Yên Sơn với những ngọn núi cao từ 500-700m và có ựộ dốc 250

- Tiểu vùng ựồi núi cao xen lẫn ựồi núi thấp: tập trung ở các xã phắa Bắc và Trung của huyện như Văn Miếu, Võ Miếu và Thục Luyện với ựộ dốc trung bình từ 5-250 Tiểu vùng này có những thung lũng hẹp, ắt dốc xen lẫn, cũng có những ngọn ựồi cao phù hợp với cây công nghiệp và lúa nương

- Tiểu vùng ựồng bằng: xen lẫn ựồi thấp tập trung chủ yếu ở những xã phắa đông và đông Nam giáp với Thanh Thủy và Hòa Bình Tiểu vùng này

có ựộ dốc dưới 50

Như vậy, về cơ bản Thanh Sơn là huyện miền núi với ựịa hình ựặc trưng là núi ựồi có sườn dốc, bị phân cắt bởi nhiều thung lũng hẹp và trung bình địa hình ựó cũng tạo cho Thanh Sơn có cơ cấu kinh tế nông, lâm ựa dạng, tuy nhiên ựịa hình bị chia cắt, phức tạp, ựồi núi dốc cũng gây cho Thanh Sơn nhiều trở ngại trong phát triển kinh tế và xã hội cũng như công tác thi công xây dựng lưới ựịa chắnh

địa hình huyện Thanh Sơn rất ựa dạng tạo ra các tiểu vùng khắ hậu khác nhau, ựịa hình chia cắt, dốc kéo dài, phần lớn là rừng núi ựất, cấu tạo theo kiểu bát úp, nằm trong vùng ựịa hình ựồi núi thấp và trung bình thuộc lưu vực sông Bứa, nơi kết thúc dãy Hoàng Liên Sơn

Do ựịa hình chi phối, khắ hậu của Thanh Sơn có những ựặc trưng của khắ hậu miền núi phắa Bắc: Mùa hè nóng ẩm mưa nhiều, mùa ựông lạnh, cuối ựông ẩm ướt và mưa phùn, nhiệt ựộ thấp và nhiệt ựộ trung bình năm là 20-

210C nhưng biên ựộ nhiệt giữa cực ựại và cực tiểu tới gần 400C Số giờ nắng trung bình qua các năm là 1.453 giờ, lượng mưa trung bình năm dao ựộng từ 1.850-1.950mm/năm, ựộ ẩm không khắ trung bình qua các năm là 86,8%, tốc

ựộ gió trung bình 1,8m/s, hướng gió chắnh: đông, đông Nam và Tây Nam Một số hiện tượng bất thường về thời tiết vẫn xẩy ra tại Thanh Sơn như quá lạnh về mùa ựông, thậm chắ có băng giá và sương muối; ngược lại, mùa

hè nhiệt ựộ lại quá cao, khô nóng, hạn hán và thậm chắ còn có gió Phơn Tây Nam (Gió Lào); gió bão thường xẩy ra quanh năm, tuy sức gió không lớn nhưng hay xẩy ra hiện tượng lốc xoáy kèm theo mưa rất to và mưa ựá gây ảnh hưởng xấu ựến sản xuất nông nghiệp

Thanh Sơn có hàng trăm con suối lớn nhỏ ựều tập trung ựổ về sông Dày, sông Dần, ngòi Lai và sông Bứa Các dòng suối lớn nhỏ chắnh là nguồn nước tự nhiên tưới cho sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên do lượng mưa tập