Nghiên cứu một giải pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS về hệ tọa độ thi công công trình

Bài viết Nghiên cứu một giải pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS về hệ tọa độ thi công công trình trình bày phương pháp và thuật toán tính chuyển toạ độ lưới GPS về hệ toạ độ thi công cho các công trình dạng tuyến có chiều dài lớn.

Tạp chí KTKT Mỏ - Địa chất, số 40/10-2012, tr 80-83 NGHIÊN CỨU MỘT GIẢI PHÁP TÍNH CHUYỂN TOẠ ĐỘ LƯỚI GPS VỀ HỆ TỌA ĐỘ THI CƠNG CƠNG TRÌNH TRẦN VIẾT TUẤN, Trường Đại học Mỏ-Địa chất Tóm tắt : Nội dung báo trình bày phương pháp thuật tốn tính chuyển toạ độ lưới GPS hệ toạ độ thi cơng cho cơng trình dạng tuyến có chiều dài lớn Phương pháp tính chuyển nhằm đảm bảo độ xác bố trí thi cơng xây dựng cơng trình Kết tính tốn thực nghiệm tính chuyển toạ độ lưới GPS ứng dụng cho loại công trình dạng tuyến Việt Nam Đặt vấn đề Lưới khống chế thi cơng có vai trò quan trọng q trình xây dựng cơng trình Chất lượng lưới khống chế thi công đảm bảo độ xác xây dựng cơng trình Một yêu cầu thành lập lưới khống chế thi công phải đảm bảo đồng hệ toạ độ lưới khống chế thi công hệ toạ độ sử dụng để thiết kế cơng trình với biến dạng chiều dài cạnh nhỏ [2] Ngày với ưu điểm vượt trội, công nghệ GPS ứng dụng rộng rãi để thành lập dạng lưới khống chế thi cơng cơng trình Tuy nhiên để đảm bảo độ xác bố trí cơng trình cần phải lựa chọn giải pháp phù hợp để tính chuyển toạ độ điểm đo GPS hệ toạ độ thi cơng cơng trình [2] Trong kết nghiên cứu phương pháp tính chuyển lưới GPS hệ toạ độ thi công theo phương pháp tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện chân trời [1] cho thấy kết tính chuyển lưới GPS đảm bảo độ xác cần thiết bố trí cơng trình Tuy nhiên phương pháp tính chuyển sử dụng cho cơng trình dạng vùng, có kính thước nhỏ trung bình Hiện nước ta có nhiều cơng trình có dạng tuyến kéo dài hàng trăm km (tuyến đường cao tốc Ninh Bình - Thanh Hố, Hà Nội - Lào Cai), sử dụng phương pháp tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện chân trời để tính chuyển toạ độ cho lưới GPS phục vụ cho cơng trình khơng phù hợp Vì cần phải nghiên cứu phương pháp tính chuyển toạ độ cho lưới GPS cho cơng trình dạng tuyến có kích thước chiều dài lớn 80 Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu 2.1 Xác định phương pháp thuật tốn tính chuyển toạ độ lưới GPS Để tính chuyển toạ độ lưới GPS hệ toạ độ thi công, cần phải sử dụng toạ độ vng góc khơng gian địa tâm (X, Y, Z) toạ độ trắc địa (B, L, H) Kết đo GPS thể hệ toạ độ WGS- 84 Kết đo cần tính chuyển mặt chiếu có độ cao trung bình khu vực hay coi mặt thuỷ chuẩn qua điểm có độ cao trung bình khu vực Do có khác biệt chênh cao mặt Elipsoid mặt thuỷ chuẩn trung bình số hiệu chỉnh phép chiếu độ lệch dây dọi nên chiều dài cạnh lưới GPS tính chuyển hệ toạ độ thi cơng mặt đất thường bị biến dạng Để khắc phục tượng biến dạng chiều dài cạnh lưới khống chế thi công lập công nghệ GPS cho công trình có chiều dài lớn cần phải xây dựng phương pháp thuật tốn tính chuyển phù hợp Đầu tiên cần thay đổi chiều cao bề mặt Elipsoid WGS- 84 khu vực cho trùng với mặt chiếu chọn (mặt thuỷ chuẩn qua độ cao trung bình khu vực) cách thay đổi bán trục lớn a tâm sai thứ e Elipsoid Sau tiến hành định hướng lại mặt Elipsoid cho trùng với mặt thuỷ chuẩn khu vực thông qua giá trị độ lêch dây dọi Elipxoid định hướng lại theo mặt thuỷ chuẩn khu vực ký hiệu Elipsoid E3 Từ xác định toạ độ không gian địa tâm điểm GPS định hướng lại Elipsoid E3 Tiến hành tính toạ độ trắc địa (B', L', H') để tính chuyển toạ độ phẳng khu vực theo phép chiếu, múi chiếu kinh tuyến trục phù hợp với hệ toạ độ thiết kế cơng trình 2.2 Thuật tốn tính chuyển toạ độ lưới GPS mặt thuỷ chuẩn khu vực - Trong lưới GPS chọn điểm (P0) nằm lưới GPS làm điểm gốc Điểm P0 có toạ độ vng góc khơng gian địa tâm:X0, Y0, Z0; Toạ độ trắc địa B0, L0, H0; độ cao thuỷ chuẩn: h0 Chọn mặt chiếu cho lưới GPS mặt thuỷ chuẩn có độ cao Δh - Tịnh tiến (thay đổi Ellipxoid WGS-84) theo E3: Tịnh tiến bề mặt Elipsoid lên độ cao thường mặt chiếu khu vực cách thay đổi bán trục lớn a tâm sai thứ e theo công thức [3]: a1  a   e2 sin B0 (H0  h  h) , (1) e  e sin B0 e e  (H  h  h) , a (2) 2  e2 sin B0 - Tại điểm P0, pháp tuyến Elipsoid E3 không trùng với đường dây dọi Góc lệch pháp tuyến đường dây dọi ký hiệu u phân tích thành hai thành phần: theo kinh tuyến- η; theo vòng thẳng đứng thứ - ξ - Lấy điểm P0 làm gốc hệ toạ độ địa diện xích đạo đồng thời gốc hệ toạ độ vng góc phẳng lấy pháp tuyến E3 làm trục Z, trục X trùng hướng kinh tuyến Sau lấy P0 làm tâm quay, quay hệ XYZ quanh trục Y góc εζ, quanh trục X góc εη Sau hai lần quay ta trục Z hệ XYZ trùng với đường dây dọi Như thực phép biến đổi để đưa bề mặt Elipxoid -E3 trùng với mặt thuỷ chuẩn khu vực qua điểm P0 - Toạ độ vng góc khơng gian địa tâm điểm i hệ tính theo cơng thức[3]:  X i'   X i    (Zi  Z0 ) (Yi  Y0 )   '     Y  Y  Z  Z  (X i  X )   i  i  i  Z'   Z    (Y  Y ) X  X  , (3) i i   i  i   CosL0SinB SinL        SinL 0SinB  CosL0      CosB    đó: Xi' , Yi' , Zi' - toạ độ vng góc khơng gian điểm i sau xoay; Xi,Yi, Zi - toạ độ vng góc khơng gian điểm i trước xoay - Từ giá trị toạ độ ( Xi' , Yi' , Zi' ) tiến hành tính (B'i, L'i, H'i) chuyển toạ độ phẳng xi, yi qua kinh tuyến trục khu vực phép chiếu đồ phù hợp (phép chiếu UTM phép chiếu Gauss tuỳ thuộc vào hệ toạ độ sử dụng hệ VN-2000 hay HN-72) Đó phương pháp tính chuyển toạ độ điểm đo GPS hệ toạ độ khu vực (hệ toạ độ thi công mặt đất) cho cơng trình xây dựng Kết tính chuyển đảm bảo phù hợp hệ toạ độ thiết kế hệ toạ độ thi cơng cơng trình làm giảm biến dạng chiều dài cạnh lưới GPS, nhằm đảm bảo độ xác bố trí cơng trình Từ trình tự tính chuyển nêu ta thấy, để thực tốn tính chuyển cần phải xác định giá trị độ lệch dây dọi Elipxoid (E3) mặt thuỷ chuẩn khu vực qua điểm P0 đại lượng (εζ, εη) Để tính giá trị độ lệch dây dọi điểm P0 cần sử dụng điểm song trùng (tức điểm GPS có độ cao thuỷ chuẩn) Phương pháp tính sau: Dựa vào số điểm song trùng lưới GPS, tính độ chênh độ cao trắc địa độ cao thuỷ chuẩn điểm song trùng thứ j theo công thức: Vhj = Hj - ( hj -Δh ) , (4) đó: Hj - độ cao trắc địa điểm j, hj - độ cao thuỷ chuẩn điểm j; Δh - độ cao mặt chiếu Khi xoay định hướng lại Elipxoid (E3) ta có: Vhj = dHj + Hj - ( hj -Δh ) , (5) với: dHj = [ e1 cos Bj sin B0 sin (Lj- L0)(N0 sin B0 -Nj sin Bj) - (N0 +H0)cos Bj sin (Lj -L0)]   + [ e12 cos Bj sin (Lj- L0) (N0 sin B0 - Nj sin Bj) + (N0 + H0) sin Bj cos B0 - sin B0 cos Bj cos (Lj - L0) ]εζ , (6) đó: N0 - bán kính vòng thẳng đứng thứ điểm P0[3] Số điểm song trùng lưới phải lớn hai điểm.Khi số điểm song trùng n >2, cần giải toán theo nguyên lý số bình phương nhỏ Kết giải hệ phương 81 trình dạng (5) cho ta giá trị đại lượng (εζ, εη), từ tính chuyển toạ độ điểm đo GPS hệ toạ độ không gian địa tâm theo công thức (3) Từ đại lượng ( Xi' , Yi' , Zi' ) tính chuyển hệ toạ độ trắc địa (B'i,L'i,H'i) tính chuyển toạ độ vng góc phẳng cho khu vực (xi,yi) theo kinh tuyến trục phép chiếu đồ (phép chiếu UTM hay phép chiếu Gauss) phù hợp với hệ toạ độ dùng để thiết kế cơng trình Ta thấy cách sử dụng thuật tốn tính chuyển toạ độ lưới GPS mặt thuỷ chuẩn khu vực, ta tính chuyển lưới GPS thi cơng cơng trình có chiều dài lớn tuyến đường cao tốc có chiều dài hàng trăm km, chạy qua nhiều khu vực có kinh tuyến, vĩ tuyến thay đổi Phương pháp tính chuyển đảm bảo phù hợp hệ toạ độ thiết kế hệ toạ độ thi cơng cơng trình với biến dạng chiều dài cạnh lưới GPS nằm giới hạn cho phép mà đảm bảo tính thống hệ quy chiếu cho tồn cơng trình Đó ưu điểm bật phương pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS hệ toạ độ thi công qua mặt thuỷ chuẩn khu vực Phương pháp tính chuyển cho kết độ xác tính chuyển tương tự phương tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện chân trời khắc phục giới hạn kích thước lưới GPS mà phương pháp tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện gặp phải, không khắc phục Tính tốn thực nghiệm Để kiểm định tính xác phương pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS theo thuật tốn tính chuyển mặt thuỷ chuẩn khu vực, chúng tơi tiến hành tính chuyển cho lưới GPS xây dựng khu công nghiệp Yên Phong ( Bắc Ninh) Để thử nghiệm phương pháp tính chuyển chúng tơi sử dụng điểm đo GPS nằm tuyến từ điểm YP3 đến điểm IVYP3 (hình ) Lưới GPS đo máy thu Trimble R3 Kết xử lý số liệu, tính toạ độ phần mềm TGO, sử dụng hệ toạ độ VN-2000 với kinh tuyến trục 1050 30' Chúng tơi tiến hành tính chuyển lưới GPS theo hai phương pháp tính chuyển Tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện chân trời [1] tính chuyển theo thuật tốn từ (1) đến (6) Khi tính chuyển toạ độ qua mặt thuỷ chuẩn khu vực chọn điểm IV16 làm điểm gốc P0 So sánh kết đo cạnh lưới công nghệ GPS hệ toạ độ VN-2000, kinh tuyến trục 1050 30' với kết qua đo kiểm tra cạnh máy tồn đạc điện tử TC303, kết tính chuyển toạ độ theo hai phương pháp tính chuyển nêu bảng Hình Bảng So sánh kết tính chuyển chiều dài cạnh theo phương pháp tính chuyển toạ độ Tên cạnh S- đo Chiều dài cạnh S - đo công nghệ GPS (m) máy TĐĐT Chưa tính chuyển Tính chuyển qua hệ Tính chuyển qua mặt TC-303 toạ độ (2) toạ độ địa diện (3) thuỷ chuẩn khu vực (m) (4) (1) S1(m) ΔS (m) S2(m) ΔS (m) S3(m) ΔS (m) YP3-YP4 YP4-YP5 YP5-YP6 YP6-IV16 82 371.597 167.266 529.745 504.890 371.580 167.260 529.711 504.860 -0.017 -0.006 -0.034 -0.030 371.601 167.267 529.738 504.881 0.004 0.001 -0.007 -0.009 371.590 167.259 529.739 504.889 -0.007 -0.006 -0.006 -0.001 Từ kết tính tốn thực nghiệm cho lưới GPS khu công nghiệp Yên Phong cho thấy: - Chiều dài cạnh lưới GPS chưa tính chuyển (cột 2) có khác biệt tương đối lớn so với chiều dài cạnh đo trực tiếp mặt đất (cột 1) - Kết tính chuyển cho thấy: sau tính chuyển toạ độ lưới GPS, biến dạng chiều dài cạnh lưới giảm rõ rệt, chiều dài cạnh lưới GPS gần xấp xỉ với chiều dài cạnh đo trực tiếp mặt đất máy toàn đạc điện tử Kết tính chuyển theo phương pháp tính qua mặt thuỷ chuẩn khu vực (cột 4) tương đương với phương pháp tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện chân trời (cột 3) Kết luận kiến nghị Từ kết nghiên cứu lý thuyết tính tốn thực nghiệm chúng tơi rút kết luận sau đây: Khi thành lập lưới khống chế thi công công nghệ GPS phục vụ thi công xây dựng cơng trình dạng tuyến có chiều dài lớn (như tuyến đường cao tốc, tuyến hầm xe điện ngầm, cơng trình đường ống dẫn khí ) nên áp dụng phương pháp tính chuyển toạ độ qua mặt thuỷ chuẩn khu vực Phương pháp tính chuyển toạ độ hồn tồn đáp ứng u cầu độ xác bố trí cơng trình đảm bảo thống hệ toạ độ cho toàn dự án q trình thiết kế thi cơng xây dựng cơng trình Kiến nghị: cần tiếp tục tính tốn thực nghiệm cho lưới khống chế thi công lập cơng nghệ GPS có điều kiện đo kiểm tra lại chiều dài cạnh lưới mặt đất máy toàn đạc điện tử, nhằm khẳng định khả ứng dụng phương pháp thuật tốn tính chuyển toạ độ lưới GPS hệ toạ độ thi công cho cơng trình dạng tuyến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Viết Tuấn, 2005 Nghiên cứu phương pháp tính chuyển toạ độ điểm đo GPS hệ toạ độ thi cơng cơng trình Tạp chí khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, (11), Hà Nội [2] Trần Viết Tuấn, 2005 Nghiên cứu nâng cao độ xác thành lập lưới GPS trắc địa cơng trình Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp mã số B2005-36-75, Hà Nội [3] SHI Yi-min and ZHOU Yong-jun and ZHANG Wen-qing, 2002 The Determination of the Regional Ellipsoidal Surface by the Method of Readjusting Its Orientation and Positioning Departmen of Surveying and Geoinformatics, Tangji University, Shanghai,China SUMMARY On the research of some transformation methods to transfer coordinates from the GPS system into the construction system Tran Viet Tuan, University of Mining and Geology The content of this report focus two main parts: methods and algorithm to transform coordinate by GPS network in the coordinate system of construct works for form large linear length Results of transfer will ensure the correct layout and construction works Then, there are experimental calculation results for several types of large length work in Vietnam 83 ... bật phương pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS hệ toạ độ thi công qua mặt thuỷ chuẩn khu vực Phương pháp tính chuyển cho kết độ xác tính chuyển tương tự phương tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện... vào hệ toạ độ sử dụng hệ VN-2000 hay HN-72) Đó phương pháp tính chuyển toạ độ điểm đo GPS hệ toạ độ khu vực (hệ toạ độ thi công mặt đất) cho cơng trình xây dựng Kết tính chuyển đảm bảo phù hợp hệ. .. thước lưới GPS mà phương pháp tính chuyển qua hệ toạ độ địa diện gặp phải, không khắc phục Tính tốn thực nghiệm Để kiểm định tính xác phương pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS theo thuật tốn tính chuyển