Bài viết Hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời và ứng dụng trong trắc địa công trình trình bày các kết quả nghiên cứu về hệ tọa độ địa diện chân trời và khả năng ứng dụng nó trong một số dạng công tác TĐCT ở nước ta khi đo bằng công nghệ GPS.
Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 44, 10-2013, tr.34-38 HỆ TỌA ĐỘ VNG GĨC KHƠNG GIAN ĐỊA DIỆN CHÂN TRỜI VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH NGUYỄN QUANG PHÚC, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời (sau gọi tắt Hệ tọa độ địa diện chân trời) có nhiều đặc điểm thuận lợi việc thành lập mạng lưới Trắc địa cơng trình (TĐCT) nghiên cứu biến cố cơng trình đo cơng nghệ GPS Nội dung báo trình bày kết nghiên cứu hệ tọa độ địa diện chân trời khả ứng dụng số dạng công tác TĐCT nước ta đo công nghệ GPS Trên sở đó, rút kết luận kiến nghị cần thiết Đặt vấn đề Cơng nghệ GPS có mặt nước ta từ năm 80 kỷ trước Đến nay, công nghệ GPS có bước tiến dài ứng dụng nhiều lĩnh vực Trắc địa-Bản đồ Trong TĐCT, GPS ứng dụng chủ yếu nhờ kỹ thuật đo tương đối-tĩnh để thành lập mạng lưới khống chế tọa độ có độ xác cao, phục vụ cho giai đoạn: khảo sát, thi công xây dựng khai thác sử dụng cơng trình Kỹ thuật đo tương đối-tĩnh cho phép xác định thành phần số gia tọa độ vng góc khơng gian ∆X, ∆Y, ∆Z ma trận tương quan tương ứng vector baseline hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm quốc tế WGS84 Chúng xem liệu đầu vào xử lý để tính giá trị tọa độ phẳng phục vụ cho mục đích Trắc địa-Bản đồ nhờ phần mềm bán kèm theo máy (như GPSurvey 2.35 hay TBC) Kết thu tọa độ phẳng điểm đo GPS hệ tọa độ người dùng, phép chiếu hình trụ ngang đồng góc mặc định bề mặt elipsoid quy chiếu Hệ tọa độ cơng trình-bao gồm gốc tọa độ độ cao mặt chiếu hệ tọa độ-là dạng hệ tọa độ độc lập, lựa chọn phù hợp với đặc điểm vị trí địa lý cơng trình, cho bảo đảm điều kiện lưới bị biến dạng nhất, hay nói cách khác, lưới bị biến dạng giới hạn cho phép so với kích thước thật bề mặt đất Hệ tọa độ địa diện chân trời có nhiều ưu điểm hẳn so với hệ tọa độ phẳng phép 34 chiếu hình trụ ngang, đáp ứng yêu cầu nói hệ tọa độ cơng trình, lại có liên hệ tốn học đơn giản chặt chẽ với hệ tọa độ vuông góc khơng gian địa tâm-là hệ tọa độ sử dụng đo đạc vệ tinh Vì vậy, nghiên cứu sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời TĐCT đo công nghệ GPS cần thiết, góp phần nâng cao độ xác hiệu ứng dụng công nghệ GPS TĐCT Trước hết, xem xét số đặc điểm hệ tọa độ địa diện chân trời Hệ tọa độ địa diện chân trời Trên hình 1, P0 điểm trạm đo, O tâm elipsoid O-XYZ hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm Thành lập hệ tọa độ địa diện chân trời theo quy tắc bàn tay phải, lấy điểm P0 tâm trạm đo làm điểm gốc, pháp tuyến với mặt elipsoid qua điểm P0 làm trục z (hướng thiên đỉnh hướng dương), lấy hướng kinh tuyến làm trục x (hướng Bắc hướng dương), trục y vng góc với trục x z (hướng Đông hướng dương) P0-xyz gọi hệ toạ độ địa diện chân trời [4] Z z x M y G P0 O L0 B0 Mặt phẳng chân trời chân trời Y XÍCH ĐẠO X Hình Hệ toạ độ địa diện chân trời Quan hệ tọa độ vng góc khơng gian tọa độ địa diện chân trời biểu diễn theo công thức [4]: xi sin B0 cosL0 sin B0 sin L0 cosB0 Xi X0 y sin L cosL0 0 Yi Y0 ,(1) i zi cosB0 cosL0 cosB0 sin L0 sin B0 Zi Z0 đó: Xi,Yi,Zi xi,yi,zi – tọa độ không gian toạ độ địa diện điểm cần tính chuyển; X0,Y0,Z0 B0,L0 – tọa độ không gian tọa độ trắc địa điểm gốc hệ tọa độ địa diện Xem xét hệ tọa độ địa diện chân trời rút số nhận xét sau đây: 1- Trong cơng thức (1) khơng có tham gia thành phần độ cao trắc địa Hi Vì thế, tọa độ phẳng x,y điểm mặt phẳng địa diện chân trời không phụ thuộc vào độ cao trắc địa chúng 2- Điểm gốc P0 hệ tọa độ địa diện chân trời chọn điểm trọng tâm điểm cụ thể gần với trọng tâm mạng lưới Vì vậy, tùy theo vị trí tương đối điểm trạm đo so với điểm gốc mà tọa độ phẳng bề mặt địa diện chân trời điểm có dấu khác (hình 2) z x x˃0 y˃0 y x˃0 y˂0 P0 x˂0 y˃0 x˂0 y˂0 Hình Xét dấu tọa độ mặt phẳng địa diện chân trời P0 d Hình Xét ảnh hưởng độ cong Trái đất 3- Hướng trục x hệ tọa độ địa diện chân trời hướng Bắc kinh tuyến qua điểm gốc P0, hướng trục x hệ tọa độ phẳng phép chiếu trụ ngang UTM (hay Gauss-Kruger) hướng Bắc kinh tuyến trục Như vậy, định hướng hệ thống tọa độ hoàn tồn khác hẳn Chỉ có trường hợp, điểm gốc hệ tọa độ địa diện chọn nằm kinh tuyến trục định hướng hệ thống trùng khít lên Đây điểm đáng lưu ý để người dùng có phương án bảo đảm trùng hợp tốt hệ tọa độ địa diện chân trời hệ tọa độ cơng trình hay hệ tọa độ Nhà nước 4- Việc lấy mặt phẳng địa diện chân trời thay cho mặt cong elipsoid gây biến dạng định khoảng cách độ cao điểm Trên hình 3, M điểm mặt đất Trên phạm vi hẹp, thay mặt elipsoid mặt cầu bán kính R H A độ cao điểm M so với mặt cầu mặt phẳng địa diện P0M0=S khoảng cách mặt cong từ điểm gốc địa diện đến điểm xét P0 M '0 d khoảng cách tương ứng mặt phẳng địa diện M M '0 h d – S = ∆S đại lượng đặc trưng cho sai lệch độ cao khoảng cách thay mặt cong mặt phẳng địa diện Các giá trị xác định theo công thức [6]: d3 d2 S h (2) 2R 3R 35 Dễ nhận thấy rằng, khoảng cách d lớn sai lệch lớn Vì vậy, cần phải vào yêu cầu độ xác khoảng cách chênh cao để xác định phạm vi sử dụng mặt địa diện (giới hạn vòng tròn tâm P0, bán kính d) cách hợp lý Khi đó, phép chiếu xuyên tâm xem phép chiếu trực giao bề mặt elipsoid lên mặt phẳng [6] Sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời trắc địa cơng trình Khơng phép chiếu hình trụ ngang đồng góc, phép chiếu lên mặt địa diện chân trời cho phép tính chuyển tọa độ lưới GPS mặt phẳng cơng trình đơn giản, giúp hạn chế đáng kể suy giảm độ xác lưới bước tính chuyển gây Những năm vừa qua, chúng tơi nghiên cứu sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời số dạng công tác TĐCT đo công nghệ GPS như: thành lập lưới khống chế thi cơng, quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình, kiểm tra độ thẳng đứng cơng trình… 3.1 Sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời thành lập lưới khống chế thi công Mạng lưới lấy làm nghiên cứu lưới thi công thủy điện Nước Nát nằm sông Nước Nát, thuộc địa phận xã Trà Bui, huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam [1] Mạng lưới gồm 08 điểm (hình 4) đo cơng nghệ GPS, điểm 13443, GPS-1, GPS-2 điểm đo nối, có toạ độ mặt đất Sau đo đạc, lưới bình sai theo hệ quy chiếu không gian với Ellipsoid chọn WGS-84 quốc tế GPS-1 GPS-2 13443 IV-05 IV-04 IV-02 IV-03 IV-01 Hình Sơ đồ lưới khống chế thi công thủy điện Nước Nát Các điểm đo nối 13443, GPS-1 GPS-2 có tọa độ cơng trình, xác định hệ toạ độ VN-2000, múi chiếu 30, kinh tuyến trung ương 1070 30’ 00”, độ cao mặt cơng trình 260m Trước hết, tính chuyển toạ độ GPS điểm hệ toạ độ địa diện chân trời, với điểm gốc hệ địa diện chọn điểm trọng tâm mạng lưới Sau đó, sử dụng điểm song trùng 13443, GPS-1 GPS-2 để tính chuyển toạ độ địa diện chân trời điểm toạ độ cơng trình nhờ phép chuyển đổi Helmert Sử dụng máy tồn đạc điện tử TC-805L với độ xác đo cạnh mS=2mm+2ppm để đo kiểm tra số cạnh So sánh chiều dài cạnh đo máy TC-805L với chiều dài cạnh lưới sau tính chuyển, kết thống kê Bảng Các kết Bảng cho thấy, chiều dài cạnh sau tính chuyển phù hợp với chiều dài thực chúng mặt đất Sự sai khác nằm giới hạn sai số đo, đảm bảo tính chất quan trọng lưới bị biến dạng (trung bình vào khoảng 1:150.000), đồng thời lưới xác định tọa độ hệ tọa độ phù hợp với cơng trình Bảng So sánh chiều dài cạnh sau tính chuyển 36 Tên cạnh Cạnh đo máy TC-805L Cạnh sau tính chuyển Sai khác (∆S) (mm) s S IV-02 - IV-01 862.898 862.904 -6 1:143.800 IV-02 - IV-03 1070.871 1070.864 +7 1:153.000 IV-03 – IV-04 655.516 655.520 -4 1:163.700 IV-03 – IV-05 998.415 998.411 +4 1:249.600 3.2 Sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình Để đánh giá khả sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời quan trắc chuyển ngang cơng trình cơng nghệ GPS, thực nghiệm quan trắc mơ hình chuyển dịch thực mạng lưới thực nghiệm điểm hình địa bàn huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội Đã tiến hành thực nghiệm Thực nghiệm tạo chuyển dịch thực điểm C theo trục x 10mm, theo trục y -10mm Thực nghiệm tạo chuyển dịch thực điểm C theo trục x 4mm, theo trục y -4mm Chuyển dịch tổng hợp điểm C thực nghiệm tương ứng 14,2mm 5,7mm [3] Sau đo đạc, bình sai lưới lưới GPS tự hệ tọa độ khơng gian WGS-84 Thực tính chuyển tọa độ điểm GPS hệ tọa độ địa diện chân trời nhận điểm A làm gốc Từ xác định thông số chuyển dịch điểm mặt phẳng địa diện chân trời Kết thu bảng [3] Từ kết tính tốn tổng hợp bảng thấy, cơng nghệ GPS thuật toán xử lý số liệu hợp lý, kết hợp với việc áp dụng hệ tọa độ địa diện chân trời cho phép xác định giá trị chuyển dịch điểm Tuy nhiên, hướng chuyển dịch chưa đạt kết mỹ mãn mà theo chúng tơi, ngun nhân la bàn có độ xác thấp 3.3 Sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời xác định độ thẳng đứng cơng trình Áp dụng hệ tọa độ địa diện chân trời, thực nghiệm xác định độ thẳng đứng cơng trình tháp A thuộc tổ hợp tồ tháp Keangnam Hà Nội q trình thi cơng chu kỳ 13 14, tương ứng với tầng 40 43 Để xác định độ thẳng đứng cơng trình này, đơn vị thi cơng xây dựng hệ thống lưới khống chế GPS bao gồm điểm từ M1 đến M4 (Hình 6) Các điểm X3Y18, X3Y21 X5Y21- giao điểm trục tên cơng trình- điểm chiếu lên từ sàn tầng máy chiếu đứng lazer điểm dùng cho việc kiểm tra Trong chu kỳ, sử dụng máy thu tín hiệu Trimble R3 tiến hành đo điểm lưới khống chế điểm kiểm tra, tạo thành đồ hình lưới hình Để xác định độ nghiêng cơng trình chu kỳ, xác lập hệ toạ độ địa diện chân trời cho công trình, nhận điểm X3Y18 làm gốc toạ độ [2] Sau tính chuyển tọa độ bình sai điểm GPS tọa độ địa diện chân trời theo thuật toán (1), xác định thông số chuyển dịch điểm kiểm tra mặt phẳng địa diện chân trời quy chiếu điểm X3Y18 Kết thu bảng M1 A D X3Y18 X3Y21 X5Y21 M4 M2 B Hình Sơ đồ lưới C M3 Hình Sơ đồ lưới thực nghiệm Bảng Tổng hợp kết thực nghiệm Thực nghiệm Tên điểm (1) (2) C C Chuyển dịch thực Trị số (mm) (3) 14.2 5.7 Hướng chuyển dịch (4) Tây- Bắc Tây-Bắc Chuyển dịch xác định bề mặt địa diện Hướng chuyển Trị số (mm) dịch (5) (6) 14.2 335022’58” 6.5 357013’57” Sai lệch (mm) (5) - (3) (7) 0.0 0.8 37 Bảng Kết xác định độ nghiêng điểm kiểm tra ============================================================= | T | TEN | L E C H T O A D O | LECH | | | | -| | | T | DIEM | HUONG x (m) | HUONG y (m) |TOAN PHAN(m) | | -| | -| -| -| | | X3Y18 | -0.008 | -0.009 | 0.012 | | CK13| X3Y21 | -0.003 | 0.014 | 0.014 | | | X5Y21 | -0.012 | 0.006 | 0.013 | | -| | -| -| -| | | X3Y18 | -0.019 | -0.012 | 0.023 | | CK14| X3Y21 | -0.023 | 0.005 | 0.023 | | | X5Y21 | -0.022 | 0.002 | 0.022 | ============================================================= Các kết tính tốn hoàn toàn phù hợp với kết luận [5] Kết luận kiến nghị dụng hệ tọa độ công tác TĐCT đo công nghệ GPS Từ kết nghiên cứu nêu trên, rút số kết luận kiến nghị sau đây: [1] Khuất Minh Hằng, 2012 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu lựa chọn hệ quy chiếu hợp lý cho lưới khống chế Trắc địa cơng trình Thư viện Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội, tr.83-87 [2] Trần Thùy Linh, 2012 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS thi cơng xây dựng cơng trình nhà cao tầng Việt Nam, Thư viện Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội, tr.80-83 [3] Hoàng Anh Thế, 2010 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp thành lập xử lý số liệu hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình đo cơng nghệ GPS, Thư viện Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội, 2010, tr.82-90 [4] Nguyễn Quang Phúc, Hoàng Thị Minh Hương nnk, 2010 Ứng dụng công nghệ GPS xác định chuyển dịch biến dạng cơng trình ảnh hưởng q trình khai thác mỏ Báo cáo Hội nghị Quốc tế KHKT Mỏ, tổ chức Hạ Long-Việt Nam, 2010, tr.576-581 [5] Vietnam Institute of Building Science and Technology Report of tilt monitoring for block residence A of the Keangnam landmark tower project Hanoi, April-2010 [6] В.Е Новак и др Курс инженерной геодезии Изд “Недра”, Москва, 1989, с 28-29 4.1 Hệ tọa độ địa diện chân trời có nhiều ưu điểm hẳn so với hệ tọa độ phẳng phép chiếu hình trụ ngang, đáp ứng yêu cầu lựa chọn hệ tọa độ độc lập cho cơng trình, lại có liên hệ toán học đơn giản chặt chẽ với hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm Đây điều kiện thuận lợi để triển khai ứng dụng TĐCT đo cơng nghệ GPS 4.2 Trục x hệ tọa độ phẳng phép chiếu trụ ngang hướng kinh tuyến trục, trục x hệ tọa độ phẳng phép chiếu mặt địa diện hướng kinh tuyến thực Vì vậy, cần có liên hệ tọa độ địa diện chân trời với tọa độ cơng trình hay tọa độ Nhà nước, thiết phải sử dụng phép biến đổi xoay Công cụ hữu hiệu trường hợp phép biến đổi đồng dạng hệ tọa độ Helmert với số điểm song trùng khơng 4.3 Cơng nghệ GPS nói riêng cơng nghệ định vị vệ tinh GNSS (Global Navigation Satellite System) ngày ứng dụng rộng rãi TĐCT Vì vậy, cần phải triển khai áp dụng tiếp tục nghiên cứu ứng TÀI LIỆU THAM KHẢO SUMMARY Using local topocentric coordinate system in engineering surveying Nguyen Quang Phuc, Hanoi University of Mining and Geology Local topocentric coordinate system has many advantages in creating engineering surveying networks as measured by the Global Positioning System (GPS) The report presents several results of applying this coordinate system in some tasks of engineering surveying On this basis, important conclusions and necessary recommendations are drawn 38 ... Xi,Yi,Zi xi,yi,zi – tọa độ khơng gian toạ độ địa diện điểm cần tính chuyển; X0,Y0,Z0 B0,L0 – tọa độ không gian tọa độ trắc địa điểm gốc hệ tọa độ địa diện Xem xét hệ tọa độ địa diện chân trời rút số... nhân la bàn có độ xác thấp 3.3 Sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời xác định độ thẳng ứng cơng trình Áp dụng hệ tọa độ địa diện chân trời, thực nghiệm xác định độ thẳng ứng cơng trình tháp A... 1:249.600 3.2 Sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình Để đánh giá khả sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời quan trắc chuyển ngang cơng trình cơng nghệ GPS, thực