Ứng dụng kỹ thuật DGPS trong việc thành lập bảng đồ mạng lưới giao thông tỷ lệ trung bình

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ZY LƯƠNG BẢO BÌNH ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DGPS TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG TỶ LỆ TRUNG BÌNH Chuyên ngành : ĐỊA TIN HỌC Mã số ngành : 2.16.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2005 MỤC LỤC CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI 1.4 NHỮNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.5 KẾT QUẢ THU ĐƯC CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 2.1.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPS 2.1.2 TÍN HIỆU GPS 10 2.1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ 11 2.1.4 CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ 13 2.1.5 MỘT SỐ CÁCH THỨC ĐỊNH VỊ PHỔ BIẾN HIỆN NAY 14 2.2 KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ DGPS 18 2.2.1 TỔNG QUAN VỀ DGPS 18 2.2.2 THÔNG ĐIỆP CHUẨN RTCM SC104 22 2.2.3 ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA DGPS 24 2.2.4 MỘT SỐ HỆ THỐNG DGPS 27 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KỸ THUẬT ĐO DGPS 3.1 3.2 3.3 GIỚI THIỆU CHUNG 31 3.1.1 TRẠM GPS QUỐC GIA VŨNG TÀU 31 3.1.2 CÁC THIẾT BỊ DÙNG TRONG KHẢO SÁT 32 3.1.3 CÁC PHẦN MỀM SỬ DỤNG 33 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT 35 3.2.1 CÁCH THỨC ĐO ĐẠC 35 3.2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 37 QUÁ TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU 3.1.1 KHẢO SÁT TẠI VŨNG TÀU 37 3.1.2 KHẢO SÁT TẠI TP HỒ CHÍ MINH 38 3.1.3 KHẢO SÁT TẠI KHU ĐO MẪU 3.4 31 38 3.1.4 KHẢO SÁT VỚI TRẠM PHÁT GIẢ LẬP 41 KẾT QUẢ 46 CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT DGPS 4.1 VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG HIỆN NAY 4.2 49 49 QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT DGPS 51 4.2.1 TRANG THIẾT BỊ 51 4.2.2 QUÁ TRÌNH NGOẠI NGHIỆP 51 4.2.3 QUÁ TRÌNH NỘI NGHIỆP 52 4.3 QUY TRÌNH CẬP NHẬT BẢN ĐỒ MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT DGPS 55 4.4 SẢN PHẨM THỬ NGHIỆM 56 4.5 ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA QUY TRÌNH MỚI 65 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 67 5.1 TÓM TẮT 67 5.2 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC PHỤ LỤC : BẢNG TỪ VIẾT TẮT i PHỤ LỤC : CHƯƠNG TRÌNH TÍNH SAI SỐ TRUNG PHƯƠNG CỦA TRỊ ĐO DGPS KHI ĐO DỌC THEO CÁC TUYẾN ĐƯỜNG THẲNG ii PHỤ LỤC : VỊ TRÍ KHU ĐO DGPS TẠI VŨNG TÀU VÀ BẮC HẢI iii PHỤ LỤC : ĐỘ NHIỄU CỦA TRỊ ĐO DGPS iv PHỤ LỤC : KHẢO SÁT SAI LỆCH KHOẢNG CÁCH KHI CHUYỂN ĐỔI GIỮA HAI HỆ VN 2000 VÀ WGS 84 viii PHỤ LỤC 6: SẢN PHẨM THỬ NGHIỆM VÀ BẢN ĐỒ NỀN Ở TỶ LỆ 1/5000 ix DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ Hình 1.1: Ứng dụng DGPS Hình 1.2: Các trạm GPS quốc gia Việt Nam Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống GPS Hình 2.2: Nguyên tắc định vị tuyệt đối 11 Hình 2.3: Nguyên tắc định vị tương đối 12 Hình 2.4: Định vị điểm 15 Hình 2.5: Đo tương đối tónh hậu xử lý 16 Hình 2.6: Đo động RTK 17 Hình 2.7: Đo động DGPS 18 Hình 2.8: Nguyên tắc định vị DGPS 20 Hình 3.1: Một số thiết bị dùng khảo sát 33 Hình 3.2: Độ nhiễu trị đo DGPS tuyến đường khu đo mẫu 43 Hình 3.3: Độ nhiễu trị đo DGPS tuyến đường khu Bắc Hải 45 Hình 3.4: Quan hệ sai số đo DGPS khoảng cách đến trạm phát 48 Hình 3.5: Sơ đồ mạng lưới DGPS kiến nghị 47 Hình 4.1: Quy trình thành lập đồ mạng lưới giao thông 50 Hình 4.2: Quy trình thành lập đồ mạng lưới giao thông dựa kỹ thuật DGPS Hình 4.3.a : Các vết đường phần mềm GPS Track Maker 53 57 Hình 4.3.b : Tuyến tính hoá vết đường phần mềm GPS Track Maker 58 Hình 4.3.c : Xuất sang định dạng AutoCAD 59 Hình 4.3.d : Vẽ lại đường thành hai nét AutoCAD 59 Hình 4.4 : Sản phẩm thử nghiệm đồ hệ WGS84 61 Hình 4.5 : Phân tích sai số sản phẩm thử nghiệm 62 Hình 4.6 : Sản phẩm thử nghiệm đồ hệ VN2000 63 Hình 4.7 : Độ sai lệch hai vẽ hệ WGS84 VN2000 65 Hình 5.1: Quy trình thành lập cập nhật đồ mạng lưới giao thông dựa kỹ thuật DGPS Hình 5.2: Sơ đồ mạng lưới DGPS kiến nghị 71 74 DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2.1: Độ xác định vị DGPS 25 Bảng 3.1: Tổng hợp số liệu đo điểm đơn DGPS khu đo với trạm phát sóng Vũng Tàu Tp.HCM 39 Bảng 3.2: Độ nhiễu trị đo DGPS di chuyển với vận tốc km/h 42 Bảng 3.3: Độ nhiễu trị đo DGPS di chuyển với vận tốc 20 km/h 44 Bảng 3.4: Độ sai lệch khoảng cách đo DGPS (dùng trạm phát Vũng Tàu) 46 Bảng 3.5: Độ xác định vị tọa độ điểm đơn 47 Bảng 3.6: Độ nhiễu đo liên tục theo tuyến 47 Bảng 3.7: Sai số đo DGPS khoảng cách đến trạm phát 47 Bảng 4.1 : Mức độ sai lệch sản phẩm thử nghiệm hệ WGS84 61 Bảng 4.2 : Mức độ sai lệch sản phẩm thử nghiệm hệ VN2000 64 Bảng 5.1: Bảng tóm tắt sai số định vị điểm đơn DGPS 69 Bảng 5.2: Bảng tóm tắt độ nhiễu trị đo DGPS 70 Bảng 5.3: Bảng tóm tắt sai số độ dài định vị DGPS 70 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) Bộ Quốc Phòng Mỹ xây dựng bảo trì từ năm 1970 đến ứng dụng rộng rãi nhiều lónh vực Với nhiều loại máy thu phương pháp đo khác nhau, khả ứng dụng GPS đa dạng, từ yêu cầu độ xác cao trắc địa-bản đồ đến độ xác trung bình thấp GIS, du lịch, quản lý giao thông, hướng dẫn hàng hải… Hiện nay, khả định vị tốt đo tónh hậu xử lý với máy thu hai tần số (độ xác milimet) Tuy nhiên, thiết bị đắt tiền, phải đo đạc khoảng thời gian tương đối lâu (vài chục phút đến vài giờ) phải thông qua bước xử lý hậu kỳ phức tạp Đối với ứng dụng động - thời gian thực, phương pháp RTK (Real Time Kinematic) khai thác để cung cấp độ xác cm, song xử lý trị đo pha nên gặp khó khăn việc giải tham số đa trị tượng trượt chu kì pha Ngoài ra, bán kính hoạt động không lớn giới hạn radio phát đặt trạm tónh, giá thành cao máy thu với phần mềm xử lý phức tạp hạn chế phương pháp cho ứng dụng phổ thông Cũng lónh vực đo động thời gian thực, DGPS (Differential GPS) giải pháp triển khai nhiều nước giới Phương pháp sử dụng trị đo mã số hiệu chỉnh gửi đến từ trạm phát để xác định toạ độ trạm động với độ xác decimet, mét Ưu điểm bật DGPS cần trạm phát công suất lớn dùng chung cho khu vực, người sử dụng trang bị máy thu GPS cầm tay đóng vai trò trạm động Như vậy, DGPS với ưu điểm xử lý đơn giản giá thành rẻ phù hợp cho ứng dụng động yêu cầu độ xác trung bình trở xuống Hình 1.1: Ứng dụng DGPS (nguồn internet) Ở nước phát triển, hệ thống mạng lưới DGPS với trạm phát công suất lớn phủ kín khắp thành phố phục vụ cho nhiều ứng dụng du lịch, quản lý đô thị, quản lý giao thông, thu thập liệu cho GIS… Ở nước ta, GPS ứng dụng, lónh vực trắc địa-bản đồ dùng để xây đựng điểm lưới khống chế Tuy nhiên, DGPS chưa có mạng lưới hoàn chỉnh Ngày 1/12/2004, Bộ Tài Nguyên Môi Trường công bố trạm GPS cố định hoạt động lãnh thổ nước ta, gồm có trạm quốc gia Đồ Sơn, Vũng Tàu, Điện Biên trạm địa phương Hà Giang, Cao Bằng, tới xây dựng trạm Đà Nẵng Với độ xác thiết kế từ – 3m, phạm vi phủ sóng bao trùm toàn lãnh thổ vùng đặc quyền kinh tế, song đến trạm phục vụ chủ yếu công tác biển phân giới cắm mốc biên giới Việt-Trung Hình 1.2: Các trạm GPS quốc gia Việt Nam (nguồn [7]) Tuy nhiên, chưa xây dựng trạm điều khiển trung tâm, chưa kết nối trạm riêng lẻ thành mạng lưới, chưa thấy nói đến ứng dụng phổ thông đất liền Hơn nữa, vấn đề đặt tầm phủ sóng thực trạm phát, độ xác định vị thực tế, độ tin cậy số hiệu chỉnh khoảng cách lớn, khả ứng dụng đất liền Trong đó, nhiều lónh vực bỏ ngỏ khả ứng dụng du lịch, quản lý giao thông, xây dựng sở liệu cho GIS… Trong đó, ứng dụng cụ thể mà kỹ thuật DGPS đem lại hiệu đo vẽ, đặc biệt cập nhật đồ mạng lưới giao thông cho khu vực đô thị mới, nơi mà đồ địa hình không kịp cập nhật theo nhu cầu phát triển Việc thành lập đồ mạng lưới giao thông, hay nói rộng đồ chuyên đề, thường biên tập lại dựa đồ địa hình tỷ lệ, khả cập nhật phụ thuộc vào mức độ cập nhật đồ địa hình không đáp ứng theo nhu cầu Đây trở ngại lớn phương pháp truyền thống Với kỹ thuật DGPS, đồ mạng lưới giao thông thành lập cách nhanh chóng, khả cập nhật theo nhu cầu, không phụ thuộc vào đồ địa hình Về độ xác, đồ mạng lưới giao thông thường thành lập tỷ lệ trung bình nhỏ nên khả bảo đảm độ xác DGPS hoàn toàn khả thi 71 o Độ nhiễu trị đo DGPS Bảng 5.2: Bảng tóm tắt độ nhiễu trị đo DGPS Khu đo Trạm phát Sai số (m) ĐH Bách Khoa Giả lập 0.52 Bắc Hải Giả lập 1.75 (tuyến ngắn 500m) o Sai số xác định khoảng cách Bảng 5.3: Bảng tóm tắt sai số độ dài định vị DGPS Khoảng cách Sai lệch đến Vũng Tàu (km) chiều dài caïnh (m) 0.42 0.64 18 0.73 35 1.07 63 1.22 Từ kết khảo sát trên, người viết đề xuất quy trình thành lập cập nhật đồ mạng lưới giao thông dựa kỹ thuật DGPS sau (sử dụng máy thu cầm tay giá thành rẻ beacon, phần mềm GPS Track Maker Pro, AutoCAD) 72 Lập lộ trình đường Cài đặt thiết bị Thu thập liệu Trút liệu chỉnh sửa sơ (GPS Track Maker Pro) Xuất sang định dạng dxf Hoàn chỉnh vẽ (trong AutoCAD) Hình 5.1: Quy trình thành lập cập nhật đồ mạng lưới giao thông dựa kỹ thuật DGPS Cuối cùng, sản phẩm thử nghiệm (dù chưa thật hoàn chỉnh) đưa minh hoạ phân tích Kết cho thấy sản phẩm thử nghiệm (gồm khoảng mươi tuyến đường khu cư xá Bắc Hải) có sai số 73 3m, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu thành lập đồ mạng lưới giao thông đến tỷ lệ 1/5000 5.2 KẾT LUẬN Nhận xét – kết luận: • Độ xác trị đo DGPS phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí trạm đo đến trạm phát Trong điều kiện tốt (số vệ tinh > 7, PDOP < 2), sai số từ 1.2m (gần trạm phát) đến 2.3m (cách trạm phát khoảng 70km) Tuy nhiên, mức độ cải thiện DGPS phụ thuộc nhiều vào độ thông thoáng phân bố địa vật khu đo (sẽ gây nên sai số tượng đa đường mà kỹ thuật DGPS giảm thiểu), đặc biệt khu đo cách trạm phát xa Với điều kiện đo đạc thực tế Bắc Hải (số vệ tinh khoảng 4-6, PDOP khoảng 2-3, nhiều hai bên đường, nhà cửa san sát), độ xác đạt 9.3m Như vậy, để có ứng dụng DGPS tốt cho khu đô thị vài trạm phát công suất lớn không xác mạng lưới trạm phát công suất nhỏ rải khắp đô thị Theo thử nghiệm với trạm phát giả lập thành phố Hồ Chí Minh phát với công suất 3W bán kính 3km, tín hiệu tốt • Độ nhiễu đo DGPS liên tục theo tuyến thẳng 0.52 m di chuyển chậm (5 km/h) 1.75 m di chuyển với vận tốc 20 74 km/h Nếu tuyến đo dài cần chia nhỏ thành nhiều đoạn 500 m • Độ xác sử dụng trạm phát quốc gia Vũng Tàu trạm phát giả lập Đại học Bách Khoa tương đương Đo đạc Vũng Tàu cách trạm phát quốc gia km đạt độ xác 1.24 m, đo đạc Đại học Bách Khoa cạnh trạm phát giả lập đạt độ xác 1.00 m Điều cho thấy việc xây dựng trạm phát công suất nhỏ đô thị hoàn toàn khả thi mặt độ xác đạt được, nhiên phải tính đến yếu tố kinh phí để xây dựng trạm • Tóm lại, sử dụng máy thu GPS cầm tay, với cự ly < km độ xác đo DGPS đạt 1.2 m; với cự ly < 70 km, đạt 2.3 m điều kiện thông thoáng 9.3 m điều kiện phức tạp Các kết có sử dụng trạm phát, trường hợp có nhiều trạm phát, độ xác cải thiện Kiến nghị: Từ nhận xét kết luận nêu trên, kiến nghị đưa mạng lưới trạm DGPS có khoảng cách khoảng 100 km, với trạm phát đặt đô thị Khi đó, vị trí bất kỳ, độ xác định vị mong đợi đến 3m (bán kính đô thị thông thường