công công trình
3.2.1. Sự cần thiết phải tính chuyển các điểm đo GPS về hệ toạ độ thi công công trình
Đối với bất kỳ một công trình xây dựng nào đều cần có một mạng lưới khống chế trắc địa để phục vụ cho toàn bộ quá trình xây dựng công trình. Trong đó lưới khống chế thi công công trình có một vai trò rất quan trọng. Độ chính xác của lưới khống chế thi công sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình thi công và vận hành công trình .
Theo phương pháp truyền thống trước đây lưới khống chế thi công dùng theo hệ toạ độ giả định. Thế nhưng theo phương pháp truyền thống thì việc đo đạc lưới khống chế thi công và quá trình xử lý số liệu đo gặp nhiều khó khăn đồng thời hiệu quả kinh tế không cao. Công nghệ GPS ra đời và phát triển mạnh mẽ, nó được ứng dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực của Trắc địa – Bản đồ. Với những đặc tính ưu việt như tốc độ đo đạc và xử lý số liệu nhanh, độ chính xác cao… và không yêu cầu sự thông hướng giữa các điểm khống chế, do đó công nghệ GPS đã được ứng dụng nhiều vào các dạng của công tác trắc địa công trình. Đặc biệt trong những năm gần đây ta đã sử dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế thi công công trình.
Thế nhưng bên cạnh rất nhiều ưu điểm nói trên, khi thành lập lưới thi công công trình bằng công nghệ GPS vẫn còn tồn tại các vấn đề:
- Sự khác biệt về toạ độ thiết kế và hệ toạ độ thành lập lưới khống chế thi công khi sử dụng công nghệ GPS. Đa số các trường hợp công trình được thiết kế trong hệ toạ độ giả định trong khi đó toạ độ các điểm khống chế xác định theo công nghệ GPS lại được xác định trong hệ toạ độ địa tâm WGS – 84
- Sự biến dạng chiều dài các cạnh lưới khống chế thi công được thành lập bằng công nghệ GPS so với chiều dài cạnh được đo trên bề mặt tự nhiên của trái đất.
Như vậy, đối với các dạng lưới khống chế thi công được thành lập bằng công nghệ GPS, cần phải tính chuyển toạ độ các điểm đo bằng công nghệ GPS về hệ toạ độ thi công của công trình
3.2.2 Lựa chọn phương pháp tính chuyển
Khi lưới khống chế thi công được thành lập bằng công nghệ GPS, để đảm bảo độ chính xác bố trí công trình thì cần phải tính chuyển toạ độ các điểm đo GPS về hệ toạ độ thi công công trình. Mục tiêu của bài toán tính chuyển nhằm đảm bảo:
- Sự biến dạng về chiều dài các cạnh đo trên mặt đất và chiều dài của lưới khống chế thi công nằm trong giới hạn cho phép.
Để tính chuyển toạ độ giữa các hệ quy chiếu có rất nhiều phương pháp tính, như các phương pháp tính chuyển trình bày ở chương II mục (2.3). Ngoài ra còn có các phương pháp tính chuyển theo mô hình 7 tham số, 5 tham số của Bursa, Molodenxki. Phương pháp tính chuyển lựa chọn cần phải đảm bảo cả hai yêu cầu đã nêu trên.
Mặt khác, để tính chuyển toạ độ và độ cao các điểm khống chế giữa hai hệ quy chiếu, cần phải có một số điểm song trùng, tức là các điểm đã biết toạ độ và độ cao trong cả hai hệ toạ độ. Kết quả đo GPS sẽ cho toạ độ các điểm khống chế trong hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm WGS – 84 (X, Y, Z). Từ giá trị (X, Y, Z) trong hệ WGS – 84 sẽ tính chuyển về hệ toạ độ trắc địa trong cùng hệ quy chiếu (B, L, H), sẽ có toạ độ trắc địa (B, L) và độ cao (H) của điểm đó. Tọa độ các điểm khống chế thi công trong trắc địa công trình thường được tính trong hệ toạ độ giả định (x, y), độ cao tính trong hệ độ cao thường H. Như vậy đối với các điểm khống chế thi công, toạ độ mặt bằng và độ cao của các điểm khống chế thường không cùng nằm trong một hệ quy chiếu. Để tính chuyển từ độ cao thường về độ cao trắc địa, thường sử dụng công thức tính:
H = H (3.17)
Trong đó:
H là độ cao trắc địa của điểm xét
H là độ cao thường lấy từ kết quả đo thuỷ chuẩn
là dị thường độ cao tại điểm quan sát.
Từ công thức (3.17) cho thấy, xác định giá trị dị thường độ cao là một vấn đề hết sức khó khăn. Như vậy trong các giá trị toạ độ và độ cao của các điểm song trùng có một yếu tố toạ độ và độ cao H không thể xác định chính xác ở trong một hệ quy chiếu (hệ toạ độ và độ cao thi công), do đó sẽ làm giảm độ chính xác tính chuyển các yếu tố toạ độ mặt bằng (x, y), không đáp
ứng được các yêu cầu cần thiết về độ chính xác cần thiết của lưới khống chế thi công công trình.
Hệ toạ độ thường dùng trong trắc địa công trình là hệ toạ độ vuông góc phẳng Gauss – Kruger được thành lập trên mặt phẳng dựa vào phép chiếu hình trụ ngang đồng góc Gauss hoặc UTM với múi chiếu 60(hoặc 30). Như vậy nếu sử dụng phương pháp tính chuyển từ toạ độ trắc địa (B, L) sang hệ toạ độ vuông góc phẳng phải thực hiện phép chiếu Gauss gây ra sự biến dạng chiều dài các cạnh lưới khống chế thi công.
Để tính chuyển các trị đo GPS về hệ toạ độ thi công thì cần phải lựa chọn phương pháp tính chuyển sao cho tách biệt được giá trị toạ độ (X, Y) và giá trị độ cao H, khi đó độ chính xác của phép tính chuyển toạ độ sẽ đáp ứng được yêu cầu cần thiết của lưới khống chế thi công công trình được thành lập bằng công nghệ GPS. Bài toán tính chuyển toạ độ từ hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm về hệ toạ độ địa diện chân trời tại điểm quan sát kết hợp với phép tính chuyển giữa hai hệ toạ độ vuông góc phẳng (phép tính chuyển Helmert) sẽ đáp ứng được yêu cầu độ chính xác cần thiết của lưới khống chế thi công công trình [6].
3.2.3 Thuật toán tính chuyển
Bước 1: Tính chuyển toạ độ các điểm đo GPS từ hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm WGS – 84 (X, Y, Z) sang hệ toạ độ trắc địa cùng hệ quy chiếu (B, L, H) theo các công thức từ (2.32) đến (2.35)
Bước 2: Chọn điểm gốc của hệ toạ độ địa diện là điểm trọng tâm của lưới khống chế thi công công trình (điểm có toạ độ và độ cao là giá trị trung bình của các điểm khống chế thi công). Điểm gốc của hệ toạ độ địa diện cũng có thể chọn là một trong các điểm song trùng của hai hệ toạ độ và độ cao là độ cao của mặt chiếu đã sử dụng để thiết kế công trình.
n B B n i o 1 (3.18) H H n i o 1
Bước 3: Sử dụng các công thức từ (2.51) đến (2.56) để tính chuyển các điểm khống chế trong lưới khống chế về hệ toạ độ địa diện đã chọn. Như vậy với mỗi một điểm tính chuyển sẽ có thành phần toạ độ z trong hệ toạ độ địa diện. Trong trắc địa công trình, phạm vi thi công của các công trình thường nhỏ và địa hình tương đối bằng phẳng, nên có thể bỏ qua số hiệu chỉnh do độ lệch dây dọi. Khi đó giá trị z của các điểm tính chuyển sẽ là độ cao của các điểm đó trong hệ toạ độ địa diện, tức là độ cao các điểm so với độ cao trung bình của khu vực( hoặc so với mặt phẳng chiếu đã lựa chọn khi thiết kế công trình). Trong hệ toạ độ địa diện chênh cao của các điểm khống chế so với mặt chiếu đã được giảm đi rất nhiều.
Mặt khác, khi độ cao các điểm khống chế so với mặt chiếu không vượt quá 32m, trong trường hợp này sai số do phép chiếu của các cạnh đo về mặt chiếu sẽ không vượt quá 1/200000 và có thể bỏ qua. Khi đó chúng ta có thể các điểm của lưới khống chế thi công cùng nằm trên mặt phẳng chiếu.
Bước 4: Dựa vào các điểm song trùng trong hệ toạ độ thi công, tính các tham số tính chuyển theo phép tính chuyển giữa hai hệ toạ độ vuông góc phẳng ( phép tính chuyển Helmert) theo công thức từ (2.15) đến (2.22).
Bước 5: Tính toạ độ cho các điểm đo GPS còn lại trong hệ toạ độ thi công theo các tham số tính chuyển ở mục (4).
Thuật toán và trình tự tính chuyển theo quy trình trên đã được lập trình thành chương trình tính toán. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN 77 ( phụ lục)
3.2.4 Tính toán thực nghiệm
Để đánh giá mức độ tin cậy của phương pháp tính chuyển các điểm đo GPS về hệ toạ độ thi công tôi tiến hành tính chuyển đối với lưới khống chế thi công khu công nghiệp Yên Phong (Bắc Ninh). Sơ đồ lưới như hình vẽ (hình 3.2).
Bản đồ địa hình dùng để thiết kế khu công nghiệp Yên Phong được thành lập dựa vào lưới khống chế thành lập trong giai đoạn khảo sát ( hệ toạ độ VN2000, múi chiếu 30, kinh tuyến trục 105030’) với 2 điểm định vị là IV- 15 và IV- 16.
Trong giai đoạn thi công, người ta đã sử dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế thi công bao gồm 18 điểm trong hệ toạ độ VN2000, múi 30, kinh tuyến trục 105008’. Để phù hợp với hệ toạ độ thiết kế công trình, đơn vị thi công đã tiến hành tính chuyển toạ độ các điểm đo GPS từ khu vực có kinh tuyến trục 105008’ hệ toạ độ VN2000 Ellipxoid WGS 84, lưới chiếu UTM về khu vực có kinh tuyến trục 105030’, múi chiếu 30 bằng phần mềm
Hình 3.3Lưới GPS khu công nghiệp Yên Phong – Bắc Ninh
YP2 YP1
104511
IV-14
YP7 IV-YP4
YP3 YP4 YP5 YP6 IV-16 IV-15 IV-YP3 YP8 YP9 YP10 YP11 YP12 IV-YP2 IV-YP1
Geotool của Bộ Tài Nguyên Môi trường và đo lại tất cả các cạnh của lưới bằng máy Toàn đạc điện tử TCR - 303.
Bảng 3: Toạ độ các điểm đo GPS trên kinh tuyến 105030’
(trước khi tính chuyển)
Số TT Tên điểm X(m) Y(m)
1 104511 2345742.250 550095.739 2 105486 2343045.007 552883.025 3 IV14 2345912.888 550834.734 4 IV15 2344375.319 551780.890 5 IV16 2344662.770 551279.180 6 IVYP1 2343442.276 552726.462 7 IVIP2 2343792.718 552356.510 8 IVYP3 2345352.691 551102.448 9 YP-01 2345558.569 549920.372 10 YP-02 2345308.288 549634.047 11 YP-03 2344947.767 549737.296 12 YP-04 2344905.533 550106.462 13 YP-05 2344886.251 550272.613 14 YP-06 2344813.265 550797.272 15 YP-07 2345459.307 550399.422 16 YP-08 2345267.399 551381.897 17 YP-09 2345171.892 551701.792 18 YP-10 2344821.579 551992.610 19 YP-11 2344705.435 552338.966 20 YP-12 2344279.283 552342.122
Tuy nhiên không thể sử dụng toạ độ các điểm đo GPS để phát triển lưới cấp thấp và bố trí công trình được do sự biến dạng về chiều dài cạnh của lưới
GPS so với chiều dài cạnh đo trực tiếp trên mặt đất bằng máy Toàn đạc điện tử. So sánh kết quả giữa 2 cách (bảng 4).
Bảng 4: So sánh chiều dài cạnh theo phương án chưa tính chuyển
Cạnh đo S đo bằng máy TC- 303 (m) S tính trong kinh tuyến 105030’(m) Sai khác (mm) Điểm đầu Điểm cuối
YP5 YP6 529.745 529.711 34.0 YP5 YP7 586.956 586.918 38.0 YP7 IV-YP4 711.104 711.064 40.0 YP7 IV-14 628.722 628.675 47.0 YP7 105511 415.088 415.066 22.0 YP1 YP2 380.337 380.292 45.0 YP2 YP3 375.042 375.014 28.0 YP3 105511 871.653 871.598 55.0 YP6 YP8 740.345 740.286 59.0 YP8 IV-14 846.265 846.193 72.0 YP9 YP10 455.311 455.295 16.0 YP11 YP12 426.188 426.163 25.0 YP6 IV-16 504.881 504.860 21.0 YP9 IV-16 661.701 661.669 32.0
Từ kết quả so sánh ở bảng 1 cho thấy sự sai khác về chiều dài giữa các cạnh được tính từ toạ độ đo GPS và chiều dài đo trực tiếp trên mặt đất là khá lớn. Trong lưới đặc biệt có cạnh YP8 - IV14 sai khác giữa cạnh đo bằng máy TCR- 303 và cạnh tính trong múi 105030’ sai khác tới 72 mm. Sự sai khác này sẽ làm cho lưới khống chế thi công không đáp ứng được độ chính xác cần thiết khi bố trí công trình.
Vì vậy tôi đã sử dụng quy trình tính chuyển đã nêu trên và theo chương trình máy tính được thành lập tôi đã tiến hành tính chuyển các điểm đo GPS
của lưới khống chế thi công về hệ toạ độ thi công công trình. Sau khi tính chuyển toạ độ các điểm đo GPS về hệ toạ độ thi công được định vị bằng 2 điểm IV- 15 và IV-16 ta có toạ độ các điểm lưới khống chế thi công trong hệ toạ độ thi công công trình và chiều dài các cạnh của lưới so với chiều dài đo trực tiếp trên mặt đất bằng máy toàn đạc điện tử TCR-303.
Bảng 5: Toạ độ GPS sau khi tính chuyển
Số TT Tên điểm X(m) Y(m)
1 104511 2345742.169 550095.529 2 105486 2343044.856 552882.995 3 IV14 2345912.936 550834.589 4 IV15 2344375.319 551780.890 5 IV16 2344662.784 551279.156 6 IVYP1 2343442.17 552726.457 7 IVIP2 2343792.672 552356.516 8 IVYP3 2345352.721 551102.368 9 YP-01 2345558.452 549920.172 10 YP-02 2345308.089 549633.868 11 YP-03 2344947.570 549737.162 12 YP-04 2344905.421 550106.365 13 YP-05 2344886.16 550272.519 14 YP-06 2344813.241 550797.214 15 YP-07 2345459.266 550399.274 16 YP-08 2345267.448 551381.852 17 YP-09 2345171.933 551701.769 18 YP-10 2344821.602 551992.614 19 YP-11 2344705.427 552338.983 20 YP-12 2344279.260 552342.137
Bảng 6: So sánh chiều dài cạnh sau khi tính chuyển
Cạnh đo S đo bằng máy TC- 303 (m)
S tính trong kinh tuyến 105030’(m)
Sai khác (mm) Điểm đầu Điểm cuối
YP5 YP6 529.745 529.737 8.0 YP5 YP7 586.956 586.955 1.0 YP7 IV-YP4 711.104 711.122 -18.0 YP7 IV-14 628.722 628.741 -19.0 YP7 105511 415.088 415.084 4.0 YP1 YP2 380.337 380.331 6.0 YP2 YP3 375.042 375.024 18.0 YP3 105511 871.653 871.673 -20.0 YP6 YP8 740.345 740.341 4.0 YP8 IV-14 846.265 846.258 7.0 YP9 YP10 455.311 455.326 -15.0 YP11 YP12 426.188 426.178 10.0 YP6 IV-16 504.881 504.890 -9.0 YP9 IV-16 661.701 661.690 11.0
Kết quả sai số chiều dài cạnh của lưới GPS sau khi tính chuyển cho thấy: sự biến dạng về chiều dài đã giảm đi đáng kể (sai khác lớn nhất là 20mm và nhỏ nhất là 1mm). Sự sai khác này sẽ đảm bảo được tính chất quan trọng là biến dạng chiều dài các cạnh lưới khống chế thi công so với chiều dài thực trên mặt đất nằm trong hạn sai cho phép.
Như vậy bằng giải pháp tính chuyển toạ độ đã đáp ứng được 2 yêu cầu cần thiết của lưới khống chế thi công: đó là sự đồng nhất giữa hệ toạ độ thiết kế và hệ toạ độ thi công công trình mà vẫn đảm bảo được sự biến dạng của chiều dài cạnh nằm trong giới hạn cho phép nhằm đảm bảo độ chính xác bố trí công trình. Đây cũng chính là hiệu quả của giải pháp tính chuyển toạ độ các điểm đo GPS về hệ toạ độ thi công công trình.