Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Nghiên cứu bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ thống tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời áp dụng cho mạng lưới trắc địa công trình
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ -ðỊA CHẤT
LÊ VĂN HÙNG
NGHIÊN CỨU BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ
TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ VUÔNG GÓC
KHÔNG GIAN ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI ÁP DỤNG
CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ -ðỊA CHẤT
LÊ VĂN HÙNG
NGHIÊN CỨU BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ
TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ VUÔNG GÓC
KHÔNG GIAN ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI ÁP DỤNG
CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH
Ngành: Kỹ thuật Trắc ñịa – Bản ñồ
Mã số : 62520503
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1: PGS.TS ðặng Nam Chinh
2: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc
HÀ NỘI - 2014
i
LỜI CAM ðOAN
Tôi cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân
tôi. Các số liệu tính toán và kết quả nghiên cứu trình bày trong Luận
án là trung thực và chưa từng ñược công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả luận án
Lê Văn Hùng
ii
MỤC LỤC
Lời cam ñoan………………………………………………………….. i
Mục lục……..…………………………………………………………. ii
Danh mục các chữ viết tắt…………. ………………………………… vi
Danh mục các bảng……….………………………………………....... vii
Danh mục các hình vẽ………..……………………………………….. ix
MỞ ðẦU …………………………………………………………....... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS
TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH VÀ VẤN ðỀ
BÌNH SAI LƯỚI GPS………………………………………………….. 7
1.1. Các phương pháp thành lập lưới trắc ñịa công trình 7
1.1.1. Nhóm các phương pháp ño mặt ñất……………………… 8
1.1.2. Phương pháp ño GPS……………………………………. 9
1.1.3. Kết hợp giữa phương pháp ño GPS và phương pháp ño
mặt ñất…………………………………………………………………. 10
1.2. Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới
trắc ñịa công trình………………………………………….…………... 11
1.2.1. Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa
công trình ở nước ngoài…………………………………... 11
1.2.2. Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa
công trình ở Việt Nam …………………….……............... 13
1.3. Tổng quan về xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong
trắc ñịa công trình…………...………………………………………… 16
1.3.1. Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa
công trình ở nước ngoài..................................................................... 16
1.3.2. Xử lý số liệu GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong trắc ñịa
công trình ở Việt Nam....................................................................... 19
iii
1.4. Các phần mềm bình sai lưới trắc ñịa ở nước ngoài…………… 21
1.4.1. Phần mềm STAR*NET v.7.1………………..................... 21
1.4.2. Phần mềm MOVE3 v.4.0.2……………..................…...... 23
1.4.3. Phần mềm COLUMBUS v.3.8……………..................…. 24
Chương 2. HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI VÀ KHẢ NĂNG
SỬ DỤNG TRONG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH………………………. 28
2.1. Yêu cầu về hệ quy chiếu ñối với lưới không chế mặt phẳng
trắc ñịa công trình……………………………………………... 28
2.1.1. Số hiệu chỉnh do chiếu về mặt phẳng …………………… 28
2.1.2. Số hiệu chỉnh do ñộ cao so với mặt Ellipsoid quy chiếu... 32
2.2. Hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……...…………………………... 33
2.2.1. Thiết lập hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời……………………. 33
2.2.2. Tính ñổi và tính chuyển tọa ñộ……..……………………. 36
2.2.3. Phương án ño nối tọa ñộ và ñộ cao Quốc gia vào lưới
trắc ñịa công trình………………………………………… 47
2.3. Xác ñịnh giới hạn sử dụng của hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời
trong trắc ñịa công trình……………………………………… 50
2.3.1. Cơ sở lý thuyết…………………………………………... 50
2.3.2. Xác ñịnh bán kính khu vực sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện
chân trời…………………………………………………... 51
2.3.3. Khảo sát biến dạng góc ngang…………………………… 57
2.3.4. Tính phạm vi khu ño theo giới hạn biến dạng góc ngang.. 59
2.3.5. Nhận xét…………………….…………………………… 60
2.4. Sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời thay thế phép chiếu
UTM trong trắc ñịa công trình dân dụng và công nghiệp…………….. 61
2.4.1. So sánh lưới chiếu phẳng UTM với hệ tọa ñộ ñịa diện
chân trời……………………………………………………………….. 61
iv
2.4.2. Ưu nhược ñiểm khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời.. 63
2.4.3. Những lưu ý khi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời ….. 63
Chương 3. BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO GPS VÀ TRỊ ðO MẶT
ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN CHÂN TRỜI………………... 65
3.1. Trị ño trong lưới GPS...……………………………………….. 65
3.1.1. Véc tơ cạnh và tác dụng của ma trận hiệp phương sai
trong bình sai lưới GPS ……............................................. 65
3.1.2. Kiểm tra sai số khép trong lưới GPS................................. 73
3.2. Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa
tâm……...................................................................................... 74
3.2.1. Khái quát chung…………………………………………. 74
3.2.2. Thuật toán bình sai gián tiếp lưới GPS trong hệ tọa ñộ
vuông góc không gian ñịa tâm………………………........ 74
3.3. Bình sai lưới GPS kết hợp trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa
diện chân trời…………………….............................................. 76
3.3.1. Bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…… 76
3.3.2. Bình sai lưới GPS kết hợp với trị ño mặt ñất trong hệ tọa
ñộ ñịa diện chân trời……………………………………... 82
3.3.3. Khả năng ứng dụng phép lọc Kalman trong bình sai kết
hợp (chia nhiều giai ñoạn)……………………………….. 88
3.3.4. Bình sai kết hợp lưới không gian và lưới mặt ñất……….. 94
Chương 4. XÂY DỰNG PHẦN MỀM BÌNH SAI KẾT HỢP TRỊ ðO
GPS VÀ TRỊ ðO MẶT ðẤT TRONG HỆ TỌA ðỘ ðỊA DIỆN
CHÂN TRỜI…………………………………………………………... 96
4.1. Chương trình bình sai kết hợp………………………………. 96
4.1.1. Quy trình bình sai lưới GPS kết hợp các trị ño góc cạnh
trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời........................................................... 96
v
4.1.2. Sơ ñồ khối.......................................................................... 99
4.2. Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt
ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời…………………………………. 101
4.2.1. Ngôn ngữ lập trình.............................................................. 101
4.2.2. Xây dựng phần mềm.......................................................... 101
4.3. Tính toán thực nghiệm…………...…………………………… 106
4.3.1. Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị ño mặt
ñất công trình nhà máy lọc dầu Dung Quất …………………………... 106
4.3.2. Thực nghiệm bình sai mạng lưới GPS kết hợp trị ño mặt
ñất công trình nhà máy xi măng Thái Nguyên ……………………….. 110
4.3.3. Nhận xét chung............................................................ 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………... 116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ…. 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………. 119
PHỤ LỤC 1…………………………………………………………… 127
PHỤ LỤC 2…………………………………………………………… 129
PHỤ LỤC 3…………………………………………………………… 131
PHỤ LỤC 4…………………………………………………………… 133
PHỤ LỤC 5…………………………………………………………… 138
PHỤ LỤC 6…………………………………………………………… 144
PHỤ LỤC 7…………………………………………………………… 150
PHỤ LỤC 8…………………………………………………………… 158
PHỤ LỤC 9…………………………………………………………… 160
PHỤ LỤC 10………………………………………………………… 162
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT Chữ viết tắt Ý nghĩa
1 GPS Global Positioning System
2 GNSS Global Navigation Satellite Systems
3 Hệ ñịa tâm Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm
4 Hệ ñịa diện Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời
5 IGS The International GNSS Service
6 ITRF The International Terrestrial Reference Frame
7 NMXM Nhà máy xi măng
8 KCN Khu công nghiệp
9 TðCT Trắc ñịa công trình
10 TððT Toàn ñạc ñiện tử
11 SSTPðVTS Sai số trung phương ñơn vị trọng số
12 SSTP Sai số trung phương
13 UTM Universal Transverse Mercator
14 VLBI Very long baseline interferometry
15 WGS-84 World Geodetic System 84
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng Tên bảng Trang
1.1 Một số máy TððT chính xác (sử dụng ñể ño các lưới
khống chế mặt bằng) 7
1.2 Một số máy TððT ñộ chính xác cao (sử dụng ñể ño các
lưới khống chế có ñộ chính xác cao và quan trắc biến dạng
công trình) 8
2.1 Bảng biến dạng chiều dài khi chiếu cạnh từ mặt ñất về mặt
Ellipsoid
32
2.2 Số liệu tọa ñộ trắc ñịa ban ñầu 39
2.3 Số liệu tọa ñộ ñịa diện ban ñầu 44
2.4 Tọa ñộ trắc ñịa B,L H của các ñiểm xét 57
2.5 Tọa ñộ ñiểm quy chiếu G của hệ ñịa diện trong các phương
án 58
2.6 Giá trị biến dạng góc ngang β
δ và số cải chính biến
dạng∆β 58
2.7 Giá trị biến dạng góc khi sử dụng hệ ñịa diện 60
3.1 Một số ñặc trưng kỹ thuật của các mạng lưới khảo sát 69
3.2 Các yếu tố sau bình sai lưới theo 3 phương án trọng số 70
3.3 Sai khác lớn nhất về tọa ñộ và kết quả ñánh giá ñộ chính
xác 71
3.4 Các yếu tố sau bình sai lưới theo 3 phương án trọng số 71
3.5 Sai khác lớn nhất về tọa ñộ và kết quả ñánh giá ñộ chính
xác 71
3.6 Sai số khép giới hạn trong vòng khép GPS 74
4.1 So sánh sai số vị trí ñiểm mạng lưới nhà máy lọc dầu Dung
Quất 107
viii
4.2 So sánh tọa ñộ trắc ñịa giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey
2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy nhà máy lọc dầu
Dung Quất 108
4.3 So sánh sai số trung phương vị trí ñiểm giữa ba phần mềm
TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy
nhà máy lọc dầu Dung Quất 109
4.4 So sánh sai số tương ñối cạnh mạng lưới NMXM Thái
Nguyên 111
4.5 So sánh tọa ñộ trắc ñịa giữa ba phần mềm TBC, GPSurvey
2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy NMXM Thái
Nguyên 113
4.6 So sánh sai số trung phương vị trí ñiểm giữa ba phần mềm
TBC, GPSurvey 2.35 và ADGT mạng lưới GPS thuần túy
NMXM Thái Nguyên 114
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ Tên hình vẽ Trang
1.1 So sánh sai số ño chiều dài bằng GPS và TððT 10
1.2 ðập thủy ñiện Geheyan 12
1.3 ðập thủy ñiện Tam Hiệp 12
1.4 Mốc theo dõi chuyển dịch NMXM Cẩm Phả 15
1.5
Giao diện chính và giao diện nhập dữ liệu của
STAR*NET
22
1.6 Hiển thị các véc tơ cạnh cùng sơ ñồ lưới GPS 22
1.7 Giao diện các lựa chọn tổng quát của MOVE3 23
1.8 Cửa sổ nhập số liệu trị ño GPS và TððT 24
1.9 Giao diện phần mềm COLUMBUS 25
2.1 Chiếu cạnh ño lên mặt ellipsoid 29
2.2 Phạm vi biến dạng do phép chiếu Gauss-Kruger 29
2.3 Phạm vi biến dạng do phép chiếu UTM múi chiếu 30
30
2.4 Phạm vi biến dạng do phép chiếu UTM múi chiếu 60
30
2.5 Hệ tọa ñộ ñịa diện 34
2.6 Xét dấu của hệ tọa ñộ ñịa diện 35
2.7 Lưới chiếu phương vị nghiêng 35
2.8 Phép chiếu trực giao 35
2.9 Chuyển ñổi toạ ñộ Helmert 46
2.10 Các lựa chọn trong thiết lập hệ ñịa diện 51
2.11 Xét biến dạng chiều dài cạnh trên mặt phẳng chân trời 53
x
2.12 Tính số cải chính biến dạng góc ngang 55
2.13 Sơ ñồ khảo sát biến dạng góc ngang 57
2.14
Bản ñồ tỉnh Thanh Hóa và vị trí kinh tuyến trung ương
(Lo=105o
)
62
3.1 Lưới KCN Dung Quất 70
3.2 Lưới NMXM Bút Sơn 70
3.3 Sơ ñồ cạnh ño 84
3.4 Ellip sai số vị trí ñiểm 87
3.5 Sơ ñồ lưới không gian 3D kết hợp với lưới mặt ñất 2D 94
4.1 Sơ ñồ khối cho chương trình máy tính 100
4.2 Giao diện quản lý tệp tin 102
4.3 Giao diện biên tập kết quả xử lý cạnh GPS 102
4.4 Giao diện chương trình bình sai kết hợp 104
4.5 Giao diện xuất file kết quả 105
4.6 Giao diện chuyển ñổi tọa ñộ 105
4.7 Nhà máy lọc dầu Dung Quất 106
4.8
Sơ ñồ mạng lưới GPS kết hợp trị ño góc cạnh Nhà máy
lọc dầu Dung Quất
107
4.9 Nhà máy xi măng Thái Nguyên 110
4.10 Mạng lưới ño GPS MNXM Thái Nguyên 110
4.11
Mạng lưới GPS kết hợp các trị ño góc cạnh MNXM
Thái Nguyên
111
1
MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Công nghệ GPS ñược ứng dụng trong trắc ñịa không chỉ là sự thay ñổi
quan trọng trong công nghệ ño ñạc mà còn dẫn ñến sự thay ñổi trong phương
pháp xử lý kết quả ño, ñó là phương pháp bình sai lưới tọa ñộ trong không
gian 3 chiều (3D) sử dụng các véc tơ cạnh ño thay cho bình sai trên mặt
phẳng (2D) sử dụng các trị ño góc - cạnh truyền thống, ñã ñược áp dụng từ
nhiều thế kỷ trước ñây.
Ở Việt Nam, công nghệ GPS ñã ñược khai thác sử dụng trong công tác
trắc ñịa và bản ñồ từ ñầu những năm 90 của thế kỷ XX. Trong lĩnh vực TðCT
công nghệ GPS cũng ñã ứng dụng từ những năm cuối thế kỷ XX trở lại ñây.
Năm 1999, bằng công nghệ GPS, chúng ta ñã xây dựng mạng lưới TðCT
hầm ñường bộ xuyên ñèo Hải Vân (dài trên 6 km), nhờ ñó sai số ñào hầm ñối
hướng ñạt ñược là 2,5 cm. Mạng lưới cơ sở TðCT của KCN Dung Quất ñược
xây dựng bằng công nghệ GPS (6/2001). Tháng 5 năm 2005, mạng lưới
khống chế công trình hầm thủy ñiện A-Vương (dài trên 4 km) cũng ñược xây
dựng bằng công nghệ GPS, nhờ ñó sai số ñào hầm ñối hướng cũng không
vượt quá 5 cm. Ngoài ra còn nhiều mạng lưới TðCT phục vụ xây dựng các
NMXM cũng ñược ño bằng công nghệ GPS, như lưới trắc ñịa công trình
NMXM Nghi Sơn (3/2000), NMXM Thái Nguyên (2/2006), NMXM Bút Sơn
(4/2008), NMXM Cẩm Phả (2008).
Một ñặc ñiểm chung của các mạng lưới sử dụng trong TðCT ñược ño
bằng công nghệ GPS là chiều dài cạnh không quá lớn. Chính vì thế, trong
nhiều trường hợp các ñiểm lưới công trình lại có khả năng thông hướng với
nhau. Trong trường hợp này, những người làm công tác TðCT thường ño
thêm chiều dài cạnh hoặc góc ngang bằng TððT và xử lý cùng với các trị ño
GPS ñể nhận ñược một kết cấu lưới vững chắc, cho ñộ chính xác cao về vị trí
tương hỗ giữa các ñiểm trong lưới.
2
Ngoài ra có trường hợp, một số ñiểm trong lưới không thuận tiện cho
ño GPS, trong trường hợp này cần ño thêm chiều dài cạnh và góc ñể xác ñịnh
ñược tọa ñộ của các ñiểm ñó. Có trường hợp cần kết nối giữa hai mạng lưới
mặt ñất mà không thể dùng các thiết bị ño góc - cạnh thông dụng thì việc sử
dụng công nghệ GPS ñể liên kết các mạng lưới mặt ñất là giải pháp khả thi
nhất. Do ñó việc kết hợp cả 2 phương pháp (ño mặt ñất và công nghệ GPS) ñể
thành lập lưới thì chắc chắn sẽ phát huy ñược ưu ñiểm và khắc phục ñược
những mặt hạn chế của mỗi phương pháp, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ
thuật trong công tác xây dựng lưới TðCT.
Ở khoảng cách ngắn, ñộ chính xác của ña số các máy TððT phổ biến
cho ñộ chính xác ño chiều dài trong khoảng từ 3 mm ñến 5 mm. Như vậy là
tương ñương với ñộ chính xác ño cạnh bằng GPS. Vấn ñề xử lý bình sai ñồng
thời các véc tơ cạnh GPS (Baselines) với cạnh ño bằng TððT là một nhu cầu
thực tế ñược ñặt ra. Trước ñây, những người làm công tác xử lý số liệu GPS
có thể sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35 ñể bình sai kết hợp trị ño GPS với
các trị ño mặt ñất, mặc dù các thủ tục ñể bình sai chung cũng khá phức tạp.
Nhưng từ ngày 14 tháng 9 năm 2011 phần mềm trên ñã hết hạn, không còn
ñược sử dụng.
Vấn ñề nghiên cứu lựa chọn hệ tọa ñộ có thể sử dụng trong giới hạn
nhất ñịnh ñể làm hệ tọa ñộ cơ sở cho công tác trắc ñịa công trình cùng với
nghiên cứu thuật toán và xây dựng quy trình bình sai lưới GPS có sử dụng
thêm các trị ño mặt ñất là hết sức cần thiết trong ñiều kiện chúng ta chưa chủ
ñộng xây dựng ñược phần mềm xử lý số liệu GPS. Kết quả nghiên cứu sẽ là
những ñề xuất góp phần hoàn thiện các quy ñịnh kỹ thuật trong công tác lựa
chọn hệ tọa ñộ cũng như phương pháp xử lý số liệu trong công tác trắc ñịa
công trình ở Việt Nam.
Vấn ñề trên cũng chính mục tiêu nghiên cứu của luận án. ðể giải quyết
3
nội dung nghiên cứu, tác giả ñã tham khảo, tìm hiểu các công trình khoa học
có nội dung liên quan tới tên ñề tài mà các tác giả khác ở trong và ngoài nước
ñã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và trên mạng thông tin toàn cầu
Internet. Nhờ các công trình ñó, sẽ có ñược cái nhìn tổng quan về hiện trạng
của vấn ñề nghiên cứu, từ ñó sẽ có ñược ñịnh hướng ñúng ñắn cho các nghiên
cứu tiếp theo ñể ñạt ñược mục tiêu như mong muốn.
2. Mục ñích, ñối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu phương pháp thiết lập hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời tại vị trí trung
tâm công trình, hoàn thiện quy trình tính chuyển, tính ñổi giữa hệ tọa ñộ ñịa
diện với các hệ tọa ñộ thường dùng khác.
- Xác ñịnh phạm vi sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời cho các mạng lưới
TðCT dân dụng và công nghiệp.
- Hoàn thiện cơ sở lý thuyết và ñề xuất quy trình bình sai chặt chẽ kết hợp
giữa trị ño GPS và trị ño mặt ñất.
- Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt ñất có tính
ứng dụng cao trong ñiều kiện Việt Nam.
- ðánh giá ñộ xác thực và tin cậy của phần mềm.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu tổng quan công nghệ GPS và TððT ñể thành lập lưới khống
chế TðCT;
- Nghiên cứu hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời; Tính ñổi tọa ñộ giữa hệ tọa ñộ ñịa
diện chân trời với hệ tọa ñộ trắc ñịa và hệ tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép
chiếu UTM.
- Xác ñịnh giới hạn sử dụng hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời trong TðCT;
- Vấn ñề tính trọng số trị ño tương quan trong bình sai lưới GPS;
- Nghiên cứu về bình sai lưới GPS trong hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa
tâm (X,Y,Z), hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời;