Thành lập chương trình BSHH V1.0 bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất - GPS trong hệ tọa độ phẳng

Nội dung text: Thành lập chương trình BSHH V1.0 bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất - GPS trong hệ tọa độ phẳng

1. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA THÀNH LẬP CHƯƠNG TRÌNH BSHH V1.0 BÌNH SAI HỖN HỢP LƯỚI TRẮC ĐỊA MẶT ĐẤT - GPS TRONG HỆ TỌA ĐỘ PHẲNG KS. NGUYỄN VĂN XUÂN Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bình sai lưới khống chế trắc địa là công liệu và tính ra tọa độ, độ cao của các điểm theo một việc khá phức tạp và có khối lượng tính toán lớn. Với hệ thống toạ độ thống nhất. sự phát triển của công nghệ GPS việc xây dựng mạng Mỗi quốc gia đều xây dựng mạng lưới trắc địa cơ lưới khống chế trắc địa kết hợp giữa công nghệ truyền bản thống nhất trong một hệ quy chiếu với một gốc thống với công nghệ GPS cho phép nâng cao độ chính tọa độ và độ cao. Lưới trắc địa Việt Nam sử dụng từ xác, rút ngắn thời gian xây dựng lưới, đồng thời tận trước cho đến năm 2000 đã dùng Elipxoid Kraxovski dụng được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm và dùng phép chiếu toạ độ phẳng Gauss. Gốc độ cao của từng công nghệ. Từ đó đặt ra một vấn đề cấp thiết tính theo mực nước biển trung bình ở vùng biển Đồ là phải xây dựng các phương pháp hiệu quả để tự Sơn, Hải Phòng. Từ tháng 8 năm 2000 nước ta sử động hóa xử lý, tính toán, bình sai mạng lưới hỗn hợp dụng hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN-2000, trong đó các trị đo mặt đất – GPS. Từ nhu cầu thực tế tại đơn dùng Ellipsoid quốc tế WGS-84, điểm gốc tọa độ quốc gia có số hiệu N00 đặt trong khuôn viên của Viện vị sản xuất, để tự động hóa quá trình xử lý, bình sai Khoa học Đo đạc Bản đồ, đường Hoàng Quốc Việt, dạng lưới này, tác giả đã sử dụng ngôn ngữ lập trình Hà Nội và lưới chiếu toạ độ phẳng UTM. Visual Basic để thành lập chương trình bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất – GPS trong hệ tọa độ 1.2 Lưới khống chế hỗn hợp các trị đo mặt đất – phẳng. GPS Từ khóa: Trị đo mặt đất, Baseline, GPS, bình sai Lưới hỗn hợp các trị đo mặt đất – GPS là dạng lưới khống chế gồm các trị đo mặt đất (góc đo, cạnh hỗn hợp. đo và phương vị đo) và các trị đo GPS (các Baseline 1. Tổng quan về lưới khống chế hỗn hợp các trị đo). đo mặt đất - GPS Dạng lưới hỗn hợp các trị đo mặt đất - GPS là 1.1 Khái niệm chung về lưới khống chế trắc địa dạng lưới có đồ hình khá linh hoạt, việc đo hỗn hợp các trị đo mặt đất và trị đo GPS làm tăng độ chính xác Hệ thống các điểm cơ sở trắc địa hay mạng lưới của lưới đồng thời tận dụng được ưu điểm của từng khống chế trắc địa là hệ thống các điểm được chọn phương pháp đo và khắc phục nhược điểm của mỗi và đánh dấu mốc vững chắc trên mặt đất, chúng phương pháp. được liên kết với nhau bởi các trị đo tạo thành mạng lưới. Tiến hành đo đạc các yếu tố cần thiết, xử lý số Dưới đây là một số dạng đồ hình lưới: 52 B 62 4 C2 B2 3 82 72 42 B1 21 A 2 5 11 32 92 8 31 12 22 A1 41 102 61 1 A2 6 7 51 Hình 1. Trị đo GPS liên kết 2 mảng lưới mặt bằng Hình 2. Lưới tam giác đo góc kết hợp trị đo GPS Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 53
2. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 8 B 9 7 Ghi chú: hướng của các trị đo mặt đất A 5 1 2 4 các trị đo GPS 6 C 3 D Hình 3. Lưới đa giác kết hợp trị đo GPS 2. Thuật toán bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất - GPS ∆Y, ∆Z. Vì vậy để tính chuyển ∆X, ∆Y của các 2.1 Tính chuyển các baseline và ma trận hiệp baseline trong hệ tọa không gian địa tâm về ∆x, ∆y phương sai về hệ tọa độ phẳng trong hệ tọa độ phẳng có thể được tính toán theo các bước sau: Từ kết quả đo GPS tiến hành xử lý cạnh bằng các phần mềm xử lý số liệu GPS của hãng Trimble như Bước 1: Tính chuyển tọa độ điểm đầu và điểm TBC, TGO, Trong kết quả giải cạnh luôn có sự phù cuối các baseline từ hệ tọa độ trắc địa (B, L) về hệ tọa hợp giữa ∆B = B2– B1, ∆L = L2–L1, ∆H = H2–H1với ∆X, độ vuông góc phẳng (x,y) theo các công thức sau [1]: 2 4 l l 3 2 2 x K0 X0 N.sinB.cosB NsinB.cos B.(4  t ) 2 24 6 l 5 4 2 3 2 2 2 N.SinB.cos B.{8 (11 24t ) 28 (1 6t )  (1 32t ) (1) 720 8 2 4 l 7 2 4 6 (2t ) t } N.sinB.cos B.(1385 3111t 543t t ) 40320 3 5 l 3 2 l 5 3 2 y K 0 l.N cosB N.cos B.( t ) N.cos B.{4 (1 6t ) 6 120 7 (2) 2 2 4 l 7 2 4 6  (1 8t ) 2 t t } N.Cos B.(61 479t 179t t ) 5040 trong đó: x xc xd   (3) X - chiều dài cung kinh tuyến từ xích đạo đến độ 0 y yc yd  vĩ B; Trong đó (xd, yd), (xc, yc) là tọa độ vuông góc l = L - L0, với L0 - độ kinh của kinh tuyến trung phẳng của điểm đầu và điểm cuối baseline được tính ương. chuyển (B, L) theo các công thức (1), (2). Đối với các gia số toạ độ phẳng x, y được tính t = tgB chuyển từ các trị đo GPS là các baseline, trọng số N 1 e 2 sin 2 B a ; được tính từ ma trận tương quan Q r tính chuyển từ  2 N M 1 e 1 e 2 sin 2 B ma trận hiệp phương sai của các trị đo X, Y trong công nghệ GPS. Với C = 1 ta có: K0 - tỷ lệ biến dạng trên kinh tuyến trung ương. -1 Với phép chiếu Gauss-Kriuger K0=1; với phép chiếu P r = Q r (4) UTM múi chiếu 6 độ K0=0.9996; với phép chiếu UTM Ma trận tương quan Q r được tính chuyển từ ma múi chiếu 3 độ K0=0.9999. trận hiệp phương sai của các trị đo X, Y, Z trong Bước 2: Tính gia số tọa độ phẳng của các công nghệ GPS theo công thức sau [2]: T baseline: Q r = C.KXYZ.C (5) 54 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
3. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA M Mi - ma trận hiệp phương sai nhận được trong 1 kết quả giải cạnh GPS, là ma trận có kích thước 3x3 M1 trong đó: K (không phải là ma trận đường chéo); XYZ C - ma trận chuyển đổi vi phân toạ độ. M n D K T 1 1 T D2 K C 2 (6) T Dn Kn M sin B cos L sin B sin L cos B M H N T D ; K i sin L cos L 0 i N H 1 cos B cos L cos B sin L sin L S S S T Trong đó: B , L , H là độ vĩ trung bình, độ kinh Nếu ký hiệu r ( xij yij ) - vector gia trung bình, độ cao trắc địa trung bình của điểm đầu và số toạ độ phẳng của các điểm GPS. điểm cuối baseline. rS + CU + V = r(0) + Ar (7) Ta thấy rằng ma trận P có các giá trị ngoài r r - vector các số hiệu chỉnh toạ độ x, y các điểm đường chéo chính khác không. Điều này chứng tỏ trùng. các giá trị gia số toạ độ phẳng x, y tính chuyển từ (0) các baseline là các trị đo phụ thuộc (trị đo tương r - vector của gia số toạ độ tính theo toạ độ quan). gần đúng. T Việc đưa các giá trị gia số toạ độ phẳng x, y U = ( m) (8) vào bình sai với ma trận trọng số P r có thể lấy là ma Ma trận C được xác định từ các ma trận khối sau: trận đầy đủ các thành phần tương quan x, y ngoài Y X đường chéo hoặc chỉ các thành phần trên đường C (9) X Y chéo chính. Hiện nay các trị đo GPS được đo với độ Ma trận A được xác định từ các khối: chính xác cao nên ảnh hưởng của sự phụ thuộc các A = ( -E E ) (10) gia số toạ độ phẳng x, y tính từ trị đo GPS đến kết quả bình sai lưới mặt bằng là không đáng kể, có thể E2x2 - Ma trận đơn vị bỏ qua. Điều này có nghĩa là trọng số của các gia số V = Ar - CU + LS (11) toạ độ phẳng x, y tính từ các trị đo GPS khi đưa LS = ( r(0) - r) (12) vào bình sai hỗn hợp chỉ cần lấy 2 thành phần đầu tiên trên đường chéo chính của ma trận P r. Với ma trận trọng số là P r có được từ các trị đo baseline. 2.2 Bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất – GPS trong hệ tọa độ phẳng sử dụng gia số tọa độ Thành lập hệ phương trình số hiệu chỉnh với các phẳng x, y được tính chuyển từ các baseline trị đo mặt đất Khi sử dụng gia số tọa độ phẳng x, y được tính V = r + l; với ma trận trọng số là Pt (13) chuyển từ các baseline kết hợp với trị đo mặt đất, việc Giải (11) và (13) với điều kiện: bình sai hỗn hợp mạng lưới trắc địa mặt đất – GPS T T V P V V PV min (14) trong mô hình tọa độ phẳng được thực hiện như sau r t [2]: Chúng ta thành lập được hệ phương trình: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 55
4. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA T T T A P r A Rt A P r C r A P r L 0 (15) C TP C U C TP L r r 1 cạnh và phương vị) chúng ta cần có thêm phương Trọng số của các trị đo GPS: P r Q r Trọng số của các trị đo mặt trình số hiệu chỉnh các gia số toạ độ x, y với ma 1 1 1 trận trọng số P r được tính từ ma trận trọng số đảo đất: P ; P ; P .  2 S 2 2 của các trị đo GPS X, Y, Z. m mS m Trong trường hợp hệ tọa độ phẳng mặt đất và 3. Thành lập chương trình BSHH V1.0 bình sai hỗn GPS song song và cùng tỷ lệ (ví dụ hệ VN 2000 với hợp lưới trắc địa mặt đất – GPS trong hệ tọa độ lưới chiếu UTM), chúng ta có hệ phương trình chuẩn phẳng bằng ngôn ngữ lập trình VISUAL BASIC 6.0 như sau: 3.1 Cấu trúc chương trình bình sai hỗn hợp T T (A P A R )r A P L 0 (16) r t r Từ cơ sở lý thuyết đã trình bày ở trên, tác giả đưa Như vậy để tính toán bình sai, ngoài phương trình ra sơ đồ khối cho bài toán bình sai hỗn hợp lưới trắc số hiệu chỉnh các trị đo mặt đất (đối với các trị đo góc, địa mặt đất – GPS trong hệ tọa độ phẳng như sau: Trị đo GPS (baseline) Trị đo mặt đất (góc, cạnh, phương vị) Tính chuyển baseline thành Tính chuyển ma trận hiệp gia số tọa độ phẳng ( x, y) phương sai về hệ tọa độ phẳng Trị đo GPS trong hệ tọa độ phẳng Bình sai hỗn hợp các trị đo mặt đất và trị đo GPS trong hệ tọ a độ phẳng Hình 4. Sơ đồ khối của chương trình Chương trình bình sai gồm 2 modul: Modul 1 - Tính chuyển các baseline và ma trận hiệp phương sai về hệ toạ độ phẳng. Modul 2 - Bình sai hỗn hợp các trị đo mặt đất và trị đo GPS trong hệ tọa độ phẳng. 3.2 Thiết kế giao diện các Modul của chương trình Giao diện modul 1 - Tính chuyển các baseline và ma trận hiệp phương sai về hệ toạ độ phẳng. 56 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
5. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình 5. Giao diện modul 1 Giao diện modul 2 - Bình sai hỗn hợp các trị đo mặt đất và trị đo GPS trong hệ tọa độ phẳng. Hình 6. Giao diện chính modul 2 Ngoài giao diện chính, modul 2 còn có cửa sổ hiện thị kết quả bình sai và sơ đồ lưới. Hình 7. Cửa sổ hiển thị kết quả bình sai và sơ đồ lưới Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 57
6. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 4. Tính toán thực nghiệm Phần tính toán thực nghiệm trình bày kết quả bình sai lưới khống chế mặt bằng dự án khu khai thác sét tại xã Tràng An, huyện Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh. Lưới gồm 2 điểm gốc, 7 điểm cần xác định, đo 11 góc, 9 cạnh và 5 baseline được bình sai trong hệ tọa độ VN 2000, kinh tuyến trục 107045’, múi chiếu 3 độ. Kết quả tính chuyển các baseline và ma trận hiệp phương sai về hệ tọa độ phẳng I. Cac chi tieu ky thuat: 1. So Baseline tinh chuyen : 5 2. Tinh chuyen ve he thuc dung : VN - 2000 + Phep chieu : UMT 3* + Kinh tuyen trung uong : 107 45 II. Bang ket qua tinh chuyen |===| | | Ten Baseline do | Trong he toa do KG | Trong he toa do phang | | S | | | | | | | T | | | dX(m) | dY(m) | dx(m) | dy(m) | | T |Diem dau |Diem cuoi| | | | | | Ma tran tuong quan trong he toa do phang | | | | 1 | DC6 | IV2 | 417.604 | 379.479 | 376.360 | 420.485 | | | | | | | | | | | | | 2.3231738E-06 -2.7731275E-07 1.4210786E-06 | | | | | -2.7731275E-07 7.7417036E-06 1.2399861E-05 | | | | | 1.4210786E-06 1.2399861E-05 2.8382483E-05 | |===| | 2 | IV1 | DC6 | -276.768 | -521.242 | -519.193 | -280.707 | | | | | | | | | | | | | 1.6366078E-06 -4.3431579E-07 9.0994055E-07 | | | | | -4.3431579E-07 4.7659981E-06 7.1831914E-06 | | | | | 9.0994055E-07 7.1831914E-06 1.7115401E-05 | |===| | | | | | | | | Kết quả bình sai hỗn hợp các trị đo mặt đất và trị đo GPS mặt đất trong hệ tọa độ phẳng TOA DO DIEM SAU BINH SAI VA SAI SO VI TRI DIEM |===| | STT |TEN DIEM | Xbs(m) | Ybs(m) | mX (m) | mY (m) | mP (m) | |===|===|===|===|===|===|===| | 1 | DC1 | 2335337.1598 | 375539.7190 | 0.0024 | 0.0030 | 0.0039 | | 2 | DC2 | 2335189.5797 | 375386.2081 | 0.0030 | 0.0029 | 0.0042 | | 3 | DC3 | 2335166.0946 | 375597.3658 | 0.0028 | 0.0033 | 0.0044 | | 4 | DC4 | 2335074.5568 | 375759.9890 | 0.0026 | 0.0027 | 0.0037 | | 5 | DC5 | 2334933.3885 | 375603.8326 | 0.0024 | 0.0030 | 0.0039 | | 6 | DC6 | 2334866.7482 | 375454.8771 | 0.0011 | 0.0018 | 0.0021 | | 7 | DC7 | 2334959.8272 | 375338.9441 | 0.0009 | 0.0013 | 0.0016 | |===| KET QUA DANH GIA DO CHINH XAC 1. Sai so trung phuong trong so don vi Mo = 1.46 2. Sai so vi tri diem + Lon nhat : (DC3) mP = 0.0044 m + Nho nhat : (DC7) mP = 0.0016 m 3. Sai so tuong doi canh + Lon nhat : (DC5 - DC6) Ms/S = 1:54084 + Nho nhat : (DC6 - DC7) Ms/S = 1:100211 4. Sai so Phuong vi + Lon nhat : (DC5 - DC6) Mpv = 2.55" + Nho nhat : (DC6 - DC7) Mpv = 1.77" 5. Sai so tuong ho diem + Lon nhat : (DC2 - DC3) Mth = 0.0041 m + Nho nhat : (DC6 - DC7) Mth = 0.0020 m 58 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
7. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 5. Kết luận bình sai dạng hỗn hợp trên máy tính. Chương trình BSHH V1.0 được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Việc xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa với Visual basic đáp ứng được nhu cầu này. sự kết hợp của các trị đo mặt đất (góc, cạnh, phương vị) và trị đo GPS đã tận dụng được ưu điểm của từng Tuy nhiên, bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất - phương pháp đo và khắc phục nhược điểm của mỗi GPS trong hệ tọa độ phẳng có nhược điểm là thuật phương pháp đồng thời có thể làm tăng độ chính xác toán bình sai 2D, không bình sai được độ cao của các của lưới. trị đo GPS. Bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất – GPS có TÀI LIỆU THAM KHẢO thể được thực hiện trong những mô hình khác nhau. 1. ĐỖ NGỌC ĐƯỜNG, ĐẶNG NAM CHINH, Công nghệ Một trong những thuật toán khá đơn giản, cho kết quả GPS. Đại học Mỏ - Địa Chất, 2007. bình sai trong hệ toạ độ thực dụng đó là bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất - GPS trong hệ tọa độ phẳng 2. HOÀNG NGỌC HÀ, Bình sai tính toán lưới trắc địa và sử dụng các gia số toạ độ phẳng được tính chuyển từ GPS. NXB Khoa học kỹ thuật, 2006. các baseline của kết quả đo GPS. 3. HOÀNG NGỌC HÀ, TRƯƠNG QUANG HIẾU, Cơ sở Hiện nay việc lựa chọn trọng số các trị đo GPS và toán học xử lý số liệu trắc địa. NXB Giao thông vận tải, trị đo mặt đất khi đưa vào bình sai hỗn hợp lưới trắc 2003. địa mặt đất – GPS vẫn còn là vấn đề chưa được 4. NGUYỄN TRỌNG SAN, ĐÀO QUANG HIẾU, ĐINH thống nhất. Trong khuôn khổ của bài báo này, tác giả CÔNG HOÀ, Trắc địa cơ sở tập 1, tập 2. NXB Xây đã lựa chọn trọng số P r của các trị đo GPS được tính dựng, 2002. từ ma trận trọng số đảo của các trị đo GPS X, Y, 5. PHẠM HOÀNG LÂN, ĐẶNG NAM CHINH, Giáo trình Z. Trong thời gian tới tác giả sẽ tiếp tục tìm hiểu Trắc địa cao cấp - Bình sai lưới. ĐH Mỏ - Địa Chất, nghiên cứu để đưa ra phương pháp lựa chọn trọng số các trị đo GPS và trị đo mặt đất phù hợp hơn. 1999. 6. NGUYỄN THỊ NGỌC MAI, Microsoft Visual Basic Lập Bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất – GPS là trình cơ sở dữ liệu, NXB Lao động - Xã hội, 2005. bài toán có khối lượng tính toán rất lớn, vì vậy cần thiết phải xây dựng được chương trình tự động hóa Ngày nhận bài sửa: 10/9/2014. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 59
8. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 52 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014