Giáo trình Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang các tuyến đập thủy điện

Nội dung text: Giáo trình Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới quan trắc chuyển dịch ngang các tuyến đập thủy điện

1. T¹p chÝ KTKT Má - §Þa chÊt, sè 38/4-2012, tr.44-48 KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÁC TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN NGUYỄN VIỆT HÀ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Bài báo có nội dung khảo sát việc thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang các tuyến đập thủy điện bằng công nghệ GPS. Đã đề xuất biện pháp thiết kế, thành lập lưới GPS một cấp để quan trắc dịch chuyển với việc ứng dụng thuật toán bình sai tự do để thiết kế và đánh giá độ chính xác các yếu tố trong luới. 1. Đặt vấn đề trắc [2]. Với công nghệ GPS, do đặc điểm công Hiện nay ở nước ta lưới quan trắc công nghệ trong quá trình tổ chức đo đạc và xử lý số trình thủy điện thường được thực hiện theo liệu, cũng như do công nghệ GPS rất khó đảm công nghệ đo đạc mặt đất. Vì nhiều lý do, công bảo độ chính xác xây dựng lưới cơ sở khi quan nghệ GPS mặc dù đã được ứng dụng hiệu quả trắc biến dạng, bởi vậy có thể gộp 2 bậc đó trong nhiều lĩnh vực trắc địa, nhưng vẫn chưa thành một bậc lưới duy nhất và như vậy lưới được triển khai ứng dụng cho mục đích quan quan trắc biến dạng bằng công nghệ GPS là trắc biến dạng công trình. So với công nghệ đo mạng lưới tự do. đạc mặt đất thì công nghệ GPS có một loạt Khi thiết kế lưới GPS, căn cứ vào mục đích những ưu điểm nổi bật như: cho phép lựa chọn sử dụng, thường có 4 phương thức liên kết cơ đồ hình lưới linh hoạt, có điều kiện lựa chọn các bản để thành lập lưới là: liên kết điểm, liên kết điểm khống chế ở những vị trí ổn định, không cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗn hợp - cạnh - cần thông hướng, không hạn chế về điều kiện điểm. Ngoài ra còn có thể liên kết hình sao, liên thời tiết, thời gian thi công Vì vậy, việc kết đường chuyền, liên kết chuỗi tam giác như nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để quan hình vẽ (hình 1). trắc dịch chuyển biến dạng công trình thủy là Nếu lưới có n điểm, được đo với N máy thu cần thiết, có ý nghĩa cả về khoa học và thực và số lần đặt máy trung bình ở mỗi điểm là m tiễn. Trong bài báo này sẽ khảo sát một số vấn thì số ca đo được tính theo công thức: đề về thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang n.m C (1) công trình bằng công nghệ GPS. N 2. Cơ sở lý thuyết Dựa theo công thức trên và điều kiện thực 2.1. Thiết kế đồ hình lưới tế của địa hình cũng như yêu cầu kỹ thuật đối Khi quan trắc biến dạng bằng công nghệ đo với các điểm cơ sở, các điểm quan trắc để lựa đạc mặt đất, lưới khống chế thường được thành chọn vị trí và đồ hình quan trắc. lập theo 2 bậc là bậc lưới cơ sở và lưới quan Hình 1. Liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết đường chuyền và liên kết sao 44
2. 2.2. Ước tính độ chính xác lưới GPS theo 4- Tính ma trận giả nghịch đảo thuật toán bình sai tự do Cũng như đối với mạng lưới tự do khác, ma Khi ước tính độ chính xác lưới GPS, có thể trận nghịch đảo trong lưới GPS tự do được tính sử dụng chiều dài cạnh Dik và góc phương vị ik theo công thức sau: được tính từ baseline như là các trị đo. Theo R~ (CCT R) 1 TTT , (9) thuật toán bình sai tự do, bài toán ước tính lưới trong đó: T B(CTB) 1 . (10) GPS được thực hiện theo trình tự sau [1, 2]: Đối với mạng lưới GPS ma trận B có dạng [1]: 1- Chọn ẩn số: trong lưới GPS mặt bằng ẩn số được chọn là số hiệu chỉnh tọa độ của tất cả 1 0 Bi . (11) các điểm trong lưới 0 1 T x (dx1,dy1,dx2,dy2 dxn ,dyn ) . Ma trận định vị C được xác định theo quy tắc 2- Lập ma trận hệ số (A) của hệ phương Ci=Bi với i là điểm cơ sở (12) trình số hiệu chỉnh Ci=0 với i là điểm quan trắc A.X L V . (2) 5- Tính toán các yếu tố sai số của mạng lưới ~ ~ Đối với trị đo GPS, phương trình số hiệu - Sai số vị trí điểm mP . R xx R yy .(13) chỉnh được xác định theo công thức cụ thể sau: - Elip sai số: Các tham số của elip sai số + k gồm có: các kích thước của bán trục lớn, bán trục nhỏ, hướng của bán trục lớn [1, 2]. Bán ik trục lớn E và bán trục nhỏ F được tính theo công thức [4]: Sik ~ ~ ~ ~ 2 ~ 2  i R xx R yy (R xx R yy) 4R xy E  + 2 4 . (14)  Hình 2. Cạnh và phương vị đo ~ ~ ~ ~ 2 ~ 2 R xx R yy (R xx R yy) 4R xy F  - Phương trình số hiệu chỉnh phương vị 2 4  vik aikxk bikyk aikxi bikyi lik ,(3) Hướng bán trục lớn của elip sai số ( ): ~ 1 2R xy aik Sin ik . (15) trong đó: . (4) Arctg ~ ~ 2 R xx R yy bik Sik Cos ik - Phương trình số hiệu chỉnh cạnh - Sai số chuyển dịch theo huớng v a x b y a x b y l , (5) Sai số vị trí của điểm quan trắc theo hướng ik ik k ik k ik i ik i ik cho trước ( ) được tính theo công thức: a Cos trong đó: ik ik . (6) 2 2 m  E.cos F.sin , (16) bik Sin ik 3- Lập ma trận hệ số (R) của hệ phương trong đó: E, F tương ứng là các bán trục lớn và trình chuẩn ( R.X b 0 ) nhỏ của Elip sai số. 3. Thực nghiệm thiết kế lưới quan trắc chuyển R AT.P.A . (7) dịch tuyến đập nhà máy thuỷ điện Ialy Trong công thức trên P là ma trận trọng số Để minh chứng cho khả năng ứng dụng công của các trị đo, thực tế giữa cạnh ngang và nghệ GPS vào mục đích quan trắc chuyển dịch phương vị của mỗi baseline GPS có mối quan hệ ngang công trình, chúng tôi đã triển khai tính toán tương quan, tuy vậy trong ước tính độ chính xác thiết kế mạng lưới quan trắc tuyến đập nhà máy có thể coi gần đúng hai trị đo trên độc lập nhau. thủy điện IALY. Trong thực tế công ty tư vấn xây Trọng số của các trị đo đó được xác định trên cơ dựng điện I đã xây dựng mạng lưới quan trắc dịch m sở sai số mD và , tính theo công thức sau [3]: chuyển ngang công trình này theo công nghệ đo 2 2  đạc mặt đất với đồ hình đưa ra ở hình 3. Nếu tiến mD a (b.D) (mm) . (8) hành đo đạc mạng lưới đã nêu bằng công nghệ GPS mD  m "(") với 4 máy thu thì số ca đo tính theo công thức (1) sẽ D  là 14 ca đo và đồ hình lưới có dạng đưa ra ở hình 4. 45
3. Hình 3. Lưới thiết kế theo công nghệ đo đạc mặt đất Hình 4. Lưới thiết kế theo công nghệ GPS Để so sánh độ chính xác của cả hai phương m phương vị m D "(") (đối với các máy án thành lập lưới, chúng tôi đã thực hiện ước tính D độ chính xác theo quy trình như đã nêu ở mục 2.2. GPS một tần số đã có ở Việt Nam thì hệ số a=5; Đối với lưới mặt đất (lưới đo góc – cạnh) b=1). được thiết kế đo 19 góc với sai số trung phương đo góc m 2" , đo 61 cạnh với sai số trung Từ giá trị tọa độ thiết kế, dự kiến đo cạnh  và phương vị theo bảng 1. Kết quả ước tính độ phương đo cạnh mD 2mm 2ppm. chính xác lưới GPS bao gồm sai số vị trí điểm, Đối với mạng lưới GPS thiết kế 62 baseline elips sai số vị trí điểm được đưa ra trong bảng có sai số trung phương đo cạnh 2. Kết quả ước tính độ chính xác lưới mặt đất 2 2 được đưa ra trong bảng 3. mD a (b.D) (mm), sai số trung phương đo 46
4. Bảng 1. Ký hiệu cạnh và phương vị thiết kế TT Đ.Đầu – Đ. Cuối Chiều dài (m) TT Đ.Đầu – Đ. Cuối Chiều dài (m) 1 QT10 QT9 356.76 32 QT9 M9 877.69 2 QT9 QT5 1282.67 33 QT5 M13 646.45 3 QT5 QT10 1486.76 34 QT4 M13 594.32 4 QT9 QT2 696.91 35 QT3 M13 623.64 5 QT10 QT2 585.78 36 QT2 M13 933.45 6 QT10 QT3 778.31 37 QT10 M13 1027.09 7 QT9 QT3 708.15 38 QT9 M13 731.74 8 QT10 QT4 1230.47 39 QT5 M17 742.84 9 QT9 QT4 1077.40 40 QT4 M17 615.46 10 QT2 QT3 366.83 41 QT3 M17 510.16 11 QT3 QT4 475.06 42 QT2 M17 784.38 12 QT4 QT5 312.33 43 QT10 M17 854.52 13 QT3 QT5 769.90 44 QT9 M17 570.87 14 QT2 QT4 824.83 45 QT5 M21 798.99 15 QT5 M1 290.22 46 QT4 M21 639.56 16 QT4 M1 425.76 47 QT3 M21 461.08 17 QT3 M1 748.59 48 QT2 M21 708.11 18 QT2 M1 1112.75 49 QT10 M21 766.24 19 QT10 M1 1358.28 50 QT9 M21 493.92 20 QT9 M1 1102.85 51 QT5 M25 896.48 21 QT5 M5 422.30 52 QT4 M25 700.31 22 QT4 M5 500.05 53 QT3 M25 419.41 23 QT3 M5 736.51 54 QT2 M25 605.10 24 QT2 M5 1090.02 55 QT10 M25 634.44 25 QT10 M5 1278.78 56 QT9 M25 386.35 26 QT9 M5 1002.75 57 QT5 M29 1014.98 27 QT5 M9 541.80 58 QT4 M29 816.60 28 QT4 M9 557.13 59 QT3 M29 498.22 29 QT3 M9 696.35 60 QT2 M29 614.84 30 QT2 M9 1031.62 61 QT10 M29 538.35 31 QT10 M9 1167.85 62 QT9 M29 267.69 Bảng 2. Kết quả ước tính độ chính xác lưới GPS Số Tên Tọa độ thiết kế (m) Sai số vị trí (mm) Elip sai số (mm) TT điểm X Y mx my mp E F º 1 M1 1575262.10 806058.85 2.3 2.5 3.4 2.8 1.9 130.13 2 M5 1575140.08 806119.44 2.3 2.4 3.3 2.7 2.0 130.34 3 M9 1575002.85 806129.17 2.3 2.4 3.3 2.5 2.1 129.27 4 M13 1574865.07 806080.34 2.2 2.3 3.2 2.4 2.1 125.22 5 M17 1574736.88 805962.95 2.2 2.3 3.2 2.4 2.1 115.01 6 M21 1574674.36 805897.97 2.1 2.3 3.2 2.3 2.1 103.76 7 M25 1574577.54 805804.73 2.1 2.3 3.1 2.3 2.1 73.90 8 M29 1574458.71 805807.40 2.1 2.3 3.1 2.4 2.1 64.42 9 QT2 1574554.50 805200.07 1.5 1.5 2.1 1.6 1.4 47.00 10 QT3 1574814.61 805458.74 1.3 1.5 2.0 1.5 1.3 112.33 11 QT4 1575256.50 805633.13 1.4 1.5 2.0 1.5 1.3 120.51 12 QT5 1575472.39 805858.83 1.4 1.6 2.1 1.6 1.4 116.57 13 QT9 1574191.32 805794.86 1.3 1.5 2.0 1.5 1.3 104.04 14 QT10 1574036.44 805473.48 1.4 1.5 2.0 1.6 1.3 117.09 47
5. Bảng 3. Kết quả ước tính độ chính xác lưới mặt đất Số Tên Tọa độ thiết kế (m) Sai số vị trí (mm) Elip sai số (mm) TT điểm X Y mx my mp E F º 1 M1 1575262.10 806058.85 2.2 1.9 2.9 2.2 1.9 346.79 2 M5 1575140.08 806119.44 2.2 2.0 3.0 2.3 2.0 351.88 3 M9 1575002.85 806129.17 2.2 2.0 3.0 2.2 2.0 347.45 4 M13 1574865.07 806080.34 2.1 2.1 2.9 2.1 2.0 125.29 5 M17 1574736.88 805962.95 1.9 2.2 2.9 2.2 1.9 101.31 6 M21 1574674.36 805897.97 1.8 2.2 2.8 2.2 1.8 94.14 7 M25 1574577.54 805804.73 1.7 2.3 2.9 2.3 1.6 84.21 8 M29 1574458.71 805807.40 1.6 2.4 2.9 2.4 1.6 84.83 9 QT2 1574554.50 805200.07 1.3 1.0 1.7 1.3 1.0 350.97 10 QT3 1574814.61 805458.74 1.1 1.1 1.5 1.1 1.0 324.57 11 QT4 1575256.50 805633.13 1.2 1.3 1.8 1.4 1.1 56.47 12 QT5 1575472.39 805858.83 1.2 1.6 2.0 1.8 0.9 56.39 13 QT9 1574191.32 805794.86 0.9 1.1 1.4 1.2 0.8 110.86 14 QT10 1574036.44 805473.48 1.1 1.1 1.6 1.3 0.9 131.84 Phân tích so sánh kết quả thiết kế lưới theo GPS có thể vận dụng được những ưu điểm nổi hai phương án đo đạc mặt đất và GPS cho thấy bật của công nghệ như cho phép lựa chọn đồ về độ chính xác tương đương nhau cả về sai số hình lưới linh hoạt, có điều kiện lựa chọn các trung phương vị trí điểm cả về elip sai số. điểm khống chế ở những vị trí ổn định, không Về tổ chức đo đạc lưới GPS có đồ hình chặt cần thông hướng, hiệu quả kinh tế cao, có thể chẽ hơn do không đòi hỏi sự thông hướng giữa thi công trong mọi điều kiện thời tiết và ở mọi các điểm, ngoài ra công nghệ GPS có ưu điểm thời điểm trong ngày. hơn hẳn lưới mặt đất là có thể thi công trong mọi điều kiện thời tiết và ở mọi thời điểm trong ngày. TÀI LIỆU THAM KHẢO 4. Kết luận 1. Thông qua việc ước tính thử nghiệm cho [1]. Trần Khánh, Nghiên cứu phương pháp bình công trình IALY và một số thực nghiệm khác ở sai kết nối lưới mặt đất và lưới GPS trong trắc Việt Nam (Hòa Bình, Tuyên Quang ) chúng địa công trình. Tạp chí "Khoa học kỹ thuật Mỏ- tôi nhận thấy rằng sai số vị trí điểm quan trắc Địa chất", số 6, 4-2004 được xác định có giá trị nằm trong khoảng từ 3- [2]. Trần Khánh, Nguyễn Quang Phúc, Quan 5mm, vì vậy với công nghệ này có thể áp dụng trắc chuyển dịch và biến dạng công trình. Nhà để quan trắc chuyển dịch các tuyến đập thủy xuất bản giao thông vận tải, Hà nội -2010. điện với yêu cầu về sai số chuyển dịch ≥ ±5mm. [3]. TCXDVN 364: 2006. Tiêu chuẩn kỹ thuật 2. Khi ứng dụng công nghệ GPS để thành đo và xử lý số liệu GPS trong trắc địa công lập lưới quan trắc dịch chuyển ngang có thể coi trình, Hà Nội. lưới này là lưới tự do một bậc. [4]. Markyze.Iu.I. Thuật toán và chương trình 3. Khi thành lập lưới quan trắc dịch chuyển bình sai lưới trắc địa. NXB "Nhedra", Moskva- ngang các tuyến đập thủy điện bằng công nghệ 1988 (tiếng Nga). SUMMARY Survey technology application for establishment of GPS network monitoring direction deformation hydroelectric dam Nguyen Viet Ha, University of Mining and Geology This paper surveys the content monitoring network design horizontal transfer routes damby GPS technology. Proposed design measures, establishing a GPS network to monitorfor movement with the adjustment application algorithms freedom to design and evaluatethe accuracy of elements in the mesh. 48