Giáo trình Kiểm tra độ tin cậy lưới GPS cạnh ngắn bằng các trị đo bổ sung - Nguyễn Thái Chinh

Nội dung text: Giáo trình Kiểm tra độ tin cậy lưới GPS cạnh ngắn bằng các trị đo bổ sung - Nguyễn Thái Chinh

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 41, 01/2013, (Chuyªn ®Ò Tr¾c ®Þa cao cÊp), tr.12-18 KIỂM TRA ĐỘ TIN CẬY LƯỚI GPS CẠNH NGẮN BẰNG CÁC TRỊ ĐO BỔ SUNG NGUYỄN THÁI CHINH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Kiểm tra chất lượng lưới là điều bắt buộc trong quy trình xây dựng lưới bằng công nghệ GPS. Bài báo đưa ra một phương pháp để kiểm tra độ tin cậy của lưới GPS sử dụng các trị đo bổ sung là các khoảng cách ngang được đo bằng máy toàn đạc điện tử dựa trên cơ sở lý thuyết quy chuyển trị đo khoảng cách. Sau khi kiểm tra, đánh giá chất lượng lưới, các trị đo bổ sung được sử dụng để bình sai kết hợp với các trị đo GPS (chỉ những trị đo đảm bảo độ tin cậy) để nâng cao độ chính xác lưới. 1. Đặt vấn đề chỉ tiêu nội bộ của lưới, hay còn gọi là “tự kiểm Ngày nay, công nghệ GPS đã trở nên phổ tra”. Nếu mạng lưới đó được đo thêm các trị đo biến và được ứng dụng có hiệu quả trong rất bổ sung thì ta có thể kiểm tra, đánh giá độ tin nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Trong công tác cậy của mạng lưới GPS đã đo một cách chắc trắc địa, công nghệ GPS đang được ứng dụng chắn hơn. để xây dựng mạng lưới khống chế các cấp hạng. 2. Cơ sở lý thuyết Lưới GPS với những ưu điểm nổi bật đã và 2.1. Các số hiệu chỉnh quy chuyển trị đo đang dần thay thế các phương pháp xây dựng khoảng cách lưới truyền thống. Đối với các mạng lưới trắc Các trị đo trắc địa đều được tiến hành trên địa công trình, với đặc điểm diện tích khu vực bề mặt đất tự nhiên, trước khi xử lý số liệu ta thi công nhỏ nên trước đây người ta thường áp đều phải quy chuyển chúng về một bề mặt toán dụng các phương pháp truyền thống (lưới đo học chặt chẽ. Bề mặt toán học được sử dụng để góc, cạnh) để xây dựng lưới. Tuy nhiên, hiện quy chuyển trị đo có thể là mặt Ellipsoid qui nay thì công nghệ GPS cũng đã được ứng dụng chiếu hay mặt phẳng. Trong thực tế, để đơn rất nhiều để thành lập các mạng lưới GPS cạnh giản hoá khi tính toán, sau khi đã quy chuyển ngắn. Vấn đề kiểm tra độ tin cậy của mạng lưới các trị đo về mặt Ellipsoid, ta thường tính GPS cạnh ngắn là vấn đề đáng lưu tâm trong chuyển tiếp các trị đo về mặt phẳng sau đó mới thực tế sản xuất hiện nay. tiến hành xử lý số liệu trên bề mặt này. Như Để kiểm tra chất lượng lưới GPS thì trước vậy, trình tự xử lý sẽ là chuyển trị đo từ mặt đất tiên ta phải đánh giá chất lượng kết quả giải tự nhiên về mặt Ellipsoid thực dụng, sau đó cạnh dựa vào một số tiêu chí như: dạng lời giải, chiếu trị đo từ mặt Ellipsoid thực dụng xuống tỷ số phương sai ratio, sai số đo cạnh RMS, mặt phẳng theo một loại phép chiếu bản đồ nào Sau đó, đánh giá chất lượng lưới bằng cách đó (Hệ VN-2000 quy định sử dụng phép chiếu kiểm tra các sai số khép theo các thành phần tọa hình trụ ngang đồng góc UTM làm lưới chiếu độ trong các hình đa giác khép kín, các sai số tọa độ phẳng của Quốc gia). Các loại trị đo khác khép này phải nhỏ hơn hạn sai cho phép. Sau nhau sẽ có các số hiệu chỉnh để quy chuyển trị khi kiểm tra mạng lưới theo hai bước trên đạt đo khác nhau. Đối với trị đo khoảng cách, các yêu cầu thì các trị đo mới được chấp nhận đưa số hiệu chỉnh để quy chuyển chúng về bề mặt vào để bình sai. Sau khi bình sai, người ta dựa tính toán thực dụng bao gồm số hiệu chỉnh độ vào sai số trung phương vị trí điểm, sai số trung cao (từ mặt đất về mặt Ellipsoid thực dụng) và phương các yếu tố đặc trưng trong lưới để đánh số hiệu chỉnh chiều dài (từ mặt Ellipsoid thực giá về độ chính xác của mạng lưới đã đo.Trên dụng xuống mặt phẳng). Công thức thực dụng đây là cách kiểm tra thông thường để đánh giá tính các số hiệu chỉnh đó được đưa ra trong [1] mức độ tin cậy của mạng lưới GPS dựa vào các như sau: 12
2. Số hiệu chỉnh độ cao: Ngoài ra, các mạng lưới GPS sau khi bình H sai trong hệ tọa độ địa phương sẽ có cơ sở toán H . S tb , (1) R học theo hệ thống tọa độ của điểm gốc được m khai báo. Nếu bình sai trong hệ VN-2000 thì cơ Số hiệu chỉnh chiều dài: sở toán học của các điểm trong mạng lưới sẽ là: 2 2 ym y Ellipsoid quy chiếu WGS-84, lưới chiếu UTM, SS.m1m.() 0022 , (2) 2R24Rmm kinh tuyến trục và múi chiếu do người sử dụng trong đó: Htb - độ cao trung bình của cạnh đo, tự khai báo. Đây là các điểm thuộc hệ thống Rm là bán kính trung bình của Trái đất, S - chiều lưới tọa độ vuông góc phẳng và được ký hiệu là dài cạnh đo, m0 - tỷ lệ biến dạng chiều dài trên x, y. Có thể tính chiều dài cạnh từ các thành kinh tuyến trục, ym - hoành độ trung bình của phần tọa độ này theo công thức: cạnh đã loại bỏ giá trị 500km. 22 Dij (x j x i ) (y j y i ) , (5) Trên đây là các công thức tính gần đúng, áp Giá trị D tính theo công thức (5) - chiều dụng cho các cạnh đo có chiều dài ngắn. Khi ij dài cạnh ở trên mặt phẳng. cần tính với độ chính xác cao hơn thì phải áp Nếu tiến hành đo bổ sung các trị đo khoảng dụng các công thức phức tạp hơn. Số hiệu chỉnh cách ngang (S’) bằng máy toàn đạc điện tử (trị H tính theo công thức (1) chỉ đáng kể khi cạnh đo trên mặt đất) thì có thể sử dụng các trị đo được đo tại vùng núi có H lớn. Còn số hiệu tb này để kiểm tra độ chính xác của lưới GPS bằng chỉnh chiều dài S lại phụ thuộc chủ yếu vào cách so sánh chúng với chiều dài cạnh tính theo loại múi chiếu sử sụng (m0), chiều dài cạnh (S) công thức (5) có hiệu chỉnh các công thức (1) và khoảng cách từ cạnh đo đến kinh tuyến trục và (2) nhưng lấy ngược dấu, tức là tính: (y ). Đây là số hiệu chỉnh không thể bỏ qua đối m S =D - H - S , (6) với hầu hết mọi cấp hạng lưới, đặc biệt là khi ta ij ij ij ij Chênh lệch S ’=S ’-S thể hiện mức độ chọn kinh tuyến trục không phù hợp. ij ij ij tin cậy của lưới GPS đã đo. 2.2. Nguyên tắc kiểm tra chất lượng lưới GPS Sau khi có các trị đo bổ sung, ta có thể nâng bằng các trị đo bổ sung cao độ chính xác của lưới bằng cách bình sai Đối với các mạng lưới trắc địa ngoài yêu kết hợp trị đo GPS với các trị đo bổ sung đó. cầu cao về độ chính xác, cần phải bảo đảm mức Các trị đo mặt đất bổ sung sẽ được bình sai kết độ tin cậy của lưới, vì thế trong những trường hợp với các trị đo GPS theo nguyên lý số bình hợp cho phép, có thể tiến hành đo kiểm tra phương nhỏ nhất với trọng số được xác định chiều dài cạnh của lưới GPS bằng máy toàn đạc theo độ chính xác của các trị đo một cách hợp điện tử. lý. Trong trường hợp chưa bình sai lưới, chiều 3. Tính thực nghiệm dài Baseline có thể được tính theo một trong hai 3.1. Giới thiệu lưới thực nghiệm 22 công thức: D’= dnde , (3) Mạng lưới thực nghiệm được xây dựng tại hoặc D’= ddh22 , (4) khu vực Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội. Tọa độ Slope trắc địa trung bình của khu đo là B=21004’ và trong đó các giá trị dn, de, chiều dài cạnh L=105046’. Mạng lưới bao gồm 6 điểm được ký nghiêng dSlope và dh - các thành phần của hiệu lần lượt là A, B, C, D, E và F. Sơ đồ mạng baseline được lấy từ kết quả lời giải cạnh của lưới như sau: lưới GPS. Với chiều dài cạnh ngắn (dưới 500m) thì chênh lệch tính D’ theo hai công thức (3) và (4) là không đáng kể [2]. Nếu ta đo thêm chiều dài cạnh ngang của lưới bằng máy toàn đạc điện tử, ký hiệu là S’ thì ta có thể tính chênh lệch chiều dài = S’ – D’. Mạng lưới được đo theo nguyên lý đo GPS Giá trị của thể hiện mức độ tin cậy của lưới tương đối tĩnh trong khoảng thời gian từ 14h GPS đã đo. đến 16h30 ngày 21-2-2011 bằng 1 ca đo với 6 13
3. máy thu GPS, bao gồm 4 máy thu 4600LS và 2 và kinh tuyến 105045’ là kinh tuyến trục đi qua máy thu GB-1000. Sau khi đo đạc, tiến hành khu đo. Múi chiếu 30 và 60 là hai loại múi đang trút số liệu và xử lý tính toán bình sai theo một được sử dụng phổ biến hiện nay. Điểm khởi số phương án khác nhau. Lưới được bình sai tính A được phần mềm tự động tính đổi tọa độ với số liệu gốc tối thiểu là tọa độ điểm khởi tính theo các phương án như trên khi tiến hành bình A. Tiến hành bình sai lưới trong hệ tọa độ VN- sai. 2000 theo 4 phương án như sau: 3.2. So sánh biến dạng chiều dài tính theo các - Phương án 1: kinh tuyến trục 1050, múi phương án chiếu 30 Sau bình sai, tiến hành tính chiều dài 15 - Phương án 2: kinh tuyến trục 1050, múi cạnh của lưới từ tọa độ bình sai theo công thức chiếu 60 (5). Áp dụng công thức (2) tính số hiệu chỉnh - Phương án 3: kinh tuyến trục 105045’, múi chiều dài cho 15 cạnh theo từng phương án, từ chiếu 30 đó tính ngược ra chiều dài cạnh trên mặt đất (S) - Phương án 4: kinh tuyến trục 105045’, múi theo công thức (6). Do khu đo nằm ở vị trí đồng chiếu 60 bằng, có độ cao trắc địa không lớn nên có thể Lý do chọn các phương án trên là vì kinh bỏ qua số hiệu chỉnh độ cao. Kết quả tính S tuyến 1050 đang là kinh tuyến trục được sử theo cả 4 phương án cho kết quả như nhau đến dụng cho bản đồ địa hình các tỷ lệ của Quốc gia phần milimet và được nêu trong cột 7 bảng 1. Bảng 1. So sánh biến dạng chiều dài tính theo các phương án Biến dạng chiều dài S (mm) Cạnh hiệu chỉnh sau No Cạnh PA 1 PA 2 PA 3 PA 4 bình sai GPS S (m) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 1 AB -6.2 -103.3 -32.3 -129.3 323.512 2 AC -12.3 -207.2 -64.9 -259.7 649.751 3 AD -12.3 -206.9 -64.8 -259.4 648.893 4 AE -6.2 -103.2 -32.3 -129.2 323.301 5 AF -0.3 -4.8 -1.5 -6.0 15.111 6 BC -6.1 -103.9 -32.6 -130.4 326.240 7 BD -6.0 -103.7 -32.5 -130.1 325.591 8 BE -0.3 -5.0 -1.6 -6.3 15.730 9 BF -6.2 -103.7 -32.5 -129.9 325.005 10 CD -0.3 -4.9 -1.6 -6.2 15.536 11 CE -6.1 -104.2 -32.7 -130.8 327.160 12 CF -12.3 -207.6 -65.0 -260.2 651.044 13 DE -6.1 -103.8 -32.5 -130.2 325.764 14 DF -12.3 -207.2 -64.9 -259.7 649.827 15 EF -6.2 -103.4 -32.4 -129.5 324.063 14
4. Theo phương án 1 và 2 thì khu đo cách kinh 3.3. So sánh chiều dài cạnh đo toàn đạc điện tuyến trục khoảng 81 km. Với múi chiếu 30 thì tử với chiều dài baseline nó nằm gần sát với đường kinh tuyến chuẩn. Tiến hành đo các trị đo bổ sung để kiểm tra Kết quả tính ở cột 3 bảng 1 cho thấy với và nâng cao độ chính xác của mạng lưới. Các trị chiều dài cạnh dười 500 m thì không cần tính số đo bổ sung là các trị đo khoảng cách ngang của hiệu chỉnh này. Cũng từ bảng 1 cho thấy biến 15 cạnh trong lưới được đo bằng máy SET2C dạng chiều dài khi tính theo các phương án là có độ chính xác đo cạnh là a=3 (mm), b=2ppm. chênh nhau đáng kể. Mạng lưới bị biến dạng Kết quả đo cạnh nêu trong cột 3 bảng 2. chiều dài lớn nhất khi bình sai theo phương án Kết quả tính chiều dài baseline theo các công 4, tức là sử dụng múi chiếu 60 và để kinh tuyến thức (3) và (4) cho trong cột 8 bảng 2. Chênh lệch trục đi qua khu đo. chiều dài được tính trong cột 9 bảng 2. Bảng 2. So sánh chiều dài cạnh đo toàn đạc điện tử với chiều dài baseline Cạnh đo Cạnh đo GPS (Baseline) =S'-D' No Cạnh TĐĐT S' (m) dn de Slope dh D' (m) (mm) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) 1 AB 323.508 -0.603 -323.512 323.512 0.376 323.513 -5 2 AC 649.748 0.164 649.749 649.750 -0.363 649.749 -1 3 AD 648.891 -15.337 648.710 648.892 -0.414 648.891 0 4 AE 323.280 15.118 -322.947 323.301 0.393 323.301 -21 5 AF 15.107 -15.069 -1.115 15.111 0.081 15.110 -3 6 BC 326.241 -0.450 326.239 326.239 0.037 326.239 2 7 BD 325.592 -15.952 325.200 325.591 -0.009 325.591 1 8 BE 15.728 -15.721 -0.563 15.731 0.011 15.731 -3 9 BF 325.000 -15.670 -324.625 325.003 0.456 325.003 -3 10 CD 15.533 15.501 1.040 15.536 0.048 15.536 -3 11 CE 327.176 15.270 326.803 327.159 0.026 327.160 16 12 CF 651.047 15.234 650.864 651.043 -0.443 651.042 5 13 DE 325.784 -0.231 325.763 325.763 -0.018 325.763 21 14 DF 649.827 -0.267 649.825 649.826 -0.494 649.825 2 15 EF 324.043 0.049 -324.062 324.063 0.476 324.062 -19 15
5. 3.4. So sánh chiều dài cạnh đo toàn đạc điện tử với chiều dài cạnh sau bình sai Bảng 3. So sánh chiều dài cạnh đo toàn đạc điện tử với chiều dài cạnh sau bình sai Cạnh đo Cạnh hiệu chỉnh sau Cạnh hiệu chỉnh sau '=S'-S ''=S'-S'' No Cạnh TĐĐT S' (m) bình sai GPS S (m) bình sai kết hợp S'' (m) (mm) (mm) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 1 AB 323.508 323.512 323.511 -4 -3 2 AC 649.748 649.751 649.749 -3 -1 3 AD 648.891 648.893 648.891 -2 0 4 AE 323.280 323.301 323.281 -21 -1 5 AF 15.107 15.111 15.111 -4 -4 6 BC 326.241 326.240 326.239 1 2 7 BD 325.592 325.591 325.590 1 2 8 BE 15.728 15.730 15.728 -2 0 9 BF 325.000 325.005 325.004 -5 -4 10 CD 15.533 15.536 15.536 -3 -3 11 CE 327.176 327.160 327.178 16 -2 12 CF 651.047 651.044 651.042 3 5 13 DE 325.784 325.764 325.782 20 2 14 DF 649.827 649.827 649.825 0 2 15 EF 324.043 324.063 324.042 -20 1 Cột 6 bảng 3 là kết quả so sánh chênh lệch ma(b.S') 22và ma '(b'.S') 22 giữa chiều dài cạnh ngang đo bằng máy toàn TD GPS đạc điện tử và chiều dài cạnh được tính ngược với a=3mm, b=2ppm (độ chính xác máy SET ra từ tọa độ sau bình sai lưới GPS đã được hiệu 2C); a’=3mm, b’=1ppm (độ chính xác máy GB- chỉnh theo công thức (6). Các kết quả này cũng 1000); S’ là chiều dài cạnh đo. Kết quả tính mgh rất khớp với kết quả tính ở cột 9 bảng 2. Ta có cho tất cả 15 cạnh đều là 11mm. thể kiểm tra các chênh lệch này bằng cách so Từ kết quả so sánh cho thấy, hầu hết tất cả sánh chúng với sai số giới hạn tính theo công các cạnh của lưới đều có độ chính xác đảm bảo thức sau [2]: độ tin cậy (chênh lệch không quá 11mm). 22 Riêng 4 cạnh EA, EC, ED, EF có chênh lệch m2.5ghTDGPS mm , (7) vượt quá giới hạn (xấp xỉ 2 cm). Điều đó trong đó mTD và mGPS - sai số trung phương chứng tỏ điểm E khi đo GPS đã bị sai, nguyên chiều dài cạnh đo bằng TĐĐT và GPS, chúng nhân là do trong quá trình đo, máy thu GPS đặt được tính theo các công thức: tại điểm E đã bị lệch bọt thủy. 16
6. Từ giá trị và dấu của các chênh lệch nhận cho trong cột 3 bảng 4. Kết quả so sánh tọa độ được, có thể phán đoán tọa độ thực của điểm E của các điểm theo 2 phương án: bình sai lưới phải lệch về phía điểm D khoảng 2 cm. GPS và bình sai kết hợp (loại bỏ trị đo GPS của Như vậy, sử dụng các trị đo bổ sung ta có điểm E) được nêu trong bảng 4. thể kết luận 11 trên 15 cạnh của lưới GPS đảm Kết quả tính ở cột 6 bảng 4 cho thấy tọa độ bảo độ chính xác, điểm E đo GPS bị sai cho nên điểm E sau bình sai kết hợp đã thay đổi (chuyển các trị đo GPS liên quan đến điểm E cần phải dịch 2.1 cm về phía điểm D). Các điểm còn lại loại bỏ. đều có chênh lệch tọa độ so với phương án ban 3.5. Bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo bổ đầu không nhiều. sung để nâng cao độ chính xác lưới Cũng từ tọa độ tính được ở cột 3 bảng 4, Để nâng cao độ chính xác của mạng lưới tiến hành tính ngược ra chiều dài cạnh trên mặt thực nghiệm, ta cần tiến hành bình sai kết hợp đất theo các công thức (2), (5) và (6), kết quả là các loại trị đo đã có. Điểm E khi đo GPS không S” cho trong cột 5 bảng 3. Cột 7 bảng 3 là so đáng tin cậy cho nên các trị đo GPS có liên sánh chênh lệch chiều dài cạnh vừa tính được quan đến điểm E sẽ bị loại bỏ (bao gồm 5 (S”) với chiều dài cạnh ngang đo bằng máy toàn baseline). đạc điện tử (S’). So sánh cột 6 và cột 7 bảng 3 Các trị đo tham gia bình sai kết hợp bao cho thấy, chiều dài cạnh trên mặt đất tính ngược gồm 42 trị đo GPS (có 14 baseline vì máy thu từ tọa độ bình sai theo phương án bình sai kết tại điểm B được bật 2 lần trong quá trình thu tín hợp (loại bỏ trị đo GPS của điểm E) cho kết quả hiệu) và 15 trị đo mặt đất. Phần mềm sử dụng rất sát với các trị đo toàn đạc điện tử so với để bình sai kết hợp là GPSurvey 2.35. Tọa độ phương án chỉ bình sai lưới GPS (chênh lệch tất của các điểm theo phương án bình sai kết hợp cả các cạnh không quá 5 mm). ch Bảng 4. So sánh tọa độ bình sai theo hai phương án P Điểm Bình sai GPS (m) Bình sai kết hợp (m) X (mm) Y (mm) (mm) 2330967.527 2330967.527 A Fix 580819.169 580819.169 2330969.714 2330969.714 B 0 1 1 581142.667 581142.666 2330970.863 2330970.863 C 0 2 2 581468.899 581468.897 2330955.357 2330955.357 D 0 2 2 581467.936 581467.933 2330953.992 2330953.995 E -2 20 21 581142.180 581142.160 2330952.452 2330952.453 F 0 0 0 580818.127 580818.127 17
7. 4. Kết luận kiểm tra bằng máy toàn đạc điện tử theo cơ sở Khi xây dựng mạng lưới GPS cho các lý thuyết đã nêu là rất phù hợp. công trình nhỏ nên chọn kinh tuyến trục sao cho đường kinh tuyến chuẩn đi qua vị trí trung bình TÀI LIỆU THAM KHẢO của khu đo. Nếu sử dụng lưới chiếu UTM múi [1]. Nguyễn Thái Chinh. Bài giảng Trắc địa mặt 60 thì nên chọn kinh tuyến trục cách khu đo cầu, Trường Đại học Mỏ - Địa chất. khoảng 180km, với múi 30 thì nên chọn kinh [2]. Đặng Nam Chinh, Nguyễn Thanh Hà, 2009. tuyến trục cách khu đo khoảng 90km. Phân tích sai số lưới GPS cạnh ngắn có các trị Kiểm tra độ tin cậy của mạng lưới GPS đo chiều dài bằng toàn đạc điện tử, Tạp chí bằng các trị đo bổ sung là một phương pháp KHKT Mỏ - Địa chất, số 27/ 7-2009. hiệu quả, có cơ sở lý thuyết chặt chẽ và có thể [3]. Vũ Văn Hạnh, Nguyễn Thị Huyền, Đinh dễ dàng áp dụng trong thực tế. Các trị đo bổ Thị Ngọc, Nguyễn Danh Tài, 2011. Phương sung không những giúp phát hiện các sai sót có pháp kiểm tra, nâng cao độ chính xác lưới GPS thể có trong quá trình đo GPS, mà ta còn có thể cạnh ngắn bằng máy toàn đạc điện tử, Báo cáo sử dụng chúng để bình sai kết hợp giúp nâng Hội nghị KHSV lần thứ 24, 5/2011. cao độ chính xác lưới. Với mạng lưới thực [4]. B.Hofmann–Wellenhof, H.Lichtenegger, nghiệm, sau bình sai kết hợp, tọa độ điểm E đã J.Collins, 1994. Global Positioning System – bị thay đổi 2.1 cm. Kết quả so sánh chiều dài Theory and Practice, Third revised edition, cạnh sau bình sai kết hợp với chiều dài cạnh đo Springser–Verlag Wien New York. SUMMARY Checking the reliability of short baseline GPS control network using the supplemental observations Nguyen Thai Chinh, University of Mining and Geology Checking the quality of network is mandatory in the process of establishing GPS control network. The paper introduced a method of checking the reliability of GPS control network using the supplemental observations (horizontal distances measured by total station) based on the theory of horizontal distance reduced. After checking and estimating the quality of the network, the supplemental observations will be used to combinative adjustment with GPS observations (just confident observations) to improve the accuracy of the network. 18