Giáo trình So sánh kết quả xử lý số liệu đo GPS bằng các phần mềm đã và đang sử dụng ở Việt Nam

Nội dung text: Giáo trình So sánh kết quả xử lý số liệu đo GPS bằng các phần mềm đã và đang sử dụng ở Việt Nam

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 45, 01-2014, tr.94-101 SO SÁNH KẾT QUẢ XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO GPS BẰNG CÁC PHẦN MỀM ĐÃ VÀ ĐANG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM VŨ TRUNG RỤY, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Chất lượng của mạng lưới trắc địa khi xây dựng bằng công nghệ GPS nhận được từ báo cáo kết quả tính toán sau bình sai thường có độ chính xác rất cao. Nhưng nhiều khi sử dụng cùng một số liệu đo đưa vào bình sai theo các phần mềm khác nhau, thì các phần mềm này đưa ra kết quả tọa độ phẳng có sự chênh khác nhau 1cm đến 2cm. Vậy, khi xây dựng các mạng lưới phục vụ cho công trình thi công xây dựng có độ chính xác cao cần phải lựa chọn phần mềm xử lý số liệu thích hợp. 1. Đặt vấn đề 2. Thuật toán và quy trình phân tích số liệu Trước tháng 11 năm 2011 các số liệu đo 2.1. Thuật toán bình sai gián tiếp mạng lưới các mạng lưới GPS hầu hết được xử lý, tính GPS trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa toán bình sai bằng GPSurvey 2.35, vì phần tâm [1], [2] mềm này cho phép xử lý các số liệu tương đối Mỗi điểm cần xác định trong mạng lưới đa dạng và có tính ổn định cao. Nhưng từ tháng GPS sẽ có 3 ẩn số X, Y, Z. Nếu mạng lưới có m 11- 2011 đến nay phần mềm nói trên không thể điểm cần xác định, sẽ có 3.m ẩn số. xử lý được các tín hiệu GPS nữa (cụ thể là Với mỗi cạnh đo giữa hai điểm i, j, tương không thể giải được cạnh), do đó mỗi hãng máy ứng với trị đo là Xij, Yij, Zij và ma trận đã lập phần mềm xử lý riêng cho các số liệu của hiệp phương sai Mxyz, chúng ta sẽ lập được 3 phương trình số hiệu chỉnh sau: mình. Cụ thể như: Hãng máy Trimble của Mỹ 0 0 V Xij= - dXi+dXj + (X j-X i) - Xij có các phần mềm: Trimble Total Control 0 0 V Yij= - dYi+dYj + (Y j-Y i) - Yi (1) (TTC), Trimble Business Center (TBC); Hãng 0 0 V Zij= - dZi+dZj + (Z j-Z i) - Zij máy của Trung Quốc: Compass, Hight 0 0 0 0 0 0 Geomatics Office (HGO); hãng máy của Thụy trong đó X j, Y j, Z j, X i , Y i, Z i là tọa độ gần sỹ: Leica Geomatics Office 5 (LGO5); đúng các điểm j, i. dX, dY, dZ là các số hiệu chỉnh tọa độ. Các phần mềm trên đều cho phép xử lý Trong hệ (1) ta ký hiệu các số hạng tự do: 0 0 được các số liệu thu của nhau, nhưng phần mềm l xi,j = (X j-X i) - Xij 0 0 TBC không cho xử lý các số liệu thu bằng máy l yi,j = (Y j-Y i) - Yij (2) của Trung Quốc. Nhưng nếu sử dụng số liệu 0 0 l zi,j = (Z j-Z i) - Zij GPS thu bằng máy của Mỹ và bình sai theo các Như vậy chúng ta sẽ có hệ phương trình số phần mềm khác nhau thì kết quả có sự chênh hiệu chỉnh: khác đến cỡ centimet. Để làm rõ vấn đề này, tác V = A. X+L (3) giả tiến hành dùng số liệu các mạng lưới đo Trong đó ma trận A có dạng: bằng máy Trimble R3 và máy Trimble 4600LS 1 0 0 1 0 tiến hành tính bình sai bằng các phần mềm GPSurvey 2.35, TBC, Compass và phần mềm 0 1 0 0 0 tự lập để so sánh tọa độ, sai số vị trí điểm tính A 0 0 1 0 0 ; (4) bằng các phần mềm với nhau. Kết quả chênh khác về tọa độ 2D khi xử lý số liệu bằng các phần mềm khác nhau là nhỏ hơn 2 cm. 94
2. trong đó: R là ma trận xoay dXi dY - sinB.cosL - sinL cosB.cosL i X dZ ; R = - sinB.sinL cosL cosB.sinL i cosB 0 sinL 2.2. Xử lý số liệu các mạng lưới khảo sát [3,4] Như trên đã giới thiệu, từ năm 1997 đến lxi, j năm 2011 hầu hết các số liệu đo GPS đều xử lý lyi, j bằng phầm mềm GPSurvey 2.35, còn hiện nay các số liệu đo hầu như đều được sử dụng theo L l z . i, j phần mềm TBC của hãng Trimble. Do vậy tác giả dùng kết quả tọa độ trung bình tính được bằng 4 phần mềm khác nhau (GPSurvey 2.35, TBC, Compass, lý thuyết) làm cơ sở so sánh Ma trận trọng số của hệ phương trình trên với kết quả tính của các phần mềm nói trên. có dạng 2.2.1. Các mạng lưới tính toán khảo sát bình sai 1 M 1 Theo cách đặt vấn đề trên, chúng tôi sử 1 dụng số liệu đo của các mạng lưới địa chính để M 2 P (5) tính toán. Các lưới này được đo bằng các máy GPS một tần số: Trimble 4600LS, Trimble R3 1 M n với thời gian thu tín hiệu tại mỗi trạm đo là 60 Trong đó, M là ma trận hiệp phương sai phút. nhận được khi giải cạnh GPS, là ma trận có Trình tự tính toán bình sai lưới: kích thước 3 3 (không phải là ma trận đường - Bình sai mạng lưới bằng phần mềm chéo). GPSurvey 2.35. Công việc bình sai lưới được thực hiện theo - Bình sai mạng lưới bằng phần mềm nguyên lý số bình phương nhỏ nhất tức là: Trimble Business Center VTPV= min - Bình sai mạng lưới bằng phần mềm Ở đây chúng ta áp dụng phương pháp bình Compass- Trung Quốc sai các đại lượng tương quan (phụ thuộc). Vì - Bình sai mạng lưới bằng phần mềm tự lập 2 2 ma trận P không phải là ma trận đường chéo. với trọng số P(i) = 1/ a (b Si ) , (8) - Tính tọa độ X, Y, Z sau khi bình sai Si là chiều dài cạnh thứ i, tính theo đơn vị X = X0+dX Km. Y = Y0+dY Đối với máy thu Trimble 4600LS và Z = Z0+dZ Trimble R3 thì a và b có giá trị là: a = 5 mm; b = 1 mm. - Tính gia số tọa độ Xij, Yij, Zij sau khi bình sai. Các mạng lưới tiến hành khảo sát tính toán: - Tính chuyển tọa độ địa tâm sang tọa độ 1. Mạng lưới GPS EA M’DROH trắc địa. Gồm có 30 điểm mới và 3 điểm gốc : ED-1, - Tính chuyển tọa độ trắc địa sang hệ tọa độ ED-2, ED-3, ED-4, ED-5, ED-6, ED-7, ED-8, phẳng. ED-9, ED-10, ED-11, ED-12, ED-13, ED-14, ED-15, ED-16, ED-17, ED-18, ED-19, DE-20, - Đánh giá độ chính xác : Mx = RT . Qx . R ED-21, ED-22, ED-23, ED-24, ED-25, ED-26, Sai số vị trí điểm thứ i trên hệ tọa độ địa ED-27, ED-28, ED-29, ED-30, 520408, i diện : M VTD = m0 . M XX M YY (6) 520409, 909434. 95
3. Hình 1. Sơ đồ mạng lưới GPS: EA M’ DROH a. Bình sai mạng lưới theo phần mềm GPSurvey - Sai sè trung ph•¬ng t•¬ng ®èi chiÒu dµi 2.35 c¹nh yÕu nhÊt lµ 1: 101496 (c¹nh ED-29 ED- Sử dụng số liệu đo của mạng lưới, xö lý 30) cạnh b»ng module Wave trong phÇn mÒm b. Bình sai mạng lưới theo phần mềm Trimble GPSurvey 2.35. Khi xö lý, b•íc ®Çu sö dông Business Center (TBC) chÕ ®é mÆc ®Þnh “ Default” , sau ®ã chØ ®èi Với cùng một số liệu như đã tính toán xử lý víi c¸c c¹nh kh«ng cho lêi gi¶i Fixed míi bằng phần mềm GPSurvey 2.35, tiến hành xử lý thùc hiÖn chÕ ®é can thiÖp n©ng cao theo phần mềm TBC. Ở đây các cạnh được giải “ Advanced Controls” . đạt tối ưu nhất, Sau khi tÝnh to¸n nhËn ®•îc Sau khi kiÓm tra kÕt qu¶ ®o, m¹ng l•íi sai sè trung ph•¬ng träng sè ®¬n vÞ lµ 1,00 vµ ®•îc b×nh sai theo module TRIMNET Plus kÕt qu¶ thö  - b×nh ph•¬ng víi = 0,95% lµ thuéc phÇn mÒm GPSurvey 2.35 . §Ó tÝnh ®é PASS. Sau tính toán bình sai, mạng lưới đạt cao cho c¸c ®iÓm cÇn x¸c ®Þnh, khi b×nh sai được như sau: sö dông m« h×nh EGM 96 ®Ó néi suy dÞ - Sai sè trung ph•¬ng vÞ trÝ ®iÓm yÕu th•êng ®é cao cho c¸c ®iÓm theo ph•¬ng nhÊt lµ Mmax = 0,011 m (®iÓm ED-22) ph¸p Spline. M¹ng l•íi ®•îc b×nh sai trong - Sai sè trung ph•¬ng t•¬ng ®èi chiÒu dµi hÖ to¹ ®é VN2000 theo phÐp chiÕu UTM 3 ®é c¹nh yÕu nhÊt lµ 1: 52879 (c¹nh ED-29 ED- víi kinh tuyÕn trục 108 ®é 30 phót. 30) Träng sè ®•îc tÝnh ®èi víi tÊt c¶ c¸c trÞ c. Bình sai mạng lưới theo phần mềm Compass ®o GPS (All GPS solution) theo ph•¬ng ph¸p Cũng một số liệu trên, tiến hành xử lý lùa chän (Alternative). Sau khi tÝnh to¸n tính toán bình sai mạng lưới bằng phần mềm nhËn ®•îc sai sè trung ph•¬ng träng sè ®¬n Compass theo yêu cầu bài toán bình sai : sai sè vÞ (Network Reference Factor) lµ 1,00 vµ kÕt trung ph•¬ng träng sè ®¬n vÞ lµ 1,00 vµ kÕt qu¶ thö  - b×nh ph•¬ng (Chi-Square) víi qu¶ thö  - b×nh ph•¬ng víi = 0,95% lµ = 0,95% lµ PASS. PASS, và nhận được kết quả đạt được như sau: To¹ ®é ph¼ng sau b×nh sai cña c¸c ®iÓm - Sai sè trung ph•¬ng vÞ trÝ ®iÓm yÕu ®•îc thèng kª trong b¶ng 1. nhÊt lµ Mmax = 0,004 m (®iÓm ED-6) - Sai sè trung ph•¬ng vÞ trÝ ®iÓm yÕu - Sai sè trung ph•¬ng t•¬ng ®èi chiÒu dµi nhÊt lµ Mmax = 0,006 m (®iÓm ED-30) c¹nh yÕu nhÊt lµ 1: 115758 (c¹nh ED-29 ED- 30) 96
4. d. Bình sai mạng lưới theo phần mềm tự lập x(i)C , y(i)C là tọa độ của điểm thứ i bình sai theo lý thuyết bình sai (LTh) theo phần mềm Compass Dựa vào cơ sở lý thuyết như đã nêu ở trên, x(i)LT , y(i)LT là tọa độ của điểm thứ i bình chúng tôi lập chương trình bình sai với số liệu sai theo phần mềm lý thuyết đầu vào của chương trình là các gia số tọa độ so sánh tọa độ tính được theo các phần X, Y, Z đã có từ việc xử lý cạnh bằng phần mềm đó với tọa độ trung bình tính được ở trên: mềm TBC. Với các số liệu này, tiến hành bình - So sánh tọa độ các điểm tính theo sai mạng lưới trong hệ tọa độ không gian địa GPSurvey 2.35 và tọa độ trung bình tâm có trọng số P(i) tính theo công thức (8). Sau dx(i)G = x(i)G – x(i)TB (10) khi tính toán bình sai mạng lưới xong tính dy(i)G = y(i)G – y(i)TB chuyển tọa độ không gian địa tâm về hệ tọa độ - So sánh tọa độ các điểm tính theo TBC và VN 2000. Theo cách tính này mạng lưới nhận tọa độ trung bình được sai số vị trí điểm lớn nhất: Mmax= 0,013 dx(i)T = x(i)T – x(i)TB m (11) dy(i)T = y(i)T – y(i)TB e. So sánh tọa độ các điểm sau bình sai mạng - So sánh tọa độ các điểm tính theo lưới theo các phần mềm Compass và tọa độ trung bình Sau khi tính toán bình sai mạng lưới theo dx(i)C = x(i)C – x(i)TB các phần mềm xong, tiến hành tính tọa độ trung (12) dy(i) = y(i) – y(i) bình của các điểm sau bình sai bằng 4 phần C C TB - So sánh tọa độ các điểm tính theo LTh và mềm nói trên: và tọa độ trung bình x(i) = (x(i) + x(i) + x(i) + x(i) )/4 TB G T C LT (9) dx(i) = x(i) – x(i) y(i) = (y(i) + y(i) + y(i) + y(i) )/4 LT L TB (13) TB G T C LT dy(i) = y(i) – y(i) x(i) , y(i) là tọa độ trung bình của điểm thứ i. LT L TB TB TB Các kết quả tính toán so sánh được thống x(i) , y(i) là tọa độ của điểm thứ i bình sai G G kê trong bảng 1. theo phần mềm GPSurvey 2.35 x(i)T , y(i)T là tọa độ của điểm thứ i bình sai theo phần mềm TBC Bảng 1. Thống kê chênh lệch tọa độ các điểm lưới MDroh tính theo các phần mềm khác nhau 97
5. Từ các số liệu trong bảng 1, tính các giá trị độ lệch tọa độ phẳng theo 2 trục tọa độ (XY): ds(i) = (dx(i))2 (dy(i))2 . (14) Các kết quả tính được thống kê trong bảng 1. Bảng 2. Thống kê độ lệch lớn nhất của tọa độ các điểm lưới GPS Mdroh Độ lệch tọa độ lớn nhất TT Phần mềm dx (m) dy (m) ds (m) 1 GPSurvey 2.35 0,005 0,005 0,006 2 TBC 0,006 0,007 0,007 3 Compass 0,006 0,007 0,008 4 Lý thuyết 0,004 0,004 0,005 Theo thống kê kết quả trong bảng 2 cho thấy sự chênh lệch tọa độ tính theo phần mềm Compass là lớn nhất. 2. Mạng lưới GPG Cư Suê Mạng lưới có 27 điểm mới và 2 điểm gốc : CS-1, CS-2, CS-3, CS-4, CS-5, CS-6, CS-7, CS- 8, CS-9, CS-10, CS-11, CS-12, CS-13, CS-14, CS-15, CS-16, CS-17, CS-18, CS-19, CS-20, CS-21, CS-22, CS-23, CS-24, CS-25, CS-26, 909402, 909450 98
6. Hình 2. Sơ đồ mạng lưới GPS Cư Suê Tiến hành tương tự như trên chúng ta có kết quả như sau: Bảng 3. Thống kê chênh lệch tọa độ các điểm lưới Cư Suê tính theo các phần mềm khác nhau Bảng 4. Thống kê độ lệch lớn nhất của tọa độ các điểm lưới GPS Cư Suê Độ lệch tọa độ lớn nhất TT Phần mềm dx (m) dy (m) ds (m) 1 GPSurvey 2.35 0,006 0,006 0,007 2 TBC 0,003 0,005 0,006 3 Compass 0,011 0,006 0,011 4 Lý thuyết 0,013 0,007 0,014 Theo kết quả so sánh các chênh lệch tọa độ tính theo các phần mềm nói trên với tọa độ trung bình của chúng thi phần mềm lý thuyêt có sự chênh lớn nhất, tiếp đến là phần mềm Compass, còn phần mềm GPSurvey 2.35 và phần mềm TBC có độ lệch xấp xi bằng nhau. 3. Mạng lưới GPG Đại Đồng Mạng lưới có 9 điểm mới và 3 điểm gốc: DD-01, DD-02, DD-03, DD-04, DD-05, KS-01, KS-02, KS-03, KS-04, 117401, 117486, 117497 99
7. Hình 3. Sơ đồ mạng lưới GPS Đại Đồng Tiến hành tương tự như trên chúng ta có kết quả như sau: Bảng 5. Thống kê chênh lệch tọa độ các điểm lưới Đại Đồng tính theo các phần mềm khác nhau Bảng 6. Thống kê độ lệch lớn nhất của tọa độ các điểm lưới GPS Đại Đồng Độ lệch tọa độ lớn nhất TT Phần mềm dx (m) dy (m) ds (m) 1 GPSurvey 2.35 0,004 0,005 0,005 2 TBC 0,006 0,005 0,006 3 Compass 0,008 0,003 0,008 4 Lý thuyết 0,010 0,011 0,012 Theo kết quả so sánh của bảng 6 cho thấy trường hợp này tương tự như kết quả so sánh của mạng lưới Cư Suê. 4. Mạng lưới GPG Vụ Bổn Mạng lưới có 3 điểm mới và 2 điểm gốc : VB-7, VB-8, VB-9, 921414, 921426 100
8. Hình 4. Sơ đồ mạng lưới GPS Vụ Bổn Các kết quả tính toán: Bảng 7. Thống kê chênh lệch tọa độ các điểm lưới Đại Đồng tính theo các phần mềm khác nhau Bảng 8. Thống kê độ lệch lớn nhất của tọa độ các điểm lưới GPS Vụ Bổn Độ lệch tọa độ lớn nhất TT Phần mềm dx (m) dy (m) ds (m) 1 GPSurvey 2.35 0,002 0,001 0,002 2 TBC 0,001 0,001 0,002 3 Compass 0,001 0,001 0,002 4 Lý thuyết 0,003 0,002 0,003 Theo kết quả thống kê trong bảng 8 thì sự chênh lệch tọa độ của các phần mềm đều xấp xỉ bằng nhau. 2.2.2. Tổng hợp kết quả tính toán khảo sát bình Cũng theo kết quả bình sai các mạng lưới sai cho thấy các kết quả đánh giá độ chính của Theo các kết quả tính toán đã thống kê phần mềm Compass thường có độ chính xác trong các bảng 2, 4, 6 và 8 cho thấy chênh lệch cao nhất so với các phần mềm khác. Có nghĩa là tọa độ phẳng của các điểm tính theo phần mềm : các giá trị sai số trung phương vị trí điểm, và GPSurvey 2.35 và TBC so với tọa độ trung bình sai số trung phương tương đối chiều dài cạnh của chính nó không vượt quá 10 mm. yếu nhất là nhỏ nhất so với kết quả bình sai của Các kết quả so sánh tọa độ giữa phần mềm các phần mềm khác. Nếu xếp theo thứ tự về giá lý thuyết và tọa độ trung bình còn chênh lớn so trị độ lớn các sai số từ nhỏ đến lớn của các phần với các phần mềm khác, điều này cho thấy việc mềm, thì chúng có thứ tự: Compass, GPSurvey chọn trọng số đưa vào chương trình bình sai 2.35, TBC, và lý thuyết. chưa phù hợp, chưa đề cập hết các ảnh khác của 3. Kết luận các trị đo đưa vào bình sai. 101
9. Qua việc khảo sát các phần mềm bình sai khá lớn, nhưng trong bài báo này chưa xét đến xử lý số liệu đo GPS như đã tiến hành ở trên đối vì thời gian thu tín hiệu tại mỗi trạm chưa đảm với một số mạng lưới cho thấy: việc sử dụng bảo cho việc khảo sát này. các phần mềm khác nhau để xử lý số liệu đo có thể đưa ra các kết quả tọa độ phẳng chênh khác TÀI LIỆU THAM KHẢO nhau cỡ khoảng 1cm đến 2 cm. Đối với việc xây dựng các mạng lưới phục vụ cho đo vẽ bản [1]. Đặng Nam Chinh, Đỗ Ngọc Đường, 2012. đồ thì sự sai khác này là không đáng kể, nhưng Định vị vệ tinh, tr. 252-264, Nhà xuất bản Khoa nếu xây dựng các mạng lưới phục vụ cho thi học và Kỹ thuật. công xây dựng các công trình có độ chính xác [2]. Hoàng Ngọc Hà, 2006. Bình sai tính toán cao thì cần phải đề cập tới sự chênh khác này. lưới trắc địa, tr 229-233. Nhà xuất bản Khoa Cũng từ kết quả khảo sát trên cho thấy: nếu số học và Kỹ thuật, Hà Nội. liệu đo bằng máy của hãng Trimble thì nên sử [3]. Đặng Nam Chinh, 1997. Hướng dẫn sử dụng phần mềm TBC để xử lý số liệu, để sự sai dụng phần mềm GPSurvey 2.3 (chọn dịch). khác về tọa độ phẳng ít hơn (vì các số liệu trước [4]. Working with network Adjustment, 1977. đây thường được xử lý bằng GPSurvey 2.35). Trimble Còn về độ cao các điểm cũng có sự chênh khác SUMMARY Comparisons of GPS adjustment rerults by several softwares of brands trimble and compas used in vietnam Vu Trung Ruy, Hanoi University of Mining and Geology Quality of geodesy network by GPS technique is obtained from mean-variable analyses. This is normally highly accurate. However, the application of several softwares based on various mean-variable analyses for the same input gives the differences of 2D-coordiantes up to 1-2cm. Thus, its is essential to choose appropriate software to establish network for projects which require high accuracy. 102