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
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………………………………………………………………….


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…… …………………….


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………………………

trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 96v

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 …………………………
PHỤ LỤC 5…………………………………………………………… 138

PHỤ LỤC 6…………………………………………………………… 144

PHỤ LỤC 7…………………………………………………………… 150

PHỤ LỤC 8…………………………………………………………… 158

PHỤ LỤC 9…………………………………………………………… 160

PHỤ LỤC 10………………………………………………………… 162vi

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


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
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

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

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

- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xử lý các số liệu liên quan
- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các tiện ích, phân tích
có lôgíc các tư liệu, số liệu làm cơ sở ñể giải quyết các vấn ñề ñặt ra.
- Phương pháp so sánh: tổng hợp kết quả, so sánh ñánh giá và ñưa ra các kết
luận về các vấn ñề ñặt ra.
- Phương pháp tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, ñánh giá kiểm
chứng ñộ xác thực của các công thức ñưa ra.
- Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin, lập chương trình máy tính…
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Các kết quả nghiên cứu ñã ñặt cơ sở cho việc bình sai kết hợp giữa trị ño
GPS với trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời áp dụng cho các
mạng lưới TðCT yêu cầu ñộ chính xác cao.
- ðề xuất sử dụng hệ ñịa diện chân trời làm hệ tọa ñộ cơ sở thay thế cho hệ
tọa ñộ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM trong công tác TðCT dân
dụng và công nghiệp.
- Thuật toán và quy trình ñã ñược chuyển thành phần mềm bình sai kết hợp
hoàn toàn có thể sử dụng trong thực tiễn công tác TðCT ở Việt Nam.
- Có thể ứng dụng những kết quả nghiên cứu của luận án trong các lĩnh vực
ñào tạo kỹ sư, giảng dạy, nghiên cứu khoa học và phục vụ sản xuất.
6. Các luận ñiểm bảo vệ
- Luận ñiểm thứ nhất: Vấn ñề tính trọng số trị ño trong lưới ño thuần GPS
cũng như lưới GPS kết hợp lưới mặt ñất là rất quan trọng. Cần phải chuẩn hóa
trị ño GPS theo quy trình bình sai hai bước.

5

- Luận ñiểm thứ hai: Cần phải tính biến dạng góc ñể cải chính vào góc ño
trước khi bình sai kết hợp trị ño GPS và trị ño mặt ñất. Các yếu tố (kích
thước) của mạng lưới sau bình sai bảo ñảm sự phù hợp tốt nhất với yếu tố
thực ñịa. ðiều này rất cần thiết ñối với công tác thiết kế, thi công các công

Chương 4: Xây dựng phần mềm xử lý số liệu bình sai kết hợp GPS và
trị ño mặt ñất trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời.
3. Phần kết luận và kiến nghị.
9. Lời cảm ơn
Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc ñến thầy giáo hướng dẫn khoa học
PGS.TS ðặng Nam Chinh, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc ñã tận tình giúp ñỡ
tác giả hoàn thành các nội dung của Luận án.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành ñến các thầy cô giáo trong bộ
môn Trắc ñịa công trình, Khoa trắc ñịa, Phòng sau ñại học trường ðại học Mỏ
ñịa chất, các ñồng nghiệp Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ xây dựng,
Viện công nghệ Vũ trụ- Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, Viện khoa
học ño ñạc và bản ñồ, trường ðại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
v.v… ñã có sự giúp ñỡ quý báu ñể tác giả hoàn thiện nội dung của luận án.

7

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
1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH
Lưới khống chế TðCT thường ñược xây dựng theo các phương pháp
truyền thống như phương pháp tam giác (ño góc, ño cạnh hoặc ño góc-cạnh),
phương pháp ñường chuyền (ña giác), phương pháp giao hội, phương pháp ño
bằng GPS Các thế hệ máy TððT với các cấp ñộ chính xác khác nhau ñang
có mặt ở nước ta cho phép thành lập lưới TðCT một cách thuận tiện và linh
hoạt với ñộ chính xác cần thiết (Bảng 1.1 và Bảng 1.2).
Trong ñiều kiện hiện nay, có thể sử dụng 2 phương pháp chủ yếu ñể
thành lập các mạng lưới trắc ñịa mặt bằng nói chung cũng như lưới TðCT, ñó
là phương pháp sử dụng các trị ño mặt ñất (truyền thống) và phương pháp vệ
tinh (GNSS). Mỗi phương pháp ñều có những ưu nhược ñiểm nhất ñịnh và

±(1.5mm+2ppm)

3500 m
SET2B

Sokkia
Nhật Bản
1" 2"/2"
±(2mm +2ppm)
4200 m
DTM
750
Nikon
Nhật Bản
1" 2"/2"
±(2mm +2ppm)
3500 m
GTS-4
Topcon
Nhật Bản

1" 2"/2"
±(2mm +2ppm)
3700 m

8

Bảng 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)
ðo góc ðo cạnh


3500 m

TS30 -nt- 0,01” 0.5”/0.5”
±(0.6mm +1ppm)

3500 m

MS05
Topcon
Nhật Bản

0,1" 0.5"/1"
±(0.5mm +1ppm)

3500 m

1.1.1. Nhóm các phương pháp ño mặt ñất
1.1.1.1. Lưới tam giác ño góc
Trước khi có sự xuất hiện của các máy ño dài ñiện quang thì phương
pháp lưới tam giác ño góc vẫn là phương pháp chủ yếu áp dụng ñể lập lưới
khống chế trắc ñịa mặt bằng nói chung. Nhưng ngày nay, phương pháp này ít
ñược sử dụng trong sản xuất.
1.1.1.2. Lưới tam giác ño cạnh
Việc áp dụng các máy ño dài ñiện quang ñã mở ra một khả năng xây
dựng lưới khống chế trắc ñịa bằng phương pháp lưới tam giác ño cạnh. Ảnh
hưởng của chiết quang ngang có thể ñược làm giảm một cách rõ rệt, thậm chí
có thể ñược loại trừ bằng cách thay thế lưới tam giác ño góc bằng lưới tam
giác ño toàn cạnh. Tuy nhiên, nhược ñiểm của phương pháp tam giác ño cạnh
là có ít trị ño dư.

tọa ñộ trắc ñịa quốc tế WGS-84.
ðộ chính xác ño cạnh bằng GPS với các tham số ñộ chính xác a, b phổ
biến với các máy thu GPS hiện nay là: a= 5mm và b=1ppm (1 phần triệu
chiều dài cạnh). Nếu so sánh với ñộ chính xác ño chiều dài cạnh bằng máy
TððT phổ biến hiện nay là a = 3 mm và b = 2ppm, thì có thể thấy công nghệ

10

GPS có ưu thế ở khoảng cách dài, còn ở khoảng cách ngắn, máy TððT có ưu
thế hơn, tuy nhiên ñể ño bằng TððT thì cần phải thông hướng. Dựa vào các
tham số a, b ñặc trưng nêu trên của máy GPS và TððT, tiến hành vẽ ñồ thị
(hình 1.1) ñể so sánh một cách trực quan giữa ñộ chính xác ño chiều dài cạnh
bằng GPS ( m
D-GPS
) và ñộ chính xác ño cạnh bằng TððT (m
D-TD
). Theo ñồ thị
trên có thể thấy rằng, ở khoảng cách D <2,3 km thì sai số ño cạnh bằng GPS
lớn hơn sai số ño bằng TððT.
Ưu ñiểm nổi bật của công nghệ GPS là không ñòi hỏi sự thông hướng
mặt ñất giữa các ñiểm ño cũng như ít chịu ảnh hưởng của các ñiều kiện thời
tiết và khí hậu. Vì vậy, nó có thể ñược áp dụng một cách hiệu quả ở những
khu vực có tầm thông hướng mặt ñất kém. Hình 1.1 - So sánh sai số ño chiều dài bằng GPS và TððT
Nhược ñiểm của phương pháp này là ñòi hỏi sự thông thoáng bầu trời

Với mục tiêu ñó, yêu cầu về ñộ chính xác ñịnh vị ñiểm bằng GPS không ñòi
hỏi quá cao. Từ khi hệ thống GPS ñược khai thác sử dụng trong dân sự, nhiều
nghiên cứu ứng dụng GPS trong công tác trắc ñịa ñòi hỏi ñộ chính xác cao
ñược triển khai và ñã ñạt ñược nhiều thành tựu quan trọng. Ngay từ năm
1984, người ta ñã triển khai ứng dụng GPS trong TðCT tại Stanford (Mỹ).
Tháng 4 năm 1985, R. Ruland và A. Leick ñã công bố kết quả nghiên cứu và
thử nghiệm ứng dụng GPS trong ño lưới TðCT ñộ chính xác cao [63].
Nhờ tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo máy thu GPS, thuật toán xử lý trị ño
pha ñược sử dụng ñể loại bỏ và giảm thiểu nhiều nguồn sai số, nhờ ñó trong
ñịnh vị tương ñối người ta ñã nhận ñược các véc tơ cạnh với ñộ chính xác rất
cao [51], [52], [53].

12

Tại Hungary, ngay từ năm 1990, người ta ñã sử dụng công nghệ GPS
ñể tiến hành ño ñạc quan trắc biến dạng công trình ñập thủy ñiện trên vùng có
ñiều kiện ñịa chất không ổn ñịnh (Berhida) và so sánh với kết quả quan trắc
bằng ño góc- cạnh truyền thống sử dụng máy kinh vĩ chính xác Wild T2 và
máy ño khoảng cách AGA 12A [46].
Tại Cộng hòa Séc, ứng dụng GPS trong TðCT ñược bắt ñầu từ những
năm ñầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX. Tháng 4 năm 2002, tại Hội nghị trắc ñịa
quốc tế (FIG) lần thứ XXII tổ chức tại Washington D.C.(Mỹ), Otakar
Svabensky và Josef Weigel ñã công bố kinh nghiệm quản lý (management) ñộ
chính xác ño GPS ứng dụng trong TðCT [61]. Cũng tại Hội nghị này
Abdelkader Nadir Nabed và các tác giả cũng ñã công bố bài báo về mô hình
bình sai kết hợp và chuyển ñổi tọa ñộ GPS về tọa ñộ Quốc gia [42].
Trong gần 10 năm ứng dụng GPS trong công tác ño ñạc công trình, các
nhà trắc ñịa Séc ñã cho thấy, sử dụng phần mềm Leica SKI v.2.3 ñể xử lý số
liệu ño GPS bằng máy thu Leica SR 299/399 và bằng máy thu Ashtech Z-18 ở
khoảng cách ngắn có thể ñạt ñược ñộ chính xác 5mm về mặt bằng và 7 mm về

Trong giai ñoạn khảo sát, thiết kế công trình, công nghệ GPS ñược ứng dụng
ñể thành lập lưới TðCT có ñộ chính xác cao, lưới khống chế phục vụ ño vẽ
bản ñồ ñịa hình công trình và thường sử dụng các loại máy thu GPS một tần
số ñể ño lưới có chiều dài cạnh ngắn, ñảm bảo ñộ chính xác tương hỗ không
vượt quá ± 5mm. Một số công trình ñã sử dụng GPS ñể lập lưới trắc ñịa phục
vụ thi công ñiển hình như: Trung tâm hội nghị Quốc Gia, sân vận ñộng Mỹ
ðình, NMXM Bút Sơn, NMXM Thái Nguyên, cầu Bãi Cháy, cầu Thanh Trì,
KCN Dung Quất, KCN Yên Phong v.v một số công trình giao thông ñiển
hình như: Tuyến ñường Hồ Chí Minh ñi qua phía ñông Trường Sơn có chiều
dài 115 km ñược ño 40 ñiểm GPS hạng IV, tuyến ñường cao tốc Ninh Bình-
Thanh Hóa dài 120 km ñược ño 39 ñiểm GPS hạng IV [41].
Với ñịnh hướng phát triển các ñô thị hiện ñại và hình thành các KCN
lớn ở nước ta, trong những năm 2000 ñến năm 2005, ñã có một số ñề tài cấp
Bộ, cấp thành phố triển khai nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong công