DANH MỤC HÌNH ẢNH


DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT
GNSS - Global Navigation Satellite System – Hệ thống dẫn đường vệ tinh
NAVTAR GPS - Navigation Satellile And Ranging Global Positioning system
– Hệ thống định vị toàn cầu
DOP - Dilution Of Precision - Chỉ số phân tán độ chính xác
NPHs -Network processing hubs – Mạng chủ xử lý tức thời


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
Như chúng ta đó biết, sông có vai trò, vị trí rất quan trọng, gắn bó mật thiết và
ảnh hưởng to lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh,
bảo vệ môi trường của nước ta. Sau hơn 20 năm thực hiện công cuộc đổi mới dưới
sự lãnh đạo của Đảng, tiềm lực kinh tế biển của đất nước ta đó không ngừng lớn
mạnh, phát triển với tốc độ khá nhanh và đó cú những đóng góp quan trọng vào
nhịp độ tăng trưởng kinh tế - xã hội của đất nước theo hướng công nghiệp hoá, hiện
đại hoá.
Để tiếp tục phát huy các tiềm năng của sông trong thế kỷ XXI, Đảng ta đó đưa
ra nhiều chiến lược với mục tiêu tổng quát là đến năm 2020, phấn đấu đưa nước
taphát huy tiềm năng tối đa từ sông ngòi ,góp phần quan trọng trong sự nghiệp công
nghiệp hóa, hiện đại hóa, làm cho đất nước giàu mạnh.Vì vậy, việc thành lập bản đồ
địa dưới nước là vấn đề cấp thiết và thiết thực nhằm phục vụ công tác quản lí nhà
nước về sông ngòi.
Trong thời đại công nghệ phát triển, việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp
với một số phương pháp đo sâu truyền thống để thành lập bản đồ địa hình dưới

Em xin chân thành cảm ơn !


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH DƯỚI NƯỚC
1.1. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA
HÌNH TỶ LỆ LỚN
Trong trắc địa công trình, tùy thuộc vào các giai đoạn thiết kế; mức độ phức
tạp của địa hình, địa vật; nhiệm vụ thiết kế của từng hạng mục công trình mà chúng
ta thường đo vẽ bản đồ ở các tỷ lệ 1/200, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/5000 (ta gọi
chung là bản đồ tỷ lệ lớn) với các khoảng cao đều khác nhau (h = 0.25m, 0,5m, 1m,
2m).
Độ chính xác của bản đồ phụ thuộc vào độ chính xác của việc thành lập lưới
khống chế mặt bằng, cao độ; độ chính xác biểu thị địa hình địa vật và biểu thị dáng
đất (đo vẽ chi tiết).

1.1.1 Yêu cầu về độ chính xác trong việc thành lập lưới khống chế
a. Về khống chế mặt bằng
Theo [4], Sai số giới hạn vị trí điểm của lưới khống chế đo vẽ so với điểm lưới
cấp cao hơn không vượt quá 0.2mm ở vùng quang đãng và 0.3mm ở vùng rậm rạp,
tính theo tỷ lệ bản đồ.
Trong trường hợp tổng quát, sai số vị trí điểm yếu nhất của cấp khống chế thứ
“i” được tính theo công thức:
mi =

m p .k i −1
1 + k 2 + k 4 + ... + k 2( n −1)

(1.1)


2
5

0.2
0.8

0.2÷0.5
0.5÷2

L

Sai số khép giới hạn của tuyến
(L là chiều dài tuyến, tính bằng Km)

5
(mm)

L

10
(mm)

L

20
(mm)

1.1.2 Độ chính xác biểu diễn địa hình - địa vật của bản đồ
a. Độ chính xác đo vẽ địa hình(dáng đất)
Trong trắc địa công trình, yếu tố địa hình có ý nghĩa rất lớn, nó là yếu tố quyết

1/3
1/3
1/3
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2

6


Sai số độ cao của các điểm đặc trưng địa hình không vượt quá 1/3 giá trị
khoảng cao đều cơ bản
Khi kiểm tra thực địa, để kiểm tra sai số biểu diễn địa hình của bản đồ ta dung
công thức sau:
 ∆H 2 
mH =
n

(1.2)

Trong đó:
n : là số lượng điểm kiểm tra
∆H
mH

: là hiệu số giữa độ cao đo kiểm tra và độ cao đo nội suy trên bản đồ
: Sai số trung bình đo vẽ dáng đất kiểm tra


(1.4)

n : số lượng điểm kiểm tra

mmb
: Sai số trung bình vị trí mặt phẳng của các địa vật

7


mmb
Sau đó so sánh với giá trị

cho phép để xác định độ chính xác biểu diễn địa

vật của bản đồ.
Giá trị chênh lệch tọa độ cho phép của mỗi điểm kiểm tra không được vượt

mmb
quá 2 lần

, số lượng điểm có giá trị bằng giá trị chênh lệch cho phép không quá

10% tổng số điểm kiểm tra.
1.2. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CHÍNH TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH
DƯỚI NƯỚC Ở NƯỚC TA
Bản đồ địa hình được thành lập theo nhiều phương pháp đi cùng với những
trang thiết bị máy móc và công nghệ khác nhau. Ở nước ta, cho đến nay vẫn áp
dụng hai biện pháp chủ yếu là đo vẽ ảnh và đo vẽ trực tiếp. Đối với trắc địa công
trình chúng ta cần thành lập các loại bản đồ tỷ lệ lớn; qua trải nghiệm từ nhiều năm

8


Chúng ta phải dẫn độ cao tới tất cả các điểm trên tuyến khống chế mặt
bằng.Để đảm bảo độ chính xác khống chế trên thực tế chúng ta đang áp dụng việc
dẫn độ cao bằng thủy chuẩn hình học. Thực hiện theo phương pháp này thường gặp

-

phải những khó khăn như sau:
Thông thường dọc theo bờ sông, hồ thì hệ thống giao thông là không thuận lợi, do
đó công tác dẫn tuyến gặp rất nhiều khó khăn trong công việc đi lại có rất nhiều
trường hợp phải chui rúc, luồn lách và bố trí cạnh đo rất ngắn, từ đó làm tăng số

-

lượng trạm đo, ảnh hưởng lớn đến tiến độ công việc và độ chính xác đo lưới.
Việc thủy chuẩn vượt sông là trường hợp thường xuyên gặp phải, để thực hiện điều
này thường gặp rất nhiều khó khăn và có trường hợp không thực hiện được phải dẫn

đi vòng mất rất nhiều thời gian và công sức.
• Đối với đo việc đo vẽ chi tiết
Đối với địa hình vùng sông hồ và ven biển, trong diện tích đo vẽ thường bao
gồm hai phần, phần trên bờ và phần dưới nước. Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu
này, chúng em tập trung đề cập đến phần đo vẽ địa hình dưới nước. Trong thực tế
sản xuất hiện nay, công tác đo vẽ địa hình dưới nước thường gặp phải những khó

-

khăn:


Từ những đặc điểm nêu trên thôi thúc những người làm công tác trắc địa phải
nghiên cứu để tìm ra giải pháp hợp lý cho việc đo vẽ địa hình dưới nước vùng sông
hồ và ven biển.

10


CHƯƠNG 2
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GNSS TRONG ĐO ĐẠC
THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH DUỚI NƯỚC KHU VỰC ĐÊ LIÊN MẠC
– SÔNG HỒNG
2.1 Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellile And Ranging
Global Positioning system (NAVTAR GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm
1970 do quân đội Mỹ chủ trì. Lúc đầu hệ thống này chỉ dung cho mục đích quân sự.
Theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là đoạn

-

(segment).
Đoạn không gian (Space segment)
Đoạn điều khiển ( Controll segment)
Đoạn sử dụng (User segment)
2.1.1. Đoạn không gian (Space segment)

Hình 2.1 Vệ tinh và quỹ đạo vệ tinh GPS
Đoạn không gian, theo lý thuyết gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng
quỹ đạo. Vệ tinh chuyển động ở độ cao khoảng 20200km. Mặt phẳng quỹ đạo
nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái Đất một dóc 55 0 mỗi quỹ đạo của mỗi vệ


12


nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu,
phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt đông
định vị GPS cự py dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong
lĩnh vực giá cả và hiệu suất của thiết bị.
2.2. Các đại lượng đo GPS
Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu nhận được tín hiệu của vệ tinh truyền
tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông tin cơ bản dung cho việc đo đạc và được chia
thành hai nhóm:

- Nhóm trị đo code: C/A code và P code.
- Nhóm trị đo pha: Đo pha sóng tải L1 L2 và tổ hợp L1/L2.
2.2.1. Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải
Việc đo khoảng cách giả theo pha sóng tải được thực hiện như sau: Máy thu
GPS thu tín hiệu GPS và đo hiệu số giữa pha của sóng tải của vệ tinh với pha của
tín hiệu do chính máy thu tạo ra.
Kí hiệu ϕS (t)là pha của sóng tải thu được ở tần số fS và (t) là pha sóng tải được
tạo ra trong máy thu ở tần số fR.
Ta có:(t)=

(2.1)

ϕ R (t ) = f R .t − ϕ 0R

ρ
Trong đó:



13


ϕ RS ' (t ) = − f

⇒
(

ρ
− f .∆t
c

∆t = ∆t S = ∆t R

(2.3)

)

Đồng thời hiệu pha được viết:
ϕ RS (t ) = ∆ϕ + N = −Φ +N

∆ϕ

Trong đó:

(2.4)

: Số lẻ hiệu pha đo được


2.2.3 Đo khoảng cách giả theo tần số Doppler
Theo phương phỏp này, khi vệ tinh phỏt đi tần số f 0, mỏy thu thu được tần số
fr, hiệu tần số của chỳng chớnh là tần số Doppler:
∆f = f0 - fr

(2.7)

Đồng thời ∆f lại được xác định theo công thức:

14


∆f = − f 0
ρ

ρ
c

(2.8)

- vận tốc khoảng cỏch tức thời.
ρ=

dρ
dt

(2.9)

Ta có phương trình biểu thị tốc độ khoảng cách:
R = λ .Φ = ρ + c.∆t

hiện tượng trễ tín hiệu. Hệ số chiết quang tiêu biểu cho tầng đối lưu là 1.0030, xong
do ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khác nhau hệ số này luôn thay đổi gây
nên sự không đồng nhất trong môi trường truyền sóng. ảnh hưởng của tầng đối lưu
đến sai số trễ tín hiệu GPS phụ thuộc vào góc ngưỡng cao (Elevation angle) của tín
hiệu vệ tinh. Đối với góc ngưỡng thấp dưới 3 0 sai số trễ tín hiệu có thể lên tới 30m,
góc ngưỡng càng cao thì sai số càng giảm dần. Sự khác nhau về hệ số chiết quang
của vùng có thể tạo ra sự khác nhau về độ trễ tín hiệu đối với hai máy thu GPS cách
xa nhau tới 1 - 3m.
Sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể giảm nhỏ bằng cách đặt góc
ngưỡng cao trong các máy thu GPS, sử dụng các mô hình khí quyển thích hợp.
2.3.3. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Mỗi vệ tinh GPS theo thiết kế sẽ chuyển động theo một quỹ đạo nhất định.
Tuy vậy do nhiều yếu tố kỹ thuật, các vệ tinh không thể bay đúng hoàn toàn theo
quỹ đạo thiết kế. Do vậy, quỹ đạo vệ tinh (lịch vệ tinh) được thông báo trong tín
hiệu vệ tinh sẽ không đúng hoàn toàn với quỹ đạo thực tế của vệ tinh. Sai số quỹ
đạo vệ tinh là sự chênh lệch giữa toạ độ thực tế của vệ tinh với toạ độ được tính
theo thông báo lịch vệ tinh.
Sai số về quỹ đạo vệ tinh nói chung rất nhỏ và hàng ngày đều được cải chính
lại ít nhất một lần. Sai số này thường nhỏ hơn 3m.
2.3.4. Sai số do đồng hồ vệ tinh
Là sai số về giờ thật của đồng hồ vệ tinh so với giờ thông báo trong tín hiệu vệ
tinh. Các máy định vị GPS phải căn cứ vào giờ vệ tinh thông báo và giờ theo đồng
hồ máy thu GPS để định vị (tính khoảng cách Pseudorange) vì vậy sai số đồng hồ
vệ tinh sẽ gây nên sai số xác định khoảng cách (Pseudorange), tức là gây nên sai số
định vị.
Sai số về đồng hồ vệ tinh cũng luôn được cải chính lại bằng tín hiệu phát đi từ
trạm Master Control trên mặt đất.
2.3.5. Sai số của đồng hồ máy thu GPS
Cũng tương tự như sai số của đồng hồ vệ tinh. Sai số đồng hồ máy thu tạo nên
sai số Pseudorange tức là tạo nên sai số định vị của máy thu GPS.

17


1. Định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả theo code
Khoảng cách giả code tại thời điểm t được biểu diễn bởi biểu thức sau
Ri j (t ) = ρ i j (t ) + c.∆δ i j (t )

(2.11)

Trong đó:

R ij (t )
ρ i j (t )

: Khoảng cách giả đo được giữa vị trí quan trắc i và vệ tinh j
: Khoảng cách hình học giữa vệ tinh và điểm quan sát

∆δ i j (t )

:Sai số đồng hồ
c: Vận tốc ánh sáng
Sai số đồng hồ bao gồm tổng hợp của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máythu xét
theo hệ thống giờ GPS.
Trong biểu thức (2.11) ta có biểu diễn khoảng cách hình học qua toạ độ của vệ
tinh và máy thu tại thời điểm (t).
ρ i j (t ) =

[X

j

∆δ ji(t )

sẽ được phân tích rõ hơn trong những yếu tố cấu thành.

Thông tin về các đồng hồ vệ tinh luôn biết và được phát đi rộng rãi theo thông tin
đạo hàng dưới dạng các hệ số của đa thức a 0, a1, a2 tại thời điểm t0. Để xác định sai
lệch

đồng

hồ

vệ

tinh

δ j (t ) = a 0 + a1 ( t − t 0 ) + a 2 ( t − t 0 )

tại

thời

điểm

t

ta

tính



Ri j (t ) = ρ i j (t ) + c (δ j (t ) − δ i (t ))

(2.15)
Nếu xét tại một thời điểm t nhất định, thì trong các phương trình trị đo chỉ có 4

δ i (t )
ẩn số đó là toạ độ Xi, Yi, Zicủa điểm quan sát và sai lệch đồng hồ máy thu

.

Bốn ẩn số này hoàn toàn có thể giải ngay nếu như đồng thời quan sát được 4 vệ
tinh, hình 2.4.
Định vị tuyệt đối có thể thực hiện đối với khoảng cách giả theo C/A code và
khoảng cách giả theo P-code. Độ chính xác của định vị tuyệt đối phụ thuộc nhiều
nguồn sai số, trong đó ảnh hưởng của sai số quỹ đạo vệ tinh gần như trọn vẹn đến
kết quả định vị. Do nhiều nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo vì vậy định vị
tuyệt đối chỉ thoả mãn cho các yêu cầu đạo hàng, và các công tác đo đạc không yêu
cầu độ chính xác cao.
2. Định vị tuyệt đối bằng pha sóng tải
Khoảng cách giả có thể nhận được từ các trị đo pha sóng tải. Mô hình toán
học của các trị đo này như sau:
φi j (t ) =
φi (t )

1 j
ρ i (t ) + N i j + f j .∆δ i j (t )
λ

j


sai đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.
Sau khi thay (2.14) và (2.16) ra được mô hình sóng tải:
φi j (t ) =

1 j
ρ i (t ) + N i j + f j (δ j (t ) − δ i (t ))
λ

19

(2.17)


δ j (t )
Trong biểu thức trên độ sai đồng hồ vệ tinh

đã biết. Trong trường hợp

này mô hình khoảng cách pha tương đương với mô hình khoảng cách code khi số
lượng vệ tinh quan sát đồng thời lớn hơn 4.
2.4.2. Đo GPS vi phân (DGPS)
Là phương pháp đo GPS sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối, dùng trị đo code
và trị đo pha sóng tải. Nội dung của phương pháp là dùng 2 trạm đo trong đó có một
trạm gốc (Base Station) có toạ độ biết trước và một trạm đo tại các điểm cần xác
định toạ độ (Rover Station). Trên cơ sở độ lệch về toạ độ đo so với toạ độ đã biết
của trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo cho các trạm di động theo nguyên tắc
đồng ảnh hưởng, sơ đồ nguyên lý như hình 2.5.

20

xây dựng cố định, trên đó đặt các máy thu GPS và các thiết bị phát sóng Radiolink
ở dải tần số từ 238.5KH Z đến 325KHZ. Tầm hoạt động của trạm tĩnh tuỳ thuộc vào
công suất thiết bị phát sóng Radiolink nằm trong khoảng từ 200km đến 500km. Độ
chính xác đạt cỡ 1 - 5m tuỳ thuộc vào khoảng cách đến trạm tĩnh.
2.4.3. Phương pháp đo GPS hiệu chỉnh toàn cầu Gc - GPS
Công nghệ đo GPS hiệu chỉnh toàn cầu (Gobally Corrected - GPS) do hai
công ty C&C Technologies và công ty Navcom Technology chế tạo, hình 2.6. Ưu
điểm của phương pháp này là khi đo đạc chỉ cần một máy thu GPS, không cần trạm
Base, do đó mà tầm hoạt động của máy không bị hạn chế, có thể đo cách xa bờ và
độ chính xác định vị trên biển không phụ thuộc vào vị trí tầu đo. Về bản chất
phương pháp đo Gc-GPS cũng tương tự như phương pháp định vị vi phân DGPS.
Tuy nhiên phương pháp tính số hiệu chỉnh vào kết quả đo GPS tại trạm di động
được thực hiện trên phạm vi toàn cầu với một mạng lưới các điểm tham chiếu cơ sở
được xác định trên toàn thế giới. Tại mỗi vị trí tham chiếu người ta tiến hành theo
dõi toàn bộ nhóm vệ tinh quan sát được và liên tục gửi số liệu thô tới hai mạng chủ

22


xử lý độc lập tức thời (Network processing hubs - NPHs). NPHs nhận dư liệu thô,
tính toán quỹ đạo vệ tinh và các số hệu chỉnh đồng hồ cho mỗi vệ tinh trong nhóm
quan sát được. Các số hiệu chỉnh này được gửi lên các vệ tinh các vệ tinh viễn
thông Inmarsat và từ đây các số hiệu chỉnh được truyền đến người sử dụng ở bất kỳ
nơi nào trên thế giới thông qua các thông điệp hợp lệ. Trước khi thu tín hiệu bằng
phương pháp Gc-GPS thì phải đăng ký và được hãng sản xuất thiết bị cung cấp cho
một mã hiệu chỉnh nhập vào phần mềm chuyên dụng kèm theo thiết bị.
Như vậy, khi sử dụng công nghệ đo Gc-GPS hiệu chỉnh toàn cầu chỉ cần một
máy thu GPS là có thể xác định được toạ độ của các điểm ở bất vị trí nào trên trái
đất mà không cần đến trạm cố định (trạm Base), độ chính xác đạt cỡ 0.25-1m. Với
tính ưu việt đó, công nghệ Gc-GPS rất thích hợp cho các dạng công tác đo đạc định

Hiệu toạ độ trong (2.19) được xác định trong hệ WGS - 84.
Định vị tương đối cho kết quả tốt nhất nếu quan trắc được thực hiện đồng thời
tai cả hai điểm tham chiếu và điểm cần xác định. Các trị quan trắc đồng thời tại hai
điểm A và B đối với vệ tinh i và j cho ta các tổ hợp tuyến tính dưới dạng sai phân
bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba.Thông thường trong các phần mềm xử lý
người ta sử dụng kỹ thuật sai phân.
- Sai phân bậc nhất (Single differences)
Chúng ta xét 2 quan điểm quan sát và 1 vệ tinh. Ký hiệu hai điểm đặt máy thu
GPS là 1 và 2 dùng quan sát vệ tinh j, hình 2.8.
Theo các phương trình pha, đối với hai điểm quan sát ta có hai phương trình:
1 j
ρ1 (t ) + N 1j − f j .δ 1 (t )
λ
1
φ 2j (t ) − f j .δ j (t ) = ρ 2j (t ) + N 2j − f j .δ 2(t )
λ

φ1j (t ) − f j .δ j (t ) =

(2.20)

j

1

2

Hình 2.6 Phương pháp xác định sai phân bậc nhất
Lấy hiệu hai phương trình trên ta được:
φ 2j (t ) − φ1j (t ) =


1 j
ρ12 (t ) + N12j − f j .δ12 (t )
λ

(2.24)

Biểu thức (2.24) là dạng cuối cùng của sai phân bậc nhất, ở đây ta thấy đã loại
bỏ được ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh.
- Sai số bậc hai (Double differences)
Nễu cũng tại hai trạm quan sát 1 và 2 ta tiến hành quan sát đồng thời cả hai vệ
tinh j và k, hình 2.9.

j

k

1

2

Hình 2.7Phương pháp xác định sai phân bậc hai
Trong trường hợp này chúng ta có hai phương trình sai phân bậc nhất xác định
theo (2.24) như sau:

1 j
ρ12 (t ) + N12j − f j . δ12 (t )
λ
1
φ12k (t ) = ρ12k (t ) + N12k − f k . δ12 (t )