Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI TRẮC ĐỊA KẾT HỢP TRỊ ĐO MẶT ĐẤT - VỆ TINH 1. Tổng quan về lưới khống chế trắc địa công trình 1. Đặc điểm về lưới khống chế trắc địa công trình Lưới khống chế trắc địa công trình là một dạng lưới trắc địa chuyên dùng, được thành lập và sử dụng trong giai đoạn khảo sát thiết kế và thi công xây dựng công trình. Do tính chất đa dạng của các công trình xây dựng mà lưới khống chế thi công cũng rất đa dạng.
Tùy thuộc vào tính chất của từng công trình, điều kiện địa hình, điều kiện thi công mà mạng lưới trắc địa công trình được xây dựng một cách linh hoạt, nhằm đáp ứng yêu cầu trong quá trình thi công. Vì vậy, lưới thi công được thành lập theo các nguyên tắc sau đây: - Lưới thi công là mạng lưới độc lập, cục bộ để tránh ảnh hưởng sai số số liệu gốc, tọa độ quốc gia chỉ dùng để khởi tính. - Tất cả các bậc lưới thi công cần phải tính tọa độ, độ cao trong một hệ thống nhất đã được lựa chọn trong giai đoạn khảo sát và thiết kế công trình. - Trong một số trường hợp lưới thi công được thiết kế tối ưu độ chính xác theo hướng định trước phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của công trình.
Những nguyên tắc trên đảm bảo cho lưới thi công không bị biến dạng do ảnh hưởng của sai số số liệu gốc, đồng thời lưới được định vị trong cùng một hệ tọa độ. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế trắc địa công trình Tùy thuộc vào từng dạng công trình mà lưới khống chế thi công được thành lập theo các phương pháp khác nhau. Lưới khống chế thi công công trình có thể được thành lập bằng công nghệ đo đạc mặt đất (sử dụng máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện 8 tử) hoặc công nghệ đo đạc vệ tinh (sử dụng các máy thu tín hiệu vệ tinh) hoặc kết hợp cả trị đo mặt đất và trị đo vệ tinh. Các phương pháp truyền thống Đây là phương pháp sử dụng các thiết bị đo ngắm trực tiếp trên mặt đất, lưới được thành lập chủ yếu dưới dạng: lưới tam giác đo góc, đo cạnh hoặc đo góc - cạnh.
Phương pháp lập lưới tam giác đo góc chỉ thường được áp dụng trong những năm trước đây khi điều kiện đo khoảng cách còn hạn chế, hiện nay hầu như không còn được sử dụng do sự phát triển của máy đo khoảng cách hiện đại. Phương pháp lập lưới tam giác đo cạnh có ưu điểm là thi công lưới nhanh nhưng số trị đo thừa trong mạng lưới ít, dẫn đến đồ hình lưới không chặt chẽ. Nhờ sự phát triển của các thế hệ máy TĐĐT, phương pháp xây dựng lưới tam giác đo góc - cạnh hiện nay được sử dụng phổ biến hơn cả do tận dụng được các ưu điểm, khắc phục một phần nhược điểm của hai phương pháp trên. Trong một số trường hợp khi gặp địa hình khó khăn có thể áp dụng đồ hình lưới đa giác hoặc lưới giao hội.
Phương pháp sử dụng công nghệ GNSS Ưu điểm vượt trội của công nghệ GNSS trong xây dựng lưới trắc địa so với công nghệ truyền thống là: độ chính xác đạt được đáp ứng yêu cầu thi công công trình, ít phụ thuộc vào người đo, thời gian thi công lưới ngắn, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, đặc biệt là không yêu cầu thông hướng giữa các điểm, ít phụ thuộc địa hình. Do vậy xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GNSS được ứng dụng rộng rãi trong công tác trắc địa công trình. Với độ chính xác đạt được và khả năng đo được khoảng cách lớn mà không yêu cầu thông hướng, lưới GNSS có thể được phát triển vượt cấp, đây là ưu điểm nổi trội so với công nghệ truyền thống. Phương pháp kết hợp trị đo mặt đất và trị đo vệ tinh Trong những năm vừa qua, để thành lập các mạng lưới trắc địa công trình, thiết bị chủ yếu được sử dụng là các loại máy TĐĐT.
Có thể nói máy TĐĐT có lợi thế trong các trường hợp đo cạnh ngắn, số lượng trị đo nhiều, yêu cầu thời gian đo 9 ngắn. Hiện nay, các máy TĐĐT thế hệ mới có khả năng tự động đo nhiều trị đo liên tục theo thời gian. Tuy nhiên, sử dụng máy TĐĐT trở nên kém hiệu quả đối với những khu vực có địa hình phức tạp, đặc biệt khi điều kiện thông hướng kém. Thêm nữa, khi áp dụng phải chọn thời tiết và thời gian đo thích hợp để giảm ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết đến các kết quả đo.
Chính vì vậy, lưới trắc địa thành lập bằng công nghệ GNSS đã giải quyết được những khó khăn so với lưới trắc địa thành lập bằng công nghệ truyền thống. Một ưu điểm nữa của phương pháp đo bằng công nghệ định vị vệ tinh GNSS là máy thu có khả năng thu tín hiệu liên tục với nhiều trị đo trên một giây. Khả năng này có ưu thế rất lớn trong các công tác quan trắc công trình hoặc hạn chế ảnh hưởng do công trình bị rung lắc [26]. Nhược điểm của công nghệ GNSS là đòi hỏi sự thông thoáng bầu trời tại các điểm đặt máy thu.
Vì vậy không thể áp dụng công nghệ GNSS tại những nơi có độ che phủ lớn. Ngoài ra, đo GNSS chịu ảnh hưởng đáng kể của nguồn gây nhiễu tín hiệu, hiện tượng đa đường dẫn từ trạm phát sóng, các đường dây tải điện hay các tín hiệu điện từ khác. Xuất phát từ ưu, nhược điểm của hai phương pháp nhận thấy rằng, trong một số trường hợp cần phải kết hợp cả đo mặt đất và công nghệ GNSS để thành lập lưới. Khi đó chắc chắn sẽ phát huy được ưu điểm và khắc phục được những mặt hạn chế của mỗi phương pháp, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong công tác xây dựng lưới.
Dựa vào số lượng các loại trị đo trong lưới, có thể phân thành các loại: lưới GNSS có bổ sung thêm trị đo mặt đất, lưới mặt đất có bổ sung thêm trị đo GNSS và lưới kết hợp trị đo mặt đất - vệ tinh trong trường hợp số lượng hai loại trị đo tương đối đồng đều nhau. Tổng quan về xử lý số liệu lưới kết hợp trị đo mặt đất - vệ tinh 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Mạng lưới trắc địa kết hợp mặt đất - vệ tinh là dạng lưới khống chế được xây dựng bao gồm cả trị đo vệ tinh lẫn trị đo mặt đất truyền thống. Từ những năm 1970, khi mà các hệ thống định vị vệ tinh bắt đầu được phát triển, đã có nhiều nghiên cứu về mạng lưới trắc địa kết hợp như nghiên cứu của Krakiwsky và Thomson (1974), 10 Groten (1977), Gajderowicz (1979, 1981), Adam và các đồng nghiệp (1982), Welsch và Oswald (1984), Baeumker (1984), Swiatek (1986, 1988) [45].
Trước đây, thông thường các trị đo mặt đất và trị đo vệ tinh sẽ được bình sai riêng rẽ với nhau. Sự kết hợp nếu có giữa hai loại trị đo này thường là sử dụng các phép tính chuyển sau khi đã bình sai hai mạng lưới riêng rẽ. Hiện nay, các trị đo mặt đất và vệ tinh đã có thể kết hợp với nhau để bình sai trong một mạng lưới chung. Vấn đề cần giải quyết đối với dạng lưới kết hợp trị đo mặt đất - vệ tinh là các dạng trị đo này ở những mặt quy chiếu khác nhau.
Kết quả đo vệ tinh thu được là các gia số tọa độ ΔX, ΔY, ΔZ trong hệ tọa độ ba chiều không gian địa tâm. Ví dụ như đo GPS sẽ thu được gia số tọa độ trong hệ WGS-84. Trong khi đó các trị đo góc, cạnh, hướng truyền thống lại nằm trên bề mặt thực của khu vực, với giá trị độ cao được tính theo phương của đường dây dọi. Thêm nữa, các trị đo mặt đất sau quá trình xử lý số liệu sẽ được tách ra thành tọa độ mặt bằng (hai chiều) của điểm với hệ quy chiếu là bề mặt Ellipsoid và độ cao điểm (một chiều) với bề mặt quy chiếu là Geoid.
Để giải quyết được bài toán bình sai kết hợp trị đo mặt đất - vệ tinh nghĩa là chúng ta phải bình sai hai dạng trị đo khác biệt này trong một hệ quy chiếu chung. Vấn đề cần giải quyết đối với dạng lưới kết hợp trị đo mặt đất - vệ tinh là các dạng trị đo này ở những mặt quy chiếu khác nhau. Tùy theo mục đích, yêu cầu sử dụng và phạm vi của lưới khống chế, mỗi cách chọn hệ quy chiếu đều có ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng phù hợp riêng. Xử lý số liệu là công tác nội nghiệp có vai trò quan trọng của trắc địa, đặc biệt là khi xuất hiện dạng trị đo vệ tinh với những đặc điểm riêng, nên những vấn đề nêu trên cũng là hướng nghiên cứu được quan tâm của các nhà trắc địa trên thế giới.
Có thể tóm tắt các hướng nghiên cứu thành các nhóm như sau: 1. Nghiên cứu xử lý số liệu lưới kết hợp trị đo mặt đất - vệ tinh trong mặt phẳng Nghiên cứu của Daxinger và Stirling [51] đã chỉ ra khả năng bình sai lưới hỗn hợp mặt đất vệ tinh trong hệ tọa độ phẳng hai chiều. Để xây dựng mạng lưới trắc địa ở Ba Lan, Kadaj và các đồng nghiệp đã sử dụng chương trình GeoNet 11 (www.pl), trong đó trị đo mặt đất và vệ tinh được bình sai với lưới mặt bằng hai chiều, còn lưới độ cao một chiều được xử lý riêng rẽ sau khi đã chuyển đổi trị đo của GNSS (ΔX, ΔY, ΔZ) thành khoảng cách, phương vị và chênh cao trắc địa Ellipsoid s, α, ΔHTĐ [44]. Việc chuyển đổi các gia số tọa độ GNSS trong hệ địa tâm sang tọa độ phẳng thành (Δx, Δy) cũng được sử dụng để bình sai kết hợp các mạng lưới có cả trị đo vệ tinh và trị đo mặt đất, chênh cao trắc địa ΔH khi này được chuyển thành chênh cao thuỷ chuẩn thông thường.
Những vấn đề này đã được nghiên cứu và đề cập đến trong các tài liệu [38], [52]. Tuy nhiên, rõ ràng là sự chuyển đổi các gia số tọa độ đo được từ GNSS sang các bề mặt khác, bao gồm các mặt Ellipsoid tham chiếu hay mặt phẳng bản đồ thì đều có chứa sai số hệ thống trong các phép tính [45]. Nghiên cứu bình sai lưới không gian kinh điển khi chưa xuất hiện công nghệ định vị vệ tinh Từ năm 1878, Bruns đã đề xuất đến vấn đề bình sai lưới tam giác trong không gian (ba chiều). Sau đó năm 1957 Hotine đã phát triển đầy đủ lý thuyết của phương pháp này.