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. 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. 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 ñòi hỏi những ñiều kiện áp dụng khi ño ñạc thành lập lưới.1- Một số máy TððT chính xác (sử dụng ñể ño các lưới khống chế mặt bằng) ðo góc ðo cạnh Hãng và Tên Tầm hoạt nước chế ðộ phân SSTP ño góc SSTP máy ñộng xa tạo giải bàn ñộ ngang/ñứng ño cạnh nhất Leica 1" 3"/3" ±(2mm +2ppm) 3000 m TC 303 Thuỵ Sỹ Leica 0.5mm+2ppm) 3500 m TS 02 Thuỵ Sỹ Sokkia 1" 2"/2" ±(2mm +2ppm) 4200 m SET2B Nhật Bản DTM Nikon 1" 2"/2" ±(2mm +2ppm) 3500 m 750 Nhật Bản Topcon 1" 2"/2" ±(2mm +2ppm) 3700 m GTS-4 Nhật Bản 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 Hãng và Tầm Tên nước chế ðộ phân SSTP ño góc SSTP hoạt Máy tạo giải bàn ñộ ngang/ñứng ño cạnh ñộng xa nhất TC- Leica ±(1mm +1ppm) 3500 m 0,1" 1"/1" 2003 Thuỵ Sỹ TS15 -nt- 0,1" 1"/1" ±(1mm +1.5ppm) 3500 m TM30 -nt- 0,01” 0.6mm +1ppm) 3500 m TS30 -nt- 0,01” 0.6mm +1ppm) 3500 m Topcon MS05 0,1" 0.5mm +1ppm) 3500 m Nhật Bản 1. Nhóm các phương pháp ño mặt ñất 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.
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. Lưới tam giác ño góc cạnh kết hợp ðể khắc phục những nhược ñiểm của hai phương pháp lưới tam giác ño góc và lưới tam giác ño cạnh thì cách tốt nhất là sử dụng các máy TððT ñể ño lưới theo phương pháp ño góc cạnh kết hợp.
Lưới ñường chuyền Trong phương pháp này, người ta ño trực tiếp chiều dài các cạnh và các góc ngoặt, rồi dựa vào phương vị gốc và toạ ñộ gốc ñể tính ra toạ ñộ các ñiểm còn lại. ðối với lưới ñường chuyền việc chọn ñiểm và phát triển lưới trong khu vực ñông dân cư hay thành phố là rất dễ dàng.Nhận xét Trong những năm vừa qua, ñể thành lập các mạng lưới TðCT, chúng ta vẫn chủ yếu sử dụng các loại máy TððT. Nhiều thế hệ máy TððT với các cấp ñộ chính xác khác nhau ñang có mặt trên thị trường Việt Nam cho phép ño ñạc lưới nhanh, ñáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cần thiết, rất tiện lợi ở những vùng ñịa hình có tầm thông hướng mặt ñất tốt. Khả năng thực hiện 2 loại trị ño góc và cạnh ngay trên cùng một phương tiện và trên cùng một trạm máy ñã cho phép nâng cao ñộ tin cậy cũng như ñộ chính xác của mạng lưới.
Tuy nhiên, ñối với những khu vực có ñịa hình phức tạp, tầm thông hướng mặt ñất kém thì phương pháp này tỏ ra kém hiệu quả. Một hạn chế nữa khi áp dụng phương pháp ño mặt ñất là phải chọn thời tiết và thời gian ño thích hợp ñể tránh ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết và khí tượng tới các kết quả ño. Hệ quả là phải kéo dài thời gian ño lưới, ảnh hưởng tới tiến ñộ thi công cũng như tiến trình quan trắc. Phương pháp ño GPS Phương pháp ño GPS (với kỹ thuật ño tương ñối tĩnh ñể thành lập lưới khống chế) sử dụng tín hiệu thu ñược từ các vệ tinh trong hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS.
Kết quả là xác ñịnh ñược các vector cạnh (baselines) trong hệ 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 ( mD-GPS) và ñộ chính xác ño cạnh bằng TððT (mD-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.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 tại các ñiểm ñặt máy thu GPS. Vì vậy, nó không thể áp dụng ñược ở những khu vực có ñộ che phủ lớn.
Ngoài ra, phương pháp này còn chịu ảnh hưởng ñáng kể của các nguồn gây nhiễu tín hiệu như các trạm phát sóng, các ñường dây tải ñiện và các tín hiệu ñiện từ khác. Kết hợp giữa phương pháp ño GPS và phương pháp ño mặt ñất Lưới khống chế dùng trong TðCT thường có yêu cầu ñộ chính xác cao, lại có những yêu cầu riêng về thiết kế chọn ñiểm cũng như thời gian thi công lưới. Từ những phân tích ở phần trên có thể thấy, nếu chỉ áp dụng một phương pháp duy nhất ñể thành lập lưới (hoặc là chỉ ño mặt ñất, hoặc là chỉ ño bằng công nghệ GPS) sẽ gặp phải những khó khăn vì phương pháp nào cũng ñều có 11 những nhược ñiểm nhất ñịnh. Với những trường hợp các ñiểm lưới công trình lại có khả năng thông hướng với nhau, những người làm công tác TðCT thường ño thêm chiều dài cạnh hoặc góc ngang bằng TððT và xử lý cùng với các trị ño GPS ñể nhận ñược một kết cấu lưới vững chắc, cho ñộ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các ñiểm trong lưới.
Ngoài ra có trường hợp, một số ñiểm trong lưới không thuận tiện cho ño GPS, trong trường hợp này cần ño thêm chiều dài cạnh và góc ñể xác ñịnh ñược tọa ñộ của các ñiểm ñó. Có trường hợp cần kết nối giữa hai mạng lưới mà không thể dùng TððT thì sử dụng công nghệ GPS ñể liên kết mạng lưới là giải pháp khả thi nhất. Do ñó việc kết hợp cả 2 phương pháp 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 và rút ngắn ñược thời gian thi công lưới. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH 1.
Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc ñịa công trình ở nước ngoài Hệ thống GPS là một trong các hệ thống vệ tinh dẫn ñường toàn cầu. 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).
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. 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.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 ñộ cao (trắc ñịa).2 – ðập thủy ñiện Geheyan Hình 1.