Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Công nghệ định vị vệ tinh GPS (Global Positioning System) ra đời và ứng dụng trong trắc địa đã tạo nên sự thay đổi căn bản không chỉ trong phương pháp thu thập dữ liệu mà còn trong phương pháp xử lý toán học kết quả đo. Đó là sự chuyển đổi từ phương pháp bình sai trên mặt phẳng hai chiều (2D) sử dụng các trị đo góc - cạnh truyền thống sang phương pháp bình sai mạng lưới trong không gian ba chiều (3D) sử dụng các véc tơ cạnh đo (baselines).

Tại Việt Nam, công nghệ GPS đã được áp dụng trong lĩnh vực trắc địa công trình (TĐCT) từ những năm cuối thế kỷ XX với nhiều công trình quy mô lớn:

  • Năm 1999: Xây dựng mạng lưới trắc địa phục vụ thi công hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (chiều dài trên 6 km), đạt sai số đào hầm đối hướng 2,5 cm.
  • Tháng 6/2001: Xây dựng mạng lưới cơ sở TĐCT Khu công nghiệp Dung Quất.
  • Tháng 5/2005: Thành lập mạng lưới khống chế công trình hầm thủy điện A Vương (dài trên 4 km), sai số đào hầm đối hướng không vượt quá 5 cm.
  • Các mạng lưới TĐCT phục vụ xây dựng các nhà máy xi măng (NMXM): Nghi Sơn (tháng 3/2000), Thái Nguyên (tháng 2/2006), Bút Sơn (tháng 4/2008), Cẩm Phả (2008).

Thực tế thi công trắc địa công trình cho thấy các mạng lưới thường có chiều dài cạnh ngắn. Ở khoảng cách ngắn ($D < 2,3\text{ km}$), độ chính xác đo cạnh của máy toàn đạc điện tử (TĐĐT) phổ biến đạt từ $3\text{ mm} \div 5\text{ mm}$, tương đương hoặc cao hơn độ chính xác đo cạnh bằng GPS. Tuy nhiên, phương pháp đo mặt đất đòi hỏi phải thông hướng giữa các điểm và chịu ảnh hưởng của thời tiết, khí quyển. Ngược lại, phương pháp GPS không đòi hỏi thông hướng mặt đất nhưng yêu cầu không gian bầu trời thông thoáng và dễ chịu tác động của các nguồn gây nhiễu, che chắn trong khu vực công nghiệp hoặc đô thị.

Do đó, việc kết hợp đồng thời trị đo GPS và trị đo mặt đất (góc, cạnh bằng TĐĐT) là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng phương pháp. Về mặt công cụ xử lý, phần mềm thương mại GPSurvey 2.35 trước đây cho phép bình sai kết hợp nhưng quy trình phức tạp và đã hết hạn sử dụng từ ngày 14 tháng 9 năm 2011. Các phần mềm chuyên dụng của nước ngoài (như STAR*NET, MOVE3, COLUMBUS) chưa phổ biến tại các đơn vị sản xuất trong nước và giao diện hoàn toàn bằng tiếng Anh. Mặt khác, việc sử dụng hệ tọa độ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM cho các công trình cục bộ thường gây ra biến dạng chiều dài và diện tích đáng kể. Vì vậy, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thuật toán và xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời là một yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu phương pháp thiết lập hệ tọa độ địa diện chân trời tại vị trí trung tâm công trình, hoàn thiện quy trình tính chuyển, tính đổi giữa hệ tọa độ địa diện với các hệ tọa độ thường dùng khác.
  2. Xác định phạm vi sử dụng hệ tọa độ địa diện chân trời cho các mạng lưới TĐCT dân dụng và công nghiệp.
  3. Hoàn thiện cơ sở lý thuyết và đề xuất quy trình bình sai chặt chẽ kết hợp giữa trị đo GPS và trị đo mặt đất.
  4. Xây dựng phần mềm bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất có tính ứng dụng cao trong điều kiện Việt Nam.
  5. Đánh giá độ xác thực và tin cậy của phần mềm thông qua các mạng lưới thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng lưới trắc địa công trình dân dụng và công nghiệp; trị đo véc tơ cạnh GPS (baselines) cùng ma trận hiệp phương sai; trị đo góc ngang và cạnh đo bằng máy TĐĐT; hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời.
  • Phạm vi không gian: Áp dụng cho các mạng lưới trắc địa công trình có quy mô diện tích vừa và nhỏ tại Việt Nam (như khu công nghiệp, nhà máy lọc dầu, nhà máy xi măng).
  • Phạm vi thời gian và tư liệu: Số liệu thực nghiệm được thu thập và xử lý tại các công trình thực tế (Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, Nhà máy Xi măng Thái Nguyên); công trình nghiên cứu được hoàn thành và bảo vệ năm 2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Lý thuyết bình sai lưới không gian 3D được Bruns đề xuất từ năm 1878, sau đó Hotine (1957) phát triển lý thuyết đầy đủ và cùng Brazier, Windsor công bố kết quả bình sai thử nghiệm mạng lưới tam giác không gian 3D. Wolf (1963) trình bày hệ phương trình vi phân giữa các hệ tọa độ. Ramsayer (1972) hoàn thiện lý thuyết trắc địa 3D có xét đến ảnh hưởng của chiết quang đứng đến góc thiên đỉnh.

Ứng dụng công nghệ GPS trong TĐCT được triển khai từ năm 1984 tại Stanford (Mỹ) do Leick công bố. Tại Hungary (1990), GPS được dùng để quan trắc biến dạng đập thủy điện Berhida và đối chiếu với máy kinh vĩ Wild T2, máy đo xa AGA 12A. Tại Cộng hòa Séc, các công bố tại Hội nghị FIG lần thứ XXII (2002) của Abdelkader Nadir Nabed cùng các tác giả đã giới thiệu mô hình bình sai kết hợp và chuyển đổi tọa độ GPS về hệ tọa độ quốc gia; sử dụng phần mềm Leica SKI v.3 xử lý dữ liệu máy thu Leica SR 299/399 và Ashtech Z-18 ở cự ly ngắn đạt độ chính xác 5 mm về mặt bằng và 7 mm về độ cao trắc địa. Tại Trung Quốc, Đại học Vũ Hán (cuối những năm 90) ứng dụng GPS tự động quan trắc đập Geheyan trên sông Qingjiang (độ chính xác mặt bằng cỡ 2 mm, độ cao cỡ 4 mm) và quan trắc đập Tam Hiệp (2003).

Về bình sai kết hợp trong hệ tọa độ địa diện, Slawomir Cellmer và Zofia Rzepecka đã công bố nghiên cứu kết hợp GPS với chiều dài cạnh đo bằng máy đo xa điện tử, nhưng chưa tích hợp trị đo góc ngang.

Về các phần mềm bình sai thương mại trên thế giới:

  • STAR*NET (với các phiên bản Standard, PLUS, PRO, LEV): Bình sai chặt chẽ mạng lưới 1D, 2D, 3D trong hệ địa tâm WGS-84/NAD83 kết hợp dữ liệu Geoid và trị đo truyền thống.
  • MOVE3 v.2 (Hãng Grontmij, Hà Lan): Phát triển trên lý thuyết của Đại học Tổng hợp Delft, hỗ trợ bình sai tự do và ràng buộc mạng lưới 3D, 2D, 1D theo các phép chiếu UTM, Lambert, Stereographic.
  • COLUMBUS v.3.8 (Best-Fit Computing, Mỹ): Xử lý kết hợp dữ liệu GPS, GLONASS, GALILEO với trị đo mặt đất trong nhiều hệ quy chiếu (UTM, NEU).

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

  • Đoàn Xuân Đài chủ trì đề tài cấp Bộ (1991–1993) về ứng dụng tin học trong xử lý số liệu lưới góc - cạnh TĐCT.
  • Nguyễn Thế Thận (1996) nghiên cứu giải hệ phương trình lớn bằng kỹ thuật ma trận thưa và công thức truy hồi trong bình sai mạng lưới mặt đất kết hợp số liệu GPS, chuyển đổi WGS-84 về HN-72.
  • Trần Khánh (2004) nghiên cứu phương pháp bình sai kết nối lưới mặt đất và GPS, bình sai truy hồi mạng lưới hỗn hợp và xác định ma trận tương quan của véc tơ tọa độ GPS trong TĐCT.
  • Hoàng Ngọc Hà nghiên cứu các mô hình toán học bình sai hỗn hợp lưới mặt đất và GPS (xác định 4 và 7 tham số tính chuyển, bình sai trên Ellipsoid).
  • Nguyễn Quang Phúc và Trần Viết Tuấn nghiên cứu phương pháp tính chuyển tọa độ GPS sau bình sai về hệ địa diện, sau đó dùng mô hình Helmert để chuyển về hệ tọa độ thi công công trình.
  • Bùi Đăng Quang (2012) bình sai lưới tam giác nhà nước bổ sung điểm GPS thông qua chuyển đổi trị đo GPS về dạng 2D ($\Delta x, \Delta y$) có xét ma trận tương quan $K_{\Delta x, \Delta y}$.
  • Đề tài cấp Bộ Xây dựng RD07-02 (2000–2005) về quan trắc chuyển dịch ngang bằng GPS và TĐĐT; đề tài Sở Xây dựng Hà Nội về quy trình đo đạc nhà cao tầng (thực nghiệm tại tòa nhà VMS cao 61 m); đề tài Viện Công nghệ Vũ trụ (2008–2010) quan trắc chuyển dịch NMXM Cẩm Phả (vận tốc dịch chuyển $5 \div 11\text{ mm/năm}$). Bộ Xây dựng đã ban hành Tiêu chuẩn kỹ thuật TCXDVN 364:2006.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các công trình trước đây chủ yếu thực hiện bình sai hỗn hợp trên mặt Ellipsoid hoặc quy về mặt phẳng 2D, chưa xây dựng một quy trình toán học hoàn chỉnh để bình sai đồng thời véc tơ GPS (3D) cùng các trị đo cạnh và góc ngang (2D) trực tiếp trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời. Đồng thời, chưa có công thức tính số cải chính biến dạng góc ngang khi đưa vào bình sai trong hệ địa diện và thiếu phần mềm nội địa độc lập phục vụ sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm

  1. Hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời (Topocentric Coordinate System): Gốc tọa độ đặt tại điểm quy chiếu $G(B_G, L_G, H_G)$ hoặc $(X_G, Y_G, Z_G)$ tại trọng tâm khu đo.

    • Trục $z$: Phương pháp tuyến với mặt Ellipsoid tại $G$, hướng lên trên.
    • Trục $x$: Giao tuyến của mặt phẳng kinh tuyến qua $G$ với mặt phẳng chân trời (vuông góc trục $z$), hướng về cực Bắc.
    • Trục $y$: Nằm trên mặt phẳng chân trời, hướng về phía Đông, tạo với trục $x, z$ thành hệ tọa độ bàn tay phải.

  2. Biến dạng chiều dài và diện tích trong các phép chiếu:

    • Phép chiếu Gauss-Kruger: $$S_{\text{Gauss}} = S' \left(1 + \frac{y_m^2}{2R_m^2}\right)$$
    • Phép chiếu UTM: $$S_{\text{UTM}} = m_0 S' \left(1 + \frac{y_m^2}{2R_m^2}\right)$$ (với $m_0 = 0{,}9996$ cho múi $6^\circ$ và $m_0 = 0{,}9999$ cho múi $3^\circ$).
    • Số cải chính chiều dài do độ cao so với mặt Ellipsoid: $$\Delta S_H = -\frac{H_m}{R_m} S$$

  3. Mô hình toán học bình sai gián tiếp: Thiết lập hệ phương trình số hiệu chỉnh cho các trị đo GPS (thành phần gia số tọa độ không gian địa diện $\Delta x, \Delta y, \Delta z$), trị đo khoảng cách mặt đất $S$ và trị đo góc ngang $\beta$ có xét đến ma trận hiệp phương sai đầy đủ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Thiết lập mô hình toán học giải tích, ma trận xoay tọa độ, vi phân hàm số để xác định ảnh hưởng của biến dạng góc và chiều dài.
  • Phương pháp thống kê: Phân tích độ chính xác sai số trung phương đơn vị trọng số (SSTPĐVTS), sai số vị trí điểm, elip sai số.
  • Phương pháp so sánh, đối chiếu: So sánh độ chính xác và kết quả tọa độ giữa các phương án xử lý (lưới tự do, lưới ràng buộc), giữa hệ UTM và hệ địa diện, giữa phần mềm tự xây dựng và các phần mềm quốc tế (TBC, GPSurvey 2.35).
  • Phương pháp mô hình hóa và lập trình: Lập trình giải thuật ma trận bằng ngôn ngữ lập trình trên máy tính để xây dựng phần mềm chuyên dụng.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm

  • Mạng lưới trắc địa công trình Nhà máy Lọc dầu Dung Quất (Quảng Ngãi).
  • Mạng lưới trắc địa công trình Nhà máy Xi măng Thái Nguyên.
  • Thiết bị thu thập dữ liệu gồm các máy thu GPS một tần số và hai tần số, máy toàn đạc điện tử độ chính xác cao của Leica, Trimble, Topcon, Sokkia.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới trắc địa công trình và vấn đề bình sai lưới GPS

Chương 1 hệ thống hóa các phương pháp thành lập lưới TĐCT, so sánh đặc tính kỹ thuật giữa phương pháp đo mặt đất bằng TĐĐT và phương pháp đo định vị vệ tinh GPS.

Phân tích độ chính xác đo cạnh giữa TĐĐT và GPS

Độ chính xác đo cạnh của máy thu GPS được đặc trưng bởi tham số $a = 5\text{ mm}, b = 1\text{ ppm}$. Trong khi đó, các máy TĐĐT phổ biến có $a = 3\text{ mm}, b = 2\text{ ppm}$, và các máy chính xác cao (Leica TC2003, TS30, Topcon MS05) đạt $a = 0{,}5 \div 1\text{ mm}, b = 1\text{ ppm}$.

      Sai số đo cạnh (mm)
        ^
        |           / (GPS: 5mm + 1ppm)
        |          /
   5 mm +---------/--------
        |        /   / (TĐĐT: 3mm + 2ppm)
   3 mm +-------/---/------
        |      /   /
        |     /   /
        +----+---+---------> Chiều dài D (km)
        0   2.3 km

Ghi chú: Tại cự ly $D < 2{,}3\text{ km}$, sai số đo cạnh của GPS lớn hơn sai số đo cạnh bằng TĐĐT.

Chương này cũng tổng kết các phần mềm bình sai quốc tế (STAR*NET, MOVE3, COLUMBUS), phân tích cấu trúc tệp dữ liệu véc tơ cạnh *.ssf (gồm các dòng thông tin nguồn gốc $G_0$, giá trị thành phần véc tơ $G_1(\Delta X, \Delta Y, \Delta Z)$ và các phần tử ma trận hiệp phương sai $G_2, G_3$). Tác giả rút ra kết luận về sự cần thiết phải kết hợp hai loại trị đo và xây dựng công cụ tính toán độc lập tại Việt Nam.

Chương 2: Hệ tọa độ địa diện chân trời và khả năng sử dụng trong trắc địa công trình

Chương 2 trình bày cơ sở toán học của hệ tọa độ địa diện chân trời, quy trình tính chuyển tọa độ và đánh giá mức độ biến dạng phục vụ công tác TĐCT.

1. Quy trình tính đổi tọa độ từ hệ trắc địa $(B, L, H)$ sang hệ địa diện $(x, y, z)$

  • Bước 1: Tính đổi tọa độ trắc địa $(B_G, L_G, H_G)$ sang tọa độ không gian địa tâm $(X_G, Y_G, Z_G)$: $$\begin{cases} X_G = (N + H_G) \cos B_G \cos L_G \ Y_G = (N + H_G) \cos B_G \sin L_G \ Z_G = [N(1 - e^2) + H_G] \sin B_G \end{cases}$$ trong đó $N = \frac{a}{\sqrt{1 - e^2 \sin^2 B_G}}$, $e^2 = \frac{a^2 - b^2}{a^2}$.
  • Bước 2: Tính ma trận xoay $R^T$: $$R^T = \begin{bmatrix} -\sin B_G \cos L_G & -\sin B_G \sin L_G & \cos B_G \ -\sin L_G & \cos L_G & 0 \ \cos B_G \cos L_G & \cos B_G \sin L_G & \sin B_G \end{bmatrix}$$
  • Bước 3: Chuyển đổi gia số tọa độ không gian sang hệ địa diện: $$\begin{bmatrix} \Delta x \ \Delta y \ \Delta z \end{bmatrix} = R^T \begin{bmatrix} X_M - X_G \ Y_M - Y_G \ Z_M - Z_G \end{bmatrix}$$
  • Bước 4: Xác định tọa độ phẳng địa diện $(x_M, y_M)$ phục vụ thi công.

2. Phân tích biến dạng chiều dài và giới hạn khu vực đo

Khi biểu diễn chiều dài lên mặt phẳng phép chiếu UTM, dải biến dạng tương đối nhỏ hơn $1/200.000$ có độ rộng rất hẹp:

  • Đối với múi $3^\circ$ ($m_0 = 0{,}9999$): $y_{\max} = 92{,}3\text{ km}$, $y_{\min} = 87{,}8\text{ km}$, bề rộng dải chỉ đạt $4{,}50\text{ km}$.
  • Đối với múi $6^\circ$ ($m_0 = 0{,}9996$): $y_{\max} = 181{,}3\text{ km}$, $y_{\min} = 179{,}1\text{ km}$, bề rộng dải chỉ đạt $2{,}25\text{ km}$.

Trong khi đó, hệ tọa độ địa diện chân trời sử dụng phép chiếu trực giao lên mặt phẳng tiếp xúc tại tâm công trình $G$. Biến dạng chiều dài tại gốc $G$ bằng 0 và tăng dần theo khoảng cách bán kính $R$. Với yêu cầu độ chính xác TĐCT dân dụng và công nghiệp (độ biến dạng tương đối $\le 1/200.000$), bán kính khu vực áp dụng của hệ địa diện đạt tới $R \approx 20\text{ km}$ xung quanh điểm gốc, đáp ứng hầu hết quy mô các công trình công nghiệp và đô thị.

Chương 3: Bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ tọa độ địa diện chân trời

Chương 3 xây dựng hệ thống phương trình số hiệu chỉnh và thuật toán bình sai gián tiếp kết hợp các loại trị đo trong không gian địa diện.

1. Xử lý trị đo GPS và ma trận hiệp phương sai

Trị đo véc tơ cạnh GPS gồm 3 thành phần gia số tọa độ $(\Delta X_{ij}, \Delta Y_{ij}, \Delta Z_{ij})$ đi kèm ma trận hiệp phương sai $K_{\Delta X, \Delta Y, \Delta Z}$. Khi chuyển sang hệ địa diện, ma trận hiệp phương sai của véc tơ cạnh địa diện $(\Delta x_{ij}, \Delta y_{ij}, \Delta z_{ij})$ được chuyển đổi theo công thức: $$K_{\Delta x, \Delta y, \Delta z} = R^T \cdot K_{\Delta X, \Delta Y, \Delta Z} \cdot R$$ Ma trận trọng số của trị đo véc tơ GPS được xác định bởi: $$P_{\text{GPS}} = K_{\Delta x, \Delta y, \Delta z}^{-1}$$

2. Thiết lập phương trình số hiệu chỉnh

  • Phương trình số hiệu chỉnh cho véc tơ GPS: $$V_{\Delta x_{ij}} = \delta x_j - \delta x_i - l_{\Delta x_{ij}}$$ $$V_{\Delta y_{ij}} = \delta y_j - \delta y_i - l_{\Delta y_{ij}}$$ $$V_{\Delta z_{ij}} = \delta z_j - \delta z_i - l_{\Delta z_{ij}}$$
  • Phương trình số hiệu chỉnh khoảng cách đo mặt đất ($S_{ij}$): $$V_{S_{ij}} = \frac{x_j^0 - x_i^0}{S_{ij}^0} (\delta x_j - \delta x_i) + \frac{y_j^0 - y_i^0}{S_{ij}^0} (\delta y_j - \delta y_i) + \frac{z_j^0 - z_i^0}{S_{ij}^0} (\delta z_j - \delta z_i) - l_{S_{ij}}$$
  • Phương trình số hiệu chỉnh góc ngang ($\beta$): $$V_{\beta} = a_{ik} \delta x_k + b_{ik} \delta y_k + a_{ij} \delta x_j + b_{ij} \delta y_j + a_i \delta x_i + b_i \delta y_i - (l_\beta + \Delta \beta)$$ trong đó $\Delta \beta$ là số cải chính biến dạng góc ngang khi chiếu lên mặt phẳng địa diện chân trời.

3. Quy trình bình sai hai bước

Luận án đề xuất quy trình bình sai hai bước để chuẩn hóa trọng số trị đo giữa trị đo không gian GPS và trị đo góc - cạnh mặt đất:

  1. Bước 1: Bình sai độc lập mạng lưới GPS tự do trong hệ địa diện để kiểm tra sai số khép vòng, phát hiện sai số thô và ước tính sai số trung phương đơn vị trọng số của riêng lưới GPS ($\mu_{\text{GPS}}$).
  2. Bước 2: Chuẩn hóa ma trận hiệp phương sai của trị đo GPS theo hệ số $\mu_{\text{GPS}}$, sau đó kết hợp với ma trận trọng số trị đo góc và cạnh mặt đất để tiến hành bình sai kết hợp tổng thể.

Chương 4: Xây dựng phần mềm xử lý số liệu bình sai kết hợp GPS và trị đo mặt đất trong hệ tọa độ địa diện chân trời

Chương 4 mô tả cấu trúc phần mềm ADGT (ADjustment GPS Topography) và trình bày kết quả tính toán thực nghiệm trên hai mạng lưới công trình thực tế.

1. Kiến trúc phần mềm ADGT

Phần mềm ADGT được thiết kế với các phân hệ chức năng:

  • Phân hệ quản lý tệp tin và chuyển đổi định dạng dữ liệu (nhập số liệu từ tệp *.ssf, tệp văn bản *.txt từ máy thu GPS và máy TĐĐT).
  • Phân hệ tính đổi tọa độ: Chuyển đổi giữa tọa độ trắc địa $(B, L, H)$, địa tâm $(X, Y, Z)$, địa diện $(x, y, z)$ và phẳng UTM.
  • Phân hệ biên tập cạnh và kiểm tra sai số khép hình học.
  • Phân hệ bình sai kết hợp: Thiết lập hệ phương trình chuẩn, giải hệ phương trình bằng thuật toán ma trận và đánh giá độ chính xác (SSTP đơn vị trọng số, SSTP vị trí điểm, elip sai số).
  • Phân hệ xuất báo cáo kết quả tính toán.

2. Kết quả thực nghiệm tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Mạng lưới gồm các điểm đo GPS kết hợp với các cạnh và góc đo bằng TĐĐT. Kết quả bình sai lưới thuần GPS bằng 3 phần mềm khác nhau được tổng hợp như sau:

Chỉ tiêu so sánh TBC (Trimble) GPSurvey 2.35 ADGT (Luận án)
SSTP đơn vị trọng số $\mu$ 1,02 1,05 1,03
Sai khác tọa độ lớn nhất — $< 1{,}2\text{ mm}$ (so với TBC) $< 0{,}8\text{ mm}$ (so với TBC)
SSTP vị trí điểm lớn nhất $\pm 4{,}8\text{ mm}$ $\pm 5{,}1\text{ mm}$ $\pm 4{,}9\text{ mm}$

Khi đưa thêm các trị đo góc - cạnh mặt đất vào bình sai bằng ADGT, sai số trung phương vị trí điểm của mạng lưới giảm từ $\pm 4{,}9\text{ mm}$ xuống còn $\pm 3{,}2\text{ mm}$, độ cứng hình học và độ tin cậy của mạng lưới được tăng lên rõ rệt.

3. Kết quả thực nghiệm tại Nhà máy Xi măng Thái Nguyên

Mạng lưới khống chế thi công NMXM Thái Nguyên được tính toán bình sai đối chiếu giữa mạng lưới thuần GPS và mạng lưới GPS kết hợp trị đo góc - cạnh:

Phương án bình sai Sai số tương đối cạnh trung bình SSTP vị trí điểm lớn nhất ($M_P$)
Lưới GPS thuần túy $1/125.000$ $\pm 5{,}6\text{ mm}$
Lưới GPS kết hợp góc - cạnh (ADGT) $1/210.000$ $\pm 3{,}7\text{ mm}$

Kết quả thực nghiệm khẳng định phần mềm ADGT hoạt động ổn định, thuật toán bình sai trong hệ địa diện chân trời cho kết quả hoàn toàn tương đương với các phần mềm quốc tế về mặt tọa độ trắc địa, đồng thời giải quyết được bài toán kết hợp trị đo mặt đất.

Kết quả và những đóng góp mới

Các luận điểm bảo vệ

  1. Luận điểm thứ nhất: Vấn đề xác định trọng số trị đo trong lưới đo thuần GPS cũng như lưới GPS kết hợp lưới mặt đất giữ vai trò quyết định đến độ chính xác kết quả bình sai. Cần thiết phải chuẩn hóa trị đo GPS theo quy trình bình sai hai bước để bảo đảm tính tương thích giữa ma trận hiệp phương sai véc tơ GPS và trọng số trị đo mặt đất.
  2. Luận điểm thứ hai: Cần phải tính toán biến dạng góc để đưa số cải chính biến dạng ($\Delta \beta$) vào góc đo trước khi tiến hành bình sai kết hợp trị đo GPS và trị đo mặt đất trong hệ tọa độ địa diện chân trời. Yếu tố kích thước hình học của mạng lưới sau bình sai bảo đảm sự phù hợp cao nhất với kích thước thực địa.
  3. Luận điểm thứ ba: Hệ tọa độ không gian vuông góc địa diện chân trời hoàn toàn có thể sử dụng làm hệ tọa độ cơ sở thay thế cho hệ tọa độ vuông góc phẳng theo phép chiếu UTM phục vụ các giai đoạn khảo sát tỷ lệ lớn, thiết kế và thi công xây dựng công trình. Phạm vi bán kính sử dụng hệ địa diện được xác định dựa trên giới hạn biến dạng cho phép của công trình.

Những đóng góp mới của luận án

  • Hoàn thiện hệ thống công thức giải tích xác định phạm vi bán kính sử dụng của hệ tọa độ địa diện chân trời trong TĐCT dựa trên tiêu chí giới hạn biến dạng chiều dài và góc ngang.
  • Đề xuất công thức tính số cải chính biến dạng góc ngang ($\Delta \beta$) khi bình sai kết hợp trị đo GPS với trị đo mặt đất trong hệ tọa độ địa diện chân trời.
  • Xây dựng hoàn chỉnh phần mềm tính toán xử lý số liệu ADGT bằng tiếng Việt, tích hợp các mô-đun tính chuyển tọa độ, biên tập véc tơ cạnh và bình sai kết hợp GPS - mặt đất.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cho phép áp dụng hệ tọa độ địa diện chân trời làm hệ tọa độ quy chiếu cơ sở trong các tiêu chuẩn kỹ thuật khảo sát và thi công công trình công nghiệp, đô thị, nhà cao tầng tại Việt Nam.
  • Đưa quy trình bình sai kết hợp hai bước và công thức cải chính góc ngang vào thực tế xử lý số liệu tại các cơ quan khảo sát, đo đạc xây dựng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Hệ tọa độ địa diện chân trời chỉ áp dụng tối ưu trong phạm vi bán kính giới hạn xung quanh điểm gốc quy chiếu ($R \le 20\text{ km}$ đối với yêu cầu biến dạng $1/200.000$), không áp dụng trực tiếp cho các công trình dạng tuyến trải dài hàng trăm kilômét nếu không chia đoạn hoặc chuyển đổi hệ quy chiếu.
  • Nghiên cứu tập trung vào xử lý tín hiệu GPS đơn lẻ kết hợp trị đo quang học truyền thống, chưa tích hợp đồng thời nhiều hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu khác trong cùng một lời giải thuật toán.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng thuật toán và phần mềm ADGT để xử lý kết hợp dữ liệu từ các hệ thống định vị vệ tinh đa hệ GNSS (như GLONASS, GALILEO, BeiDou).
  • Nghiên cứu kết hợp mô hình Geoid địa phương độ chính xác cao vào hệ tọa độ địa diện nhằm giải quyết bài toán xác định độ cao thủy chuẩn trực tiếp từ dữ liệu GPS.
  • Ứng dụng thuật toán lọc Kalman mở rộng trong bài toán quan trắc biến dạng công trình nhiều chu kỳ theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đối tượng sử dụng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ, Công trình Xây dựng, Cầu hầm: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết bình sai không gian 3D và phương pháp toán trắc địa.
  • Kỹ sư trắc địa tại các công ty tư vấn, khảo sát, thi công xây dựng: Hướng dẫn kỹ thuật về việc thiết lập lưới khống chế công trình, cách thức xử lý số liệu khi kết hợp máy GPS và máy toàn đạc điện tử.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và ban hành tiêu chuẩn: Dữ liệu khoa học phục vụ việc bổ sung, hoàn thiện các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về đo đạc công trình.

Phần nội dung đáng tham khảo

  • Hệ thống công thức toán học tính đổi tọa độ giữa $(B, L, H)$, $(X, Y, Z)$ và $(x, y, z)$ tại Chương 2.
  • Thuật toán thiết lập phương trình số hiệu chỉnh cho trị đo khoảng cách và góc ngang trong hệ địa diện tại Chương 3.
  • Quy trình tổ chức dữ liệu và phương pháp đánh giá độ chính xác mạng lưới thực nghiệm tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao ở cự ly dưới 2,3 km, độ chính xác đo cạnh của TĐĐT lại chiếm ưu thế hơn GPS?

Theo phân tích của luận án dựa trên các tham số sai số đặc trưng ($a, b$):

  • Máy thu GPS phổ biến có sai số: $m_{D\text{-GPS}} = \pm(5\text{ mm} + 1\text{ ppm} \cdot D)$.
  • Máy TĐĐT thông dụng có sai số: $m_{D\text{-TD}} = \pm(3\text{ mm} + 2\text{ ppm} \cdot D)$.

Ở cự ly ngắn ($D < 2{,}3\text{ km}$), thành phần sai số cố định ($a$) của GPS ($5\text{ mm}$) lớn hơn của TĐĐT ($3\text{ mm}$). Do đó, đồ thị sai số chỉ ra rằng với các cạnh ngắn dưới $2{,}3\text{ km}$, phép đo cạnh bằng máy TĐĐT cho độ chính xác cao hơn.

2. Hệ tọa độ địa diện chân trời khác gì so với hệ tọa độ phẳng UTM trong trắc địa công trình?

Hệ tọa độ phẳng UTM là phép chiếu hình trụ ngang đồng góc, được thiết kế cho bản đồ diện rộng quốc gia. Trong múi chiếu UTM, dải diện tích có biến dạng chiều dài nhỏ hơn $1/200.000$ rất hẹp (chỉ rộng $2{,}25\text{ km}$ đối với múi $6^\circ$ và $4{,}50\text{ km}$ đối với múi $3^\circ$).

Ngược lại, hệ tọa độ địa diện chân trời sử dụng mặt phẳng tiếp xúc tại điểm gốc $G$ nằm ngay trung tâm khu đo. Tại gốc $G$, biến dạng bằng 0; trong phạm vi bán kính lên tới $20\text{ km}$, độ biến dạng chiều dài vẫn nhỏ hơn $1/200.000$. Điều này bảo đảm khoảng cách tính từ tọa độ phẳng sau bình sai hoàn toàn trùng khớp với kích thước thực địa ngoài hiện trường, đáp ứng yêu cầu thi công xây lắp chính xác.

3. Mục đích của việc áp dụng quy trình bình sai hai bước trong luận án là gì?

Trị đo véc tơ GPS (không gian 3D) và trị đo góc - cạnh mặt đất (2D) có bản chất vật lý, cơ chế hình thành sai số và ma trận hiệp phương sai khác nhau. Nếu đưa trực tiếp vào bình sai chung một bước, ma trận trọng số tiên nghiệm của GPS thường bị ước lượng quá cao hoặc quá thấp so với trị đo mặt đất. Quy trình hai bước giúp:

  • Bình sai tự do lưới GPS để đánh giá đúng sai số trung phương đơn vị trọng số thực tế của lời giải cạnh.
  • Chuẩn hóa ma trận hiệp phương sai của GPS trước khi phối hợp với ma trận trọng số trị đo mặt đất, bảo đảm kết quả bình sai kết hợp chặt chẽ và phản ánh đúng độ chính xác thực tế của từng loại trị đo.

4. Phần mềm ADGT do tác giả xây dựng đạt độ chính xác như thế nào khi so sánh với phần mềm quốc tế?

Thực nghiệm trên mạng lưới Nhà máy Lọc dầu Dung Quất cho thấy:

  • Tọa độ sau bình sai của ADGT sai khác so với phần mềm Trimble Business Center (TBC) dưới $0{,}8\text{ mm}$, và so với GPSurvey 2.35 dưới $1{,}2\text{ mm}$.
  • Sai số trung phương đơn vị trọng số đạt $\mu = 1{,}03$ (so với TBC là $1{,}02$).
  • Sai số vị trí điểm lớn nhất đạt $\pm 4{,}9\text{ mm}$ (so với TBC là $\pm 4{,}8\text{ mm}$). Các kết quả này khẳng định giải thuật và phần mềm ADGT hoàn toàn chuẩn xác và tin cậy.

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Văn Hùng đã giải quyết trọn vẹn bài toán bình sai kết hợp giữa trị đo véc tơ vệ tinh GPS và trị đo góc - cạnh mặt đất trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời. Nghiên cứu đã chứng minh tính ưu việt của hệ địa diện chân trời trong việc giảm thiểu biến dạng chiều dài và diện tích cho các công trình xây dựng có bán kính dưới 20 km so với phép chiếu UTM. Hệ thống lý thuyết, công thức cải chính biến dạng góc ngang và phần mềm ADGT được phát triển trong luận án đã đóng góp một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng trực tiếp trong công tác khảo sát, thiết kế và thi công trắc địa công trình tại Việt Nam.