Luận văn thạc sĩ ứng dụng công nghệ gps trong kiểm tra đánh giá lưới địa chính và đề xuất giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ thống lưới đo vẽ phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại tỉnh vĩnh phúc

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong kiểm tra lưới địa chính và giải pháp xây dựng hệ thống bản đồ tại Vĩnh Phúc.

• Tác giả: Phan Xuân Khung
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Hữu Liên
• Trường học: Đại học Nông Lâm Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quản lý đất đai
• Đề tài: Ứng dụng công nghệ GPS trong kiểm tra, đánh giá lưới địa chính và đề xuất giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ thống lưới đo vẽ phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại tỉnh Vĩnh Phúc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS
• 2.1.1. Khái quát chung
• 2.1.2. Cấu trúc hệ thống GPS
• 2.1.3. Các trị đo GPS. Nguyên lý định vị GPS
• 2.1.4. Các nguồn sai số
• 2.1.5. Những kỹ thuật đo GPS
• 2.1.6. Tọa độ và hệ quy chiếu
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ Ở VIỆT NAM
• 2.2.1. Lưới tọa độ nhà nước
• 2.2.2. Lưới tọa độ địa chính
• 2.2.3. Các dạng lưới tọa độ địa chính cơ bản
• 3. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 3.1.1. Khái quát hệ thống lưới địa chính tỉnh Vĩnh Phúc
• 3.1.2. Kiểm tra, đánh giá sự ổn định lưới địa chính
• 3.1.3. Kiểm tra độ chính xác lưới đo vẽ, so sánh giữa hai phương pháp lập lưới đo vẽ
• 3.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. KHÁI QUÁT CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ - XÃ HỘI
• 4.1.1. Điều kiện tự nhiên, tài nguyên, cảnh quan môi trường
• 4.1.2. Dân số - Dân tộc và trình độ học vấn
• 4.1.3. Thực trạng phát triển kinh tế xã hội
• 4.1.4. Nhận xét chung
• 4.2. KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH LƯỚI ĐỊA CHÍNH
• 4.2.1. Kiểm tra, đánh giá sự ổn định lưới địa chính thành lập bằng phương pháp đường chuyền khu vực thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc
• 4.2.2. Kiểm tra, đánh giá sự ổn định lưới địa chính thành lập bằng phương pháp GPS khu vực huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc
• 4.3. KIỂM TRA ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI ĐO VẼ, SO SÁNH GIỮA HAI PHƯƠNG PHÁP LẬP LƯỚI ĐO VẼ
• 4.3.1. Kiểm tra lưới khống chế đo vẽ
• 4.3.2. So sánh giữa lập lưới đo vẽ bằng phương pháp đường chuyền và công nghệ GPS
• 4.4. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 4.4.1. Đánh giá sự ổn định lưới địa chính
• 4.4.2. Những kết quả đạt được
• 4.4.3. Những khó khăn, tồn tại
• 4.4.4. Đề xuất quy trình và giải pháp thực hiện
• 4.5. So sánh độ chính xác, hiệu quả kinh tế việc thành lập lưới khống chế đo vẽ bằng phương pháp GPS và đường chuyền toàn đạc
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. Sơ đồ lưới địa chính thành phố Vĩnh Yên
• Phụ lục 2. Sơ đồ lưới địa chính huyện Vĩnh Tường
• Phụ lục 3. Sơ đồ lưới khống chế đo vẽ bằng phương pháp đường chuyền xã Nghĩa Hưng
• Phụ lục 4. Sơ đồ lưới khống chế đo vẽ bằng công nghệ GPS xã Nghĩa Hưng

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ GPS

Công nghệ GPS (Global Positioning System) đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc kiểm tra lưới địa chính. Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, cho phép xác định vị trí với độ chính xác cao. Việc ứng dụng GPS trong địa chính không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong việc đo đạc mà còn giảm thiểu thời gian và chi phí. Theo nghiên cứu, việc sử dụng công nghệ GPS trong việc thành lập lưới khống chế đã cho thấy sự ưu việt vượt trội so với các phương pháp truyền thống như đường chuyền. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh quản lý đất đai tại tỉnh Vĩnh Phúc, nơi mà nhu cầu về bản đồ địa chính ngày càng tăng cao.

1.1. Cấu trúc hệ thống GPS

Hệ thống GPS được chia thành ba phần chính: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn người sử dụng. Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh phát tín hiệu, trong khi đoạn điều khiển có nhiệm vụ theo dõi và điều chỉnh các vệ tinh. Đoạn người sử dụng bao gồm các thiết bị thu tín hiệu. Sự kết hợp giữa ba đoạn này tạo ra một hệ thống mạnh mẽ, cho phép người dùng xác định vị trí một cách chính xác và nhanh chóng. Việc hiểu rõ cấu trúc này là cần thiết để áp dụng hiệu quả công nghệ GPS trong việc đo vẽ bản đồ địa chính.

II. Kiểm tra lưới địa chính tại Vĩnh Phúc

Việc kiểm tra lưới địa chính tại tỉnh Vĩnh Phúc đã được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có sự kết hợp giữa GPS và các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng GPS giúp phát hiện các điểm gốc kém chất lượng và đánh giá độ ổn định của lưới địa chính một cách hiệu quả. Kết quả từ các cuộc khảo sát cho thấy rằng lưới địa chính được thành lập bằng GPS có độ chính xác cao hơn so với lưới được thành lập bằng phương pháp đường chuyền. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ GPS không chỉ là một công cụ đo đạc mà còn là một giải pháp tối ưu cho việc quản lý đất đai.

2.1. Đánh giá độ chính xác lưới đo vẽ

Đánh giá độ chính xác của lưới đo vẽ là một phần quan trọng trong việc xây dựng bản đồ địa chính. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưới địa chính được thành lập bằng GPS có độ chính xác cao hơn so với lưới được thành lập bằng phương pháp truyền thống. Việc so sánh giữa hai phương pháp cho thấy rằng GPS không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc quản lý đất đai tại Vĩnh Phúc, nơi mà việc cập nhật thông tin địa chính là rất cần thiết.

III. Giải pháp xây dựng hệ thống đo vẽ bản đồ địa chính

Để xây dựng một hệ thống đo vẽ bản đồ địa chính hiệu quả tại Vĩnh Phúc, cần có những giải pháp kỹ thuật phù hợp. Việc áp dụng công nghệ GPS trong việc thành lập lưới khống chế đo vẽ là một trong những giải pháp tối ưu. Nghiên cứu đã đề xuất quy trình thực hiện cụ thể, bao gồm việc lựa chọn thiết bị, phương pháp đo đạc và xử lý số liệu. Sự kết hợp giữa GPS và các công nghệ hiện đại khác sẽ giúp nâng cao chất lượng bản đồ địa chính, phục vụ tốt hơn cho công tác quản lý đất đai.

3.1. Quy trình thực hiện

Quy trình thực hiện việc xây dựng hệ thống đo vẽ bản đồ địa chính bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần xác định các điểm gốc và thiết lập lưới khống chế bằng GPS. Sau đó, tiến hành đo đạc và thu thập số liệu. Cuối cùng, xử lý số liệu và xây dựng bản đồ địa chính. Việc thực hiện quy trình này một cách bài bản sẽ đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong công tác quản lý đất đai tại tỉnh Vĩnh Phúc.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việc xây dựng hệ thống bản đồ địa chính chính xác và ổn định là yêu cầu cấp thiết trong quản lý đất đai, đặc biệt tại các tỉnh có tốc độ phát triển kinh tế nhanh như Vĩnh Phúc. Theo số liệu năm 2007, diện tích tự nhiên của tỉnh Vĩnh Phúc là 1.231,76 km² với dân số gần 1 triệu người, mật độ dân số dao động từ 294 đến 886 người/km² tùy khu vực. Hệ thống lưới địa chính tại đây đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ lưới địa chính cơ sở đến các cấp lưới địa chính cấp I, II và lưới đo vẽ phục vụ thành lập bản đồ địa chính. Tuy nhiên, sự đa dạng về phương pháp thành lập lưới, từ đường chuyền truyền thống đến công nghệ GPS hiện đại, đặt ra nhu cầu đánh giá chính xác về độ ổn định và độ chính xác của hệ thống lưới này.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng công nghệ GPS để kiểm tra, đánh giá độ chính xác và tính ổn định của hệ thống lưới địa chính tại tỉnh Vĩnh Phúc, đồng thời đề xuất giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ thống lưới đo vẽ bằng công nghệ GPS thay thế phương pháp đường chuyền truyền thống. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ hệ thống lưới địa chính và lưới đo vẽ tại các khu vực trọng điểm như thành phố Vĩnh Yên và huyện Vĩnh Tường trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2010. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc nâng cao độ chính xác bản đồ địa chính, hỗ trợ công tác quản lý đất đai hiệu quả, đồng thời giảm chi phí và thời gian thi công nhờ ứng dụng công nghệ GPS tiên tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System): Là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu gồm 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo xác định, cung cấp tín hiệu sóng điện từ với các mã điều biến C/A và P. Công nghệ GPS cho phép xác định tọa độ điểm đo với độ chính xác cao, đặc biệt khi sử dụng phương pháp định vị tương đối với nhiều máy thu đồng thời. Các nguồn sai số như sai số quỹ đạo vệ tinh, ảnh hưởng tầng ion, tầng đối lưu, hiện tượng đa tuyến và trượt chu kỳ được phân tích và xử lý bằng các mô hình và kỹ thuật hiệu chỉnh phù hợp.

2. Lưới khống chế địa chính: Lưới tọa độ địa chính được xây dựng theo các cấp độ khác nhau (cơ sở, cấp I, cấp II) với các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về độ chính xác vị trí và độ cao. Mô hình lưới tam giác dày đặc, chuỗi tam giác và tứ giác được áp dụng để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống. Các chỉ tiêu kỹ thuật như sai số trung phương vị trí điểm không vượt quá 5 cm, sai số trung phương tương đối cạnh 1:50.000 được tuân thủ theo quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Các khái niệm chính bao gồm: định vị tuyệt đối và định vị tương đối trong GPS, sai số DOP (Delution Of Precision), bình sai lưới bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất, hệ tọa độ WGS-84 và hệ quy chiếu VN-2000, cũng như các kỹ thuật đo GPS tĩnh, tĩnh nhanh và động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được khai thác từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc, kết hợp với số liệu đo đạc thực địa bằng công nghệ GPS tại các khu vực trọng điểm như thành phố Vĩnh Yên và huyện Vĩnh Tường. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 51 điểm địa chính cấp I và 171 điểm cấp II tại Vĩnh Yên, cùng 100 điểm tại huyện Vĩnh Tường.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Trimble Geomatics Office (TGO) để xử lý số liệu GPS, bao gồm module WAVE cho xử lý cạnh và module Network Adjustment cho bình sai lưới bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất. Các tiêu chí đánh giá bao gồm tỷ lệ lời giải FIX, chỉ số RATIO > 1,5, sai số RMS và Reference Variance theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Mô hình Geoid EGM2008 được áp dụng để chuyển đổi độ cao ellipsoid sang độ cao thủy chuẩn.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2000 đến 2010, tập trung vào việc kiểm tra, đánh giá lưới địa chính đã xây dựng và so sánh hiệu quả giữa phương pháp đo đường chuyền truyền thống và công nghệ GPS trong việc thành lập lưới đo vẽ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ ổn định lưới địa chính thành phố Vĩnh Yên: Qua kiểm tra 9 điểm trong tổng số 51 điểm cấp I, sai số trung phương vị trí điểm yếu nhất là 0,05 m, sai số trung phương tương đối cạnh yếu nhất đạt tỷ lệ 1/499.669, vượt yêu cầu kỹ thuật. Sai số phương vị nhỏ nhất đạt 0,01 giây, cho thấy lưới địa chính được thành lập bằng phương pháp đường chuyền có độ ổn định cao.

2. Độ ổn định lưới địa chính huyện Vĩnh Tường sử dụng GPS: Kiểm tra 15 điểm trong tổng số 100 điểm, kết quả bình sai lưới GPS cho thấy tỷ lệ lời giải FIX đạt trên 90%, sai số trung phương vị trí điểm nhỏ hơn 0,03 m, sai số tương đối cạnh đạt tỷ lệ 1/1.000.000, cho thấy công nghệ GPS nâng cao đáng kể độ chính xác và ổn định so với phương pháp truyền thống.

3. So sánh độ chính xác và hiệu quả kinh tế giữa hai phương pháp lập lưới đo vẽ: Lưới đo vẽ bằng công nghệ GPS có sai số trung bình vị trí điểm khống chế đo vẽ sau bình sai không vượt quá 0,1 mm tính theo tỷ lệ bản đồ, trong khi phương pháp đường chuyền có sai số lớn hơn khoảng 30%. Về chi phí, đơn giá thành lập lưới khống chế đo vẽ bằng GPS thấp hơn 20-25% so với phương pháp đường chuyền, đồng thời thời gian thi công giảm khoảng 40%.

4. Khó khăn và tồn tại: Một số điểm gốc trong lưới địa chính truyền thống có độ ổn định kém do mất mốc hoặc ảnh hưởng môi trường, cần được loại bỏ hoặc xử lý lại trong quá trình bình sai. Việc áp dụng công nghệ GPS đòi hỏi đầu tư thiết bị và đào tạo nhân lực chuyên sâu.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định công nghệ GPS là công cụ hiệu quả trong việc kiểm tra, đánh giá và xây dựng hệ thống lưới địa chính với độ chính xác và ổn định vượt trội so với phương pháp đường chuyền truyền thống. Việc sử dụng phần mềm xử lý số liệu hiện đại như Trimble Geomatics Office giúp tối ưu hóa quá trình bình sai, giảm thiểu sai số do các nguồn gây nhiễu như tầng ion, đa tuyến và trượt chu kỳ.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả tương đồng với báo cáo của ngành trắc địa quốc tế về ưu thế của GPS trong đo đạc bản đồ tỷ lệ lớn và rất lớn. Việc áp dụng GPS không chỉ nâng cao chất lượng bản đồ địa chính mà còn góp phần giảm chi phí, thời gian thi công, phù hợp với xu hướng hiện đại hóa công tác quản lý đất đai.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sai số trung phương vị trí điểm và chi phí thi công giữa hai phương pháp, cũng như bảng tổng hợp tỷ lệ lời giải FIX và RATIO trong bình sai lưới GPS.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi công nghệ GPS trong xây dựng lưới đo vẽ địa chính: Đẩy mạnh ứng dụng GPS thay thế phương pháp đường chuyền truyền thống nhằm nâng cao độ chính xác và giảm chi phí thi công. Thời gian thực hiện trong vòng 2 năm, chủ thể là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc phối hợp với các đơn vị đo đạc chuyên nghiệp.

2. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân lực: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ GPS và phần mềm xử lý số liệu cho cán bộ kỹ thuật nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống đo đạc mới. Thời gian đào tạo kéo dài 6-12 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu địa chính thực hiện.

3. Xây dựng quy trình kiểm tra, đánh giá định kỳ hệ thống lưới địa chính: Thiết lập quy trình kiểm tra định kỳ 5 năm/lần để phát hiện và xử lý kịp thời các điểm gốc có độ ổn định kém, đảm bảo chất lượng bản đồ địa chính luôn được duy trì. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý địa chính địa phương.

4. Đầu tư trang thiết bị hiện đại và phần mềm xử lý số liệu: Cập nhật, nâng cấp thiết bị GPS đa tần số và phần mềm xử lý số liệu tiên tiến nhằm tăng độ chính xác và hiệu quả công tác đo đạc. Kế hoạch đầu tư trong 3 năm, do Sở Tài nguyên và Môi trường chủ trì phối hợp với các nhà cung cấp thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cán bộ quản lý đất đai và địa chính: Nghiên cứu giúp nâng cao hiểu biết về công nghệ GPS và phương pháp xây dựng lưới địa chính hiện đại, hỗ trợ công tác quản lý và quy hoạch đất đai chính xác hơn.

2. Chuyên gia và kỹ sư trắc địa: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật đo GPS, xử lý số liệu và bình sai lưới, giúp cải tiến quy trình đo đạc và nâng cao chất lượng sản phẩm bản đồ.

3. Các đơn vị đo đạc và tư vấn xây dựng: Tham khảo để áp dụng công nghệ GPS trong thi công lưới đo vẽ, tối ưu chi phí và thời gian, đồng thời đảm bảo độ chính xác kỹ thuật theo quy định.

4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành quản lý đất đai, trắc địa: Là tài liệu học tập và nghiên cứu thực tiễn về ứng dụng công nghệ GPS trong lĩnh vực địa chính, giúp nâng cao năng lực chuyên môn và cập nhật xu hướng công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ GPS có ưu điểm gì so với phương pháp đường chuyền truyền thống trong xây dựng lưới địa chính?
   GPS cung cấp độ chính xác cao hơn, giảm sai số do ảnh hưởng môi trường, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí vận hành. Ví dụ, tại Vĩnh Phúc, sai số trung bình vị trí điểm đo bằng GPS nhỏ hơn 0,03 m so với 0,05 m của phương pháp truyền thống.

2. Làm thế nào để xử lý các sai số do tầng ion và đa tuyến trong đo GPS?
   Sử dụng máy thu GPS hai tần số để giảm ảnh hưởng tầng ion, áp dụng mô hình khí quyển như mô hình Hopfield và tránh vị trí đo gần các vật thể phản xạ để giảm đa tuyến. Phần mềm xử lý số liệu cũng hỗ trợ hiệu chỉnh các sai số này.

3. Thời gian đo đạc bằng GPS cần thiết để đạt độ chính xác cao là bao lâu?
   Thời gian đo tĩnh tương đối thường từ 1 giờ trở lên để thu đủ dữ liệu và đạt lời giải FIX với độ chính xác cỡ cm. Thời gian đo nhanh có thể rút ngắn xuống 8-30 phút tùy điều kiện vệ tinh và khoảng cách đo.

4. Có thể áp dụng công nghệ GPS cho các khu vực đô thị đông đúc không?
   Có thể, nhưng cần bố trí điểm đo hợp lý, tránh các vật cản cao tầng và nguồn phát sóng mạnh gây nhiễu. Việc chêm dày điểm đo trong khu dân cư giúp đảm bảo độ chính xác và ổn định của lưới.

5. Chi phí đầu tư ban đầu cho công nghệ GPS có cao không?
   Chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị GPS và phần mềm xử lý có thể cao hơn phương pháp truyền thống, nhưng về lâu dài tiết kiệm chi phí vận hành, giảm thời gian thi công và nâng cao chất lượng bản đồ, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể.

Kết luận

• Ứng dụng công nghệ GPS trong kiểm tra và xây dựng lưới địa chính tại tỉnh Vĩnh Phúc nâng cao đáng kể độ chính xác và tính ổn định của hệ thống lưới so với phương pháp đường chuyền truyền thống.
• Sai số trung phương vị trí điểm đo bằng GPS đạt dưới 0,03 m, trong khi phương pháp truyền thống là khoảng 0,05 m, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo quy định.
• Việc sử dụng GPS giúp giảm chi phí thi công lưới đo vẽ khoảng 20-25% và rút ngắn thời gian thi công khoảng 40%, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý đất đai.
• Đề xuất triển khai rộng rãi công nghệ GPS, đào tạo nhân lực và đầu tư trang thiết bị hiện đại nhằm hiện đại hóa công tác đo đạc địa chính tại Vĩnh Phúc trong vòng 2-3 năm tới.
• Khuyến khích các cơ quan quản lý, đơn vị đo đạc và nghiên cứu sinh ngành quản lý đất đai, trắc địa tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng công tác bản đồ địa chính.

Hành động tiếp theo là tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu và xây dựng kế hoạch đầu tư thiết bị GPS hiện đại nhằm triển khai đồng bộ giải pháp kỹ thuật đã đề xuất, góp phần phát triển bền vững công tác quản lý đất đai tại tỉnh Vĩnh Phúc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 1. Khái quát chung Từ những năm 60 của thế kỷ 20, cơ quan hàng không và vũ trụ (NASA) cùng với Quân ñội Hoa Kỳ ñã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn ñường và ñịnh vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống ñịnh vị dẫn ñường bằng vệ tinh thế hệ ñầu tiên là hệ thống TRANSIT.

Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt ñộng theo nguyên tắc Doppler. Hệ TRANSIT ñược sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau ñó TRANSIT bắt ñầu ứng dụng trong trắc ñịa. Việc thiết lập mạng lưới ñiểm ñịnh vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT.

Tuy nhiên, hệ thống này không thoả mãn ñược các ứng dụng ño ñạc thông dụng như ño ñạc bản ñồ, các công trình dân dụng. Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT. Hệ thống ñịnh vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra ñời có tên là NAVSTAR – GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging – Global Positoning System) gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái ñất theo những quỹ ñạo xác ñịnh.

ðộ chính xác ñịnh vị bằng hệ thống này ñược nâng cao về chất so với hệ TRANSIT. Nhược ñiểm về thời gian quan trắc ñã ñược khắc phục. Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS ñang hoạt ñộng còn có hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hoá rộng rãi) và một hệ thống tương lai sẽ cạnh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của cộng ñồng Châu Âu. Ở Việt Nam, phương pháp ñịnh vị vệ tinh ñã ñược ứng dụng từ những năm ñầu thập kỷ 90.

Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban ñầu sau một thời gian ngắn ñã lập xong lưới khống chế ở những vùng ñặc biệt khó khăn mà từ trước ñến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên, thượng nguồn Sông Bé, Cà Mau. Những năm sau ñó công nghệ GPS ñóng vai trò quyết ñịnh trong việc ño lưới cấp “0” lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ n - 4 - trùm lãnh thổ (gần 30.000ñiểm) và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác. Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc ñịa bản ñồ là trong công tác ño lưới khống chế. Hiện nay hệ thống GPS vẫn ñang phát triển ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị ño) và phần mềm (Chương trình xử lý số liệu), ñược ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc ñịa bản ñồ, trắc ñịa công trình dân dụng và các công tác ñịnh vị khác theo chiều hướng ngày càng ñơn giản, hiệu quả.

Cấu trúc hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là ðoạn (Segment): - ðoạn không gian (Space Segment), - ðoạn ñiều khiển (Control Segment), - ðoạn người sử dụng (User Segment).1 ðoạn không gian ðoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các quỹ ñạo xác ñịnh quanh trái ñất. Vệ tinh ñược ñưa vào bay trong 6 mặt phẳng quỹ ñạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích ñạo trái ñất, mỗi mặt phẳng quỹ ñạo có 4 hoặc 5 vệ tinh (xem hình 1. Qũy ñạo vệ tinh gần hình tròn, ở ñộ cao 12.200 km), chu kỳ 718 phút. Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa ñẩy ñể ñiều chỉnh quỹ ñạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 Hình 1.1: Sơ ñồ quỹ ñạo năm.

vệ tinh hệ thống GPS 1.2 ðoạn ñiều khiển ðoạn ñiều khiển là 5 trạm mặt ñất phân bố ñều quanh trái trong ñó 1 trạm chủ (Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station). Trạm chủ ñặt tại căn cứ không quân Falcon ở Colorado Sping, bang Colorado, USA là nơi nhận, xử lý tín hiệu thu ñược từ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi.a : Sơ ñồ ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS Sau khi số liệu GPS ñược thu thập, xử lý, toạ ñộ và ñộ lệch ñồng hồ của từng vệ tinh ñược tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi.b : Sơ ñồ truyền tín hiệu của ðoạn ñiều khiển 1.3 ðoạn người sử dụng ðoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể ñặt cố ñịnh trên mặt ñất hay gắn trên các phương tiện chuyển ñộng như ñi bộ, ñi xe ñạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo… n - 6 - Tín hiệu vệ tinh ñược thu qua anten máy thu. Cấu tạo anten ñẳng hướng của máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng.

Tâm pha của anten là ñiểm thu tín hiệu và là ñiểm xác ñịnh toạ ñộ. Tuỳ theo mục ñích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực ñịa. Tín hiệu GPS Tín hiệu vệ tinh là sóng ñiện từ. Sóng ñiện từ ñược dùng cho mục ñích ño ñạc có những thông số ñặc trưng, ñược nghiên cứu, thử nghiệm ñảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt về ñộ chính xác, tính ổn ñịnh và yêu cầu kỹ thuật khác.

Về mặt vật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản ñó là bước sóng, tần số và các mã ñiều biến trên sóng tải.1 Tần số cơ bản Tần số cơ bản của sóng truyền tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS là f0=10.2 Các thông tin ñiều biến Việc xử dụng tín hiệu mã hoá cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt ñộng mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát ñi một mã giải ngẫu nhiên riêng biệt. Máy thu GPS nhận dạng ñược tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu không xác ñịnh của không gian bao quanh trạm ño, ñiều ñó cho phép tín hiệu GPS không ñòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏ hơn, kinh tế hơn. Có 3 loại mã ñiều biến trên sóng tải ñó là: C/A. + C/A Code – mã sơ bộ Mã C/A là mã giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, phát ñi với tần số 1.

Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1/1000 giây. Mỗi vệ tinh ñược gán 1 mã C/A.Code riêng biệt.Code chỉ ñược ñiều biến trên sóng tải L1. Phương trình giải mã C/A không bảo mật do vậy mã C/A.Code thông dụng trong nhiều máy thu dân sự dung ñể dẫn ñường và lập bản ñồ tỷ lệ nhỏ.Code – mã chính xác P.Code là mã giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai phát ñi với tần số cơ bản f0=10. Mã này tạo bởi nhiều chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên.

Tín hiệu này lặp lại với tần suất 267 ngày. Chu n - 7 - kỳ 267 ngày chia thành 38 ñoạn 7 ngày, trong ñó 6 ñoạn dành riêng cho mục ñích vận hành. Mỗi một ñoạn 7 ngày còn lại ñược gán mã phân biệt cho từng vệ tinh.Code cũng sử dụng cho mục ñích ứng dụng ño ñạc quân sự có ñộ chính xác cao.Code là mã bảo mật của P.Code chỉ thuộc về người sử dụng có thẩm quyền. Vì vậy khi kích hoạt Y.Code thì người dung sẽ không có khẳ năng sử dụng cả P.

Việc sử dụng Y.Code ñược coi là mã bảo mật ( Anti-Spoofing) của người chủ hệ thống GPS.3 Các loại sóng tải của hệ thống GPS Tín hiệu phục vụ cho việc ño ñạc bằng hệ thống GPS ñược ñiều biến sóng tải có các ñộ dài bước sóng khác nhau. ðó là các thong tin về thời gian và vị trí của vệ tinh. Mỗi vệ tinh có mã riêng phát trên 2 tần số tải. - Sóng tải có bước sóng L1~19cm với tần số 54*f0=1575,42 MHz - Sóng tải có bước sóng L2~24,4cm với tần số 120*f0=1227,60 MHz Mã C/A Code chỉ ñiều biến trên sóng tải L1, Mã chính xác P.Code ñiều biến cả hai sóng tải L1 và L2.

Các trị ño GPS Trị ño GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận ñược từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dung cho việc ño ñạc chia thành 2 nhóm bao gồm: + Nhóm trị ño Code: -C/A. + Nhóm trị ño pha: -L1-Carrier, -L2-Carrier, -Tổ hợp L1/L2. Các trị ño này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp ñể xác ñịnh khoảng cách ñến từng vệ tinh.

Trị ño Code (C/A Code và P.Code) Trong trường hợp này, máy thu nhận mã ñược phát ñi từ vệ tinh, so sánh với tín hiệu tương tự mà máy thu tạo ra nhằm xác ñịnh ñược thời gian tín hiệu lan n - 8 - truyền từ vệ tinh tới máy thu và từ ñó khoảng cách từ máy thu ñến các vệ tinh ñược xác ñịnh bằng công thức: D=c.1) Trong ñó: -c là vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng)= 299792458 m/s, -t là thời gian truyền tín hiệu, -δt là lượng hiệu chỉnh so sai số sự không ñồng bộ ñồng hồ máy thu và vệ tinh, -δ là lượng hiệu chỉnh do môi trường. Việc xác ñịnh theo trị ño Code có thể diễn tả như hình 1.4 Thời gian truyền sóng Hình 1.4 : Sơ ñồ cơ chế xác ñịnh thời gian truyền tín hiệu GPS (theo [TL-07]) 1. Nguyên lý ñịnh vị GPS ðịnh vị là việc xác ñịnh vị trí ñiểm cần ño. Tuỳ thuộc vào ñặc ñiểm cụ thể của việc xác ñịnh tọa ñộ người ta chia thành 2 loại hình ñịnh vị cơ bản: ðịnh vị tuyệt ñối và ñịnh vị tương ñối.1 ðịnh vị tuyệt ñối (ñịnh vị ñiểm ñơn) Khác biệt hẳn so với các phương pháp ño ñạc truyền thống, việc ñịnh vị một ñiểm nào ñó không cần ñến các trị ño góc, cạnh thông thường mà sử dụng các trị ño Code và trị ño pha nêu trên.

Khi ñặt máy ở ñiểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách tương ứng từ máy thu ñến các vệ tinh ñược xác ñịnh và toạ ñộ của ñiểm ño ñược xác ñịnh trong hệ toạ ñộ GPS. n - 9 - Nguyên lý ñịnh vị ñiểm ñặt anten máy thu ñược mô tả như hình 1.5: Sơ ñồ nguyên lý ñịnh vị ñiểm ñơn ðây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết toạ ñộ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng ñến máy thu.