Tổng quan nghiên cứu

Trong tiến trình hiện đại hóa ngành đo đạc và bản đồ tại Việt Nam, công tác đo nối khống chế ảnh phục vụ thành lập bản đồ địa hình bằng ảnh hàng không đóng vai trò nền tảng, quyết định trực tiếp đến độ chính xác của toàn bộ quy trình biên tập và thành lập bản đồ. Theo định hướng phát triển hạ tầng trắc địa quốc gia giai đoạn 2016 - 2020, Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Quốc phòng đã triển khai xây dựng mạng lưới trạm định vị vệ tinh hoạt động liên tục với hơn 100 trạm GNSS CORS phủ trùm toàn quốc, bao gồm 65 trạm thuộc dự án dân sự và 35 trạm phục vụ nhiệm vụ quân sự. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu khi số lượng trạm vận hành thực tế mới chỉ dừng lại ở 7 trạm cơ sở, khoảng cách từ trạm tham chiếu đến khu vực đo vẽ thường rất lớn, vượt quá 500 km.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là làm thế nào để tận dụng dữ liệu từ các trạm GNSS CORS cố định nhằm thay thế các điểm tọa độ, độ cao gốc truyền thống trong công tác đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp, trong bối cảnh chưa có văn bản quy phạm kỹ thuật cụ thể hướng dẫn khai thác. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định quy trình công nghệ, tính toán bình sai và đánh giá độ chính xác tọa độ mặt phẳng, độ cao của lưới khống chế ảnh phục vụ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 tại khu vực tỉnh Quảng Bình.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên lưới gồm 11 điểm trắc địa, trong đó sử dụng số liệu của 2 trạm CORS quốc gia là NARS và DNRS kết hợp với 9 điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, việc ứng dụng thành công dữ liệu GNSS CORS giúp giảm tới 40% chi phí nhân công và thời gian đo dẫn mốc gốc ngoài thực địa, đồng thời đảm bảo sai số mặt phẳng đạt 0,13 m (nhỏ hơn nhiều so với hạn ngạch cho phép 2,5 m) và sai số độ cao dưới 1,0 m theo đúng quy chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai nền tảng lý thuyết cốt lõi của ngành trắc địa hiện đại:

Thứ nhất, lý thuyết định vị vệ tinh GNSS tương đối xử lý sau bằng trị đo pha sóng tải (Carrier Phase Differential GNSS). Phương pháp này triệt tiêu các sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và giảm thiểu sai số truyền tín hiệu qua tầng đối lưu, tầng điện ly thông qua các tổ hợp vi phân bậc hai (Double Difference).

Thứ hai, mô hình mạng lưới trạm tham chiếu hoạt động liên tục (CORS). Hệ thống CORS thu nhận liên tục tín hiệu từ các chòm vệ tinh GPS, GLONASS và Galileo với tần suất 1 giây/lần (1 Hz), hoạt động 24/7 với độ ổn định mốc trắc địa cấp quốc gia.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được áp dụng xuyên suốt gồm:

  • Trạm tham chiếu hoạt động liên tục (CORS): Trạm định vị vệ tinh cố định thu thập dữ liệu quan trắc liên tục và truyền về máy chủ trung tâm.
  • Đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp: Quy trình xác định tọa độ (X, Y) và độ cao (H) của các điểm chi tiết rõ nét trên ảnh bay chụp để làm cơ sở nắn ảnh và tăng dày tam giác ảnh không gian.
  • Sai số trung phương vị trí điểm (mp) và sai số trung phương độ cao (mh): Các chỉ số thống kê đánh giá độ chính xác của mạng lưới sau khi bình sai theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất trong hệ tọa độ VN-2000 và hệ độ cao Nhà nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm chất lượng cao thu nhận trong năm 2016 và 2017, bao gồm tệp dữ liệu đo tĩnh định dạng RINEX từ 2 trạm CORS NARS và DNRS do Cục Bản đồ - Bộ Tổng Tham mưu quản lý, cùng số liệu đo thực địa bằng máy thu GNSS 2 tần số trên 9 điểm khống chế ảnh ký hiệu từ CN-12 đến CN-29 tại tỉnh Quảng Bình.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 11 điểm phân bố trên diện tích thực nghiệm thuộc tỉnh Quảng Bình. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích theo đồ hình khối tăng dày ảnh hàng không chuẩn, đảm bảo mỗi điểm khống chế đều nằm ở vị trí địa vật rõ nét, có độ phủ từ 3 đến 5 vệt bay và khoảng cách từ khu đo tới 2 trạm gốc CORS là hơn 500 km.

Phương pháp phân tích được lựa chọn là giải véc-tơ cạnh đáy không gian độc lập, kết hợp bình sai lưới tự do và bình sai ràng buộc chặt chẽ trong hệ quy chiếu WGS-84, sau đó chuyển đổi sang Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ Quốc gia VN-2000 kinh tuyến trục 106 độ, múi chiếu 3 độ. Lý do lựa chọn phương pháp đo tĩnh tương đối xử lý sau với 3 kịch bản thời gian quan trắc (90 phút, 120 phút và 150 phút) là vì đây là giải pháp toán học duy nhất bảo đảm độ hội tụ đa trị nguyên sóng tải khi chiều dài cạnh đáy vượt quá 500 km, nơi các phương pháp đo động thời gian thực NRTK không thể bao phủ tín hiệu hiệu chỉnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán, bình sai và phân tích số liệu thực nghiệm trên 11 điểm tại khu vực tỉnh Quảng Bình mang lại các phát hiện cụ thể:

Thứ nhất, về độ chính xác mặt phẳng, cả 3 phương án thời gian ca đo đều đạt kết quả xuất sắc. Sai số trung phương vị trí mặt phẳng (mp) của toàn bộ 9 điểm khống chế ảnh ở phương án 1 (150 phút) đạt mức trung bình 0,13 m. Khi giảm thời gian đo xuống 120 phút (phương án 2) và 90 phút (phương án 3), sai số mp có tăng nhẹ nhưng dao động từ 0,15 m đến 0,38 m. Tất cả các giá trị này đều nhỏ hơn rất nhiều so với ngưỡng sai số cho phép là 2,5 m (tương đương 0,1 mm theo tỷ lệ bản đồ 1:25.000 ở vùng quang đãng), đạt độ vượt chuẩn an toàn hơn 84%.

Thứ hai, về độ chính xác độ cao, thời gian ca đo đóng vai trò quyết định. Phương án 1 (150 phút) cho độ chính xác cao nhất với sai số mh tại các điểm khống chế đạt từ 0,815 m (điểm CN-23) đến 0,950 m (điểm CN-12), hoàn toàn đáp ứng chỉ tiêu nhỏ hơn hoặc bằng 1,0 m theo quy định. Phương án 2 (120 phút) ghi nhận sai số độ cao tiệm cận ngưỡng cho phép nhưng vẫn đạt yêu cầu kỹ thuật trên 100% số điểm. Ngược lại, phương án 3 (90 phút) cho kết quả sai số độ cao vượt quá 1,0 m tại nhiều vị trí, không đủ điều kiện nghiệm thu thành lập bản đồ địa hình 1:25.000.

Thứ ba, nghiên cứu phát hiện ra mối tương quan phi tuyến giữa thời gian thu tín hiệu và độ chính xác cạnh đáy dài trên 500 km. Việc tăng thời gian đo từ 120 phút lên 150 phút chỉ làm tăng độ chính xác độ cao thêm khoảng 12% đến 15%, nhưng việc rút ngắn thời gian từ 120 phút xuống 90 phút làm sai số độ cao tăng vọt hơn 35%, dẫn đến mất ổn định trong việc giải số nguyên đa trị pha sóng tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự chênh lệch lớn về độ chính xác độ cao giữa các ca đo là do ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly trên các cạnh đáy siêu dài (trên 500 km). Trong khoảng thời gian 90 phút, sự thay đổi hình học của đồ hình vệ tinh chưa đủ lớn để phần mềm tách bạch hoàn toàn sai số độ trễ khí quyển khỏi thành phần độ cao của trạm đo. Khi kéo dài ca đo lên 120 phút và 150 phút, số lượng trị đo pha tăng gấp 1,3 đến 1,6 lần, giúp thuật toán bình sai ước lượng chính xác các tham số khí quyển, cố định thành công số nguyên đa trị.

So với phương pháp đo nối truyền thống sử dụng đường chuyền trắc địa cấp 2 kết hợp thủy chuẩn kỹ thuật nối từ mốc độ cao Nhà nước cách xa hàng chục kilômét, giải pháp tích hợp trạm CORS giúp cắt giảm 50% thời gian thi công thực địa và loại bỏ hoàn toàn sai số tích lũy qua các trạm máy trung gian.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu được tổng hợp và hiển thị rõ ràng qua hệ thống 8 bảng số liệu chuyên dụng, tiêu biểu như Bảng so sánh tọa độ X, Y, Bảng sai số vị trí điểm mp, Bảng so sánh độ cao và sai số độ cao mh. Bên cạnh đó, sơ đồ đồ hình lưới khống chế ảnh gồm 11 điểm kết nối trực tiếp với 2 trạm NARS và DNRS giúp trực quan hóa cấu trúc véc-tơ không gian của khu vực thực nghiệm tỉnh Quảng Bình.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuẩn hóa việc ứng dụng công nghệ trạm tham chiếu liên tục vào sản xuất thực tế, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, ban hành Thông tư hướng dẫn kỹ thuật khai thác trạm GNSS CORS quốc gia. Bộ Tài nguyên và Môi trường cần chủ trì, phối hợp với Cục Bản đồ - Bộ Tổng Tham mưu xây dựng quy chuẩn kỹ thuật cho công tác đo nối khống chế trắc địa và khống chế ảnh bằng dữ liệu CORS trong giai đoạn 2018 - 2020. Mục tiêu là thiết lập bộ chỉ tiêu sai số chuẩn cho từng loại tỷ lệ bản đồ từ 1:2.000 đến 1:50.000.

Thứ hai, áp dụng quy chuẩn thời gian ca đo tối thiểu 120 phút cho cạnh đáy dài. Các doanh nghiệp đo đạc và bản đồ khi thực hiện đo nối điểm khống chế ảnh bằng máy thu GNSS 2 tần số ở khoảng cách trên 500 km so với trạm CORS phải duy trì thời gian quan trắc liên tục tối thiểu 120 phút. Giải pháp này bảo đảm độ chính xác mặt phẳng đạt dưới 0,5 m và độ cao đạt dưới 1,0 m, đáp ứng 100% yêu cầu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000.

Thứ ba, đẩy nhanh tiến độ hoàn thiện hạ tầng mạng lưới 100 trạm CORS toàn quốc. Các cơ quan quản lý cần tích hợp đồng bộ 65 trạm CORS dân sự và 35 trạm CORS quân sự trước năm 2020, rút ngắn khoảng cách trung bình giữa các trạm xuống còn 50 km đến 80 km. Khoảng cách này sẽ cho phép ứng dụng phương pháp Network RTK (VRS, FKP, MAC), rút ngắn thời gian đo tại mỗi điểm khống chế ảnh xuống chỉ còn 1 đến 3 phút.

Thứ tư, mở rộng thử nghiệm thực nghiệm trên các tỷ lệ bản đồ lớn. Các viện nghiên cứu chuyên ngành và trường đại học cần triển khai đo đạc kiểm chứng đối với bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000, 1:5.000 và 1:2.000 tại các vùng địa hình phức tạp, đồi núi hiểm trở nhằm tối ưu hóa thời gian đo từ 30 đến 60 phút khi mật độ trạm CORS dày đặc hơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, các kỹ sư trắc địa - bản đồ và đơn vị sản xuất đo đạc ngoại nghiệp: Sử dụng luận văn như một tài liệu hướng dẫn quy trình thực hành đo tĩnh kết hợp số liệu CORS, tối ưu hóa thời gian quan trắc ngoài thực địa cho các dự án bay chụp ảnh địa hình tỷ lệ 1:25.000.

Thứ hai, cơ quan quản lý nhà nước về đo đạc và bản đồ (Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường): Khai thác cơ sở dữ liệu và kết quả bình sai thực nghiệm để xây dựng các văn bản quy phạm pháp luật, định mức kinh tế - kỹ thuật trong việc cung cấp và chia sẻ dữ liệu GNSS CORS.

Thứ ba, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ: Tham khảo khung lý thuyết chuyên sâu về xử lý dữ liệu vệ tinh đa hệ thống, các phương pháp bình sai lưới cạnh dài và kỹ thuật chuyển đổi tọa độ WGS-84 sang VN-2000.

Thứ tư, lực lượng đo đạc quân sự thuộc Bộ Quốc phòng: Ứng dụng mô hình khai thác 35 trạm DGNSS/CORS quân sự trong việc thành lập bản đồ chuyên đề phục vụ quốc phòng, an ninh và diễn tập tác chiến trên các địa bàn chiến lược.

Câu hỏi thường gặp

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ những trạm CORS nào và khoảng cách đến khu đo là bao nhiêu? Nghiên cứu sử dụng số liệu đo liên tục từ 2 trạm GNSS CORS cơ sở là NARS và DNRS do Cục Bản đồ - Bộ Tổng Tham mưu quản lý. Khoảng cách không gian từ 2 trạm này đến khu vực thực nghiệm tại tỉnh Quảng Bình là hơn 500 km, tạo thành đồ hình cạnh đáy siêu dài trong xử lý dữ liệu vệ tinh.

Tại sao thời gian ca đo 90 phút không đáp ứng được yêu cầu thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000? Khi đo tĩnh với cạnh đáy trên 500 km trong 90 phút, sự biến thiên hình học vệ tinh chưa đủ để phân tách triệt để sai số độ trễ tầng đối lưu và tầng điện ly. Hậu quả là sai số trung phương độ cao mh vượt quá ngưỡng cho phép 1,0 m, dù sai số mặt phẳng mp vẫn đạt yêu cầu.

Thời gian quan trắc tối ưu được khuyến nghị cho công tác đo khống chế ảnh trong điều kiện trạm CORS xa là bao nhiêu? Thời gian quan trắc tối ưu được khuyến nghị là 120 phút. Mốc thời gian này đảm bảo sai số mặt phẳng đạt khoảng 0,15 m và sai số độ cao dưới 1,0 m, vừa thỏa mãn đầy đủ tiêu chuẩn kỹ thuật bản đồ 1:25.000, vừa tiết kiệm 20% thời gian đứng máy so với ca đo 150 phút.

Lưới thực nghiệm 11 điểm tại Quảng Bình đạt độ chính xác mặt phẳng thực tế như thế nào? Sau khi bình sai trong hệ tọa độ VN-2000, sai số trung phương vị trí mặt phẳng mp của 9 điểm khống chế ảnh dao động từ 0,13 m đến 0,38 m trên cả 3 phương án. Kết quả này vượt xa tiêu chuẩn quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường là 2,5 m.

Dữ liệu của các trạm GNSS CORS có thể thay thế hoàn toàn các mốc tọa độ và độ cao Nhà nước truyền thống không? Hoàn toàn có thể thay thế. Khi mạng lưới CORS quốc gia hoàn thiện với hơn 100 trạm vào năm 2020, các kỹ sư chỉ cần đặt máy thu tại điểm khống chế ảnh mà không cần dẫn đo từ mốc mặt đất, giúp loại bỏ phụ thuộc vào mốc bị mất hoặc hư hỏng.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh tính khả thi tuyệt đối của việc ứng dụng dữ liệu trạm GNSS CORS trong công tác đo nối khống chế ảnh phục vụ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 tại khu vực tỉnh Quảng Bình.
  • Xác lập cơ sở khoa học khẳng định ca đo 120 phút là ngưỡng thời gian tối ưu cho cạnh đáy trên 500 km, đảm bảo sai số mặt phẳng đạt 0,15 m và sai số độ cao dưới 1,0 m.
  • Đóng góp nguồn số liệu thực nghiệm giá trị từ 11 điểm trắc địa, phục vụ trực tiếp cho việc xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khai thác trạm CORS tại Việt Nam.
  • Đề xuất lộ trình đồng bộ hóa hơn 100 trạm CORS dân sự và quân sự đến năm 2020 nhằm phổ cập công nghệ đo động mạng lưới NRTK trong sản xuất bản đồ.
  • Các đơn vị sản xuất và nhà nghiên cứu cần tiếp tục ứng dụng quy trình xử lý dữ liệu này cho các tỷ lệ bản đồ lớn hơn để tối ưu hóa năng suất và giảm giá thành đo đạc bản đồ số.