Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu và bình sai hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cấu trúc của luận án gồm 4 chương được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về thiết kế tối ưu và xử lý số liệu lưới khống chế tọa độ trắc địa. Chương 2: Thiết kế tối ưu hỗn hợp lưới trắc địa tự do mặt đất - GPS Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ước lượng vững để xử lý và phân tích số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS. Chương 4: Thực nghiệm thiết kế tối ưu và xử lý số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu và bình sai hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LƯU ANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ BÌNH SAI HỖN HỢP LƯỚI TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LƯU ANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ BÌNH SAI HỖN HỢP LƯỚI TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số : 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH. HOÀNG NGỌC HÀ HÀ NỘI - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi. Các số liệu tính toán và kết quả nghiên cứu trình bày trong Luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Luận án LƯU ANH TUẤN
ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ TỌA ĐỘ TRẮC ĐỊA ................................................................ 5 1.1 Tổng quan về lưới khống chế trắc địa .................................................................... 5 1.1.1 Tổng quan về lưới khống chế trắc địa ngoài nước ......................................... 5 1.1.2 Tổng quan và thực trạng về xây dựng lưới khống chế trắc địa ở Việt Nam ......... 7 1.2 Tổng quan về thiết kế tối ưu lưới trắc địa ............................................................. 12 1.2.1 Tổng quan thiết kế tối ưu ngoài nước ............................................................ 12 1.2.2 Tổng quan thiết kế tối ưu trong nước ............................................................ 14 1.2.3 Xu hướng và giải pháp thiết kế tối ưu lưới trắc địa lớn trong điều kiện Việt Nam ................................................................................................ 15 1.3 Tổng quan các phương pháp xử lý số liệu lưới trắc địa có chứa sai số thô ................... 15 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .................................................................. 15 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................. 19 1.3.3. Xu hướng và giải pháp xử lý, phân tích lưới trắc địa trong điều kiện Việt Nam ........................................................................................................ 21 Chương 2: THIẾT KẾ TỐI ƯU HỖN HỢP LƯỚI TRẮC ĐỊA TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS .................................................................................................................. 23 2.1 Bài toán tối ưu tổng quát ....................................................................................... 23 2.2 Tiêu chuẩn chất lượng của lưới khống chế ........................................................... 25 2.2.1 Độ chính xác cục bộ....................................................................................... 25 2.2.2 Độ chính xác tổng thể .................................................................................... 27 2.2.3 Tiêu chuẩn độ tin cậy của lưới ....................................................................... 27 2.3 Một số phương pháp thiết kế tối ưu ...................................................................... 30 2.3.1 Phương pháp giải tích .................................................................................... 30 2.3.2 Phương pháp nhờ sự trợ giúp của máy tính ................................................... 30 2.4. Đề xuất thiết kế tối ưu loại hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS theo mức đo thừa của đại lượng đo .................................................................................................. 31 2.4.1. Lựa chọn mô hình bài toán thiết kế tối ưu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS........ 31
iii 2.4.2 Quy trình ước tính độ chính xác hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS.............. 36 2.4.3 Khảo sát vai trò của các đại lượng đo theo mức đo thừa trong thiết kế tối ưu ....................................................................................................................... 37 Chương 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG VỮNG ĐỂ XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU HỖN HỢP LƯỚI TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS ........................................................................................................ 45 3.1 Khái quát ước lượng vững .................................................................................... 45 3.2. Phân tích một số phương pháp ước lượng vững ............................................................ 45 3.2.1. Nguyên tắc ước lượng tự nhiên lớn nhất của ước lượng vững ..................... 46 3.2.2 Phương pháp thay thế chọn trọng số ước lượng vững ................................... 46 3.2.3 Phương pháp bình phương nhỏ nhất lặp ....................................................... 49 3.3 Đề xuất sử dụng hàm trọng số ước lượng vững cho hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS ...................................................................................... 51 3.4 Xây dựng mô hình bài toán ước lượng vững cho hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS có chứa sai số thô. ....................................................................................................... 54 3.4.1. Bình sai lưới GPS trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm .............. 54 3.4.2. Chuyển đổi ma trận hiệp phương sai từ hệ tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) sang hệ tọa độ phẳng (x, y, h) ......................................................... 57 3.4.3 Ước lượng phương sai các trị đo hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS trong hệ tọa độ vuông góc phẳng ............................................................................ 57 3.4.4. Quy trình các bước ước lượng vững hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS trong hệ tọa độ vuông góc phẳng ............................................................................ 58 3.4.5 Sơ đồ khối các phương pháp xử lý và phân tích hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS có chứa sai số thô. .................................................................................. 62 3.4.6. Khảo sát độ chính xác một số phương pháp ước lượng vững ...................... 62 Chương 4: THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU HỖN HỢP LƯỚI TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS ....................................................................... 73 4.1. Xây dựng chương trình ........................................................................................ 73 4.1.1. Ngôn ngữ lập trình - VB.NET ...................................................................... 73 4.1.2. Sơ đồ khối và các mudul của chương trình .................................................. 73 4.2. Tính toán thực nghiệm ......................................................................................... 78
iv 4.2.1.Thiết kế tối ưu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS theo mức đo thừa ............ 78 4.2.2 Thực nghiệm tính toán bình sai, phân tích hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS ..... 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN ........................................................ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 96 PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................ 101 PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................ 117 PHỤ LỤC 3 ................................................................................................................ 129
v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 ARGN Australian Regional GPS Lưới GPS khu vực của Network Australia 2 CORS Continuously Operating Trạm tham chiếu/quy chiếu Reference Stations hoạt động liên tục 3 DGPS Differential Global GPS vi phân Positioning Systems 4 GALILEO Europeʼs Global Satellite Hệ thống định vị toàn cầu Navigation System của Châu Âu 5 GLONASS Global Satellite Hệ thống định vị toàn cầu Navigation System của Nga 6 GNSS Global Navigation Hệ thống vệ tinh dẫn Satellite Systems đường toàn cầu 7 GPS Global Positioning Hệ thống định vị toàn cầu System của Mỹ 8 IGS International GNSS Dịch vụ hệ thống vệ tinh Service dẫn đường toàn cầu quốc tế 9 ITRF International Terrestrial Khung quy chiếu Trái đất Reference Frame quốc tế 10 WGS - 84 World Geodetic System- Hệ tọa độ trắc địa toàn cầu 1984
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Mức đo thừa các đại lượng đo lưới thực nghiệm Lạng Sơn 39 Bảng 2.2: Mức đo thừa các đại lượng đo lưới thực nghiệm Bắc Ninh 40 Bảng 2.3: So sánh độ chính xác của các phương án thiết kế tối ưu lưới lưới 42 thực nghiệm Lạng Sơn Bảng 2.4: So sánh độ chính xác của các phương án thiết kế tối ưu lưới thực 43 nghiệm Bắc Ninh Bảng 3.1: Độ lệch số hiệu chỉnh của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 66 ( trị đo là 21 góc và 13 baseline) Bảng 3.2: Độ lệch số hiệu chỉnh của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 68 ( trị đo là 21 góc, 7 cạnh và 6 baseline) Bảng 4.1: So sánh các phương án thiết kế tối ưu lưới Lạng Sơn 80 (đại lượng đo là góc và GPS) Bảng 4.2: So sánh các phương án thiết kế tối ưu lưới Lạng Sơn 80 (đại lượng đo là góc, cạnh và GPS) Bảng 4.3: So sánh các phương án thiết kế tối ưu lưới Bắc Ninh 81 (đại lượng đo là góc và GPS) Bảng 4.4: Kết quả bình sai lưới Lạng Sơn theo phương án thiết kế tối ưu 81 ( trị đo là 8 góc,5 baseline) Bảng 4.5: Kết quả bình sai lưới Lạng Sơn theo phương án thiết kế tối ưu 81 ( trị đo là 21 góc,4 baseline) Bảng 4.6: Phát hiện sai số thô của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 82 ( trị đo là 8 góc,5 baselines) Bảng 4.7: Phát hiện sai số thô của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 82 ( trị đo là 21 góc,4 baseline) Bảng 4.8: Ảnh hưởng của sai số thô đến các trị đo hỗn hợp lưới tự do mặt 83 đất - GPS( trị đo là 21 góc,13 baseline) Bảng 4.9: Phát hiện sai số thô của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 85 ( trị đo là 21 góc,13 baseline)
vii Bảng 4.10: Độ lệch tọa độ sau bình sai của phương pháp bình sai với trị đo 90 “sạch” và mô hình chuẩn Bảng 4.11: Ảnh hưởng của 1 số trị đo chứa sai số thô đến các trị đo trong 117 hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS( trị đo là 21 góc, 13 cạnh và 13 baseline) Bảng 4.12: Phát hiện sai số thô của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS( trị đo 120 là 21 góc, 13 cạnh và 13 baseline) Bảng 4.13: Ảnh hưởng của 1 số trị đo chứa sai số thô đến các trị đo trong 122 lưới đường chuyền mặt đất - GPS có 2 góc chứa sai số thô Bảng 4.14: Ảnh hưởng của 1 số trị đo chứa sai số thô đến các trị đo trong 124 lưới đường chuyền mặt đất - GPS có 2 trị đo chứa sai số thô Bảng 4.15: Phát hiện sai số thô cho lưới đường chuyền mặt đất - GPS có 2 125 góc chứa sai số thô Bảng 4.16: Phát hiện sai số thô cho lưới đường chuyền mặt đất - GPS có 1 127 góc và 1trị đo GPS chứa sai số thô Bảng 4.17: Độ lệch tọa độ sau bình sai của phương pháp bình sai với trị đo 129 “sạch” và mô hình chuẩn ( trị đo là 21 góc,13 baseline) Bảng 4.18: Độ lệch tọa độ sau bình sai của phương pháp bình sai với trị đo 129 “sạch” và mô hình chuẩn ( trị đo là 21 góc,13 cạnh, 13 baseline) Bảng 4.19: Độ lệch tọa độ sau bình sai của phương pháp bình sai với trị đo 130 “sạch” và mô hình chuẩn (lưới đường chuyền)
viii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ Trang Biểu đồ 3.1: Độ lệch số hiệu chỉnh của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 70 ( trị đo là 21 góc, 7 cạnh và 6 baseline) Biểu đồ 4.1: Phát hiện sai số thô của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 82 ( trị đo là 21 góc,4 baseline) Biểu đồ 4.2: Phát hiện sai số thô của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 88 ( trị đo là 21 góc,13 baseline) Biểu đồ 4.3: Độ lệch số hiệu chỉnh của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 91 ( trị đo là 8 góc, 5baseline) Biểu đồ 4.4: Độ lệch số hiệu chỉnh của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 91 ( trị đo là 21 góc, 4 baseline) Biểu đồ 4.5: Độ lệch số hiệu chỉnh của hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 91 ( trị đo là 21 góc, 13 baseline) Biểu đồ 4.6: Độ lệch số hiệu chỉnh của lưới đường chuyền 91 ( trị đo là 8 góc, 9 cạnh, 5 baseline)
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết kế tối ưu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS 35 Hình 2.2: Sơ đồ lưới thực nghiệm Lạng Sơn 38 Hình 2.3 Sơ đồ lưới thực nghiệm Bắc Ninh 39 Hình 3.1. Sơ đồ khối phương pháp ước lượng vững theo phương pháp thay 53 thế trọng số Hình 3.2. Sơ đồ khối phương pháp 1 64 Hình 3.3: Sơ đồ khối phương pháp 2 65 Hình 4.1: Hình ảnh cửa sổ giao diện modul xử lý số liệu GPS 74 Hình 4.2: Hình ảnh cửa sổ giao diện modul thiết kế tối ưu 74 Hình 4.3: Hình ảnh cửa sổ giao diện modul xử lý số liệu 76
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công tác xử lý số liệu trắc địa nói chung hay bình sai lưới trắc địa nói riêng là một trong các nhiệm vụ quan trọng trong công tác trắc địa. Khi xây dựng các mạng lưới trắc địa, chúng ta phải tiến hành đo các đại lượng đo và kết quả không thể tránh khỏi sai số đo, xử lý các trị đo có chứa sai số như thế nào để tìm được trị đáng tin cậy nhất của đại lượng cần xác định, do đó cần phải thực hiện bài toán bình sai lưới trắc địa. Từ đầu thế kỷ XIX, A.M. Legendre và C.F. Gauss đề xuất phương pháp bình sai lưới tam giác theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất với các trị đo trong lưới chỉ chứa sai số ngẫu nhiên. Tiếp theo đó là các nhà khoa học F.Helmert, O.Schreiber, N.A. Urmaev, I.IU.Pranhic - Pranhevich, A. Bjerhammar, W.Baran, Markuze Y.I.….đã có nhiều đóng góp phát triển lý thuyết bình sai. Các bài toán bình sai theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất có thể coi là các bài toán bình sai kinh điển, khi các trị đo trong lưới chỉ chứa sai số ngẫu nhiên. Tuy nhiên, trong thực tế đo đạc và lưu trữ dữ liệu các trị đo luôn tồn tại cả sai số ngẫu nhiên và sai số thô. Lý thuyết bình sai hiện đại đã và đang nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của sai số thô đến kết quả sau bình sai và phương pháp xử lý. Trong thực tế đo đạc, số liệu trắc địa thu được đã qua thống kê và phân tích cho thấy, xác suất xuất hiện sai số thô chiếm khoảng từ 1% ÷10% (Tukey, 1962) [51]. Sai số thô thường có giá trị rất lớn so với sai số ngẫu nhiên, nên khi xử lý số liệu trắc địa sai số thô ảnh hưởng rất lớn đến kết quả bình sai. Một trong những phương pháp hữu hiệu được các nhà khoa học nghiên cứu để xử lý sai số thô là phương pháp ước lượng vững (Robust Estimation), tên gọi này do G.E.P.Box đề xuất năm 1953 [24]. Hơn thế nữa, công nghệ tính toán của máy tính điện tử kết hợp với thuật toán ước lượng vững đã giúp nhiều nhà khoa học nghiên cứu và công bố nhiều thành quả khoa học quan trọng. Ví dụ, Huber [32],[33],[34], Tukey [51], Rousseeuw P.J, Leroy A.M [46], Hampel [31], Krarup T, K. Kubik [37], Koch, K. R [39],[40],[41], … Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đo đạc với nhiều thiết bị đo đạc hiện đại có độ chính xác cao, trong đó công nghệ GNSS được coi là bước
2 đột phá trong ngành trắc địa và bản đồ. Với ưu điểm vượt trội của mình, công nghệ GNSS đã có đóng góp quan trọng trong công tác xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ của các nước trên thế giới. Đặc biệt, ở Việt Nam công nghệ GNSS nói chung và công nghệ GPS nói riêng đã có những đóng góp quan trọng trong xây dựng và hoàn thiện các mạng lưới tọa độ quốc gia, xây dựng hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN - 2000. Ngoài ra, công nghệ GNSS kết hợp công nghệ đo đạc truyền thống tạo thành mạng lưới hỗn hợp mặt đất - GPS đã và đang là giải pháp hữu hiệu đáp ứng được yêu cầu độ chính xác cao phục vụ công tác quan trắc biến dạng hay xây dựng các công trình thủy điện…Do đó, thực tế đòi hỏi phương pháp xử lý số liệu phù hợp trong điều kiện Việt Nam. Tuy nhiên, vấn đề phân tích chất lượng lưới trắc địa có nhiều loại trị đo khác nhau ở Việt Nam gần như chưa có nghiên cứu nào đề cập. Trong luận án đã nghiên cứu thiết kế tối ưu theo mức đo thừa của đại lượng đo và ứng dụng phương pháp ước lượng vững (Robust estimation) để phân tích hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS kể cả trong trường hợp có chứa sai số thô. Các nghiên cứu này cho phép phân tích kết quả bình sai nhất là đối với mạng lưới lớn. Việc áp dụng các thành tựu của toán học thống kê cho phép mở rộng phân tích các kết quả bình sai tường minh và trực quan mà các phương pháp kinh điển không đề cập. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mô hình bài toán thiết kế tối ưu và ước lượng vững để xử lý và phân tích số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS kể cả trong trường hợp có chứa sai số thô. - Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp thiết kế tối ưu và xử lý, phân tích số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS trong điều kiện Việt Nam. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu, xử lý và phân tích loại hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS cho một số mạng lưới trắc địa lớn ở Việt Nam. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tổng quan công tác xây dựng lưới trắc địa ở Việt Nam. - Nghiên cứu các phương pháp thiết kế tối ưu lưới trắc địa, đề xuất thiết kế tối ưu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS theo mức đo thừa của đại lượng đo.
3 - Nghiên cứu các phương pháp xử lý số liệu lưới trắc địa khi trị đo có chứa sai số thô. - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ước lượng vững, đề xuất sử dụng hàm trọng số Huber mở rộng để xử lý và phân tích lưới trắc địa lớn loại hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS trong điều kiện Việt Nam. - Nghiên cứu lập chương trình máy tính, phục vụ thiết kế tối ưu và xử lý số liệu. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tra cứu: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng Internet và thư viện. - Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương tiện và các tiện ích, thu thập các tài liệu liên quan để giải quyết các vấn đề liên quan. - Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý các số liệu liên quan. - Phương pháp so sánh: Tổng hợp kết quả, so sánh và đánh giá và đưa ra các kết luận về các vấn đề đặt ra. - Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu, đánh giá kiểm tra độ chính xác của thuật toán đưa ra. - Phương pháp chuyên gia: Tiếp thu ý kiến người hướng dẫn, tham khảo ý kiến các nhà khoa học, đơn vị sản xuất, các đồng nghiệp về các vấn đề trong nội dung luận án. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: - Các kết quả nghiên cứu về thiết kế tối ưu và xử lý, phân tích số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS kể cả có chứa sai số thô góp phần phát triển lý thuyết thiết kế tối ưu và xử lý số liệu các mạng lưới trắc địa lớn có nhiều loại trị đo khác nhau ở Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: - Các kết quả nghiên cứu về thiết kế tối ưu, xử lý và phân tích số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS nhằm phục vụ công tác cải tạo, xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ trắc địa Việt Nam và một số lưới trắc địa chuyên dùng. 6. Các luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Thiết kế tối ưu theo mức đo thừa của đại lượng đo là phù hợp cho lưới trắc địa lớn loại hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS ở Việt Nam.
4 - Luận điểm 2: Ứng dụng phương pháp ước lượng vững với lựa chọn hàm trọng số phù hợp là giải pháp hiệu quả để xử lý, phân tích lưới trắc địa tự do mặt đất - GPS kể cả trong trường hợp trị đo có chứa sai số thô. 7. Các điểm mới của luận án - Đề xuất được phương pháp thiết kế tối ưu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS theo mức đo thừa của đại lượng đo. - Ứng dụng được phương pháp ước lượng vững để xử lý, phân tích số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS kể cả trong trường hợp trị đo có chứa sai số thô. - Đã xây dựng được chương trình máy tính thiết kế tối ưu, phân tích và xử lý số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS kể cả trong trường hợp trị đo có chứa sai số thô. 8. Cấu trúc và nội dung luận án Cấu trúc của luận án gồm ba phần: 1. Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án, đưa ra các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án. 2. Phần nội dung được trình bày trong 4 chương Chương 1: Tổng quan về thiết kế tối ưu và xử lý số liệu lưới khống chế tọa độ trắc địa. Chương 2: Thiết kế tối ưu hỗn hợp lưới trắc địa tự do mặt đất - GPS Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ước lượng vững để xử lý và phân tích số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS. Chương 4: Thực nghiệm thiết kế tối ưu và xử lý số liệu hỗn hợp lưới tự do mặt đất - GPS. 9. Lời cảm ơn Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn khoa học GS. TSKH Hoàng Ngọc Hà đã tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành các nội dụng của luận án. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong bộ môn Trắc địa phổ thông và Sai số, Khoa trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Phòng sau đại học, các đồng nghiệp… đã có sự giúp đỡ quý báu để tác giả hoàn thiện nội dung của luận án.
5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ TỌA ĐỘ TRẮC ĐỊA 1.1 Tổng quan về lưới khống chế trắc địa 1.1.1 Tổng quan về lưới khống chế trắc địa ngoài nước Các nước trên thế giới cũng đã trải qua các giai đoạn xây dựng và phát triển mạng lưới tọa độ trắc địa với những phương pháp đo đạc khác nhau như: phương pháp đo thiên văn, phương pháp tam giác, phương pháp đa giác, phương pháp tam giác đo cạnh, phương pháp tam giác đo góc, phương pháp tam giác đo góc - cạnh, phương pháp ứng dụng công nghệ GNSS…. Hà Lan được xem là nước đầu tiên trên thế giới ứng dụng lưới trắc địa tam giác đo góc để xây dựng mạng lưới tọa độ, tiếp sau đó là các nước Liên Xô, Mỹ, Ấn Độ. Phương pháp tam giác được dùng để xây dựng và phát triển mạng lưới tọa độ của các quốc gia theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ, từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp. Lưới tam giác thường được thiết kế tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi quốc gia, ví dụ những nước có diện tích rộng như Nga, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ thường thiết lưới dạng các khóa tam giác kết nối thành một mạng lưới lớn, còn các nước có diện tích nhỏ lưới tam giác được xây dựng dạng lưới tam giác dày đặc. Từ những năm 1950, công nghệ đo dài phát triển, do đó lưới trắc địa thường dùng phương pháp đo góc - cạnh hay đo cạnh. Tuy nhiên khoảng cách đo của thiết bị đo cạnh không được lớn và yêu cầu quy trình đo cạnh khá phức tạp do phải dựng tiêu cao để thông hướng, do đó khó có thể xây dựng các mạng lưới trắc địa cạnh dài hàng 100km có độ chính xác cao. Vào những năm 1970, công nghệ trắc địa vệ tinh ra đời, đặc biệt là hệ thống vệ tinh Doppler đã góp phần tạo nên cuộc cách mạng trong công nghệ đo đạc. Đầu những năm 1980, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được sử dụng trong xây dựng các mạng lưới tọa độ trắc địa. Công nghệ GPS ra đời được coi là một cuộc cách mạng trong ngành đo đạc, nó có vai trò quan trọng nhằm cải tạo, tăng dày và hoàn chỉnh xây dựng các mạng lưới tọa độ quốc gia dựa trên sự kết hợp trị đo GPS với các trị đo theo công nghệ truyền thống và xây dựng các mạng lưới mới trắc địa. Ngoài ra, công nghệ
6 GPS có một vai trò to lớn trong việc đo nối mạng lưới tọa độ quốc gia của nhiều nước trên thế giới với hệ tọa độ trắc địa toàn cầu WGS - 84, tạo nên sự hòa nhập các mạng lưới trong khu vực cũng như đo nối mạng lưới tọa độ quốc gia của mỗi nước với nhau. Đến nay đã xác lập được sự chuyển đổi qua lại khoảng 185 hệ tọa độ của các nước trên thế giới với hệ tọa độ WGS - 84. Bên cạnh đó, các hệ thống vệ tinh được phát triển mạnh mẽ như GALILEO của Châu Âu, GLONASS của Nga, Beidou - 2(Bắc Đẩu - 2) của Trung Quốc đã tạo ra Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) và có ứng dụng to lớn trong công tác trắc địa. Trong lĩnh vực thành lập lưới trắc địa, nhiều nước đã ứng dụng thành công công nghệ GPS rất sớm, ví dụ Mỹ, Đức, Trung Quốc…bên cạnh đó, một số nước thuộc khu vực Châu Á - Thái Bình Dương cũng đã ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng và hoàn thiện mạng lưới khống chế tọa độ quốc gia. Năm 1983, CHLB Đức đã ứng dụng công nghệ GPS xây dựng mạng lưới tọa độ trắc địa ở Eifel. Ở Mỹ nhiều mạng lưới được xây dựng bằng công nghệ GPS như Pennsylvania, Montgomery…. Năm 1992-1993, bằng công nghệ GPS, Indonesia đã xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ quốc gia cấp "0" (Zero order GPS control network) gồm 60 điểm rải đều trên các đảo lớn của đất nước. Lưới cấp 0 này được bình sai trong hệ quy chiếu mặt đất quốc tế 91 (ITRF) và chuyển về hệ WGS - 84. Lưới cấp "0" là mạng lưới khống chế có độ chính xác cao nhất làm cơ sở để phát triển mạng lưới hạng I. Các điểm lưới hạng I được đặt trên từng huyện, đến nay đã xây dựng xong 252 điểm trên các đảo lớn như: Sumatra - 40 điểm, Sulaweisi - 36 điểm, Kalimantan - 26 điểm và 150 điểm ở các đảo Java, Timor, Nusa, Tengara và được đo bằng công nghệ GPS. Năm 1949, New Zealand công bố hệ tọa độ quốc gia (gọi là hệ quy chiếu trắc địa New Zealand - NZGSD - 49), sau đó đã hoàn chỉnh lại và gọi tên là hệ 93 (NZGDS-93). Năm 1993, New Zealand đã kiểm tra lại hệ tọa độ quốc gia bằng cách sử dụng 6 máy thu GPS 2 tần số đo 30 điểm song trùng với các điểm của lưới khống chế tọa độ cũ.
7 Australia đã sử dụng công nghệ GPS thành lập 9 điểm phủ trùm lãnh thổ, các điểm này tạo thành lưới gọi là lưới chuẩn của Australia. Lưới chuẩn này tiếp tục được tăng dày thêm 60 điểm GPS tạo thành lưới quốc gia Australia. Ngoài ra, để nâng cao độ chính xác các mạng lưới tọa độ hạng I, II, III vốn được thành lập bằng công nghệ truyền thống, Australia đã đo bổ sung các trị đo GPS và bình sai hỗn hợp mạng lưới mặt đất - GPS. Bằng công nghệ GPS Việt nam đã giúp Lào xây dựng mạng lưới toạ độ cơ sở gồm 25 điểm, mạng lưới toạ độ hạng II khu vực Viên Chăn và Nam Lào gồm 66 điểm. Các mạng lưới này có độ chính xác rất cao và làm cơ sở để phát triển các mạng lưới khống chế tọa độ cấp thấp hơn phủ trùm lãnh thổ Lào. Ngày nay, các mạng lưới tọa độ trắc địa không ngừng được phát triển và hoàn thiện, bên cạnh các mạng lưới thụ động (Passive Control Networks) còn có các mạng lưới tích cực (Active Control Networks). Mạng lưới tích cực ra đời đã góp phần tạo ra những nghiên cứu mới về khoa học như nghiên cứu Trái đất theo quan điểm động với lý thuyết kiến tạo mảng trong địa động học, chuyển động của vỏ Trái đất. Nhiều nước trên thế giới đã triển khai rất sớm xây dựng lưới GNSS CORS như: Mỹ, Nga, Trung Quốc, Châu Âu, Australia……ví dụ lưới GNSS CORS của Australia, tiếp theo lưới GPS (ARGN) từ năm 2007 - 2012 chính phủ Australia xây dựng khoảng 100 trạm GNSS CORS được phân bố trên lãnh thổ thông qua chiến lược phát triển cơ sở hạ tầng quốc gia đồng thời phục vụ và hỗ trợ các lĩnh vực như nông nghiệp, khai thác mỏ…Ngoài ra một số nước ở khu vự Đông Nam Á cũng đã xây dựng lưới GNSS CORS như Thái Lan, Indonesia, Malaysia… 1.1.2 Tổng quan và thực trạng về xây dựng lưới khống chế trắc địa ở Việt Nam Mạng lưới tọa độ quốc gia Việt Nam là một mạng lưới thống nhất phủ trùm toàn bộ lãnh thổ, lãnh hải Việt Nam và được xây dựng trong thời gian dài với các điều kiện, công nghệ khác nhau [13]. Ví dụ, lưới tam giác hạng I và hạng II ở Miền Bắc (1959), lưới tam giác hạng I Bình - Trị - Thiên (1977 - 1983), lưới tam giác hạng II Miền Trung (1983), lưới đường chuyền hạng II nam Bộ, lưới DOPLER vệ tinh(1987 - 1988)… Một trong những giải pháp đột phá và hiệu quả là ứng dụng công nghệ GNSS vào công tác xây dựng lưới trắc địa ở Việt Nam. Từ năm 1991 - 1993, công
8 nghệ GPS đã được ứng dụng xây dựng lưới một số khu vực như lưới khu vực Minh Hải gồm 15 điểm, trong đó có 5 điểm trùng với lưới đường truyền hạng II Miền Tây Nam Bộ và 10 điểm mới được xây dựng dạng tam giác dày đặc, mỗi tam giác tạo thành từ 3 điểm đặt máy GPS. Chiều dài cạnh ngắn nhất là 10 km, dài nhất là 40 km (trung bình 25 km). Độ chính xác sau bình sai, sai số trung phương tương đối cạnh mS S từ 1/550 000 đến 1/1 600 00. Lưới khu vực Sông bé gồm 37 điểm cũng được xây dựng dạng tam giác dày đặc, trong đó có 8 điểm trùng với lưới tam giác Đắc Lắc - Lâm Đồng, lưới đường chuyền hạng II Đông Nam Bộ và lưới tam giác Đồng Nai. Chiều dài cạnh ngắn nhất 13 km, dài nhất 42 km (trung bình 27 km). Độ chính xác sau bình sai mS S =(1/550 000  1/1 600 000) hay lưới khu vực Tây Nguyên gồm 65 điểm thiết kế cũng giống như hai mạng lưới trên, trong đó có 6 điểm trùng với lưới tam giác hạng I Bình - Trị - Thiên, hạng II Quảng Nam - Đà Nẵng - Nghĩa Bình. Chiều dài cạnh ngắn nhất 10 km, dài nhất 45 km (trung bình 30 km).Độ chính xác sau bình sai mS S đạt thấp nhất từ (1/765 000  1/3120 000). Năm 1992 Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước đã tiến hành xây dựng lưới trắc địa biển bằng công nghệ GPS đo cạnh dài. Mạng lưới được bố trí 36 điểm bao gồm: 9 điểm thuộc các mạng lưới tam giác, đường chuyền dọc theo bờ biển, 9 điểm trên các đảo lớn như Bạch Long Vỹ, Cô Tô, Hòn Ngư, Cồn Cỏ, Phú Quý, Côn Đảo, Hòn Khoai, Thổ Chu, Phú Quốc và 18 điểm trên đảo Trường Sa. Mạng lưới có cấu trúc lưới tam giác dày đặc. Năm 1993 Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước đã đo lưới GPS cạnh dài nhằm nối một số điểm trong các lưới tam giác, đường chuyền từ Bắc đến Nam. Mạng lưới cạnh dài gồm 10 điểm trùng với các điểm trên mặt đất đã xây dựng. Giai đoạn ứng dụng công nghệ GNSS xây dựng lưới cấp “0” và xây dựng hệ quy chiếu tọa độ quốc gia(1995 - 2000). Mạng lưới GPS cấp “0” được xây dựng nhằm mục đích kiểm tra chất lượng của các lưới hạng I và hạng II đã xây dựng, kết nối thống nhất và tăng cường độ chính xác cho các lưới này xác định hệ quy chiếu quốc gia, xây dựng lưới điểm tọa độ Nhà nước, nghiên cứu biến động vỏ trái đất, chuyển dịch lục địa và để đo nối với lưới tọa độ khu vực và quốc tế. Lưới được thiết kế 69 điểm bao gồm: 68 điểm trùng với các điểm hạng I và hạng II đã đo, một điểm
9 mới ở Hà Nội. Trong quá trình thi công, một số điểm bị mất mốc nên tổng số lượng điểm của lưới cuối cùng có 56 điểm trùng với các điểm tọa độ cũ và 13 điểm mới. Cạnh của lưới có chiều dài trung binh là 70 km. Ngoài ra còn đo nối nhiều điểm tọa độ quan trọng với nhau, ví dụ như: Hà Nội - Quảng Bình, Hà Nội - Đà Nẵng, Hà Nội - Nha Trang, Hà Nội - Tp Hồ Chí Minh...Các mạng lưới được liên kết tạo thành một mạng lưới tổng thể có kết cấu vững chắc về đồ hình. Tháng 8 năm 1997 Nhà nước đã tiến hành xây dựng Hệ Tọa độ Quốc gia, tại một số điểm trên lãnh thổ đã tiến hành đo tọa độ tuyệt đối trong hệ WGS - 84 để kết nối với hệ tọa độ quốc tế. Các điểm đó được phân bố đều trên toàn lãnh thổ Việt Nam như: ở Hà Nội, Lào Cai, Hải Ninh, Đồng Hới, Đà Nẵng, Nha Trang và TP Hồ Chí Minh. Để đáp ứng yêu cầu định vị ellipsoid quy chiếu địa phương và xây dựng mô hình Geoid, đầu năm 1998 đã tiến hành đo nối 40 điểm chuẩn hạng I và II phân bố đều trên lãnh thổ với lưới GPS cấp “0”. Năm 1998 điểm tọa độ Quốc gia N00 đã được xây dựng tại khuôn viên của Viện Nghiên cứu Địa chính, Hà Nội. Điểm N00 được đo nối thủy chuẩn hạng III và đo nối tọa độ với 6 điểm tam giác hạng I quanh khu vực Hà Nội theo công nghệ GPS cạnh ngắn. Năm 1999, ellipsoid quy chiếu của Việt Nam được lựa chọn và định vị phù hợp với điều kiện Việt Nam với điểm gốc Noo đặt tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ và 25 điểm cơ sở phục vụ cho việc định vị. Lưới GPS cấp “0” đã được đo nối với lưới IGS quốc tế. Từ ngày 12 tháng 7 năm 2000, hệ quy chiếu và và hệ tọa độ VN - 2000 đã được đưa vào sử dụng và thống nhất trong cả nước thay thế cho hệ tọa độ HN - 72. Giai đoạn ứng dụng công nghệ GNSS hiện đại hóa một số mạng lưới mạng lưới khống chế tọa độ: Ví dụ, từ năm 1994 - 2004, lưới địa chính cơ sở được xây dựng để phục vụ công tác đo đạc bản đồ địa chính và các công tác trắc địa khác thuộc phạm vi khu vực của địa phương. Lưới bao gồm 12631 điểm phủ trùm toàn quốc để thay thế lưới hạng III và hạng IV cũ. Các điểm của lưới là các mốc của lưới hạng III và IV cũ và các điểm mới, chiều dài cạnh từ 3km đến 5 km và được đo