Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS và GIS để xây dựng lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính xã đạo trù, huyện tam đảo, tỉnh vĩnh phúc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TRẦN VĂN LIỄU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS
VÀ GIS ĐỂ XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ
VÀ ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH XÃ ĐẠO TRÙ,
HUYỆN TAM ĐẢO, TỈNH VĨNH PHÚC
Ngành: Quản lý đất đai
Mã số: 60 85 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI

Người hướng dẫn khoa học: TS. Phan Đình Binh

Thái Nguyên - 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 12 năm 2014
Tác giả luận văn

Trần Văn Liễu

ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Đình Binh - Phó Trưởng
Khoa Quản lý Tài nguyên, Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên - người đã
hướng dẫn, giúp đỡ rất tận tình trong thời gian tôi học tập tại trường và hoàn thành
luận văn tốt nghiệp cao học.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Quản lý Tài nguyên,
Phòng Quản lý đào tạo Sau đại học đã giảng dạy, đóng góp ý kiến, tạo điều kiện
cho tôi học tập và hoàn thành luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc,
Đảng ủy – HĐND - UBND xã Vân Trục, huyện Lập Thạch, tỉnh Vĩnh Phúc cùng
các anh chị đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình công tác và hoàn thành
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy – HDND - UBND xã Đạo Trù, huyện Tam
Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc đã cung cấp cho tôi tư liệu, tài liệu, số liệu trong suốt quá
trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn bố, mẹ, vợ, người thân trong gia đình và bạn bè đã
làm chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi học tập và công tác.

Tác giả luận văn

Trần Văn Liễu


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ....................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 1
2. Mục đích và yêu cầu nghiên cứu ..................................................................... 2
2.1. Mục đích ...................................................................................................... 2
2.2. Yêu cầu........................................................................................................ 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ....................................... 2
3.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 2
3.2. Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................... 3
Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .......................................................... 4
1.1. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS).................................................................. 4
1.1.1. Sự hình thành của hệ thống GPS ............................................................ 4
1.1.2. Cấu trúc của hệ thống GPS..................................................................... 5
1.1.3. Các phương pháp đo GPS .....................................................................12
1.1.4. Độ chính xác của một số máy thu GPS..................................................18
1.1.5. Tình hình ứng dụng GPS trong thu thập dữ liệu không gian ..................19
1.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ...................................................................21
1.2.1. Mục đích ứng dụng của GIS..................................................................23
1.2.2. Các đặc điểm hệ thống thông tin địa lý..................................................24
1.2.3. Các ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý...........................................24
1.2.4. Lợi ích và những hạn chế của việc sử dụng kỹ thuật GIS ......................25
1.2.5. Một số ứng dụng của GIS ở Việt Nam ..................................................25
1.3. Những vấn đề chung về bản đồ địa chính ....................................................27
1.3.1. Định nghĩa bản đồ địa chính..................................................................27
1.3.2. Nội dung bản đồ địa chính ....................................................................27

1.3.3. Phân mảnh bản đồ địa chính..................................................................33
Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................37
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................37


iv

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................37
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu...............................................................................37
2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................37
2.3. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................38
2.3.1. Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu...........................................38
2.3.2. Phương pháp trắc địa vệ tinh và biên tập bản đồ....................................38
2.3.3. Phương pháp chuyên gia, chuyên khảo..................................................38
2.3.4. Phương pháp thống kê thông tin, số liệu...............................................38
2.3.5. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu .................................................39
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...............................40
3.1. Khái quát điều kiện tự nhiên và kinh tế, xã hội xã Đạo Trù, huyện Tam
Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc...........................................................................................40
3.1.1. Điều kiện tự nhiên....................................................................................40
3.1.2. Điều kiện kinh tế – xã hội.........................................................................41
3.2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS và GIS để thành lập lưới khống
chế xã Đạo Trù, huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc ..............................................43
3.2.1. Điều tra nội nghiệp................................................................................43
3.2.2. Xây dựng lưới khống chế đo vẽ.............................................................46
3.3. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS và GIS để đo vẽ bản đồ địa chính
xã Đạo Trù, huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc.....................................................53
3.3.1. Đo vẽ chi tiết bằng máy GPS ................................................................53
3.3.2. Ứng dụng GIS biên tập bản đồ địa chính...............................................54
3.3.3. Kiểm tra, nghiệm thu các cấp ................................................................67

3.3.4. Đóng gói và nộp tài liệu ........................................................................68
3.4. Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ
GPS và GIS trong thành lập lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính ..............69
3.4.1. Đánh giá độ chính xác ..............................................................................69
3.4.2. Hiệu quả kinh tế....................................................................................71
3.4.3. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ
GPS và GIS trong thành lập lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính ...........72
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................73
1. Kết luận .........................................................................................................73
2. Kiến nghị .......................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................74


v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNQSDĐ

: Chứng nhận quyền sử dụng đất

CSDL

: Cơ sở dữ liệu

DGPS

: Đo GPS cải chính phân sai (DGPS- Differential GPS)

ĐGHC

: Địa giới hành chính

GPS

: Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)

GIS

: Hệ thống thông tin địa lý (Geographyic Information Systems)

PDOP

: Độ suy giảm độ chính xác vị trí điểm (Posittion Dilution of Precision)

PPK

: Đo động xử lý sau (Post Processing Kinematic)

RGSDĐ

: Ranh giới sử dụng đất

RTK

: Đo động thời gian thực (Real Time Kinematic)

THCS

: Trung học cơ sở

TKKT-DT

: Thiết kế kỹ thuật - dự toán

WGS-84

: Hệ tọa độ (World Geodetic System 1984)


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Bảng 1.1. Bảng tổng hợp các phương pháp đo GPS .................................... 17
Bảng 1.2. Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy thu GPS có khả năng
đo động..................................................................................... 18
Bảng 3.1. Kết quả thu thập các loại bản đồ và sổ sách liên quan.................. 44
Bảng 3.2. Hệ thống điểm khống hế trên địa bàn xã Đạo Trù ........................ 45
Bảng 3.3. Trị đo gia số tọa độ và các chỉ tiêu sai số hệ tọa độ vuông
góc không gian, ellipsoid quy chiếu WGS84 .............................. 49
Bảng 3.4. Sai số khép tam giác GPS hệ tọa độ vuông góc không gian,
ellipsoid WGS84 ...................................................................... 49
Bảng 3.5. Trị bình sai, số hiệu chỉnh, sai số do gia số tọa độ không
gian, hệ tọa độ vuông góc không gian, ellipsoid WGS84 ........... 50
Bảng 3.6. Thành quả tọa độ vuông góc không gian sau bình sai hệ tọa
độ vuông không gian VN 2000, ellipsoid WGS84...................... 50
Bảng 3.7. Thành quả tọa độ trắc địa sai bình sai hệ tọa độ trắc địa VN
2000, ellipsoid WGS84............................................................. 51
Bảng 3.8. Thành quả tọa độ phẳng sau bình sai, hệ tọa độ phẳng VN
2000, ellipsoid WGS84, kinh tuyến trục 105 0 00' , múi

chiếu 3 0 (k=0.9999) ................................................................... 51
Bảng 3.9. Thành quả chiều dài cạnh, phương vị sau bình sai hệ tọa độ
phẳng VN 2000, ellipsoid WGS84 ............................................ 52
Bảng 3.10. Bảng số liệu đo chi tiết bằng kỹ thuật GPS................................ 53
Bảng 3.11. Các lớp thông tin (level) bản đồ địa chính xã Đạo Trù ............... 58
Bảng 3.12. Số tờ, phiên hiệu mảnh bản đồ địa chính và tọa độ góc các
khung bản đồ địa chính xã Đạo Trù............................................ 66
Bảng 3.13. Bảng tổng hợp số thửa, diện tích, số chủ sử dụng theo địa
giới hành chính xã Đạo Trù ....................................................... 67
Bảng 3.14. Sản phẩm đóng gói, giao nộp sản phẩm..................................... 68
Bảng 3.15. Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra nghiệm thu bản đồ địa
chính phần ngoại nghiệp xã Đạo Trù .......................................... 70
Bảng 3.16. Ước tính hiệu quả kinh tế của phương pháp đo lưới khống
chế và đo vẽ bản đồ địa chính bằng GPS và GIS......................... 71


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS ..................................................................... 6
Hình 1.2. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS ...................................................... 6
Hình 1.3. Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất ................................. 7
Hình 1.4. Cấu trúc tín hiệu GPS ............................................................................. 9
Hình 1.5. Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005 ......10
Hình 1.6. Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble .........................................12
Hình 1.7. Sơ đồ phân mảnh và đánh số hiệu mảnh bản đồ địa chính .....................35
Hình 3.1. Sơ đồ vị trí xã Đạo Trù...........................................................................40
Hình 3.2. Sơ đồ lưới khống đo vẽ xã Đạo Trù........................................................46
Hình 3.3. Bản đồ nền khu vực xã Đạo Trù, huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc.........55

Hình 3.4. Cửa sổ lệnh tạo mảnh bản đồ địa chính ..................................................56
Hình 3.5. Sơ đồ phân mảnh bản đồ địa chính xã Đạo Trù ......................................57
Hình 3.6. Cửa sổ lệnh đánh số thửa bản đồ địa chính.............................................59
Hình 3.7. Cửa sổ lệnh vẽ nhãn thửa bản đồ địa chính.............................................60
Hình 3.8. Cửa sổ lệnh sửa bảng nhãn thửa bản đồ địa chính ..................................61
Hình 3.9. Cửa sổ lệnh tạo hồ sơ kỹ thuật thửa đất bản đồ địa chính .......................61
Hình 3.10. Tạo khung bản đồ địa chính .................................................................62
Hình 3.11. Tạo khung bản đồ địa chính cơ sở ........................................................63
Hình 3.12. Cửa sổ cơ sở dữ liệu bản đồ địa chính ..................................................64
Hình 3.13. Cửa sổ file.txt.......................................................................................65


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất đai là tài nguyên vô cùng quan trọng trong chiến lược phát triển của mỗi
Quốc gia. Một trong những chỉ tiêu đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia đôi khi
còn được tính theo mức độ biến động trong quá trình sử dụng đất của quốc gia đó.
Việc gia tăng dân số, tốc độ đô thị hóa nhanh làm cho quỹ đất quốc gia bị biến
động. Vậy làm thế nào để quản lý đất đai hiệu quả và chặt chẽ nhất nhằm bảo vệ
quyền sở hữu nhà nước đối với đất đai? Đây là câu hỏi đặt ra cho các cấp chính
quyền mà trực tiếp là các nhà quản lý đất đai.
Trong những năm trước đây, công tác quản lý đất đai của nước ta chưa được
coi trọng, gần như bị lãng quên, gây ra nhiều tiêu cực xã hội ảnh hưởng lớn đến đời
sống nhân dân. Mặt khác, trong cơ chế thị trường ngày nay, sự tồn tại khách quan
của nhiều thành phần kinh tế kéo theo sự đa dạng của các mối quan hệ trong quản lý
và sử dụng đất.
Để có sự quản lý chặt chẽ, sử dụng hợp lý tiết kiệm nguồn tài nguyên vô giá
này, việc đổi mới công tác quản lý nhà nước về đất đai cần phải có bản đồ địa chính

và cơ sở dữ liệu về đất đai là rất cần thiết nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế
trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với mục tiêu dân giàu, nước
mạnh, xã hội công bằng, văn minh.
Hiện nay, công tác xây dựng lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính, bản đồ
địa hình tỷ lệ lớn chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp toàn đạc điện tử. Đây
là phương pháp có độ chính xác tốt, cho phép đo vẽ ở mức độ chi tiết cao nhất, tuy
nhiên có yếu điểm là phải dựa trên mạng lưới đo vẽ dày đặc và phải đảm bảo thông
hướng giữa các trạm đo dẫn đến năng suất lao động chưa cao.
Trong giai đoạn hiện nay, Việt Nam đang từng bước vững chắc đi lên cùng
với sự phát triển của nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và hội nhập quốc
tế. Song song với quá trình này là sự cải tiến, thay đổi về mặt công nghệ, các tiến bộ
khoa học kỹ thuật tiên tiến hiện đại, các dự án nghiên cứu ứng dụng của công nghệ


2

được đẩy mạnh. Do vậy, việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến, hiện đại để thành
lập lưới khống chế và đo vẽ thành lập bản đồ địa chính sẽ giúp chúng ta quy hoạch,
quản lý đất đai được tốt hơn và hợp lý hơn. Trên cơ sở đó, giúp ngành Tài nguyên
và Môi trường có thể theo dõi và đưa ra những phương pháp quản lý đất đai có hiệu
quả, độ chính xác cao nhất.
Những năm gần, đây hệ thống định vị toàn cầu GPS và GIS ngày càng phát
triển hoàn thiện với độ chính xác cao đã được ứng dụng rộng rãi trong công tác đo
đạc bản đồ, có thể xác định tọa độ của các điểm từ các điểm gốc mà không cần
thông hướng, việc đo đạc nhanh, đạt độ chính xác cao, ít phụ thuộc vào điều kiện
thời tiết, kết quả đo đạc có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệ tọa độ địa
phương và được ghi dưới dạng file số nên dễ dàng nhập vào các phần mềm đo vẽ
bản đồ hoặc các hệ thống cơ sở dữ liệu.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế và khả năng ứng dụng của công nghệ GPS và
GIS, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS

và GIS để xây dựng lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính xã Đạo Trù, huyện
Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc”.
2. Mục đích và yêu cầu nghiên cứu
2.1. Mục đích
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS và GIS để xây dựng lưới khống chế và đo
vẽ bản đồ địa chính hiện đại so với phương pháp thành lập bản đồ địa chính truyền
thống, mà trước hết là việc ứng dụng công nghệ GPS và GIS để xây dựng lưới khống
chế và đo vẽ bản đồ địa chính xã Đạo Trù, huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc.
2.2. Yêu cầu
Sử dụng một số tính năng của công nghệ GPS và GIS để xây dựng thành công
lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính xã Đạo Trù, huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh
Phúc đạt độ chính xác theo quy định, quy phạm.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
3.1. Ý nghĩa khoa học
Ý nghĩa khoa học của đề tài là ứng dụng hiệu quả công nghệ GPS và GIS
trong công tác xây dựng lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính xã Đạo Trù,
huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc.


3

3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả của đề tài tạo ra cơ sở khoa học giúp cho các đơn vị sản xuất đưa
phương pháp xây dựng lưới khống chế và đo vẽ bản đồ địa chính không những ở
một xã mà còn có thể áp dụng thực hiện ở nhiều xã (phường, thị trấn) trên địa bàn
huyện (thị, thành phố) của tỉnh. Việc phối kết hợp cả hai công nghệ GPS và GIS
trong đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính sẽ phát huy tối đa các tính năng của hai
công nghệ này.

4

Chương 1
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
1.1.1. Sự hình thành của hệ thống GPS
Từ những năm 60 của thế kỷ XX, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA)
cùng với quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ
thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn
đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT. Hệ thống này có 6 vệ
tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ thống TRANSIT được sử dụng trong
thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng
trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những
ứng dụng sớm nhất của hệ TRANSIT [1].
Tiếp sau thành công bước đầu của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ
tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing
And Ranging – Global Positioning System) gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm
24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định. Độ chính
xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao một cách đáng kể so với TRANSIT và
nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục.
Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology
Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng
vệ tinh GPS khối I. Từ năm 1978 dến 1985 có 11 vệ tinh khối I đã được phóng lên
quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc khối I đã hết hạn sử dụng. Việc phóng
vệ tinh thế hệ thứ II (khối II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh
đã được triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất với
chu kỳ 12 giờ 58 phút, ở độ cao xấp xỉ 12,600 dặm (20,200 km). Loại vệ tinh bổ
sung thế hệ III (khối IIR, IIR-M và II-F) được thiết kế thay cho những vệ tinh khối
II, cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt động trên quỹ đạo [22].

5

Gần như đồng thời với hệ thống GPS của Mỹ, Nga cũng phát triển một hệ
thống tương tự với tên gọi GLONASS (nhưng không thương mại hóa rộng rãi).
Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang
tên GALILEO, hiện đã có một số vệ tinh đã được đưa lên quỹ đạo và hệ thống dự
kiến được đưa vào sử dụng năm 2014. Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị
toàn cầu của mình mang tên BEIDOU (Bắc Đẩu) bao gồm 35 vệ tinh. Ngoài ra còn
một số hệ thống định vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi trên thế giới.
Những ứng dụng sớm nhất của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạc các
mạng lưới trắc địa mặt bằng, năm 1983 người ta đã xây dựng mạng lưới trắc địa ở
Elfel (CHLB Đức), tiếp theo đó nhiều mạng lưới khác cũng được xây dựng ở
Montgomery County, Pennsylvania (Mỹ), ... Ở Việt Nam, ngay từ những năm
1991-1992, chúng ta cũng đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng một số mạng
lưới tọa độ nhà nước hạng II ở những vùng khó khăn chưa có lưới khống chế (Minh
Hải, Tây Nguyên, ...). Sử dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa biển, kết nối đất liền
với các hải đảo trong một hệ thống tọa độ chung. Trong những năm 1995-1997,
chúng ta đã xây dựng mạng lưới GPS cấp “0”. Trên cơ sở đó thành lập hệ quy chiếu
Quốc gia mới (VN-2000) cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh
thổ (gần 30000 điểm).
Hiện nay, hệ thống GPS vẫn đang phát triển và ngày càng hoàn thiện về phần
cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được ứng dụng rộng
rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công
tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu quả [22]
1.1.2. Cấu trúc của 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 (còn gọi là đoạn – segment):
- Đoạn không gian (Space Segment).
- Đoạn điều khiển (Control Segment).

- Đoạn sử dụng (User Segment).


6

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS
1.1.2.1. Đoạn không gian
Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách
đều nhau và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Quỹ đạo
của vệ tinh gần như hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20200 km so với mặt đất,
bán kính quỹ đạo 26,600 km. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là
718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh. Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và ở
bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng
có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS - điều kiện tối thiểu để có thể định vị
được trong không gian 3 chiều [1]

Hình 1.2. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS


7

Hình 1.3. Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất
Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến
các máy thu. Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS.
Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau:
- 2 sóng tải (hay sóng mang - carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1 và L2.
- Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code
(hay Y-code).
- Thông báo định vị (navigation message).
Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác. Các đồng hồ này xung

nhịp với tần số f 0  10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh.
Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định
vị. Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này được
tính từ tần số cơ bản như sau:

f L1  154  f 0  1575.42Mhz

f L 2  120  f 0  1227.60Mhz
Từ các tần số trên, có thể tính được bước sóng của L1 và L2 như sau:


8

L1 

c
c
 24cm
 19cm L 2 
f L2
f L1

Các mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu.
Các mã này được gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống như
một mã ngẫu nhiên, nhưng trong thực tế được phát sinh ra theo một thuật toán phức
tạp mà ta có thể biểu diễn một cách đơn giản dưới dạng hàm số G = G(PRN) với
PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36. Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một mã
giả ngẫu nhiên. Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã
giả ngẫu nhiên riêng [1]. Có 2 loại mã giả ngẫu nhiên là:
- C/A-code (viết tắt của từ "clear/access code" hay "coarse/acquisition code"),

được phát đi ở tần số 1,023MHz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/Acode lại lặp lại). Chỉ có sóng tải L1 là được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này
chỉ có trong sóng L1.
- P-code (viết tắt của từ "private code" hay "precise code"), được phát đi ở tần
số 10,23MHz và có chu kỳ lặp lại là 266,4 ngày. Số 266,4 ngày này được chia thành
các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh. Như vậy, P-code
của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần. P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải là L1 và
L2. Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code được mã hóa thành Y-code
và người dùng dân sự không sử dụng được.
- Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về:
+ Lịch vệ tinh.
+ Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai lệch đồng hồ của vệ tinh.
+ Trạng thái (hay sức khỏe) của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động,
sửa chữa,…).
+ Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly.
Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi
truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị. Các
thông báo định vị được phát đi từng bit một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của
mã C/A-code. Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500 bit và để truyền tải một
thông báo như vậy cần 30s [5].


9

Hình 1.4. Cấu trúc tín hiệu GPS


10

1.1.2.2. Đoạn điều khiển
Đoạn này gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển

trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái
Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và
Kwajalein (Đông Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao
quanh Trái đất.
Các trạm điều khiển theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được.
Các số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm
(MCS – master control station). Tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện
và cuối cùng các thông tin cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ
tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng.
Như vậy, vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi
các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin, bảo đảm độ
chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.

TTrrạạm
m đđiiềềuu kkhhiiểểnn ccũũ
TTrrạạm
m đđiiềềuu kkhhiiểểnn m
mớớii

Hình 1.5. Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005


11

Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo trắc địa không
gian Mỹ (NGA: National Geospatial-Intelligence Agency) đã được thêm vào phần
điều khiển của GPS, nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11 (hình 1.5). Với số
lượng trạm điều khiển như vậy, mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được thấy ít nhất
từ 2 trạm điều khiển và kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ được chính xác hơn.
Trong thời gian tới, sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của NGA được bổ sung và

khi đó mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được tối thiểu 3 trạm điều khiển [5].
1.1.2.3. Đoạn sử dụng
Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ
tinh để khai thác, sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng,
kể cả ở trên không, trên biển và trên đất liền.
Đoạn sử dụng bao gồm các thành phần sau:
- Phần cứng: thu tín hiệu và thực hiện đo đạc.
- Phần mềm: các thuật toán định vị, giao diện người sử dụng, …
- Các thao tác, thủ tục.
Các thiết bị của phần sử dụng rất đa dạng bởi chúng phục vụ cho rất nhiều ứng
dụng khác nhau của GPS. Các thiết bị này thường được phân loại theo loại trị đo mà
chúng có thể thực hiện được, đó là:
+ Các máy thu GPS để định vị trong các mục đích dân sự, chúng sử dụng
phương pháp đo mã C/A-code ở tần số L1.
+ Các máy thu GPS để định vị trong các mục đích quân sự, chúng sử dụng
phương pháp đo mã C/A-code và P-code ở cả 2 tần số L1 và L2.
+ Các máy đo pha một tần số (L1).
+ Các máy đo pha 2 tần số L1 và L2.
Trong số 4 loại máy trên thì 2 loại sau được sử dụng trong đo đạc địa chính vì
chúng cho độ chính xác rất cao, tới vài mi-li-mét [5].


12

Hình 1.6. Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble
1.1.3. Các phương pháp đo GPS
1.1.3.1. Đo GPS tuyệt đối
Là phương pháp xác định tọa độ của các điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh
trong hệ tọa độ toàn cầu WGS-84. Phương pháp định vị này là việc tính tọa độ của
các điểm nhờ việc giải bài toán giao hội cạnh trong không gian dựa trên cơ sở

khoảng cách đo được từ các vệ tinh đến máy thu và tọa độ của các vệ tinh tại thời
điểm đo. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác định vị thấp (sai số khoảng 515m), không dùng được cho việc đo đạc chính xác, dùng chủ yếu cho việc dẫn
đường và mục đích đo đạc có độ chính xác không cao. Phương pháp này chỉ sử
dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh [22].


13

1.1.3.2. Đo GPS tương đối
Thực chất của phương pháp đo này là xác định hiệu tọa độ không gian của 2
điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu của cạnh đáy (Baseline) cần đo. Loại trị đo được
sử dụng là pha của sóng tải. Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được
nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa
và thành lập bản đồ tỷ lệ lớn. Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy
thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo. Tùy thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời
gian đo mà người ta chia thành 4 dạng đo tương đối, đó là: đo tĩnh (Static), đo tĩnh
nhanh (Fast- Static), đo động (Kinematic) và đo giả động (Pseudo Kinematic). Tùy
từng mạng lưới mà sử dụng phương pháp đo thích hợp [22].
a. Phương pháp đo GPS tĩnh (Static)
Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và phase
sóng mang (carrier phase). Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu dữ liệu GPS tại
các điểm cần đo tọa độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên.
Thời gian đo kéo đài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh: Cung cấp trị đo dư
(nhiều hơn 4 vệ tinh) và giảm bớt nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác
cao nhất.
Dữ liệu đo tĩnh xử lý sau và cho kết quả định vị tốt hơn qua việc chỉnh mô
hình được sử dụng.
Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ 1cm dùng cho các ứng dụng có độ
chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trắc địa ( 1cm + 1ppm) [22].
b. Phương pháp đo GPS tĩnh nhanh (Fast Static)

Phương pháp đo tĩnh nhanh tương tự như phương pháp đo tĩnh, nhưng thời
gian đo ngắn hơn (khoảng 5 đến 10 phút). Thời gian đo được giảm đáng kể so với
đo tĩnh là do giải nhanh được số nguyên chu kỳ.
Thời gian đo được giảm xuống nhờ vào việc sử dụng C/A-code (và / hay Pcode) và kỹ thuật Wide-laning để ước tính khoảng cách gần đúng và giảm thiểu
miền tìm kiếm số nguyên chu kỳ. Cùng với đó, phần mềm xử lý số liệu cũng sử


14

dụng những thuật toán nâng cao để giảm thiểu yêu cầu đối với khoảng thời gian thu
tín hiệu.
Trước đây, chỉ có máy thu 2 tần số mới có thể đo tĩnh nhanh. Gần đây, nhiều
máy thu 1 tần số (ví dụ như Trimble 4600LS, R3) đã bắt đầu có khả năng sử dụng
kỹ thuật này. Tuy nhiên, việc sử dụng máy thu 2 tần số vẫn có ưu thế bởi thời gian
đo ngắn hơn và độ chính xác cao hơn. Kỹ thuật đo tĩnh nhanh thích hợp cho các
cạnh đáy ngắn (<15-20 km).
c. Phương pháp đo GPS động (Kinematic)
Phương pháp này cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so
với điểm đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng 5 đến 15
giây tùy thuộc vào tần suất ghi tín hiệu. Theo phương pháp này, cần có ít nhất hai
máy thu. Để xác định số nguyên chu kỳ của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh
đáy đã biết, tức là nối với 2 điểm đã biết tọa độ. Sau khi đã xác định được số
nguyên chu kỳ thì nó được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu
cho các điểm đo tiếp sau trong suốt ca đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm
đo chỉ khoảng vài chục giây, không phải là một tiếng đồng hồ như trong phương
pháp đo tĩnh [8]
Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho
tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo. Máy này được gọi là
máy cố định (base station). Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho nó thu
tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong 20-60 giây. Việc làm này gọi là

khởi đo (initialization). Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo
cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút và cuối cùng
quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín
hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này.
Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di
động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt ca
đo. Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra tình trạng


15

tín hiệu thu bị gián đoạn (gọi là trượt chu kỳ - cycle slip). Nếu xảy ra trường hợp
này thì phải tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy
khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có thể dài từ 2 m đến 5 km và
có độ chính xác cỡ xăng-ti-mét là đủ. Trong phương pháp đo động, có thể dùng các
kỹ thuật đo khác nhau như: đo liên tục (continuous), hoặc “dừng và đi” (Stop and
Go) hoặc đo kiểu đánh dấu sự kiện (Events Markers), ... Trong đó kỹ thuật đo
“dừng và đi” (Stop and Go) được dùng nhiều trong đo chi tiết để thành lập bản đồ
địa hình, bản đồ địa chính, đo vẽ mặt cắt địa hình, đo bao các khu vực để kiểm kê
diện tích đất sử dụng.
d. Phương pháp đo giả động
Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tương đối của hàng
loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính
xác định vị không cao bằng phương pháp đo động. Trong phương pháp này không
cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết. Máy cố định
cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo, còn máy di
động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5-10 phút.
Sau khi đo hết lượt, máy đo động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu
tiên) và đo lặp lại tại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải bảo
đảm sao cho khoảng thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn

một tiếng đồng hồ. Chính trong khoảng thời gian này, đồ hình phân bố vệ tinh thay
đổi đủ để xác định số nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và
giãn cách nhau một tiếng đồng hồ có tác dụng tương đương như phép đo tĩnh kéo
dài trong một tiếng. Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có được ít
nhất 4 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát [8].
Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên
tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo,
nghĩa là có thể tắt máy trong lúc di chuyển từ điểm nọ sang điểm kia. Điều này cho
phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất. Về mặt thiết kế, tổ


16

chức đo thì chỉ nên bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để
có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và bảo đảm số lượng vệ tinh
chung cho cả hai lần đo phải có được ít nhất 4 vệ tinh.
e. Đo GPS cải chính phân sai (DGPS- Differential GPS)
Là phương pháp đo GPS sử dụng trị đo code có độ chính xác 0,5 m. Nội
dung của phương pháp đo là dùng 2 trạm đo trong đó 1 trạm gốc (trạm tĩnh) có
tọa độ biết trước và 1 trạm đo tại các điểm cần đo tọa độ (trạm động); trên cơ sở
độ lệch về tọa độ đo so với tọa độ thực tại trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo
tại các trạm động.
Yêu cầu quan trọng khi đo phân sai là trạm tĩnh và trạm di động phải thu số
liệu đồng thời và trạm di động phải ghi được số liệu của cùng số vệ tinh mà trạm
tĩnh cũng ghi được. Trạm tĩnh phải đặt ở điểm đã có tọa độ. Tọa độ trạm tĩnh phải
nhập qua bàn phím 1, vào phần mềm xử lý. Nếu tọa độ trạm tĩnh không chính xác,
kết quả tính cải chính phân sai sẽ mắc sai số cùng độ lớn và phương vị của sai số
trạm tĩnh. Có hai phương pháp cải chính phân sai :
- Cải chính theo trị đo pseudorange - Measurement Correction: Phần mềm
Pfinder đọc file rover và lọc ra nhóm vệ tinh mà máy rover dùng để định vị. Sử

dụng số liệu trị đo code pseudorange trong file base tới từng vệ tinh trong nhóm vệ
tinh đó, phần mềm xác định sai số pseudorange của từng vệ tinh so với khoảng cách
thực của nó. Các sai số này được dùng để cải chính số liệu định vị trong file rover.
- Cải chính theo vị trí - Position Correction. Phần mềm Pfinder đọc file rover
và lọc ra nhóm vệ tinh mà máy rover dùng để định vị. Nếu file số liệu trạm base
cũng tính định vị đồng thời từ nhóm vệ tinh đó thì nó sẽ xác định được sai số về độ
vĩ, độ kinh, và độ cao giữa tọa độ được của trạm base và tọa độ thực của nó. Các sai
số đó được phần mềm cải chính tương ứng vào tọa độ của trạm rover. Phụ thuộc
vào thời điểm cải chính mà người ta chia thành các phương pháp đo cải chính phân
sai sau.


17

Bảng 1.1. Bảng tổng hợp các phương pháp đo GPS

Kiểu đo

Đo tĩnh
(Static)

Số vệ

Thời

tinh

gian đo

tối

tối

thiểu

thiểu

4

1 giờ

Đo tĩnh
nhanh
(Fast

Độ chính xác đạt được

- 1 tần số: 5mm+1ppm

- Máy 1 tần số cho độ chính

- 2 tần số: 5mm+0,5ppm

xác tốt nhất với S10km

5-10mm+1ppm
4

8’-30’

Các đặc trưng khác

(phụ Các thủ tục đo như phương

thuộc vào thời gian đo)

pháp đo tĩnh

Static)
- Khoảng cách tối đa 50km,

Đo động
xử lý sau

4

2 trị đo

1cm+1ppm

(GPS-PPK)

thực (GPS-

đã biết hoặc bằng đo tĩnh
nhanh trên cạnh chưa biết

Đo động
thời gian

- Cần khởi đo trên cạnh đáy

- Khoảng cách đo phụ thuộc
4

1 trị đo

1cm+1ppm

RTK)

vào Radio Link, <10km
- Cần khởi đo trên điểm biết
tọa độ hoặc đo tĩnh nhanh

- 0,5m với máy thu
Đo DGPS
xử lý sau
(PPK

Everest, Maxwel, với 5 - Không cần thu liên tục vệ
4

2 trị đo vệ tinh, PDOP<4

tinh, không cần Radio truyền

- 13m đối với máy thu sóng

DGPS)

khác cùng điều kiện
- 0,2m với máy thu
Đo DGPS
thời gian
thực (RTK
DGPS)

Everest, Maxwel, với 5 - Không cần thu liên tục vệ
4

1 trị đo vệ tinh, PDOP<4
-13m đối với máy thu
khác cùng điều kiện

tinh, cần Radio truyền sóng