Xây dựng thuật toán chuyển đổi tọa độ giữa các hệ thống tọa độ của các quốc gia liền kề phục vụ trao đổi, khai thác dữ liệu dùng chung trong hợp tác khoa học quốc tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
--------@&?--------

SINH VIÊN: TRẦN VĂN HẢI

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ
GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ
PHỤC VỤ TRAO ĐỔI, KHAI THÁC DỮ LIỆU DÙNG CHUNG
TRONG HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ

Chuyên ngành: Trắc địa
Mã ngành: D520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN ĐÌNH THÀNH

HÀ NỘI - 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
--------@&?--------

SINH VIÊN: TRẦN VĂN HẢI

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ
GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ
PHỤC VỤ TRAO ĐỔI, KHAI THÁC DỮ LIỆU DÙNG CHUNG
TRONG HỢP TÁC KHOA HỌC QUỐC TẾ

Chuyên ngành: Trắc địa

Mã ngành: D520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN ĐÌNH THÀNH

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đồ án nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong đồ
án là trung thực. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về các nội dung trình bày trong
đồ án

Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Trần Văn Hải


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội, được sự giúp đỡ nhiệt tình giảng dạy của các thầy, các cô trong
trường nói chung và trong khoa Trắc địa Bản đồ nói riêng, em đã trang bị những
kiến thức cơ bản về chuyên môn cũng như lối sống, tạo cho em hành trang vững
chắc cho công tác sau này.
Xuất phát từ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn
các thầy cô giáo. Đặc biệt để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng nỗ
lực của bản thân, em còn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của TS. Nguyễn Đình
Thành công tác tại Cục Bản đồ\Bộ Tổng Tham Mưu,TS. Phạm Thị Hoa và sự giúp
đỡ của các thầy, các cô trong khoa Trắc địa bản đồ. Ngoài ra em cũng xin cám ơn
bạn bè và gia đình đã luôn bên cạnh em, cổ vũ và động viên em những lúc khó khăn

để vượt qua và hoàn thành tốt đồ án này.
Đồ án chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được
sự đóng góp chỉ bảo của các thầy, các cô cùng các bạn để bài đồ án của em càng
hoàn thiện hơn. Đây sẽ là kiến thức bổ ích cho công việc của em sau này.
Cuối cùng, một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của
TS. Nguyễn Đình Thành công tác tại Cục Bản đồ\Bộ Tổng Tham Mưu, TS. Phạm
Thị Hoa cùng các thầy, các cô trường Đại học Tài nguyên và Môi Trường Hà Nội.
Kính chúc các thầy, các cô luôn luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và gặt hái được nhiều
thành công trong công tác cũng như cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ................................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................... 2
4. Nội dung nghiên cứu............................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TỌA ĐỘ VÀ CHUYỂN HỆ TỌA ĐỘ........... 4
1.1. PHÂN LOẠI HỆ TỌA ĐỘ .................................................................................. 4
1.1.1. Hệ tọa độ không gian........................................................................................ 4
1.1.2. Hệ tọa độ Ellipsoid ........................................................................................... 6
1.1.3. Hệ tọa độ phẳng ................................................................................................ 8

1.2. HỆ TỌA ĐỘ VN-2000....................................................................................... 10
1.3. HỆ TỌA ĐỘ WGS-84........................................................................................ 11
1.4. HỆ TỌA ĐỘ ĐỘNG LỰC QUỐC TẾ ITRF...................................................... 12
1.5. CÁC HỆ THỐNG ĐỘ CAO .............................................................................. 13
1.5.1. Độ cao trắc địa ................................................................................................ 14
1.5.2. Độ cao chuẩn .................................................................................................. 14
1.5.3. Độ cao chính, độ cao động lực ....................................................................... 15
1.6. VẤN ĐỀ CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ.................................................................... 16
CHƯƠNG 2: MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ ....................... 18
2.1. PHÉP CHIẾU VÀ YÊU CẦU CỦA PHÉP CHIẾU TRONG CÔNG TÁC TRẮC
ĐỊA BẢN ĐỒ ........................................................................................................... 18


2.1.1. Phép chiếu mặt phẳng..................................................................................... 19
2.1.2. Phép chiếu Gauss-Kruger ............................................................................... 19
2.1.3. Phép chiếu UTM............................................................................................. 20
2.1.4. Yêu cầu của phép chiếu sử dụng trong công tác trắc địa bản đồ........................ 21
2.2. QUAN HỆ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN TRÁI ĐẤT VÀ HỆ TỌA ĐỘ
ELLIPSOID .............................................................................................................. 22
2.2.1. Chuyển đổi các hệ toạ độ ellipsoid thành các toạ độ không gian ....................... 22
2.2.2. Chuyển đổi các toạ độ không gian thành các toạ độ ellipsoid........................ 23
2.3. QUAN HỆ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ ELLIPSOID VÀ HỆ TỌA ĐỘ PHẲNG .............. 24
2.3.1. Chuyển đổi toạ độ ellipsoid thành toạ độ phẳng ............................................ 24
2.3.2. Chuyển đổi toạ độ phẳng thành toạ độ ellipsoid ............................................ 27
CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC HỆ THỐNG
TỌA ĐỘ ................................................................................................................... 29
3.1. CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN TRÁI ĐẤT
.................................................................................................................................. 29
3.2. CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ TỌA ĐỘ ELLIPSOID .................... 30
3.3. CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ TỌA ĐỘ PHẲNG........................... 41

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ
QUỐC GIA VIỆT NAM VÀ CÁC HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA LIỀN KỀ ............... 41
4.1. MỘT SỐ NÉT VỀ CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN
KỀ ............................................................................................................................. 41
4.1.1. Các lưới chiếu tọa độ phẳng được sử dụng ở Việt Nam................................. 41
4.1.2. Một số hệ thống tọa độ các quốc gia liền kề .................................................. 43
4.2. CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VN2000 VÀ HỆ TỌA ĐỘ ĐỘNG LỰC QUỐC TẾ ITRF ............................................. 44
4.3. NGUYÊN TẮC CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ
CỦA CÁC QUỐC GIA LIỀN KỀ............................................................................. 49
4.4. THỰC NGHIỆM CHUYỂN ĐỔI GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VIÊT NAM
VN – 2000 VÀ HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA LÀO ....................................................... 50
4.4.1. Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của Lào ............................... 50


4.4.2. Hệ thống lưới tọa độ quốc gia của Lào........................................................... 51
4.4.3. Lưới độ cao của Lào ....................................................................................... 57
4.4.3. Hệ thống lưới do Phần Lan xây dựng............................................................. 59
4.4.5. Kết quả tính toán thực nghiệm chuyển đổi Hệ tọa độ Lào97 về Hệ tọa độ VN2000 .......................................................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 67


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các tham số hình học và vật lý của một số ellipsoid hiện đại. .................. 6
Bảng 1.2 : Các sản phẩm của IGS gắn với giai đoạn ra đời và sử dụng các phiên bản
ITRF.......................................................................................................................... 13
Bảng 4.1. Tọa độ điểm trong ITRF2008 tại thời điểm ngày 1 tháng 8 năm 2010 ... 47
Bảng 4.2: Tọa độ điểm trong hệ tọa độ VN-2000 .................................................... 47
Bảng 4.3: Giá trị các tham số tính chuyển tọa độ từ ITRF2008 và VN-2000.......... 48
Bảng 4.4: So sánh độ lệch tọa độ WGS-84 ban đầu và tọa độ WGS-84 tính chuyển

.................................................................................................................................. 49
Bảng 4.5: Giá trị các tham số tính chuyển tọa độ từ Lào97 sang WGS-84.............. 63
Bảng 4.6: So sánh sai lệch tọa độ giữa 20 điểm tọa độ WGS-84 ban đầu và tọa độ
WGS-84 tính chuyển mới ......................................................................................... 64


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hệ tọa độ ellipsoid ...................................................................................... 7
Hình 1.2. Hệ tọa độ phẳng .......................................................................................... 8
Hình 1.3. Hệ tọa độ vuông góc phẳng UTM............................................................... 9
Hình 1.4. Hệ tọa độ vuông góc phẳng Gauss-Kruger................................................. 9
Hình 2.1. Phép chiếu mặt phẳng............................................................................... 19
Hình 2.2. Quan hệ giữa các hệ toạ độ trắc địa B, L, H............................................. 22
Hình 2.3. Chuyển đổi ellipsoid thành hệ tọa độ phẳng............................................. 25
Hình 3.1. Chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ .................................................................. 29
Hình 3.2. Quan hệ giữa ellipsoid 1 và ellipsoid 2 .................................................... 31
Hình 3.3. Nguyên tắc chuyển đổi tọa độ giữa các hệ tọa độ phẳng ......................... 41
Hình 4.1. Nguyên tắc chuyển đổi tọa độ giữa các quốc gia liền kề ......................... 50
Hình 4.2. Sơ đồ mạng lưới các điểm tọa độ quốc gia Lào ....................................... 56
Hình 4.3. Sơ đồ các tuyến độ cao hạng II, III quốc gia Lào đã được xây dựng
trong giai đoạn từ năm 1983 đến năm 2007 ............................................................. 58
Hình 4.4. Mạng lưới do Phần Lan xây dựng ............................................................ 61
Hình 4.5. Xây dựng theo tiêu chuẩn NGD ............................................................... 62


DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Tính chuyển 19 điểm tọa độ ITRF từ BLH sang XYZ
Phụ lục 2: Bảng tọa độ 19 điểm ITRF mới được tính chuyển theo 7 tham số ở bảng
4.3
Phụ lục 3: Bảng tọa độ của mạng lưới do Phần Lan xây dựng

Phụ lục 4: Bảng tính chuyển 100 điểm tọa độ BLH sang tọa độ XYZ.
Phụ lục 5: 20 điểm kiểm tra tính chuyển
Phụ lục 6: 20 điểm WGS-84 mới sau khi thực hiện tính chuyển bằng 7 tham số ở
bảng 4.4
Phụ lục 7: 132 điểm tọa độ VN-2000 được tính chuyển theo 2 bảng tham số (bảng
4.3 và bảng 4.4)
Phụ lục 8: Chương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ BLH sang hệ tọa độ XYZ
Phụ lục 9: Chương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ XYZ sang hệ tọa độ BLH
Phụ lục 10: Chương trình xác định 7 tham số tính chuyển theo Bursa-Wolf
Phụ lục 11: Chương trình chuyển hệ tọa độ X1Y1Z1 thành hệ tọa độ X2Y2Z2 theo 7
tham số


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tổ chức IGS dựa trên khung quy chiếu sao quốc tế (ICRF) và các kết quả thu
tín hiệu vệ tinh GNSS trên mạng lưới trạm tham chiếu mặt đất CORS thuộc IGS để
xây dựng Hệ tọa độ động lực quốc tế ITRF, phục vụ kiểm soát sự biến dạng lớp vỏ
Trái đất, giám sát sự quay của Trái đất, sự biến thiên của thuỷ triều, băng cực, xác
định quỹ đạo của vệ tinh, mô hình hoá tầng điện ly, nghiên cứu khí hậu, nghiên cứu
thời gian và tốc độ truyền dẫn tín hiệu trong môi trường khí quyển... Trong giai
đoạn công nghệ dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GNSS) phát triển rất mạnh và được
ứng dụng rộng rãi trong các ngành, trong đời sống xã hội, các hệ tọa độ địa phương
(hệ tọa độ của các quốc gia) được xây dựng và hoàn thiện dựa trên khung tham
chiếu mặt đất toàn cầu ITRF hay gắn chặt vào ITRF. Trong xu thế phát triển hiện
đại, các quốc gia phải hợp tác với nhau thông qua việc trao đổi khai thác dữ liệu
dùng chung để giải quyết các nhiệm vụ khoa học kỹ thuật mang tính khu vực và
toàn cầu như biến đổi khí hậu, nước biển dâng, trôi dạt các mảng lục địa, động đất,
sóng thần,… và các tai biến thiên nhiên khác. Như vậy, nhu cầu chuyển đổi tọa độ
giữa các hệ tọa độ của các quốc gia liền kề là rất cần thiết, làm cơ sở để chuyển đổi

cơ sở dữ liệu và bản đồ về một hệ thống tọa độ, độ cao thống nhất.
Cơ sở dữ liệu và bản đồ được xây dựng từ các đối tượng địa lý. Mỗi một đối
tượng địa lý được thiết lập từ các tập hợp điểm, đường, vùng cùng các tính chất
thuộc tính của chúng và nói cho cùng, chúng cũng được cấu tạo từ tập hợp các điểm
theo một quy tắc nhất định. Một điểm trong không gian, tùy thuộc vào các góc quan
sát sẽ có vai trò khác nhau. Như vậy, cơ sở dữ liệu và bản đồ trong các hệ thống tọa
độ khác nhau sẽ giữ các vai trò khác nhau. Mặt khác, các quốc gia liền kề, tùy thuộc
vào mức độ phát triển kinh tế xã hội, vị trí địa lý, hình dạng, diện tích lãnh thổ và
thói quen sử dụng,… thường xây dựng cho mình một hệ quy chiếu tọa độ riêng.
Tuy nhiên, trong bối cảnh biến đổi khí hậu phức tạp, các quốc gia trong một khu
vực phải hợp tác chia sẻ và khai thác sử dụng dữ liệu để giải quyết các nhiệm vụ
nêu trên. Vì vậy, cần phải có phương án chuyển đổi tọa độ giữa các hệ thống tọa độ

1


của các quốc gia, đặc biệt là các quốc gia liền kề (có chung đường biên giới) để
thống nhất cơ sở dữ liệu và bản đồ sử dụng cho các mục đích khác nhau. Để tìm
tham số chuyển đổi tọa độ giữa hai quốc gia, cần phải thu thập tọa độ thuộc các
mạng lưới tọa độ nhà nước của quốc gia thứ nhất, chuyển các tọa độ này về tọa độ
quốc tế ITRF, sau đó thông qua các tham số chuyển đổi để chuyển về tọa độ của
quốc gia thứ hai. Như vậy, khung quy chiếu Trái đất quốc tế ITRF sẽ đóng vai trò là
cầu nối để chuyển đổi tọa độ giữa các quốc gia. Độ tin cậy của tham số chuyển đổi
phụ thuộc vào độ chính xác của tọa độ các điểm thu thập được, số lượng, mật độ và
sự phân bố của chúng trên lãnh thổ quốc gia cần tìm thiết lập tham số chuyển đổi…
Đề tài “Xây dựng thuật toán chuyển đổi tọa độ giữa các hệ thống tọa độ của
các quốc gia liền kề phục vụ trao đổi, khai thác dữ liệu dùng chung trong hợp tác
khoa học quốc tế” nghiên cứu toàn diện bài toán chuyển đổi tọa độ trong các hệ
thống tọa độ không gian, trắc địa và hệ tọa độ phẳng. Đồng thời xây dựng thuật
toán, xác định các tham số chuyển đổi tọa độ, lập chương trình chuyển đổi tọa độ và

thử nghiệm tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ Lao97 (hệ tọa độ quốc gia của Cộng hòa
Dân chủ nhân dân Lào) về Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam VN-2000.
2. Mục đích của đề tài
Xây dựng thuật toán và thực nghiệm chuyển đổi tọa độ giữa các hệ tọa độ
quốc gia Việt Nam và các hệ thống tọa độ của các quốc gia liền kề phục vụ trao đổi
khai thác dữ liệu dùng chung trong hợp tác khoa học quốc tế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là nghiên cứu và tìm hiểu, phân tích cơ sở lý
thuyết của một số phương pháp tính chuyển đổi tọa độ, số liệu thực nghiệm được
cung cấp bởi cục bản đồ Quân đội để thực hiện tính chuyển tọa độ giữa quốc gia
Lào và Việt Nam.
4. Nội dung nghiên cứu
Đồ án tập trung nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích cơ sở lý thuyết của một số
phương pháp tính chuyển đổi tọa độ và từ đó tổng hợp và phân tích các nguồn tài

2


liệu thực nghiệm được cung cấp bởi Cục bản đồ Quân đội để thành lập thuật toán
chuyển đổi tọa độ và đánh giá kết quả thu được.
5. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được các nhiệm vụ đặt ra của đồ án, tác giả sử dụng phương
pháp nghiên cứu là:
- Phương pháp phân tích: Phân tích, lựa chọn phương pháp, thuật toán, tìm
đường đi tối ưu.
- Phương pháp toán học: Phương pháp tính và đại số tuyến tính trong xây
dựng thuật toán.
- Phương pháp thực nghiệm: Điều tra số liệu, kiểm chứng kết quả nghiên cứu
trên cơ sở đánh giá độ chính xác.
- Phương pháp chuyên gia: Tham vấn các thầy cô, các chuyên gia trong vực

chuyển đổi tọa độ.

3