HỆ THỐNG THUỶ ĐẠC CHI PHÍ THẤP

HỆ THỐNG THUỶ ĐẠC CHI PHÍ THẤP
LOW COST HYDROGRAPHIC SURVEYING SYSTEM
Nguyễn Ngọc Lâu, Trương Ngọc Tường* và Nguyễn Quang **
Bộ môn Địa tin học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam
*Bộ môn Cảng và Công Trình Biển, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa,
Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam
**Phòng Địa Tin Học, Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật Biển, Tp. Hồ Chí Minh,
Việt Nam
BẢN TÓM TẮT
Các hệ thống thủy đạc hiện đại cho phép khảo sát địa hình đáy sông (biển) một cách hiệu quả và
chính xác với thời gian hậu xử lý rất ít. Tuy nhiên những hệ thống như vậy rất đắt tiền và phải mất
nhiều thời gian để học cách sử dụng. Trong bài báo này chúng tôi trình bày một hệ thống thuỷ đạc đơn
giản đã được nghiên cứu và ứng dụng tại Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật Biển. Chi
phí đầu tư cho hệ thống này chỉ khoảng ¼ so với các hệ thống hiện đại nhưng có thể cung cấp độ
chính xác yêu cầu sau một quá trình hậu xử lý.
ABSTRACT
The state-of-the-art hydrographic surveying systems allow us to mapping sea (river) floor
accurately and effectively with very short time for post-processing. However such systems are
expensive, difficult to operate and not easy to learn. In this paper, we present a simple hydrographic
surveying system which has been researched and implemented at the Portcoast Consultant
Corporation. The expense for this system is about ¼ compared with the modern systems but it can
provide the required accuracy after post-processing.
1. GIỚI THIỆU
Trong bài báo [3], chúng tôi đã giới thiệu một
hệ thống hiện đại cho phép nâng cao tính hiệu quả
và độ chính xác của quá trình thủy đạc. Hệ thống
này dựa trên kỹ thuật đo động ở thời gian thực
(Real Time Kinematic – RTK), do đó cần phải có
một cặp máy thu GPS hai tần số thế hệ mới. Vào
thời điểm hiện nay giá trị của máy thu như vậy
dao động từ 35.000 – 40.000 USD tùy theo nhãn

hiệu. Mặt khác để thu thập dữ liệu đo GPS và dữ
liệu đo sâu trên thực địa, hệ thống còn phải được
điều hành bằng một phần mềm chuyên dụng như
Hypack Max. Chi phí để mua loại phần mềm này
cũng rất đắt tiền (khoảng 10.000USD cho một
license).
Như vậy chưa kể máy đo sâu hồi âm, để trang
bị hệ thống trên người sử dụng phải mất khoảng
50.000USD. Ngoài ra việc điều hành hệ thống

196

trên tương đối phức tạp nên phải mất thời
gian tập huấn cho người sử dụng và thời
gian cài đặt hệ thống.
Để giảm chi phí đầu tư trang thiết bị,
chúng tôi đã thử nghiệm thành công một hệ
thống thủy đạc có chi phí rất thấp nhưng
vẫn cung cấp độ chính xác tương đương.
Mặt khác việc điều hành hệ thống này trên
thực địa đơn giản hơn do không phải cài đặt
phần liên lạc radio. Trong các phần sau của
bài báo chúng tôi sẽ lần lượt thảo luận về
việc chọn lựa máy thu GPS, phần mềm thủy
đạc miễn phí, qui trình kết nối thiết bị,
phương pháp xử lý dữ liệu và kết quả đo
thử nghiệm của hệ thống này.
2. CHỌN LỰA MÁY THU GPS VÀ
PHẦN MỀM THỦY ĐẠC

Phần trung tâm và cũng là phần chiếm nhiều
tiền nhất của một hệ thống thủy đạc là máy thu
GPS. Máy thu GPS đắt tiền nhất là loại máy thu
chính xác cao, hai tần số và có khả năng RTK.
Trong khi đó loại máy thu GPS chính xác, một tần
số lại rẻ hơn nhiều. Đơn cử cho loại này trên thị

trường hiện nay có ProMark2 của Công ty
Thales Navigation hay SR20 của Công ty
Leica. Loại này có giá dao động từ 7.000 –
10.000USD, tức là chỉ bằng ¼ so với loại
hai tần số. Sau đây là một số đặc tính chung
của loại máy thu một tần số [5,6]

Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật của máy thu GPS một tần dùng trị đo pha
Nội dung
Đặc tính kỹ thuật
Tĩnh, dừng và đi, động. Không hỗ
Chế độ đo
trợ RTK
Mã và pha trên tần số L1
Trị đo
Mặt bằng: 5mm+1ppm
Độ chính xác đo tĩnh
Độ cao: 10mm+2ppm
Mặt bằng: 12mm+2,5ppm
Độ chính xác đo động
Độ cao: 15mm+2,5ppm
Giới hạn chiều dài đường đáy khi đo động

10 km
Số vệ tinh quan trắc đồng thời
10-12
Tốc độ thu nhanh nhất
1s
Bộ nhớ nội
≥ 8 MB
Pin
2 pin tiểu hay pin sạc lithium
Theo bảng trên ta có thể thấy độ chính xác định vị
mặt bằng và độ cao của loại máy thu này không
thua kém bao nhiêu so với độ chính xác RTK của
loại hai tần số thế hệ mới (ví dụ máy Topcon
Legacy có độ chính xác RTK mặt bằng là
10mm+1,5ppm và độ cao là 20mm+1,5ppm). Do
đó chúng hoàn toàn đáp ứng độ chính xác đề ra
của quá trình thủy đạc. Trong nghiên cứu này
chúng tôi sử dụng máy thu ProMark2 đi kèm với
phần mềm xử lý Ashtech Solution của Công ty
Thales Navigation. Cần chú ý rằng ProMark2 và
các máy thu GPS tương tự không được thiết kế để
phục vụ thủy đạc nên chúng không có khả năng
đo RTK và toạ độ của điểm đo động chỉ có được
sau một quá trình hậu xử lý.
Để giảm chi phí xây dựng hệ thống, chúng tôi chỉ
đề cập đến một số phần mềm miễn phí có thể khai
thác để phục vụ cho thủy đạc. Trong nhóm này có
Windmill và SeaClear. Windmill là một phần thu
mềm thu dữ liệu tự động từ tất cả các thiết bị giao
tiếp qua cổng nối tiếp RS232, trong đó có máy thu

GPS và máy đo sâu hồi âm. Do là phần mềm tổng
quát nên để có thể kết nối cho một thiết bị cụ thể
cần phải phân tích định dạng dữ liệu xuất từ thiết
bị đó. Mặt khác phần mềm này lại thiếu đi các
tiện ích cần thiết như hiển thị vị trí của tàu lên bản
đồ nền, các chức năng thiết kế tuyến đo sâu, khả
năng đồng bộ thời gian máy tính bằng thời gian
GPS chính xác, vv.

197

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng
phần mềm SeaClear. Đây là một phần mềm
miễn phí có thể tải về từ địa chỉ mạng
Tương tự
như các phần mềm đo sâu khác, SeaClear
cho phép hiển thị vị trí của thuyền lên bản
đồ nền dạng WCI và điều này giúp cho
người lái có thể điều khiển thuyền đi theo
đúng tuyến đo [7]. Các toạ độ đo bằng GPS
và độ sâu bằng máy đo sâu trên thực địa
được phần mềm tự động ghi lại trong cùng
một file kèm với thời gian UTC chính xác.
Trong trường hợp của chúng ta, máy
ProMark2 được cài đặt ở chế độ thu dữ liệu
đo GPS nên không thể kết nối với máy tính
để cung cấp toạ độ. Ta có thể khắc phục
điều này bằng cách sử dụng thêm một máy
định vị cầm tay với sự chấp nhận sai số vị
trí của tàu khoảng 5m.

3. QUI TRÌNH ĐO VÀ XỬ LÝ DỮ
LIỆU
Nguyên tắc đo có thể tóm tắt bằng hình
vẽ 1 [1, 2]. Một máy thu GPS đặt tại điểm
gốc A đã biết trước toạ độ. Máy thu thứ hai
đặt trên thuyền có anten gắn đồng trục với
cần đo sâu của máy đo sâu hồi âm. Cả hai
máy thu GPS và máy đo sâu đều cài đặt tốc
độ thu dữ liệu giống nhau. Một máy tính
laptop đặt trên thuyền có cài đặt phần mềm


SeaClear liên kết với máy đo sâu hồi âm và một
máy định vị cầm tay. Để khảo sát địa hình đáy
sông (biển), thuyền đo chạy theo các tuyến đo sâu
đã thiết kế trước bằng cách dựa vào các vị trí
thuyền hiển thị trên nền của bản đồ số.
Ashtech
Solution

hA

SeaClear

x2, y2, D

x1, y1, HC

A
∆H

hB
Hydrotools

HA

D

HC

x3, y3, HB

B
HB

Hình 2: Sơ đồ hậu xử lý dữ liệu của
HydroTools

Mặt ellipsoid tham khảo

Hình 1: Nguyên tắc thủy đạc hậu xử lý
Sau khi kết thúc việc đo trên thực địa, dữ liệu
GPS được tải vào máy tính và xử lý bằng phần
mềm Ashtech Solution. Kết quả của quá trình này
là một file dữ liệu chứa toạ độ (x1, y1) và độ cao
của cần đo sâu (HC) theo thời gian. File dữ liệu
thứ hai được lưu lại trong thư mục của phần mềm
SeaClear chứa các toạ độ (x2, y2) và độ sâu (D)
theo thời gian. Tuy nhiên (x2, y2) do máy định vị
cầm tay cung cấp nên có độ chính xác từ 5-15m.

Nó cần phải được thay thế bằng toạ độ chứa trong
file dữ liệu thứ nhất (x1, y1).

Để tích hợp hai file dữ liệu, chúng tôi đã
phát triển một phần mềm đơn giản có tên là
HydroTools. Phần mềm này có chức năng:
• Chuyển đổi toạ độ các điểm đo sâu
từ WGS84 sang hệ toạ độ địa phương
• Nội suy toạ độ trong file dữ liệu thứ
nhất theo thời điểm đo sâu trong file dữ
liệu thứ hai và tính ra độ cao đáy sông
HB = HC – D
• Xuất ra file dữ liệu bao gồm toạ độ
địa phương (x3, y3) và độ cao đáy sông
(HB) của tất cả các điểm đo.
• Hiển thị tuyến đo sâu và mặt cắt để
hỗ trợ cho việc loại bỏ dữ liệu xấu
• Hiển thị mạng lưới tam giác
Delaunay và đường đồng mức
File dữ liệu sau cùng có thể được đọc
trực tiếp vào các phần mềm chuyên dụng
như AutoCad để nội suy đường đồng mức.
Ngoài ra để dự phòng trường hợp kết quả
xử lý dữ liệu từ ProMark2 không thể giải đa
trị thành công (cung cấp nghiệm float hay
partial thay cho fixed), HydroTools cũng
cho phép tích hợp dữ liệu đo mực nước
theo cách truyền thống để cải thiện độ
chính xác của thành phần độ cao.

198


Hình 4: Tuyến đo sâu thử nghiệm tại Thanh
Đa

Hình 3: Giao diện của HydroTools
4. QUÁ TRÌNH ĐO THỬ NGHIỆM
Để kiểm chứng độ chính xác và độ tin cậy của
hệ thống đã trình bày ở trên, chúng tôi tiến hành
đo thử nghiệm tại một đoạn sông Sài Gòn gần
Thanh Đa - TP Hồ Chí Minh. Trong thử nghiệm
chúng tôi cài đặt trên thuyền đo hai hệ thống: hệ
thống thử nghiệm và hệ thống thủy đạc RTK hiện
đại đã đề cập trong [3]. Nhằm thuận tiện cho việc
so sánh về sau, hai anten GPS đồng trục với các
cần phát hồi âm được bố trí rất gần nhau (0,87m).
Máy đo sâu dùng trong hệ thống thử nghiệm là
F840 của JMC (Nhật) với độ chính xác 0,5% độ
sâu [8]. Trong khi hệ thống RTK sử dụng MKIII
của Edom (Mỹ) với độ chính xác 0,01m + 0,1%
độ sâu [9].

199

Hình 4 thể hiện vị trí trạm đáy trên bờ
(tam giác) và các vị trí đo sâu của thuyền.
Ngoài các tuyến đo ngang cách nhau
khoảng 50m, chúng tôi còn thiết kế một
tuyến đo dọc để kiểm tra những điểm cắt

nhau với các tuyến ngang. Tốc độ thu dữ
liệu của các máy thu GPS và máy đo sâu
đều cài đặt giống nhau là 2 giây và thuyền
đo chạy với tốc độ khoảng 5km/h.
Kết quả xử lý dữ liệu đo GPS từ ProMark2
cho thấy 100% là nghiệm fixed – tức là
nghiệm tốt nhất. Để kiểm tra độ chính xác
vị trí mặt bằng của hệ thống thử nghiệm, tại
mỗi thời điểm đo chúng tôi tính khoảng
cách giữa hai anten GPS dựa vào các toạ độ
xác định được rồi so với giá trị chính xác
(0,87m). Sai số trung phương tính được là
34mm. Để kiểm tra độ chính xác vị độ cao,
chúng tôi so sánh độ cao mực nước tính
được từ hai hệ thống. Các chấm đỏ và xanh
trong hình 5 tương ứng thể hiện cho hệ
thống thử nghiệm và hệ thống RTK. Sai số
trung phương độ lệch của các giá trị mực
nước là 17mm. Như vậy độ chính xác xác
định độ cao từ GPS trong trường hợp này là
tốt hơn mặt bằng. Điều này có thể do sự
dao động theo phương ngang của các anten
GPS dưới áp lực của nước tác động vào cần
đo sâu theo hướng di chuyển của thuyền.


Hình 5: So sánh mực nước tính từ hai hệ thống
Để kiểm tra tính đúng đắn của phần mềm
HydroTools, chúng tôi tiến hành xử lý theo hai
cách sau

• Cách 1: Tích hợp dữ liệu toạ độ mặt bằng
của ProMark2 và dữ liệu đo sâu từ máy
MKIII.
Khi so sánh kết quả độ cao đáy sông với
kết quả RTK chúng tôi được sai số trung
phương độ lệch độ cao khoảng 2cm xấp
xỉ với độ lệch mực nước đã so ở trên.
Điều này cho thấy quá trình tích hợp dữ
liệu của HydroTools là đúng đắn.
• Cách 2: Tích hợp dữ liệu toạ độ mặt bằng
của ProMark2 và dữ liệu đo sâu từ máy
F840.
So với kết quả RTK, sai số trung phương
độ lệch độ cao đáy là 2,5dm. Điều này có
thể giải thích là do máy đo sâu F840 có
độ chính xác kém hơn. Mặt khác dữ liệu
đo sâu được phần mềm SeaClear ghi lại
luôn luôn chẳn đến 1 giây, trong khi phần
mềm HyPack của hệ thống RTK ghi
chính xác đến 1% giây. Điều này có thể
ảnh hưởng đến quá trình nội suy của
HydroTools.
5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chúng tôi đã trình bày một hệ thống thủy đạc
đơn giản, rẻ tiền nhưng có thể đạt độ chính xác
yêu cầu cho công tác thuỷ đạc. Lợi ích khác của
hệ thống này là do không có phần liên lạc radio
như ở các hệ thống RTK nên cài đặt đơn giản và
không cần chọn trạm đáy ở nơi thuận tiện cho
việc phát sóng.

200

Tuy nhiên cần lưu ý rằng hệ thống RTK
vẫn là lựa chọn số 1 vì nó hầu như không
mất thời gian hậu xử lý và số lượng dữ liệu
lưu trữ ít (khi số lượng điểm đo sâu lên đến
vài trăm ngàn điểm sẽ chiếm thời gian hậu
xử lý và không gian lưu trữ đáng kể). Mặt
khác hệ thống RTK có thể dùng ngay cả khi
khoảng cách giữa trạm động và trạm đáy
lên đến vài chục km. Trong khi hệ thống đề
nghị bao gồm các máy thu GPS một tần số
nên giới hạn khoảng cách khoảng 5km để
chắc chắn quá trình giải nghiệm an toàn và
vì vậy thích hợp cho những đoạn sông ngắn
hay khu vực đo nhỏ.
Hệ thống này hiện đã được áp dụng tại
Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ
thuật Biển với độ tin cậy và độ chính xác
ổn định. Trong thời gian sắp tới chúng tôi
sẽ tiếp tục phát triển phần mềm mới nhằm
thay thế hoàn toàn phần mềm SeaClear.
Đồng thời cải tiến những nhược điểm mà
SeaClear mắc phải như ghi lại thời gian đo
chính xác đến 1% giây, cho phép hiển thị
các bản đồ nền dạng vector thay cho
bitmap, vv.
LỜI CẢM TẠ
Chúng tôi chân thành cảm ơn Ban

Giám Đốc và Phòng Địa Tin Học của Công
ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật
Biển đã cung cấp phương tiện và nhân lực
để hoàn thành nghiên cứu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Chris Rizos: Principles and Practice of
GPS Surveying, University of New
South Wales (1996), Australia.
2. Department of the US Army:
Hydrographic Surveying (2002),
3. Nguyễn Ngọc Lâu, Trương Ngọc
Tường, Nguyễn Tân Sơn và Nguyễn
Quang: Nâng cao độ chính xác và tính
hiệu quả của quá trình thủy đạc bằng kỹ
thuật RTK, Hội Nghị Khoa học Trắc
địa Bản đồ và Quản lý Đất đai lần thứ
nhất của Tổng cục Địa chính tại Hà Nội
(2004), trang 94-102.
4. Thales Navigation: ProMark2 Survey
System User’s Guide for Surveying,
(2002), 132pp
5. Hướng dẫn sử dụng máy thu GPS SR20
của Công ty Leica


6. Hướng dẫn sử dụng phần mềm SeaClear
Version: MMV v.1
7. Japan Marina Co.: Operating and Installation
Intructions for Model F840 Recording Echo
Sounder, 2nd ed. (1995).

8. Odom Hydrographic Systems: Echotrac
MKIII Operator’s Manual V1.2, Odom
Hydrographic Systems, Inc.1450 Seaboard
Avenue Baton Rouge, Louisiana USA (2003),
52p

201