Tích hợp gps và echo sounder để thành lập bản đồ giao thông thủy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THANH NHUẬN

TÍCH HP GPS VÀ ECHO-SOUNDER
ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ GIAO THÔNG THỦY
CHUYÊN NGÀNH: XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ BẢN ĐỒ
BẰNG KỸ THUẬT TIN HỌC
MÃ SỐ NGÀNH: 2.16.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 08 NĂM 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1:

TS. Trần Trọng Đức

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:

TS. Nguyễn Ngọc Lâu

Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS.TS. Đào Xuân Lộc

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. Lê Trung Chơn

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày 03 tháng 10 năm 2005


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 17 tháng 01 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên :
NGUYỄN THANH NHUẬN Phái nam
Ngày, tháng, năm sinh : 22 – 01 – 1979
Nơi sinh : BÌNH ĐỊNH
Chuyên ngành : XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐỊNH VỊ VÀ BẢN ĐỒ BẰNG KỸ THUẬT TIN HOC
MSHV: 02203563
I. TÊN ĐỀ TÀI : TÍCH HP GPS VÀ ECHO-SOUNDER ĐỂ THÀNH LẬP

BẢN ĐỒ GIAO THÔNG THỦY
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
- Nhiệm vụ : Đề tài nghiên cứu các lý thuyết về Địa tin học phục vụ trong công
tác đo sâu, sau đó tiến hành xây dựng và phát triển một phần mềm nhằm tích
hợp dữ liệu GPS và Echo Sounder để ứng dụng thành lập bản đồ giao thông
thuỷ.
- Nội dung: Xây dựng phần mềm có đầy đủ các chức năng ứng dụng trong công
tác đo sâu như: Thiết kế các tuyến đo, hiển thị bản đồ nền, vị trí điểm đo, tuyến
đo, mặt cắt, chuyển đổi các hệ thống toạ độ, xác định các tham số chuyển đổi …
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
17 / 01 / 2005
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :
30 / 06 / 2005
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS. TRẦN TRỌNG ĐỨC
VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS. NGUYỄN NGỌC LÂU
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2
CN BỘ MÔN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) (Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) QL CHUN NGÀNH

TS. TRẦN TRỌNG ĐỨC
TRUNG

TS. NGUYỄN NGỌC LÂU

TS. LÊ VĂN

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH

Ngày
tháng
năm 2005
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


-1-

Luận văn thạc só

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy
Trần Trọng Đức và thầy Nguyễn Ngọc Lâu tôi đã cơ bản hoàn thành các mục
tiêu của đề tài đã đề ra. Tuy nhiên, gian thời gian thực hiện luận văn không dài
và trình độ hiểu biết về công nghệ GPS và GIS có giới hạn nên luận văn này có
thể còn một số khiếm khuyết. Kính mong Q thầy cô thông cảm và góp ý.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Trần Trọng Đức và thầy Nguyễn Ngọc
Lâu đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian qua để tôi có thể
hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Cảm ơn bạn bè, người thân và các đồng
nghiệp đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Q thầy cô Bộ môn Địa Tin học trường Đại
học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. Kính chúc Q thầy cô luôn mạnh
khỏe, đạt nhiều thắng lợi trong sự nghiệp giáo dục và nghiên cứu khoa học.
Xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày

tháng năm 2005

Học Viên
Nguyễn Thanh Nhuận

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


-2-

Luận văn thạc só

TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu các lý thuyết về Địa tin học như GPS (Global
Positionning System), GIS (Geographic Infomation System) và Trắc địa biển
(Hydrographic Surveying). Từ những lý thuyết cơ bản đó, tác giả tiến hành xây
dựng và phát triển một phần mềm cho phép tích hợp dữ liệu GPS, Echo Sounder
và GIS để phục vụ thành lập bản đồ giao thông thủy. Về cơ bản, phần mềm có
đầy đủ các chức năng chính như: Thiết kế, hiển thị, thu thập dữ liệu, chuyển đổi
tọa độ, xác định các tham số chuyển đổi... và có thể xử lý, hiển thị kết quả ở hệ
tọa độ VN-2000.
Luận văn này cho thấy khả năng ứng dụng phần mềm GEOHCM của tác
giả trong công tác đo sâu để thành lập bản đồ giao thông thủy ở Việt Nam và
mở ra khả năng mới phục vụ các ứng dụng khác như: Thành lập bản đồ giao
thông, bản đồ hiện trạng sử dụng đất... bằng công nghệ GPS.

ABSTRACT
This theme research is about theory of Geomatics such as GPS (Global
Positionning System), GIS (Geographic Infomation System) and Hydrographic
Survey. From this basic theory, The author has installed and developed a
software that can integrate GPS, Echo Sounder and GIS data to establish water
way traffic maps. Basically, this software includes all main functions such as:

designing, displaying, collecting data, changing co-ordinates, determining
interchangeable parameters... and this software can also process, display results
at VN-2000 coordinates system.
This thesis indicates that we can use GEOHCM software of the author for
bathymetric survey to establish water way traffic maps in VietNam and open
new ability to serve other applications such as: setting up traffic maps, current
state of using land maps ... by using GPS technology.

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


-3-

Luận văn thạc só

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................1
TÓM TẮT ..............................................................................................................2
MỤC LỤC ..............................................................................................................3
PHẦN 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................8
I- ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................8
II- MỤC TIÊU ........................................................................................................9
III- NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN .............................................9
III.1- Các nội dung cơ bản ......................................................................................9
III.2- Phương pháp thực hiện ................................................................................10
III.3- Phạm vi thực hiện .......................................................................................12
PHẦN 2: NỘI DUNG...........................................................................................14
Chương I: GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ..............................14

I.1- PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRUYỀN THỐNG.............................................14
I.1.1- Nguyên tắc định vị......................................................................................14
I.1.2- Qui trình thực hiện ......................................................................................14
I.1.3- Các công tác chính trong đo sâu truyền thống ...........................................16
I.1.3.1- Công tác chuẩn bị ....................................................................................16
I.1.3.2- Công tác định vị.......................................................................................16
I.1.3.3- Công tác xử lý nội nghiệp .......................................................................18
I.1.4- Xác định độ cao bằng mia và máy đo cao..................................................22
I.1.5- Những ưu và nhược điểm của phương pháp đo sâu truyền thống ..............23
I.1.5.1- Ưu điểm ...................................................................................................23
I.1.5.2- Nhược điểm..............................................................................................23
I.2- PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TIÊN TIẾN HIỆN NAY ....................................24
I.2.1- Nguyên tắc định vị......................................................................................24
I.2.2- Phương pháp tích hợp GPS và ECHO-SOUNDER .....................................25
I.2.2.1- Nguyên lý chung......................................................................................25
I.2.2.2- Qui trình thực hiện ...................................................................................26
I.2.3- Xác định độ cao bằng kỹ thuật RTK (Real-Time Kinematic) ...................28
I.2.4- Các thiết bị phục vụ công tác đo đạc bản đồ địa hình đáy biển.................29
I.2.4.1- Các máy thu GPS.....................................................................................29
I.2.4.2- Các máy đo sâu hồi âm (Echo-sounder)..................................................29
I.2.5- Các phần mềm ứng dụng trong đo sâu (thiết bị phần mềm)......................33
Chương II: TỔNG QUAN VỀ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN ...................37
II.1- BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN ................................................................37
II.1.1- Khái niệm ..................................................................................................37

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu

-4-

Luận văn thạc só

II.1.2- Phân loại bản đồ địa hình đáy biển ...........................................................38
II.1.2.1- Các bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn .................................................38
II.1.2.2- Các bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ trung bình .......................................38
II.1.2.3- Các bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ nhỏ .................................................39
II.1.3- Yêu cầu đối với bản đồ địa hình đáy biển ................................................39
II.1.4- Cơ sở toán học của bản đồ địa hình đáy biển ...........................................39
II.1.5- Độ chính xác của bản đồ địa hình đáy biển ..............................................40
II.1.6- Nội dung thể hiện trên bản đồ địa hình đáy biển .....................................41
II.1.6.1- Các yếu tố cơ sở toán học và cơ sở trắc địa ...........................................41
II.1.6.2- Các yếu tố trên bề mặt biển...................................................................41
II.1.6.3- Các yếu tố trên mặt biển ........................................................................42
II.2- QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VẼ BẢN ĐỒ GIAO THÔNG THỦY .......42
II.2.1- Khái quát về bản đồ giao thông thủy ........................................................42
II.2.1.1- Mục đích .................................................................................................42
II.2.1.2- Nội dung .................................................................................................43
II.2.1.3- Cơ sở toán học và độ chính xác giao thông thủy ...................................43
II.2.2- Qui trình công nghệ đo vẽ bản đồ giao thông thủy ...................................43
II.2.2.1- Công tác chuẩn bị...................................................................................43
II.2.2.2- Công tác đo sâu ......................................................................................46
II.2.2.3- Công tác xử lý nội nghiệp, biên vẽ.......................................................47
Chương III: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ......................................50
III.1- HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS).................................................50
III.1.1- Các khái niệm cơ bản về GPS .................................................................50
III.1.1.1- Khái niệm chung ...................................................................................50
III.1.2- Các nguyên tắc và phương pháp định vị GPS..........................................51
III.1.2.1- Các trị đo dùng trong định vị.................................................................51

III.1.2.2- Các phương pháp định vị GPS ..............................................................51
III.1.2.3- Các kiểu định vị GPS ............................................................................52
III.1.3- Phương pháp định vị DGPS (Diferential GPS) ........................................53
III.1.3.1- Nguyên lý chung ...................................................................................53
III.1.3.2- Định vị bằng công nghệ RTK ...............................................................54
III.1.3.3- Định vị bằng công nghệ DGPS ............................................................55
III.1.3.4- Hệ thống định vị OmniSTAR................................................................57
III.1.3.5- Ưu điểm của công nghệ định vị DGPS .................................................59
III.1.3.6- Độ chính xác của DGPS........................................................................59
III.1.4- Hệ thống tọa độ dùng trong GPS ............................................................60
III.1.4.1- Hệ tọa độ WGS84 (World Geodetic Systems 1984)............................60
III.1.4.2- Hệ tọa độ ITRF (The International Terrestrial Reference Frame) ......61

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


-5-

Luận văn thạc só

III.1.5- Các loại sai số khi định vị bằng GPS .......................................................61
III.1.5.1- Các sai số khi định vị ..........................................................................61
III.1.5.2- Ảnh hưởng cấu hình vệ tinh ..................................................................62
III.1.6- Một số loại máy thu GPS thông dụng ......................................................63
III.2- HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ..................................................66
III.2.1- Khái niệm chung về GIS..........................................................................66
III.2.1.1- Bối cảnh và lịch sử phát triển GIS........................................................66
III.2.1.2- Định nghóa GIS......................................................................................67

III.2.2- Các thành phần của GIS ..........................................................................67
III.2.2.1- Phần cứng..............................................................................................68
III.2.2.2- Phần mềm .............................................................................................69
III.2.2.3- Dữ liệu...................................................................................................69
III.2.2.4- Con người ..............................................................................................69
III.2.2.5- Các phương pháp phân tích và các ứng dụng .......................................70
III.2.3- Các chức năng của GIS............................................................................70
III.2.3.1- Thu thập dữ liệu ....................................................................................70
III.2.3.2- Quản lý dữ liệu .....................................................................................70
III.2.3.3- Phân tích dữ liệu ...................................................................................71
III.2.3.4- Hiển thị dữ liệu .....................................................................................73
III.2.4- Dữ liệu của GIS........................................................................................74
III.2.4.1- Đặc điểm của dữ liệu GIS.....................................................................74
III.2.4.2- Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS ..................................................................74
III.2.5- Các nguồn sai số trong GIS......................................................................78
III.2.5.1- Sai số do thu thập dữ liệu ......................................................................78
III.2.5.2- Sai số do nhập dữ liệu ...........................................................................78
III.2.5.3- Sai số do dữ liệu ...................................................................................79
III.2.5.4- Sai số trong quá trình xử lý dữ liệu .....................................................79
III.2.5.5- Sai số do xuất dữ liệu ...........................................................................79
III.2.5.6- Sai số do sử dụng kết quả ....................................................................79
Chương IV:
CÁC CÔNG THỨC CƠ SỞ ........................................................80
IV.1- PHƯƠNG PHÁP SỐ BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT ..................................80
IV.2- CHUYỂN ĐỔI HỆ QUI CHIẾU TRẮC ĐỊA .............................................83
IV.2.1- Các tham số cơ bản của Ellipsoid ............................................................83
IV.2.2- Công thức chuyển đổi hệ tọa độ trắc địa sang hệ tọa độ vuông góc ......84
IV.2.3- Công thức chuyển đổi hệ tọa độ vuông góc sang hệ tọa độ trắc địa ......84
IV.2.4- Công thức chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ trắc địa...................................85
IV.2.5- Công thức chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ không gian .............................87

IV.3- CHUYỂN ĐỔI HỆ TỌA ĐỘ TRẮC ĐỊA VÀ HỆ TỌA ĐỘ PHẲNG.......89

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


-6-

Luận văn thạc só

IV.3.1- Phép chiếu hình trụ ngang .......................................................................89
IV.3.1.1- Phép chiếu Gauss – Kruger ..................................................................89
IV.3.1.2- Phép chiếu UTM (Universal Transverse Mercator) ..............................90
IV.3.2- Xác định tọa độ phẳng (x,y) từ tọa độ trắc địa (B,L) ..............................91
IV.3.3- Xác định tọa độ trắc địa (B,L) từ tọa độ phẳng (x,y) .............................93
IV.3.4- Quan hệ toán học giữa hai hệ tọa độ phẳng ............................................94
IV.3.4.1- Công thức Helmert................................................................................94
IV.3.4.2- Công thức Affine...................................................................................95
IV.4- XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỔI GIỮA HAI HỆ TỌA ĐỘ ..95
IV.4.1- Xác định các tham số chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ trắc địa.................95
IV.4.2- Xác định các tham số chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ không gian ...........98
IV.4.3- Xác định các tham số chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ phẳng ...................99
IV.4.3.1- Theo biến đổi Helmert.........................................................................99
IV.4.3.2-Theo biến đổi Affine...........................................................................101
IV.5- CÁC PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY ĐƠN GIẢN .........................................102
IV.5.1- Phương pháp nội suy Langrange...........................................................102
IV.5.2- Phương pháp nội suy tuyến tính............................................................103
IV.6- CÁC THÔNG ĐIỆP CHUẨN NMEA-0183 .............................................103
IV.6.1- Các thông điệp của máy thu GPS ..........................................................104

IV.6.2- Các thông điệp của máy đo sâu hồi âm (Echo Sounder) ......................106
Chương V: XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ...............................107
V.1- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM GEOHCM .................................107
V.1.1- Giới thiệu.................................................................................................107
V.1.2- Mô hình tổng thể .....................................................................................108
V.2- THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN .....................................................................109
V.2.1- Sơ lược về các chức năng thực hiện ........................................................109
V.2.2- Cấu trúc chương trình ..............................................................................111
V.2.3- Tổ chức cơ sở dữ liệu ..............................................................................112
V.2.4- Định dạng dữ liệu xuất ............................................................................118
V.2.5- Các giải thuật, lưu đồ ..............................................................................120
V.2..5.1- Lưu đồ tổng quát .................................................................................120
V.2.5.2- Lưu đồ xử lý tọa độ ..............................................................................123
V.2.5.3- Lưu đồ chuyển đổi tọa độ và xác định các tham số chuyển đổi ..........125
V.3- ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GEOHCM VÀO CÔNG TÁC ĐO SÂU.........127
V.3.1- Xây dựng các lớp dữ liệu ........................................................................127
V.3.2- Đo vẽ bản đồ ...........................................................................................128
V.3.2.1- Giới thiệu khu vực đo thử nghiệm ........................................................128
V.3.2.2- Các yêu cầu chung ...............................................................................129

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


-7-

Luận văn thạc só

V.3.2.3- Định vị ngoài thực địa ..........................................................................129

V.3.2.4- Xử lý file đo .........................................................................................136
V.3.2.5- Vẽ đường đẳng sâu bằng phần mềm Liscad 6.0 ..................................138
V.3.2- Ứng dụng GIS để thành lập và quản lý bản đồ giao thông thủy ............142
PHẦN 3: KẾT LUẬN ........................................................................................145
I- NHẬN XÉT ....................................................................................................145
II- HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CHƯƠNG TRÌNH.........................................146
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................147
TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..............................................................149
PHỤ LỤC ...........................................................................................................150

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


-8-

Luận văn thạc só

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
I- ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật trong mọi ngành,
mọi lónh vực nói chung và trong kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin nói
riêng đã làm thay đổi hoàn toàn công nghệ đo vẽ và thành lập bản đồ. Trong sự
phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông tin, Hệ thông tin địa lý (GIS) đã
và đang chứng tỏ là một phương tiện hữu hiệu hỗ trợ cho mọi hoạt động của con
người trong việc thu thập, quản lý, cập nhật và xử lý thông tin địa lý. Với sự phát
triển và ngày càng hoàn thiện của hệ thống định vị toàn cầu (GPS), việc xác
định vị trí dựa vào công nghệ GPS trở nên chính xác và thuận lợi hơn. Tích hợp
công nghệ GPS với công nghệ GIS là một bước tiến quan trọng trong việc thu

thập và xử lý thông tin vị trí một cách chính xác và hiệu quả. Vì vậy, chúng đã
và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lónh vực như: địa lý, thủy văn, xây
dựng, nông-lâm nghiệp, du lịch …và đặc biệt là trong lónh vực trắc địa bản đồ.
Tuy nhiên, việc thành lập bản đồ địa hình nói chung và bản đồ địa hình
đáy biển nói riêng ở nước ta hiện nay vẫn còn áp dụng các phương pháp truyền
thống, bán thủ công cho nên hiệu quả kinh tế thấp và độ chính xác không như
mong đợi. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS tích hợp với GIS để
thành lập bản đồ địa hình đáy biển nhằm phục vụ cho việc xây dựng các công
trình thủy, quản lý giao thông thủy, dẫn đường hàng hải, vv... là hoàn toàn cần
thiết.
Hiện nay, các máy thu GPS hiện đại có độ chính xác định vị tương đối cao
nên việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với máy đo sâu hồi âm để thành lập
bản đồ địa hình đáy biển đã trở nên phổ biến trên thế giới. Đi kèm theo đó là
các phần mềm đa năng như thiết kế các tuyến đo, xử lý các trị đo đồng thời từ

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


-9-

Luận văn thạc só

máy thu GPS và máy đo sâu hồi âm để cho ra tọa độ và cao độ cùng thời điểm
và hiển thị mặt cắt dọc theo tuyến đo.... Tuy nhiên, giá thành các phần mềm này
tương đối cao và có nhiều hạn chế khi sử dụng trên vùng lãnh thổ Việt Nam. Vì
vậy, việc nghiên cứu và xây dựng một phần mềm ứng dụng công nghệ GPS để
thành lập bản đồ địa hình đáy biển phù hợp với lãnh thổ Việt Nam là nhu cầu
thiết thực. Xuất phát từ thực tế đó, tôi tiến hành thực hiện đề tài “ Tích hợp

GPS và ECHO SOUNDER để thành lập bản đồ giao thông thủy”.
II- MỤC TIÊU
-

Xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu để thu thập, cập nhật, xử lý và hiển
thị thông tin cần thiết trên máy tính.

-

Xây dựng các Module cơ bản để hỗ trợ cho việc thành lập bản đồ giao
thông thủy (bao gồm xử lý trị đo, hiển thị vị trí, hiển thị mặt cắt, hiển
thị bản đồ nền khu đo …).

-

Xây dựng Module cho phép người sử dụng chuyển đổi giữa các hệ
thống tọa độ, xác định các tham số chuyển đổi từ các tập hợp điểm
trùng.

-

Xây dựng Module cho phép người sử dụng thiết kế các tuyến đo trên
bản đồ nền cho trước.

III- NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
III.1- Các nội dung cơ bản
-

Các qui định chung cho việc thành lập bản đồ địa hình đáy biển ở nước
ta hiện nay và độ chính xác qui định cho từng loại tỷ lệ bản đồ này.

-

Cơ sở lý thuyết về GPS, các phương pháp đo và khả năng ứng dụng để
thành lập bản đồ giao thông thủy.

-

Cơ sở lý thuyết về GIS, chọn phần mềm GIS hợp lý để xây dựng cơ sở
dữ liệu.

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 10 -

Luận văn thạc só

-

Khảo sát độ chính xác của các thiết bị đo và các nguồn sai số ảnh
hưởng đến việc thành lập bản đồ địa hình đáy biển, khả năng độ chính
xác đạt được trong từng điều kiện cụ thể.

-

Xây dựng các thuật toán để xử lý các trị đo (tọa độ và độ cao) về cùng
thời điểm và chuyển đổi về hệ tọa độ quốc giaVN-2000.

-

Dựa vào các loại máy thu GPS và các thiết bị đo sâu hồi âm hiện nay
đang sử dụng để từ đó thiết kế các Module cơ bản để hỗ trợ cho việc
thành lập bản đồ giao thông thủy bằng công nghệ GPS (bao gồm thu
thập, lưu trữ, cập nhật và hiển thị thông tin cần thiết).

III.2- Phương pháp thực hiện
1-Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bản đồ địa hình đáy biển
-

Tìm hiểu tổng quan về bản đồ địa hình đáy biển.

-

Các loại bản đồ địa hình đáy biển.

-

Yêu cầu đối với bản đồ địa hình đáy biển.

-

Cơ sở toán học của bản đồ địa hình đáy biển

-

Độ chính xác của bản đồ địa hình đáy biển.

2- Tìm hiểu qui trình công nghệ đo vẽ bản đồ giao thông thủy
-

Tìm hiểu khái quát chung về bản đồ giao thông thủy: Bao gồm yêu
cầu, nội dung và độ chính xác của bản đồ giao thông thủy.

-

Qui trình công nghệ đo vẽ bản đồ đáy sông: Bao gồm các công việc
khảo sát khu đo, thiết kế các tuyến đo, tổ chức thi công và xử lý biên
vẽ.

3- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về GPS
-

Tìm hiểu tổng quan về GPS: Các khái niệm, các bộ phận chính
(không gian, điều khiển, sử dụng) trong hệ thống định vị GPS.

-

Các phương pháp đo GPS: Các trị đo dùng trong định vị GPS bao gồm

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 11 -

Luận văn thạc só

trị đo giả cự ly (Pseudo-range) và trị đo pha sóng mang (Carrier
phase).
-

Phương pháp định vị GPS: Định vị tuyệt đối và định vị tương đối, định
vị tónh và định vị động, phương pháp định vị DGPS (GPS vi phân –
Differential GPS).

-

Các hệ thống thời gian và hệ thống tọa độ dùng trong GPS.

-

Các loại sai số và độ chính xác khi định vị: Tìm hiểu các nguồn sai số
ảnh hưởng đến phép đo như sai số q đạo vệ tinh, sai số đồng hồ trên
vệ tinh và trong máy thu, sai số do môi trường truyền sóng… và đánh
giá độ chính xác đạt được khi định vị bằng GPS.

4- Tìm hiểu phương pháp định vị DGPS ứng dụng trong đo sâu
-

Nguyên tắc hoạt động của phương pháp định vị DGPS.

-

Các kiểu định vị DGPS: bao gồm kiểu định vị DGPS theo phương pháp
hiệu chỉnh phân sai và theo phạm vi hoạt động.

-

Độ chính xác của phương pháp định vị DGPS.

5- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về GIS
-

Tìm hiểu chung về GIS: Các khái niệm cơ sở, các thành phần cơ bản
của GIS (bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu thông tin và con
người).

-

Các chức năng cơ bản của GIS: Bao gồm các chức năng như thu thập
dữ liệu, quản lý dữ liệu, phân tích dữ liệu và hiển thị dữ liệu.

-

Cơ sở dữ liệu trong GIS: Bao gồm cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ
liệu thuộc tính.

-

Cấu trúc dữ liệu trong GIS: Để có thể truy nhập đến các dữ liệu trong
một hay nhiều file của cùng cơ sở dữ liệu, phải tổ chức dữ liệu theo
một trong các dạng cấu trúc phân cấp, dạng mạng hay dạng quan hệ.

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu

- 12 -

Luận văn thạc só

-

Các định dạng dữ liệu của GIS: Ở hai định dạng raster và vector.

-

Các nguồn sai số trong GIS: Khi xây dựng hệ thống GIS những nguồn
sai số thường gặp như sai số thu thập dữ liệu, sai số trong quá trình xử
lý dữ liệu, sai số do xuất dữ liệu…

6- Nghiên cứu các phần mềm ứng dụng
Trước khi tiến hành tiến hành xây dựng các Module, nghiên cứu việc ứng
dụng phần mềm để lập trình như Visual Basic và các phần mềm GIS ứng dụng
để quản lý dữ liệu và hiển thi thông tin.
7- Tìm hiểu các hệ thống tọa độ, xây dựng các thuật toán chuyển đổi giữa các
hệ tọa độ
-

Xây dựng thuật toán xác định các tham số chuyển đổi giữa các hệ
thống tọa độ từ các tập hợp điểm trùng.

-

Xây dựng thuật toán chuyển đổi giữa các hệ tọa độ: hệ tọa độ không

gian (X,Y,Z), hệ tọa độ trắc địa (B,L,H) và hệ tọa độ phẳng (x,y).

8- Tích hợp dữ liệu GPS và dữ liệu đo sâu hồi âm
-

Để việc xác định tọa độ và độ sâu điểm đo được đồng bộ và liên tục,
ta kết nối máy thu GPS và máy đo sâu với máy tính thông qua cổng
nối tiếp.

-

Xây dựng Module để nhận biết được các thông tin truyền sang từ hai
thiết bị trên, đồng thời xử lý và lưu trữ ở định dạng thích hợp.

9- Thiết kế, xây dựng các Module cơ bản
Chọn mô hình tổ chức cơ sở dữ liệu để từ đó xây dựng các Module để
hiển thị bản đồ nền khu đo, hiển thị vị trí đo và mặt cắt tuyến đo, và có thể cho
phép người sử dụng thiết kế các tuyến đo cho trước …
III.3- Phạm vi thực hiện
Việc xây dựng và phát triển phần mềm phục vụ cho công tác thủy đạt nói
GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 13 -

Luận văn thạc só

chung là cần thiết. Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ giới hạn nghiên cứu

xây dựng các Module cơ bản để thành lập bản đồ giao thông thủy bằng công
nghệ GPS, cụ thể:
¾ Mở được các bản đồ ở dạng Raster (file ảnh Bitmap: *.BMP,
*.JPG,*.JPEG…) hay ở dạng Vector (file bản vẽ ACAD: *.dxf).
¾ Giao tiếp, xử lý các trị đo nhận được từ các thiết bị đo (Máy thu GPS, máy
đo sâu hồi âm).
¾ Hiển thị bản đồ nền, cho phép người sử dụng định vị trí khi thực hiện.
¾ Hiển thị vị trí tàu trên bản đồ nền, hiển thị mặt cắt dọc tuyến đo và số liệu
đo (tọa độ phẳng và độ cao) được lưu trong file theo định dạng phù hợp.
¾ Chuyển đổi giữa các hệ thống tọa độ, xác định các tham số chuyển đổi.
¾ Cho phép người sử dụng thiết kế các tuyến đo trên bản đồ nền cho trước.

⇒ Trên đây tác giả đã giới thiệu sơ lược về đề tài thực hiện, nội dung thực
hiện sẽ được trình bày cụ thể trong Phần 2.

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 14 -

Luận văn thạc só

PHẦN 2: NỘI DUNG
Chương I: GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU
I.1- PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRUYỀN THỐNG
I.1.1- Nguyên tắc định vị
- Dùng thiết bị cơ quang học, quang điện tử hoặc bằng máy toàn đạc điện
tử (Total station) để định vị theo phương pháp giao hội thuận, giao hội nghịch,

giao hội thuận nghịch và phương pháp tọa độ cực.
- Phương pháp quang học chủ yếu dùng để định vị ở vùng ven bờ.
- Khi định vị bằng giao hội thuận thì từ các trạm trên bờ tiến hành giao
hội đồng thời đến tàu khảo sát theo tín hiệu radio và cờ hiệu. Độ chính xác vào
khoảng 5-15m.
- Giao hội nghịch áp dụng khi từ trên tàu đo đồng thời bằng hai máy thập
lục phân đến các điểm trên bờ. Độ chính xác vào khoảng 15-50m. Trên vùng
biển xa và đại dương thường định vị bằng phương pháp quan trắc thiên văn với
độ chính xác đạt 4-5 km.
- Nhược điểm của các phương pháp này là độ chính xác thấp, tầm hoạt
động hạn chế, phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường, không có khả năng
tự động hoá.
I.1.2- Qui trình thực hiện
Trong phương pháp đo sâu truyền thống, ngoài các thiết bị phục vụ cho
việc độ sâu như tàu thuyền, máy thủy chuẩn, máy đo sâu… để định vị tọa độ
điểm đo sâu ta cần có 3 máy kinh vó trong giao hội thuận hoặc sextant trong giao
hội nghịch.
Qui trình thực hiện theo sơ đồ sau:

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 15 -

Luận văn thạc só

CÔNG TRÌNH
CÔNG TÁC CHUẨN BỊ

THIẾT KẾ
ĐƯỜNG ĐO SÂU

TỔ CHỨC NHÂN CÔNG,
THIẾT BỊ , TÀI LIỆU ….

TỔ CHỨC THI CÔNG
XÂY DỰNG MỐC TRẮC ĐỊA
ĐỊNH VỊ ĐƯỜNG ĐO SÂU, ĐO SÂU
QUAN TRẮC THUỶ TRIỀU …
XỬ LÝ NỘI NGHIỆP
DỰNG LẠI ĐƯỜNG ĐO SÂU
MẬT ĐỘ ĐIỂM ĐỘ SÂU
HIỆU CHỈNH SAI SỐ MÁY
VÀ CẦN ĐO SÂU

ĐỌC SỐ ĐỘ SÂU

HIỆU CHỈNH
ĐỘ SÂU

HIỆU CHỈNH
THUỶ TRIỀU

THÀNH LẬP BẢN THẢO
VIẾT ĐỘ SÂU

VẼ ĐƯỜNG ĐẲNG SÂU

VẼ ĐỊA HÌNH

THÀNH LẬP BẢN CHÍNH
Hình I.1 (Qui trình đo sâu truyền thống)

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Laâu


- 16 -

Luận văn thạc só

I.1.3- Các công tác chính trong đo sâu truyền thống
I.1.3.1- Công tác chuẩn bị
Bao gồm các công việc như: Khảo sát vùng đo vẽ, thu thập các tài liệu
liên quan, tiến hành thiết kế kỹ thuật, xây dựng cơ sở trắc địa, kiểm nghiệm các
thiết bị đo, chuẩn bị các phương tiện để phục vụ cho công tác đo đạc.
I.1.3.2- Công tác định vị
a- Phương pháp giao hội thuận
Các điểm định hướng vị trí của tàu hay mục tiêu được xác định bằng ba
máy kinh vó đặt trên ba điểm đã biết tọa độ nằm trên đất liền. Do tính biến động
của môi trường biển nên công tác xác định cần phải thực hiện một cách đồng bộ
nhờ cờ hiệu và bộ đàm.

Hình I.2 (Nguyên lý định vị theo phương pháp giao hội thuận)
Đặt 3 máy kinh vó tại các điểm I, II, III để tiến hành định vị các điểm
ngoài thực địa:
- Máy tại điểm I ngắm hướng chuẩn I-II tia ngắm I-2
- Máy tại điểm II ngắm hướng chuẩn II-I tia ngắm II-2

- Máy tại điểm III ngắm hướng chuẩn III-I tia ngắm III-2

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 17 -

Luận văn thạc só

Theo hiệu lệnh của người phất cờ đứng trên tàu người đứng máy tại các
điểm I, II, III đồng thời đọc các góc a, b, c. Khi đó người phụ trách máy đo sâu
trên tàu tiến hành đánh dấu lên băng đo sâu.
b- Phương pháp giao hội nghịch
Để tiến hành cần ít nhất hai hướng ngắm về các điểm trắc địa trên bờ.
Thiết bị sử dụng là máy sextant, thường được xác định đồng thời với hai người
quan sát.
Để tiến hành xác định điểm 2 (Hình I.3), ta đặt máy sextant tại điểm 2
tiến hành ngắm hướng I, II, III và đọc các góc II 2ˆ I , III 2ˆ I , III 2ˆ II .

Hình I.3 (Nguyên lý định vị theo phương pháp giao hội nghịch)

Hình I.4 (Sextant)
GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 18 -

Luận văn thạc só

Thông thường mỗi đường trắc ngang xác định bằng 3 điểm: Điểm đầu,
điểm giữa và điểm cuối. Trong trường hợp đường đo quá dài số lượng điểm có
thể nhiều hơn.
Trong quá trình đo, máy đo sâu liên tục hoạt động để xác định độ sâu đáy
sông, biển.
I.1.3.3- Công tác xử lý nội nghiệp
a- Xác định đường đo sâu trên bản đồ
Đường đo sâu xác định trên bản đồ bằng phương pháp đồ giải, dựa trên
các số liệu do các tổ đo ghi lại, những người xử lý nội nghiệp dễ dàng xác định
lại đường đo sâu bằng cách dựng lại điểm đầu, điểm giữa, điểm cuối của mỗi
đường đo.
b- Viết số độ sâu và đọc băng đo sâu
Chữ viết số độ sâu được thể hiện trên bản đồ chính là độ sâu trên thực tế
mà máy đo sâu đo được tại những vị trí xác định. Cho nên địa hình đáy sông, đáy
biển được thể hiện bằng những con số trên bản đồ. Những chữ số độ sâu phải
chính xác và đủ nhiều để có thể thể hiện một cách đầy đủ và chính xác địa hình
đáy sông, đáy biển.
Trong quá trình đo, mỗi đường trắc ngang hay trắc dọc máy đo sâu hoạt
động liên tục trong khi tọa độ mỗi đường đo chỉ được xác định điểm đầu, điểm
giữa và điểm cuối cho nên trên thực tế chỉ có 3 vị trí được xác định tọa độ và độ
sâu trực tiếp và đồng thời. Các vị trí còn lại xác định gián tiếp thông qua băng
đo sâu.
Trình tự thực hiện như sau:
- Từ khoảng cách yêu cầu các số độ sâu trên bản đồ ta chia băng đo sâu
tương ứng với số độ sâu dự tính thể hiện trên bản đồ.
- Đọc độ sâu từ băng đo sâu tại các vị trí khoảng chia, giá trị độ sâu thu
GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 19 -

Luận văn thạc só

được là giá trị chưa hiệu chỉnh sai số máy.

Hình I.5 (Băng đo sâu)
Dựa vào khoảng cách giữa hai số độ sâu kề nhau ta tính được số lượng số
độ sâu tương ứng bằng cách chia băng đo sâu tương ứng với số độ sâu sẽ thể
hiện trên bản đồ.
c- Hiệu chỉnh độ sâu
* Hiệu chỉnh sai số máy đo sâu
Phương pháp kiểm nghiệm máy đo sâu: Dùng phương pháp Barcheck, sau
khi kiểm nghiệm ta sẽ hiệu chỉnh sai số này vào kết quả đo sâu. Sau đó ta kết
hợp đọc băng đo sâu với hiệu chỉnh sai số máy đo sâu.
- Xây dựng thước đọc độ sâu (đã hiệu chỉnh sai số máy) trên giấy can dựa
trên kiểm nghiệm Barcheck:
Dựa trên biểu đồ sóng âm máy đo sâu ghi lại trên băng đo sâu tại những
độ sâu khác nhau. Ta đặt một tờ giấy can chồng lên bảng biểu đồ kiểm nghiệm
máy đo sâu và tiến hành kẻ những đường chia vạch. Giả sử trong khoảng 0-2m
chia làm 20 vạch đều nhau mỗi vạch có giá trị 0.1m. Trong đó mức 2m là giới
hạn trên cùng của biểu đồ sóng âm ghi trên băng đo sâu khi tiến hành kiểm

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu

- 20 -

Luận văn thạc só

nghiệm máy tại độ sâu 2m. Tương tự cho những đoạn 2-4m, 4-6m, 6-8m. Sau
cùng ta được bản giấy can với những đường chia vạch hay còn gọi là thước đọc
độ sâu đã hiệu chỉnh sai số máy. Lấy bảng giấy can này để đọc giá trị độ sâu tại
những vị trí các khoảng chia. Kết quả cuối cùng là kết quả đã hiệu chỉnh sai số
máy.
- Hiệu chỉnh thủ công (hay hiệu chỉnh tuyến tính):
Giả sử giá trị độ sâu máy đọc được tại một điểm là 6.16m (chưa hiệu
chỉnh) dựa trên bảng giá trị kiểm nghiệm (giả sử độ sâu thực tế là 6m và 8m
tương ứng với độ sâu máy đo sâu đo được là 6.04m và 8.03m) ta tính được giá trị
sau hiệu chỉnh là:
a = 6.16+(6.16-6.04)

(8 − 6)
= 6.28 (m)
(8.03 − 6.04)

* Hiệu chỉnh cần đo sâu
Khoảng cách mà máy đo sâu đo được là khoảng cách từ tâm phát chùm
tia hồi âm đến đáy sông (biển), để thuận tiện cho việc hiệu chỉnh thủy triều độ
sâu cần qui về mặt nước sông (biển) nên cần phải cộng thêm khoảng cách từ
tâm phát chùm tia hồi âm đến mặt nước còn gọi là hiệu chỉnh cần đo sâu.

Cần đo sâu

Hình I.6 (Cần đo sâu)
* Hiệu chỉnh thủy triều
Độ sâu thể hiện trên bản đồ là độ sâu so với mặt chuẩn (H/0 Hải Đồ ), độ
sâu này được tính từ mực nước ròng sát đến đáy sông.
GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 21 -

Luận văn thạc só

Mực nước ròng sát là mực nước ròng thấp nhất được quan sát trong nhiều
năm .
Trong quá trình đo chịu ảnh hưởng của thủy triều (không phải là mực
nước ròng sát) nên phải hiệu chỉnh giá trị thủy triều vào kết quả đo sâu.
Quan trắc thủy triều:
Tính cao độ vạch 0 mia: Bằng cách dẫn thủy chuẩn từ một điểm địa
chính nhà nước (có độ cao nhà nước) đến điểm cần xác định độ cao mia nước,
khi đó cao độ vạch “0” được xác định nhö sau:
H 0 / 0 HD = H DC / 0 HD + Σ∆h − l

Trong đó:
H 0 / 0 HD : Cao độ vạch “0” mia so với “0” hải đồ

HDC/0HD: Cao độ điểm địa chính so với “0” hải đồ
Σ∆h : Chênh cao giữa điểm độ cao nhà nước với điểm phía trên mia nước

l: Chiều dài mia nước

Đáy mia đặt cách mực nước ròng sát l1
Ở thời điểm t số đọc mực nước trên mia là l2

Hình I.7 (Mô hình quan trắc thuỷ triều)

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu


- 22 -

Luận văn thạc só

Mực nước thủy triều ở thời điểm (t) so với mức “0” hải đồ H t / 0 HD laø:
H t / 0 HD = HDC/0HD +

Đặt

A= HDC/0HD +

∑ ∆h − l − l

1

∑ ∆h − l − l

1

+ l2

= const

H t / 0 HD = A+ l2

D = b + c là độ sâu máy đo sâu hồi âm đo được
D’ = a + b + c là độ sâu khi hiệu chỉnh cần đo sâu
D’’=D’- (l1 + l2) là độ sâu sau khi hiệu chỉnh thủy triều
I.1.4- Xác định độ cao bằng mia và máy đo cao
Độ cao đáy sông (biển) được xác định theo phương pháp đo mực nước như
hình sau:

Hình I.8 (Đo mực nước bằng mia và máy đo cao)
Trên hình vẽ, độ cao của mực nước gần bờ được tính theo công thức
hw = h0 -(b - a) - c
Trong đó:
hw: độ cao của mực nước so với mặt Geoid
h0: độ cao của trạm cơ sở (mốc khống chế)

GVHD1: TS. Trần Trọng Đức

GVHD2: TS. Nguyễn Ngọc Lâu