Nghiên cứu phương pháp tính chuyển toạ độ lưới gps ứng dụng trong trắc địa công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

NGUYỄN HẢI CHÂU

NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TÍNH CHUYỂN
TỌA ĐỘ LƢỚI GPS ỨNG DỤNG TRONG
TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

NGUYỄN HẢI CHÂU

NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TÍNH CHUYỂN
TỌA ĐỘ LƢỚI GPS ỨNG DỤNG TRONG
TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
Ngành: Kỹ thuật trắc địa – bản đồ
Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Trần Viết Tuấn

HÀ NỘI– 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu
trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Hà Nội, ngày 15 tháng10 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Hải Châu


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chƣơng 1: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS .................................................. 5
ĐỂ THÀNH LẬP LƢỚI TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH...................................... 5
1.1. Khái niệm lƣới khống chế trong trắc địa cơng trình .............................. 5
1.2. Khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lƣới
trắc địa cơng trình.......................................................................................... 7
1.3. Đặc điểm và u cầu độ chính xác của lƣới khống chế thi cơng
cơng trình....................................................................................................... 9
1.4. Ứng dụng cơng nghệ GPS để thành lập lƣới thi cơng cơng trình. ....... 12
1.4.1. Sử dụng cơng nghệp GPS để lập lƣới khống chế thi công hầm. .. 12
1.4.2. Sử dụng công nghệ GPS để lập lƣới khống chế thi công trong

xây dựng cầu. .......................................................................................... 14
Chƣơng 2: KHẢO SÁT MỘT SỐ BÀI TỐN TÍNH CHUYỂN TỌA ĐỘ
TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH.............................................................. 20
2.1. Một số hệ toạ độ thƣờng dùng trong trắc địa ....................................... 20
2.1.1 Hệ tọa độ trắc địa ........................................................................... 20
2.1.2. Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm. .................................... 21
2.1.3. Hệ tọa độ toàn cầu ......................................................................... 22
2.1.4. Hệ tọa độ địa diện xích đạo và hệ tọa độ địa diện chân trời. ........ 23
2.2. Một số hệ tọa độ phẳng thƣờng dùng ở Việt Nam. .............................. 24


2.1.1. Hệ toạ độ vng góc phẳng Gauss - Kruger (X, Y) ..................... 24
2.2.2. Hệ tọa độ vng góc UTM (N,E) ................................................ 25
2.2.3. Hệ tọa độ Hà Nội - 1972 (HN-72) ................................................ 26
2.2.4. Hệ tọa độ VN-2000. ...................................................................... 27
2.3. Khảo sát một số bài tốn tính chuyển hệ tọa độ trong trắc địa cơng
trình. ............................................................................................................ 27
2.3.1. Bài tốn tính chuyển tọa độ giữa hệ tọa độ trắc địa và hệ tọa
độ vng góc khơng gian. ....................................................................... 27
2.3.2. Bài tốn tính chuyển toạ độ giữa hệ tọa độ trắc địa và hệ tọa
độ vng góc phẳng. ............................................................................... 30
2.3.3. Bài tốn tính chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ vng góc phẳng. .... 33
Chƣơng 3: PHƢƠNG PHÁP TÍNH CHUYỂN TỌA ĐỘ CÁC ĐIỂM ĐO
GPS VỀ HỆ TỌA ĐỘ THI CƠNG CƠNG TRÌNH ....................................... 38
3.1. Sự cần thiết phải tính chuyển tọa độ các điểm đo GPS về hệ tọa độ
thi công công trình. ..................................................................................... 38
3.2. Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp tính chuyển. ............................. 39
3.2.1. Phƣơng pháp tính chuyển từ hệ tọa độ địa tâm về hệ tọa độ địa
diện. ......................................................................................................... 39
3.2.2. Phƣơng pháp tính chuyển bằng cách chọn lại kinh tuyến trục. .... 43

3.2.3. Phƣơng pháp tính chuyển hệ tọa độ đo GPS theo độ cao mặt
chiếu. ....................................................................................................... 47
3.3. Lựa chọn phƣơng pháp tính chuyển tọa độ các điểm đo gps về hệ
tọa độ thi cơng cơng trình............................................................................ 49
Chƣơng 4: KẾT QUẢ TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM CHO MỘT SỐ
CƠNG TRÌNH ĐIỂN HÌNH ........................................................................... 55
4.1. Cơng trình các khu đất xây dựng cơ sở hạ tầng, tái định cƣ huyện
Thạch Thất - Quốc Oai................................................................................ 55


4.2. Cơng trình cải tạo đê Cà Lồ - huyện n Phong, tỉnh Bắc Ninh. ....... 59
4.3. Cơng trình đƣờng qua xã Mỹ Phong, Tỉnh Thừa Thiên Huế. .............. 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

GPS

Hệ thống định vị toàn cầu
(Global Positioning System)

TCXDVN
PDOP

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
Hệ số suy giảm độ chính xác do đồ hình vệ tinh
(Position Delution Of Precision)


DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1. Diện tích khu vực đo vẽ và các cấp hạng của mạng lƣới khống
chế [2] ............................................................................................. 6
Bảng 1.2. Số hiệu chỉnh đo chiếu cạnh đo lên mặt Elipxoid và mặt phẳng ... 19
Bảng 3.1. Bảng kết quả giới hạn của Ymmax ................................................... 46
Bảng 4.1. Toạ độ các điểm GPS lƣới khống chế trắc địa khu tái định cƣ
Thạch Thất – Quốc Oai. ................................................................ 56
Bảng 4.2. So sánh chiều dài cạnh lƣới khống chế thi công khu tái định cƣ
Thạch Thất – Quốc Oai. ................................................................ 57
Bảng 4.3. Toạ độ các điểm đo GPS trong múi 105 (sau khi tính chuyển) .... 58
Bảng 4.4. So sánh chiều dài cạnh lƣới GPS theo phƣơng án đã tính chuyển 58
Bảng 4.5. Tọa độ các điểm đo GPS trên kinh tuyến 105 030’ (Trƣớc khi tính
chuyển ) ......................................................................................... 62
Bảng 4.6. So sánh kết quả đo cạnh lƣới GPS

cơng trình cải tạo đê

Cà Lồ - Yên Phong ....................................................................... 63
Bảng 4.7. Tọa độ các điểm đo GPS cơng trình cải tạo đê Cà Lồ - Yên

Phong sau tính chuyển .................................................................. 64
Bảng 4.8. So sánh kết quả đo cạnh lƣới GPS công trình cải tạo đê
Cà Lồ - n Phong (Sau tính chuyển) .......................................... 64
Bảng 4.9. Bảng thành quả tọa độ phẳng và độ cao sau bình sai ..................... 67
Bảng 4.10. Bảng thành quả tọa độ bình sai lƣới trƣớc tính chuyển ................ 68
Bảng 4.11. So sánh chiều dài cạnh theo phƣơng pháp chƣa tính chuyển ....... 68
Bảng 4.12. Bảng thành quả tọa độ trong hệ tọa độ thi cơng sau tính chuyển. 69
Bảng 4.13. So sánh chiều dài cạnh tính chuyển bằng phƣơng pháp địa tâm
địa diện .......................................................................................... 70


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1. Sơ đồ lƣới thi cơng hầm .................................................................. 13
Hình 1.2. Sơ đồ lƣới thi cơng cầu ................................................................... 14
Hình 1.3. Sơ đồ lƣới thi cơng cầu vƣợt ........................................................... 15
Hình 1.4. Chiếu cạnh đo xuống mặt Elipxoid ................................................. 17
Hình 1.5. Chiếu cạnh mặt Elipxoid lên mặt phẳng ......................................... 18
Hình 2.1. Hệ toạ độ trắc địa ............................................................................ 20
Hình 2.2. Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm ....................................... 21
Hình 2.3. Hệ toạ độ tồn cầu WGS-84 ........................................................... 23
Hình 2.4. Hệ toạ độ địa diện xích đạo và chân trời......................................... 23
Hình 2.5. Hệ tọa độ vng góc phẳng Gauss - Kruger ................................... 25
Hình 2.6. Hệ toạ độ UTM ............................................................................... 26
Hình 2.7. Hệ tọa độ HN-72 ............................................................................. 26

Hình 2.8. Tính chuyển tọa độ vng góc phẳng ............................................. 33
Hình 3.1. Mặt phẳng địa diện .......................................................................... 39
Hình 3.2. Mơ hình tính chuyển từ tọa độ địa tâm sang hệ tọa độ địa diện
chân trời ........................................................................................ 40
Hình 3.3. Phƣơng pháp tính chuyển bằng cách chọn lại kinh tuyến trục ....... 43
Hình 3.4. Phƣơng pháp tính chuyển hệ tọa độ đo GPS theo độ cao mặt chiếu .. 48
Hình 4.1. Lƣới GPS thi công khu tái định cƣ Thạch Thất - Quốc Oai. .......... 56
Hình 4.2. Bản thiết kế cơng trình cải tạo đê Cà Lồ - Yên Phong ................... 60
Hình 4.3. Sơ đồ lƣới GPS thi cơng, cơng trình cải tạo đê Cà Lồ - Yên Phong... 61
Hình 4.4. Sơ đồ lƣới GPS thi công đƣờng QL qua xã Tân Mỹ - tỉnh Thừa
Thiên Huế...................................................................................... 66


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trong tiến trình đổi mới và ứng dụng công nghệ mới trong ngành trắc
địa ở Việt Nam, đến nay công nghệ GPS đã thay thế công nghệ truyền thống
trong việc xây dựng các mạng lƣới toạ độ, vì nó đạt đƣợc nhiều tính ƣu việt
hơn hẳn các phƣơng pháp cũ nhƣ: Độ chính xác cao, thời gian đo nhanh,
không phải dựng cột tiêu, khơng cần thơng hƣớng, ít tốn kém và hầu nhƣ thực
hiện đƣợc trong mọi thời tiết. Công nghệ GPS đã mang lại nhiều hiệu quả
nhƣ: Định vị đƣợc toạ độ với độ chính xác tới milimét, khoảng cách đo đƣợc
tới hàng trăm cây số vv...
Tại các dạng cơng trình, cơng nghệ GPS đã đƣợc áp dụng trong cả 3
giai đoạn: Khảo sát phục vụ thiết kế, quy hoạch, thi công xây dựng và quan
trắc an tồn cơng trình.
Ở Việt Nam, trong trắc địa cơng trình, cơng nghệ GPS đã đƣợc áp dụng
để thành lập lƣới trắc địa thi công cho hầu hết các cơng trình lớn nhỏ đặc biệt

cịn ứng dụng rất rộng rãi trên các công nghệ di động đơn giản thơng thƣờng
cũng nhƣ các nghành nhạy cảm có tính bảo mật cao nhƣ an ninh Quốc
Phịng...
Tại các cơng trình trong trắc địa trọng điểm nhƣ Cầu Nhật Tân, Cầu
Bãi Cháy, Đƣờng cao tốc Hà Nội - Lào Cai, Hà Nội - Thái Ngun… nói
chung, cơng nghệ GPS đã đƣợc ứng dụng để thành lập lƣới khống chế thi
công, nhƣng vấn đề xử lý kết quả đo GPS nhằm đảm bảo u cầu có độ chính
xác cao của cơng tác trắc địa cơng trình chƣa đƣợc hồn thiện. Việc tính
chuyển toạ độ các điểm đo GPS về hệ toạ độ thi cơng cơng trình cũng đã đƣợc
áp dụng nhƣng trong thực tế sản xuất khi gặp cơng trình tuyến q dài hoặc
cơng trình có nhiều hạng mục lại có nhiều đơn vị tƣ vấn thiết kế khác nhau
nên gặp rất nhiều lúng túng, khó khăn.


2

Về lý thuyết: Hiện nay ở nƣớc ta, việc nghiên cứu phƣơng pháp tính
chuyển toạ độ các điểm do GPS về toạ độ lƣới thi cơng cơng trình đã có một
số đề tài nghiên cứu nhƣ: “Nghiên cứu phương pháp tính chuyển toạ độ và độ
cao các điểm đo GPS của lưới khống chế thi công về hệ toạ độ và độ cao thi
cơng cơng trình” [15] và “Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ GPS trong trắc
địa cơng trình ở Việt Nam” [9] vv.... Song do tính chất của cơng trình xây
dựng là đa dạng và phức tạp, các gói thầu khảo sát thiết kế và thi công thƣờng
là các gói thầu riêng biệt. Vì vậy địi hỏi với mỗi cơng trình lại phải có giải
pháp xử lý kết quả đo phù hợp sao cho vừa đơn giản về tính tốn, vừa phải
đảm bảo độ chính xác khi xây dựng và phải đảm bảo tính thống nhất các giai
đoạn khảo sát thiết kế và thi cơng cho mỗi cơng trình.
Xuất phát từ yêu cầu này mà tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu phương
pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS ứng dụng trong trắc địa cơng trình”
nhằm đƣa ra phƣơng án giải quyết để có thể ứng dụng hiệu quả và phát huy

đƣợc tính ƣu việt của cơng nghệ GPS trong công tác thành lập lƣới khống chế
trắc địa phục vụ xây dựng cơng trình.
2. Mục đích nghiên cứu:
Lựa chọn phƣơng pháp và thuật tốn tính chuyển phù hợp để tính
chuyển toạ độ lƣới GPS về một số hệ toạ độ thƣờng sử dụng trong giai đoạn
thi cơng cơng trình.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tƣợng nghiên cứu là: Phƣơng pháp và thuật tốn tính chuyển toạ
độ lƣới khống chế trắc địa cơng trình đƣợc đo bằng công nghệ GPS.
- Phạm vi nghiên cứu là: Các dạng lƣới khơng chế thi cơng trong trắc
địa cơng trình.


3

4. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành
lập lƣới trắc địa cơng trình.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm bài tốn tính chuyển toạ độ lƣới
GPS trong trắc địa cơng trình.
- Phân tích, đánh giá và lựa chọn phƣơng pháp tính chuyển phù hợp.
- Xây dựng thuật tốn tính chuyển toạ độ các điểm đo GPS về hệ toạ độ
thi cơng cơng trình theo phƣơng pháp tính chuyển phù hợp. Nhằm nâng cao
hiệu quả và phát huy đƣợc tính ƣu việt của công nghệ GPS trong công tác
thành lập lƣới khống chế trắc địa cơng trình.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Phƣơng pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài
liệu liên quan.
- Phƣơng pháp phân tích: Sử dụng các phƣơng tiện và các cơng cụ tiện
ích, phân tích lơgíc các tài liệu, đánh giá khách quan các yếu tố để đƣa ra kết

luận chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra.
- Phƣơng pháp so sánh: Tổng hợp các kết quả, so sánh, đánh giá, đƣa ra
các kết luận chính xác về vấn đề nêu ra.
- Phƣơng pháp chuyên gia: Thu thập, tổng hợp và phân tích các ý kiến
chuyên gia làm cơ sở đƣa ra các kết luận khoa học.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để chứng minh
cho các luận chứng khoa học đã đƣa ra.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Hiện nay, việc sử dụng các tƣ liệu và số liệu trắc địa cho thiết kế và thi
công xây dựng ở nƣớc ta cịn nhiều vấn đề bất cập, gây khơng ít trở ngại cho
công tác thi công xây dựng. Trên cơ sở kết quả khảo sát, tìm hiểu khả năng


4

ứng dụng công nghệ GPS trong lĩnh vực trắc địa cơng trình, đề tài luận văn sẽ
triển khai theo nội dung nghiên cứu nhƣ sau:
Nghiên cứu các bài toán và lựa chọn phƣơng pháp tính chuyển toạ độ
các điểm đo GPS ứng dụng trong cơng tác trắc địa cơng trình.
Đã chọn giải pháp phù hợp trong xử lý lƣới khống chế thi cơng cho ba
dạng cơng trình nhƣ: Cơng trình Các khu đất tái định cƣ Thạch Thất – Quốc
Oai, Cơng trình cải tạo đê Cà Lồ - huyện n Phong - Tỉnh Bắc Ninh, Cơng
trình Đƣờng QL qua xã Mỹ Phong huyện Phong Điền, Tỉnh Thừa Thiên Huế
để có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất.
7. Cấu trúc của luận văn:
Luận văn bao gồm 4 chƣơng, đƣợc trình bày trong 71 trang với 16 bảng
biểu, 21 hình
Luận văn đƣợc hồn thành ngồi sự nỗ lực của bản thân, còn đƣợc sự
giúp đỡ của gia đình, cơ quan cơng tác, các đồng nghiệp, trƣờng Đại học Mỏ Địa chất và đặc biệt là sự hƣớng dẫn nhiệt tình của thầy giáo hƣớng dẫn khoa
học PGS.TS Trần Viết Tuấn.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo PGS. TS Trần Viết Tuấn,
ngƣời đã giành rất nhiều sự quan tâm về mọi mặt trong cuộc sống cũng nhƣ
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình hƣớng dẫn thực hiện bản luận văn tốt
nghiệp này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, các thầy cơ trong bộ mơn
trắc địa cơng trình, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả trong q trình
hồn thành luận văn tốt nghiệp của mình.


5

CHƢƠNG 1
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS
ĐỂ THÀNH LẬP LƢỚI TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
1.1. Khái niệm lƣới khống chế trong trắc địa cơng trình
Dựa vào đối tƣợng phục vụ, nội dung của cơng tác trắc địa cơng trình
bao gồm: Trắc địa cơng trình thành phố; trắc địa cơng trình cơng nghiệp; trắc
địa cơng trình đƣờng sắt, đƣờng bộ; trắc địa cơng trình cầu vƣợt; trắc địa cơng
trình ngầm; trắc địa cơng trình thuỷ lợi - thuỷ điện; trắc địa cơng trình đƣờng
dây tải điện, đƣờng ống dẫn dầu; trắc địa công trình sân bay, bến cảng, vv...
Cơng tác trắc địa phục vụ xây dựng các loại công tác khác nhau đều có
những đặc điểm và yêu cầu riêng. Nhƣng từ phƣơng pháp và nguyên lý cơ
bản mà xét lại có rất nhiều điểm chung. Vì vậy, cơng tác trắc địa cơng trình có
thể khơng phân chia theo chủng loại cơng trình mà phân chia theo tuần tự các
giai đoạn.
Công tác thành lập lƣới trắc địa cơng trình đƣợc gắn liền với nhiệm vụ của
từng giai đoạn xây dựng cơng trình cụ thể và đƣợc chia làm 03 giai đoạn chính:
- Giai đoạn 1: Thành lập lƣới khống chế mặt bằng và độ cao làm cơ sở
cho việc đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn phục vụ tƣ vấn lập dự án và thiết kế
kỹ thuật thi cơng cơng trình. Trong giai đoạn này trên thực tế việc đo nối

mạng lƣới khống chế với tọa độ và độ cao Quốc gia là yêu cầu nhất thiết giúp
các cấp quản lý hoạch định tổng thể vị trí các dự án xây dựng. Việc xây dựng
các cấp hạng lƣới, mật độ điểm khống chế phụ thuộc vào quy mơ diện tích
khu vực dự kiến xây dựng cơng trình và đƣợc quy định tại bảng 1.1.


6

Bảng 1.1. Diện tích khu vực đo vẽ và các cấp hạng của mạng lƣới
khống chế [2]
Khống chế cơ sở

Diện tích
đo vẽ
(Km2)

Khống chế đo vẽ

Mặt bằng
Lƣới nhà
nƣớc

Tăng dầy

Độ cao

> 200

II, III, IV

1.2

II, III, IV

50 ÷ 200

III, IV

1.2

II, III, IV

10 ÷ 50

IV

1.2

IV

5 ÷ 10

IV

1.2

IV

2,5 ÷ 5

-

1.2

IV

1 ÷ 2,5

-

2

IV

<1

-

-

-

Mặt bằng

Tam giác
nhỏ, đƣờng
chuyền kinh
tuyến

Độ cao

Thuỷ
chuẩn
kỹ thuật

- Giai đoạn 2: Thành lập lƣới khống chế mặt bằng và độ cao phục vụ bố
trí chi tiết và thi cơng xâp lắp cơng trình. Kiểm tra kích thƣớc hình học và căn
chỉnh các kết cấu của cơng trình, đo vẽ hồn cơng cơng trình. Trong giai đoạn
này, lƣới khống chế thi công là một mạng lƣới có độ chính xác rất cao và
đƣợc đánh dấu bằng các mốc kiên cố, ổn định trên khu vực xây dựng đã đƣợc
giải phóng mặt bằng và đƣợc sử dụng làm cơ sở để bố trí các hạng mục cơng
trình từ bản vẽ thiết kế ra thực địa.
Hệ tọa độ của lƣới khống chế thi công phải thống nhất với hệ toạ độ đã
dùng trong giai đoạn khảo sát và thiết kế cơng trình. Đối với các cơng trình có
quy mô lớn phải sử dụng hệ tọa độ Nhà nƣớc thì phải chọn kinh tuyến trục
hợp lý để độ biến dạng chiều dài cạnh không vƣợt quá 1/50.000 (20mm/1km),
nếu vƣợt q thì phải tính chuyển [2].


7

- Giai đoạn 3: Thành lập lƣới khống chế cơ sở, lƣới mốc chuẩn và mốc
kiểm tra nhằm xác định đầy đủ, chính xác các giá trị chuyển dịch, phục vụ
cho việc đánh giá độ ổn định và bảo trì cơng trình.
3 giai đoạn thành lập lƣới khống chế trắc địa trên mặc dù để phục vụ các
mục đích khác nhau cho từng giai đoạn xây dựng cơng trình, song lại có quan hệ
mật thiết với nhau và cần phải đƣợc thực hiện theo một trình tự quy định.
1.2. Khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lƣới
trắc địa cơng trình.
a. Đo lập các mạng lưới khống chế trắc địa cơng trình và lưới thi

cơng cơng trình.
Lƣới khống chế trắc địa cơng trình: là dạng lƣới đƣợc lập trên các
mặt bằng xây dựng có diện tích lớn, có nhiều hạng mục cơng trình liên kết với
nhau theo một dây chuyền chặt chẽ. Mạng lƣới này là cơ sở để liên kết các
cụm cơng trình trong một hệ tọa độ thống nhất.
Độ chính xác của mạng lƣới khống chế trắc địa cơng trình phụ thuộc
vào tính chất, đặc điểm và u cầu riêng của từng cơng trình xây dựng.
Tuỳ thuộc vào diện tích khu vực cần lập lƣới mà ta quyết định hình
dạng và kết cấu lƣới.
Các điểm của lƣới cần bố trí ở những nơi thơng thống, khơng bị cản
trở cho việc thu tín hiệu từ vệ tinh. Khi đo nối với điểm Nhà nƣớc, nếu tại
điểm Nhà nƣớc không đặt đƣợc máy thu GPS ta có thể sử dụng cách đo lệch
tâm. Lƣới khống chế trắc địa cơng trình phải đƣợc đo nối độ cao với độ cao
Nhà nƣớc bằng phƣơng pháp thuỷ chuẩn hình học.
Chiều dài cạnh lƣới khống chế trắc địa cơng trình khoảng từ 1km đến
5km. Với chiều dài cạnh ngắn nhƣ vậy có thể sử dụng máy thu 1 tần để đo
nhƣng nên chọn thời điểm đo có số vệ tinh lớn hơn 6 và hệ số suy giảm độ
chính xác PDOP càng nhỏ càng tốt (4÷5).


8

Lƣới khống chế thi cơng cơng trình: Là dạng lƣới phục vụ cho việc cắm
các hạng mục cơng trình, phục vụ lắp đặt các thiết bị, cắm tim trục các cụm
cơng trình vv... các mạng lƣới này thƣờng có độ chính xác cao, sai số vị trí
điểm yếu nhất trong mạng lƣới không vƣợt quá ± 5mm, sai số tƣơng hỗ giữa
các cặp điểm cũng nằm trong phạm vi nhƣ vậy.
b. Đo các mạng lưới quan trắc biến dạng và chuyển dịch cơng trình.
Trong các dạng đo đạc thì đo biến dạng cơng trình địi hỏi độ chính xác
cao nhất. Các cơng trình cơng nghiệp và nhà cao tầng trong q trình thi cơng

và cả trong q trình sử dụng có thể bị biến dạng hoặc dịch chuyển (theo
phƣơng nằm ngang hoặc phƣơng thẳng đứng) do một số tác động ngoại cảnh
hoặc do chính tải trọng của cơng trình trên nền đất yếu. Tuỳ thuộc vào kết cấu
cơng trình, điều kiện địa chất nền móng, các cơng trình có thể biến dạng, dịch
chuyển nhiều hoặc ít. Song trên thực tế, ngƣời ta chỉ quan tâm đến các hiện
tƣợng biến dạng và dịch chuyển đạt tới một giá trị nguy hiểm, đe dọa đến độ
bền vững và giá trị sử dụng của cơng trình.
Trong điều kiện thực tế ở nƣớc ta, với yêu cầu độ chính xác cao của
lƣới quan trắc biến dạng cơng trình thì việc khai thác lịch vệ tinh chính xác
chƣa phổ biến do những khó khăn khách quan để xử lý số liệu đo GPS, thêm
vào đó một số phần mềm xử lý chính xác số liệu do GPS nhƣ GAMIT,
BERNESE mới đƣợc sử dụng rất hạn chế ở một số cơ quan nghiên cứu, còn
lại chủ yếu là sử dụng các phần mềm xử lý kết quả đo bán kèm theo máy.
Do đó, để ứng dụng công nghệ GPS trong công tác này cần phải thiết
kế và ƣớc tính độ chính xác chất lƣợng lƣới đo GPS, nghiên cứu các giải pháp
đo đạc, các phƣơng pháp xử lý số liệu đo GPS để công nghệ này có thể ứng
dụng một cách hiệu quả.
Hiện nay trong trƣờng hợp cần thiết, các đơn vị khảo sát vẫn thƣờng kết
hợp cả đo GPS và toàn đạc điện tử để đo lƣới quan trắc chuyển dịch cơng trình.


9

1.3. Đặc điểm và yêu cầu độ chính xác của lƣới khống chế thi cơng cơng
trình.
Lƣới khống chế trắc địa cơng trình đƣợc thành lập trong giai đoạn khảo
sát thiết kế và thi cơng xây dựng cơng trình. Trong giai đoạn khảo sát thiết kế,
lƣới khống chế trắc địa công trình đƣợc dùng làm cơ sở để đo vẽ bản đồ địa
hình tỷ lệ lớn trên khu vực xây dựng, xác định phạm vi đo vẽ địa hình cũng
nhƣ ranh giới của vùng thi cơng xây dựng cơng trình. Trong giai đoạn thi

cơng cơng trình, lƣới khống chế trắc địa cơng trình đƣợc sử dụng để bố trí các
yếu tố chi tiết của cơng trình ra ngồi thực địa theo bản vẽ thiết kế và làm cơ
sở để đo vẽ hồn cơng cơng trình.
So với các dạng lƣới trắc địa dùng cho cơng tác đo vẽ bản đồ thì lƣới
khống chế thi cơng cơng trình có một số đặc điểm nổi bật sau:
- Lƣới khống chế thi cơng cơng trình là một hệ thống lƣới gồm nhiều
bậc, đƣợc lập theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ, mỗi bậc lƣới phục vụ
cho từng giai đoạn khác nhau trong quá trình thi cơng một nhóm hạng mục
cơng trình.
- Do đặc điểm u cầu độ chính xác cần bố trí cơng trình tăng dần theo
tiến trình xây dựng nên yêu cầu độ chính xác đối với các bậc lƣới cũng tăng
dần từ bậc trƣớc đến bậc sau.
- Đồ hình và phƣơng pháp thành lập lƣới phù hợp với đặc điểm kỹ
thuật cơng trình và thuận lợi cho cơng tác bố trí, đo vẽ hồn cơng ở các giai
đoạn tiếp theo.
- Lƣới khống chế thi cơng cơng trình thƣờng có phạm vi khống chế
nhỏ, mật độ điểm khống chế dầy, yêu cầu độ chính xác cao, thƣờng khơng
thuận lợi cho cơng tác đo ngắm và bảo quản lâu dài các điểm mốc khống chế.
Điều kiện thi công chật hẹp sẽ gây ra những khó khăn trong q trình thành
lập lƣới, đo đạc bố trí cơng trình. Do ảnh hƣởng của điều kiện xây dựng nên


10

các cạnh của lƣới khống chế thi cơng cơng trình thƣờng ngắn rất khó đạt đƣợc
một dạng đồ hình lý tƣởng theo lý thuyết đề ra. Ngồi ra do mơi trƣờng xây
dựng và sự hoạt động của các phƣơng tiện tham gia thi công cũng làm ảnh
hƣởng rất nhiều đến độ chính xác thành lập lƣới thi cơng xây dựng và độ
chính xác bố trí cơng trình.
Từ những đặc điểm của lƣới khống chế thi cơng cơng trình cho thấy tính

chất đa dạng của loại lƣới khống chế này tuỳ thuộc vào tính chất quan trọng
của từng cơng trình, điều kiện địa hình, điều kiện thi cơng mà mạng lƣới khống
chế thi cơng cơng trình phải đƣợc xây dựng một cách linh hoạt, nhằm đáp ứng
đƣợc những yêu cầu trong q trình thi cơng các cơng trình. Vì vậy lƣới khống
chế thi cơng cơng trình đƣợc thành lập theo các nguyên tắc sau đây:
- Lƣới khống chế thi công công trình thƣờng đƣợc thành lập ở dạng
lƣới độc lập, cục bộ (để tránh ảnh hƣởng của sai số số liệu gốc).
- Tất cả các bậc lƣới thi cơng cơng trình cần phải tính toạ độ (độ cao)
trong một hệ thống nhất đã đƣợc lựa chọn trong giai đoạn khảo sát cơng trình.
- Trong một số trƣờng hợp lƣới khống chế thi cơng cơng trình đƣợc
thiết kế tối ƣu độ chính xác theo hƣớng đã định trƣớc phù hợp với yêu cầu
kinh tế của cơng trình.
Những ngun tắc nêu trên đảm bảo cho lƣới khống chế thi cơng cơng
trình khơng bị biến dạng do ảnh hƣởng của sai số số liệu gốc. Độ chính xác và
mật độ điểm của lƣới khơng chế thi cơng cơng trình tuỳ thuộc vào u cầu
nhiệm vụ phải giải quyết trong từng giai đoạn khảo sát, thiết kế, thi cơng và
sử dụng cơng trình.
Trong giai đoạn thi cơng nhiệm vụ chính của cơng tác trắc địa là trực
tiếp phục vụ thi công, nhƣ vậy việc phát triển xây dựng lƣới phải linh hoạt,
hợp lý sao cho có thể sử dụng tối đa kết quả của giai đoạn trƣớc vào các giai
đoạn sau của quá trình thi cơng cơng trình. Để xác định độ chính xác của lƣới


11

khống chế thi cơng cơng trình phải dựa trên cơ sở độ chính xác cần thiết để bố
trí các loại hạng mục cơng trình.
Sau khi đã xác định u cầu độ chính xác của cơng tác bố trí, dựa trên
cơ sở đó để xác định độ chính xác của lƣới khống chế trắc địa cơng trình. Khi
đó cần xem xét tỷ lệ giữa sai số của lƣới khống chế và sai số bố trí chi tiết để

xác định hợp lý độ chính xác của lƣới khống chế thi cơng.
Trong q trình thiết kế lƣới khống chế trắc địa cơng trình cần thực
hiện theo nguyên tắc ảnh hƣởng của sai số điểm khống chế đến vị trí điểm bố
trí so sánh với ảnh hƣởng của sai số bố trị là nhỏ và có thể bỏ qua để tạo điều
kiện thuận lợi cho cơng tác bố trí.
Theo ngun tắc đó u cầu độ chính xác của lƣới khống chế trắc địa
cơng trình đƣợc phân tích nhƣ sau:
Nếu gọi:

M là sai số tổng hợp vị trí điểm bố trí.
m1 là sai số do điểm khống chế gây nên.
m2 là sai số do quá trình bố trí gây nên.

Khi đó sai số tổng hợp vị trí điểm đƣợc xác định nhƣ sau:
m12
M   m  m  m2 1  2
m2
2
1

2
2

(1.1)

Do m1/m2 < 1 nên khai triển công thức trên và bỏ đi các hạng số bậc
cao ta có:


M  m2 1 



Khi

m12 

m22 

(1.2)

m12
= 0,1 tức là ảnh hƣởng sai số của điểm khống chế chỉ chiếm
m22

10% ta có : m12 = 0,2 m22
Thay giá trị m1 vào (1.2) ta đƣợc: m1  0,4M

(1.3)

Từ (1.3) ta thấy khi m1 = 0,4M thì m1 làm cho sai số tổng hợp vị trí
điểm bố trí tăng lên 10% tức là ảnh hƣởng của sai số điểm khống chế là nhỏ
và có thể bỏ qua.


12

Do lƣới khống chế trắc địa cơng trình thƣờng đƣợc thành lập hai cấp,
phƣơng pháp tăng dày lƣới cấp 2 cũng khác nhau (chêm điểm, giao hội điểm,
vv...) ngoài ra phƣơng pháp và đồ hình bố trí cũng khác nhau nên ảnh hƣởng
sai số của điểm khống chế cũng khác nhau. Do đó sau khi đã xác định đƣợc

sai số tổng hợp ví trí điểm bố trí M, sử dụng cơng thức (1.3) để xác định độ
chính xác của lƣới khống chế trắc địa cơng trình. Tuỳ trƣờng hợp cụ thể mà ta
có thể xác định đƣợc yêu cầu độ chính xác cần thiết.
1.4. Ứng dụng cơng nghệ GPS để thành lập lƣới thi cơng cơng trình.
Với những tính năng ƣu việt so với các thiết kế đo đạc truyền thống,
công nghệ GPS đã đƣợc ứng dụng một cách rộng rài vào nhiều lĩnh vực của
trắc địa cơng trình. Một trong những ứng dụng GPS có hiệu quả nhất là thành
lập lƣới khống chế thi cơng cơng trình. Hiện nay ở nƣớc ta, công nghệ GPS
đã đƣợc sử dụng để thành lập nhiều lƣới khống chế thi cơng cơng trình nhƣ
cầu Bãi Cháy, cầu Thanh Trì, các tuyến đƣờng, cơng trình thuỷ điện Na Hang,
các cơng trình hầm đƣờng bộ xun núi Hải Vân, Đèo Ngang, vv...
Các cơng trình xây dựng rất đa dạng, do đó việc ứng dụng cơng nghệ
GPS vào từng dạng cơng trình cũng khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc điểm xây
dựng của từng cơng trình. Sau đây chúng ta sẽ xem xét khả năng và hiệu quả
của ứng dụng công nghệ GPS trong một số công trình xây dựng điển hình ở
Việt Nam.
1.4.1. Sử dụng cơng nghệp GPS để lập lưới khống chế thi công hầm.
Để thi công xây dựng các đƣờng hầm theo phƣơng thức đào đối hƣớng
thì cần phải tiến hành cơng tác định hƣớng đƣờng hầm. Tại mỗi vị trí cửa hầm
cần phải xác đinh đƣợc tọa độ các điểm khống chế nằm ở các cửa hầm nhƣ
điểm CHA - CHB nhƣ (Hình 1.1). Dựa vào các điểm định hƣớng tại mỗi cửa
hầm (điểm A, D) sẽ xác định đƣợc góc  đo nối để định hƣớng trục hầm.
Nhƣng để nâng cao độ chính xác truyền phƣơng vị vào hầm ngƣời ta dùng


13

thêm 2 điểm định hƣớng nữa là điểm D và C. Nhƣ vậy tại mỗi cửa hầm phải
biết tọa độ ít nhất 3 điểm định hƣớng và cần phải liên kết các điểm định
hƣớng ở các cửa hầm với nhau trong một hệ toạ độ thống nhất. Để đạt đƣợc

mục đích này nếu sử dụng cơng nghệ đo đạc truyền thống sẽ gặp rất nhiều
khó khăn, nhƣng với việc ứng dụng cơng nghệ GPS sẽ nhanh chóng xác định
đƣợc tọa độ các điểm ở cửa hầm trong thời gian ngắn nhất với chi phí tiết
kiệm nhất.

Hình 1.1. Sơ đồ lƣới thi cơng hầm
Sử dụng cơng nghệ GPS chúng ta có thể bỏ qua đƣợc các điểm trung
gian của lƣới khống chế mặt đất cần đƣợc thành lập. Điều này cho phép giảm
đƣợc chi phí và thời gian khi thành lập mạng lƣới khống chế trắc địa mặt đất
trong thi công xây dựng đƣờng hầm. Chính vì tính ƣu việt vƣợt trội nhƣ vậy
nên công nghệ GPS đƣợc ứng dụng thành lập mạng lƣới khống chế mặt đất
cho rất nhiều đƣờng hầm nhƣ hầm đèo Hải Vân, hầm Đèo Ngang, hầm thuỷ
điện Na Hang và hầm thuỷ điện Yaly, A Vƣơng, vv...
Để thiết kế phƣơng án thành lập lƣới GPS khống chế mặt đất cho các
cơng trình xây dựng đƣờng hầm cụ thể thì phải căn cứ vào đặc điểm địa hình
của khu đo, độ chính xác cần thiết của lƣới thi cơng, trang thiết bị hiện có để
lựa chọn phƣơng án phù hợp nhằm đảm bảo tính kinh tế cũng nhƣ độ chính
xác cần thiết trong thi cơng xây dựng đƣờng hầm.


14

1.4.2. Sử dụng công nghệ GPS để lập lưới khống chế thi công trong xây
dựng cầu.
Để phục vụ cho công tác xây dựng các cầu vƣợt và các tuyến đƣờng
dẫn lên cầu cần phải thành lập mạng lƣới không chế thi công dƣới dạng lƣới
tạm giác cầu hoặc các tuyến đƣờng chuyền thay thế. Lƣới khống chế thi công
xây dựng cầu vƣợt đƣợc dùng cho giai đoạn thi công xây dựng cầu.
Trong giai đoạn khảo sát thiết kế, lƣới khống chế trắc địa cơng trình
đƣợc dùng để làm cơ sở đo vẽ các loại bản đồ địa hình và mặt cắt phục vụ cho

cơng tác chọn vị trí xây dựng cầu vƣợt và thiết kế cầu. Trong giai đoạn thi cơng
lƣới khống chế trắc địa cơng trình đƣợc dùng làm cơ sở để bố trí thi cơng cầu
bao gồm xác định vị trí các trụ cầu cũng nhƣ bố trí chi tiết cho cơng trình.
Trƣớc đây, khi các thiết bị đo dài chƣa phát triển thì lƣới khống chế thi
cơng cầu thƣờng đƣợc thành lập theo phƣơng pháp tam giác đo góc kết hợp
với đo các cạnh đáy. Lƣới khống chế thi công cầu đƣợc thiết kế trong một hệ
tọa độ độc lập. Thông thƣờng gốc tọa độ đƣợc chọn tại 1 trong 2 điểm xác
định vị trí trục cầu. Trục cầu đƣợc chọn làm trục hồnh và góc phƣơng vị của
trục cầu đƣợc chọn bằng khơng (Hình 1.2).

Hình 1.2. Sơ đồ lƣới thi công cầu


15

Một đặc điểm nổi bật của các cơng trình xây dựng cầu vƣợt là bao giờ
cũng kèm theo xây dựng các tuyến đƣờng dẫn lên cầu. Thông thƣờng các
tuyến đƣờng dẫn có chiều dài từ vài trăm mét đến vài km. Ví dụ tuyến đƣờng
dẫn lên các cầu Bãi Cháy, cầu Thanh Trì có chiều dài đến 4km, nếu tính tổng
chiều dài của 1 cơng trình có thể đến 10km. Rõ ràng rằng khi thành lập lƣới
khống chế thi công có nhiều cấp cho các cơng trình dạng tuyến kéo dài nhƣ
trên, nếu sử dụng các phƣơng pháp thành lập lƣới truyền thống nhƣ lƣới tam
giác, lƣới đƣờng chuyền thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Tất cả những trở ngại
trên sẽ đƣợc khắc phục nếu sử dụng công nghệ GPS để thành lập lƣới khống
chế trên phạm vi xây dựng của cơng trình. Khi sử dụng cơng nghệ GPS ta có
thể bố trí các điểm khống chế cấp cao ở vị trí 2 đầu của khu đo (điểm khởi
đầu G và điểm cuối H), dọc theo tuyến đƣờng và liên kết với lƣới tam giác
cầu ở vị trí cầu vƣợt. Công nghệ GPS sẽ cho phép liên kết tất cả các điểm
khống chế cấp cao của mạng lƣới khống chế thi công trong một hệ tọa độ
thống nhất, đảm bảo độ chính xác yêu cầu và đáp ứng đƣợc tiến độ thi cơng

của cơng trình (Hình 1.3). Thực tế cũng đã chứng minh tính ƣu việt của cơng
nghệ GPS khi đƣợc sử dụng để thành lập lƣới khống chế thi cơng cho các
cơng trình xây dựng cầu vƣợt.

Hình 1.3. Sơ đồ lƣới thi công cầu vƣợt


16

Ngoài ra, chúng ta cũng nhận thấy rằng hiện nay các bản thiết kế các
cơng trình cầu vƣợt phải phù hợp với bản thiết kế quy hoạch chung của khu
vực. Thông thƣờng, bản thiết kế cầu đƣợc thành lập trong hệ tọa độ quy chuẩn
quốc gia nhƣ hệ tọa độ Hà Nội 72 hoặc hệ tọa độ VN2000. Khi đó để xây
dựng một cơng trình cầu vƣợt bắt buộc phải truyền tọa độ quốc gia đến khu
vực xây dựng. Với các cơng trình nằm xa vùng dân cƣ đây sẽ là một nội dung
phức tạp, với khả năng đo nối truyền tọa độ qua khoảng cách hàng chục, hàng
trăm km với độ chính xác rất cao cơng nghệ GPS đã cho phép thực hiện công
tác đo nối, truyền tọa độ trở nên đơn giản, chi phí thấp nhất.
Nói tóm lại, sử dụng công nghệ GPS để thành lập lƣới khống chế thi
cơng xây dựng các cơng trình cầu vƣợt đã mang lại hiệu quả rõ rệt, khắc phục
đƣợc những trở ngại khó khăn và chi phí tiết kiệm nhất.
1.5. Những vấn đề tồn tại khi sử dụng công nghệ GPS trong cơng tác
thành lập lưới trắc địa cơng trình
Nhƣ trên đã đề cập, độ chính xác của lƣới khống chế tọa độ cơng trình
sẽ ảnh hƣởng lớn đến tồn bộ q trình thi cơng và vận hành cơng trình. Với
sự phát triển mạnh mẽ của cụng nghệ GPS và ứng dụng nó trong việc thành
lập lƣới khống chế tọa độ cơng trình đã phát huy đƣợc nhiều ƣu điểm nhƣ tiết
kiệm về thời gian, kinh phí, vv...
Nhƣng bên cạnh đó nó cịn tồn tại nhƣợc điểm là khi đo các điểm bằng
công nghệ GPS ta chỉ biết tọa độ của các điểm đo trong hệ tọa độ vng góc

khơng gian địa tâm, sau khi xử lý số liệu ta thu đƣợc số liệu tọa độ trong hệ
tọa độ vng góc phẳng bởi các phép chiếu Gauss hoặc UTM.
Vì các cơng trình đƣợc xây dựng trên bề mặt tự nhiên của trái đất nên
các số liệu tọa độ này thƣờng không thể dùng ngay đƣợc để bố trí các hạng
mục cơng trình bởi nó ảnh hƣởng do sự biến dạng của phép chiếu.