Nâng cao độ chính xác và tính hiệu quả của quá trình thủy đạc bằng kỹ thuật RTK

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ TÍNH HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH THỦY ĐẠC BẰNG KỸ THUẬT RTK (Nguồn: Nguyễn Ngọc Lâu (1), Trương Ngọc Tường (2), Nguyễn Tân Sơn (3) và Nguyễn Quang (3) (1) Bộ Môn Trắc Địa và Thông Tin Địa Lý – Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh (2) Bộ Môn Cảng và Công Trình Biển – Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh (3) Phòng Địa Tin Học – Công ty Tư vấn Thiết kế Cảng – Kỹ thuật Biển Abstract: Measuring water level near shore to determine sea/river – floor height in hydrographic surveying has provided low precision in limited areas. In this paper, we present an application of RTK GPS technique at Tedi South PortCoast Consultant to experimentally survey a part of Soai Rap river, Ho Chi Minh City, the results showed that the use of traditional method can cause an error in height about three time bigger and much less efficiency than RTK technique. Tóm Tắt: Quá trình đo mực nước gần bờ để xác định độ cao đáy sông (biển) trong quá trình thủy đạc cung cấp độ chính xác thấp và phạm vi sử dụng giới hạn. Trong bài báo này chúng tôi trình bày quá trình áp dụng kỹ thuật GPS RTK tại Công ty Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật Biển vào việc đo thử nghiệm trên một đoạn sông Soài Rạp tại TP Hồ Chí Minh. Kết quả cho thấy việc dùng phương pháp đo mực nước cổ điển có thể làm cho kết quả đo độ cao đáy sông sai đến hơn ba lần và việc áp dụng kỹ thuật RTK vào quá trình này cho phép nâng cao đáng kể độ chính xác và tính hiệu quả so với phương pháp cũ. 1. Đặt vấn đề Trước đây việc đo vẽ địa hình đáy sông, biển (thủy đạc) là một quá trình phức tạp nhưng cung cấp độ chính xác và năng suất thấp. Từ khi được sự hỗ trợ tuyệt vời của hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System), quá trình này đã và đang có những bước cải tiến to lớn. Hình 1. Kỹ thuật đo DGPS Một trong những kỹ thuật đo GPS đã và đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay là DGPS (Differential Global Positioning System). Kỹ thuật này được tóm tắt bằng sơ đồ sau (Hình 1). Một máy thu đặt tại điểm cố định trên bờ, đã biết tọa độ gọi là trạm cơ sở (base station hay reference station) phát số cải chính khoảng cách về phía trạm động thông qua sóng radio. Máy thu thứ hai đặt trên thuyền – trạm động (rover station) sẽ thu số cải chính từ trạm cơ sở và hiệu chỉnh vào khoảng cách đo đến vệ tinh để xử lý, cung cấp tọa độ và độ cao của anten trạm động ở thời gian thực. Trị đo dùng trong xử lý là giả cự ly (pseudo-range) mã C/A hay P có độ chính xác tương ứng là 3m và 0.3m [1]. Ở chế độ động, các trị đo này có thể cung cấp độ chính xác định vị mặt bằng 0.5m – 3m [2]. Độ chính xác của thành phần độ cao xác định bằng GPS thường tệ hơn mặt bằng từ 2 đến 3 lần nên không đạt yêu cầu, vì vậy người ta thường bỏ qua và độ cao của đáy sông (biển) được xác định theo phương pháp đo mực nước như Hình 2 Hình 2. 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 (1) Nguyên tắc cơ bản của việc xác định độ cao đáy sông bằng đo mực nước là giả sử độ cao mực nước tại điểm gần bờ và độ cao mực nước tại vị trí của thuyền phải bằng nhau. Khi đó độ cao của đáy được tính theo công thức h = hw – d (2) Giả thiết trên chỉ đúng ở vùng nước yên tĩnh không có tác động của sóng, gió, dòng chảy vv. Trong thực tế nhiều nguyên nhân có thể gây ra sự chênh lệch mực nước giứa trạm đo gần bờ và vị trí đo sâu như ảnh hưởng của đoạn sông cong, đoạn sông co hẹp hay mở rộng, tác động của gió, sóng, thủy triều, vv. Những ảnh hưởng này làm cho độ cao mực nước tại thuyền và tại bờ có khi chênh nhau đến mét. Trong thực tế để giảm những ảnh hưởng trên, người ta phải tăng cường số trạm đo mực nước để rút ngắn khoảng cách đến thuyền. Cách làm này làm tăng thêm chi phí, thời gian cho quá trình thủy đạc và không thể áp dụng được cho vùng biển. Trong bài báo này chúng tôi sẽ trình bày quá trình đo RTK thử nghiệm tại một sông Soài Rạp - thành phố Hồ Chí Minh cùng với quá trình đo mực nước. Kết quả phân tích dữ liệu sẽ cung cấp những thông tin về độ chính xác xác định độ sâu bằng phương pháp đo mực nước tại khu vực này. Qua đó làm nổi bật những ưu điểm về độ chính xác và tính hiệu quả của kỹ thuật đo RTK trong khảo sát địa hình đáy sông (biển). 2. RTK là gì? RTK là tên viết tắt của cụm từ Real-Time Kinematic, nghĩa là kỹ thuật đo động thời gian thực. Về mặt nguyên tắt RTK rất tương tự như kỹ thuật DGPS. Tuy nhiên, trong trường hợp RTK, trạm cơ sở sẽ truyền các trị đo pha về phía trạm động. Trạm động sẽ thành lập các trị đo pha ở dạng hiệu đôi để xử lý. Vì vậy người ta còn gọi kỹ thuật này là DGPS dùng trị đo pha. Vì trị đo pha có độ chính xác mm, nên độ chính xác định vị có thể đạt từ cm đến dm tùy thuộc vào việc tìm trị nguyên đúng cho tham số đa trị (ambiguity resolution) trong trị đo pha. Nếu 100% tham số đa trị được giải ta sẽ có nghiệm fix là nghiệm chính xác nhất, nếu chỉ giải được một phần ta có nghiệm partial, và sẽ nhận được nghiệm float khi không cố gắng giải tham số đa trị. Việc giải thành công các tham số đa trị chỉ dựa vào các trị đo pha ở ngay thời điểm đo đã và đang là một thách thức lớn về mặt thiết bị GPS (bao gồm phần cứng và phần mềm). Ngoài ra nó còn phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách giữa trạm cơ sở và trạm động, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời và tốc độ di chuyển của tàu. Hình 3. Kỹ thuật đo RTK Sơ đồ trên mô tả nguyên tắc xác định độ cao đáy sông bằng kỹ thuật RTK. Trong đó: • h là độ chênh cao giữa hai anten trạm cơ sở và trạm động, được xác định bằng RTK với độ chính xác vài cm. • a là chiều cao anten của trạm cơ sở so với mốc, được đo bằng thước với độ chính xác khoảng 5mm. • h0 là độ cao của mốc so với mặt ellipsoid tham khảo (giả sử không sai số) • f là chiều cao anten của trạm động so với mực nước tại vị trí của thuyền, được đo bằng thước với độ chính xác cm • d là độ sâu của đáy, đo được bằng máy đo sâu hồi âm • h là độ cao đáy sông, được tính theo công thức h = hw – d (3) với hw = h0 + a - h – f (4) là độ cao tức thời của mực nước tại thuyền ở thời điểm đo (RTK tide). Như vậy kỹ thuật RTK cung cấp cho ta cả vị trí mặt bằng và độ cao chính xác của anten ở ngay thời điểm đo. Điều này giúp ta tránh được những khuyết điểm của quá trình xác định độ sâu bằng đo mực nước. 3. Thiết bị và khu vực đo mẫu Máy thu GPS được dùng trong nghiên cứu là máy thu hai tần số thế hệ mới Topcon Legacy H – trạm cơ sở và Topcon Hiper – trạm động. Liên lạc radio giữa trạm cơ sở và trạm động với tần số 38400 Baud với định dạng phát dữ liệu là RTCM. Theo [4], độ chính xác định vị RTK về mặt bằng là 10mm+1.5ppm và độ cao là 20mm+1.5ppm. Điều này có nghĩa là khi khoảng cách giữa trạm cơ sở và trạm động là 3km thì độ chính xác xác định mặt bằng và độ cao trong trường hợp này là 14.5mm và 24.5mm. Topcon Legacy H Topcon Hiper Odom Echotrac MKIII Hình 4. Phần cứng đo sâu Máy đo sâu hồi âm là loại Odom Echotrac MKIII 2 tần số. Độ chính xác đo sâu của máy là (0.01m + 0.1% xđộ sâu) khi sử dụng tần số 200kHz. Hình 5. Khu vực đo sâu và các tuyến đo sâu Nếu bỏ qua các nguồn sai số khác do môi trường tác động vào quá trình đo sâu, sai số trung phương xác định mực nước được tính như sau giả sử độ sâu tối đa của đáy là 50m, sai số trung phương xác định độ sâu là md = 0.06m và sai số trung phương xác định độ cao đáy sông là Như vậy nếu dùng thiết bị trên, chúng ta có thể xác định được độ cao mực nước tại thuyền với độ chính xác khoảng 27mm và độ cao đáy sông (biển) với độ chính xác 66mm. Máy thu Topcon Hiper và máy đo sâu được nối vào hai cổng RS232 của một máy tính laptop, trong đó có cài đặt phần mềm Hypack Max là phần mềm chuyên dụng cho việc đo địa hình đáy sông (biển). Phần mềm này cho phép ta thiết kế trước các tuyến đo trên nền của bản đồ dạng DXF [5]. Trong quá trình tàu chạy, vị trí của tàu sẽ được cập nhật đều đặn trên nền của bản đồ nền. Điều này cho phép ta điều khiển tàu theo các tuyến thiết kế với sai số chỉ vài mét ngay cả trong những điều kiện xa bờ, không thể định hướng và dưới tác động của nhiều yếu tố bên ngoài (Hình 5). Dữ liệu vị trí GPS theo định dạng NMEA 0183 phiên bản 3.0 và dữ liệu đo sâu được ghi lại tự động vào ổ cứng của máy vi tính. Khu đo được chọn là một đoạn cong của sông Soài Rạp – TP Hồ Chí Minh với độ sâu tối đa khoảng 30m. Vị trí đặt trạm cơ sở là mốc địa chính cơ sở, được đánh dấu bằng điểm tam giác trên Hình 5. Việc đo mực nước được tiến hành ở gần vị trí này với tần suất 15 phút. Các tuyến đo sâu được thiết kế cắt ngang sông và cách nhau 100m. Tần suất thu dữ liệu của máy thu GPS và máy đo sâu được chọn là 2 giây. Vấn đề chuyển đổi tọa độ từ hệ tọa độ toàn cầu WGS84 sang hệ tọa độ địa phương là một quá trình phức tạp nằm ngoài nội dung của bài báo này. Vì vậy để tránh sai số do việc chuyển đổi tọa độ, chúng tôi dùng ngay hệ tọa độ WGS84 trong nghiên cứu này. Sau khoảng thời gian khoảng 45 phút cho việc cài đặt trạm cơ sở và trạm động trên thuyền, chúng tôi bắt đầu cho thuyền chạy theo các tuyến đo đã thiết kế từ thượng lưu về hạ lưu. Khoảng cách xa nhất từ trạm cơ sở đến trạm động khoảng 4.5km. Số lượng vệ tinh GPS quan trắc được luôn luôn từ 7 trở lên. Với tốc độ của thuyền khoảng 10km/h, chúng tôi chỉ mất khoảng 6 giờ để hoàn thành việc đo. 4. Chuyển đổi độ cao ellipsoid sang hệ cao độ hải đồ Trong thực tế độ cao đáy sông/biển thường được thể hiện theo hệ thống độ cao hải đồ khác với độ cao Ellipsoid đo được từ GPS. Đối với vấn đề này, phần mềm Hypack Max cho cung cấp hai cách xử lý sau: • Khi khoảng cách từ trạm động đến trạm cơ sở gần, ta có thể xấp xỉ mặt Ellipsoid và mặt chuẩn độ cao hải đồ qua khu vực đo là các mặt phẳng song song nhau. Khoảng cách giữa hai mặt được giả sử là hiệu hai độ cao tại trạm cơ sở (độ cao Ellipsoid – độ cao hải đồ). Hypack Max sẽ dùng giá trị này để chuyển đổi độ cao cho các điểm một cách tự động. • Nếu trên khu vực đo có một số các điểm khống chế mà tại đó ta biết cả hai độ cao Ellipsoid và hải đồ. Ta có thể nhập những điểm này vào phần mềm Hypack Max trước khi đo. Khi đo điểm nào, phần mềm sẽ tự động nội suy hiệuhai độ cao tại vị trí điểm đó để hiệu chỉnh độ cao. Phương pháp này có thể áp dụng cho độ cao tại vị trí điểm đó để hiệu chỉnh độ cao. Phương pháp này có thể áp dụng cho khu vực đo rộng lớn hay trải dài, ở đó hai mặt Ellipsoid và mặt chuẩn độ cao hải đồ không song song nhau. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ thử nghiệm theo cách thứ nhất. Tuy nhiên các thứ hai hoàn toà có thể áp dụng được vì dọc theo bờ sông đã có đủ các điểm địa chính cơ sở, đồng thời độ cao hải đồ của chúng đã xác định trước bằng phương pháp thuỷ chuẩn hình học. 5. Xử lý và phân tích kết quả Quá trình hậu xử lý dữ liệu đo sâu hoàn toàn bằng phần mềm Hypack Max. Tổng cộng có khoảng 8000 điểm đo sâu, trong đó 100% là nghiệm fix. Điều này nói lên độ tin cậy rất cao của hệ thống RTK đã sử dụng. Độ cao mực nước tại trạm cơ sở tính theo công thức (1) và tại trạm động – công thức (4) được thể hiện ở đồ thị sau Hình 6. Độ cao mực nước tại trạm cơ sở và trạm động Trong đồ thị, dấu “*” biểu diễn cho độ cao mực nước tại trạm cơ sở, dấu “.” cho độ cao của trạm động xác định bằng kỹ thuật RTK theo tần suất 2 giây. Sự biến động phức tạp theo thời gian của độ cao mực nước RTK là do anten trạm động gắn chặt vào thuyền nhấp nhô quanh mực nước tĩnh dưới tác động của gió, sóng hay dòng chảy. Đây là điều không thể tránh khỏi trong quá trình thủy đạc. Tuy nhiên với mật độ dữ liệu dày đặc (tần số 2 giây hoặc cao hơn nữa), mực nước tĩnh tại vị trí đo có thể xác định chính xác bằng phương pháp lọc. Chúng tôi đã dùng một bộ lọc nhiễu: lấy giá trị trung bình mỗi 5 phút (tương ứng với 150 điểm dữ liệu). Kết quả của phép lọc này là các điểm “.” sậm màu trên Hình 6. Đem các giá trị trung bình này trừ đi giá trị đo mực nước ở gần bờ ta được vài độ lệch ở bảng sau: Thời gian Độ lệch (cm) Thời gian Độ lệch (cm) Thời gian Độ lệch (cm) 01:15 01:30 02:00 02:15 02:30 23 27 23 19 18 02:45 03:00 03:15 03:30 03:45 20 18 18 18 17 04:15 04:30 05:00 06:00 06:30 15 15 12 8 10 Theo bảng trên, hai mực nước chênh lệch từ 10 đến 30cm và tăng dần theo khoảng cách từ trạm cơ sở đến trạm động (Hình 7). Điều này rõ ràng phù hợp với cơ chế thuỷ lực tại đoạn sông co hẹp. Trong trường hợp này nếu chúng ta lấy mực nước ở gần bờ để thay thế cho mực nước tại thuyền, ta phải chấp nhận một sai số trung bình 0.2m về độ cao. Giá trị này gần như gấp 3.3 lần sai số đo độ sâu (0.06m) và gây nên sai số trung phương xác định độ cao của đáy là Hình 7. Mối quan hệ giữa độ lệch mực nước và khoảng cách 6. Kết luận và kiến nghị Chúng tôi đã chỉ ra rằng phương pháp đo mực nước gần bờ trong qua trình thủy đạc có thể gây ra sai số lớn hơn sai số đo độ sâu đến ba lần. Tuy nhiên đây chỉ là kết quả của việc khảo sát một đoạn sông ngắn. Chúng có thể tệ hơn cho vùng biển, nơi tác động của sóng và gió lớn hơn nhiều lần. Với kỹ thuật RTK, ta có một công cụ mới chính xác hơn, hiệu quả hơn để tiến hành quá trình thủy đạc. Vói thiết bị đã sử dụng ở trên, việc hậu xử lý dữ liệu bằng phần mềm Hypack Max để cung cấp các hải đồ hay mô hình độ cao số (DEM) chiếm thời gian rất ngắn. Như đã đề cập ở phần 2, độ chính xác và độ tin cậy của kỹ thuật RTK phụ thuộc chủ yếu vào sự thành công của việc giải tham số đa trị trong trị đo pha. Quá trình này lại phụ thuộc vào một số yếu tố khác như khoảng cách giữa trạm cơ sở và trạm động, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời và tốc độ di chuyển của tàu. Trong nghiên cứu hiện tại, kỹ thuật RTK hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu đã đặt ra. Các nghiên cứu sắp tới sẽ khảo sát kỹ thuật RTK ở khu vực phức tạp hơn là vùng biển, trong đó khoảng cách giữa trạm đáy và trạm động có thể lên đến vài chục km. Tài liệu tham khảo [1]. Chris Rizos, 1996, Principles and Practice of GPS Surveying, University of NewSouth Wales, Australia. [2]. Department of the US Army, 2002, Hydrographic Surveying. [3]. Trần Minh Quang, 2000, Động lực học sông và chỉnh trị sông, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [4]. Tài liệu hướng dẫn sử dụng Topcon Legacy H và Topcon Hiper [5]. Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm Hypack Max.