BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LƢU ANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƢU VÀ BÌNH SAI HỖN HỢP LƢỚI TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số : 9520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 Cơng trình hồn thành tại: Bộ môn Trắc địa phổ thông Sai số, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Hoàng Ngọc Hà Phản biện 1: TS Đào Quang Hiếu Phản biện 2: PGS.TS Dƣơng Vân Phong Phản biện 3: GS.TS Võ Chí Mỹ Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi……giờ……ngày……tháng… năm 20…… Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thƣ viện Quốc gia, Việt Nam - Thƣ viện Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Lý thuyết bình sai đại nghiên cứu mức độ ảnh hưởng sai số thơ đến kết sau bình sai phương pháp xử lý Trong thực tế đo đạc, số liệu trắc địa thu qua thống kê phân tích cho thấy, xác suất xuất sai số thơ chiếm khoảng từ 1% ÷ 10% (Tukey, 1962) [51] Sai số thơ thường có giá trị lớn so với sai số ngẫu nhiên, nên xử lý số liệu trắc địa sai số thô ảnh hưởng lớn đến kết bình sai Ở Việt Nam, cơng tác thành lập lưới khống chế tọa độ trắc địa kết hợp trị đo truyền thống trị đo GPS vấn đề cần thiết mang tính thời sự…Tuy nhiên, vấn đề phân tích chất lượng lưới trắc địa có nhiều loại trị đo khác kể trường hợp trị đo có chứa sai số thơ Việt Nam gần chưa có nghiên cứu đề cập Trong luận án nghiên cứu thiết kế tối ưu theo mức đo thừa đại lượng đo ứng dụng phương pháp ước lượng v ng Robust estimation) để xử lý, phân tích h n hợp lưới tự m t đất - GPS kể trường hợp trị đo có chứa sai số thơ Các nghiên cứu cho phép xử lý, phân tích lưới trắc địa, mạng lưới lớn M t khác, việc áp dụng thành tựu toán học thống kê cho phép mở rộng phân tích kết bình sai tường minh trực quan mà phương pháp kinh điển khơng đề cập Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án - Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mơ hình toán thiết kế tối ưu ước lượng v ng để xử lý phân tích số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS kể trường hợp có chứa sai số thơ - Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp thiết kế tối ưu xử lý, phân tích số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS điều kiện Việt Nam - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu, xử lý phân tích loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS cho số mạng lưới trắc địa lớn Việt Nam Nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu tổng quan công tác xây dựng lưới trắc địa Việt Nam - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu lưới trắc địa, đề xuất thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS theo mức đo thừa đại lượng đo - Nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu lưới trắc địa trị đo có chứa sai số thơ - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ước lượng v ng, đề xuất sử dụng hàm trọng số Huber mở rộng để xử lý phân tích lưới trắc địa lớn loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS điều kiện Việt Nam - Nghiên cứu lập chương trình máy tính, phục vụ thiết kế tối ưu xử lý số liệu Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp tra cứu: Tìm kiếm, thu thập tài liệu cập nhật thông tin mạng Internet thư viện - Phương pháp phân tích: Sử dụng phương tiện tiện ích, thu thập tài liệu liên quan để giải vấn đề liên quan - Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý số liệu liên quan - Phương pháp so sánh: Tổng hợp kết quả, so sánh đánh giá đưa kết luận vấn đề đ t - Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp kết nghiên cứu, đánh giá kiểm tra độ xác thuật tốn đưa - Phương pháp chuyên gia: Tiếp thu ý kiến người hướng dẫn, tham khảo ý kiến nhà khoa học, đơn vị sản xuất, đồng nghiệp vấn đề nội dung luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: - Các kết nghiên cứu thiết kế tối ưu xử lý, phân tích số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS kể có chứa sai số thơ góp phần phát triển lý thuyết thiết kế tối ưu xử lý số liệu mạng lưới trắc địa lớn có nhiều loại trị đo khác Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn: - Các kết nghiên cứu thiết kế tối ưu, xử lý phân tích số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS nhằm phục vụ công tác cải tạo, xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ trắc địa Việt Nam số lưới trắc địa chuyên d ng Các luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Thiết kế tối ưu theo mức đo thừa đại lượng đo ph hợp cho lưới trắc địa lớn loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS Việt Nam - Luận điểm 2: ng dụng phương pháp ước lượng v ng với lựa chọn hàm trọng số ph hợp giải pháp hiệu để xử lý, phân tích lưới trắc địa tự m t đất - GPS kể trường hợp trị đo có chứa sai số thơ Các điểm luận án - Đề xuất phương pháp thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS theo mức đo thừa đại lượng đo - ng dụng phương pháp ước lượng v ng để xử lý, phân tích số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS kể trường hợp trị đo có chứa sai số thơ - Đã xây dựng chương trình máy tính thiết kế tối ưu, phân tích xử lý số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS kể trường hợp trị đo có chứa sai số thơ Cấu trúc nội dung luận án Cấu trúc luận án gồm ba phần: Phần mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết, mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án, đưa luận điểm bảo vệ điểm luận án Phần nội dung trình bày chương Chương 1: Tổng quan thiết kế tối ưu xử lý số liệu lưới khống chế tọa độ trắc địa Chương 2: Thiết kế tối ưu h n hợp lưới trắc địa tự m t đất GPS Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ước lượng v ng để xử lý phân tích số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS Chương 4: Thực nghiệm thiết kế tối ưu xử lý số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS Chƣơng TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ TỌA ĐỘ TRẮC ĐỊA 1.1 Tổng quan lƣới khống chế trắc địa 1.1.1 Tổng quan lưới khống chế trắc địa nước Các nước giới trải qua giai đoạn xây dựng phát triển mạng lưới tọa độ trắc địa với nh ng phương pháp đo đạc khác như: phương pháp đo thiên văn, phương pháp tam giác, phương pháp đa giác, phương pháp tam giác đo cạnh, phương pháp tam giác đo góc, phương pháp tam giác đo góc - cạnh, phương pháp ứng dụng công nghệ GNSS Trong lĩnh vực thành lập lưới trắc địa, nhiều nước ứng dụng thành cơng cơng nghệ GPS sớm, ví dụ Mỹ, Đức, Trung Quốc Bên cạnh đó, số nước Australia, New Zealand, Hi Lạp, Ba Lan, Latvia, Indonesia …đã ứng dụng công nghệ GPS để cải tạo mạng lưới khống chế tọa độ quốc gia 1.1.2 Tổng quan thực trạng xây dựng lưới khống chế trắc địa Việt Nam Mạng lưới tọa độ quốc gia Việt Nam mạng lưới thống phủ tr m toàn lãnh thổ, lãnh hải Việt Nam xây dựng thời gian dài với điều kiện, công nghệ khác Tuy nhiên, số điểm mốc tọa độ quốc gia bị mất, bị dịch chuyển bị biến động, nhiều điểm bố trí núi cao khơng thuận tiện cho việc sử dụng Ngoài ra, xây dựng hệ qui chiếu hệ tọa độ quốc gia theo quan điểm động giải pháp công nghệ lựa chọn phải đảm bảo kế thừa thành từ hệ VN2000 phải đảm bảo tính chuyển hệ VN2000 với độ xác đồng nước Do đó, cơng tác cải tạo nhằm nâng cao độ xác mạng lưới quốc gia có cần thiết 1.2 Tổng quan thiết kế tối ƣu lƣới trắc địa 1.2.1 Tổng quan thiết kế tối ưu ngồi nước Cơng tác thiết tối ưu lưới trắc địa nhiều nhà khoa học giới nghiên cứu áp dụng Helmert (1868), Schreiber 1882)…Đ c biệt, Grafarend, E đề xuất bốn loại thiết kế tối ưu lưới trắc địa sử dụng rộng rãi hiệu ngày Các công bố kết nghiên cứu thiết kế tối ưu lưới trắc địa gần tập chung vào hướng kết hợp máy tính điện tử thuật toán đại làm cho toán thiết kế tối ưu trở nên đơn giản hiệu Một nh ng nội dung nghiên cứu bật giới thời gian gần ứng dụng mức đo thừa đại lượng đo thiết kế tối ưu lưới trắc Ví dụ, M.Yetkin, Berber, M (2012) hay Amiri - Simkooei, A R, 2001)… 1.2.2 Tổng quan thiết kế tối ưu nước Ở Việt Nam, thiết kế tối ưu lưới trắc địa phần lớn thực theo phương pháp truyền thống, quy phạm hành quy định số đ c trưng lưới sai số vị trí điểm yếu, sai số tương đối chiều dài cạnh yếu, sai số tương h yếu nhất… 1.2.3 Xu hướng giải pháp thiết kế tối ưu lưới trắc địa lớn điều kiện Việt Nam Từ tổng quan nghiên cứu nước nước cho thấy, tốn thiết kế tối ưu nh ng tồn sau: Tồn tại: Các nghiên cứu chưa đề cập giải pháp thiết kế tối ưu lưới trắc địa lớn có nhiều loại trị đo khác loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS Giải Pháp: Nghiên cứu toán thiết kế tối ưu theo mức đo thừa đại lượng đo cho mạng lưới trắc địa lớn loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS điều kiện Việt Nam 1.3 Tổng quan phƣơng pháp xử lý số liệu lƣới trắc địa có chứa sai số thơ 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Các nhà trắc địa giới tập trung nghiên cứu thuật toán xử lý số liệu trắc địa trị đo chứa sai số thơ Ví dụ Kalman R.E Bucy R.S (1961) đề xuất phép lọc Kalman hay Markuze Y.I (1986) dựa vào phép lọc Kalman phát triển phương pháp bình sai truy hồi Đáng ý nhất, phương pháp ước lượng v ng Robust Estimation) Huber, P J đ t móng việc nghiên cứu phương pháp đánh giá thống kê ổn định Huber, P J 1964) Ngày nay, nhiều công bố ứng dụng hiệu phương pháp ước lượng v ng để xử lý số liệu trắc địa trị đo chứa sai số thơ 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt nam, bình sai lưới trắc địa thực theo phương pháp truyền thống phương pháp bình sai xây dựng dựa nguyên tắc số bình phương nhỏ với trị đo chứa sai số ngẫu nhiên Do đó, đánh giá độ xác lưới xét tới yếu tố cục lưới sai số trung phương vị trí điểm, sai số trung phương phương vị cạnh, sai số trung phương tương đối chiều dài cạnh… 1.3.3 Xu hướng giải pháp x l phân t ch lưới trắc địa điều kiện Việt Nam Nh ng tồn nghiên cứu giới nước: Tồn tại: Chưa nghiên cứu xử lý, phân tích lưới trắc địa lớn có nhiều loại trị đo khác loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS Giải pháp : Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ước lượng v ng Robust estimation) để xử lý, phân tích lưới trắc địa lớn loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS điều kiện Việt Nam Chƣơng THIẾT KẾ TỐI ƢU HỖN HỢP LƢỚI TRẮC ĐỊA TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS 2.1 Bài toán tối ƣu tổng quát Bài tốn tối ưu dạng chung biểu diễn dạng sau [4]:  f(X) X  Rn  g i (X)  0, i  1,2, ,m  h j (X)  , j  1,2, ,l  đó: (2.1) X vector không gian vector n chiều R n f, g i , h j hàm số thực liên tục X f X) gọi hàm mục tiêu gi (X)  gọi ràng buộc bất đẳng thức h j (X)  gọi ràng buộc đẳng thức Biến X tập đại lượng cần tìm tốn tối ưu, tập giá trị xác định phương án cụ thể, thường lấy giá trị khơng âm tập biến 2.2 Tiêu chuẩn chất lƣợng lƣới khống chế 2.2.1 Độ ch nh xác cục a.Sai số trung phương vị trí điểm mpi   Qxxi  Qyyi (2.5) m X i   Qxxi ; m Yi   Qyyi (2.6) đó: Q xx , Q yy ma trận trọng số đảo ẩn số xi yi i i điểm pi b.Sai số trung phương chiều dài cạnh m Sij   Q FS (2.7) ij QFS  fSTij Q x fSij (2.8) ij đó: fSij vector hệ số hàm trọng số chiều dài cạnh Sij fSij  (  cos  ij  sin  ij cos  ij sin  ij )T Qxx ma trận trọng số đảo ẩn số c.Sai số trung phương phương vị cạnh m ij   Q F (2.9) ij QF  fTij Q xxfij (2.10) ij đó: fij vector hệ số hàm trọng số phương vị cạnh Sij fij  (a ij bij  a ij  bij )T (2.11) d.Sai số trung phương vị trí điểm tương h mTH   Qxx  Qyy ij (2.12) mxij   Qxx ; m yij   Qyy (2.13) đó: Qxx  Qxi xi  Qxi xi  2Qxi xj (2.14) Qyy  Qyi yi  Qyi yi  2Qyi y j (2.15) e.Ellipse sai số vị trí điểm E F đó: Q xx  Q yy  p Qxx  Q yy  p 2 P  (Qxx  Q yy )2  4Qxy (2.16) (2.17) (2.18) tg(2. )  2.Q xy Q xx  Q yy (2.19) f.Ellipse sai số tương h vị trí điểm  E  2  F  2 2 Q Q xx  Q yy  (Q xx  Q yy )2  4Q 2 xy (2.20) xx  Q yy  (Q xx  Q yy )2  4Q 2xy (2.21) tg(2. )  đó: 2.Q xy Q xx  Qyy (2.22) Qxx  Qxi xi  2Qx x  Qx jx j (2.23) Qyy  Qyi yi  2Qy y  Qy jy j (2.24) Qxy  Qxi yi  2Qx y  Qx jy j (2.25) i j i j i j 2.2.2 Độ ch nh xác tổng thể Các tiêu đánh giá thiết kế tối ưu [4]: a Tối ưu loại A: min(S pQ xx ) b Tối ưu loại D: min(det Qxx ) c Tối ưu loại E: max  Q xx  d Tối ưu loại I: max Q xx   Q xx  e Tối ưu loại G: max (Q xx )ii  2.2.3 Mức đo thừa Người ta đưa tiêu độ tin cậy lưới khống chế, mối quan hệ gi a trị đo thừa r lưới với mức đo thừa rii trị đo thể qua công thức sau [7]: 12 khác Kết thực nghiệm cho thấy phương án cho kết tốt phương án Cụ thể, sai số vị trí điểm lớn phương án 5.50 mm, phương án 13.16mm, sai số trung phương tương đối chiều dài cạnh phương án 1/161464 phương án hai 1/82864 Ngoài ra, đại lượng đ c trưng cho độ xác lưới như, sai số trung phương phương vị cạnh yếu, sai số trung phương tương h c p điểm yếu, tối ưu A, G phương án tốt phương án Lưới thực nghiệm Bắc Ninh: Hai phương án có số lượng đại lượng đo gồm 162 góc 72 baseline, có mức đo thừa khác Kết thực nghiệm cho thấy phương án cho kết tốt phương án Cụ thể, sai số vị trí điểm lớn phương án 3.92 mm, phương án 14.17 mm, sai số trung phương tương đối chiều dài cạnh theo phương án 1/140650 phương án hai 1/46437 Ngồi ra, đại lượng đ c trưng cho độ xác lưới như, sai số trung phương phương vị cạnh yếu , sai số trung phương tương h c p điểm yếu, tối ưu A, G phương án tốt phương án Như vậy, độ xác độ tin cậy lưới trắc địa không nh ng phụ thuộc vào số lượng trị đo mà phụ thuộc vào mức đo thừa trị đo Nhận xét: Vị thế, vai trò đại lượng đo lưới trắc địa phụ thuộc vào mức đo thừa đại lượng đo Các đại lượng đo khoảng cách biên lưới thường có mức đo thừa thấp mức đo thừa đại lượng đo khác lưới Chƣơng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG VỮNG ĐỂ XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU HỖN HỢP LƢỚI TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS 3.1 Khái quát ƣớc lƣợng vững Nguyên lý ước lượng v ng coi tồn sai số thô dãy trị đo tránh khỏi, lựa chọn phương pháp ước lượng ph hợp để trị ước lượng không bị ảnh hưởng sai số thô đạt trị ước lượng tốt Trong trắc địa thường d ng nguyên tắc ước lượng v ng tự nhiên lớn nhất, dựa vào lý thuyết ước lượng M Huber đề xuất năm 1964 Tuy nhiên, hàm trọng số Huber kinh điển, Danish, Tukey, IGG 13 hay phương pháp L1 áp dụng phổ biến ứng dụng trường hợp trị đo độc lập có hiệu lưới trắc địa có c ng loại trị đo lưới đo góc, lưới đo cạnh, hay lưới góc - cạnh có trị đo chứa sai số thơ Do đó, phương pháp khơng ph hợp lưới trắc địa có nhiều loại trị đo có tính đến tương quan gi a trị đo 3.2 Đề xuất sử dụng hàm trọng số ƣớc lƣợng vững cho hỗn hợp lƣới tự mặt đất - GPS H n hợp lưới tự m t đất - GPS loại lưới có nhiều loại trị đo khác trị đo góc, trị đo cạnh trị đo GPS Ngồi ra, gi a trị đo GPS có tính tương quan với M t khác, tính tương quan gi a thành phần baselines làm tăng cao ảnh hưởng trị đo chứa sai số thô trị đo khác ẩn khuất mạnh Do tìm kiếm sai số thơ coi trị đo độc lập Trong khn khổ luận án đề cấp đến tính tương quan gi a thành phần baselines mà khơng xét đến tính tương quan gi a baselines Để giải vấn đề tác giả đề xuất sử dụng hàm trọng số Huber mở rộng cho h n hợp lưới tự m t đất - GPS Hàm trọng số Huber mở rộng(HB - HL) có dạng sau [6], [14]: wi wi w ii w ii c ; vi vi vi ; pi pi w i ; vi ; vi c vi c vi w jj 1; c vi vi vi c ;w jj vj vi vj ; vj ; pij pij w ij ; vi c; v j c; v j (3.32) c; c; vj Trong đó, c số chọn c = 1.5, vi xác định theo công thức sau: vi Qvv P (Qvv )ii AQx AT (3.33) (3.34) 14 3.3 Quy trình bước ước lư ng vững hỗn h p lưới tự mặt đất - GPS hệ tọa độ vng góc phẳng Chọn ẩn số: Ẩn số chọn số hiệu chỉnh tọa độ gần điểm cần xác định lưới Tính tọa độ gần đúng: Gi định tọa độ điểm trị đo lưới tính tọa độ gần Xi(0), Yi(0)các điểm lưới Thành lập hệ phương trình số hiệu chỉnh trị đo 4.Thành lập hệ phương trình chuẩn Lập gi i hệ phương trình chuẩn mở rộng Sử dụng hàm trọng số Huber mở rộng ước lượng vững a Xử lý số liệu theo ước lượng vững Từ V tính w theo (3.32) cho trị đo thỏa mãn điều kiện vi c , trọng số trị đo độc lập p (1) (1) số trị đo phụ thuộc p11 p12(1) p1w1 trọng (1) (1) , p 22 p11w11 p22 w (1) 22 (1) Giải hệ phương trình chuẩn, trị ước lượng lần p12 w12 hai ẩn số X số hiệu chỉnh V có dạng X (1) V R (1) AT P (1) L AX L Tương tự trường hợp V, từ V(1) tính trọng số cho trị (2) (2) (1) (2) đo tương ứng p (2) , p 22 p1w p11(2) p11(1) w11 p22 w 22 p12(2) (2) , tiếp tục giải hệ phương trình chuẩn, tính thay p12(1) w12 tương tự, giá trị sai lệch nghiệm hai lần liên tiếp phải phù hợp với hạn sai theo yêu cầu dừng tính Kết cuối ẩn số X số hiệu chỉnh V X (k) V k k R( k ) AT P L AX k L Đánh giá độ tin cậy kết qu bình sai theo phân phối χ2(χ2r,1-α/2≤ VTPV≤ χ2r,α/2), phân tích kết qu sau bình sai 15 3.4 Quy trình phương pháp x l phân t ch hỗn h p lưới tự mặt đất - GPS có chứa sai số thơ Sơ đồ khối phương pháp Hình 3.2 Sơ đồ khối phương pháp 16 3.4.1 Phương pháp ước lư ng vững (phương pháp 1) Bước 1: Bình sai lưới GPS hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm (µGPS = 1), thu CX, Y, Z Bước 2: Tính chuyển tọa độ X, Y, Z ), ma trận hiệp phương sai từ hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm hệ tọa độ vng góc phẳng x, y) chuyển baselines thành gia số tọa độ ∆x, ∆y Bước 3: Ước lượng phương sai trị đo hệ tọa độ vng góc phẳng Bước 4: Ước lượng v ng h n hợp lưới tự m t đất - GPS 3.4.2 Phương pháp bình sai với trị đo “sạch” (phương pháp 2) Bước 1: Bình sai lưới GPS hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm µGPS = 1), thu CX, Y, Z Bước 2: Tính chuyển tọa độ X, Y, Z ), ma trận hiệp phương sai từ hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm hệ tọa độ vng góc phẳng x, y) chuyển baselines thành gia số tọa độ ∆x, ∆y Bước 3: Ước lượng phương sai trị đo hệ tọa độ vng góc phẳng Bước 4: Ước lượng v ng h n hợp lưới tự m t đất - GPS phát sai số thô Bước 5: Tạo trị đo “sạch” bình h n hợp lưới tự m t đất GPS theo phương pháp số bình phương nhỏ 3.4.3 Khảo sát độ xác số phương pháp ước lư ng vững Thực nghiệm dạng h n hợp lưới tự m t đất - GPS bao gồm: Lưới trắc địa có điểm cần xác định tọa độ, 21 góc đo, cạnh đo baseline Biểu đồ 3.1 : Độ lệch số hiệu chỉnh hỗn hợp lƣới tự mặt đất - GPS ( trị đo 21 góc, cạnh baseline) 17 3.4.4 Nhận xét độ ch nh xác số phương pháp ước lư ng vững Từ kết tính tốn thực nghiệm biểu đồ 3.1) cho thấy: Phương pháp ước lượng v ng sử dụng hàm trọng số Huber mở rộng cho kết tốt phương pháp khảo sát, cụ thể: Các sai số thô đưa vào mô hình phát xác vị trí, giá trị sai số thô xác định độ lệch số hiệu chỉnh thực nghiệm) sát với giá trị sai số thơ đưa vào thực nghiệm Ví dụ, h n hợp lưới tự m t đất-GPS( trị đo 21 góc, cạnh baseline), số lượng trị đo phát chứa sai số thô 5, giá trị sai số thô xác định tương ứng 3600.51”, 3598.31”, 993.86mm, 999.38mm, 998.53mm Trong đó, phương pháp Danish, Tukey, Huber, L1 có giá trị sai số thơ xác định không sát với giá trị sai số thô đưa vào thực nghiệm 18 Chƣơng THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ TỐI ƢU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU HỖN HỢP LƢỚI TỰ DO MẶT ĐẤT - GPS 4.1 Xây dựng chƣơng trình 4.1.2 Sơ đồ khối mudul c a chương trình: Các modul chương trình dựa thuật toán thiết kế tối ưu quy trình ước lượng v ng h n hợp lưới tự m t đất - GPS 4.1.2.1.Modul tệp tin Chức modul tệp tin để quản lý tập tin chép, di chuyển, mở, xóa, tìm kiếm, 4.1.2.2.Modul biên tập x l số liệu GPS Modul có chức đọc thơng tin kết *.txt) ho c *.html) sau trình xử lý trị đo GPS xử lý giải cạnh - Baselines) biên tập theo định dạng file quy định Bình sai lưới GPS ước lượng phương sai trị đo GPS để sau bình sai μGPS = 1, tính chuyển tọa độ, ma trận hiệp phương sai từ hệ WGS-84 hệ tọa độ vng góc phẳng Hình 4.1:Hình ảnh cửa sổ giao diện modul xử lý số liệu GPS 4.1.2.3 Modul thiết kế tối ưu Hình 4.2: Hình ảnh cửa sổ giao diện modul thiết kế tối ưu 19 Chức modul thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS số liệu đầu vào đọc từ tệp ho c nhập trực tiếp từ sổ chương trình Cấu trúc file số liệu có dạng sau: 4.1.2.4 Modul x l số liệu Modul cho phép bình sai h n hợp lưới tự m t đất - GPS theo nguyên lý số bình phương nhỏ hay xử lý số liệu lưới trắc địa có chứa sai số thơ theo thuật tốn ước lượng v ng Robust estimation) Số liệu đầu vào chương trình đọc từ tệp d liệu ho c nhập trực tiếp từ sổ chương trình Hình 4.3: Hình ảnh cửa sổ giao diện modul xử lý số liệu 4.2 Tính tốn thực nghiệm 4.2.1.Thiết kế tối ưu hỗn h p lưới tự mặt đất - GPS theo mức đo thừa 4.2.1.1 Lưới trắc địa thực nghiệm Lạng Sơn Giả thiết ban đầu lưới m t đất có điểm cần xác định (A, B, C, D, II, III) với 21 trị đo góc, nhiên qua sử dụng hai điểm II III bị dịch chuyển hay hỏng hóc khơng sử dụng n a Do lưới điểm ổn định bao gồm: A, B, C D với góc Yêu cầu đ t thiết kế lưới gồm điểm ban đầu, loại bỏ trị đo liên quan đến điểm II III, tận dụng đại lượng đo m t đất bổ sung đại lượng đo GPS Như vậy, toán trở thành thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS với đại lượng đo góc 26 đại lượng đo GPS có thể, nên ta làm việc với đại lượng đo GPS Để giải toán trên, tính mức đo thừa đại lượng đo GPS, xếp baselines theo mức đo thừa từ thấp đến cao, sử dụng thuật toán truy hồi để bổ sung baselines theo trình tự xếp cho số đại lượng đo nằm khoảng điều kiện ràng buộc Kết thực nghiệm cho thấy: Có phương án xảy theo thứ tự ưu tiên từ độ xác thấp đến cao, 20 phương án lưới có 18 đại lượng đo bổ sung baseline: AB, BD, BC, III II, A II), độ xác lưới đạt mP = 8.8mm, mS/S = 1/112431, mα= 1.62’’ M t khác, số trị đo 34, số trị đo theo thiết kế 18 nên thỏa mãn điều kiện ràng buộc số lượng trị đo ( 15≤ ∑yi ≤20) Do đó, phương án đo bổ sung baseline tối ưu Bảng 4.1: So sánh phương án thiết kế tối ưu lưới trắc địa Lạng Sơn Điều kiện ràng Hiệu Hàm buộc Phương Số Số mục (%) án góc baselines Độ Độ tin tiêu xác cậy 13 Đạt Đạt 8 Đạt Đạt 36 Tối ưu Đạt Đạt Đạt 4.2.1.2 Lưới trắc địa thực nghiệm Bắc Ninh Giả thiết ban đầu lưới thực nghiệm có 36 điểm cần xác định với 162 góc đo Do ba điểm GB - 09, GB - 25 GB - 31 bị hỏng, nên lưới 33 điểm ổn định với 120 góc Yêu cầu đ t thiết kế lưới gồm 36 điểm ban đầu, loại bỏ trị đo liên quan đến điểm GB - 09,GB - 25 GB - 31, tận dụng trị đo m t đất có bổ sung đại lượng đo GPS cho giá thành đo lưới thấp đồng thời đạt yêu cầu độ xác yêu cầu quy phạm lưới địa (mP ≤ 5cm, mS/S ≤ 1/50.000, trị tuyệt đối sai số trung phương phương vị cạnh 400m sau bình sai mP ≤ 1.2cm), trị tuyệt đối sai số trung phương phương vị cạnh 400m sau bình sai (mα ≤ 5’’) độ tin cậy lưới Thực nghiệm với hai nhóm đại lượng đo GPS có mức đo thừa khác nhau, cho kết sau: Để đạt độ xác theo yêu cầu quy phạm, sử dụng nhóm đại lượng đo GPS có mức đo thừa thấp cần đo bổ sung 55 baseline, độ xác lưới đạt: mP = 11.5mm, mS/S = 1/52193, mα= 2.93’’, sử dụng đại lượng đo có mức đo thừa cao phải đo bổ sung 74 baseline, độ xác lưới đạt: mP = 18.2mm, mS/S = 1/49171, mα= 2.55’’ 21 Bảng 4.3 : So sánh phương án thiết kế tối ưu lưới trắc địa Bắc Ninh Điều kiện ràng Hiệu Hàm buộc Phương Số Số mục (%) án góc baselines Độ Độ tin tiêu xác cậy 162 89 Đạt Đạt 120 74 Đạt Đạt 26 Tối ưu 120 55 Đạt Đạt Đạt 4.2.1.3 Nhận xét Từ kết tính tốn thực nghiệm cho thấy, phương pháp thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS theo mức đo thừa đại lượng kết hợp với máy tính điện tử giúp người thiết kế dễ dàng nhìn v ng xung yếu lưới từ có phương án bổ sung số lượng trị đo hợp lý mà đảm bảo độ xác, độ tin cậy lưới trắc địa 4.2.2 Thực nghiệm xử lý, phân tích hỗn hợp lưới tự mặt đất - GPS 4.2.2.1 Phát sai số thô H n hợp lưới tự m t đất - GPS ( trị đo 21 góc 13 baseline) Biểu đồ 4.2: Phát sai số thô h n hợp lưới tự m t đất GPS Nhận xét Từ kết tính tốn thực nghiệm cho loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS cho thấy: Phương pháp ước lượng v ng với lựa chọn hàm trọng số Huber mở rộng cho kết nhanh xác định 22 xác trị đo chứa sai số thơ Do đó, có hiệu cao mạng lưới trắc địa lớn dạng h n hợp lưới tự m t đất - GPS, cụ thể khả phát sai số thô T) theo khoảng giới hạn m sai số trung phương trị đo) sau: a.H n hợp lưới tự m t đất - GPS trị đo 21 góc, 13 baseline) có số trị đo chứa sai số thơ chiếm khoảng 13% số trị đo thừa mức độ phát sai số thô sau: - T  (3m; 5m], thuật toán phát khoảng 60% - T  [6m ;10m), thuật toán phát khoảng 83% - T ≥ 10m, thuật toán phát hầu hết trị đo chứa sai số thô b.H n hợp lưới tự m t đất - GPS (trị đo 21 góc, 13 cạnh 13 baseline) có số trị đo chứa sai số thơ chiếm khoảng 12% số trị đo thừa mức độ phát sai số thô sau: - T  3m; 5m), thuật toán phát khoảng 83% - T ≥ 5m, thuật toán phát hầu hết trị đo chứa sai số thô c Lưới đường chuyền m t đất - GPS trị đo góc, cạnh, baseline): - T [ 6m; 7m), thuật toán phát trị đo chứa sai số thơ - T ≥ 7m, thuật tốn phát trị đo chứa sai số thô 4.2.2.2 Phân t ch hỗn h p lưới tự mặt đất - GPS So sánh kết qu sau bình sai theo phương pháp bình sai với trị đo “sạch” với m hình chuẩn Bảng 4.10: Độ lệch tọa độ phương pháp bình sai với trị đo “sạch” so với mơ hình chuẩn N0 Bình sai với trị đo “sạch” Loại h n hợp tự m t đất GPS (1) (2) G-GPS 21góc,4 baseline) dX dX max dYmin dYmax (m) (m) (m) (m) (3) 0.002 (4) 0.017 (5) 0.004 (6) 0.015 Số trị đo chứa sai số thô Tỷ lệ trị đo chứa sai số thô (7) (8) 10% 23 G-GPS 21góc,13ba seline) G-S-GPS 21 góc, cạnh, 13 baseline) G-S-GPS 21 góc, 13 cạnh, 13 baseline) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.002 0.002 0.002 0.003 0.0 0.0 0.0 0.0 0.001 0.002 0.002 0.001 8.5% 10.6% 12.7% 10% 0.0 0.004 0.0 0.008 12.5% 0.0 0.001 0.0 0.002 11.6% 0.0 0.001 0.0 0.002 13.3% Các giá trị cột 3), 4), 5) 6) độ lệch trị tọa độ sau bình sai lớn nhỏ phương pháp bình sai với trị đo “sạch” với mơ hình chuẩn Phân tích kết qu ước lượng vững Biểu đồ 4.5 : Độ lệch số hiệu chỉnh h n hợp lưới tự m t đất GPS trị đo 21góc, 13 baseline) Biểu đồ 4.6: Độ lệch số hiệu chỉnh lưới đường chuyền góc, cạnh ,5 baseline) Nhận xét Từ kết tính tốn thực nghiệm cho số loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS cho số nhận xét sau: - Sử dụng phương pháp ước lượng v ng kết hợp biểu đồ phân tích kết đo sau bình sai lưới trắc địa lớn loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS cho kết trực quan đáng tin cậy 24 - Đối với lưới trắc địa lớn có số trị đo thừa hợp lý r ≥ 0.5t) loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS, ứng dụng phương pháp ước lượng v ng với lựa chọn hàm trọng số Huber mở rộng phát loại bỏ sai số thô cho kết đáng tin cậy - Đối với lưới trắc địa lớn có số trị đo thừa hợp lý r ≥ 0.5t) loại h n hợp lưới tự m t đất - GPS, số lượng trị đo chứa sai số thô nhỏ 10% tổng số trị đo thừa giá trị sai số thô không vượt 10m 10 lần sai số trung phương trị đo) kết phương pháp ước lượng v ng với lựa chọn hàm trọng số Huber mở rộng chịu ảnh hưởng sai số thô tương đối nhỏ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Từ nh ng nghiên cứu lý thuyết, khảo sát phân tích kết tính tốn thực nghiệm phương pháp thiết kế tối ưu bình sai h n hợp lưới tự m t đất - GPS, đến số kết luận sau: Đã nghiên cứu áp dụng toán thiết kế tối ưu ph hợp cho h n hợp lưới tự m t đất - GPS Trong luận án đề xuất thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS theo mức đo thừa đại lượng đo mang lại hiệu cao Trong luận án nghiên cứu ứng dụng tốn xử lý, phân tích h n hợp lưới tự m t đất - GPS áp dụng phương pháp ước lượng v ng Robust estimation) kể trường hợp trị đo có chứa sai số thơ cho kết đáng tin cậy Thuật toán truy hồi có lợi rõ thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS, hiệu bổ sung đại lượng đo Lưới m t đất dạng tam giác đo góc - cạnh lưới đường chuyền kết hợp trị đo GPS không nh ng làm tăng độ xác mà làm tăng khả phát sai số thô Kiến nghị: Áp dụng phương pháp ước lượng phương sai-hiệp phương sai để ước lượng phương sai trị đo h n hợp lưới tự m t đấtGPS, giúp xác định xác trọng số trị đo Áp dụng phương pháp bình sai tự để xử lý số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS nhằm tránh ảnh hưởng sai số số liệu gốc h n hợp lưới tự m t đất - GPS DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN A Các đề tài nghiên cứu khoa học: Lưu Anh Tuấn (chủ trì, 2014 )“Nghiên cứu phương pháp bình sai hỗn hợp lưới tự mặt đất - GPS kết hợp thuật toán Robust estimator điều kiện Việt Nam”, Đề tài NCKH cấp sở mã số T15-29 B Các báo: Tiếng Việt Lưu Anh Tuấn (2014), “Bình sai lưới tự hỗn hợp mặt đất GPS sử dụng công thức truy hồi”, Tạp chí Tài ngun Mơi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 7(189)/4-2014 Lưu Anh Tuấn (2014), “Nghiên cứu phụ thuộc trị đo GPS đến kết bình sai tốn bình sai lưới tự hỗn hợp mặt đất GPS”, Tạp chí Tài nguyên Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 9(191)/5-2014 Lưu Anh Tuấn (2014), “Bình sai lưới tự hỗn hợp trị đo mặt đất - GPS kết hợp thuật tốn Robust”, Tạp chí Tài ngun Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 11(193)/6-2014 Lưu Anh Tuấn (2014), “Thiết kế tối ưu lưới tự hỗn hợp trị đo mặt đất - GPS sử dụng cơng thức truy hồi”, Tạp chí Tài nguyên Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 16(198)/8-2014 Lưu Anh Tuấn ( 2014), “Nghiên cứu ứng dụng Robust Kalman Filtering bình sai lưới trắc địa”, Hội nghị khoa học lần thứ 21, Đại học Mỏ - Địa Chất, tháng 11/2014 Lưu Anh Tuấn (2015), “Nghiên cứu mơ hình tốn bình sai lưới tự hỗn hợp mặt đất- GPS kết hợp thuật tốn Robust điều kiện Việt Nam”, Tạp chí Tài nguyên Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 21(227)/11-2015 Lưu Anh Tuấn, Trương Quang Hiếu (2015), “Luật phân bố Stiuđơn khả ứng dụng tốn kiểm định thống kê”, Tạp chí Tài ngun Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 22(228)/11-2015 Lưu Anh Tuấn (2016), “Thiết kế tối ưu lưới trắc địa dựa cấu hình GPS baselines phân tích Robustness”, Tạp chí Tài ngun Mơi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 19(219)/10-2016 Lưu Anh Tuấn (2016), “Ứng dụng phương pháp Robustness phân tích lưới khống chế Trắc địa hỗn hợp mặt đất GPS”, Tạp chí Tài ngun Mơi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 19(249)/10-2016 10 Lưu Anh Tuấn (2018), “Lựa chọn hàm trọng số ước lượng vững lưới trắc địa”, Tạp chí Tài ngun Mơi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 12(290)/6-2018 11 Lưu Anh Tuấn (2018), “So sánh phương pháp lặp trọng số lưới trắc địa”, Tạp chí Tài nguyên Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường, số 12(290)/6-2018 12 Hoàng Ngọc Hà, Lưu Anh Tuấn (2019), “ Ứng dụng phương pháp Robust bình sai phân tích lưới khơng gian mặt đất - GPS”, Tạp chí Khoa học Đo đạc Bản đồ, số 39/3-2019 Tiếng Anh LUU Anh Tuan, TRUONG Quang Hieu (2014), “Reliability evaluation of Geodetic Horizontal control networks in Tunnel execution”, Proceedings of the 3rd international conference on Advances in Mining and Tunneling 21-22 October 2014, Vung Tau, Viet Nam Anh Tuan Luu (2016), “Application of correlation robust estimation in the adjustment of geodetic network”, GMMT2016 International symposium on Geo-Spatial and Mobile mapping technologies and summer school for Mobile mapping technology Anh Tuan Luu, Ngoc Giang Le (2016), “Application of weighting robust estimation in geodetic networks”, GMMT2016 International symposium on Geo-Spatial and Mobile mapping technologies and summer school for Mobile mapping technology Ngoc Giang Le, Anh Tuan Luu, Minh Hung Trương, Quang Hieu Trương (2016),“Strict adjustment of traverse without measuring angle of connection”, GMMT2016 - International symposium on Geo-Spatial and Mobile mapping technologies and summer school for Mobile mapping technology ... h n hợp lưới tự m t đất - GPS kể trường hợp có chứa sai số thô - Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp thiết kế tối ưu xử lý, phân tích số liệu h n hợp lưới tự m t đất - GPS điều kiện Việt Nam - Phạm... dựng lưới trắc địa Việt Nam - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu lưới trắc địa, đề xuất thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS theo mức đo thừa đại lượng đo 2 - Nghiên cứu phương pháp. .. m t đất - GPS, đến số kết luận sau: Đã nghiên cứu áp dụng toán thiết kế tối ưu ph hợp cho h n hợp lưới tự m t đất - GPS Trong luận án đề xuất thiết kế tối ưu h n hợp lưới tự m t đất - GPS theo