HỆ THỐNG THUỶ ĐẠC CHI PHÍ THẤP LOW COST HYDROGRAPHIC SURVEYING SYSTEM Nguyễn Ngọc Lâu, Trương Ngọc Tường* Nguyễn Quang ** Bộ môn Địa tin học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam *Bộ mơn Cảng Cơng Trình Biển, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam **Phòng Địa Tin Học, Cơng ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật Biển, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam BẢN TĨM TẮT Các hệ thống thủy đạc đại cho phép khảo sát địa hình đáy sơng (biển) cách hiệu xác với thời gian hậu xử lý Tuy nhiên hệ thống đắt tiền phải nhiều thời gian để học cách sử dụng Trong báo chúng tơi trình bày hệ thống thuỷ đạc đơn giản nghiên cứu ứng dụng Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật Biển Chi phí đầu tư cho hệ thống khoảng ¼ so với hệ thống đại cung cấp độ xác u cầu sau q trình hậu xử lý ABSTRACT The state-of-the-art hydrographic surveying systems allow us to mapping sea (river) floor accurately and effectively with very short time for post-processing However such systems are expensive, difficult to operate and not easy to learn In this paper, we present a simple hydrographic surveying system which has been researched and implemented at the Portcoast Consultant Corporation The expense for this system is about ¼ compared with the modern systems but it can provide the required accuracy after post-processing GIỚI THIỆU Trong báo [3], giới thiệu hệ thống đại cho phép nâng cao tính hiệu độ xác q trình thủy đạc Hệ thống dựa kỹ thuật đo động thời gian thực (Real Time Kinematic – RTK), cần phải có cặp máy thu GPS hai tần số hệ Vào thời điểm giá trị máy thu dao động từ 35.000 – 40.000 USD tùy theo nhãn hiệu Mặt khác để thu thập liệu đo GPS liệu đo sâu thực địa, hệ thống phải điều hành phần mềm chuyên dụng Hypack Max Chi phí để mua loại phần mềm đắt tiền (khoảng 10.000USD cho license) Như chưa kể máy đo sâu hồi âm, để trang bị hệ thống người sử dụng phải khoảng 50.000USD Ngoài việc điều hành hệ thống 196 tương đối phức tạp nên phải thời gian tập huấn cho người sử dụng thời gian cài đặt hệ thống Để giảm chi phí đầu tư trang thiết bị, thử nghiệm thành công hệ thống thủy đạc có chi phí thấp cung cấp độ xác tương đương Mặt khác việc điều hành hệ thống thực địa đơn giản cài đặt phần liên lạc radio Trong phần sau báo thảo luận việc chọn lựa máy thu GPS, phần mềm thủy đạc miễn phí, qui trình kết nối thiết bị, phương pháp xử lý liệu kết đo thử nghiệm hệ thống CHỌN LỰA MÁY THU GPS VÀ PHẦN MỀM THỦY ĐẠC Phần trung tâm phần chiếm nhiều tiền hệ thống thủy đạc máy thu GPS Máy thu GPS đắt tiền loại máy thu xác cao, hai tần số có khả RTK Trong loại máy thu GPS xác, tần số lại rẻ nhiều Đơn cử cho loại thị trường có ProMark2 Công ty Thales Navigation hay SR20 Công ty Leica Loại có giá dao động từ 7.000 – 10.000USD, tức ¼ so với loại hai tần số Sau số đặc tính chung loại máy thu tần số [5,6] Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật máy thu GPS tần dùng trị đo pha Nội dung Đặc tính kỹ thuật Tĩnh, dừng đi, động Không hỗ Chế độ đo trợ RTK Mã pha tần số L1 Trị đo Mặt bằng: 5mm+1ppm Độ xác đo tĩnh Độ cao: 10mm+2ppm Mặt bằng: 12mm+2,5ppm Độ xác đo động Độ cao: 15mm+2,5ppm Giới hạn chiều dài đường đáy đo động 10 km Số vệ tinh quan trắc đồng thời 10-12 Tốc độ thu nhanh 1s Bộ nhớ nội ≥ MB Pin pin tiểu hay pin sạc lithium Theo bảng ta thấy độ xác định vị mặt độ cao loại máy thu không thua so với độ xác RTK loại hai tần số hệ (ví dụ máy Topcon Legacy có độ xác RTK mặt 10mm+1,5ppm độ cao 20mm+1,5ppm) Do chúng hồn tồn đáp ứng độ xác đề q trình thủy đạc Trong nghiên cứu sử dụng máy thu ProMark2 kèm với phần mềm xử lý Ashtech Solution Công ty Thales Navigation Cần ý ProMark2 máy thu GPS tương tự không thiết kế để phục vụ thủy đạc nên chúng khơng có khả đo RTK toạ độ điểm đo động có sau q trình hậu xử lý Để giảm chi phí xây dựng hệ thống, chúng tơi đề cập đến số phần mềm miễn phí khai thác để phục vụ cho thủy đạc Trong nhóm có Windmill SeaClear Windmill phần thu mềm thu liệu tự động từ tất thiết bị giao tiếp qua cổng nối tiếp RS232, có máy thu GPS máy đo sâu hồi âm Do phần mềm tổng quát nên để kết nối cho thiết bị cụ thể cần phải phân tích định dạng liệu xuất từ thiết bị Mặt khác phần mềm lại thiếu tiện ích cần thiết hiển thị vị trí tàu lên đồ nền, chức thiết kế tuyến đo sâu, khả đồng thời gian máy tính thời gian GPS xác, vv 197 Trong nghiên cứu sử dụng phần mềm SeaClear Đây phần mềm miễn phí tải từ địa mạng http://www.sping.com/seaclear/ Tương tự phần mềm đo sâu khác, SeaClear cho phép hiển thị vị trí thuyền lên đồ dạng WCI điều giúp cho người lái điều khiển thuyền theo tuyến đo [7] Các toạ độ đo GPS độ sâu máy đo sâu thực địa phần mềm tự động ghi lại file kèm với thời gian UTC xác Trong trường hợp chúng ta, máy ProMark2 cài đặt chế độ thu liệu đo GPS nên kết nối với máy tính để cung cấp toạ độ Ta khắc phục điều cách sử dụng thêm máy định vị cầm tay với chấp nhận sai số vị trí tàu khoảng 5m QUI TRÌNH ĐO VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU Nguyên tắc đo tóm tắt hình vẽ [1, 2] Một máy thu GPS đặt điểm gốc A biết trước toạ độ Máy thu thứ hai đặt thuyền có anten gắn đồng trục với cần đo sâu máy đo sâu hồi âm Cả hai máy thu GPS máy đo sâu cài đặt tốc độ thu liệu giống Một máy tính laptop đặt thuyền có cài đặt phần mềm SeaClear liên kết với máy đo sâu hồi âm máy định vị cầm tay Để khảo sát địa hình đáy sơng (biển), thuyền đo chạy theo tuyến đo sâu thiết kế trước cách dựa vào vị trí thuyền hiển thị đồ số Ashtech Solution hA SeaClear x2, y2, D x1, y1, HC A ∆H hB Hydrotools HA D HC x3, y3, HB B HB Hình 2: Sơ đồ hậu xử lý liệu HydroTools Mặt ellipsoid tham khảo Hình 1: Nguyên tắc thủy đạc hậu xử lý Sau kết thúc việc đo thực địa, liệu GPS tải vào máy tính xử lý phần mềm Ashtech Solution Kết trình file liệu chứa toạ độ (x1, y1) độ cao cần đo sâu (HC) theo thời gian File liệu thứ hai lưu lại thư mục phần mềm SeaClear chứa toạ độ (x2, y2) độ sâu (D) theo thời gian Tuy nhiên (x2, y2) máy định vị cầm tay cung cấp nên có độ xác từ 5-15m Nó cần phải thay toạ độ chứa file liệu thứ (x1, y1) Để tích hợp hai file liệu, chúng tơi phát triển phần mềm đơn giản có tên HydroTools Phần mềm có chức năng: • Chuyển đổi toạ độ điểm đo sâu từ WGS84 sang hệ toạ độ địa phương • Nội suy toạ độ file liệu thứ theo thời điểm đo sâu file liệu thứ hai tính độ cao đáy sơng HB = HC – D • Xuất file liệu bao gồm toạ độ địa phương (x3, y3) độ cao đáy sông (HB) tất điểm đo • Hiển thị tuyến đo sâu mặt cắt để hỗ trợ cho việc loại bỏ liệu xấu • Hiển thị mạng lưới tam giác Delaunay đường đồng mức File liệu sau đọc trực tiếp vào phần mềm chuyên dụng AutoCad để nội suy đường đồng mức Ngồi để dự phòng trường hợp kết xử lý liệu từ ProMark2 giải đa trị thành công (cung cấp nghiệm float hay partial thay cho fixed), HydroTools cho phép tích hợp liệu đo mực nước theo cách truyền thống để cải thiện độ xác thành phần độ cao 198 Hình 4: Tuyến đo sâu thử nghiệm Thanh Đa Hình 3: Giao diện HydroTools QUÁ TRÌNH ĐO THỬ NGHIỆM Để kiểm chứng độ xác độ tin cậy hệ thống trình bày trên, tiến hành đo thử nghiệm đoạn sông Sài Gòn gần Thanh Đa - TP Hồ Chí Minh Trong thử nghiệm cài đặt thuyền đo hai hệ thống: hệ thống thử nghiệm hệ thống thủy đạc RTK đại đề cập [3] Nhằm thuận tiện cho việc so sánh sau, hai anten GPS đồng trục với cần phát hồi âm bố trí gần (0,87m) Máy đo sâu dùng hệ thống thử nghiệm F840 JMC (Nhật) với độ xác 0,5% độ sâu [8] Trong hệ thống RTK sử dụng MKIII Edom (Mỹ) với độ xác 0,01m + 0,1% độ sâu [9] 199 Hình thể vị trí trạm đáy bờ (tam giác) vị trí đo sâu thuyền Ngoài tuyến đo ngang cách khoảng 50m, chúng tơi thiết kế tuyến đo dọc để kiểm tra điểm cắt với tuyến ngang Tốc độ thu liệu máy thu GPS máy đo sâu cài đặt giống giây thuyền đo chạy với tốc độ khoảng 5km/h Kết xử lý liệu đo GPS từ ProMark2 cho thấy 100% nghiệm fixed – tức nghiệm tốt Để kiểm tra độ xác vị trí mặt hệ thống thử nghiệm, thời điểm đo chúng tơi tính khoảng cách hai anten GPS dựa vào toạ độ xác định so với giá trị xác (0,87m) Sai số trung phương tính 34mm Để kiểm tra độ xác vị độ cao, chúng tơi so sánh độ cao mực nước tính từ hai hệ thống Các chấm đỏ xanh hình tương ứng thể cho hệ thống thử nghiệm hệ thống RTK Sai số trung phương độ lệch giá trị mực nước 17mm Như độ xác xác định độ cao từ GPS trường hợp tốt mặt Điều dao động theo phương ngang anten GPS áp lực nước tác động vào cần đo sâu theo hướng di chuyển thuyền Hình 5: So sánh mực nước tính từ hai hệ thống Để kiểm tra tính đắn phần mềm HydroTools, chúng tơi tiến hành xử lý theo hai cách sau • Cách 1: Tích hợp liệu toạ độ mặt ProMark2 liệu đo sâu từ máy MKIII Khi so sánh kết độ cao đáy sông với kết RTK sai số trung phương độ lệch độ cao khoảng 2cm xấp xỉ với độ lệch mực nước so Điều cho thấy trình tích hợp liệu HydroTools đắn • Cách 2: Tích hợp liệu toạ độ mặt ProMark2 liệu đo sâu từ máy F840 So với kết RTK, sai số trung phương độ lệch độ cao đáy 2,5dm Điều giải thích máy đo sâu F840 có độ xác Mặt khác liệu đo sâu phần mềm SeaClear ghi lại luôn chẳn đến giây, phần mềm HyPack hệ thống RTK ghi xác đến 1% giây Điều ảnh hưởng đến q trình nội suy HydroTools KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chúng trình bày hệ thống thủy đạc đơn giản, rẻ tiền đạt độ xác u cầu cho cơng tác thuỷ đạc Lợi ích khác hệ thống khơng có phần liên lạc radio hệ thống RTK nên cài đặt đơn giản không cần chọn trạm đáy nơi thuận tiện cho việc phát sóng 200 Tuy nhiên cần lưu ý hệ thống RTK lựa chọn số khơng thời gian hậu xử lý số lượng liệu lưu trữ (khi số lượng điểm đo sâu lên đến vài trăm ngàn điểm chiếm thời gian hậu xử lý không gian lưu trữ đáng kể) Mặt khác hệ thống RTK dùng khoảng cách trạm động trạm đáy lên đến vài chục km Trong hệ thống đề nghị bao gồm máy thu GPS tần số nên giới hạn khoảng cách khoảng 5km để chắn trình giải nghiệm an tồn thích hợp cho đoạn sơng ngắn hay khu vực đo nhỏ Hệ thống áp dụng Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật Biển với độ tin cậy độ xác ổn định Trong thời gian tới tiếp tục phát triển phần mềm nhằm thay hoàn toàn phần mềm SeaClear Đồng thời cải tiến nhược điểm mà SeaClear mắc phải ghi lại thời gian đo xác đến 1% giây, cho phép hiển thị đồ dạng vector thay cho bitmap, vv LỜI CẢM TẠ Chúng tơi chân thành cảm ơn Ban Giám Đốc Phòng Địa Tin Học Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng- Kỹ thuật Biển cung cấp phương tiện nhân lực để hoàn thành nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Chris Rizos: Principles and Practice of GPS Surveying, University of New South Wales (1996), Australia Department of the US Army: Hydrographic Surveying (2002), Nguyễn Ngọc Lâu, Trương Ngọc Tường, Nguyễn Tân Sơn Nguyễn Quang: Nâng cao độ xác tính hiệu trình thủy đạc kỹ thuật RTK, Hội Nghị Khoa học Trắc địa Bản đồ Quản lý Đất đai lần thứ Tổng cục Địa Hà Nội (2004), trang 94-102 Thales Navigation: ProMark2 Survey System User’s Guide for Surveying, (2002), 132pp Hướng dẫn sử dụng máy thu GPS SR20 Công ty Leica Hướng dẫn sử dụng phần mềm SeaClear Version: MMV v.1 Japan Marina Co.: Operating and Installation Intructions for Model F840 Recording Echo Sounder, 2nd ed (1995) Odom Hydrographic Systems: Echotrac MKIII Operator’s Manual V1.2, Odom Hydrographic Systems, Inc.1450 Seaboard Avenue Baton Rouge, Louisiana USA (2003), 52p 201 ... hai hệ thống: hệ thống thử nghiệm hệ thống thủy đạc RTK đại đề cập [3] Nhằm thuận tiện cho việc so sánh sau, hai anten GPS đồng trục với cần phát hồi âm bố trí gần (0,87m) Máy đo sâu dùng hệ thống. .. thủy đạc nên chúng khơng có khả đo RTK toạ độ điểm đo động có sau q trình hậu xử lý Để giảm chi phí xây dựng hệ thống, chúng tơi đề cập đến số phần mềm miễn phí khai thác để phục vụ cho thủy đạc. .. HyPack hệ thống RTK ghi xác đến 1% giây Điều ảnh hưởng đến q trình nội suy HydroTools KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chúng trình bày hệ thống thủy đạc đơn giản, rẻ tiền đạt độ xác u cầu cho cơng tác thuỷ đạc