Các vấn đề thường gặp với cấu hình hệ thống tọa độ

Bây giờ chúng ta đã trình bày những kiến ​​thức cơ bản về hệ tọa độ và các chủ đề trắc địa liên quan đến thu thập dữ liệu GIS, chúng ta có thể bắt đầu xem xét các vấn đề cấu hình phổ biến và cách chúng tự biểu hiện trong dữ liệu của bạn.

Nhưng trước tiên, chúng ta cần đề cập đến một chủ đề giáo dục cuối cùng, và nó có lẽ là chủ đề quan trọng nhất. Đó là, làm thế nào để chúng ta đạt được độ chính xác cao trong việc thu thập dữ liệu GNSS và những lưu ý trắc địa quan trọng trong quá trình đó là gì?

Trắc địa trong hiệu chỉnh sai lệch

Cách phổ biến nhất để đạt được độ chính xác cao là thông qua một quá trình được gọi là hiệu chỉnh vi phân. Trong quá trình này, sự khác biệt giữa khoảng cách đo được và khoảng cách thực giữa một vị trí đã biết (một trạm gốc) và một vệ tinh được tính toán và sau đó áp dụng cho các phép đo GNSS như một “hiệu chỉnh”. Hiệu chỉnh có thể được thực hiện ngay sau khi các phép đo được thực hiện (tức là thời gian thực) hoặc sau khi các phép đo được thu thập (tức là xử lý sau).

Nói chung, hiệu chỉnh hoạt động vì hầu hết các nguồn lỗi (ví dụ như khí quyển) là tương tự nhau trên các khu vực rộng. Hiệu chỉnh sai lệch có thể được áp dụng cho các phép đo máy thu GNSS di động để loại bỏ hầu hết các lỗi.

Khía cạnh quan trọng nhất liên quan đến trắc địa là kết quả của hiệu chỉnh vi sai phụ thuộc trực tiếp vào vị trí và hệ quy chiếu của trạm gốc được sử dụng. Có nghĩa là, nếu trạm gốc được sử dụng để hiệu chỉnh vi sai được xác định chính xác với tham chiếu ETRS89, thì các phép đo GNSS đã hiệu chỉnh cũng sẽ được tham chiếu đến ETRS89. Khía cạnh này áp dụng cho tất cả các hình thức hiệu chỉnh GNSS, bao gồm xử lý hậu kỳ, RTK, VRS, v.v.Điều quan trọng là phải luôn biết hệ quy chiếu của nguồn sửa trước khi bắt đầu dự án thu thập dữ liệu của bạn. Trong hầu hết các trường hợp, thông tin này phải có sẵn từ nhà cung cấp dịch vụ sửa lỗi. Mặc dù các chi tiết cụ thể sẽ khác nhau, nhưng khái quát chung nhất là các nguồn hiệu chỉnh cục bộ như VRS và mạng RTK cơ sở đơn sẽ sử dụng hệ quy chiếu cục bộ trong khi các nguồn hiệu chỉnh toàn cục như SBAS và Trimble RTX ™ sẽ sử dụng hệ quy chiếu toàn cục.

Nó là điển hình cho cơ sở hạ tầng của trạm gốc dịch vụ hiệu chỉnh được bảo trì bởi các nhà khảo sát hoặc các cơ quan trắc địa khác. Do đó, thông tin về vị trí tham chiếu và hệ thống tọa độ thường được cập nhật với các dữ liệu và nhận thức mới nhất. Điều này thường trái ngược với hệ thống ghi chép GIS sẽ sử dụng cùng một hệ tọa độ trong một khoảng thời gian dài hơn. Ví dụ: mặc dù phiên bản hiện thực nhất của hệ tọa độ “chuẩn” của Hoa Kỳ là NAD 1983 (2011), phần lớn các tập dữ liệu của khách hàng mà chúng tôi thấy vẫn đang sử dụng NAD 1983 cũ hơn (CORS96) hoặc thậm chí là NAD 1983 (1986) ban đầu. Trong hầu hết mọi dự án thu thập dữ liệu GNSS, các phép biến đổi dữ liệu sẽ phát huy tác dụng tại một hoặc nhiều điểm trong quy trình làm việc.

Chúng ta hãy xem xét một số thách thức cấu hình này chi tiết hơn.

Thách thức 1: Làm thế nào để tôi biết rằng những gì tôi đang so sánh dữ liệu của mình với là nguồn sự thật hợp lệ?

Khi đánh giá chất lượng (độ chính xác) của dữ liệu bạn thu thập, bạn sẽ cần biết bạn đang so sánh nó với cái gì. Mặc dù bộ thu GNSS có thể cho bạn biết nó chính xác trong vòng 1 cm, nhưng điều đó sẽ ít được sử dụng nếu bạn không thể xác nhận kết quả so với một thứ gì đó trong thế giới thực. Lý tưởng nhất là bạn sẽ có thể thu thập một số dữ liệu thử nghiệm qua “điểm chuẩn” hoặc “điểm kiểm soát” đã biết mà bạn biết vị trí chính xác trong hệ quy chiếu “chính thức”. Chúng thường được duy trì bởi các cơ quan trắc địa khu vực hoặc quốc gia.

Nếu bạn đang so sánh với dữ liệu hiện có mà bạn có, bạn sẽ muốn xác minh rằng dữ liệu hiện có trên thực tế là chính xác; biết dòng dõi của nó là quan trọng (làm thế nào và khi nào nó được thu thập hoặc số hóa, hệ tọa độ ban đầu là gì, v.v.). Không có gì lạ khi dữ liệu GIS lịch sử thiếu độ chính xác về vị trí và thay vào đó được vẽ theo cách trông đẹp ở một tỷ lệ thu phóng nhất định.

Một sự cân nhắc khác cần được thực hiện khi sử dụng dữ liệu tham khảo từ một cuộc khảo sát địa phương, thường được gọi là “hiệu chuẩn địa điểm”. Trong quy trình công việc khảo sát điển hình, dữ liệu được điều chỉnh để tối ưu hóa độ chính xác liên quan đến dự án hoặc địa điểm (vẫn có thể sử dụng định nghĩa hệ tọa độ tiêu chuẩn). Do đó, hệ quy chiếu dành riêng cho trang web và có thể không khớp chính xác với hệ quy chiếu “đã xuất bản” sẽ hợp lệ trên một vùng rộng. Hầu hết phần mềm GIS có rất hạn chế các công cụ để làm việc với các hệ tọa độ được điều chỉnh như thế này mặc dù nói chung có các đường dẫn để làm việc với các phép biến đổi tùy chỉnh có thể được cung cấp bởi người khảo sát.

Thách thức 2: Dữ liệu được thu thập tại hiện trường của tôi có vẻ chính xác, nhưng không gần nguồn sự thật của tôi. Chúng hầu như không xuất hiện trên cùng một bản đồ!

Trong trường hợp này, khi bạn đưa dữ liệu được thu thập tại hiện trường vào GIS của mình, dữ liệu đó sẽ hiển thị ở một vị trí hoàn toàn khác hoặc có thể hoàn toàn không xuất hiện. Điều này có thể xảy ra phổ biến hơn khi làm việc với các định dạng dữ liệu không mang thông tin hệ tọa độ cùng với chúng (ví dụ: xuất CSV) và thường phản ánh một số loại cấu hình sai của một trong những điều cơ bản:

• Hệ tọa độ của dữ liệu thu thập tại hiện trường và hệ tọa độ của GIS không khớp nhau. Có lẽ GIS đang mong đợi các tọa độ dự kiến ​​(hướng đông bắc, mở rộng) nhưng bạn đang cố gắng sử dụng tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ). Hơn nữa, khi làm việc với các hệ tọa độ dự phóng, việc cài đặt hệ tọa độ không chính xác (ví dụ: vùng sai) có thể gây ra vấn đề vì tọa độ sẽ không hợp lệ trong vùng mong muốn.
• Một chi tiết khác với các hệ tọa độ dự phóng là chúng phụ thuộc vào các đơn vị. Ở hầu hết các nơi trên thế giới, mét được sử dụng làm đơn vị mặc định trên các hệ tọa độ dự phóng. Nhưng ở những nơi nhất định như Hoa Kỳ, có thể có một số đơn vị có sẵn – mét, feet Mỹ và feet quốc tế.
• Các đơn vị cũng cần được xem xét cẩn thận khi làm việc với chiều cao của đối tượng hoặc các giá trị Z tọa độ. Trong hầu hết các hệ thống GIS, hệ tọa độ dọc và đơn vị được tách ra khỏi hệ tọa độ ngang và đơn vị (nghĩa là chúng có thể được đặt độc lập). Chiều cao của đối tượng có thể được lưu trữ trong cả siêu dữ liệu và hình học 3D.
• Một nguồn cấu hình sai khác có thể gây ra lỗi nghiêm trọng là biến đổi dữ liệu bị thiếu hoặc không chính xác. Ở một số khu vực nhất định trên thế giới, điều này có thể dẫn đến độ lệch> 100 m. Chúng tôi sẽ đề cập đến vấn đề này nhiều hơn trong phần tiếp theo bên dưới.

Thách thức 3: Dữ liệu được thu thập tại hiện trường của tôi có vẻ gần giống với nguồn sự thật của tôi nhưng bị thay đổi bởi một lượng không đổi (ví dụ: phần bù).

Đây có lẽ là thách thức phổ biến nhất trong các dự án thu thập dữ liệu GNSS khi tích hợp dữ liệu thu thập tại hiện trường vào một hệ thống hồ sơ GIS. Khách hàng sẽ thường xuyên báo cáo rằng dữ liệu của họ trông có vẻ bị dịch chuyển từ nửa mét đến vài mét. Nguyên nhân phổ biến nhất là biến đổi dữ liệu được định cấu hình sai – bị thiếu, không chính xác hoặc được áp dụng hai lần.

Như chúng ta đã đề cập trước đó, các phép biến đổi dữ liệu được yêu cầu bất cứ lúc nào chúng ta phải làm việc giữa các hệ quy chiếu hoặc hệ tọa độ sử dụng các mức dữ liệu khác nhau. Trong quy trình thu thập dữ liệu GNSS có độ chính xác cao điển hình, có khả năng có bốn hệ tọa độ khác nhau đang được sử dụng:

• Nguồn GIS hoặc hệ thống ghi
• Dự án thu thập dữ liệu được sử dụng trong ứng dụng hiện trường
• Nguồn hiệu chỉnh được sử dụng trong trường cho quy trình sửa lỗi thời gian thực
• Nguồn hiệu chỉnh được sử dụng trong văn phòng cho quy trình xử lý công việc sau xử lý

Cả phần mềm trường và phần mềm văn phòng nói chung sẽ cung cấp các tùy chọn cấu hình cho việc chuyển đổi dữ liệu giữa mỗi phần này theo yêu cầu của quy trình làm việc. Trong hầu hết các trường hợp, bạn sẽ muốn thực hiện một số xác thực hiện trường của cấu hình (sử dụng các điểm kiểm soát đã biết như được mô tả trước đó) trước khi bắt đầu dự án thu thập dữ liệu cấp sản xuất.

Có một số điểm tốt hơn cần lưu ý:

• Mặc dù giống nhau ở mức tham số (toán học), các phép biến đổi dữ liệu được thực hiện khác nhau trong phần mềm GIS thông thường. Ví dụ, trong phần mềm Trimble, một phép biến đổi dữ liệu (thành WGS84 toàn cầu) thường được lưu trữ với một hệ tọa độ. Ví dụ: khi bạn chọn NAD 1983 (2011), bạn cũng đang nhận được một phép chuyển đổi dữ liệu 7 tham số duy nhất giữa hệ tọa độ đó và WGS84 toàn cầu. Mặt khác, Esri tách điều này trong cả mô hình hệ tọa độ và trải nghiệm người dùng của họ – trước tiên bạn chọn hai hệ tọa độ, sau đó chọn từ danh sách các phép biến đổi dữ liệu có sẵn giữa hai hệ tọa độ đó. Trong ví dụ trên, Esri thực sự cung cấp nhiều phép biến đổi dữ liệu để làm việc giữa NAD 1983 (2011) và WGS84.
• Trong một số trường hợp, sự chuyển đổi dữ liệu có thể được cung cấp trong phần mềm một cách chặt chẽ cho các mục đích tương thích hoặc lưu giữ sổ sách. Các phép biến đổi dữ liệu này có tham số bằng không hoặc rỗng. Những loại biến đổi dữ liệu này tồn tại để cho phép một quy trình làm việc tiếp tục – nhưng nó sẽ không thực sự thay đổi hoặc biến đổi các tọa độ đang được tính toán. Một ví dụ về điều này trong phần mềm Trimble là dữ liệu NAD 1983 (Conus) trong đó các tham số biến đổi (thành WGS84 toàn cầu) đều bằng 0 nghĩa là không có phép biến đổi nào được tính toán. Điều này cũng phổ biến trong phần mềm Esri.
• Đối với một số khu vực trên thế giới, đặc biệt là những khu vực gần ranh giới mảng kiến ​​tạo, có thể không có phép biến đổi 3 hoặc 7 tham số sẵn có để chuyển đổi tọa độ giữa hệ tọa độ địa phương và WGS84 toàn cầu. Điều này có nhiều khả năng ảnh hưởng đến người dùng sử dụng dịch vụ sửa lỗi SBAS hoặc RTX ở những khu vực này.

Thách thức 4: Dữ liệu được thu thập tại hiện trường của tôi rất gần với nguồn sự thật của tôi, nhưng không nằm trong ước tính chính xác của những gì máy thu GNSS đang nói với tôi.

Trong trường hợp này, bạn đã thu thập dữ liệu tốt, ước tính độ chính xác của bạn theo thời gian thực hoặc sau khi xử lý hậu kỳ đều nằm trong khoảng vài cm, nhưng bạn vẫn cách điểm kiểm soát của mình 10 ~ 20 cm. Bạn đã xác nhận rằng bạn đang sử dụng các chuyển đổi dữ liệu tốt nhất hiện có nhưng điều này gần như bạn có thể nhận được.

Có thể có nhiều lý do khác nhau cho điều này – một số trong số đó là kết quả của các vấn đề cấu hình và những lý do khác chỉ là hạn chế. Dưới đây là những cái phổ biến nhất:

• Các phép biến đổi dữ liệu có thể bị giới hạn về độ chính xác. Thường được xuất bản bởi các cơ quan chính phủ về không gian địa lý hoặc học viện (là nguồn có thẩm quyền), các phép biến đổi dữ liệu được xác định cho một khu vực cụ thể và độ chính xác của kết quả trong khu vực đó sẽ khác nhau. Nếu bạn ở gần ranh giới của khu vực đó hơn, thì độ chính xác có thể bị giảm. Bạn có thể tham khảo nguồn có thẩm quyền của dữ liệu để ước tính độ chính xác. Nếu quy trình làm việc của bạn liên quan đến nhiều phép biến đổi dữ liệu, thì độ chính xác của dữ liệu ở cuối dòng công việc sẽ phản ánh độ chính xác của từng phép biến đổi dữ liệu được sử dụng.
• Trong hầu hết các quy trình xử lý hậu kỳ, bạn có một số quyền kiểm soát đối với vị trí tham chiếu trạm gốc nào được sử dụng – từ tệp trạm gốc hoặc từ danh sách trạm gốc Trimble . Sự khác biệt ở hai vị trí này có thể nằm trong phạm vi 5 ~ 20 cm tùy thuộc vào ngôn ngữ và điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả sau xử lý.
• Trong các khu vực hoạt động kiến ​​tạo, không có gì lạ khi các nhà cung cấp nguồn hiệu chỉnh (cho thời gian thực và xử lý hậu kỳ) sử dụng các kỷ nguyên trung gian khi cung cấp thông tin hệ quy chiếu cho mạng hoặc trạm gốc. Điều này là cần thiết để giải thích cho chuyển động kiến ​​tạo. Ví dụ: ở California, các mạng thời gian thực có thể sử dụng NAD 1983 (2011) epoch 2020.00 hoặc mới hơn và xa hơn, nó được điều chỉnh nửa năm một lần. Nếu phần mềm GIS của bạn chỉ có khả năng làm việc với các phép biến đổi dữ liệu tĩnh (ví dụ: 7 tham số), thì khả năng làm việc với dữ liệu kỷ nguyên trung gian của bạn sẽ bị hạn chế. Bất cứ khi nào kỷ nguyên đó được điều chỉnh và bạn thu thập dữ liệu mới, bạn sẽ thấy sự thay đổi ngay lập tức trong dữ liệu của mình (chuyển động của mảng Thái Bình Dương so với mảng Lục địa Hoa Kỳ theo thứ tự vài cm hàng năm). Như chúng ta đã thảo luận trong phần đầu tiên của loạt bài blog này,
• Khi sử dụng nguồn hiệu chỉnh thời gian thực, toàn cầu như Trimble RTX với hệ tọa độ cục bộ như NAD 1983 (2011), độ chính xác của quy trình làm việc có thể bị hạn chế và có thể không đáp ứng đặc điểm kỹ thuật về độ chính xác của dịch vụ hiệu chỉnh. Đây là trình điều khiển thứ hai cho việc sử dụng các phép biến đổi dữ liệu phụ thuộc thời gian trong quy trình thu thập dữ liệu – để có thể chuyển đổi chính xác giữa các dữ liệu cục bộ và toàn cục. Điều này còn phức tạp hơn nữa ở những khu vực hoạt động kiến ​​tạo hoặc ở những khu vực gần ranh giới mảng nơi có sự biến dạng của lớp vỏ. Ở đây, ngay cả các phép biến đổi dữ liệu phụ thuộc vào thời gian cũng có thể không đủ và bạn sẽ cần sử dụng mô hình biến dạng cục bộ để nhận ra đầy đủ tính chính xác của dữ liệu đã chỉnh sửa thông qua toàn bộ quy trình làm việc.