Tài liệu Trắc địa đại cương hoàng xuân thàn

9 MỤC LỤC PHẦN THỨ NHẤT............................................................................................................................................. 16 CHƯƠNG I : BÀI MỞ ĐẦU.............................................................................................................................. 16 § 1.1. KHÁI NIỆM VỀ MÔN HỌC TRẮC ĐỊA.............................................................................................. 16 §1.2. VAI TRÒ CỦA TRẮC ĐỊA TRONG ĐỜI SỐNG XÃ HỘI.................................................................... 17 §1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH TRẮC ĐỊA....................................................................................... 18 CHƯƠNG II: KIẾN THỨC CHUNG VỀ TRẮC ĐỊA .................................................................................. 20 §2.1. HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC TRÁI ĐẤT ....................................................................................... 20 2.1.1. Hình dạng Trái đất và Mặt thủy chuẩn.............................................................................................. 20 2.1.2 Kích thước Trái đất ............................................................................................................................ 10 §2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CONG TRÁI ĐẤT TỚI CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA............................................. 9 2.2.1. Sai số về khoảng cách........................................................................................................................ 12 2.2.2. Sai số về độ cao ................................................................................................................................. 13 §2.3. HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ ............................................................................................................................. 14 §2.4. HỆ TỌA ĐỘ TRẮC ĐỊA THẾ GIỚI- 84 (WGS- 84) .............................................................................. 15 §2.5. BẢN ĐỒ - BÌNH ĐỒ - MẶT CẮT - TỶ LỆ BẢN ĐỒ ............................................................................ 16 2.5.1. Bản đồ................................................................................................................................................ 16 2.5.2. Bình đồ .............................................................................................................................................. 17 2.5.3. Mặt cắt địa hình................................................................................................................................. 17 4. Tỷ lệ bản đồ ............................................................................................................................................. 18 §2.6. KHÁI NIỆM VỀ CÁC PHÉP CHIẾU BẢN ĐỒ ..................................................................................... 22 2.6.1. Phép chiếu bằng ................................................................................................................................ 22 2.6.2. Phép chiếu hình nón .......................................................................................................................... 22 2.6.3. Phép chiếu hình trụ đứng .................................................................................................................. 23 2.6.4. Phép chiếu hình trụ ngang................................................................................................................. 24 2.6.5. Phép chiếu UTM................................................................................................................................ 25 §2.7. HỆ TOẠ ĐỘ GAOXƠ- KRIUGHE, HỆ TỌA ĐỘ THÔNG DỤNG VÀ HỆ TỌA ĐỘ GIẢ ĐỊNH ........ 26 2.7.1. Hệ tọa độ Gaoxơ- Kriughe ................................................................................................................ 26 2.7.2. Hệ tọa độ thông dụng ........................................................................................................................ 27 2.7.3. Hệ tọa độ giả định ............................................................................................................................. 27 §2.8. KHÁI NIỆM VỀ CHIA MẢNH VÀ ĐÁNH SỐ BẢN ĐỒ ..................................................................... 28 2.8.1. Tỷ lệ 1:1 000 000 ............................................................................................................................... 28 2.8.2. Tỷ lệ 1: 500 000................................................................................................................................. 27 2.8.3. Tỷ lệ 1: 100000.................................................................................................................................. 27 §2.9. CÁCH BIỂU THỊ ĐỊA VẬT VÀ ĐỊA HÌNH LÊN BẢN ĐỒ.................................................................. 30 1. Phương pháp kẻ vân ................................................................................................................................ 30 2. Phương pháp tô màu ............................................................................................................................... 30 3. Phương pháp đường đồng mức ............................................................................................................... 30 §2.10. CÁC ĐƠN VỊ ĐO THƯỜNG DÙNG TRONG TRẮC ĐỊA ................................................................. 32 §2.11. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS ............................................................................................. 33 1. Cấu tạo GPS ............................................................................................................................................ 33 2. Các nguyên tắc và phương pháp đo GPS ................................................................................................ 35 CHƯƠNG III: KIẾN THỨC CHUNG VỀ SAI SỐ TRONG TRẮC ĐỊA ..................................................... 64 § 3.1. KHÁI NIỆM VỀ PHÉP ĐO .................................................................................................................... 64 § 3.2. SAI SỐ TRONG PHÉP ĐO .................................................................................................................... 64 §3.3. NGUYÊN NHÂN GÂY RA SAI SỐ VÀ PHÂN LOẠI SAI SỐ.............................................................. 65 1. Nguyên nhân gây ra sai số ...................................................................................................................... 65 2. Phân loại sai số ....................................................................................................................................... 65 §3.4. ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO TRỰC TIẾP........................................................................... 67 1. Sai số trung bình...................................................................................................................................... 67 2. Sai số trung phương ................................................................................................................................ 67 3. Sai số giới hạn ......................................................................................................................................... 69 10 4. Sai số tương đối....................................................................................................................................... 69 § 3.5. ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP................................................................. 70 1. Sai số trung phương của hàm dạng tổng quát......................................................................................... 70 §3.6. TRỊ TRUNG BÌNH CỘNG VÀ SAI SỐ TRUNG PHƯƠNG CỦA TRỊ TRUNG BÌNH CỘNG............. 71 1. Sai số trung phương của trị trung bình cộng........................................................................................... 72 §3.7. SAI SỐ XÁC SUẤT NHẤT VÀ CÔNG THỨC TÍNH SAI SỐ TRUNG PHƯƠNG THEO SAI SỐ XÁC SUẤT NHẤT (CÔNG THỨC BESSEN) ......................................................................................................... 73 1. Sai số xác suất nhất ................................................................................................................................. 73 §3.8. KHÁI NIỆM VỀ PHÉP ĐO KHÔNG CÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ TRỌNG SỐ KẾT QUẢ ĐO......... 74 1. Trung bình trọng số và cách đánh giá độ chính xác theo trọng số.......................................................... 74 PHẦN THỨ HAI................................................................................................................................................. 78 CHƯƠNG IV: ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG THẲNG TRÊN MẶT ĐẤT........................................................... 78 §4.1. ĐÁNH DẤU ĐIỂM TRẮC ĐỊA TRÊN MẶT ĐẤT ............................................................................... 78 §4.2. KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG THẲNG ............................................................................. 79 1. Góc phương vị thực và độ hội tụ kinh tuyến ............................................................................................ 79 2. Góc phương vị từ và độ từ thiên .............................................................................................................. 81 3. Góc định hướng ....................................................................................................................................... 81 §4.3. ĐỊA BÀN................................................................................................................................................ 82 1. Cấu tạo .................................................................................................................................................... 82 2. Kiểm nghiệm địa bàn............................................................................................................................... 84 §4.4. ĐO GÓC PHƯƠNG VỊ TỪ BẰNG ĐỊA BÀN ....................................................................................... 85 §4.5. QUAN HỆ GIỮA GÓC ĐỊNH HƯỚNG VÀ GÓC BẰNG ..................................................................... 85 1. Tính góc bằng từ các góc định hướng ..................................................................................................... 85 2. Tính chuyền góc định hướng ................................................................................................................... 86 CHƯƠNG V: ĐO KHOẢNG CÁCH ................................................................................................................ 89 § 5.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO KHOẢNG CÁCH ................................................................................................ 89 § 5.2. ĐỊNH TUYẾN ĐƯỜNG THẲNG ......................................................................................................... 89 1. Định tuyến đường thẳng giữa hai điểm ngắm thông nhau ...................................................................... 89 2. Định tuyến đường thẳng giữa hai điểm không ngắm thông nhau............................................................ 90 § 5.3. ĐO TRỰC TIẾP KHOẢNG CÁCH BẰNG THƯỚC THÉP .................................................................. 92 1. Dụng cụ đo trực tiếp khoảng cách........................................................................................................... 92 2. Đo khoảng cách bằng thước thép với độ chính xác 1/ 2.000................................................................... 93 3. Đo khoảng cách bằng thước thép với độ chính xác 1/20.000.................................................................. 96 4. Sai số khi đo khoảng cách bằng thước thép ............................................................................................ 97 § 5.4. ĐO KHOẢNG CÁCH GIÁN TIẾP ....................................................................................................... 99 1. Đo khoảng cách bằng máy quang học và mia ngang. ............................................................................. 99 2. Đo khoảng cách bằng máy quang học kết hợp với thước thép .............................................................. 160 3. Đo khoảng cách bằng máy quang học có dây thị cự và mia ................................................................. 160 4. Đo khoảng cách bằng máy đo xa điện tử............................................................................................... 163 CHƯƠNG VI: MÁY THỦY BÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO CAO HÌNH HỌC...................................... 166 § 6.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO CAO..................................................................................................... 166 1. Đo cao hình học..................................................................................................................................... 166 2. Đo cao lượng giác ................................................................................................................................. 166 3. Đo cao vật lý.......................................................................................................................................... 166 4. Đo cao cơ học........................................................................................................................................ 166 5. Đo cao bằng chụp ảnh lập thể............................................................................................................... 167 6. Đo cao bằng hệ định vị toàn cầu GPS: ................................................................................................. 167 § 6.2. NGUYÊN LÝ ĐO CAO HÌNH HỌC................................................................................................... 167 1. Đo cao từ giữa....................................................................................................................................... 167 2. Đo cao phía trước.................................................................................................................................. 168 § 6.3. PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY THỦY BÌNH ............................................................................... 169 1. Ống kính ................................................................................................................................................ 169 2. Ống thủy ................................................................................................................................................ 172 3. Bệ máy ................................................................................................................................................... 174 4. Chân máy............................................................................................................................................... 174 11 § 6.4. MIA THỦY CHUẨN VÀ ĐẾ MIA...................................................................................................... 175 1. Mia thủy chuẩn. ..................................................................................................................................... 175 2. Đế mia ................................................................................................................................................... 176 § 6.5. CÁC THAO TÁC CƠ BẢN KHI SỬ DỤNG MÁY THỦY BÌNH....................................................... 176 1. Đặt máy ................................................................................................................................................. 176 2. Cân bằng máy........................................................................................................................................ 176 3. Ngắm và đọc số trên mia ....................................................................................................................... 177 § 6.6. KIỂM NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH MÁY THỦY BÌNH CÓ ĐỘ CHÍNH XÁC TRUNG BÌNH........ 178 1. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh sai lệch của ống thủy dài........................................................................... 178 2. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh sai lệch trục ngắm ..................................................................................... 179 3. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh lưới chữ thập ............................................................................................. 180 4. Kiểm nghiệm độ nhạy của bộ phận tự cân bằng.................................................................................... 181 § 6.7. ĐO CAO HÌNH HỌC GIỮA HAI ĐIỂM CÁCH XA NHAU ............................................................. 181 § 6.8. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CONG TRÁI ĐẤT VÀ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG TRONG ĐO THUỶ CHUẨN ........................................................................................................................................................................ 183 § 6.9. PHƯƠNG PHÁP ĐO THUỶ CHUẨN HẠNG III VÀ IV ................................................................... 185 1. Các quy định chung ............................................................................................................................... 186 2. Nội dung công tác tại một trạm đo thuỷ chuẩn hạng III và IV .............................................................. 187 3. Sổ đo thuỷ chuẩn hạng III và IV ............................................................................................................ 189 4. Đánh giá kết quả đường đo thuỷ chuẩn................................................................................................. 191 5. Bình sai đường đo thuỷ chuẩn ............................................................................................................... 192 § 6.10. SAI SỐ KHI ĐO THUỶ CHUẨN VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC ................................................... 194 1. Sai số do máy có trục ngắm không song song với trục ống thuỷ dài ..................................................... 195 2. Sai số do mia ......................................................................................................................................... 195 3. Sai số do người đo ................................................................................................................................. 195 4. Sai số do môi trường đo......................................................................................................................... 196 § 6.11. THUỶ CHUẨN KỸ THUẬT............................................................................................................. 197 § 6.12. BẢO QUẢN MÁY VÀ DỤNG CỤ TRẮC ĐỊA ................................................................................ 198 1. Bảo quản máy trắc địa........................................................................................................................... 198 2. Bảo quản thước thép và mia .................................................................................................................. 199 § 6.13. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY THUỶ BÌNH............................................................................. 199 1. Máy thuỷ bình Ni- 030 ........................................................................................................................... 199 2. Máy thuỷ bình Ni- 025 ........................................................................................................................... 200 CHƯƠNG VII: MÁY KINH VĨ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO GÓC ................................................................ 204 § 7.1. NGUYÊN LÝ ĐO GÓC....................................................................................................................... 204 1. Nguyên lý đo góc bằng .......................................................................................................................... 204 2. Nguyên lý đo góc đứng ......................................................................................................................... 204 § 7.2. PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY KINH VĨ ...................................................................................... 205 1. Phân loại ............................................................................................................................................... 205 2. Cấu tạo máy kinh vĩ............................................................................................................................... 206 § 7.3. CẤU TẠO BÀN ĐỘ VÀ BỘ PHẬN ĐỌC SỐ .................................................................................... 208 1. Cấu tạo bàn độ ...................................................................................................................................... 208 § 7.4. CÁC THAO TÁC CƠ BẢN TRÊN MÁY KINH VĨ. ........................................................................... 211 1. Đặt máy ................................................................................................................................................ 211 2. Định tâm máy ........................................................................................................................................ 211 § 7.5. KIỂM NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH MÁY KINH VĨ .......................................................................... 213 1. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh ống thuỷ dài trên bàn độ ngang ................................................................ 214 2. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh sai số trục ngắm (sai số 2C)...................................................................... 214 3. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh sai số chỉ tiêu của bàn độ đứng (MOV hoặc MOZ) .................................... 217 4. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh sai lệch của lưới chữ thập ......................................................................... 222 5. Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh quan hệ giữa trục quay thẳng đứng ZZ’ và trục đỡ ngang PP’ ................ 222 § 7.6. PHƯƠNG PHÁP ĐO GÓC BẰNG....................................................................................................... 223 1. Phương pháp đo đơn giản ..................................................................................................................... 223 2. Phương pháp đo toàn vòng.................................................................................................................... 225 § 7.7. SAI SỐ KHI ĐO GÓC BẰNG VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC........................................................... 227 1. Sai số do máy......................................................................................................................................... 227 2. Sai số do người đo ................................................................................................................................. 228 3. Sai số do môi trường đo......................................................................................................................... 229 12 § 7.8. PHƯƠNG PHÁP ĐO GÓC ĐỨNG VÀ NGUYÊN LÝ........................................................................ 229 ĐO CAO LƯỢNG GIÁC. .............................................................................................................................. 229 1. Phương pháp đo góc đứng .................................................................................................................... 229 2. Nguyên lý đo cao lượng giác ................................................................................................................. 230 § 7.9. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY KINH VĨ..................................................................................... 233 3. Máy kinh vĩ quang học 4T30P ............................................................................................................... 233 2. Máy kinh vĩ điện tử Leica T-100............................................................................................................ 234 PHẦN THỨ BA: ............................................................................................................................................... 240 CHƯƠNG VIII: ĐO VẼ BÌNH ĐỒ TỶ LỆ LỚN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOÀN ĐẠC ......................... 240 § 8.1. CÔNG DỤNG CỦA BÌNH ĐỒ TỶ LỆ LỚN VÀ KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TOÀN ĐẠC .... 240 1. Công dụng của bản đồ tỷ lệ 1:2000 , 1: 1000 và 1: 500........................................................................ 240 2. Khái niệm về phương pháp toàn đạc ..................................................................................................... 240 § 8.2. KHÁI NIỆM VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG ........................................................................... 242 1. Lưới tam giác nhà nước......................................................................................................................... 243 2. Lưới khống chế toạ độ khu vực.............................................................................................................. 244 3. Lưới khống chế đo vẽ............................................................................................................................. 245 § 8.3. HAI BÀI TOÁN CƠ BẢN TRONG TRẮC ĐỊA................................................................................... 246 1. Bài toán thuận ....................................................................................................................................... 246 2. Bài toán nghịch...................................................................................................................................... 247 ΔX⇄ΔY .............................................................................................................................................................. 248 § 8.4. PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP ĐƯỜNG CHUYỀN KINH VĨ ........................................................... 250 1. Khái niệm về đường chuyền kinh vĩ....................................................................................................... 250 2. Phân loại ............................................................................................................................................... 251 3. Thành lập đường chuyền kinh vĩ............................................................................................................ 252 § 8.5. LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ ĐỘ CAO ĐO VẼ ........................................................................................ 260 § 8.6. ĐƯỜNG CHUYỀN THỊ CỰ ................................................................................................................ 261 1. Khái niệm .............................................................................................................................................. 261 2. Trình tự bố trí và đo đường chuyền thị cự............................................................................................. 262 § 8.6. KẺ LƯỚI TỌA ĐỘ VÀ TRIỂN ĐIỂM KHỐNG CHẾ ......................................................................... 262 1. Kẻ lưới tọa độ ........................................................................................................................................ 263 2. Xác định tọa độ lưới ô vuông và triển điểm khống chế lên bản vẽ ........................................................ 264 3. Chấm điểm đường chuyền thị cự lên bản vẽ.......................................................................................... 265 § 8.7. ĐO VẼ ĐỊA HÌNH................................................................................................................................ 266 1 Điểm chi tiết và cách chọn điểm chi tiết................................................................................................. 266 2. Trình tự thao tác đo vẽ tại 1 trạm đo chi tiết. ........................................................................................ 267 § 8.8. PHƯƠNG PHÁP BIỂU THỊ ĐỊA VẬT VÀ ĐỊA HÌNH ....................................................................... 270 1. Biểu thị địa vật: ..................................................................................................................................... 270 2. Biểu thị địa hình: ................................................................................................................................... 272 §8.9. TÓM TẮT TRÌNH TỰ ĐO VẼ BẢN ĐỒ THEO PHƯƠNG PHÁP TOÀN ĐẠC ................................. 207 1. Công tác chuẩn bị.................................................................................................................................. 207 2. Lập lưới khống chế mặt bằng ................................................................................................................ 208 3. Lập lưới khống chế độ cao .................................................................................................................... 208 4. Đo vẽ chi tiết.......................................................................................................................................... 208 5. Tu sửa, hoàn chỉnh bản vẽ..................................................................................................................... 208 6. Giao nộp tài liệu.................................................................................................................................... 208 THUYếT MINH BÁO CÁO, BảN Vẽ, Số LIệU ĐO VÀ TÍNH....................................................................................... 208 § 8.10. KHÁI NIỆM VỀ BẢN ĐỒ SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ SỐ ............................ 208 1 Khái niệm ............................................................................................................................................... 208 2 Các phương pháp thành lập số liệu ban đầu.......................................................................................... 209 § 8.11. QUY TRÌNH SỐ HOÁ VÀ BIÊN TẬP - BẢN ĐỒ SỐ....................................................................... 211 1. Sơ đồ tổng quát...................................................................................................................................... 211 2. Thiết kế chung........................................................................................................................................ 211 3. Nắn bản đồ ............................................................................................................................................ 214 4. Véc tơ hoá đối tượng ............................................................................................................................. 214 5. Hoàn thiện và chuẩn hoá dữ liệu........................................................................................................... 214 6. Biên tập và trình bày bản đồ ................................................................................................................. 215 13 7. Lưu trữ dữ liệu và in bản đồ.................................................................................................................. 215 PHẦN THỨ TƯ ................................................................................................................................................ 216 CHƯƠNG IX: ĐO VẼ MẶT CẮT ĐỊA HÌNH............................................................................................... 216 § 9.1.MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG ĐO VẼ MẶT CẮT ĐỊA HÌNH ............................................................... 216 § 9.2. XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG TIM CÔNG TRÌNH, ĐÓNG CỌC CHÍNH VÀ CỌC PHỤ............................... 216 1. Xác định đường tim công trình .............................................................................................................. 216 2. Đóng cọc chính và cọc phụ.................................................................................................................... 217 § 9.3. ĐO VÀ TÍNH ĐỘ CAO ĐẦU CỌC...................................................................................................... 218 1.Bố trí các mốc khống chế độ cao dọc tuyến ........................................................................................... 218 2.Đo và tính độ cao đầu cọc ...................................................................................................................... 218 § 9.4. VẼ MẶT CẮT DỌC ............................................................................................................................. 220 § 9.5.ĐO VẼ MẶT CẮT NGANG.................................................................................................................. 221 1.Xác định hướng của mặt cắt ngang ........................................................................................................ 221 2.Đo mặt cắt ngang ................................................................................................................................... 219 3.Vẽ mặt cắt ngang .................................................................................................................................... 223 CHƯƠNG X: ĐO VẼ DÒNG SÔNG .............................................................................................................. 224 § 10.1. ĐO VẼ MẶT CẮT NGANG SÔNG .................................................................................................. 224 1. Xác định vị trí mặt cắt ngoài thực địa .................................................................................................. 224 2. Đo độ cao các điểm đáy sông ............................................................................................................... 224 3. Đo khoảng cách giữa các điểm đo sâu ................................................................................................. 226 4. Vẽ mặt cắt ngang sông.......................................................................................................................... 227 § 10.2. ĐO VẼ ĐỊA HÌNH ĐÁY SÔNG ........................................................................................................ 228 1. Lưới khống chế mặt bằng ..................................................................................................................... 228 2. Lưới khống chế độ cao ......................................................................................................................... 228 3. Đo vẽ chi tiết địa hình đáy sông ........................................................................................................... 230 § 10.3. KHẢO SÁT LÒNG SÔNG BẰNG MÁY HỒI ÂM (ECHO SOUNDER) ......................................... 231 § 10.4. GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÁY HỒI ÂM (ECHO SOUNDER – ECHOLOCATION )........................ 233 § 10.5. BỐ TRÍ CỘT ĐO MỰC NƯỚC ( CỘT THỦY CHÍ )......................................................................... 235 § 10.6. XÁC ĐỊNH “ĐƯỜNG MẶT NƯỚC” VÀ “ĐỘ DỐC MẶT NƯỚC”................................................ 233 § 10.7. QUAN TRẮC VẾT LŨ ..................................................................................................................... 233 CHƯƠNG XI: SỬ DỤNG BẢN ĐỒ VÀ MẶT CẮT ĐỊA HÌNH .................................................................. 235 § 11.1. KHUNG VÀ CÁC KÍ HIỆU TRÊN BẢN ĐỒ ................................................................................... 235 1. Kí hiệu khung bản đồ............................................................................................................................. 235 2. Kí hiệu nội dung bản đồ ........................................................................................................................ 236 § 11.2. ĐỊNH HƯỚNG BẢN ĐỒ Ở THỰC ĐỊA ........................................................................................... 236 1. Định hướng bản đồ theo địa vật ............................................................................................................ 236 2. Định hướng bản đồ bằng địa bàn.......................................................................................................... 237 § 11.3. SỬ DỤNG BẢN ĐỒ TRONG PHÒNG ............................................................................................. 237 1. Xác định chiều dài một đoạn thẳng trên bản đồ .............................................................................. 237 2. Xác định độ dài một đường cong trên bản đồ ....................................................................................... 238 3. Xác định tọa độ các điểm trên bản đồ ................................................................................................... 238 3. Xác định độ cao của điểm trên bản đồ .................................................................................................. 239 4. Xác định độ dốc của đoạn thẳng trên bản đồ ........................................................................................ 239 5. Xác định tuyến đường có độ dốc cho trước trên bản đồ........................................................................ 238 6. Xác định biên giới lưu vực của sông, suối............................................................................................. 238 7. Xác định giao tuyến giữa mái đập và mặt đất tự nhiên trên bản đồ...................................................... 237 8. Vẽ mặt cắt địa hình theo một hướng cho trước trên bản đồ .................................................................. 239 9. Tính diện tích trên bản đồ...................................................................................................................... 240 10. Xác định phạm vi ngập và dung tích của hồ chứa............................................................................... 256 11. Vẽ đường đặc tính của hồ chứa ........................................................................................................... 257 12. Tính khối lượng đào đắp kênh mương, san lấp nền............................................................................. 258 § 11.4. VẼ LẠI BẢN ĐỒ............................................................................................................................... 261 CHƯƠNG XII: BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH ........................................................................................................ 265 § 12.1. KHÁI NIỆM VỀ BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH.......................................................................................... 265 14 1. Bố trí cơ bản.......................................................................................................................................... 266 2. Bố trí chi tiết công trình. ....................................................................................................................... 266 3. Bố trí công nghệ. ................................................................................................................................... 266 § 12.2. BỐ TRÍ CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN ....................................................................................................... 266 1. Bố trí một góc theo thiết kế ra ngoài mặt đất ........................................................................................ 266 2. Bố trí chiều dài theo thiết kế ra ngoài mặt đất ...................................................................................... 267 3. Bố trí độ cao theo thiết kế ra ngoài mặt đất .......................................................................................... 268 4. Bố trí đường thẳng và mặt phẳng theo độ dốc thiết kế.......................................................................... 269 § 12.3. BỐ TRÍ MẶT BẰNG CÔNG TRÌNH RA NGOÀI MẶT ĐẤT......................................................... 271 1. Phương pháp toạ độ cực........................................................................................................................ 271 2. Phương pháp giao hội góc .................................................................................................................... 272 3. Phương pháp giao hội cạnh .................................................................................................................. 274 4. Phương pháp toạ độ vuông góc............................................................................................................. 275 § 12.4. BỐ TRÍ ĐƯỜNG CONG CÔNG TRÌNH .......................................................................................... 275 1. Bố trí các điểm chính đường cong......................................................................................................... 275 2. Bố trí điểm chi tiết đường cong ............................................................................................................. 274 § 12.5. BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ........................................................... 277 1. Bố trí góc đã biết ra mặt đất: ................................................................................................................ 277 2. Bố trí chiều dài ra mặt đất: ................................................................................................................... 277 3. Phương pháp bố trí điểm chi tiết công trình: ........................................................................................ 277 CHƯƠNG XIII: QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH ..................................................................... 280 §13.1. KHÁI NIỆM ........................................................................................................................................ 280 13.1.1. Mục đích và nhiệm vụ quan trắc biến dạng công trình .......................................................... 280 13.1.2. Phân loại biến dạng công trình, yêu cầu độ chính xác quan trắc. ................................................ 281 STT......................................................................................................................................................................... 282 13.1.3. Yêu cầu về mốc và chu kỳ quan trắc biến dạng công trình............................................................ 282 §13.2. QUAN TRẮC ĐỘ LÚN CÔNG TRÌNH.............................................................................................. 283 § 13.3. QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH................................................................. 280 13.3.1. Khái niệm về quan trắc chuyển dịch ngang công trình ................................................................. 280 13.3.2. Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình.......................................................... 280 § 13.4. QUAN TRẮC ĐỘ NGHIÊNG CÔNG TRÌNH .................................................................................. 282 13.4.1. Phương pháp dây dọi..................................................................................................................... 283 13.4.2. Phương pháp toạ độ ...................................................................................................................... 283 15 PHẦN THỨ NHẤT KIẾN THỨC CHUNG VỀ TRẮC ĐỊA CHƯƠNG I : BÀI MỞ ĐẦU § 1.1. KHÁI NIỆM VỀ MÔN HỌC TRẮC ĐỊA Trắc địa là một ngành khoa học về trái đất, có nhiệm vụ nghiên cứu, xác định hình dạng, kích thước trái đất và biểu diễn bề mặt trái đất lên bản đồ, đồng thời nghiên cứu các phương pháp trắc địa để giải quyết các nhiệm vụ khác nhau trong công tác khảo sát, quy hoạch, thiết kế, thi công, xây dựng các công trình. Cùng với sự phát triển của các ngành Khoa học kỹ thuật khác, Trắc địa cũng luôn luôn phát triển và ngày càng hiện đại hóa về công nghệ và máy móc thiết bị. Ngày nay Trắc địa đang vươn tới việc đo vẽ bản đồ các hành tinh ngoài trái đất. Tùy theo đối tượng và phương pháp nghiên cứu khác nhau trong Trắc địa được chia ra các ngành chuyên sâu: - Trắc địa cao cấp: Nghiên cứu việc đo vẽ bản đồ toàn bộ hay một khu vực rộng lớn trên mặt đất (bản đồ thế giới, một quốc gia, một châu lục…); nghiên cứu, xác định hình dạng, kích thước trái đất đồng thời nghiên cứu sự chuyển dịch của vỏ trái đất, sự biến động của thềm lục địa…. - Trắc địa địa hình: Nghiên cứu việc đo vẽ bản đồ một khu vực nhỏ trên mặt đất, ví dụ: khu vực xây dựng công trình thuỷ lợi, cầu đường, nhà cửa…Vì khu vực đo vẽ nhỏ so với toàn bộ bề mặt trái đất, nên có thể coi mặt đất là mặt phẳng, bỏ qua ảnh hưởng độ cong trái đất. Khi đó mọi công tác đo đạc, tính toán sẽ đơn giản hơn. - Trắc địa công trình: Nghiên cứu các phương pháp trắc địa và máy móc thiết bị chuyên dùng để giải quyết các yêu cầu thực tế trong công tác khảo sát, thiết kế, thi công công trình, trong kiểm tra, quan trắc biến dạng công trình. - Trắc địa ảnh: Nghiên cứu các phương pháp đo chụp ảnh hàng không, ảnh vũ trụ, ảnh mặt đất để thành lập các loại bản đồ và ứng dụng trong Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS). Ngoài ra còn có các ngành như chế tạo máy và thiết bị đo vẽ, ngành bản đồ,v.v… Trong trường Đại học Thuỷ lợi, Trắc địa đại cương là môn kỹ thuật cơ sở, được giảng dạy trước các môn chuyên ngành và sau các môn khoa học cơ bản. Môn học Trắc địa liên quan mật thiết với toán học, tin học, vật lý, hình họa và thiên văn học. Toán học và tin học giúp chúng ta có khả năng phân tích, tính toán và xử lý các số liệu đo được. Vật lý là cơ sở để chế tạo các loại máy trắc địa, kiến thức 16 vật lý giúp ta hiểu được nguyên lý của các thiết bị đo, phân tích được một số hiện tượng làm ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả đo…Hình họa giúp chúng ta có kỹ năng vẽ bản đồ và các bản vẽ mặt cắt chính xác và đúng quy phạm. Kiến thức về thiên văn học giúp ta hiểu biết về các sự chuyển động của các hành tinh để áp dụng trong công tác xác định các đại lượng gốc Trắc địa. Ngoài những kiến thức cơ bản về Trắc địa phổ thông, giáo trình này còn giới thiệu những kiến thức Trắc địa ứng dụng phục vụ xây dựng công trình thủy lợi, một số ứng dụng Trắc địa trong công tác chuyên môn tùy theo từng ngành học. §1.2. VAI TRÒ CỦA TRẮC ĐỊA TRONG ĐỜI SỐNG XÃ HỘI Trắc địa là một ngành điều tra cơ bản, cung cấp những số liệu ban đầu cho nhiều ngành xây dựng cơ bản khác như giao thông, thuỷ lợi, xây dựng, quốc phòng… Đối với các ngành kinh tế nói chung, đặc biệt ngành xây dựng cơ bản nói riêng, thì Trắc địa luôn giữ vị trí quan trọng hàng đầu. Có thể thấy rõ điều này khi nghiên cứu các giai đoạn thực hiện một công trình cụ thể. Ví dụ: Để xây dựng một hồ chứa nước, trạm bơm, trạm thủy điện, một cây cầu …người ta phải lần lượt thực hiện qua các giai đoạn sau: - Giai đoạn Quy hoạch: Ở giai đoạn này, người kỹ sư phải sử dụng các bản đồ tỷ lệ nhỏ, trên đó phải vạch ra kế hoạch khái quát nhất về xây dựng, khai thác, sử dụng các công trình cho toàn bộ khu vực rộng lớn. Những kiến thức về đo vẽ bản đồ tỷ lệ nhỏ thuộc nội dung của Trắc địa cao cấp mà giáo trình này không đề cập đến. Tuy vậy, kiến thức về sử dụng bản đồ tỷ lệ nhỏ là rất quan trọng và sẽ được trình bày tỉ mỉ trong chương XI của giáo trình này. - Giai đoạn Điều tra Khảo sát: Cần thực hiện các công tác đo vẽ cụ thể để thu thập các tài liệu địa hình như: bản đồ tỷ lệ lớn, mặt cắt địa hình… tại những nơi dự định xây dựng công trình. Người kỹ sư phải biết đề xuất các yêu cầu đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đo vẽ mặt cắt địa hình tại những nơi dự kiến đặt công trình mà trong giai đoạn quy hoạch đã vạch ra. Nội dung của vấn đề này sẽ được đề cập đến trong các chương VIII, IX, X của giáo trình này. - Giai đoạn Thiết kế: Sử dụng các tài liệu đo đạc được trong giai đoạn khảo sát để thiết kế công trình lên đó. Người kỹ sư phải có kiến thức đầy đủ về sử dụng bản đồ địa hình để tính toán, bố trí các công trình lên bản đồ một cách khoa học nhất. Những kiến thức này sẽ được trình bày trong chương XI. - Giai đoạn Thi công: Người kỹ sư cần được trang bị kiến thức về vấn đề đưa công trình từ bản vẽ thiết kế ra ngoài mặt đất (bố trí công trình) đúng vị trí, đúng độ cao, đúng kích thước đã thiết kế, để theo dõi tiến độ thi công công trình. Đó là kiến thức nằm trong chương XII . 17 - Giai đoạn Nghiệm thu, Quản lý và Khai thác công trình: Khi công trình đã xây dựng xong, người kỹ sư cần có kiến thức để kiểm tra lại kích thước, vị trí, độ cao công trình mới xây, kiến thức về đo vẽ bản đồ hoàn công. Trong quá trình quản lý và khai thác công trình cần có các kiến thức Trắc địa để theo dõi sự thay đổi về vị trí của công trình, cụ thể là kiến thức về đo xê dịch, đo lún, đo biến dạng, đo độ nghiêng, đo vết nứt trên công trình…và từ đó đánh giá sự ổn định của công trình theo thời gian. Những kiến thức này đươc trình bày trong chương XIII. Ngoài ra, Giáo trình cũng trình bày một số kiến thức Trắc địa phục vụ chuyên ngành. §1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH TRẮC ĐỊA Sự ra đời và phát triển của ngành Trắc địa gắn liền với quá trình phát triển của xã hội loài người. Trước Công nguyên, người Ai cập sinh sống ở dọc sông Nin thường phải phân chia lại đất đai sau mỗi trận lũ để xác định lại ranh giới giữa các bộ tộc, do đó người ta đã sáng tạo ra phương pháp đo, phân chia lại đất đai. Thuật ngữ “Trắc địa” theo tiếng Hy lạp cùng nghĩa với “phân chia đất đai”. Trải qua nhiều thời đại, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và nền sản xuất xã hội, ngành Trắc địa cũng ngày càng phát triển. Những phát minh ra kính viễn vọng, thước Lôgarit, lý thuyết tam giác lượng mặt cầu, phóng các tàu vệ tinh nhân tạo…đã tạo điều kiện vững chắc cho sự phát triển của khoa học Trắc địa. Trong vài thập kỷ gần đây, những thành tựu mới về khoa học kỹ thuật, về công nghệ thông tin đã làm cho Trắc địa có bước phát triển mạnh, thay đổi về chất: Khoa học Viễn thám cho phép thành lập bản đồ từ những tấm ảnh chụp từ máy bay, từ vệ tinh nhân tạo. Nhiều ngành công nghệ chính xác đã cung cấp cho Trắc địa những máy móc đo đạc có độ chính xác cao. Việc sử dụng máy tính điện tử để giải các bài toán Trắc địa có khối lượng lớn, việc xác định vị trí các điểm trên mặt đất bằng Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS, việc ứng dụng Hệ thống Thông tin Địa lý GIS cho tất cả các ngành khoa học khác…Trắc địa đã cập nhật tức thời những thành tựu mới nhất của các ngành khoa học kỹ thuật khác. Ở Việt nam, từ xa xưa cha ông ta đã biết áp dụng những hiểu biết về đo đạc vào cuộc sống, sản xuất và quốc phòng. Những công trình đê chống lũ lụt dài hàng trăm km, những thành cổ như thành ốc Cổ loa, thành nhà Mạc là những minh chứng về việc ứng dụng kiến thức Trắc địa vào công tác xây dựng và quốc phòng của ông cha ta. Đầu thế kỷ 20, Pháp đã cho tiến hành đo vẽ bản đồ toàn Đông dương nhằm mục đích khai thác tối đa vùng đất này. Việc đo đạc được tiến hành có tổ chức, áp dụng những phương pháp đo đạc khoa học và sử dụng máy trắc địa có chất lượng cao. Những số liệu địa hình, những bản đồ còn lưu trữ đã nói lên điều đó. Hiện nay, một số tài liệu và những bản đồ đo đạc từ trước 1945 vẫn còn được sử dụng trong một số ngành. 18 Trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp (1946-1954), công tác trắc địa chủ yếu phục vụ cho Quân sự: như trắc địa pháo binh, công binh, trinh sát. Sau khi cuộc kháng chiến thành công, nhà nước Việt nam dân chủ cộng hòa đã rất chú trọng đến công tác trắc địa. Cục Đo đạc Nhà nước trực thuộc Phủ thủ tướng ra đời năm 1959 đánh dấu một bước trưởng thành của ngành Trắc địa Việt nam. Hiện tại, Bộ Tài nguyên và Môi trường là cơ quan quản lý cấp nhà nước về toàn bộ các hoạt động của ngành Trắc địa. Ngoài ra, các Bộ, các ngành đều có các cơ quan chức năng quản lý công tác Trắc địa phục vụ chuyên ngành. Đội ngũ những người làm công tác Trắc địa cũng ngày càng lớn mạnh. Trước 1960, cả nước chỉ có vài chục kỹ thuật viên trình độ trung cấp trắc địa làm việc trong một số bộ ngành, tới nay đội ngũ những người làm công Trắc địa đã rất đông đảo bao gồm nhiều trình độ khác nhau: Sơ cấp, trung cấp, đại học và trên đại học. Song song với việc cử đi đào tạo ở nước ngoài, Nhà nước ta đã quyết định mở khoá đào tạo Kỹ sư Trắc địa đầu tiên tại trường Đại Bách khoa Hà nội năm 1962. Hiện nay, khoa Trắc địa trường Đại học Mỏ- Địa chất là Trung tâm đào tạo và nghiên cứu khoa học lớn nhất trong cả nước về chuyên ngành này. Câu hỏi: 1. Các môn học chuyên sâu về Trắc địa ? 2. Công tác trắc địa cần thiết cho các giai đoạn xây dựng các công trình thủy lợi ? 19 CHƯƠNG II: KIẾN THỨC CHUNG VỀ TRẮC ĐỊA §2.1. HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC TRÁI ĐẤT 2.1.1. Hình dạng Trái đất và Mặt thủy chuẩn Mặt trái đất gồ ghề lồi lõm có diện tích khoảng 510.106 Km2, bao gồm các lục địa, hải đảo chiếm 29%, và các đại dương chiếm 71% diện tích. Chỗ cao nhất là đỉnh Chô mô lung ma trong dãy Hymalaya cao 8882 mét, và chỗ thấp nhất là vịnh Marian ở Thái bình dương sâu 11032 mét. Như vậy độ chênh lệch giữa điểm cao nhất và điểm sâu nhất của vỏ trái đất xấp xỉ 20 km. Nếu đem so sánh độ chênh này với kích thước trái đất (có đường kính gần bằng 12000 km) thì tỷ lệ 20:12000 = 1: 600 cho phép ta hình dung một mô hình trái đất hình cầu có đường kính 600mm mà vết gợn lớn nhất trên bề mặt là 1 mm và như vậy có thể coi bề mặt trái đất là mặt nhẵn. Kết luận này cũng được chứng minh bằng những bức ảnh chụp trái đất từ những con tàu vũ trụ: đường chân trời là một đường cong trơn đều. Như trên đã đề cập, gần ba phần tư bề mặt trái đất là các biển cả, đại dương và qua tính toán người ta thấy rằng nếu lấy chỗ cao bù chỗ thấp để san lấp sao cho mặt trái đất thành một mặt nhẵn lý tưởng, thì mặt trái đất gần trùng với mặt nước biển trung bình của các đại dương. Từ đó nảy sinh khái niệm về mặt thủy chuẩn của trái đất và mặt thủy chuẩn được coi là mặt tiêu biểu đặc trưng cho Hình 2-1 bề mặt của trái đất. Sau đây ta nghiên cứu kỹ về mặt thủy chuẩn. a. Định nghĩa: Mặt Thủy chuẩn của trái đất là mặt nước biển bình quân khi yên tĩnh, kéo dài xuyên qua các lục địa và hải đảo tạo thành mặt cong kín. b. Tính chất của mặt thủy chuẩn Tại mọi điểm trên mặt thủy chuẩn, phương của đường pháp tuyến luôn trùng với đường dây dọi. c. Công dụng của mặt thủy chuẩn Trong trắc địa, mặt thủy chuẩn được dùng làm mặt chiếu khi đo vẽ bản đồ đồng thời cũng được dùng làm mặt chuẩn để so sánh độ cao của các điểm trên mặt đất. d. Phân loại 20 Đối với mỗi Quốc gia, theo quy ước chọn một mực nước biển làm mặt thủy chuẩn và được coi là mặt thủy chuẩn gốc (hay còn gọi là mặt thủy chuẩn đại địa); Ví dụ: Việt nam dùng mặt thuỷ chuẩn ở Hòn dấu- Đồ sơn, Trung quốc dùng mặt thủy chuẩn Bột hải, Nga dùng mặt thủy chuẩn Ban tích. Để so sánh độ cao thấp các điểm trên mặt đất người ta quy định mặt thủy chuẩn gốc có độ cao bằng 0 và đưa ra khái niệm về độ cao của các điểm trên mặt đất: Độ cao của một điểm trên mặt đất là khoảng cách theo đường dây dọi từ điểm đó tới mặt thủy chuẩn. Độ cao được ký hiệu là H và kèm theo tên điểm, thí dụ độ cao điểm A, điểm B… trên hình 2-1 được ký hiệu: HA, HB… Để phân biệt giữa các điểm nằm phía trên hay phía dưới mặt thủy chuẩn người ta quy ước: Những điểm nằm phía trên mặt thủy chuẩn có độ cao dương (HA > 0), những điểm nằm ở phía dưới có độ cao âm (HB< 0), những điểm nằm trên mặt thủy chuẩn có độ cao bằng 0 (HO= 0). Độ cao của các điểm trên mặt đất so với mặt thủy chuẩn gốc gọi là độ cao tuyệt đối. Trong một số ngành Kỹ thuật (Thuỷ lợi, Giao thông…) độ cao tuyệt đối còn gọi là “cốt”. Ví dụ: Cốt mặt đê sông Hồng ở khu vực Hà Nội là +14,5 mét; cốt mặt đất ở khu vực sân trường Đại học Thủy lợi là khoảng +5.5 mét. Bản đồ các tỷ lệ khác nhau trên lãnh thổ Việt nam đều dùng hệ thống độ cao lấy mặt thủy chuẩn Đồ sơn làm mặt thủy chuẩn gốc. Mặt thủy chuẩn giả định: Là mặt thủy chuẩn song song với mặt thủy chuẩn gốc, có độ cao tùy chọn. Ví dụ mặt thủy chuẩn qua điểm C, mặt thủy chuẩn qua điểm A (hình 2-1). Độ cao của các điểm trên mặt đất so với mặt thủy chuẩn giả định gọi là độ cao tương đối. Thí dụ: độ cao tương đối của điểm A so với điểm C là khoảng cách từ điểm A tới mặt thủy chuẩn giả định qua C theo đường dây dọi. Độ cao tương đối còn được gọi là “chênh cao” ký hiệu là hCA (hình 2-1) và được tính theo công thức: hCA = HA - HC Mặt thủy chuẩn giả định được sử dụng khi đo vẽ các công trình có quy mô nhỏ, nằm nơi hẻo lánh, xa mạng lưới độ cao Quốc gia. Ví dụ: Khi đo vẽ bình đồ một hồ chứa nước loại nhỏ ở vùng núi cao, người ta có thể gán cho một điểm cố định một độ cao tùy chọn, và lấy làm điểm gốc để xác định độ cao các điểm khác trong khu vực. 2.1.2 Kích thước Trái đất Qua nghiên cứu cấu tạo vỏ trái đất, người ta thấy rằng sự phân bố vật chất trong lòng trái đất không đồng nhất: nơi có tỷ trọng lớn (mỏ sắt, mỏ đồng…), nơi có tỷ trọng nhỏ (túi khí, mỏ dầu…). Do đó, phương của trọng lực hay còn gọi phương của đường dây dọi thay đổi theo vị trí của các điểm trên mặt đất. 10 Như vậy về hình học Mặt thủy chuẩn là một mặt cong phức tạp, không có dạng toán học chính tắc. P' a O b P Hình 2-2 Để thuận lợi cho việc giải các bài toán Trắc địa, có thể coi Mặt thủy chuẩn có dạng gần giống với mặt elipxoit, dẹt ở 2 cực (hình 2-2): Hình elipxoit này được gọi là “hình bầu dục tham khảo”, Kích thước hình bầu dục tham khảo được nhiều nhà khoa học trên thế giới đo đạc, tính toán và công bố với nhiều kết quả khác nhau (xem bảng 2-1). Ở Việt nam trước năm 2000 sử dụng số liệu của nhà bác học Craxốpxki (CHLB Nga) công bố năm 1940. Từ năm 2000 đến nay sử dụng số liệu của Hệ quy chiếu Trắc địa Thế giới năm 1984 (WGS- 84). Bảng 2-1. Tên các nhà khoa học Bán kính lớn Bán kính bé (b) Độ dẹt (a) (mét) (mét) ỏ Đề lăm 6 375 653 6 356 564 1: 344 Bê xen 6 377 397 6 356 079 1: 299 Cơ lac 6 378 249 6 356 515 1 : 293 Craxopxki 6 378 245 6 356 863 1 : 298.3 WGS-84 6 378 137 6 356 752 1 : 298.3 Độ dẹt ά của trái đất được tính theo công thức: α = a−b , vì độ dẹt ỏ rất nhỏ a nên trái đất có thể coi gần giống hình cầu. Để tiện cho việc tính toán, trong Trắc địa đại cương người ta nhận trái đất là hình cầu có bán kính trung bình R=6371 km. §2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CONG TRÁI ĐẤT TỚI CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA Bề mặt trái đất là mặt cầu, còn bản đồ lại được vẽ lên giấy phẳng, như vậy khi biểu diễn bề mặt trái đất lên tờ giấy phẳng tất nhiên sẽ bị biến dạng. Những biến 9 dạng do sự chuyển đổi đó được thể hiện dưới những sai số mà ta lần lượt xét sau đây: 2.2.1. Sai số về khoảng cách Xét 2 điểm A và B cùng nằm trên mặt thủy chuẩn. Khoảng cách giữa chúng được biểu diễn bởi chiều dài d của cung AB (hình 2-3). Đứng tại A, nếu coi mặt thủy chuẩn là mặt phẳng, tức là trên hình 2-3 biểu thị bởi tiếp tuyến AT, thì khoảng cách giữa A và B chính là chiều dài AB’ = t. Chênh lệch giữa t và d gọi là “sai số do giả thiết mặt thủy chuẩn là mặt phẳng” được ký hiệu ∆d lúc đó ta có: ∆d = t – d (2-1) Trong đó: t = R.tgθ (với θ = d R ) Vậy: ∆d = R (tgθ - θ ) Khai triển gần đúng hàm tgθ: tgθ = θ + θ3 3 + 2 5 θ + …. 15 Bỏ qua số hạng thứ 3 trở đi vì quá nhỏ và thay vào (2-1), ta có: Δd = d3 3R 2 Thay R= 6371 vào (2-2), và cho d những giá trị khác nhau, ta được các giá trị d ghi trong bảng 2-2. Hiện nay với các thiết bị đo khoảng cách hiện đại và chính xác nhất mà con người đang sử dụng có thể đạt với sai số tương đối mS 1 ≥ . S 1000000 (2-2) A t d 0 2 B B' T h 0 O Hình 2-3 Theo số liệu ở bảng 2-2 với d= 10 km thì sai số tưong đối mắc phải m Δd 1 1 có nghĩa nhỏ hơn cả S mà chúng ta có thể đạt được. Do = < d 1220000 1000000 S đó trong khu vực có bán kính ≤ 10 km có thể coi mặt thủy chuẩn là mặt phẳng và sai số do độ cong của trái đất (công thức 2-2) có thể bỏ qua. 12 Bảng 2-2 d(km) Δd (cm) Δd/d 10 0.8 1: 1.220.000 50 102 1: 49.000 100 821 1: 12.000 2.2.2. Sai số về độ cao Theo định nghĩa về độ cao thì hai điểm A và B có cùng độ cao vì chúng nằm cùng trên một mặt thủy chuẩn. Nhưng nếu giả thiết Mặt thủy chuẩn là mặt phẳng thì người quan sát tại A sẽ nhìn thấy điểm B tại vị trí điểm B’(hình 2-3). Đoạn BB’= Δh chính là sai số về độ cao khi chuyển từ mặt cầu sang mặt phẳng. Trong thực tế khoảng cách (d) giữa hai điểm A-B thường rất nhỏ so với bán kính trái đất (R), do vậy góc ở tâm ố có giá trị rất bé. Theo hình 2-3 ta có góc BAB= ố/2, do góc ố/2 rất bé nên có thể coi BB’ là cung tròn có tâm tại A, chắn góc ố/2 và bán kính AB ≈ d, lúc đó: Δh = Thay θ = d.θ 2 (2-3) d vào công thức (2-3) ta có: R d2 Δh = 2R (2-4) Như vậy sai số về độ cao Δh tỷ lệ thuận với bình phương khoảng cách d. Với R = 6371 km, giá trị của Δh trong công thức (2-4) sẽ biến đổi theo d như bảng 2-3. Bảng 2-3 d (km) Δh (mm) 0.05 0.2 0.5 1.00 20 78 2.00 314 Theo bảng 2-3, nhận thấy rằng Δh tăng nhanh khi khoảng cách tăng; hơn nữa yêu cầu về độ chính xác trong việc xác định độ cao rất cao (đến mm), do đó khi đo chênh cao phải xét tới ảnh hưởng của sai số này để đưa số hiệu chỉnh vào kết quả đo. 13 §2.3. HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ Mỗi điểm trên mặt đất đều có một vị trí riêng trong không gian, để phân biệt vị trí của chúng trong trắc địa có nhiều hệ tọa độ, sau đây sẽ giới thiệu về hệ tọa độ địa lý. Hệ tọa độ địa lý của trái đất được tạo nên bởi mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến gốc. Dưới đây là một số định nghĩa cơ bản: - Mặt phẳng kinh tuyến của trái đất là các mặt phẳng chứa trục quay của trái đất. Giao tuyến giữa mặt phẳng kinh tuyến với bề mặt trái đất được gọi là kinh tuyến. Trong vô số các kinh tuyến, kinh tuyến đi qua Đài thiên văn Grinuyt (Greenwich) ở Anh được Tổ chức Địa lý Thế giới chọn làm kinh tuyến gốc của Trái đất. P' - Mặt phẳng vĩ tuyến của trái đất là các mặt phẳng vuông góc với trục quay của trái đất. Giao tuyến giữa mặt phẳng vĩ tuyến với bề mặt trái đất được gọi là vĩ tuyến. Mặt phẳng vĩ tuyến chứa tâm trái đất gọi là mặt phẳng xích đạo và giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo với bề mặt trái đất gọi là đường xích đạo. Mỗi điểm trên mặt đất được xác định trong hệ tọa độ địa lý bởi 2 đại lượng kinh độ và vĩ độ. green kin h E tu yen w ich M O M W M MO X ich d a d ao o M1 P Hình 2-4 - Kinh độ của một điểm trên mặt đất là góc nhị diện kẹp giữa mặt phẳng kinh tuyến gốc và mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó và được ký hiệu là λ. λ biến thiên từ 0°÷ 180° xuất phát từ kinh tuyến gốc về hai phía Đông và Tây và được gọi tương ứng là kinh độ Đông và kinh độ Tây. - Vĩ độ của một điểm trên mặt đất là góc tạo bỡi mặt phẳng xích đạo với đường dây dọi đi qua điểm đó và ký hiệu là φ. φ biến thiên từ 0°÷ 90° xuất phát từ đường xích đạo về hai phía cực Bắc và cực Nam và được gọi tương ứng là vĩ độ Bắc và vĩ độ Nam. Kinh độ và vĩ độ của điểm M được biểu diễn trên hình 2-4. 14 Như vậy, kinh độ của các điểm ở bán cầu Đông của Trái đất được gọi là “kinh độ Đông” còn các điểm ở bán cầu Tây được gọi là “kinh độ Tây”, tương tự vĩ độ các điểm ở bán cầu Bắc có tên “vĩ độ Bắc”, ở phía bán cầu Nam có tên “vĩ độ Nam”. Ví dụ: Tọa độ địa lý của thành phố Hà Nội là: λ= 107° (Kinh độ Đông) ϕ= 21° (Vĩ độ Bắc) Để xác định tọa độ địa lý của các điểm trên mặt đất người ta dùng phương pháp quan trắc thiên văn (quan trắc các vì sao, mặt trời…). Hiện nay với sự phát triển của khoa học, việc xác định tọa độ địa lý của các điểm được thuận lợi và chính xác nhờ Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS (xem §2.9). §2.4. HỆ TỌA ĐỘ TRẮC ĐỊA THẾ GIỚI- 84 (WGS- 84) Đây là hệ tọa độ không gian được Cơ quan Bảo hộ Bản đồ của Mỹ (U.S Defense Mapping Agency) thiết lập năm 1984 và được sử dụng trong Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS để xác định vị trí các điểm trên mặt đất và trong không gian. Trong hệ tọa độ WGS- 84 vị trí mỗi điểm trong không gian được xác định bỡi ba đại lượng là X, Y và Z (hình 2-5). Trong hệ tọa độ WGS- 84 vị trí mỗi điểm trong không gian được xác định bỡi ba đại lượng là X, Y và Z (hình 2-5). Đây là hệ tọa độ không gian ba chiều có điểm gốc là tâm O của trái đất. Trục OZ trùng với trục quay của trái đất, trục OX là giao tuyến giữa mặt phẳng kinh tuyến gốc và mặt phẳng xích đạo, trục OYvuông góc với trục OX và nằm trên mặt phẳng xích đạo. Trên hình 2-5 biểu thị điểm M nằm trên mặt đất, điểm V là vị trí của vệ tinh trong không gian. Tọa độ giữa điểm M V và vệ tinh V được liên hệ với nhau qua Z biểu thức: r r r R M = R V − rM − V rM-V RV Trong đó: r 2 2 2 R M = (X M + YM + Z M ) RM ZM - véc tơ tọa độ điểm M O r 2 2 2 R V = (X V + YV + Z V ) - véc tơ tọa độ vệ tinh. M Grinuyt YM XV XM Y M YV X r 2 2 2 rM − V = (X M − V + YM − V + Z M −V ) - véc tơ tọa vệ tinh trong HTĐ mặt đất. Hình 2-5 Nguyên lý xác định vị trí các điểm trên mặt đất trong GPS sẽ được trình bày trong §2.9. 15 §2.5. BẢN ĐỒ - BÌNH ĐỒ - MẶT CẮT - TỶ LỆ BẢN ĐỒ 2.5.1. Bản đồ Bản đồ là hình ảnh của một khu vực rộng lớn (một huyện, tỉnh, nước hoặc cả thế giới), được thu nhỏ theo một tỷ lệ nhất định rồi biểu diễn lên giấy theo một phép chiếu nào đó có tính đến ảnh hưởng của độ cong trái đất. Để biểu thị bản đồ, đầu tiên cần phải biễu diễn bề mặt trái đất lên các mặt chiếu theo các phép chiếu có tính đến độ cong trái đất (phép chiếu hình nón, chiếu hình trụ ngang, chiếu Gao-xơ, chiếu UTM…) sau đó triển khai ra giấy phẳng. Có hai loại bản đồ: a. Bản đồ địa vật: là bản đồ chỉ thể hiện các loại địa vật mà không thể hiện độ cao thấp của mặt đất (hình 2-6a). Địa vật là những vật thể trên mặt đất do thiên nhiên hoặc con người tạo ra như sông, suối, ao hồ, nhà cửa, cầu, cống, đường giao thông, v.v…Các địa vật bao giờ cũng có hình dạng và kích thước cụ thể và được đặc trưng bởi đường bao quanh nó. Những bản đồ địa vật thường gặp là bản đồ địa giới hành chính (bản đồ địa chính), các loại bản đồ chuyên đề về nông nghiệp, lâm nghiệp, thổ nhưỡng, du lịch,vv… b. Bản đồ địa hình: là bản đồ thể hiện tất cả các địa vật và địa hình của một khu vực (hình 2-6b). Địa hình là hình dáng gồ ghề, lồi lõm của mặt đất hay còn gọi dáng đất. Bản đồ địa hình được sử dụng nhiều trong các ngành kỹ thuật như giao thông, thủy lợi, xây dựng… 105 55'00'' 21 05' 00'' 23 355 96 97 98 Nhµ hµnh chÝnh 32 30 T t t− vÊn Hình 2-6a Héi Tr−êng lín 31 Hình 2-6b 16 2.5.2. Bình đồ Bình đồ là hình ảnh của một khu vực không rộng lớn được thu nhỏ theo một tỷ lệ nhất định rồi biểu diễn lên giấy theo phép chiếu mặt bằng. Như vậy khi đo vẽ bình đồ ta nhận mặt thủy chuẩn của trái đất là mặt phẳng, do đó để có thể bỏ qua sai số về khoảng cách do ảnh hưởng của độ cong trái đất (§2.2), phạm vi đo vẽ bình đồ bị giới hạn (có bán kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 km). 2.5.3. Mặt cắt địa hình Mặt cắt địa hình là hình ảnh biểu thị giao tuyến giữa mặt đất tự nhiên với một mặt thẳng đứng (lát cắt) theo một hướng đã biết. Tùy thuộc hướng của mặt phẳng thẳng đứng (lát cắt) mà mặt cắt được chia thành hai loại: - Mặt cắt dọc (cắt dọc) khi lát cắt trùng hoặc song song với đường tim công trình. - Mặt cắt ngang (cắt ngang) khi lát cắt vuông góc với đường tim công trình. Trên hình 2-7a và 2-7b biểu thị bản vẽ mặt cắt dọc và ngang của tuyến đường. Mặt cắt dọc (hình 2-7a) được vẽ theo đường tim của con đường, mặt cắt ngang (hình 2-7b) biểu thị địa hình hai bên theo hướng vuông góc với đường tim. Hình 2-7a 17