CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Những đơn vị thường dùng trong trắc địa Trong trắc địa phải đo các đại lượng hình học như chiều dài, góc, diện tích, thể tích. và các đại lượng vật lý như gia tốc trọng trường, thời gian, các yếu tố khí tượng. Đơn vị đo dài Năm 1791Tổ chức đo lường quốc tế lấy đơn vị đo dài trong hệ SI là mét với quy định: “ Một mét là chiều dài tương ứng với 4.10-7 chiều dài kinh tuyến đi qua Pari” và chế tạo một thước chuẩn có độ dài 1m bằng thép không gỉ, có độ giãn nở rất nhỏ đặt ở Viện đo lường Pari.
Sau thế kỷ 19, độ chính xác của thước chuẩn không còn đáp ứng được yêu cầu đo lường các phần tử vô cùng nhỏ. Năm 1960 quy định lại “Một mét là chiều dài bằng 1.763,73 chiều dài của bước sóng bức xạ trong chân không của nguyên tử Kripton-86, tương đương với quỹ đạo chuyển rời của điện tử giữa hai mức năng lượng 2P10 và 5d5” 1m = 10dm = 100cm = 1000mm = 1000.000 Nm Ngoài ra một số nước còn dùng đơn vị đo dài khác: 1foot = 0,3048m, 1inch = 25,3mm và dặm và hải lý. Đơn vị đo diện tích Đơn vị đo diện tích thường dùng là m2, km2, ha 1 km2 = 106m2; 1ha = 104m2 1. Đơn vị đo góc Trong trắc địa thường dùng ba hệ đơn vị đo góc là Radian, độ và grad - Rad là độ lớn của góc được tính bằng tỷ số giữa chiều chài cung chắn bởi góc và bán kính vòng tròn.
1800 = rad - Độ là góc ở tâm đường tròn chắn một cung tròn có chiều dài bằng 1/360 chu vi hình tròn. 10 = 60’ = 3600’ - Grad là góc ở tâm đường tròn chắn một cung tròn có chiều dài bằng 1/400 chu vi hình tròn. Quan hệ giữa các đơn vị đo góc 1 góc tròn = 2 rad = 3600 = 400g 5 2. Hình dạng và kích thước quả đất 2.
Hình dạng tự nhiên Mặt ngoài của quả đất có dạng ghồ ghề, phức tạp bao gồm các đại dương và lục địa, trong đó biển đã chiếm tới 71%; còn lục địa chỉ có 29%. Các mặt thủy chuẩn quy chiếu độ cao Mực nước biển yên lặng kéo dài xuyên qua các lục địa và hải đảo tạo thành một mặt cong kín gọi là mực nước gốc. Mực nước gốc có tính chất thẳng góc với phương của dây dọi. Trong ngành Trắc địa, mực nước gốc hay còn gọi là mực thủy chuẩn được dùng làm mặt chiếu khi đo lập bản đồ và cũng được dùng làm mặt so sánh độ cao giữa các điểm trên mặt đất.
Mỗi Quốc gia đều qui ước một mặt thủy chuẩn có độ cao là 0m cho nước đó và được gọi là mặt thủy chuẩn gốc, nó được dùng làm cơ sở so sánh độ cao trên toàn bộ lãnh thổ của nước đó. Ví dụ ở Việt Nam dùng mặt thủy chuẩn gốc ở Hòn Dấu, Đồ Sơn. Độ cao của một điểm trên mặt đất là khoảng cách tính theo đường dây dọi từ điểm đó tới mặt thủy chuẩn gốc. Những điểm nằm phía trên mặt nước gốc có độ cao dương (+) ví dụ điểm A, B.
Những điểm nằm phía dưới mặt nước gốc có độ cao âm (-) .2 6 Bản đồ của Việt Nam đều dùng hệ thống độ cao lấy từ mặt thủy chuẩn gốc ở Đồ Sơn. Khi đo vẽ ở những khu vực hẻo lánh có diện tích nhỏ, chúng ta có thể dùng mặt nước gốc giả định, tức là dùng hệ thống độ cao giả định. Lúc ấy toàn bộ độ cao tính được gọi là độ cao tương đối. Mực nước giả định là mực nước song song với gốc và sẽ có độ cao chọn.
Ví dụ khi đo vẽ bản đồ một khu vực hẻo lánh, người ta có thể gán cho một điểm đặc biệt nào đó một độ cao tùy ý và từ đó mọi điểm trong công trường đều lấy độ cao từ điểm vừa cho trên. Sự phân bố vật chất trong lòng lớp đất không đồng đều và luôn thay đổi cùng với vận tốc và vị trí trục quay cũng luôn thay đổi nên hình dạng của quả đất cũng luôn thay đổi không theo một dạng toán học nào. Để tiện giải các bài toán Trắc địa, ta có thể coi như mực nước gốc có dạng bầu dục hơi dẹt ở hai cực. Mặt bầu đầu xoay được đặc trưng bằng bán kính lớn a và bán kính nhỏ b và độ dẹt .
Elipxiod quả đất Để có mặt bầu dục xoay gần giống với mặt nước gốc ở Quốc gia mình thì mỗi nước đều chọn một mặt elipxoid cục bộ. Hình Elip tròn xoay có ý nghĩa quốc tế nhất là do nhà bác học Nga Krasowski tìm ra năm 1940 với kết quả: a = 6378245m; b = 6356. Hệ tọa độ cầu và hệ độ cao Để xác định vị trí của một điểm trên bề mặt đất, trong trắc địa sử dụng 7 nhiều hệ độ cao khác nhau. Ở đây sẽ trình bày khái niệm các hệ tọa độ và độ cao thường dùng trong trắc địa thực hành.
Hệ tọa độ địa lý ( , ) Trong hệ tọa độ địa lý nhận quả đất là hình cầu, chọn tâm O của quả đất là gốc tọa độ, hai mặt phẳng tọa độ là mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng chứa kinh tuyến gốc Greenwich. Tọa độ địa lý của điểm M được xác định bởi vĩ độ của điểm M là M và kinh độ của điểm M là M , (xem hình 1. Vĩ tuyến qua G N Kinh tuyến qua G Kinh tuyến gốc G Kinh tuyến qua M (GREENWICH) M’ M W O E G' M‘’ Xích đạo S Hình 1. Tọa độ địa lý Đường tọa độ cơ bản của hệ tọa độ địa lý là kinh tuyến và vĩ tuyến.
Kinh tuyến là giao tuyến của mặt phẳng đi qua trục quay trái đất với bề mặt quả cầu trái đất. Kinh tuyến gốc là kinh tuyến đi qua đài Thiên văn Greenwich ở ngoài ô London. Vĩ tuyến là giao tuyến của mặt phẳng vuông góc với trục quay trái đất với bề mặt quả cầu trái đất. Vĩ tuyến gốc là giao tuyến của mặt phẳng vuông góc với trục quay trái đất, đi qua tâm trái đất với bề mặt quả cầu trái đất.
Vĩ tuyến gốc chính là đường xích đạo. Kinh độ địa lý M của điểm M là góc nhị diện hợp bởi mặt phẳng chứa kinh tuyến gốc với mặt phẳng chứa kinh tuyến qua điểm M. Độ kinh địa lý đánh số từ kinh tuyến gốc 00 sang đông 1800 gọi là kinh độ đông và từ kinh tuyến gốc 8 00 sang tây 1800 gọi là kinh độ tây. Vĩ độ địa lý M của điểm M là góc nhọn hợp bởi phương đường dây dọi qua điểm M với mặt phẳng xích đạo.
Vĩ độ địa lý đánh số từ xích đạo 00 lên phía Bắc 900 gọi là vĩ độ Bắc, và từ xích đạo 00 xuống phía Nam 900 gọi là vĩ độ Nam. Điểm M trên hình 1.3 được tính theo kinh độ Đông và vĩ độ Bắc. Ví dụ: Vị trí cột cờ Hà Nội có tọa độ địa lý: (21°01’57” N, 105°50’23”E). Độ kinh và độ vĩ địa lý được xác định từ kết quả đo thiên văn nên tọa độ địa lý còn được gọi là tọa độ thiên văn.
Hệ tọa độ trắc địa Hệ tọa độ trắc địa được xác lập trên Elipxoid quả đất có gốc là tâm O cùng hai mặt phẳng là mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến gốc đi qua Greenwich. Tọa độ địa lý của điểm M được xác định bởi vĩ độ của điểm M là M và kinh độ của điểm M là M , (xem hình 1. Vĩ độ trắc địa (B) của điểm M là góc nhọn tạo bởi pháp tuyến (n) của mặt Elipxoid tại điểm đó với mặt phẳng xích đạo, còn kinh độ trắc địa (L) của nó là góc nhị diện hợp bởi mặt phẳng kinh tuyến gốc và mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó. Như vậy, khác với hệ tọa độ địa lý, trong hệ tọa độ trắc địa là lấy mặt chuẩn là Elipxoid và phương chiếu là phương pháp tuyến.
Tọa độ trắc địa 9 3. Hệ độ cao Trong trắc địa sử dụng hai hệ độ cao là hệ độ cao tuyệt đối và hệ độ cao tương đối. Hệ độ cao tuyệt đối là tập hợp các điểm có độ cao tuyệt đối. Hệ độ cao tương đối là tập hợp các điểm có độ cao tương đối.
Độ cao tuyệt đối của một điểm trên mặt đất là khoảng cách tính theo đường dây dọi từ điểm đó tới mặt nước gốc.6 Độ cao HA, HB của các điểm A, B so với mặt Geoid (Hình 1.6) gọi là độ cao tuyệt đối hay là độ cao quốc gia. Hệ thống độ cao quốc gia Việt Nam lấy mực nước biển trung bình nhiều năm ở trạm nghiệm triều Hòn Dầu Đồ Sơn Hải Phòng làm độ cao gốc “0” (mặt Geoid Việt Nam). Những điểm nằm phía trên mặt nước gốc có độ cao dương(+), VD điểm A, B. Những điểm nằm phía dưới mặt nước gốc có độ cao âm (-).
Khoảng cách từ A tới mặt nước gốc là HA: đó là độ cao tuyệt đối của điểm A. Bản đồ của Việt Nam đều dùng hệ thống độ cao lấy từ mặt thủy chuẩn gốc ở Đồ Sơn. Khi đo vẽ ở những khu vực hẻo lánh có diện tích nhỏ, hoặc khu vực độc lập chúng ta có thể dùng mặt nước gốc giả định, tức là dùng hệ thống độ cao giả định. Lúc ấy toàn bộ độ cao tính được gọi là độ cao tương đối.
Độ cao tương đối của một điểm trên mặt đất là khoảng cách tính theo đường dây dọi từ điểm đó tới mặt nước gốc quy ước. Khoảng cách từ A tới mặt nước gốc quy ước là H ‘ A = 0: được gọi là độ 10 cao tương đối của điểm A. Khoảng cách từ B tới mặt nước gốc quy ước là H ‘B : được gọi là độ cao tương đối của điểm B. Chênh lệch độ cao giữa A và B là đoạn HA – HB : được gọi là hiệu độ cao giữa A và B và được ký hiệu bằng: hAB.
Hiện nay trong một số trường hợp còn sử dụng hệ độ cao cũ lấy mực nước biển trung bình tại trạm nghiệm triều Mũi Nai Hà Tiên làm điểm gốc. Độ cao Mũi Nai cao hơn độ cao Hòn Dấu khoảng 0,167m. Phép chiếu bản đồ và hệ tọa độ vuông góc Để biểu thị các yếu tố địa hình (dáng đất), địa vật (các vật thể trên mặt đất như: Sông, núi, nhà cửa.) lên mặt phẳng tờ bản đồ sao cho chính xác, ít bị biến dạng nhất ta phải sử dụng phép chiếu hình bản đồ thích hợp, gọi tắt là phép chiếu bản đồ.