Trắc địa cơ sở Tập 1

Giáo trình Trắc địa cơ sở Tập 1 - Nguyễn Trọng San, Đào Quang Hiếu, Đinh Công Hoà - ĐH Mỏ - Địa chất

• Tác giả: Nguyễn Trọng San
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Trắc địa
• Đề tài: Trắc địa cơ sở Tập 1
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan Giáo trình Trắc địa cơ sở Tập 1 ĐH Mỏ Địa chất

Giáo trình Trắc địa cơ sở Tập 1 được biên soạn cho sinh viên ngành Trắc địa tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Nội dung phủ sóng 15 chương, từ khái niệm cơ bản đến ứng dụng thực tiễn. Các chương do các chuyên gia Nguyễn Trọng San, Đào Quang Hiếu và đồng nghiệp biên soạn trực tiếp. Cuốn sách cập nhật các công nghệ đo đạc điện tử và phần mềm xử lý số liệu mới nhất. Định dạng ngắn gọn, dễ hiểu, phù hợp với chương trình đào tạo được Bộ Giáo dục - Đào tạo phê duyệt. Mặc dù thời gian biên soạn hạn chế, tác giả đã cố gắng giảm thiểu thiếu sót và khuyến khích đóng góp phản hồi để cải tiến lần in tiếp theo. Giáo trình hướng tới việc xây dựng nền tảng vững chắc cho sinh viên, chuẩn bị cho công việc thực tiễn trong lĩnh vực đo đạc và bản đồ.

1.1. Mục tiêu đào tạo

Mục tiêu chính là trang bị cho sinh viên kiến thức nền tảng về hình dạng, kích thước và vị trí trên Trái đất. Học viên sẽ nắm vững các phương pháp đo đạc truyền thống và hiện đại. Ngoài ra, chương trình đề cao khả năng xử lý dữ liệu số và xây dựng bản đồ địa hình. Khi hoàn thành, sinh viên có thể tham gia các dự án khảo sát địa hình, địa chính và công trình xây dựng. Đánh giá dựa trên bài tập thực hành và dự án cuối kỳ.

1.2. Đối tượng sử dụng

Giáo trình hướng đến sinh viên năm thứ nhất và thứ hai của ngành Trắc địa. Ngoài ra, nó hữu ích cho giảng viên muốn có tài liệu tham khảo chuẩn. Các kỹ sư mới ra trường cũng có thể dùng để củng cố kiến thức nền tảng. Nội dung được sắp xếp logic, giúp người đọc dễ tiếp cận. Việc sử dụng đồng thời sách và phần mềm hỗ trợ tăng hiệu quả học tập.

II. Phân tích vấn đề trong Giáo trình Trắc địa cơ sở ĐH Mỏ Địa chất

Mặc dù giáo trình đã bao phủ nhiều chủ đề, một số vấn đề còn tồn tại. Đầu tiên, phần mô tả công nghệ đo điện tử chưa chi tiết đủ cho sinh viên mới. Thứ hai, các ví dụ thực tế còn hạn chế, không phản ánh đa dạng môi trường địa lý Việt Nam. Thứ ba, cấu trúc chương có đôi khi lặp lại nội dung, gây khó khăn trong việc theo dõi tiến độ học. Cuối cùng, thiếu các bài tập ứng dụng liên quan tới phần mềm GIS và xử lý số liệu lớn, làm giảm tính thực tiễn. Những vấn đề này ảnh hưởng tới khả năng tự học và chuẩn bị công việc thực tế của sinh viên.

2.1. Thiếu chi tiết công nghệ đo đạc

Các thiết bị đo điện tử như EDM và GPS chỉ được giới thiệu ở mức khái quát. Sinh viên không biết cách cấu hình, calibrate hay xử lý sai số. Điều này làm giảm hiệu quả khi thực hành trên thực địa. Thêm hướng dẫn chi tiết và hình ảnh minh họa sẽ giúp người học nắm bắt nhanh hơn.

2.2. Đa dạng môi trường địa lý chưa được khai thác

Ví dụ trong sách chủ yếu dựa trên địa hình miền Bắc. Các khu vực miền Trung và Nam có đặc thù địa hình khác nhau, gây khó khăn cho sinh viên ở các vùng đó. Cần bổ sung trường hợp thực tế và bài tập từ nhiều khu vực để tăng tính bao quát.

III. Giải pháp và phương pháp học trong Giáo trình Trắc địa cơ sở ĐH Mỏ

Để khắc phục các hạn chế, giáo trình có thể tích hợp các giải pháp cụ thể. Thứ nhất, mở rộng phần hướng dẫn công nghệ đo đạc điện tử bằng video hướng dẫn và mô phỏng phần mềm. Thứ hai, thêm các dự án thực tế liên quan tới GIS, xử lý dữ liệu lớn và bản đồ số. Thứ ba, thiết kế bài tập dạng tình huống, yêu cầu sinh viên áp dụng kiến thức vào giải quyết vấn đề thực tiễn. Cuối cùng, cập nhật phần tài liệu bổ trợ trực tuyến, cho phép truy cập tài nguyên bổ sung và trao đổi qua diễn đàn lớp học.

3.1. Tích hợp video và mô phỏng

Video ngắn minh họa cách calibrate EDM, cách cài đặt GPS và cách nhập dữ liệu vào phần mềm. Mô phỏng 3D giúp sinh viên quan sát quá trình đo mà không cần thiết bị thực tế. Các tài nguyên này có thể nhúng trong nền tảng học trực tuyến của trường.

3.2. Dự án thực tế GIS và bản đồ số

Sinh viên sẽ thực hiện dự án thu thập dữ liệu địa hình, xử lý bằng phần mềm QGIS hoặc ArcGIS, và xuất bản bản đồ số. Dự án bao gồm phân tích sai số, tạo mạng lưới tọa độ và báo cáo kết quả. Qua đó, họ rèn luyện kỹ năng phân tích và truyền đạt dữ liệu địa không gian.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của Giáo trình Trắc địa cơ sở ĐH Mỏ

Sau khi cải tiến, giáo trình Trắc địa cơ sở sẽ trở thành công cụ học tập mạnh mẽ cho sinh viên và giảng viên. Nó cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc, kết hợp với thực hành công nghệ hiện đại. Ứng dụng thực tiễn bao gồm khảo sát địa hình, lập bản đồ địa chính, hỗ trợ thiết kế công trình và quản lý tài nguyên. Khi sinh viên áp dụng kiến thức vào dự án thực tế, họ sẽ sẵn sàng gia nhập thị trường lao động với kỹ năng cao. Giáo trình còn hỗ trợ nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực địa lý và môi trường.

4.1. Đóng góp cho ngành công nghiệp

Doanh nghiệp xây dựng, khai thác mỏ và quản lý đất đai cần nhân lực chuyên môn về Trắc địa. Giáo trình cung cấp kiến thức chuẩn, giúp giảm chi phí đào tạo nội bộ. Nhân viên có khả năng sử dụng thiết bị đo hiện đại và phần mềm GIS, nâng cao độ chính xác dự án.

4.2. Hướng tới nghiên cứu và đổi mới

Sinh viên được khuyến khích thực hiện đề tài nghiên cứu về đo đạc chính xác, xử lý dữ liệu lớn và mô hình địa hình 3D. Những nghiên cứu này có thể đóng góp vào các dự án quốc gia, nâng cao chất lượng bản đồ quốc gia và hỗ trợ quyết định chính sách.

Nội dung chính

THÔNG TIN THƯ MỤC VÀ PHÂN TÍCH HỌC THUẬT: GIÁO TRÌNH TRẮC ĐỊA CƠ SỞ (TẬP 1)

Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

Giáo trình Trắc địa cơ sở - Tập 1 (ấn bản tái bản có sửa chữa, bổ sung) do Nhà xuất bản Giao thông Vận tải phát hành năm 2009 theo Quyết định xuất bản số 165/QĐ-GTVT và Đăng ký kế hoạch xuất bản số 92-2009/CXB/232-94/GTVT. Công trình do Nguyễn Trọng San chủ biên cùng Đào Quang Hiếu và Đinh Công Hoà biên soạn, với sự tham gia hiệu đính của Phan Văn Hiến.

Về vị trí trong chương trình đào tạo, tài liệu được thiết kế làm giáo trình cơ sở khối kiến thức chuyên ngành, trực tiếp phục vụ đào tạo kỹ sư các ngành Trắc địa, Bản đồ và Địa chính thuộc Khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dựa trên khung chương trình đã được Bộ Giáo dục và Đào tạo thông qua.

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc trang bị hệ thống lý thuyết về hình dạng, kích thước Trái Đất, bề mặt quy chiếu toán học và các hệ tọa độ; cung cấp nguyên lý các phép chiếu bản đồ, lý thuyết phép đo và ước lượng sai số đo đạc; đồng thời hình thành phương pháp luận về đo góc, đo khoảng cách, đo cao, làm cơ sở thành lập lưới khống chế trắc địa và đo vẽ bản đồ địa hình.

Cấu trúc tổng thể của bộ giáo trình gồm 15 chương. Tập 1 tập trung triển khai phần kiến thức đại cương, cơ sở hình học - vật lý của Trái Đất và phương pháp định hướng đường thẳng. Điểm đặc trưng trong cách tiếp cận của giáo trình là sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở toán học cổ điển với các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (hệ tọa độ HN-72 và hệ quy chiếu VN-2000), đồng thời tích hợp các công nghệ trắc địa hiện đại như máy toàn đạc điện tử, kỹ thuật định vị vệ tinh GPS và hệ thống thông tin địa lý GIS vào quy trình xử lý số liệu.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

Các chương/chủ đề chính

Toàn bộ công trình 15 chương được phân công biên soạn cụ thể: tác giả Đào Quang Hiếu biên soạn các chương 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8 và 9; tác giả Nguyễn Trọng San biên soạn các chương 6, 10, 11, 12, 13 và 15; tác giả Đinh Công Hoà biên soạn chương 14. Trong khuôn khổ nội dung Tập 1, hệ thống kiến thức tiến triển tuần tự qua các chủ đề:

• Chương 1: Những khái niệm cơ bản: Thiết lập hệ đơn vị đo chiều dài, đơn vị đo góc (Radian, Độ, Grad); mô hình hình học và vật lý của Trái Đất (Geoid, Kvazigeoid, Elipxoid); hệ tọa độ địa lý $(\varphi, \lambda)$, hệ tọa độ trắc địa $(B, L)$, hệ độ cao thường $H$; các phép chiếu bản đồ (chiếu đơn giản, Gauss-Kruger, UTM); đánh giá ảnh hưởng của độ cong Trái Đất; quy tắc phân mảnh danh pháp bản đồ địa hình; phương pháp biểu thị địa hình bằng đường bình độ và biểu thị địa vật; lý thuyết định hướng đường thẳng (góc phương vị thực $A$, góc phương vị từ $m$, độ từ thiên $\delta$, độ hội tụ kinh tuyến $\gamma$, góc định hướng $\alpha$).
• Chương 3 & Chương 5: Trình bày nguyên lý thiết bị và kỹ thuật đo ngắm, bao gồm cấu tạo địa bàn từ tính kết hợp trên máy kinh vĩ quang học để đo phương vị từ và nguyên lý phương pháp đo cao hình học bằng tia ngắm nằm ngang.
• Chương 6 & Chương 8: Phát triển mạng lưới khống chế mặt bằng, thuật toán truyền góc định hướng qua góc bằng $\beta$ để tính chuyển tọa độ phẳng $(X, Y)$ và kỹ thuật đo vẽ mặt cắt địa hình dọc, ngang.
• Chương 14: Thiết lập thuật toán giải tích làm nền tảng xây dựng phần mềm vẽ đường bình độ và mô hình hóa bề mặt địa hình số.

Logic phát triển đi từ việc xác lập hệ quy chiếu không gian toán học, lượng hóa sai số vật lý, đến kỹ thuật đo đạc đại lượng đơn lẻ, xây dựng lưới khống chế và thành lập sản phẩm bản đồ hoàn chỉnh.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng ba trụ cột lý thuyết cơ bản:

1. Mô hình hóa bề mặt Trái Đất: Phân định ranh giới giữa mặt Geoid vật lý với mặt Kvazigeoid (chuẩn hệ độ cao thường của mạng lưới độ cao nhà nước đo so với trạm nghiệm triều Hòn Dấu - Đồ Sơn) và Elipxoid thực dụng ($[V] = \min$). Cung cấp thông số ba Elipxoid tham khảo chính: Everest 1830 ($a = 6.377.296\text{ m}, \alpha = 1:300,8$), Kraxovski 1940 ($a = 6.378.245\text{ m}, \alpha = 1:298,3$) và WGS-84 ($a = 6.378.137\text{ m}, \alpha = 1:298,2$).
2. Cơ sở toán học của phép chiếu hình: Phân tích phép chiếu đẳng góc hình trụ ngang Gauss-Kruger (múi $6^\circ$, độ biến dạng chiều dài $\Delta S = d_{ab} \cdot \frac{y_m^2}{2R^2}$) và phép chiếu UTM (hình trụ cắt, tỷ lệ chiếu tại kinh tuyến trục $k = 0,9996$).
3. Lý thuyết ảnh hưởng của độ cong Trái Đất: Xác lập công thức tính sai số chiều dài $\delta S \approx \frac{d^3}{3R^2}$ (với $d < 20\text{ km}$ sai số nằm trong ngưỡng đo dài $1:1.000$); sai số độ cao $\delta h = \frac{d^2}{2R}$ ($d = 1\text{ km}$ thì $\delta h = 78\text{ mm}$); và số dư mặt cầu đối với góc bằng tam giác $\epsilon'' = \frac{F_c}{R^2} \rho''$ ($F > 200\text{ km}^2$ thì $\epsilon'' > 1''$).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Vận hành máy kinh vĩ điện tử (DT), máy đo dài điện tử (EDM), máy toàn đạc điện tử (Total Station), địa bàn; đọc thước tỷ lệ thẳng (độ chính xác $0,01a$) và thước tỷ lệ xiên (độ chính xác $0,001a$).
• Kỹ năng phân tích: Tính chuyển góc hệ số $\rho$ ($\rho^\circ = 57^\circ17'44'',8$, $\rho'' = 206.265''$); xác định góc định hướng qua công thức $\alpha_{S_n} = \alpha_{S_0} \mp \sum \beta \pm n \cdot 180^\circ$; tính chuyển tọa độ giữa các hệ quy chiếu địa lý, trắc địa và tọa độ phẳng.
• Kỹ năng thực hành nghiệp vụ: Chia mảnh, tra cứu danh pháp bản đồ địa hình theo quy chuẩn hệ HN-72 và VN-2000; nội suy và biên tập đường bình độ theo khoảng cao đều $E \ge 0,2 M_{bd} \cdot \tan\nu$ đúng Quy phạm đo vẽ bản đồ địa hình $1:500$ đến $1:5.000$; thể hiện địa vật theo ký hiệu quy ước.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm diễn dịch: xuất phát từ các định lý toán học vi tích phân, hình học cầu và quy luật vật lý trọng trường để xây dựng công thức tính toán, sau đó chuẩn hóa thành các bảng tra cứu kỹ thuật và quy trình thao tác thực địa.

Phương pháp thực hành và giải quyết bài toán tình huống được minh họa qua các dữ liệu thực tế tại Việt Nam:

• Bài toán xác định vị trí tọa độ địa lý thiên văn của Cột cờ Hà Nội ($\varphi = 21^\circ02'\text{B}, \lambda = 105^\circ50'\text{Đ}$).
• Bài toán ghi chú và dịch chuyển tọa độ giả định trong hệ Gauss của điểm Láng Trung - Hà Nội ($X = 2.325.464,246\text{ m}$, $Y = 18.505.973,362\text{ m}$, thể hiện vị trí ở múi chiếu 18 và nằm cách kinh tuyến trục $105^\circ\text{Đ}$ về phía Đông một khoảng $5.973,362\text{ m}$).
• Bài toán tính độ hội tụ kinh tuyến trên tuyến phố Khâm Thiên - Hà Nội ($\varphi = 21^\circ01'\text{B}$, khoảng cách $d = 1\text{ km}$, cho kết quả $\gamma'' \approx 12''$).
• Bài toán xác định danh pháp tờ bản đồ tỷ lệ $1:10.000$ của khu vực Trường Đại học Mỏ - Địa chất theo hệ HN-72 là Đông Ngạc-F-48-104-D-d-3.
• Thực hành nội suy đường bình độ bằng phương pháp giải tích dựa trên định lý Talet với các số liệu mẫu ($H_A = 15,6\text{ m}, H_B = 20,7\text{ m}, s_{ab} = 10\text{ cm}, E = 2\text{ m}$), làm tiền đề so sánh với phương pháp đồ giải bằng giấy can và phương pháp ước lượng bằng mắt.

Phương pháp đánh giá học tập yêu cầu tính toán độc lập số liệu sổ đo ngoại nghiệp, đánh giá sai số khép góc, sai số khép tọa độ và khả năng hoàn thành bản vẽ địa hình chuẩn xác theo quy phạm kỹ thuật. Việc tự học đòi hỏi sinh viên đối chiếu chặt chẽ giữa lý thuyết dẫn giải với các bảng số liệu định lượng (từ Bảng 1.1 đến Bảng 1.7 trong văn bản).

---

Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

Ấn bản tái bản năm 2009 thể hiện các điểm cập nhật và tích hợp chuyên môn:

• Cập nhật hệ quy chiếu quốc gia: Giáo trình trình bày song song và chỉ rõ sự chuyển đổi từ hệ quy chiếu HN-72 (sử dụng Elipxoid Kraxovski, phép chiếu Gauss-Kruger) sang Hệ quy chiếu và Tọa độ quốc gia VN-2000 (sử dụng Elipxoid WGS-84 định vị phù hợp lãnh thổ Việt Nam, phép chiếu UTM) theo các quyết định kỹ thuật của Tổng cục Địa chính.
• Tích hợp xu hướng Địa tin học (Geomatics): Nội dung cập nhật các khái niệm quản trị thông tin không gian; đưa vào phân tích các thiết bị kỹ thuật số gồm máy kinh vĩ điện tử (DT), máy đo khoảng cách điện tử (EDM), máy toàn đạc điện tử (Total Station), công nghệ định vị toàn cầu (GPS), kỹ thuật viễn thám và đo ảnh số (PRS), hệ thống thông tin địa lý (GIS) và máy in số (Plotter).
• Gắn kết thực tiễn ngành: Giáo trình phân định vai trò của công tác trắc địa qua bốn giai đoạn của một công trình xây dựng cơ bản (thủy điện, thủy lợi, cầu đường, khu dân cư):
  1. Giai đoạn quy hoạch: Lập phương án trên bản đồ địa hình tỷ lệ nhỏ.
  2. Giai đoạn khảo sát: Thành lập lưới khống chế khu vực, đo vẽ bản đồ tỷ lệ trung bình và mặt cắt địa hình.
  3. Giai đoạn thiết kế: Lập bản đồ tỷ lệ lớn và chuẩn bị phương án chuyển thiết kế ra thực địa.
  4. Giai đoạn thi công và hoàn công: Cắm mốc công trình, theo dõi kết cấu thi công hàng ngày, đo hoàn công và quan trắc biến dạng (đo lún nền móng, độ dịch chuyển mặt bằng, độ nghiêng).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

• Sinh viên chuyên ngành: Tài liệu phục vụ trực tiếp sinh viên đào tạo kỹ sư các ngành Trắc địa, Bản đồ, Địa chính thuộc Khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất trong giai đoạn học tập các môn cơ sở ngành (năm thứ hai). Giáo trình cũng là tài liệu giảng dạy cho sinh viên các ngành kỹ thuật liên quan như Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Cầu đường, Thủy lợi, Địa chất công trình và Quản lý Đất đai.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Sinh viên cần hoàn thành các học phần Toán học cao cấp (phép tính vi tích phân, chuỗi số lượng giác, đại số tuyến tính phục vụ giải hệ phương trình sai số), Vật lý đại cương (quang học, vật lý khí quyển và trường trọng lực) và Tin học đại cương.
• Giảng viên: Sử dụng tài liệu làm khung bài giảng chuẩn cho môn Trắc địa cơ sở, biên soạn bài tập lớn tính toán bình sai và hướng dẫn các đợt thực tập trắc địa ngoài hiện trường.
• Cán bộ kỹ thuật và tự học: Kỹ sư khảo sát, cán bộ quản lý đất đai tại các sở, phòng tài nguyên môi trường hoặc ban quản lý dự án công trình sử dụng để tra cứu quy chuẩn phân mảnh danh pháp bản đồ, công thức tính chuyển tọa độ phẳng và quy cách biểu thị ký hiệu địa vật.

---

Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

1. Giáo trình này phù hợp với ai?
Tài liệu được biên soạn phục vụ sinh viên kỹ thuật ngành Trắc địa, Bản đồ, Địa chính; sinh viên khối ngành Xây dựng, Giao thông, Thủy lợi; giảng viên chuyên ngành trắc địa và kỹ sư làm công tác đo đạc khảo sát hiện trường.

2. Cần trang bị kiến thức nền nào trước khi tiếp cận giáo trình?
Người học cần nắm vững toán học giải tích (khai triển chuỗi Taylor, phép nội suy hàm lượng giác cho góc nhỏ), quang hình học, các nguyên lý cơ bản của cơ học vật lý và kiến thức cơ sở về bản đồ học.

3. Điểm khác biệt căn bản giữa ấn bản này với các giáo trình trắc địa giai đoạn trước là gì?
Ấn bản chuẩn hóa hệ thống danh pháp và hệ quy chiếu theo Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 (dựa trên Elipxoid WGS-84 và phép chiếu UTM), cập nhật thiết bị đo đạc điện tử hiện đại và bổ sung cơ sở thuật toán xử lý bản đồ số ở chương 14.

4. Làm thế nào để tự học giáo trình đạt hiệu quả cao?
Cần kết hợp việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết toán học với việc giải các bài toán thực hành mẫu; kiểm tra độc lập các công thức tính truyền góc định hướng và tra cứu đối chiếu trực tiếp với các bảng tiêu chuẩn quy phạm (như Bảng 1.7 về khoảng cao đều $E$).

5. Những tài liệu bổ trợ nào được trích dẫn trong giáo trình?
Tài liệu dẫn chiếu trực tiếp đến giáo trình Bản đồ học, Trắc địa lý thuyết, Trắc địa cao cấp, cùng hai văn bản quy chuẩn ngành của Tổng cục Địa chính là Quy phạm thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 đến 1:5.000 và Ký hiệu bản đồ địa hình.

---

Kết luận (150 từ)

Giáo trình Trắc địa cơ sở - Tập 1 cung cấp hệ thống lý thuyết chuẩn mực về khoa học trắc địa, làm rõ mối quan hệ giữa các mô hình Trái Đất vật lý - toán học với kỹ thuật biểu thị bề mặt địa hình lên bản đồ.

Lộ trình học tập khoa học được định hình theo tiến trình: nắm vững các mặt quy chiếu và hệ tọa độ $\rightarrow$ làm chủ lý thuyết sai số và nguyên lý vận hành thiết bị $\rightarrow$ xử lý số liệu lưới khống chế $\rightarrow$ ứng dụng công nghệ số và phần mềm thành lập bản đồ địa hình.

Để mở rộng kiến thức, người học cần kết hợp nghiên cứu Tập 2 của bộ giáo trình, tra cứu các bảng tọa độ góc khung chuyên ngành và tham khảo các tài liệu chuyên sâu gồm giáo trình Trắc địa cao cấp, Trắc địa công trình cùng hệ thống quy chuẩn kỹ thuật đo đạc bản đồ hiện hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 NHŨNG KHÁI NIỆM cơ BẢN 1. CÁC ĐƠN VỊ ĐO DÙNG TRONG TRẮC ĐỊA Trong trắc địa thường phải đo các đại lượng hình học như chiều dài, góc bằng, góc đứng,. và các đại lượng vật lý như gia tốc trọng trường, thời gian, các yếu tô' khí tượng v. Trong mục này ta tìm hiểu về các đơn vị đo góc và đo chiều dài.

Đơn vị đo chiều dài Năm 1791 Tổ chức đo lường quốc tế lấy đơn vị đo chiều dài trong hệ SI là mét với quy định: "Một mét là chiêu dài ứng với 4.Ỉ0'7 chiều dài của kinh tuyến đi qua Paris" và chê' tạo một thước chuẩn có độ dài Im bằng thép không gỉ, có độ dãn nở rất nhỏ đặt ở Viện đo lường Paris. Từ sau thế kỷ 19, độ chính xác của thước chuẩn không còn đáp ứng được yêu cẩu đo lường các phần tử vô cùng nhỏ, vì thế năm 1960 đã quy định lại đơn vị đo dài. "Một mét là chiều dài bằng ỉ .763,73 chiều dài của bước sóng bức xạ trong chân không của nguyên tử Kripton-86, tương đương với quỹ đạo chuyển dời của điện tử giữa hai mức năng lượng 2P/1) và 5d5". Đơn vị đo diện tích thường dùng là Mét vuông (m2), Kilomét vuông (km2) và Hecta (ha), lkm2 = 106m2, lha= 104m2.

Ngoài ra một sô' nước còn dùng đơn vị đo dài của Anh: líoot = 0,3048m, 1 inch = 25,3mm, và dặm, hải lý. Đơn vị đo góc Trong trắc địa thường dùng ba hệ đơn vị đo góc là Radian, độ và grad 1. Radian, ký hiệu là rad, là một góc phẳng có đỉnh trùng với tâm của một vòng tròn và chắn một cung trên đường tròn với chiều dài cung tròn đúng bằng bán kính của đường tròn đó. Độ lớn của một góc bất kỳ sẽ bằng tỷ sô' giữa độ dài cung chắn bởi góc và bán kính vòng tròn.

9 Ví dụ: Có góc A = 1/R = l,2435rad Góc tròn là góc ở tâm đường tròn chắn cung tròn có chiều dài đúng bằng chu vi hình tròn. Chu vi hình tròn có chiều dài là 2nR nên góc tròn có độ lớn là 2ti rad. Radian là đơn vị đo góc được dùng trong tính toán, đặc biệt là khi sử dụng các phép nội suy giá trị các hàm sô' lượng giác. Độ, ký hiệu là (*’), đó là góc ở tâm đường tròn chắn một cung tròn có chiều dài bằng 1/360 chu vi hình tròn.

Một độ chia thành 60 phút, một phút chia thành 60 giây, ký hiệu tương ứng là C) và ("), 1° = 60' = 3600". Góc được viết như sau: B = 123"35'53". Grad, ký hiệu là gr, đó là góc ở lâm chắn một cung tròn có độ dài bằng 1/400 chu vi đường tròn. Grad còn được gọi là Gon, ký hiệu là g.

Một grad chia thành 100 phút grad (miligrad), một phút grad chia thành 100 giây grad (decimiligrad), ký hiệu tương ứng làc cc. Ví dụ: Góc c= 172er21c37cc = 172,2137gr= 172,2137«. Một góc tròn có 400gr = 40. Quan hệ giữa các đơn vị Từ định nghĩa ba loại đơn vị đo góc, ta có quan hệ: 1 góc tròn = 27Trdd = 360° = 400gr Từ đó suy ra các quan hệ để chuyển đổi các đơn vị đo góc khi tính toán: 2nrad = 360°-> arad = a°.

180/n Đật các hệ số: p° = 180°/7T = 57°17'44",8 / / \ p'= (180° X 60)/7t = 3438' / p" = (180° X 60 X 60)/71 = 206265" 1 Ị Suy ra công thức chuyển đổi giữa độ và radian: \ / a° = p° .1 Tương tự có thể suy ra các công thức chuyển đổi giữa radian và grad thông qua hệ số chuyển đổi: 10 p° = 400/271 = 63. pc= 6366,20c, p“ = 636620“ Trong các bài toán kỹ thuật, khi tính toán giá trị các hàm số lượng giác của các góc nhỏ có thể dùng các quan hệ tương đương, nghĩa là chỉ lấy sô' hạng bậc nhất trong công thức triển khai hàm số lượng giác thành chuỗi số: sin8 = 8 + e3 / 3! 4- s5 / 5! +. « 8 Tức là giá trị góc nhỏ tính bằng giây được lấy bằng giá trị góc tính bằng radian: 1" « sinl » 1 rad/206265 = 0. Ví dụ: Có một góc nhỏ ơ = 15" chắn một cung tròn có bán kính R = lOOOm, ta dễ dàng suy ra chiều dài cung tròn chắn bời góc dó: c = R.

KHÁI NIỆM VỂ HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC CỦA TRÁI ĐẤT VÀ CÁC MẶT CHƯẨN QUY CHIẾƯ TỌA ĐỘ 1. Hình dạng tự nhiên của trái đất Mặt đất là mặt cầu phức lạp, có diện tích khoảng 510575.103km2, trong đó đại dương chiếm 71,8% và lục địa chiếm 28,2%. Độ cao trung bình của lục địa so với mực nước đại dương khoảng +875m, còn độ sâu trung bình của đáy đại dương khoảng - 3800m. Chênh lệch độ cao giữa điểm cao nhất (đỉnh núi Chomoluma 8882m) và điểm sâu nhất (hố Marian -11032m) của vỏ trái đất khoảng 20km.

Bán kính trung bình của trái đất là 637 Ikm. Với số liệu trên đây ta có thể hình dung hành linh thu nhỏ của chúng ta như một quả cầu nước có bán kính 3m mà vết gợn lớn nhất trên bề mặt là lem (bằng 1/300 bán kính). Các mặt chuẩn quy chiếu 7. Mặt thuỷ chuẩn quả đất và mặt thuỷ chuẩn gốc Mặt nước đại dương trung bình ở trạng thái yên tĩnh (không bị ảnh hưởng của chê' độ gió và thuỷ triều.) trải dài xuyên qua lục địa, hải đảo tạo thành một mặt cong khép kín được gọi là "mặt thuỷ chuẩn quả đất".địa thực hành sử dụng mặt thuỷ chuẩn dàm mặt chuẩn độ cao.

11 Tuy nhiôn đổ cho chuẩn xác, mỗi quốc gia bằng sô' liệu đo đạc của mình xây dựng một mặt chuẩn độ cao riêng gọi là mặt thuỷ chuẩn gốc. ở Việt Nam lấy mặt nước biển trung bình nhiều năm của trạm nghiệm triều ở đảo Hòn Dấu (Đồ Sơn, Hải Phòng) làm mặt thuỷ chuẩn gốc. Đối với khu vực chưa có hoặc không cần sử dụng hệ độ cao nhà nước, ví dụ như khu đất xây dựng độc lập thì có thổ dùng mặt phảng thuỷ chuẩn quy ước, nghĩa là xây dựng một mốc với độ cao giả định làm độ cao gốc cho khu vực đó. Geoid và Kvazigeoid Khối vật thể bao bọc bởi mặt thuỷ chuẩn quả đất được gọi là Geoid.

Tâm của khối Geoid trùng với tâm của quả đất và tại mọi điểm trên mặt đất phương của trọng lực vuông góc với mặt Geoid. Vì vật chất phân bố trong lòng đất không đồng đều nên phương của trọng lực (phương của đường dây dọi) tại các điểm trên Geoid không hội tụ về tâm quả đất, nghĩa là mặt geoid là mặt gợn sóng và khối geoid là hình dạng vật lý của quả đất. Việc xác định chính xác geoid chung quả đất là rất khó. Trong thực tê' người la chỉ xác định được geoid gần đúng gọi là Kvazigeoid.

Mặt Kvazigeoid ở vùng đại dương và trong lục địa chênh khoảng 2 đến 3m. Kvazigeoid là mặt chuẩn của hệ độ cao thường và thường được dùng trong mạng lưới độ cao nhà nước. Elipxoid quả đất và elipxoid thực dụng Vì mặt Geoid và Kvazigeoid không thể là một dạng cong toán học trơn, trong khi đó các sô' liệu trắc địa phải được tính toán, xử lý trên bề mặt toán học. Vì lý do đó người ta thay thê' Geoid bằng một hình gắn với nó là elip tròn xoay và gọi là elipxoid quả đất (hình 1.3 Elipxoid quả đất có những tính chất sau: - Tâm của elipxoid trùng với tâm của quả đất.

- Thể tích của elipxoid bằng thể tích geoid. - Mặt phẳng xích đạo của elipxoid trùng với mặt phẳng xích đạo của quả đất. 12 - Tổng bình phương chênh cao giữa mặt elipxoid quả đất và mặt geoid là nhỏ nhất [V] = min. - Tại mọi điểm trên bề mặt đất phương cúa pháp tuyến đều vuông góc với mặt clipxoid.

Như vậy, mặt geoid và mặt elipxoid quả đất không trùng nhau và tại mỗi điểm trên bề mặt đất phương của trọng lực g (phương vật lý) không trùng với phương của pháp tuyến n (phương toán học) mà tạo thành góc u gọi là dộ lệch dãy dọi. Độ lệch dây dọi u được xác định bằng phương pháp trọng lực trắc địa, do dó cho phép tính chuyển các yếu tố đo được lừ mặt đất sang mặt elipxoid quá đất. Kích thước của elipxoid quá dất được đặc trưng bởi bán trục lớn a, bán trục nhỏ b và độ dẹt 01 = (a-b)/a dã được nhiều nhà khoa học xác định.1 giới thiệu một vài kêt quá mà trong công tác xử lý số liệu ở nước ta đã sử dụng.! Tên elipxoid nâni Bán trục lớn a (m) Độ dẹt ? Everest 1830 6377296 1:300,8 Kraxovski 1940 6378245 1:298,3 WGS 1984 6378137 1:298,2 Việc xác định chính xác elipxoid quả đất bằng phương pháp trắc địa đòi hỏi phải có số liệu đo đạc với mật độ lớn trên khắp bề mặt trái đất. Công việc này hết sức khó khăn nhất là ở vùng đại dương, vùng Bắc và Nam cực.

Mặt khác trong lĩnh vực thành lập bản đồ địa hình, vị trí của mỗi quốc gia trên quả đất khác nhau nên việc sử dụng hệ quy chiếu Elipxoid chung có thế bị biến dạng, kém chính xác. Vì vậy mỗi quốc gia bằng sô' liệu đo đạc cúa mình xây dựng một mặt elipxoid riêng gọi là elipxoid thực dụng (Reíerence Elipxoid) hay elipxoid tham khảo. Yêu cầu cơ bản của elipxoid thực dụng là nó phải được định vị vào quả đất gần trùng nhất với mặt geoid và bao trùm được toàn bộ lãnh thổ quốc gia. Elipxoid thực dụng là bề mặt toán học có vai trò quan trọng trong việc giải các bài toán trắc địa lý thuyết.

ơ Việt Nam, trước nãm 1975 miền Bắc đã sử dụng số liệu Elipxoid chung của Kraxovski, còn miền Nam dùng số liệu của Everest (xem bảng 1. Hiện nay trên cơ sở số liệu của Elipxoid WGS-84 cùng với số liệu đo đạc của mình chúng ta xây dựng Elipxoid thực dụng riêng. Nó là cơ sở toán học của hệ tọa độ mới VN-2000 thay cho hệ tọa độ đã sử dụng trước đây HN-72. 13 Ngoài ra khi sử dụng công nghộ định vị vệ tinh GPS còn sử dụng hệ tọa độ WGS-84 (World Geodcsic System).

Chú ý: Trong một sô' trường hợp, đổ đơn giản trong việc ước lính ta có thể coi gần đúng quả đất là hình cầu với bán kính R = 637 Ikm, chu vi c = 2ttR = 40.000km và chiéu dài ứng với 1" trên các kinh tuyến hoặc xích đạo là C/360" =111 km. HỆ TỌA Độ TRÊN MẶT CẦU VÀ HỆ ĐỘ CAO Để xác định vị trí của các điểm trên bề mặt đất, trong trắc địa đã sử dụng nhiều hệ tọa độ khác nhau. Ở đây sẽ trình bày khái niệm các hệ tọa độ, độ cao thường sử dụng trong trắc địa thực hành.