chương 1 trinh bay cac kiến thức cơ bản về trắc địa như hệ tọa độ không gian, hệ tọa độ phang, hệ độ cao, phép‹ chiếu bản đồ, định hướng đường thắng, các bài toán cơ bản trong trac địa, kiến thức về bản đồ địa hình. Nội dung chương này được tham khảo và biên tập từ các tài liệu của các tác giả Nguyễn Tấn Lộc, Phạm Văn Chuyên, Hoàng Xuân Thành (chủ biên), Phan Văn Hiến (chủ biên), Vũ Thặng và Martin Vermeer. GIỚI THIỆU CHUNG 1. Khái niệm về trắc địa Trắc địa là một ngành khoa học nghiên cứu về hình dạng và kích thước của quả đất, về phương pháp đo đạc và biểu thị bề mặt trái đất dưới dạng bản đồ và số liệu.
Trắc địa được chia ra các ngành: Trắc địa cao cấp; Trắc địa địa hình- địa chính; Trắc địa ảnh; Bản đồ; Trắc địa công trình; Thiết bị và phần mềm đo vẽ. Vai trò của trắc địa trong xây dựng Trắc địa là ngành điều tra cơ bản, cung cấp số liệu ban đầu cho lĩnh vực xây dựng. Bên cạnh đó, trắc địa công trình cũng được ứng dụng trong quá trình thi công, quản lý và khai thác công trình xây đựng. Vai trò của trắc địa qua các giai đoạn thực hiện một dự án xây dựng: Giai đoạn quy hoạch: bản đồ địa hình tỷ lệ nhỏ được sử dụng để vạch ra các phương án quy hoạch tổng thể, các phương án xây dựng công trình, các kế hoạch tổng quát khai thác và sử dụng công trình.
Giai đoạn khảo sáí: Thực hiện công tác khảo sát địa hình gồm đo vẽ bản đồ địa hình, mặt cắt địa hình. Giai đoạn thiết kế: Dựa vào tài liệu khảo sát địa hình để tính toán, bố trí công trình lên bản đô một cách tôi ưu nhât. Chuân bị phương án, tài liệu đê thực hiện công tác trắc địa công trình. Giai đoạn thì công và nghiệm thu: Thực hiện và kiểm tra công tác bố trí công trình trên thực địa nhắm đảm bảo công trình đúng vị trí, đúng độ cao, đúng kích thước và đúng độ thăng đứng của các kêt câu theo thiệt kê.
Bên cạnh đó, khi nghiệm thu phải thực hiện đo vẽ hoàn công. Giai đoạn quản lý và khai thác công trình: Thực hiện công tác quan trắc công trình bao gồm: quan trắc lún, chuyền dịch, nghiêng nhằm đảm bảo công trình vận hành tối ưu và an toàn nhất đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng. Gido trinh Trac dia 1. HINH DANG VA KÍCH THƯỚC QUÁ DAT 1.
Hinh dang Bề mặt trái đất có hình dạng phức tạp bào gồm địa dương và lục địa. Tổng diện tích khoảng 510,2 triệu km$, trong đó đại đương chiếm 71% còn lục địa 29%. Chỗ cao nhất là đỉnh chomoluma trong dãy Hymalya cao 8882 mét, và chỗ thấp nhất là vịnh Marian ở Thái Bình Dương sâu 11032 mét. Mặt nước biển toàn cầu hay chính xác hơn là mặt nước biến trung bình yên tĩnh kéo đài xuyên qua các lục địa, hải đảo làm thành một mặt cong khép kín, tại mỗi điểm bat kỳ pháp tuyến của mặt này luôn trùng với phương dây dọi được gọi là mặt nước gốc trái đất hay mặt thủy chuân.
Mặt này được nhà vật lý người Đức Listinger (1808 — 1882) gọi là mặt Geoid (Hình 1. Các đặc điểm của mặt Geoid là: Không có phương trình toán học biểu diễn; Phương pháp tuyến trùng phương dây đọi. am đất tự nhiên Geoid \ ~~ Hinh 1.1: Mat Geoid „ Mặt thủy chuẩn được sử dụng làm cơ sở để xác định độ cao của các điểm trên mat dat. Mặt khác, trong xây dựng người thường sử dụng mặt nước gôc giả định là mực nước không đi qua mặt nước biên trung bình và song song với mặt nước gôc định (Hình 1.
Mặt nước gốc giả định Hình 1.2: Mặt nước sốc Giáo trình Trắc địa 1. Kích thước Mặt Geoid có dạng phức tạp do sy phan bố vật chất không đồng nhất trong lòng trái đất, tốc độ quay và vị trí trục quay của trái đất luôn thay đối. Vì vậy về toán học không thể làm các bài toán định vị trên mặt Geoid. Qua nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy rằng mặt Geoid có dạng rất gần với mặt toán học Ellipsoid, là mặt bầu dục tròn xoay hơi đẹtở hai cực.
Có các thông sô cho kích thước trái đất là bán kính lớn a, bán kính nhỏ b và độ dẹt œ (Hình 1. Độ dẹt œ tính theo công thức: a-b a= (1.1) a Khác với Geoid, phương của dây đọi tại mọi điểm không rùng với pháp tuyến của Ellipsoid mà lệch một góc e, gọi là độ lệch day doi, co tri số trung bình 3”+ 4”. Mặt Ellipsoid được lấy làm mặt quy chiếu tọa độ các điểm trên bề mặt trái đất. Ellipsoid có các tính chất sau: - Khối lượng tương đương với Geoid - Trọng tâm trùng với trọng tâm của Geoid - Tổng bình phương các khoảng cách § từ Eliipsoid tới Geoid trên toàn trái đất là cực tiéu (ZE? = min).
Mặt đất tự nhiên Mặt Ellipsoid Mat Geoid Hình 1.3: Mặt Ellipsoid và mặt Geoid Các đại lượng a, b, œ của ellipsoid được nhiều nhà khoa học trên thế giới xác định dựa vào các sô liệu đo đạc, tính toán và công bô với nhiêu kêt quả khác nhau như thê hiện trên Bảng I.1: Các mặt ellipsoid Tên của Quộc gia sử dụng Năm Bánkính | Bán kính nhỏ | Độ dẹt ellipsoid lớn a (m) b(m) Delambre Pháp 1800 6.863 1:308,64 Gido trinh Trac dia Everest Anh 1830 6.075 1:300,80 Bessel Chau Au, Nhat 1841 6.079 1:299,15 Clarke Bac My 1866 6.584 1:294,97 Clarke Phap, Chau Phi 1880 6.433 1:299,60 Helmert Ai Cap 1906 6.30 Krasssovsky | Nga, Viét Nam 1940 6.760 1:298,26 WGS 84 My, Viét Nam 1984 6.752,3 | 1:298,26 Việt Nam ở từng thời kỳ chọn mặt qui chiếu khác nhau. Ví dụ trước năm 2000 thì Việt Nam đã sử dụng qua nhiều Ellipsoid để làm mặt qui chiếu như: Ellipsoid Clark (1880), Ellipsoid Everest, Ellipsoid Krasovski (xây dựng hệ tọa độ nhà nước Hà Nội — 72. Từ năm 2001 đến nay Việt Nam chuyền qua dung Ellipsoid WGS84 (World Geodetic System 1984) dé xây dựng tọa độ quốc gia VN — 2000. HỆ TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN VÀ HỆ ĐỘ CAO 1.
Hệ tọa độ địa lý Hệ tọa độ địa lý nhận trái đất là hình cầu, chọn tâm O của trái đất làm gốc tọa độ. Hệ tọa độ địa lý được tạo bởi mặt phăng xích đạo và mặt phăng kinh tuyên gôc. Các khái niệm cơ bản trong hệ tọa độ địa lý: + Mặt phẳng kinh tuyến là mặt phẳng chứa trục quay của trái đất. Giao tuyến của mặt phẳng kinh tuyến với quả đất gọi là kinh tuyến.
Kinh tuyến đi qua thiên văn đài GreenWich, Anh được quy ước là kinh tuyến gốc. Mặt phăng vi tuyến là mặt phẳng vuông góc với trục quay của trái đất. Giao tuyến của mặt phẳng vĩ tuyến với quả đất gọi là đường vĩ tuyến. Mặt phẳng chứa tâm của quả đất gọi là phăng xích đạo, giao tuyến của mặt phẳng xích đạo với quả đất gọi là đường xích đạo (vĩ tuyến gốc).4: Hệ toa độ địa lý Giáo trình Trắc địa Một điểm bất kỳ trên mặt đất trong hệ tọa độ địa lý được định vị bởi hai đại lượng kinh độ và vĩ độ.
Kinh độ của một điểm là góc nhị diện hợp bởi mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó với mặt phẳng kinh tuyến gốc, ký hiệu là A. Vĩ độ của một điểm là góc hợp bởi phương dây dọi đi qua điểm đó với mặt phăng xích đạo, ký hiệu là ọ. có giá trị từ 0° đến 180° xuất phát từ kinh tuyến gốc về cả hai phía Đông và Tây được gọi tương ứng là kinh độ Đông và kinh độ Tây. Vĩ độ ọ có giá trị từ 0° đến 90° xuất phát từ đường xích đạo về cả hai phía Bắc và Nam được gọi tương ứng là vĩ độ Bắc và vĩ độ Nam.
Ví dụ tọa độ địa lý của thành phố Cần Thơ 4 = 105°46'54"D, =1090202”B. Tọa độ địa lý được xác định bằng phương pháp quan trắc thiên văn. Hiện nay, việc xác định hệ tọa độ địa ly được thực hiện một cách chính xác hơn bằng cách sử dụng hệ thống định vị GPS (Global Positioning System). Hệ tọa độ trắc địa Hệ tọa độ trắc địa được xác lập trên Ellipsoid qua dat có gốc là tâm O cùng hai mặt phẳng là mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến gốc đi qua GreenWich.5: Hệ tọa độ trắc địa Một điểm trên mặt đất được định vị trong hệ tọa độ trắc địa thông qua hai đại lượng là vĩ độ trắc địa kí hiệu là B và kinh độ ký hiệu là L tương tự hệ tọa độ địa lý.
Hệ độ cao Độ cao tuyệt đối là khoảng cách tính theo phương dây dọi từ điểm đó đến mặt nước gôc (Geoid). Khoảng cách theo phương dây dọi của một điểm so với mặt nước gốc giả định gọi là độ cao giả định (độ cao tương đôi). Độ cao giả định sử dụng rat phô biên trong xây dựng. Khoảng cách theo phương dây dọi giữa hai mặt nước giả định đi qua hai điểm gọi là hiệu độ cao (độ chênh cao) của hai điểm đó.
Gido trinh Trac dia Ví dụ 1.6 ta có : điểm A, điểm B có cao độ tuyệt đối Hạ, Hp (so với mặt Geoid CÓ cao độ +0.000) và có Cao độ tương đôi là H°A, H”p so với mặt nước giả định đi qua điêm do ta chọn trên mặt đât. Hiệu độ cao AB là: has = Hp — Ha (1.2) A has HA B Ha › H’s x z A +> 4: DZ Mặt nước géc gia dinh Hp NE DZ Mặt nước gôc = (Geoid) Hình 1. PHÉP CHIẾU VÀ HỆ TỌA DO PHANG Dé biéu thi các yếu tố địa hình, địa vật lên mặt phẳng tờ bản đỗ sau cho chính xác, ít bị biên dạng nhât ta sử dụng phép chiêu hình bản đô thích hợp. Thông thường quy trình chiếu bản đồ được tiến hành tiến hành tuần tự theo hai bước: (1) chiếu các yêu tố trên bề mặt đất lên mặt chuân (mặt Ellipsoid), (2) chuyển từ mặt chuẩn sang mặt phẳng.
Phép chiếu Gauss và hệ tọa độ phẳng vuéng géc Gauss — Kruger 1.Phép chiếu Gauss Kinh tuyến trục Kinh tuyên Tây =— Kinh tuyến Đông Hình 1.7: Múi chiếu _Ò Phép chiếu Gauss là phép chiếu hình trụ ngang, đồng góc nghĩa là sử dụng mặt chiêu là hình trụ ngang và các góc trên mặt Ellipsoid vẫn giữ nguyên trên mặt chiêu. Trong phép chiếu Gauss, trái đất được chia thành 60 múi chiếu có AA=6° mang số thứ Giáo trình Trắc địa tự từ I đến 60 kê từ tuyến gốc sang Đông và vòng qua Tây bán cầu rồi trở về kinh tuyến gốc, mỗi múi chiếu được giới hạn bởi kinh tuyến tây và kinh tuyến đông.