tổng quan về ngành trắc địa

MỤC LỤC I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU LIÊN QUAN 1.1 Lịch sử phát triển ngành Trắc địa Sự phát triển của trắc địa gắn liền với sự phát triển của khoa hoc đời sống. Khoảng 3000 năm trước công nguyên (tr. CN), dọc hai bờ song Nin Ai Cập con người đã biết dung những kiến thức sơ đẳng về hình học và đo đạc để phân chia lại đất đai giữa các bộ tộc sau khi lũ rút, đó chính là khởi đầu của môn đo đất. Sau đó, khoảng 300 năm tr.CN, nhà thiên văn học Eratosten đã cho rằng quả đất có dạng hình cầu và đo được độ dài cung kinh tuyến. Nhóm 4 Trang 1 Đến thế kỷ thứ 13, Trung Quốc đã tìm ra la bàn và ứng dụng la bàn vào việc thành lập bản đồ hang hải bằng phương pháp sap hỏa tâm. Đến thế kỷ thứ 16, nhà bản đồ học Mecartor đã tìm ra phép chiếu phương vị ngang đồng góc đẻ vẽ bản đồ. Đến thế kỷ thứ 17, nhà Bác học Vecnie đã phát minh ra du xích. Đến thế kỷ thứ 17, nhà Bác học Lambert đo được độ dài kinh tuyến qua Pari và đặt đơn vị độ dài 1m=1/40.000.000 độ dài kinh tuyến này. Đến thế kỷ thứ 19 nhà Toán học Gauss đã đề ra phương pháp số bình phương nhỏ nhất và phương pháp chiếu bản đồ mới. Đến nay rất nhiều nhà trắc địa trên thế giới đã xác định được kích thước trái đất và đề xuất các thể Elipsoid trái đất khác nhau dung trong công tác trắc địa như: Bessel (1841), Everest (1830), Clarke (1866), Helmert (1906), Kraxovski (1940) và hiện tại nhiếu nước đang dung WGS-84 (1984). Trải qua nhiều thế kỷ cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, khoa học trắc địa cũng ngày càng phát triển đã tạo điều kiện vững chắc cho sự phát triễn của khoa học trắc địa ngày nay. (Bộ Tài nguyên và môi trường, 2009) 1.2 Khái niệm về trắc địa Trắc địa là là một trong những ngành khoa học về Trái đất, chuyên nghiên cứu các phương pháp đo đạc trên mặt đất và những phương pháp xử lý các kết quả đo đạc đó để xác định hình dạng và kích thước trái đất và cung cấp cơ sở trắc địa cho đo vẽ, lập bản đồ. (Vũ Thị Thanh Thuỷ et al, 2008) Trắc địa có ba hướng chính, đồng thời đó cũng là ba ngành lớn của khoa học trái đất. i) Trắc địa cao cấp: Nghiên cứu các phương pháp đo chính xác các yếu tố bề mặt trái đất, xử lý các kết quả đo đạc đó để xác định hình dạng, kích thước của trái đất và xác định toạ độ các điểm, lập mạng lưới khống chế trắc địa các cấp làm cơ sở cho đo vẽ lập bản đồ địa chính. ii) Trắc địa phổ thông: có nhiệm vụ nghiên cứu phương pháp đo vẽ bề mặt trái đất trong một vùng nào đó. Kết quả của nó là bản đồ địa hình hoặc mặt cắt dùng để phục vụ công tác điều tra, xây dựng cơ bản và quốc phòng Nhóm 4 Trang 2 iii) Trắc địa công trình: nghiên cứu việc khảo sát, tham gia thiết kế, thi công các công trình, quan sát độ lún, biến dạng công trình 1.3 Hình dạng và kích thức trái đất Bề mặt diện tích tự nhiên trái đất phức tạp với diện tích khoảng 510 triệu km 2 lục địa chiếm khoảng 29% còn lại 71% là đại dương. Độ cao trung bình của lục địa so với mực nước đại dương khoảng 875 m, độ sâu trung bình khoảng 3800 m. Chênh lệch độ cao giữa nơi sâu nhất (Hố Marian – 11032 m) và điểm cao nhất ( đỉnh núi Chomuluma – 8882 m ) khoảng 20 km. Bán kính trung bình của trái đất là 6371 km. Với số liệu như trên ta hình dung nếu thu nhỏ trái đất thành quả cầu nước có bán kính là 3 m thì vết gợn lớn nhất trên bề mặt là 1 cm. Như vậy có thể coi mô hình trái đất là nhẵn nhụi. Bề mặt tự nhiên của trái đất phức tạp để biểu diễn được bề mặt trái đất theo phương pháp toán học ta phải đưa nó về bề mặt quy ước có thể biểu diễn được dưới dạng toán học và gần với bề mặt thực nhất. 1.4 Mặt thủy chuẩn Bề mặt nước biển trung bình yên tĩnh trãi dài xuyên qua lục địa và hải đảo tạo thành mặt cong khép kín gọi là mặt thủy chuẩn, còn gọi là mặt Geoid hay mặt nước gốc. Mặt này được lấy làm mặt chuẩn cao độ, ở nước ta lấy mặt nước biển trung bình nhiều năm của trạm nhiệm triếu ở đảo Hòn Dấu, Đồ Sơn, Hải Phòng làm mặt khởi tính độ cao. Mặt nước gốc có đặc điểm tại bất kỳ điểm nào trên phương pháp tuyến trùng với phương của đường dây dọi đi qua điểm đó, mặt thủy chuẩn là mặt gần với bề mặt thực. Phương của đường dây dọi phụ thuộc vào vật chất phân bố trong lòng trái đất mà sự phân bố vật chất lại không đều. Vì vậy mặt thủy chuẩn biến đổi phức tạp khó mô hình hóa. 1.5. Mặt Elipsoid Thay thế mặt thủy chuẩn bằng Elipsoid tròn xoay có bán trục lớn a bằng bán kính trái đất ở xích đạo, bán tục nhỏ b bằng bán kính trái đất ở hai cực. Tính chất của Elipsoid là: - Tâm Elipsoid trùng tâm của trái đất. Nhóm 4 Trang 3 - Thể tích Elipsoid bằng thể tích Geoid. - Mặt phẳng xích đạo Elipsoid trùng mặt phẳng xích đạo trái đất. - Tổng bình phương chênh cao giữa mặt Elipsoid và mặt Geoid nhỏ nhất. - Tại mọi điểm trên mặt đất phuông của pháp tuyến vuông góc với Elipsoid . Hình 1: Elipsoid quả đất Mặt Elipsoid có các tham số đặc trưng là: - Bán trục lớn a - Bán trục nhỏ b - Độ dẹt a ba − = α Kích thước một số Elipsoid đã được sử dụng khi xử lý số liệu ở nước ta như sau: Elippsoid Năm Bán trục lớn ( a ) Độ dẹt ( α ) Everest 1830 6.377.296 1:300,8 Kraxovski 1940 6.378.245 1:298,3 WGS - 84 1984 6.378.137 1:298,2 Nhóm 4 Trang 4 1.6. Phép chiếu bản đồ. Tùy theo vị trí địa lý của từng vùng lãnh thổ mà yêu cầu đặc điểm biến dạng mà áp dụng phép chiếu khác nhau. Một số phép chiếu thông dụng được sử dụng hiện nay. 1.6.1 Hệ toạ độ vuông góc phẳng Gauss – Kriuger a) Phép chiếu Gauss – Kriuger Là phép chiếu hình trụ ngang đồng góc chia Elipsoid thành 60 múi, mỗi múi 6 0 , đánh số thứ tụ từ 1 – 60 theo chiều từ Tây sang Đông bắt đầu từ kinh tuyến gốc Greenwich. Kinh tuyến giữa của mội múi được gọi là kinh tuyến trục. Bên ngoài Elipsoid là một hình trụ và tiếp xúc với Elipsoid vuông góc với trục hình trụ, lần lượt chiếu từng múi lên mặt trụ bằng cách vừa xoay vừa tịnh tuyến. Sau đó cắt hình trụ theo hia đường sinh và trải thẳng được hình chiếu của 60 múi ( Hình 2) * Đặc điểm của phép chiếu Gauss – Kruger: - Không làm biến dạng về góc nhưng diện tích bị biến dạng. - Hình chiếu của xích đạo và kinh tuyến trục vuông góc với nhau. - Kinh tuyến giữa múi là trục đối xứng và không có biến dạng về chiều dài ( tỷ lệ biến dạng bằng 1). Càng xa kinh tuyến trục, biến dạng chiều dài càng tăng - Phép chiếu được sử dụng để xây dựng hệ tọa độ HN-72 Hình 2. Phép chiếu Gauss – Kruger b) Hệ toạ độ vuông góc Gauss – Kruger Nhóm 4 Trang 5 Hệ toạ độ này được xây dựng trên mặt phẳng múi chiếu 6 0 của phép chiếu hình Gauss, trong đó nhận hình chiếu của kinh tuyến giữa múi làm trục X, hình chiếu của xích đạo làm trục Y. (Vũ Thị Thanh Thuỷ et al, 2008) Như vậy, nếu tính từ điểm gốc về phía Bắc Y mang dấu dương (+), về phía Nam mang dấu âm (-), còn trị số Y về phía Đông mang dấu dương, về phía Tây mang dấu âm. Bắc bán cầu có X luôn dương nhưng Y có thể âm hoặc dương. Khi tính toán để tránh được trị số Y âm người ta tịnh tiến kinh tuyến giữa múi về phía Tây 500 km được hệ toạ độ X’OY gọi là hệ toạ độ thông dụng .(Hình 3) Hình 3: Lãnh thổ Việt Nam trong lưới chiếu Gauss –Kruger 1.6.2 Hệ toạ độ UTM (Universal Transverse Mercator) a) Phép chiếu UTM (Universal Transverse Mercator) Nhóm 4 Trang 6 Tương tự phép chiếu Gauss, Elipsoid cũng chia thành 60 múi và đánh số thứ tụ từ 1 – 60 nhưng bắt đầu từ kinh tuyến (λ = 180 0 W) theo chiều từ Tây sang Đông. Dùng hình trụ ngang cắt Elipsoid tại hai kinh tuyế cách đều kinh tuyến trục 180 km, lúc này kinh tuyến trục nằm phía ngoài mặt trụ còn hai kinh tuyến biên của múi nằm phía trong mặt trụ. Lấy tâm O của Elipsoid làm tâm, lần lượt chiếu từng múi lên mặt trụ bằng cách vừa xoay vừa tịnh tuyến. Sau đó cắt hình trụ theo hia đường sinh và trải thẳng được hình chiếu của 60 múi (Hình 4) Nhóm 4 Trang 7 Hình 4. Phép chiếu UTM Đặc điểm phép chiếu UTM : - Không làm biến dạng về góc nhưng diện tích bị biến dạng - Hình chiếu của xích đạo và kinh tuyến trục vuông góc với nhau - Tỷ lệ biến dạng về chiều dài tại hai kinh tuyến tiếp xúc bằng 1. - So với phép chiếu Gauss, phép chiếu UTM giảm được tỷ lệ biến dạng ngoài biên và biến dạng là tương đối đều trên phạm vi múi chiếu. - Phép chiếu UTM được sử dụng để xây dựng hệ tọa độ VN-2000 b) Hệ toạ độ vuông góc UTM Trong phép chiếu hình UTM, hình chiếu của kinh tuyến giữa và xích đạo là hai đường thẳng vuông góc với nhau và được chọn làm trục toạ độ. Đặc điểm của hệ trục toạ độ được mô tả trên hình vẽ. (Hình 5). Toạ độ UTM của điểm M được xác định bởi tung độ N (North) và hoành độ E (East). Trị số E M được tính từ trục ON cách kinh tuyến giữa 500km về phía Tây, nghĩa là E M =E’+500km. (Vũ Thị Thanh Thuỷ et al, 2008) Nhóm 4 Trang 8 Hình 5: Hệ toạ độ vuông góc UTM 1.7. Ứng dụng GPS độ chính xác cao trong đo đạc bản đồ 1.7.1 GPS là gì ? NASTAR Global Positioning System (GPS) là hệ thống định vị dựa vào các vệ tinh. Nó có nhiều ưu điểm sau: · Độ chính xác định vị cao, từ decamet đến milimet · Có sẵn cho người sử dụng bất cứ đâu trên trái đất · Hoạt động liên tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết GPS trước tiên là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đích quân sự. Nó được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ quốc phòng Mỹ. Tuy nhiên GPS được cung cấp miễn phí cho người sử dụng dân sự ở một mức độ giới hạn. GPS được thiết kế để thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler TRANSIT đã phục vụ tốt cho cộng đồng trắc địa và hàng hải trên 20 năm. Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau: · Độ tin cậy cao của hệ thống không gian · Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao · Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác · Công nghệ VLSI và quang phổ rộng. (CTY TNHH Địa Hải, 2013) 1.7.2 Các thành phần của GPS Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng: Nhóm 4 Trang 9 · Mảng không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ tống hoạt động · Mảng điều khiển: Các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian · Mảng người sử dụng: toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí. (CTY TNHH Địa Hải, 2013) Hình 6. Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS 1.7.3 Đo GPS tĩnh độ chính xác cao Hầu hết các nguồn sai số trong trị đo khoảng cách có thể được khủ hoặc giảm đi đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu và/ hoặc hai vệ tinh. Tuy nhiên để làm điều đó cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắc một số lượng vệ tinh chung. Kết quả xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểm đặt máy thu (còn gọi là baseline vector). (CTY TNHH Địa Hải, 2013) Nhóm 4 Trang 10 [...]... thành lập bản đồ địa chính cơ sở tỷ lệ 1: 10000 và 1: 5000 (Bùi Quang Trung, Vũ Hữu Liêm, 2009) - Ứng dụng máy tồn đạc điện tử Leica viva TS15 và phần mềm Goca để tự động quan trắc biến dạng tường vây nhà cao tầng Bởi vì Trong q trình quan trắc biến dạng tường vây, việc áp dụng phương pháp trắc địa truyền thống thì nhiều khi số liệu quan trắc tại thời điểm báo cáo khơng đáp ứng được u cầu về tiến độ và... những năm gần đây với sự tiến bộ vượt bậc về khoa học cơng nghệ, các nhà cung cấp thiết bị trắc địa đã khơng ngừng cải tiến và nâng cao khả năng tự động hóa, đã chế tạo thành cơng hệ thống quan trắc tự động ứng dụng trong trắc địa cơng trình Trên thế giới các nước như Thụy Sỹ, Trung Quốc, Mỹ, Đức, Singapore,… đã sử dụng hệ thống quan trắc tự động để tiến hành quan trắc biến dạng của đập thủy điện, cầu,... nhà cao tầng, tường vây nhà cao tầng,… Ở Việt Nam hiện nay việc ứng dụng hệ thống trắc địa quan trắc tự động mới trong giai đoạn quan trắc thí nghiệm Ứng dụng trên đã ghi nhận được nhưng mặt tích tực như : Q trình sử dụng máy TĐĐT Leica viva TS15 và phần mềm GOCA sẽ tạo thành một hệ thống quan trắc tự động Hệ thống quan trắc tự động này có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với cơng nghệ truyền thống, đó... yếu tố chủ quan của con người; Hệ thống quan trắc tự động bằng TĐĐT Leica viva TS15 và phần mềm GOCA đã khắc phục được nhiều nhược điểm mà cơng nghệ truyền thống khơng thể đáp ứng được; Hệ thống quan trắc tự động bằng TĐĐT Leica viva TS15 và phần mềm GOCA hồn tồn có thể sử dụng để tự động quan trắc chuyển dịch ngang tường vây nhà cao tầng, hệ thống quan trắc này hồn tồn đáp ứng được u cầu về tiến độ... hồn tồn đáp ứng được u cầu về tiến độ và độ chính xác đề ra (độ chính xác quan trắc đạt đến ±1.0mm) (Trần Ngọc Đơng, Diêm Cơng Huy, 2012) - Đo vẽ thành lập bản đồ địa chính xã Đại Thịnh, huyện Mê Linh, thành phố Hà Nội bằng máy tồn đạc điện tử kết hợp sử dụng GPS Bản đồ địa chính là một phần của hồ sơ địa chính, có ý nghĩa rất quan trọng trong các lĩnh vực của xã hội cũng như trong cơng tác quản lý... trị đo mặt đất trong lưới quan trắc (Hồ Thị Lan Hương, 2010) - Thử nghiệm đánh giá độ chính xác của phương pháp RTK – GPS trong quan trắc biến dạng của nhà cao tầng và cầu dây văng (Hồ Thị Lan Hương, 2010) - Ứng dụng cơng nghệ GPS và GIS trong quản lý Đất và bảo tồn Thiên nhiên Đây là một trong những ứng dụng của GPS Bởi vì Vịnh Western Penobscot - Bang Maine là một trong những địa điểm nghiên cứu khoa... của khách du lịch vào mùa hè Với sự phong phú về nguồn nước và đa dạng về thảm rừng, Western Penobscot là thiên đường tự nhiên của các lồi động vật hoang dã như đại bàng, hải cẩu, các lồi chim biển làm tổ, cá heo và nhiều lồi khác Tất cả thơng tin liên quan đến các đối tượng trong khu bảo tồn như sơng, suối, đường bình độ, đường ranh giới và các địa điểm quan trọng đều được thể hiện rõ trên màn hình... dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực như: - Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ GPS trong trắc địa cơng trình - Nghiên cứu ứng dụng máy tồn đạc điện tử và cơng nghệ GPS trong xây dựng cơng trình cơng nghiệp và cơng trình xây dựng có chiều cao lớn có các cơng trình khoa học - Ứng dụng cơng nghệ đo đạc mới trong cơng tác quan trắc - Nghiên cứu hồn thiện phương pháp thành lập và xử lý số liệu lưới khống chế thi... nước ta, việc thành lập bản đồ địa chính đang được tiến hành trên phạm vi cả nước nhằm đáp ứng nhu cầu quản lý sử dụng đất và quy hoạch sử dụng đất Trong đó, phương pháp thành lập bản đồ địa chính bằng máy tồn đạc điện tử có kết hợp sử dụng GPS đang được áp dụng và triển khai rộng rãi.( Phạm Lê Tuấn, 2011) 2.2 Nghiên cứu ứng dụng ngồi nước : - Bình luận một số vấn đề về xử lý số liệu kết hợp giữa GPS... đề của các lĩnh vực khác như dẫn đường, cứu hỏa, cảnh báo bão, mơi trường, quy hoạch Ưu điểm của cơng nghệ này trong đo vẽ thành lập bản đồ là khả năng quan sát và đối chiếu thực địa, khắc phục được nhiều vấn đề trong đo vẽ và xử lý nội nghiệp như về bình sai, nối điểm, đồng thời tiết kiệm được thời gian và nhân lực Để nâng cao độ chính xác của Mobile GIS nhằm đáp Nhóm 4 Trang 14 ứng u cầu của đo đạc . học trắc địa cũng ngày càng phát triển đã tạo điều kiện vững chắc cho sự phát triễn của khoa học trắc địa ngày nay. (Bộ Tài nguyên và môi trường, 2009) 1.2 Khái niệm về trắc địa Trắc địa là. MỤC LỤC I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU LIÊN QUAN 1.1 Lịch sử phát triển ngành Trắc địa Sự phát triển của trắc địa gắn liền với sự phát triển của khoa hoc đời sống hệ thống quan trắc tự động để tiến hành quan trắc biến dạng của đập thủy điện, cầu, nhà cao tầng, tường vây nhà cao tầng,… Ở Việt Nam hiện nay việc ứng dụng hệ thống trắc địa quan trắc tự động