Giáo trình đo đạc

BỘXÂYDựNG C A O Đ Ẳ N G X Â Y DựNG CỒNG TRÌNH ĐốTHỊ B ộ XẢY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẢNG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH ĐƠ THỊ TRÀN THỊ SINH - NGUYỄN CẢNH ANH TRÍ ĐÀO NGỌC HỒNG VÂN G IÁ O TRÌN H Đ O ĐẠC (Tái bản) NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ NỘI-2013 LỜI NÓIĐẦU Giáo trình “Đo đ a c ” biên soạn dựa sở đề cương chi tiết chương trình đào tạo hệ Cao đẳng Trung cấp cho ngành: Xây dựng Dân dụng Cơng nghiệp, Cấp nước s ố ngành khác Trường cao đẳng Xây dựng Cơng trình Đơ thị Nội dung giáo trình gồm chương giảng viên (GV) thuộc môn Trắc địa - Trường cao đẳng Xây dựng Cơng trình Đơ thị biên soạn, cụ th ể sau: GV Trần Thị Sinh biên soạn mở đầu chương 1, GV Nguyễn Cảnh A nh Trí biên soạn chương 3, 5, GV Đào Ngọc Hồng Vân biên soạn chương 4, Giáo trình biên soạn với hy vọng tài liệu học tập cho học sinh, sinh viên khối kỹ thuật củng tài liệu tham khảo cho cán bộ, giáo viên trình nghiên cứu giảng dạy R ất mong nhận ủng hộ đóng góp ý kiến bạn đọc đ ể giáo trình ngày hồn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Bộ mơn Trắc đìa - Khoa Kỹ thuật Đô thị - Trường cao đẳng Xây dựng Công trinh Đô thị - Gia Lăm - Hà Nội Xin chán thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Nhóm tác giả Trần Thị Sinh Nguyễn Cảnh Anh Trí Đào Ngọc Hồng Vân BÀI MỞ ĐẦU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÔN HỌC Trắc địa ngành khoa học nghiên cứu hình dạng, kích thước trái đất, phương pháp đo đạc biểu diễn bề mặt trái đất dạng đồ số liệu Trắc địa ngành khoa học phát sinh nhu cầu đời sống xã hội người, có vai trị quan trọng ngành nơng - lâm nghiệp, xây dựng cơng trình, kinh tế quốc dân quốc phòng v.v Thuật ngữ “Trắc địa” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp cổ có nghĩa "phân chia đất đai" Lịch sử khoa học trắc địa có từ lâu đời, từ ba nghìn nãm trước cơng ngun, việc phân chia chiếm hữu đất đai hình thành Ai Cập Hàng năm sau đợt lũ lụt, người ta phải xác định lại ranh giới chiếm hữu đất, điều thúc đẩy người sáng tạo dụng cụ phương pháp thích hợp để đo đạc Có thể nói điểm khởi đầu khái niệm đo đất tảng công tác đo đạc địa sau Đến kỷ thứ VI - trước công nguyên, người Hy Lạp đề thuyết trái đất khối cầu Sau nhà bác học Galilê phát minh ống kính thiên văn, từ bắt đầu kỷ nguyên dụng cụ đo đạc trắc địa Trong trình phát triển ngành khoa học trắc địa phân nhiều chuyên môn hẹp như: trắc địa cao cấp, trắc địa phổ thơng, trắc địa cơng trình, trắc địa ảnh, trắc địa đồ, địa trắc địa cao cấp v.v Trắc địa ngành điều tra bản, cung cấp tài liệu cho hầu hết ngành kinh tế quốc dân quốc phòng Các số liệu trắc địa đóng vai trị quan trọng công tác nghiên cứu ngành khoa học trái đất Bản đồ địa hình, đồ địa loại đồ chuyên đề tài liệu thiếu ngành kinh tế, kỹ thuật quản lý nhà nước Đối với lĩnh vực an ninh, quốc phòng, đồ tài liệu quan trọng việc lập kế hoạch huy tác chiến: "Bản đồ mắt quân đội" 2, VAI TRÒ CỦA TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỤNG Trong q trình xây dựng cơng trình, trắc địa cần thiết tất giai đoạn khảo sát, thiết kế, thi cơng sử dụng cơng trình Ở giai đoạn khảo sát phục vụ thiết kế cơng trình, cơng tác trắc địa đảm bảo cung cấp đồ số liệu cần thiết cho kỹ sư thiết kế Ở giai đoạn thi cơng cơng trình, cơng tác trắc địa đảm bảo cho việc bố trí cơng trình ngồi trường xác, thiết kế Khi xây dựng xong phần hay tồn cơng trình phải tiến hành đo vẽ hồn cơng để xác định vị trí thực cơng trình, đánh giá chất ỉượng thi cơng, làm tài liệu lưu trữ giai đoạn sử dụng cơng trình, cơng tác trắc địa tiến hành theo dõi biến dạng cơng trình (lún, nghiêng, dịch chuyển, v.v ) để đánh giá chất lượng thi công kiểm nghiệm số liệu, đánh giá hiệu giải pháp xây dựng, dự báo diễn biến xấu xảy để có biện pháp xử lý thích hợp NHIỆM v ụ VÀ ĐÔI TƯỢNG NGHIÊN CÚƯ Hiện nay, ngành khoa học trắc địa phát triển nhanh, đại đươc giới hóa tự động hóa từ công tác đo đạc ngoại nghiệp xử lý số liêu nôi nghiệp Như giới thiệu trên, trắc địa ngành khoa học nghiên cứu phương pháp đo đac biểu diễn bề mặt trái đất dạng đồ sơ liệu Có nghĩa ỉà chun dư liêu từ mãt cong bề mặt trái đất lên mặt phẳng nằm ngang Vì vậy, việc lựa chọn hệ quy chiếu xây dựng lưới khống chế trắc địa nhiệm vụ nhà khoa học trắc đĩa Trong phạm vi giáo trình, ngành học sở ngành phục vụ cho công tác xây dựng, nhiệm vụ đối tượng nghiên cứu chủ yếu là: - Định vị điểm bề mặt trái đất thông qua hệ tọa độ thường dùng trắc đĩa - Hệ quy chiếu, phép chiếu Khái niệm chung đồ, bình đồ phương pháp thể đối tượng mặt đất lên đồ - Các khái niệm trị đo sai sô' đo Các tiêu chuẩn đánh giá độ xác dãy tri đo - Các khái niệm nguyên lý đo bản: đo góc, đo dài đo cao Giới thiệu máy móc, dụng cụ, phương pháp đo ngăm xử lý kết đo - Lưới khống chế mặt độ cao - Nghiên cứu cơng tác trắc địa xây dựng cơng trình CÁC ĐƠN VỊ THƯỜNG DÙNG TRONG TRẮC ĐỊA 4.1 Đơn vị đo góc Trong trắc địa sử dụng hệ đơn vị đo góc: Radian Độ Grad a) Radian ký hiệu rad, góc có đỉnh trùng với tâm cung trịn chắn cung có chiều dài bán kính v Độ lớn góc tỷ sơ' độ dài cung chắn góc bán kính đườne trịn đổ s Ví dạ: Chu vi đường trịn tính theo cơng thức: p = 2nR, góc tâm (góc trịn) chắn chiều dài cung chu vi đường trịn có lớn là- — = 2tiR _ rad ■R R • b) Đơ', ký hiệu (°), góc tâm đường trịn chắn cung có chiều dài 1/360 chu vi đường trịn Một độ chia thành 60 phút (60’), phút chia thành 60 giây (60”) Như vậy: 1°= 60’ = 3600”, góc trịn có độ lớn 360° c) Grad: ký hiệu (*0, góc tâm chắn cung trịn có độ dài 1/400 chu vi đường tròn Một grad chia thành 100 phút grad, phút grad chia thành 100 giây grad, ký hiệu tương ứng (c) (“ ) Một góc trịn có độ lớn 400sr= 40 000c = 000 000cc 4.2 Đơn vị đo dài - đo diện tích Năm 1791 tổ chức đo lường quốc tế lấy đơn vị đo chiều dài hệ SI mét với quy định: “một mét chiều dài ứng với 4.Ỉ0'7 chiều dài kinh tuyến qua Paris ” chế tạo thước chuẩn có độ dài lm thép khơng gỉ, có độ dãn nở nhỏ đặt Viện đo lường Paris Từ sau kỷ IXX, độ xác thước chuẩn khơng đáp úng yêu cầu đo lường phần tử vơ nhỏ Vì thế, năm 1960 quy định lại đơri vị đo dài là: “mộ/ mét chiều dài 1.650.763,73 chiều dài bước sóng xạ chân khơng ngun tử Krìpton —86, tương đương với quỹ đạo chuyển dời điện tử hai mức lượng 2PI0 5d5” Các ước số mét: lm = 10decimet(dm)= 102centimet(cm) = lO’milimetimm) = 106micromet(pm) = 109nanomet(Nm) Các bội số mét: lkilomet(km) = 103m lhectomet(hm) = 102m ldecamet(dam) = lOm Đơn vị diện tích thường dùng mét vuông (m2), km2, hecta(ha) lkm = 10 m2 lha =104m2 lAre (a) =102m2 Chương NHỮNG KIẾN THỨC c BẢN $1.1 HÌNH DẠNG KÍCH THƯỚC TRÁI ĐẤT, CÁC HỆ QUY CHIẾU TOẠ ĐỘ VÀ Đ ộ CAO 1.1.1 Bề m ặt tự nhiên trái đất Bề mặt tự nhiên trái đất gồ ghề phức tạp có diện tích khoảng 510575.103 km2, đại dương chiếm 71,8% lục dịu chiếm 2C,2% Độ 0*0 trnig hình lục địa so với mực nước biển +875m, độ sâu trung bình đáy đại dương khoảng -3800m, điểm cao đỉnh Chomolungma thuộc dãy Hymalaya cao 8848m, điểm sâu vũng Mariana thuộc phía Tây Thái Bình Dương có độ sâu khoảng -1 lOOOm Bán kính trung bình trái đất 637lkm 1.1.2 M ạt thuỷ chuẩn (m ặt Geoid) hệ độ cao Mặt thuỷ chuẩn (MTC) mặt nước biển trung bình yên tĩnh kéo dài xuyên qua lục địa hải đảo tạo thành mặt cong khép kín Pháp tuyến mặt thuỷ chuẩn điểm trùng với phương đường dây dọi qua điểm (hình 1.1) Mỗi quốc gia xây dựng cho riêng mặt chuẩn độ cao riêng gọi mặt nưóe gốc Ở việt Nam mặt thuỷ chuẩn qua điểm gốc trạm nghiệm triều đảo Hòn Dấu - Đồ Sơn - Hải Phịng A Hình 1.1 Mặt thuỷ chuẩn sử dụng để làm sở cho việc xác định độ cao điểm thuộc bề mặt trái đất tự nhiên Độ cao điểm A (HA) mặt đất tự nhiên khoảng cách từ điểm đến mặt thuỷ chuẩn theo phương đường dây dọi HAcòn gọi độ cao tuyệt đối điểm A Nếu điểm A nằm mặt thủy chuẩn HA> Nếu điểm A nằm mặt thủy chuẩn HA< Trong trắc địa, mặt Geoid cịn coi mặt vật lý, xác định dựa sở phân bố vật chất lớp vỏ trái đất Do đó, việc xác định mặt Geoid tương đối khó khăn phức tạp, thực tế người ta xác định mặt Geoid gần gọi mặt thủy chuẩn quy ước Mặt thủy chuẩn quy ước mặt dùng làm sở xác định độ cao điểm, thường mặt tắc nghiên cứu hồn thiện tốn học Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà mặt thủy chuẩn quy ước mặt elipxoid trịn xoay, mặt cầu hay mặt phẳng Trong xây dựng dân dụng công nghiệp, người ta thường chọn mặt thủy chuẩn quy ước mặt phẳng tầng Độ cao quy ước (H’A) khoảng cách từ điểm đến mặt thủy chuẩn quy ước theo phương pháp tuyến kể từ điểm đến mặt thủy chuẩn quy ước H ’A gọi độ cao tương đối điểm A Giữa độ cao tuyệt đối độ cao tương đối có mối quan hệ với (hình 1.2) : Trong đó: H a - độ cao điểm A so với mặt thủy chuẩn gốc (mặt Geoid); H’a - độ cao điểm A so với mặt thủy chuẩn quy ước; AH - độ chênh cao mặt thủy chuẩn quy ước với mặt thủy chuẩn gốc 1.1.3 Elipxoid trái đất Mãt Geoid Để thuận tiện tính tốn số liệu trắc địa cần xây dựng bề mặt toán học trái đất, Elipxoid trái đất có tính chất sau: - Tâm Elipxoid trùng với tâm trái đất - Thể tích elipxoid thể tích Geoid Mặt phẳng xích đạo Elipxoid trùng với mặt phẳng xích đạo trái đất - Tơng bình phương chênh cao mặt Elipxoid trái đất với mật Geoid nhỏ - Tại điểm trẽn bề'mặt trái đất phương pháp tuyến ln vng góc vói Elipxoid Kích thước Elipxoid đặc trung bán trục lớn a, bán trục bé b độ dẹt J _Ị} a = Bảng 1.1 Giới thiệu số Elipxoid mà công tác xử lý số liệu nước ta a sử dụng Bảng 1.1 Tên Elipxoid Everest Kraxovski WGS Năm Bán ưụ lớn a (m) Độ dẹt a 1830 1940 1984 6377296 6378245 6378137 :300,8 :298,3 :298,2 Ở Việt Nam, trước năm 1975 miền Bắc sử dụng số liệu Elipxoid chung Kraxovski, miền Nam dùng số tiêu Elinxoid Everest Hiện sở số liệu Elipxoid WGS - 84 với số liệu đo đạc xây dựng Edipxoid thực dựng liêng Nó làm sở tốn học hệ toạ độ VN - 2000 thay cho hệ toạ độ HN - 72 sử dụng trước §1.2 CÁC HỆ TỌA ĐỘ THƯỜNG DÙNG TRONG TRẮC ĐỊA 1.2.1 Hệ toạ độ địa lý Hệ toạ độ địa lý chọn tiái đất khối cầu, chọn tâm o trái đất làm gốc toạ độ Gác mặt phẳng gốc chọn mặt phẳng kinh tuyến chứa kinh gốc