3d/Mặt phẳng kinh tuyến gốc của mặt qui chiếu WGS-84 trùng với mặt phẳng kinh tuyến gốc của trái đất với tâm C.. Trục OX của hệ tọa độ là giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo của mặt quy c
PGS.TS Phạm Văn Chuyên PGS.TS PHẠM VĂN CHUYÊN GIÁO TRÌNH ĐO ĐẠC (2 tín chỉ) HÀ NỘI NĂM 2024 1 LỜI NÓI ĐẦU Nội dung tài liệu với thời lượng hai tín chỉ gồm có: Phần thứ nhất là dụng cụ đo đạc trắc địa hiện đại và tiên tiến của thế kỷ 21 như máy định vị toàn cầu GPS, máy toàn đạc điện tử, máy chiếu đứng thiên đỉnh laze.Phần thứ hai là đo đạc các yếu tố cơ bản của trắc địa như đo góc, đo dài , đo cao Đối tượng phục vụ của tài liệu là sinh viên ngành xây dựng đang học theo khung đào tạo trình độ quốc gia Việt Nam thuộc bậc 6 là đào tạo cử nhân có năng lực thực hành Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp Xin chân thành cám ơn và trân trọng giới thiệu tài liệu với bạn đọc Người biên soạn PGS.TS Phạm Văn Chuyên Trường Đại học Xây dựng Hà Nội 2 Phần thứ nhất DỤNG CỤ ĐO ĐẠC TRẮC ĐỊA Chương 1 CÁC HỆ TỌA ĐỘ TRONG TRẮC ĐỊA 1.1 KHÁI NIỆM 1/ Đối tượng nghiên cứu của Trắc địa là mặt đất 2/Mặt đất gồm có 29% lục địa và 71% là biển cả Núi cao nhất gần 9km Đáy biển sâu nhất gần 11km Gần đúng có thể coi Trái đất là hình cầu với bán kính 6371km 3/ Mục đích của Trắc địa là xác định tọa độ của các điểm thuộc trái đất 4/Vị trí điểm A trong không gian có thể được xác định bởi 3 yếu tố là: góc A, độ dài dA, độ cao HA(hình 1.1) Hình 1.1 5/ Nội dung của đo đạc gồm có: a/ Dụng cụ đo đạc trắc địa hiện đại và tiên tiến của thế kỷ 21 như máy định vị toàn cầu GPS , máy toàn đạc điện tử ,máy chiếu đứng thiên đỉnh laze b/ Đo đạc các yếu tố cơ bản của trắc địa như đo góc,đo dài ,đo cao 1-2 MẶT THỦY CHUẨN VÀ ĐỘ CAO 1/Độ cao H là một trong ba yếu tố (x, y, H) để định vị điểm trong không gian Vậy độ cao H là gì? 2/ Độ cao (thủy chuẩn) của một điểm là khoảng cách theo phương dây dọi kể từ điểm ấy đến mặt thủy chuẩn (hình 1.2) HA = AA0 3 dây dọi Hình 1.2 Ví dụ đỉnh núi Everest cao 8.848 mét 3/ Phương dây dọi là phương của sợi dây treo vật nặng 4/ Mặt thủy chuẩn (gêôit)là mặt nước biển trung bình yên tĩnh tưởng tượng kéo dài xuyên qua các lục địa làm thành một mặt cong khép kín có pháp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương dây dọi đi qua điểm ấy 5/Việt Nam chọn gốc của mặt thủy chuẩn tại Hòn Dấu (Đồ Sơn – Hải Phòng.) 1-3.ĐỊNH VỊ ĐIỂM THEO HỆ QUI CHIẾU QUỐC TẾ WGS-84 Từ năm 1984 thế giới sử dụng hệ qui chiếu WGS-84 để định vị điểm.Hiện nay việc đo đạc GPS của Mỹ theo hệ này 1/ Mặt qui chiếu WGS-84 (Oab) Mặt qui chiếu WGS-84 có ba đặc điểm: 1/ Hình dạng: là elip khối hai trục (do hình elip quay quanh trục bé tạo thành) 2/ Kích thước: bán trục lớn a= 6 378 137 m,độ dẹt cực = (a-b)/a = 1/298,257 3/Định vị: 3a/Tâm O của mặt qui chiếu WGS-84 trùng với tâm của trái đất C 3b/ Trục bé b của mặt qui chiếu WGS-84 trùng với trục quay thẳng đứng của trái đất với tâm C 3c/ Mặt phẳng xích đạo của mặt qui chiếu WGS-84 trùng với mặt phẳng xích đạo của trái đất với tâm C 3d/Mặt phẳng kinh tuyến gốc của mặt qui chiếu WGS-84 trùng với mặt phẳng kinh tuyến gốc của trái đất với tâm C Mặt qui chiếu WGS-84 là cơ sở để xác định tọa độ điểm mặt đất trên toàn thế giới 2/Hệ tọa độ địa tâm WGS-84(OXYZ) 1/Mặt qui chiếu WGS-84 là cơ sở để thành lập hệ tọa độ địa tâm WGS-84 (CXYZ): 4 2/Hệ tọa độ địa tâm WGS-84 (CXYZ) được thành lập như sau: 2a/ Gốc O của hệ tọa độ trùng với tâm C của Trái đất 2b/ Trục OZ của hệ tọa độ trùng với trục bé b của mặt quy chiếu WGS-84 , hướng lên trên Bắc Cực là chiều dương (+) 2c/ Trục OX của hệ tọa độ là giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo của mặt quy chiếu WGS-84 với mặt phẳng kinh tuyến gốc của mặt quy chiếu WGS-84 (Grinuyt, Luân Đôn, Anh) Hướng từ tâm O ra kinh tuyến gốc là chiều dương (+) 2d/ Trục OY của hệ tọa độ nằm trong mặt phẳng xích đạo của mặt quy chiếu WGS-84 và vuông góc với trục OX Hướng từ tâm O ra phía Đông bán cầu là chiều dương (+) 3/Đặc điểm: ba trục OX, OY, OZ vuông góc với nhau từng đôi một 4/Điểm A chiếu vuông góc xuống ba trục tọa độ được ba thành phần tọa độ đẻ định vị điểm A là XA,YA, ZA 5/Vi dụ:Điểm R (Tháp Rùa,Hà nội) có tọa độ địa tâm quốc tế WGS.84 là: XR= - 1626924,018 m YR= 5729423,469 m ZR= 2274274,990 m 3/ Hệ tọa độ Trắc địa WGS-84(BLHtđ) 1/Mặt qui chiếu WGS-84 là cơ sở để thành lập hệ tọa độ Trắc địa WGS-84(BLHtđ) 2/Hệ tọa độ Trắc địa WGS-84(BLHtđ) được thành lập bởi ba mặt gốc là: 2a/Mặt qui chiếu WGS-84 2b/Mặt phẳng xích đạo của mặt qui chiếu WGS-84 2c/Mặt phẳng kinh tuyến gốc của mặt qui chếu WGS-84 3/ Điểm A chiếu vuông góc xuống mặt qui chiếu WGS-84 được ba thành phần tọa độ để định vị điểm A là B,L,Htđ với ký hiệu: 3a/ Htđ = AA01ký hiệu độ cao Trắc địa WGS-84 ,.là khoảng cách theo phương pháp tuyến tính từ điểm ấy đến mặt qui chiếu WGS-84 3b/ B là độ vĩ Trắc địa WGS-84 3c/ L là độ kinh Trắc địa WGS-84 4/Ví dụ: Điểm R (Tháp Rùa,Hà nội) có tọa độ Trắc địa quốc tế WGS.84 là: BR= 21001’40,58 N LR= 105051’08,63 E HtđR= - 21,230 m 4/ Phép chiếu bản đồ UTM 1/Mặt qui chiếu WGS-84 là cơ sở để thực hiện phép chiếu bản đồ UTM 2/Đầu tiên mỗi một điểm A thuộc mặt đất tự nhiên sẽ được chiếu vuông góc xuống mặt quy chiếu WGS- 84 là A01 (phép chiếu thứ nhất) 3/Tiếp theo các điểm A01 thuộc mặt quy chiếu WGS-84 (cong) này sẽ được biểu diễn tương ứng trên mặt phẳng theo phép chiếu bản đồ UTM là A01’ (phép chiếu thứ hai) 5 4/Trong nội dung phép chiếu bản đồ UTM có mặt trụ nằm ngang cắt múi chiếu 6 độ theo hai vòng cát tuyến đối xứng qua kinh tuyến giữa múi và cách nó 180 km.Chiếu xuyên tâm.Khai triển mặt trụ thành mặt phẳng 5/ Hình chiếu của mỗi múi chiếu UTM có các đặc điểm sau: 5a/ Bảo toàn về góc (đồng dạng) 5b/ Xích đạo thành đường thẳng nằm ngang Kinh tuyến giữa múi thành đường thẳng đứng và chúng vuông góc với xích đạo 5c/ Biến dạng: + Chiều dài hình chiếu của hai cát tuyến bằng độ dài thật (hệ số biến dạng k = 1) + Phần trong giữa hai cát tuyến có chiều dài hình chiếu bị co ngắn lại (biến dạng âm) Kinh tuyến giữa múi bị co ngắn lại nhiều nhất, hình chiếu của nó trong múi loại sáu độ chỉ còn dài bằng k0 = 0,9996 chiều dài thật (trong múi loại ba độ có k0 = 0,9999) + Phần ngoài hai cát tuyến có chiều dài hình chiếu bị dãn dài ra (biến dạng dương) Kinh tuyến ở mép biên múi có chiều dài hình chiếu bị dãn dài ra nhiều nhất 5/ Hệ tọa độ vuông góc phẳng WGS-84 (oxy) 1/Mặt qui chiếu WGS.84 và phép chiếu bản đồ UTM là cơ sở để thành lập hệ tọa độ vuông góc phẳng WGS.84 2/ Trên mỗi múi chiếu bản đồ UTM-WGS-84 thế giới đãthành lập một hệ tọa độ vuông góc phẳng WGS- 84 như sau: 2a/ Gốc o nằm trên hình chiếu xích đạo và cách điểm chính giữa I của múi chiếu WGS-84 một đoạn làoI = 500km về bên trái 2b/ Trục x thẳng đứng ,đi qua gốc o, song song với hình chiếu kinh tuyến giữa múi WGS-84 (ox// IN)và cách nó một đoạn làoI = 500km về bên trái, hướng lên trên (phía bắc ) là chiều dương (+) 2c/Trụcy nằm ngang ,đi qua gốc o , trùng với hình chiếu xích đạo , vuông góc với trục x , hướng sang phải (phía đông) là chiều dương (+) 2d/- Để đơn trị người ta quy ước rằng: trước mỗi tung độ y phải ghi cả số hiệu múi chiếu q Giữa chúng (q và y) được ngăn cách với nhau bởi dấu chấm (.) 3/Ưu điểm:việc thành lập hệ tọa độ vuông góc phẳng WGS.84 như trên tạo cho mọi điểm thuộc Bắc bán cầu đềù có tọa độ (x,y) luôn dương: 4/Điểm A chiếu vuông góc xuống hai trục tọa độ được hai thành phần tọa độ để định vị A là xA,yA 5/ Ví dụ: B(xB = 2 123 456,789m, yB = 48.0512 345,678m) nhau: 6/ Nhận xét: tọa độ vuông góc phẳng WGS-84 (x;y) và tọa độ Trắc địa WGS-84 (B;L) có quan hệ với x = f1(B;L) (1.1) y = f2(B;L) (1.2) 1-4 ĐỊNH VỊ ĐIỂM THEO HỆ QUI CHIÊU QUỐC GIA VN-2000 Từ năm 2000 Việt Nam sử dung hệ qui chiếu VN-2000 để định vị điểm 1/Mặt qui chiếu VN-2000 ( O’a’b’) Mặt qui chiếu VN-2000có bađặc điểm: (hình 1.3) 6 1/ Hình dạng: là hình elip khối hai trục 2/ Kích thước:Bán trục lớn a’ = 6378137m.Độ dẹt cực ’ = (a’-b’) : a’ = 1/298,257 3/ Định vị: mặt elip khối được định vị vào Trái đất sao cho phần lãnh thổ Việt Nam gần trùng nhất với mặt thủy chuẩn (gêôit), khi ấy có tổng bình phương các khoảng cách từ mặt qui chiếu VN-2000 đến mặt thủy chuẩn (gêôit) là bé nhất Cụ thể lúc này là: 3a/Tâm O’ của mặt qui chiếu VN.2000 không trùng với tâm C của trái đất , chúng cách nhau khoảng 225 met (O’C ≈ 225 m) 3b/ Trục bé b’của mặt qui chiếu VN.2000 không trùng và không song song với trục quay thẳng đứng của trái đất 3c/ Mặt phẳng xích đạo của mặt qui chiếu VN.2000 không trùng và không song song với mặt phẳng xích đạo của trái đất 3d/ Mặt phẳng kinh tuyến gốccủa mặt qui chiếu VN.2000 không trùng và không song song với mặt phẳng kinh tuyến gốc của trái đất Mặt qui chiếu VN-2000là cơ sở để xác định tọa độ điểm trên lãnh thổ Việt nam 2/Hệ tọa độ địa tâm VN-2000 (0’X’Y’Z’) 1/Mặt qui chiếu VN-2000 là cơ sở để thành lập hệ tọa độ địa tâm VN-2000 (O’X’Y’Z’) 2/ Hệ tọa độ địa tâm VN-2000 (O’X’Y’Z’) được thành lập như sau (hình 1.4): 7 2a/ Gốc O’ của hệ tọa độ trùng với tâm O’ của mặt qui chiếu VN-2 000 2b/Trục O’Z’ của hệ tọa độ trùng với trục bé b của mặt qui chiếu VN-2 000 Hướng lên Bắc Cực là chiều dương (+) 2c/ Trục O’X’ của hệ tọa độ là giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo của mặt qui chiếu VN.2000 với mặt phẳng kinh tuyến gốc của mặt qui chiếu VN-2000 Hướng từ tâm O’ ra kinh tuyến gốc là chiều dương (+) 2d/ Trục O’Y’ của hệ tọa độ nằm trong mặt phẳng xích đạo của mặt qui chiếu VN-2000 và vuông góc với trục O’X’ Hướng từ tâm O’ ra Đông bán cầu là chiều dương (+) 3/ Đặc điểm: ba trục O’X’, O’Y’, O’Z’ vuông góc với nhau từng đôi một 4/Điểm A chiếu vuông góc xuống ba trục tọa độ được ba thành phần tọa độ để định vị điểm A là XA’,YA’,ZA’ 3/ Hệ tọa độ Trắc địa VN-2000 (B’L’H’) 1/ Mặt qui chiếu VN-2000 là cơ sở để thành lập hệ tọa độ Trắc địa VN-2000 (B’L’H’) 2/ Hệ tọa độ Trắc địa VN-2000 (B’L’H’) được thành lập bởi ba mặt gốc là (hình 1.5): 2a/Mặt qui chiếu VN-2000 2b/Mặt phẳng xích đạo của mặt qui chiếu VN-2000 2c/Mặt phẳng kinh tuyến gốc của mặt qui chiếu VN-2000 8 3/ Điểm A chiếu vuông góc xuống mặt qui chiếu VN-2000 được ba thành phần tọa độ để định vị điểm A là B’,L’,H’ với ký hiệu: 3a/ H’ = AA02 ký hiệu độ cao Trắc địa VN-2000,là khoảng cách theo phương pháp tuyến kể từ điểm ấy đến mặt qui chiếu VN-2000 3b/ B’: ký hiệu độ vĩ Trắc địa VN-2000, là góc nhọn hợp bởi pháp tuyến AA02của mặt quy chiếu VN-2000 với mặt phẳng xích đạo của mặt qui chiếu VN-2000, nó có giá trị từ O đến 90 và được tính từ mặt phẳng xích đạo này về hai phía Bắc bán cầu và Nam bán cầu, tương ứng gọi là độ vĩ Bắc (N) hay độ vĩ Nam (S) 3c/ L’: ký hiệu độ kinh Trắc địa VN-2000,là góc phẳng của nhị diện tạo bởi mặt phẳng kinh tuyến gốccủa mặt quy chiếu VN-2000 với mặt phẳng kinh tuyến chứa A02 của mặt qui chiếu VN-2000, nó có giá trị từ O đến 180 và được tính từ mặt phẳng kinh tuyến gốc này về hai phía Đông bán cầu và Tây bán cầu, tương ứng gọi là độ kinh Đông (E) hay độ kinh Tây (W) 4/ Phép chiếu bản đồ UTM (VN.2000) 1/Mặt qui chiếu VN-2000 là cơ sở để thực hiện phép chiếu bản đồ UTM (VN-2000) 2/Đầu tiên mỗi một điểm A thuộc mặt đất tự nhiên sẽ được chiếu vuông góc xuống mặt quy chiếu VN- 2000 là A02 (phép chiếu thứ nhất) 3/ Tiếp theo các điểm A02 thuộc mặt quy chiếu VN-2000 (cong) này sẽ được biểu diễn tương ứng trên mặt phẳng theo phép chiếu bản đồ UTM (VN-200) là A02’ (phép chiếu thứ hai) 4/Nội dung của phép chiếu bản đồ UTM (VN-2000): 4a/ Mặt quy chiếu VN-2000 được phân chia bởi các kinh tuyến thành những múi bằng nhau rộng 6 Các múi này được ghi số hiệu là q = 1, 2, 3… 60, kể từ kinh tuyến 180 vòng hết Tây bán cầu sang Đông bán cầu 4b/ Dựng một mặt trụ nằm ngang cắt múi đang xét của mặt quy chiếu VN-2000 theo hai vòng cát tuyến đối xứng nhau qua kinh tuyến giữa múi Mỗi vòng cát tuyến này đều cách kinh tuyến giữa múi là 180km 4c/ Đặt nguồn sáng điểm tại tâm O’ của mặt quy chiếu VN-2000 để chiếu xuyên tâm múi đang xét lên mặt trụ nằm ngang 4d/ Khai triển mặt trụ thành mặt phẳng Tưởng tượng cắt hình trụ theo hai đường sinh cao nhất và thấp nhất, rồi trải mặt trụ thành mặt phẳng 9 5/ Hình chiếu của mỗi múi UTM (VN2000) có các đặc điểm sau: 5a/ Bảo toàn về góc (đồng dạng) 5b/ Xích đạo thành đường thẳng nằm ngang Kinh tuyến giữa múi thành đường thẳng đứng và chúng vuông góc với xích đạo 5c/ Biến dạng: + Chiều dài hình chiếu của hai cát tuyến bằng độ dài thật (hệ số biến dạng k = 1) + Phần trong giữa hai cát tuyến có chiều dài hình chiếu bị co ngắn lại (biến dạng âm) Kinh tuyến giữa múi bị co ngắn lại nhiều nhất, hình chiếu của nó trong múi loại sáu độ chỉ còn dài bằng k0 =0,9996 chiều dài thật (trong múi ba độ có k0 = 0,9999) + Phần ngoài hai cát tuyến có chiều dài hình chiếu bị dãn dài ra (biến dạng dương) Kinh tuyến ở mép biên múi có chiều dài hình chiếu bị dãn dài ra nhiều nhất 5/ Hệ tọa độ vuông góc phẳng VN-2000 (o’x’y’) 1/Mặt qui chiếu VN.2000 và phép chiếu bản đồ UTM (VN.2000) là cơ sở để thành lập hệ tọa độ vuông góc phẳng VN.2000 Hình 1.6 2/ Nhờ phép chiếu bản đồ UTM (VN.2000) nói trên mà mỗi một điểm A02 thuộc mặt quy chiếu VN-2000 sẽ cho một điểm ảnh tương ứng A02’ ở trên mặt phẳng Vị trí điểm A02’ này được xác định bằng cách trong mỗi một múi chiếu sẽ thành lập một hệ tọa độ vuông góc phẳng VN-2000 như sau (hình 1.6): 2a/Gốc o’ nằm trên xích đạo và cách điểm chính giữa (I’) của múi chiếu VN-2000 một đoạn là o’I’ = 500 km về bên trái 2b/ Trụcx’thẳng đứng , đi qua gốc o’ , song song với kinh tuyến giữa múi chiếu VN-2000 (o’x’ //I’N) và cách nó một đoạn là o’I’ = 500 km về bên trái (tại vì nửa múi chỗ rộng rất gần bằng 333km), hướng lên trên (phía bắc) là chiều dương (+) 2c/ Trụcy’nằm ngang , đi qua gốc o’, trùng với hình chiếu xích đạo,vuông góc với trục x’ , hướng sang phải (phía đông) là chiều dương (+) 10