BÁO CÁO THỰC TẬP-NGÀNH ĐO ĐẠC ĐỊA HÌNH

Nhiều nước cụng nghiệp phỏt triển đó chế tạo ra nhiều mỏy trắc địa cú kớch cỡ nhỏ, nhiều tớnh năng, cú độ chớnh xỏc cao, sử dụng mỏy tớnh điện tử vào việc giải cỏc bài toỏn trắc địa cú k

Đề tài: Xu thế phát triển của công tác đo đạc địa hình mặt đất

1. KHÁI LƯỢC V Ề LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH ĐO ĐẠC ĐỊA HèNH.

Sự ra đời và phỏt triển của nhành đo đạc địa hỡnh gắn liền với sự phỏt triển của xó hội loài người Thụng qua cỏc tài liệu khảo cổ chỳng ta cú thể khỏi quỏt như sau:

Vào khoảng ba ngàn năm trước cụng nguyờn, việc phõn chia và chiếm hữu đất đai ở Ai cập đó hỡnh thành Hàng năm sau cỏc trận lũ của sụng Nin người ta phải xỏc định lại ranh giới chiếm hữu đất, điều đú đó thỳc đẩy con người sỏng tạo ra cỏc dụng cụ và phương phỏp thớch hợp

để đo đạc, phõn chia đất Đú chớnh là điểm khởi đầu của cụng tỏc đo đạc địa hỡnh

Sau Ai Cập, Cổ Hi Lạp cú nền văn hoỏ phỏt triển mạnh Khoảng 300 năm trước cụng nguyờn nhà thiờn văn học Eratosten đó cho rằng quả đất cú dạng hỡnh cầu và đo được độ dài cung kinh tuyến

Thế kỷ thứ 13 Trung Quốc đó tỡm ra La bàn và ứng dụng la bàn vào thành lập bản đồ bằng phương phỏp sao hoả tõm

Thế kỷ 16 nhà bản đồ học Mecartor đó tỡm ra phộp chiếu ngang đồng gúc để vẽ bản đồ Thế kỷ 17 nhà bỏc học Vecnie đó phỏt m inh ra du xớch

Thế kỷ 18, nhà bỏc học Dalamber đó đo được độ dài kinh tuyến qua paris và đặt ra đơn vị

độ dài là một

Thế kỷ 19, nhà toỏn học Gauss đó tỡm ra phộp chiếu bản đồ mới

Trải qua nhiều thời đại, cựng với sự phỏt triển khụng ngừng của khoa học kỹ thuật và nền sản xuất xó hội, khoa học trắc địa ngày càng phỏt triển Những phỏt minh kớnh viễn vọng, logarit, tam giỏc lượng mặt cầu đó tạo điều kiện vững chắc cho sự phỏt triển của khoa học trắc địa

Trong những thập kỉ gần đõy, những thành tựu mới về khoa học kĩ thuật đó làm cho khoa học trắc địa cú bước phỏt triển mạnh: kỹ thuật thăm dũ từ xa (viễn thỏm) đó cho phộp thành lập bản đồ từ ảnh mỏy bay, ảnh vệ tinh Nhiều nước cụng nghiệp phỏt triển đó chế tạo ra nhiều mỏy trắc địa cú kớch cỡ nhỏ, nhiều tớnh năng, cú độ chớnh xỏc cao, sử dụng mỏy tớnh điện tử vào việc giải cỏc bài toỏn trắc địa cú khối lượng lớn v.v… là những thành tựu mới nhất của khoa học ỏp dụng trong trắc địa

Sự phỏt triển ngành Trắc địa ở Việt Nam Ở nước ta, ngành trắc địa đó phỏt triển từ lõu Nhõn dõn ta từ thuở xưa đó ỏp dụng kiến thức trắc địa vào sản xuất, quốc phũng Việc xõy dựng cỏc thành luỹ cổ như thành Cổ Loa, kinh đụ Hoa Lư, việc mở mang đường sỏ, sụng ngũi qua cỏc thời đại đó chứng minh vể hiểu biết trắc địa của nhõn dõn ta Đặc biệt dưới thời nhà Lờ, năm

1467, vua Lờ Thỏnh Tụng đó cho người đi khảo sỏt nỳi sụng để lập bản đồ nước Đại Việt thời Hồng Đức

Đầu thế kỷ 20, sau khi thụn tớnh và lập nền đụ hộ, Phỏp đó tiến hành cụng tỏc đo vẽ cho toàn bộ Đụng Dương nhằm mục đớch khai thỏc tối đa vựng đất này Việc đo đạc được tiến hành

có tổ chức, áp dụng các phương pháp đo khoa học và các máy móc có chất lượng cao Những bản

đồ, hồ sơ còn lưu trữ nói lên điề đó Hiện nay những bản đồ, những số liệu đo đạc từ trước năm

1945 vẫn còn được dùng trong một số ngành

Trong thời kháng chiến chống Pháp (1646-1954) công tác trắc địa chủ yếu phục vụ cho quân sự: như trắc địa pháo binh, công binh, trinh sát … Sau cuộc kháng chiến thành công, nhà nước Việt Nam ra đời năm 1959 đánh dấu một bước trưởng thành của ngành trắc địa Việt Nam

Đội ngũ người làm công tác đo đạc và bản đồ nhà nước là cơ quan có chức năng tổ chức việc đo vẽ bản đồ toàn quốc các tỷ lệ, ban hành Quy phạm trắc địa và thống nhất công tác trắc địa trong cả nước

2. NH ỮNG TIẾN BỘ KHOA HỌC CỦA ĐO ĐẠC ĐỊA HÌNH

Từ thời xa xưa, con người đã sử dụng thiên văn, la bàn và bản đồ để xác định vị trí và tìm

đường trong các chuyến thám hiểm khai phá các miền đất lạ Tuy nhiên phải đến năm 1995, khi

các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của Nga chính thức đi vào hoạt động, nhu cầu định vị dẫn đường mới được giải quyết một cách cơ bản

Ngoài mục tiêu quân sự như ý tưởng thiết kế ban đầu, các hệ thống vệ tinh định vị đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự Ngày nay, công nghệ định vị toàn cầu đã trở thành một ngành công nghiệp có doanh số hàng chục tỷ USD/năm và đang được phát triển mạnh mẽ

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu là một ví dụ tiêu biểu cho sự kết hợp giữa nghiên cứu

cơ bản với nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ

A. CÔNG NGH Ệ GPS

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

Các thành ph ần của GPS

Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng:

· 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

Hình 1 Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS

GPS CÓ THỂ ĐO NHỮNG GÌ?

Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau:

Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là mã P hay mã C/A Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0.3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh Vì mã đo khoảng cách P được truyền trên hai tần số L1 và L2 nên tương ứng cho hai trị đo P1 và P2 Trong khi đó mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị đo duy nhất C1

Hình 2 Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24 cm cho L2 Giả sử rằng độ phân giải của trị đo khoảng 1-2% bước sóng thì pha sóng mang có thể được

đo đến mức độ milimét Không may mắn là trị đo này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha để có thể chuyển thành khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Vì vậy để xử lý trị đo này cần có những phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa

Hình 3 Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ GPS

Độ chính xác định vị GPS không những chỉ phụ thuộc vào loại trị đo dùng trong xử lý mà còn phụ thuộc đáng kể vào kiểu định vị

ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI

Còn được gọi là định vị điểm đơn Trong kiểu này các trị đo được dùng là giả cự ly

Hình 4 Kỹ thuật định vị tuyệt đối

Hình 5 Giả sử toạ độ vệ tinh đã biết ( ), véc tỏ từ máy thu đến vệ tinh đo được là , thì toạ độ của máy thu ( ) có thể xác định được Tuy nhiên trong thực tế chúng ta không đo được mà chỉ đo được khoảng cách r Do đó cần ít nhất 3 vệ tinh khác nhau mới giải ra được toạ độ máy thu Ngoài ra do đồng hồ của máy thu luôn có sai số nên phát sinh thêm một ẩn số nữa và do vậy cần

có từ 4 vệ tinh trở lên

Hình 6 Trị đo giả cự ly chứa nhiều sai số dẫn đến toạ độ của máy thu có thể sai từ vài mét đến vài chục mét

ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI

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)

Hình 7 Kỹ thuật định vị tương đối

ĐỊNH VỊ ĐỘNG

Nếu trường hợp máy thu không đứng yên mà chuyển động liên tục thì ta gọi đó là định vị động Định vị động có độ chính xác kém hơn định vị tĩnh (trường hợp máy thu đứng yên) nhưng

có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như quản lý, điều khiển các đối tượng động tàu, xe, vv Định vị động cũng có hai kiểu: tuyệt đối và tương đối Kiểu tương đối được ưa chuộng hơn vì độ chính xác tốt hơn Trong trường hợp này, một máy thu được đặt cố định tại một điểm đã biết tọa

độ (gọi là base receiver hay reference station), máy thu thứ hai gắn trên các đối tượng động (gọi

là rove receiver hay mobile station) Nếu trạm tĩnh có trang bị thêm bộ phận phát radio để phát các thông tin (bao gồm vị trí trạm tĩnh và các số hiệu chỉnh khác) về phía trạm động để trạm này giải ra ngay tọa độ của mình thì ta gọi đây là kiểu định vị động thời gian thực (real-time kinematic – RTK)

Ngoài ra cùng v ới sự phát triển của công nghệ GPS người ta còn ứng dụng phương pháp

đo GPS động vào công tác đo sâu với các loại máy đo sâu hồi âm đơn tia hoặc đa tia Từ đó giúp cho con người có thể thực hiện được công tác đo vẽ địa hình đáy sông, đáy biển một cách chính xác

Hình 8:Hình ảnh mô phỏng công tác đo sâu dùng máy đo đa chùm tia Multibeam

Hình 9:Kỹ thuật đo sâu kết hợp thiết bị quét Side Scan Sonar để kiểm tra kích thước vật liệu đáy

B CÔNG NGH Ệ VIỄN THÁM

Vi ễn thám là gì?

Ở Việt Nam, viễn thám là một ngành còn chưa phổ biến, chúng ta vẫn thường nghe rất nhiều người hỏi viễn thám là gì

Nói một cách nôm na trong “viễn thám” có hai từ “viễn” và “thám” “Viễn” có nghĩa là

xa, từ xa, không tiếp xúc với đối tượng “Thám” có nghĩa là tìm hiểu, lấy thông tin về đối tượng

Ta có thể hiểu một cách đơn giản viễn thám là một ngành khoa học nghiên cứu đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng Trong tiếng Anh, viễn thám là “remote sensing”, thường được viết tắt là RS

Nếu nói một cách khoa học thì chúng ta có thể dùng định nghĩa sau:

"Viễn thám là một khoa học thu nhận thông tin của bề mặt trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt ấy Điều này được thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ, bức xạ từ đối tượng và sau đó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin nói trên." (theo CCRS)

Hình 10 Nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao

và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay

Từ những năm 60 của thế kỷ 20 với sự xuất hiện của vệ tinh nhân tạo đầu tiên thì kỹ thuật không gian đã có sự phát triển vượt bậc Vệ tinh là công cụ quan trọng trong nghiên cứu của khoa học hiện đại Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu Quan trắc trái đất và quan trắc không gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyển chuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển Rất nhiều những yếu tố, những vị trí trong khí quyển và trên trái đất trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với vệ tinh khí tượng đều có thể thực hiện được Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều

số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ

Nước ta nhiều đồi núi, địa hình phức tạp (độ cao, độ dốc, hướng, khe suối thung lũng…) điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn diễn biến phức tạp Cùng với sự ấm lên của khí hậu toàn

cầu các hiện tượng thời tiết bất thường như hạn hạn, lũ lụt ngày càng gia tăng và mức độ gây tổn hại ngày càng lớn, nhiệt độ tăng cao kết hợp với hạn hán dẫn tới nguy cơ cháy rừng, sự phát sinh phát triển của sâu bệnh đối với mùa màng ngày càng trầm trọng Vì vậy việc sử dụng các thông tin viễn thám tích hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cùng với các quan trắc thu được từ bề mặt sẽ đáp ứng khách quan và đa dạng các thông tin cần thiết phục vụ công tác nghiên cứu giám sát và dự báo khí tượng thuỷ văn, khí tượng nông nghiệp

và môi trường mà đặc biệt là phục vụ cho công tác giám sát và cảnh báo tác hại của thiên tai để

có các biện pháp phòng tránh và ứng cứu kịp thời

Hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau Theo trình

tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có:

Nguồn năng lượng Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng

để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng Thông tin viễn thám thu thập được là dựa vào năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận, nếu không có nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng sẽ không có năng lượng đi từ đối tượng đến thiết bị nhận

Những tia phát xạ và khí quyển Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng nên

sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm

Sự tương tác với đối tượng Một khi được truyền qua không khí đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tuỳ thuộc vào đặc điểm của cả đối tượng và sóng điện từ Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận-xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh Ảnh này chính là dữ liệu thô

Giải đoán và phân tích ảnh Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng được Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh Ảnh được giải đoán bằng một hoặc kết hợp nhiều phương pháp Các phương pháp này là giải đoán thủ công bằng mắt, giải đoán bằng kỹ thuật số hay các công cụ điện tử để lấy được thông tin về các đối tượng của khu vực đã chụp ảnh

Ứng dụng Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể

C CÔNG NGHỆ GIS

Giới thiệu sơ lược về GIS

Hệ thống thông tin địa lý GIS là một công cụ tập hợp những quy trình dựa trên máy tính

để lập bản đồ, lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật hiện tượng thực trên trái đất,

dự đoán tác động và hoạch định chiến lược

Một tập hợp có tổ chức của phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và con người được thiết

kế để thu nhận, lưu trữ, cập nhật, thao tác phân tích làm mô hình và hiển thị tất cả các dạng thông tin địa lý có quan hệ không gian nhằm giải quyết các vấn đề về quản lý và quy hoạch

GIS sẽ làm thay đổi đáng kể tốc độ mà thông tin địa lý được sản xuất, cập nhật và phân phối GIS cũng làm thay đổi phương pháp phân tích dữ liệu địa lý, hai ưu điểm quan trọng của GIS so với bản đồ giấy là:

- Dễ dàng cập nhật thông tin không gian

- Tổng hợp hiệu quả nhiều tập hợp dữ liệu thành một cơ sở dữ liệu kết hợp