d.1. Nguyên tắc và các phương pháp đo mặt cắt ngang truyền thống. *. Nguyên tắc đo mặt cắt ngang tuyến đường.
Để đo mặt cắt ngang tuyến đường cần xác định vị trí (mặt bằng và độ cao) của những điểm đặc trưng (điểm địa hình và địa vật) trên hướng mặt cắt ngang. Với hướng mặt cắt ngang đã biết ta chỉ cần xác định khoảng cách dồn từ tim đường đến điểm đo hoặc khoảng cách lẻ giữa các điểm đo, xác định hiệu độ cao giữa các điểm đo hoặc giữa các điểm đo với tim đường (Hình IV-14).
s h 1 1 h s2 2 s s s h s3 3 h h h 4 5 6 4 5 6 Tim đường
Hình IV-14: Nguyên tắc đo mặt cắt ngang
* Các phương pháp đo mặt cắt ngang truyền thống.
Từ nguyên tắc trên đã có nhiều phương pháp đo mặt cắt ngang như:
- Phương pháp sử dụng máy kinh vĩ và mia đứng.
Theo phương pháp này khoảng cách từ máy đến mia và hiệu độ cao được xác định theo công thức sau:
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 89 − + = = l i tgV S h V n K S . cos . . 2 (IV-9)
- Phương pháp sử dụng máy thuỷ bình, mia đứng và thước thép.
Trong đó khoảng cách được đo bằng thước thép, hiệu độ cao đo bằng máy thuỷ bình và mia đứng.
- Phương pháp sử dụng thước chữ A ..
d.2. Đo vẽ mặt cắt ngang bằng GPS.
Đo GPS cho kết quả là toạ độ không gian (x,y,H) của một điểm. Trong đó H là độ cao trắc địạ Tuy nhiên trong phạm vi nhỏ thì độ lệch giữa hiệu độ cao trắc địa và hiệu độ cao thuỷ chuẩn rất nhỏ. Do vậy sử dụng GPS để đo mặt cắt ngang thì ngoài việc xác định được khoảng cách chính xác giữa các điểm còn xác định được hiệu độ cao giữa các điểm trên hướng mặt cắt ngang.
Để đo mặt cắt ngang bằng GPS ta sử dụng phương pháp đo động với đặc điểm là thời gian đo ngắn và đảm bảo độ chính xác. Trong đó một trạm máy cố định (trạm Base) đặt tại một điểm bấy kỳ còn trạm máy di động (trạm Rover) di chuyển trên các điểm cần đo trên hướng mặt cắt ngang (Hình IV-15). Kết quả thu được là số gia toạ độ và hiệu độ cao giữa trạm cố định (trạm base) và các trạm di động ( trạm rover). Từ đó dễ dàng tính ra khoảng cách và hiệu độ cao theo nguyên tắc trên.
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 90
Trạm cố định (base)
Đ0 1 2 3 Tim đường
Trạm động (Rover)
Hình IV-15: Đo mặt cắt ngang tuyến đường bằng GPS - ưu điểm của phương pháp.
+ Thời gian đo nhanh, mỗi điểm đo tiến hành trong vài giâỵ + Số liệu được lưu trữ trong máỵ
+ Độ chính xác của phương pháp rất caọ
+ Khoảng cách từ trạm base đến trạm rover có thể tới hàng chục Km. Do vậy một trạm cố định (trạm base) có thể đo được rất nhiều mặt cắt ngangà năng suất đo caọ
- Nhược điểm của phương pháp.
+ Đòi hỏi điều kiện khắt khe về vị trí điểm đo (góc mở trên bầu trời không nhỏ hơn 1100).
+ Những ghi chú đặc biệt của điểm đo phải thực hiện thủ công. + Kết quả đo phụ thuộc hoàn toàn vào tín hiệu vệ tinh.
Kết luận.
Hoàn toàn có thể sử dụng được GPS để đo mặt cắt ngang tuyến đường đạt độ chính xác cao và thời gian đo ngắn. Khi sử dụng GPS cần lưu ý các điều kiện đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trong suốt quá trình đọ
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 91 Dựa vào kết quả đo GPS xác định được độ cao và khoảng cách giữa các điểm. Do vậy có thể ứng dụng GPS trong đo vẽ mặt cắt dọc tuyến đường. Tuy nhiên do đặc điểm của mặt cắt dọc là kéo dài theo tuyến, do vậy độ chính xác trong đo cao của GPS còn phải đánh giá thêm về độ chính xác. Vì vậy để ứng dụng GPS trong đo vẽ mặt cắt dọc thì cần phải có nghiên cứu đầy đủ về công tác đo cao của GPS.
ẹ Đo vẽ bình đồ.
Chúng ta biết rằng để đo bản đồ người chia thành 02 nhóm phương pháp:
- Nhóm phương pháp đo ảnh: Theo phương pháp này bản đồ được xử lý từ kết quả đo ảnh bề mặt đất.
- Nhóm các phương pháp đo điểm: Chia bề mặt trái đất thành các điểm đặc trưng (điểm chi tiết), sau đó tiến hành đo vẽ các điểm chi tiết.
Kết quả đo GPS cho toạ độ (vị trí) của điểm trên mặt đất. Vì vậy hoàn toàn có thể dụng GPS để đo điểm chi tiết vẽ bản đồ. Trên thế giới đã ứng dụng GPS với phương pháp đo động để đo bản đồ từ rất lâụ ở Việt Nam trong những năm gần đây cũng bắt đầu sử dụng GPS để đo bản đồ tỷ lệ lớn.
ưu nhược điểm của phương pháp đo bản đồ bằng GPS.
- ưu điểm:
+ Thời gian đo rất nhanh (mỗi điểm đo tiến hành trong vài giây).
+ Độ chính xác của điểm đo rất cao, hơn hẳn các phương pháp truyền thống. + Dữ liệu được lưu trữ trong máỵ
+ Không phụ thuộc vào thời gian và thời tiết.
+ Không cần phải lập đường chuyền phục vụ cho công tác đo bản đồ. - Nhược điểm.
+ Yêu cầu tương đối khắt khe về điểm đo, không thực hiện được khu vực đo hạn chế khả năng thu tín hiệu của vệ tinh như trong rừng hoặc khu vực có nhiều nhà cao tầng liền kề nhaụ
+ Xử lý số liệu tương đối phức tạp.
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 92
IV.2 khảo sát đường ô tô bằng máy toàn đạc điện tử
IV.2.1 khái quát về máy toàn đạc điện tử.
ạ Sơ đồ khối của máy toàn đạc điện tử (TĐĐT).
Máy toàn đạc điện tử là loại máy trắc địa đa chức năng cho phép giải quyết rất nhiều bài toán của chuyên ngành trắc địạ Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng chế tạo các máy toàn đạc điện tử, chúng có hình dạng, kích thước, trọng lượng và tính năng kĩ thuật khác nhau nhưng chúng đều có sơ đồ khối cấu tạo tổng quát như sau:
máy đo xa điện tử
1
(edm)
(dt)
2
máy kinh vĩ điện tử
(cpu) 3
phần mềm tiện ích
Hình IV-16: Sơ đồ khối tổng quát của máy toàn đạc điện tử
Khối 1: Máy đo xa điện tử (Electronic Distance Metter- EDM).
Chức năng: Thực hiện việc tự động đo khoảng cách nghiêng từ điểm đặt máy đến gương hoặc các bề mặt phản xạ.
Khối 2: Máy kinh vĩ điện tử (Digital Theodolite – DT)
Chức năng: Thực hiện tự động quá trình đo góc bằng và góc đứng. Kết quả đo hiện góc hiện ra dưới dạng số trên màn hình của máy hoặc chuyển vào bộ xử lý (Khối 3) của máy TĐĐT.
Khối 3: Phần mềm tiện ích (Central Processing Unit- CPU) Chức năng:
- Thực hiện các bài toán trắc địa, xử lý các số liệu đo góc, đo cạnh từ máy đo xa và máy kinh vĩ điện tử để tính ra các đại lượng cần thiết: VD Tính toạ độ và độ cao từ số liệu đo góc, đo cạnh, tính khoảng cách nằm ngang.
- Thực hiện quản lý dữ liệụ
- Thực hiện chức năng giao tiếp giữa máy TĐĐT và các thiết bị khác như máy tính cá nhân (PC), máy đo GPS
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 93 Sau đây sẽ giới thiệu cấu tạo chi tiết của các khối trên.
ạ1. Máy đo xa điện tử.
Giả sử cần đo khoảng cách AB người ta đặt tại A bộ phận thu phát tín hiệu, còn đặt tại B hệ thống phản hồi tín hiệụ Bộ phận thu phát tín hiệu sẽ phát đi một tín hiệu, tín hiệu này đi từ máy phát đến hệ thống phản hồi tín hiệu phản xạ quay trở lại máy phát, máy thu lại tín hiệu phản hồi (Hình IVI-2).
A B
D
Hình IV- 17: Nguyên lý cơ sở của phương pháp đo xa điện tử
Nếu đo được thời gian tín hiệu lan truyền đi và về trên khoảng cách cần đo, đồng thời biết được vận tốc của tín hiệu chúng ta sẽ xác định được khoảng cách nghiêng giữa hai điểm theo công thức:
vt D 2 1 = (IV-10) Trong đó : D- Khoảng cách cần đo .
t- Thời gian tín hiệu lan truyền đi và về trên khoảng cách cần đọ v- Vận tốc lan truyền tín hiệụ
Tín hiệu sử dụng để đo khoảng cách có thể là sóng âm hoặc sóng điện từ hoặc là tia lazẹ Tuy nhiên vận tốc của sóng âm thanh trong không khí phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố khí tượng. Vì vậy sóng âm chỉ được sử dụng để chế tạo các thiết bị đo khoảng cách có độ chính xác không caọ Để đo được các khoảng cách với độ chính xác cao ta phải sử dụng sóng điện từ.
Tất cả các máy đo xa điện tử đều xác định thời gian lan truyền tín hiệu t còn tốc độ lan truyền tín hiệu v trong trường hợp này chúng ta giả thiết đã biết. Thực tế tốc độ lan truyền tín hiệu v được xác định thông qua vận tốc ánh sáng trong chân không và chiết suất
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 94 của môi trường. Vì vận tốc lan truyền sóng điện từ trong không gian có trị số rất lớn nó xấp xỉ bằng 3.108 m/s vì vậy chỉ một sai số đo trong thời gian ∆t rất nhỏ cũng sẽ gây ra một sai số rất lớn trong kết quả đo khoảng cách như trong bảng III-1:
Bảng IV-3: ảnh hưởng sai số thời gian đến sai số đo khoảng cách
Sai số đo thời gian
t
∆ (giây) Sai số đo khoảng cách ∆D(cm)
1.0 1.5.1010 0.01 1.5.108 0.001 1.5.107 0.00001 1.5.105 0.0000001 1.5.102 0.0000000001 1.5
Thời gian lan truyền tín hiệu có thể được đo một cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua một tham số nào đó của dao động điện từ (ví dụ như pha hoặc tần số của dao động).
Thực chất của việc đo khoảng cách bằng máy đo xa điện tử là so sánh cùng một tham số của sóng điện từ trước và sau khi đi qua khoảng cách cần đo và thông qua đó xác định được thời gian lan truyền tín hiệu t.
Mỗi tín hiệu phát đi sẽ đến bộ phận thu theo hai đường: Đường thứ nhất: đi qua khoảng cách cần đo tới gương rồi phản xạ lại (tín hiệu này được gọi là tín hiệu đo hay tín hiệu phản hồi). Đường thứ hai: đi thẳng từ bộ phận phát tới bộ phận thu (tín hiệu đi theo đường này gọi là tín hiệu gốc). ở bộ phận thu máy sẽ tiến hành so sánh tín hiệu gốc với tín hiệu phản hồi theo tham số đã được chọn hay nói cách khác là đo độ chênh lệch của chúng. Việc lựa chọn tham số này hay tham số khác để tiến hành so sánh tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồi sẽ xác định loại máy đo xa điện tử. Hiện nay có các loại máy saụ
+ Máy loại xung: Tín hiệu là các xung điện từ siêu cao tần hoặc các xung ánh sáng cực ngắn. Thời gian được xác định trực tiếp.
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 95 + Phương pháp pha: Tín hiệu là dao động hình sin liên tục, thời gian được xác định gián tiếp thông qua hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồi .
+ Phương pháp giao thoa: Tín hiệu là dao động hình sin liên tục, thời gian được xác định bằng cách ghi các vân giao thoa của tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồị
+ Phương pháp tần số: Tín hiệu là dao động hình sin liên tục điều biến theo tần số, thời gian được xác định thông qua việc so sánh tần số của tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồị Phương pháp xung và phương pháp pha được sử dụng phổ biến trong các máy đo xa điện tử có độ chính xác caọ
Máy đo xa thực hiện đo khoảng các nhiều lần sau đó xử lý và hiển thị cho kết quả chính xác nhất.
Độ chính xác của máy đo xa điện tử rất cao chỉ vài mm/km. Thời gian đo trong vài giâỵ
ạ2. Nguyên lý cấu tạo của máy kinh vĩ số (Digital Theodolite - DT).
Về nguyên lý cấu tạo thì máy kinh vĩ số hoàn toàn giống như máy kinh vĩ quang học thông thường. Nó gồm các bộ phận chính sau:
- Bàn độ ngang, bàn độ đứng. - ống kính.
- Bộ phận đọc giá trị và hiển thị kết quả.
Tuy nhiên máy kinh vĩ số có đặc điểm khác biệt là bàn độ ngang và bàn độ đứng được mã hoá (còn gọi là số hoá) do vậy để đọc giá trị trên bàn độ đã mã hoá phải sử dụng các thiết bị đọc điện tử chuyên dụng, các thao tác đối với bàn độ đã được số hoá cũng khác so với bàn độ của máy kinh vĩ quang học thông thường. Số liệu đọc được hiện thị trên màn hình tinh thể lỏng.
Hiện nay để số hoá bàn độ của máy kinh vĩ người ta sử dụng hai phương án:
- Phương án mã hoá bàn độ .
Các máy kinh vĩ loại này được gọi là máy kinh vĩ mã hoá (Code- Theodolite). Cấu tạo của bàn độ mã hoá như sau:
Vùng làm việc của bàn độ (giống vùng khắc vạch của các máy kinh vĩ thông thường) được chia thành các rãnh (Stack), trong mỗi rãnh người ta lại phân thành các ô vuông riêng
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 96 biệt kề nhaụ Các ô vuông có thể được sơn đen hoặc để trong suốt, khi chiếu ánh sáng qua ô vuông bôi sơn đen sẽ không cho ánh sáng đi qua (tương ứng với 0 ), các ô trong suốt cho ánh sáng qua được (tương ứng với 1). Mỗi một ô như vậy mang một đơn vị thông tin cơ bản (số 0 hoặc số 1) gọi là 1 bit .
Hình IVI-3 là sơ đồ bàn độ của máy kinh vĩ mã hoá Zeiss Elta do hãng Carl Zeiss chế tạọ
Hình IV-18: Một vùng bàn độ của máy kinh vĩ số loại mã hoá
Với cách mã hoá như trên, mỗi vị trí bàn độ sẽ ứng với một mã nhất định (vì vậy các máy loại này còn được gọi là các máy mã hoá tuyệt đối ). Để đọc mã bàn độ, người ta dùng một cửa sổ đọc, thông thường cửa đọc số có bề rộng là 1 bite (8 bit). Muốn hiểu được giá trị của bàn độ cần phải dùng bộ giải mã (Decoder) để chuyển số đọc từ dạng mã hoá sang dạng số.
Ưu điểm của phương án mã hoá bàn độ là dễ dàng tăng được độ phân giải của bàn độ (bằng cách tăng thêm Stack ), ví dụ với 4 Stack độ phân giải của bàn độ là 1’ nhưng với 5 Stack độ phân giải của bàn độ là 1”. Tuy nhiên về mặt kĩ thuật các máy kinh vĩ mã hoá khó chế tạo hơn .
- Phương án xung
Trong phương án xung, vùng làm việc được chia thành các vạch trong suốt và sẫm màu xen kẽ nhau, khoảng cách giữa các vạch đúng bằng độ rộng của chúng. Khi chiếu ánh
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 97 sáng qua bàn độ loại này chúng ta sẽ thu được các xung ánh sáng như hình Hình IVI- 4 và cuối cùng sau khi qua mạch vi phân ta có các xung như Hình IVI- 5c.
Hình IV-19: Một vùng bàn độ của máy kinh vĩ số loại xung.
a) Một vùng bàn độ của máy kinh vĩ số loại xung
b) Cuờng độ ánh sáng ở phía sau vùng bàn độ
c) Các xung đuợc tạo thành ở lối ra của mạch vi phân
Hình IV-20: Sơ đồ giải thích quá trình số hoá bàn độ của máy kinh vĩ dạng xung
Như vậy, nếu đánh dấu một xung ban đầu (ví dụ số 0) thì mỗi vị trí bàn độ sẽ tương ứng một xung nhất định tính từ xung khởi đầu số 0. Trong trường hợp này việc đọc số giống như bàn độ chia vạch thông thường, chỉ khác là thay cho việc đọc số bằng microscope chúng ta dùng bộ phận đếm xung .
Chương IV: Các công nghệ và máy móc hiện đại áp dụng cho công tác khảo sát 98 Việc chế tạo các máy kinh vĩ loại xung đơn giản hơn các máy kinh vĩ mã hoá vì vậy