Để thành lập bình đồ, bản đồ trên khu vực, nhất thiết phải xây dựng trên đó một mạng lới các điểm trắc địa có toạ độ và độ cao thống nhất gọi là lới khống chế (lới trắc địa). Những điểm này cần đợc gia cố chắc chắn ngoài thực địa và đợc bảo quản, gìn giữ lâu dài.
Lới trắc địa ở nớc ta đợc chia làm ba dạng: lới Nhà nớc (còn gọi là lới Quốc gia), lới chêm dày và lới đo vẽ. Những dạng lới này đều đợc xây dựng trên nguyên tắc “từ toàn diện đến cục bộ”, từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp. Điều đó có nghĩa là trên toàn bộ lãnh thổ sẽ xây dựng một mạng lới điểm khống chế có mật độ tơng đối tha, toạ độ và độ cao của chúng đợc xác định với độ chính xác cao nhất. Sau đó, lới này đợc chêm dày thêm một số bậc. Toạ độ và độ cao các điểm của những bậc tiếp theo đợc xác định dựa trên cơ sở các điểm của những bậc khống chế cấp trên. Độ chính xác xác định toạ độ và độ cao ở các bậc khống chế tiếp theo bao giờ cũng thấp hơn độ chính xác của các điểm ở bậc khống chế trên đó. Lới khống chế trắc địa Nhà nớc là cơ sở trắc địa cơ bản để đo vẽ địa hình các loại tỷ lệ, đồng thời thoả mãn các yêu cầu của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng cũng nh để giải quyết các nhiệm vụ khoa học kỹ thuật cụ thể khác.
Lới khống chế mặt bằng Nhà nớc đợc chia ra lới cấp 1, 2, 3 và 4. Các cấp lới này có những thông số kỹ thuật đợc quy định khác nhau nh về độ chính xác đo góc, đo cạnh và chiều dài các cạnh (bảng 7.1)
Bảng 7.1. Một số tiêu chuẩn kỹ thuật của lới Nhà nớc
Cấp lới Cấp 1 Cấp 2 Cấp 3 Cấp 4
Sai số đo góc 0’’,7 1’’,0 1’’,5 2’’,0
Sai số đo cạnh 1: 200 000 1: 150 000 1: 100 000 1: 70 000 Chiều dài cạnh 20 - 25km 7 - 20km 5 - 8 km 2 - 5km
Lới khống chế chêm dày (lới khu vực) là lới điểm bổ sung, chêm dày thêm vào lới khống chế Nhà nớc. Chúng là những điểm của lới giải tích và đờng chuyền đa giác bậc 1 và 2. Các bậc lới khống chế chêm dày này cũng đợc quy định dựa theo độ chính xác đo góc, đo cạnh và chiều dài các cạnh.
Lới khống chế đo vẽ là cơ sở trực tiếp phục vụ cho đo vẽ lập bình đồ, bản đồ. Lới đợc phát triển dựa trên các điểm của lới khống chế Nhà nớc và lới chêm dày. Mật độ điểm của lới không chế đo vẽ phụ thuộc vào tỷ lệ cần đo vẽ, vào phơng pháp đo vẽ và đợc quy định trong các tiêu chuẩn chuyên ngành.
Việc xây dựng mạng lới khống chế Nhà nớc là một công tác trắc địa cơ bản độc lập đối với lãnh thổ cả nớc. Các điểm của lới khống chế Nhà nớc là cơ sở gốc để xây dựng mạng lới chêm dày. Trên cơ sở các điểm của lới khống chế Nhà nớc và lới chêm dày sẽ xây dựng lới khống chế đo vẽ trực tiếp ngay trên những khu vực có diện tích không lớn phục vụ cho đo vẽ lập bản đồ, bình đồ khu vực đó.
Vị trí mặt bằng của các điểm khống chế đợc xác định trong một hệ toạ độ Quốc gia chung, từ năm 2000, chúng ta đã thay đổi hệ quy chiếu Quốc gia và chuyển từ hệ Hà Nội 72 (HN-72) dùng phép chiếu Gauxơ sang hệ VN-2000 dùng phép chiếu UTM (xem 2.5 và 2.6), còn độ cao đợc lấy từ mặt nớc gốc đi qua điểm “0” của trạm nghiệm triều Hòn Dấu (Đồ Sơn - Hải Phòng) cho phạm vi cả nớc.
Lới khống chế mặt bằng đợc xây dựng theo phơng pháp tam giác đo góc, phơng pháp đo toàn cạnh, phơng pháp đờng chuyền, phơng pháp dùng công nghệ định vị vệ tinh GPS và phơng pháp kết hợp .
Phơng pháp tam giác đo góc là xây dựng trên thực địa một hệ thống điểm hình thành một chuỗi tam giác hoặc một lới tam giác dày đặc. Trong mỗi tam giác, tiến hành đo tất cả các góc ngang, ở đầu và cuối khu vực của lới cần đo chiều dài của ít nhất hai cạnh gọi là cạnh đáy hoặc là cạnh khởi tính. Theo các góc đo và chiều dài của một cạnh, từ một điểm có toạ độ gốc, có thể lần lợt tính ra toạ độ mặt bằng của tất cả các điểm theo nội dung bài toán chuyền toạ độ. Cho đến nay, ngoại trừ phơng pháp đo bằng GPS thì phơng pháp tam giác đo góc vẫn là một phơng pháp chính xác và có năng suất nhất để xây dựng lới khống chế trắc địa trên những phạm vi lớn. Tuy nhiên, do sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật, hiện nay đã có những máy đo chiều dài bằng sóng điện từ có thể đo đợc các khoảng cách lớn với độ chính xác cao, nên lới khống chế còn đợc xây dựng bằng phơng pháp đo toàn cạnh.
Phơng pháp đo toàn cạnh chỉ khác so với phơng pháp tam giác đo góc là trong các tam giác ngời ta không đo các góc mà đo tất cả các cạnh và cũng dựa vào việc giải tam giác, sau khi tính đợc các góc, sẽ tiến hành tính chuyền phơng vị và tính chuyền toạ độ để tính ra toạ độ các điểm trong lới.
Phơng pháp đờng chuyền là xây dựng trên thực địa các điểm hình thành những tuyến gãy khúc khép kín hoặc dựa vào các điểm của lới cấp cao hơn, trong đó đo khoảng cách giữa các điểm kề nhau và tất cả các góc ngang tại các điểm. Trong phơng pháp này vừa đo góc, vừa đo cạnh, nhất là khi các phơng tiện đo cạnh ngày một phát triển và vị trí các điểm đợc lại đợc bố trí khá linh hoạt có thể tránh đợc các trớng ngại vật nên thờng không phải dựng cột tiêu cao, giảm giá thành xây dựng lới nên phơng pháp đờng chuyền ngày càng đợc áp dụng rộng rãi. Ngoài ra, nhờ tiến bộ của khoa học kỹ thuật, những năm gần đây công nghệ GPS đã đợc áp dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đó có các công tác trắc địa, đặc biệt là trong công tác xây dựng l ới khống chế. Vì thế, xây dựng lới bằng công nghệ GPS là phơng pháp hiệu quả nhất hiện nay.
Do giới hạn của chơng trình, dới đây chúng tôi chỉ đề cập đến lới khống chế đo vẽ và công tác xây dựng loại lới này.
7.2. Lới khống chế đo vẽ v nhữà ng yêu cầu khi xây dựng lới
Lới khống chế đo vẽ đợc xây dựng dới dạng các đờng chuyền kinh vĩ, toàn đạc, bàn đạc, lới các tam giác nhỏ đo góc, các phơng pháp giao hội trắc địa và dùng công nghệ GPS. Thông th- ờng vị trí mặt bằng và cao độ các điểm đợc xác định đồng thời. Độ cao các điểm của lới khống chế đo vẽ đợc xác định bằng đo cao hình học hoắc đo cao lợng giác, thậm chí có thể dùng tia ngắm nằm ngang của máy kinh vĩ có ống thuỷ gắn trên ống kính.
Trên những khu vực cần đo vẽ có diện tích không quá 1km2 có thể xây dựng một lới khống chế trắc địa độc lập.
Mật độ điểm của lới khống chế đo vẽ phụ thuộc vào tỷ lệ cần đo vẽ, vào các phơng pháp đo vẽ và đợc quy định trong quy phạm đo vẽ địa hình. Đối với mỗi tỷ lệ đo vẽ, mật độ điểm khống chế đợc quy định nh sau:
- Khi đo vẽ tỷ lệ 1 : 5000 cần 4 điểm trên 1km2; - Khi đo vẽ tỷ lệ 1 : 2000 cần 12 điểm trên 1km2; - Khi đo vẽ tỷ lệ 1 : 1000 cần 16 điểm trên 1km2;
- Khi đo vẽ tỷ lệ 1 : 500 trong khu xây dựng cần xác định số lợng điểm qua khảo sát cụ thể, ít nhất cũng cần phải bố trí tới 18 điểm và tối đa lên tới 24 điểm trên 1 km2. Hình thức phổ biến nhất của lới khống chế đo vẽ mặt bằng là xây dựng các đờng chuyền kinh vĩ khép kín dựa trên một hoặc hai điểm gốc, hoặc hệ thống các đờng chuyền dựa trên ít nhất là hai điểm gốc. Các đờng chuyền kinh vĩ trong lới có thể cắt nhau tạo nên những điểm nút. Trong những trờng hợp đặc biệt cũng có thể xây dựng lới đờng chuyền kinh vĩ độc lập (không có điểm gốc) tạo nên ít nhất hai vòng khép kín có hai điểm nút (hình 7.1).
Chiều dài của tuyến kinh vĩ phụ thuộc vào tỷ lệ đo vẽ và điều kiện khi đo. Ví dụ, khi đo vẽ khu xây dựng ở tỷ lệ 1: 5000, chiều dài của tuyến kinh vĩ không đợc vợt quá 4,0km, còn ở tỷ lệ 1: 500 - không quá 0,8km. ở khu không xây dựng, chiều dài của tuyến có thể tăng lên gấp rỡi. Chiều dài cạnh trong tuyến tối đa là 350m, cạnh ngắn nhất là 20m. Sai số khép tơng đối về chiều dài không vợt quá 1/2000, trong những điều kiện đo đạc không thuận lợi có thể
cho phép tới 1/1000. Hình 7.1. Đờng chuyền kinh vĩ độc lập
Các góc trong lới đợc đo bằng máy kinh vỹ một vòng đo với sai số trung phơng đo góc mβ = 0’5. Sai lệnh giá trị góc giữa hai nửa vòng đo không đợc vợt quá 0’,8. Sai số khép góc cho phép trong tuyến fβgh≤ 1’ n , trong đó n - là số góc đo trong tuyến.
Khi xác định độ cao các điểm khống chế đo vẽ bằng đo cao hình học, sai số khép trong tuyến không đợc vợt quá 5cm L, khi đo cao lợng giác là fh= 20cm L hoặc fh = (0,04 ∑s) n cm, trong đó L là chiều dài tuyến tính theo đơn vị km, n là số cạnh, s - là chiều dài mỗi cạnh trong tuyến tính theo đơn vị 100m.
Các điểm của lới khống chế đo vẽ có thể đánh dấu ngoài thực địa bằng những mốc tạm thời bằng cọc gỗ, nếu những điểm đó có dự kiến phục vụ cho những mục đích lâu dài tiếp theo thì phải gia cố chắc chắn bằng cọc bê tông hoặc ống thép.
Trên một mặt bằng rộng rãi và quang đãng, thay cho các tuyến kinh vĩ, ngời ta xây dựng những chuỗi tam giác, hệ thống tam giác trung tâm, tứ giác trắc địa và chêm điểm, gọi chung là lới tam giác nhỏ, có ít nhất hai điểm đã biết toạ độ và dựa trên hai cạnh gốc ở hai đầu khu vực của lới. Cạnh gốc có thể là cạnh của lới giải tích và đờng chuyền bậc 1, bậc 2 chêm dày hoặc đo trực tiếp với độ chính xác 1/5000. Góc nhỏ nhất trong tam giác không đợc nhỏ hơn 200 còn cạnh
ngắn nhất là 150m, cạnh dài nhất không quá 1km. Các góc đợc đo hai vòng bằng máy kinh vỹ có độ chính xác 30’’. Sai lệch giá trị của góc giữa các vòng đo không đợc quá 45’’, sai số khép trong tam giác không vợt quá 1’,5. Nếu vị trí điểm đợc xác định bằng giao hội thuận thì phải đo ít nhất từ 3 điểm, còn bằng giao hội nghịch thì phải ngắm đến ít nhất là 4 điểm. Góc γ tại điểm giao hội không đợc nhỏ hơn 300 và lớn hơn 1500 (300 ≤ γ ≤ 1500). Nếu sử dụng máy Toàn đạc điện tử hoặc dùng công nghệ GPS thì công tác đo đạc xây dựng lới sẽ đợc đơn giản đi rất nhiều và đạt đợc độ chính xác cao.
7.3. Xác định toạ độ diểm khống chế bằng công nghệ định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) đợc Bộ Quốc phòng Mỹ nghiên cứu thiết lập trong những năm 1970 nhằm phục vụ cho mục đích quân sự, mãi tới những năm đầu của thập kỷ 80 hệ thống định vị này mới bắt đầu đợc phép khai thác sử dụng trong dân sự. Từ đó hệ thống định vị GPS đã đợc nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau nh trắc địa, viễn thám, quốc phòng, giao thông, hàng hải, hàng không, du lịch, bảo vệ môi trờng v.v.... Một u điểm nổi bật của GPS so với bất cứ phơng tiện đo đạc nào là nó có thể làm việc cả ngày đêm trong mọi điều kiện thời tiết, mọi địa hình và đặc biệt là không cần tầm nhìn thông giữa các điểm trên mặt đất. Hệ thống của Mỹ viết tắt là NAVSTAR (Navigation System with Time And Ranging) còn hệ thống của Nga là GLONASS (Global Navigation Satellite System) hình 7.9a,b.
a) GLONASS Hình 7.9. Hệ thống GPS b) NAVSTAR
Về cấu tạo, hệ thống GPS bao gồm 3 bộ phận: đoạn không gian (Space segment), đoạn điều khiển (Control segment) và đoạn sử dụng (user segment) đợc thể hiện trên hình 7.10.
Hình 7.10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Đoạn không gian. hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ) phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo (hệ GLONASS –trên 3 mặt phẳng)
nghiêng với mặt phẳng xích đạo một góc 550. Bán kính quỹ đạo các vệ tinh xấp xỉ 26600 km, tức là vệ tinh bay cách mặt đất cỡ 20180km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo là 718 phút. Tuổi thọ của vệ tinh GPS khoảng từ 5 năm đến 10 năm. Các vệ tinh GPS liên tục phát tín hiệu 24 giờ trong ngày và đ ợc sắp xếp sao cho tại bất kỳ một thời điểm nào từ các điểm trên mặt đất cũng có thể quan sát đ ợc tối thiểu là 4 vệ tinh. Các tín hiệu đợc truyền đi nhờ tần số của các sóng tải L1 (1575,42MHz, bớc sóng 19,05 cm ) và L2 (1227,60MHzm bớc sóng 24,45 cm). Thời gian truyền tín hiệu đến máy thu khoảng 0,07 giây. Máy thu 1 tần số sẽ thu đợc các tín hiệu ở tần số L1, còn máy thu 2 tầng số thu đợc cả tín hiệu ở tần số L1 và L2. Các tín hiệu nhận đ ợc mang các thông tin đạo hàng nh Ephemerit, tín hiệu nhiễu khoảng cách giả PRN-code, thời gian và tình trạng của hệ thống, thông tin về tầng ion (đối với máy 2 tần số ) v.v...
Với các thông tin trên chúng ta sẽ thực hiện bài toán định vị (tuyệt đối và t ơng đối) trong hệ WGS-84 theo hai loại trị đo là: Khoảng cách giả (Pseudoranges ) và pha sóng tải (carrier phases).
Đoạn điều khiển. Đoạn này gồm trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs và 4 trạm theo dõi đặt tại đảo Hawai (Thái Bình Dơng), Ascension Island (Đại Tây Dơng), Diego Garcia (ấn Độ Dơng) và Kwajaleinj (Tây Thái Bình Dơng). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất (hình 7.10). Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh cũng nh hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các trạm đều có máy thu GPS, tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát đợc, đồng thời đo các số liêu khí tợng. Tất cả các số liệu đo nhận đợc ở mỗi trạm đều đợc truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu rồi cho ra toạ độ của từng vệ tinh (ephermerit), độ lệch đồng hồ vệ tinh theo giờ GPS đ ợc tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ. Từ trạm trung tâm các số liệu này đ ợc truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác. Nh vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh đ ợc thờng xuyên chính xác hoá và cung cấp cho ngời sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2. Việc chính xác hoá thông tin nh thế đợc tiến hành 3 lần trong một ngày. Cần nói thêm là các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác định vị đến cỡ 10m, ch a kể chúng còn bị cố ý làm nhiễu đi bởi chế độ SA (Selective Avalability) để hạn chế độ chính xác này ở mức 100m. Chỉ khi thoả thuận với phía Mỹ, ng ời sử dụng mới có đợc các số liệu đảm bảo độ chính xác cao.
Đoạn sử dụng. Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS nhận các thông tin từ vệ tinh và các phần mềm xử lý, tính toán số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất (đo tĩnh) hay gắn trên các phơng tiện chuyển động (đo động) nh đi bộ, đi xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo...Tín hiệu vệ tinh đ ợc thu qua anten máy thu. Tâm của anten là điểm thu tín hiệu và xác định toạ độ. Tuỳ theo mục đích sử dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo, có độ chính xác cũng nh giá thành khác