Cấu tạo của máy toàn đạc điện tử gồm ba khối chính là máy đo xa điện tử EDM (Electronic Distance Mesurement), máy kinh vĩ hiện số DT (Digital Theodolite) và bộ vi xử lý trung tâm CPU.
Đặc trng cơ bản của khối EDM là xác định khoảng cách nghiêng D từ điểm đặt máy đến điểm đặt gơng phản xạ (điểm chi tiết), còn kinh vĩ hiện số DT là xác định giá trị của hớng (hoặc góc ngang β) và góc đứng ν (hoặc góc thiên đỉnh z). Bộ vi xử lý CPU cho phép nhập các dữ liệu nh hằng số của máy (K), số liệu khí tợng môi trờng đo (nhiệt độ, áp suất), toạ độ và độ cao (X, Y, H) của trạm đặt máy và của điểm định hớng, chiều cao máy (Jm), chiều cao gơng (lg). Nhờ sự trợ giúp của các phần mềm tiện ích cài đặt trong CPU và với các dữ liệu trên cho phép ta xác định ngay đợc các số liệu toạ độ và độ cao của điểm chi tiết. Số liệu này có thể đợc hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng hoặc lu giữ trong bộ nhớ trong của máy (RAM - Random Access Memory) hoặc bộ nhớ ngoài (gọi là FieldBook - sổ điện tử) và sau đó đợc trút qua máy tính nhờ dây cáp trút số liệu hoặc loại không dây. Bộ nhớ trong của máy hiện nay có thể có dung lợng từ 5.000 đến 30.000 điểm đo giúp cho công việc đo đạc ngoại nghiệp có thể kéo dài nhiều ngày, đây là một phơng pháp thu thập dữ liệu hiện đại nhất hiện nay. Việc biên tập bản đồ gốc đợc thực hiện nhờ các phần mềm chuyên dụng cài đặt sẵn trong máy vi tính.
Khác với đo chi tiết bằng máy kinh vĩ hoặc toàn đạc quang học, khi dùng máy toàn đạc điện tử thì toàn bộ việc ghi chép và xử lý số liệu đợc tự động hoá hoàn toàn. Tuỳ theo từng loại máy mà quy trình đo và xử lý số liệu có những đặc điểm khác nhau, d ới đây là một số nguyên tắc chung.
Chuẩn bị máy móc và thiết bị. Tại một trạm đo cần có một máy toàn đạc điện tử, một bộ nhiệt kế và áp kế (có một số máy tự cảm ứng mà không cần đo nhiệt độ, áp suất), một thớc thép 2m để đo chiều cao máy và một số bộ sào gơng phản xạ. Tại điểm định hớng B, đặt bảng ngắm có gơng phản xạ với bộ cân bằng dọi tâm quang học. Tại các điểm chi tiết có thể dùng gơng sào (hình 9.4).
Các máy móc, thiết bị phải đợc kiểm nghiệm và điều chỉnh theo các quy định trong các tiêu chuẩn chuyên ngành. Hạn sai về sai số 2C và MO khi đo chi tiết đợc quy định nh đối với máy kinh vĩ kỹ thuật.
Hình 9.4. Máy toàn đạc điện tử và gơng sào
Trình tự đo. Giống nh đối với máy quang học, nhng do nhiều quá trình đã đợc tự động hoá nên nhiều thao tác đợc loại bỏ, một số thao tác đợc thực hiện đơn giản và nhanh chóng. Cụ thể, tại trạm máy A tiến hành cân máy và định tâm máy, cài đặt chế độ đo và đơn vị đo. Đa ống kính ngắm chính xác điểm định hớng B. Bằng các phím chức năng, nhập các số liệu nh hằng số (K), nhiệt độ (t°), áp suất (P), toạ độ và độ cao điểm trạm đo A (XA, YA, HA), toạ độ điểm định hớng B (XB, YB), chiều cao máy Jm, chiều cao gơng sào (lg). Đa giá trị hớng ban đầu về 0°00’00”. Quay ống kính về ngắm tâm gơng sào tại điểm chi tiết 1, lúc này máy sẽ tự động đo các giá trị khoảng cách nghiêng DA1, góc ngang β1 (kẹp giữa hớng mở đầu AB và hớng A1) và góc đứng ν1 (hoặc góc thiên đỉnh z1), và nhập kết quả đo vào CPU .
Với các lệnh đợc thực hiện trên bàn phím của máy và nhờ các phần mềm tiện ích đã cài đặt trong bộ xử lý CPU, các bài toán sẽ lần lợt thực hiện nh sau:
- Tính số gia toạ độ giữa điểm trạm máy A và điểm định hớng B; - Tính góc định hớng của cạnh mở đầu;
- Tính chuyển cạnh nghiêng DA1 về trị số cạnh ngang SA1; - Tính số gia toạ độ giữa điểm đặt máy A và điểm chi tiết 1; - Tính toạ độ của điểm chi tiết 1;
- Tính chênh cao giữa điểm đặt máy A và điểm chi tiết 1; - Tính độ cao điểm chi tiết 1;
Nh vậy số liệu toạ độ không gian ba chiều (X, Y, H) của điểm chi tiết 1 đợc CPU tự động tính toán. Số liệu này có thể đợc hiển thị trên màn hình hoặc lu giữ trong bộ nhớ của máy. Để ghi chú những đặc điểm cần thiết liên quan đến điểm chi tiết, ngay cạnh màn hình có trang bị một bàn phím số và chữ cái, những ghi chú này cũng đợc lu luôn trong máy.
8.5. Biểu diễn địa hình, địa vật trên bình đồ
Địa hình, dáng đất là một nội dung biểu diễn quan trọng của bình đồ địa hình. Dáng đất là một tập hợp tổng thể toàn bộ bề mặt lồi lõm, gồ ghề, cao thấp khá nhau của mặt đất tự nhiên. Biết đợc những đặc điểm của dáng đất sẽ có một ý nghĩa quan trọng khi thiết kế quy hoạch khu đô thị, dân c, những vùng kinh tế phát triển cũng nh khi thiết kế xây dựng các công trình kỹ thuật và khai thác ở các khu mỏ.
Để biểu diễn địa hình, dáng đất có thể sử dụng nhiều phơng pháp nh kẻ vân, tô màu nhng hiện nay phổ biến nhất là phơng pháp các đờng đồng mức. Đờng đồng mức là một đờng cong trơn khép kín, các điểm trên đó đều có cùng độ cao so với mực nớc biển. Thực chất nó là giao tuyến của mặt đất tự nhiên với mặt phẳng song song với mặt thủy chuẩn. Giao tuyến này đợc thu nhỏ theo tỉ lệ và biểu diễn lên bình đồ sẽ cho ta một đờng đồng mức. Nếu cắt mặt đất tự nhiên bằng nhiều mặt phẳng song song với mặt thuỷ chuẩn ở những độ cao khác nhau, ta sẽ đợc trên bình đồ những đờng đồng mức có độ cao khác nhau (hình 9.10).
Khoảng cách h tính theo chiều cao (theo phơng thẳng đứng) giữa hai đờng đồng mức liền kề nhau gọi là khoảng cao đều địa hình, h có thể có giá trị lớn hoặc nhỏ tuỳ thuộc tỷ lệ bình đồ cần lập và đặc điểm của địa hình. Nhất thiết phải chỉ rõ giá trị của nó trên bình đồ hoặc bản đồ. Khoảng cách trên bình đồ giữa các đờng
đồng mức liền kề nhau gọi là khoảng cách nằm ngang giữa các đờng đồng mức. Khoảng cách này càng ngắn thì độ dốc địa hình càng lớn và ngợc lại. Tuy địa hình dáng đất rất đa dạng nhng theo cách biểu diễn bằng đờng đồng mức có thể chia làm năm dạng địa hình chủ yếu (hình 9.11). Đó là núi, gò đồi; Hố trũng, lòng chảo; Sờn dốc; Khe núi, sông, suối, thung lũng và yên ngựa.
Hình 9.10. Nguyên lý đờng đồng mức
Hình 9.11. Một số dạng địa hình đặc trng đợc biểu diễn bằng đờng đồng mức
Những nơi có địa hình vách đứng, bờ lở, sờn dốc lớn hơn 450 không biểu diễn bằng đờng đồng mức mà dùng các ký hiệu riêng. Nh vậy, dựa vào cách biểu diễn các đờng đồng mức trên bình đồ ta có thể hình dung đợc địa hình mặt đất tự nhiên.
Ngoài ra, việc biểu diễn trên bình đồ, bản đồ còn đòi hỏi dễ nhận biết địa vật, muốn vậy, ng - ời ta đã dùng những ký hiệu đặc biệt gọi là những ký hiệu quy ớc giả định. Đối với mỗi tỷ lệ, ng- ời ta đã xây dựng những bộ mẫu ký hiệu quy ớc có dạng gần giống hoặc dễ liên tởng với đối tợng cần biểu diễn, do đó cũng cho ta hình dung đợc rõ ràng, chính xác các địa vật trên thực địa.
Những ký hiệu quy ớc giả định đợc chia làm ba nhóm: nhóm ký hiệu theo diện tích (ký hiệu diện); nhóm ký hiệu theo dạng tuyến và nhóm ký hiệu không theo tỷ lệ (còn gọi là ký hiệu điểm). Ngoài ra còn có thể có những ghi chú kèm theo.
Ký hiệu theo diện tích (hình 9.12a) biểu diễn những khu vực chiếm diện tích lớn, ranh giới khu vực đợc bao quanh bởi những đờng chấm hoặc nét liền mảnh theo hình dạng của khu vực, bên trong biểu diễn những ký hiệu để phân biệt với những khu vực khác. Theo ký hiệu này ta có thể xác định đợc diện tích của nó.
Ký hiệu không theo tỷ lệ (hình 9.12b) dùng để biểu diễn các địa vật có diện tích hay kích th- ớc nhỏ không biểu diễn đợc theo tỷ lệ trên bình đồ, bản đồ. Dựa theo những ký hiệu đó ta không thể nói chính xác về kích thớc của địa vật đợc nhng có thể xác định đợc vị trí của chúng.
Ký hiệu theo tuyến (hình 9.12c) dùng để biểu diễn những địa vật kéo dài nh sông, suối, kênh mơng, đờng sắt, đờng bộ, đờng dây tải điện, đờng ống dẫn... Chiều dài và hình dạng của ký hiệu đợc giữ đồng dạng với địa vật trên thực địa, nhng kích thớc theo chiều rộng có thể biểu diễn không theo tỷ lệ. Nói cách khác, theo những ký hiệu địa vật này ta chỉ có thể xác định đợc chìều dài của đối tợng biểu diễn mà không xác định đợc độ rộng và đặc điểm của chúng theo bản đồ.
Ngoài các ký hiệu, trên bình đồ, bản đồ con dùng những ghi chú để giải thích thêm cho các đặc điểm địa hình địa vật cả về lợng cũng nh về chất. Ghi chú thờng đi kèm luôn với các ký hiệu quy ớc đã nêu. Ngoài ra, để cho dễ nhìn nhận, các bản đồ, bình đồ địa hình còn đợc biểu diễn bằng nhiều màu sắc khác nhau.
Hình 9.12. Một số dạng mẫu ký hiệu giả định
Bộ mẫu ký hiệu giả định phải đợc xây dựng thống nhất cho mọi tỷ lệ và cho tất cả các Bộ, các ngành làm bản đồ, bình đồ địa hình theo quy định của tiêu chuẩn chuyên ngành. Khi thành lập các bản đồ chuyên đề, các Bộ, các ngành có thể dùng những bộ mẫu ký hiệu riêng của ngành mình để bổ xung thêm vào bộ mẫu ký hiệu chung.
8.6. Khái niệm về bản đồ số và số hoá bản đồ
Bản đồ số là loại bản đồ trong đó các thông tin về mặt đất nh toạ độ , độ cao các điểm địa hình, địa vật đều đợc lu giữ dới dạng số và thuật toán xử lý chúng để giải quyết các yêu cầu và nhiệm vụ cụ thể. Đó cũng chính là một trong những sản phẩm quan trọng của ngành Trắc địa -
Bản đồ đợc biên tập, lu giữ, hiển thị trên máy vi tính dới dạng các tệp (file) dữ liệu và khi cần thiết, ngời ta có thể in lên các vật liệu khác nhau, ví dụ nh giấy, phim...
Trên bản đồ số phân biệt 3 yếu tố cơ bản là điểm (point), đờng (line) và vùng (regoin – poligon), mỗi yếu tố đợc đặc trng bởi các thông tin về vị trí và đặc điểm của các đối tợng.
Để thành lập bản đồ số cần phải có hai phần chủ yếu:
- Phần cứng gồm các máy đo đạc (quang cơ hoặc điện tử), máy tính điện tử, máy vẽ bản đồ, máy quét;
- Phần mềm xử lý số liệu và thành lập bản đồ số. Các phần mềm phổ biến hiện nay đã đợc nhiều nớc trên thế giới nh Thuỵ sĩ, Anh, Mỹ, Đức, Nhật, Trung quốc... sản xuất, trong đó có một số phần mềm đã và đang đợc sử dụng ở Việt Nam.
Để thành lập bản đồ số cần thu thập các dữ liệu ban đầu theo một trong 3 phơng pháp sau: Đo đạc trực tiếp trên mặt đất; Đo chụp ảnh hoặc đo trên bản đồ giấy đã có sẵn.
- Đo đạc trực tiếp trên mặt đất là sử dụng máy toàn đạc, mà tốt nhất là máy toàn đạc điện tử (loại máy có thể ghi lại đợc số liệu) để thu thập các thông tin cần thiết nh toạ độ, độ cao các điểm, cũng có thể sử dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS, sau đó sử dụng các phần mềm chuyên dùng để xử lý và vẽ bản đồ trên máy tính;
- Thu thập dữ liệu ban đầu bằng phơng pháp đo chụp ảnh là phơng pháp có hiệu quả nhất. Sau khi chỉnh lý cặp ảnh, tiến hành đo các điểm đặc trng của địa hình, địa vật, tự động xác định tọa độ, độ cao và mã hoá đặc trng của các điểm đó. Trong máy vi tính các số liệu đặc trng sẽ đợc xử lý và đa về hệ tọa độ thống nhất theo yêu cầu. Độ chính xác của bản đồ số gần nh phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của số liệu ban đầu. Vì vậy khi sử dụng phơng pháp này thì độ chính xác của bản đồ số phụ thuộc vào độ chính xác đo ảnh và tỷ lệ ảnh.
- Trong trờng hợp đã có bản đồ của khu vực thể hiện trên giấy, có thể chuyển bản đồ đó về dạng bản đồ số. Công việc này đợc gọi là số hoá bản đồ. Khi thành lập bản đồ số từ bản đồ đã có sẵn (số hoá bản đồ), độ chính xác của bản đồ số phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của bản đồ gốc và độ chính xác của việc quét, nắn và số hoá bản đồ. Thông thờng độ phân giải của máy quét càng cao thì chất lợng của dữ liệu quét sẽ càng tốt.
Hệ thống phần mềm chuyên dùng để thành lập bản đồ số bao gồm:
- Phần mềm xử lý số liệu lới khống chế khu vực đo vẽ. Phần mềm này dùngđể xử lý số liệu đo ngoại nghiệp, bao gồm giải mã, hiệu chỉnh trị đo, bình sai trạm máy, tự động xắp xếp điểm và thành lập cấu trúc số liệu mạng lới, tính số hiệu chỉnh chiếu hình cho các trị đo, tính tọa độ gần đúng cho các điểm, tính toán bình sai v.v
- Phần mềm biên tập đồ hình. Các số liệu sau khi đã nạp vào máy tính thì căn cứ vào các loại mã của nó có thể tự động hình thành bản đồ. Nhng do tính chất phức tạp của bản đồ địa hình, bản đồ mới đợc hình thành không thể tránh khỏi sai sót. Do đó cần phải dùng hình thức giao diện ngời - máy để tiến hành gia công, biên tập. Phần mềm biên tập đồ hình bao gồm việc hình thành bản đồ, biên tập, chuyển sang máy vẽ và máy in bản đồ.
- Phần mềm biên vẽ các kỹ hiệu và ghi chú trên bản đồ địa hình. Phần mềm này bảo đảm chế hình và vẽ các ký hiệu, đờng nét và các kiểu số, kiểu chữ.
- Phần mềm vẽ các đờng đồng mức. Căn cứ vào các điểm địa hình, tự động nội suy, vẽ đờng đồng mức và tự động ghi chú độ cao.
- Phần mềm số hoá bản đồ địa hình. Phần mềm này bảo đảm việc chuyển bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hiện có qua máy số hoá thành bản đồ số, bao gồm đọc tọa độ điểm và các yếu tố của bản đồ, chuyển đổi và lu tọa độ, biểu thị đồ hình, tạo sự thống nhất giữa số liệu đo ở thực địa và số liệu số hoá bản đồ cũ để thành lập bản đồ số.
Máy tính điện tử là cốt lõi của phần cứng trong công nghệ thành lập bản đồ số để thực hiện nhiệm vụ tính toán, hiển thị đồ hình, giao diện giữa ngời và máy, biên tập đồ hình... Máy vẽ bản đồ là một loại thiết bị ngoại vi thờng đợc dùng trong công nghệ thành lập bản đồ số, nó tự động vẽ lên giấy nội dung bản đồ đã đợc tạo ra trong máy tính. Máy số hoá bản đồ cũng là một loại thiết bị cần thiết trong công nghệ thành lập bản đồ số, nó thực hiện việc chuyển mọi thông tin trên bản đồ cũ đã có thành dạng số. Có hai loại máy số hoá bản đồ, loại điều khiển bằng tay và loại máy quét tự động.
Sơ đồ tổng quát của quy trình số hoá và biên tập bản đồ số đợc giới thiệu trên hình 9.21. Để đảm bảo tính thống nhất cho tất cả các bản đồ trong khối công việc, công tác chuẩn bị cho quá trình số hoá và biên tập bản đồ bao gồm: Định nghĩa file chuẩn (seed file); Tạo Design file; Phân lớp đối tợng; Tạo file Feature Table; Tạo ký hiệu và Quét bản đồ.
Hình 9.21. Sơ đồ tổng quát của quy trình số hoá bản đồ
Đĩnh nghĩa file chuẩn (seed file). Seed file thực chất là một Design (không chứa dữ liệu) nhng nó chứa đầy đủ các thông số quy định chế độ làm việc với Microstation. Đặc biệt với các file bản đồ, để đảm bảo tính thống nhất về cơ sở toán học giữa các file