Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công nghệ gps trong trắc địa công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

NGUYỄN ANH TÚ

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH
XÁC CHUYỀN ĐỘ CAO BẰNG CƠNG NGHỆ GPS
TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

NGUYỄN ANH TÚ

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC
CHUYỀN ĐỘ CAO BẰNG CƠNG NGHỆ GPS
TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
Ngành:

Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ

Mã số:

60520503

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Trần Viết Tuấn

HÀ NỘI, NĂM 2015


1

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ luận văn này là cơng trình nghiên cứu của
riêng tơi, hồn tồn không sao chép ở bất kỳ một tài liệu nào. Các kết quả
nghiên cứu và thực nghiệm đưa ra trong luận văn là hồn tồn trung thực,
chưa được ai cơng bố trong cơng trình nào.

Hà Nội, ngày

tháng 04 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Anh Tú


2

MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan………………………………………………………………………………… 1
Mục lục…………………………………………….…………………………………...……… 2
Danh mục các hình vẽ……………...…….……...…………………………………….… 4
Danh mục các bảng...…………………………………….....…………….….…………… 5
Mở đầu…………………………………………..………………………………….…….……. 6
Chương 1 - Vai trị và đặc điểm cơng tác đo cao trong trắc địa cơng
trình…………………………………………………………………………………………………….…… 9
1.1. Vai trị của cơng tác đo cao trong trắc địa cơng trình………….…

9

1.2. Đặc điểm cơng tác đo cao trong trắc địa cơng trình………….…….

9

1.3. Các phương pháp đo cao truyền thống………………………………….… 14
Chương 2 - Ứng dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao trong trắc địa cơng
trình……………………………………………………….………………………………...…………… 22
2.1. Các hệ thống độ cao………………………………………………………………. 22
2.2. Hệ thống định vị vệ tinh GPS……………………...……….………………… 27
2.3. Ứng dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao trong trắc địa cơng
trình……………………………………………………………………………………………………… 31
Chương 3 - Nghiên cứu các mơ hình nội suy dị thường độ cao bằng công
nghệ GPS…………………..………………………………………………………………….. 34
3.1. Nguyên lý đo cao GPS…………………………………………………………... 34
3.2. Các phương pháp xác định dị thường độ cao bằng cơng nghệ
GPS…………………………...………………………………………………………………………….. 35
3.3. Các mơ hình nội suy dị thường độ cao……………………………….…... 36
3.4. Thực nghiệm nội suy độ cao đo bằng công nghệ định vị vệ tinh.. 44
Chương 4 - Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng

cơng nghệ GPS trong trắc địa cơng trình………………………………..……………….. 58


3

4.1. Cơ sở độ chính xác yêu cầu……………….…………………………………… 58
4.2. Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng
cơng nghệ GPS………………………..…………………………………………………..……..….. 58
4.3. Xây dựng chương trình máy tính……………………………………………. 61
4.4. Thực nghiệm tính chuyển kết quả đo cao………………………………... 65
Kết luận………………………………………………………………………………………... 69
Kiến nghị.................................................................................................................................... 70
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………………… 71
Phụ lục 1………………………………………………………………………………………. 72
Phụ lục 2………………………………………………………………………………………. 75
Phụ lục 3………………………………………………………………………………………. 79
Phụ lục 4………………………………………………………………………………………. 81


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Cầu Long Biên.

11

Hình 1.2

Hầm Hải Vân.

12

Hình 1.3

Nhà máy thép Vũng Áng.

14

Hình 1.4

Nguyên tắc đo cao hình học.

15

Hình 1.5

Nguyên tắc đo cao lượng giác.

16

Hình 1.6

Sơ đồ đo cao thủy tĩnh tại một trạm đo.

19

Hình 2.1

Nguyên tắc xác định độ cao.

23

Hình 2.2

Mặt Kvadigeoid.

25

Hình 2.3

Sơ đồ cấu tạo hệ thống GPS.

28

Hình 2.4

Vệ tinh trong hệ thống GPS.

28

Hình 2.5

Các hệ thống độ cao.

32

Hình 3.1

Độ cao giữa hai điểm A, B.

34

Hình 3.2

36

Hình 3.5

Bề mặt đại dương tại vùng núi ngầm.
Nguyên lý tính chuyển độ cao GPS theo góc nghiêng
Geoid.
Ngun lý tính chuyển độ cao GPS theo mặt Elipxoid thi
cơng.
Sơ đồ lưới GPS tuyến Nội Bài - Lào Cai.

Hình 3.6

Sơ đồ lưới GPS nhà máy thép Vũng Áng.

48

Hình 3.7

Sơ đồ lưới thủy chuẩn tuyến Ninh Bình - Thanh Hố.

53

Hình 4.1

Sơ đồ khối cho chương trình máy tính.

60

Hình 4.2

Sơ đồ khối cho chương trình máy tính.

61

Hình 4.3

Giao diện chương trình.

62

Hình 4.4

Giao diện kết quả.

62

Hình 3.3
HÌnh 3.4

39
41
45

5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.
Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3.
Bảng 3.4.
Bảng 3.5.
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 3.9
Bảng 3.10
Bảng 3.11
Bảng 3.12
Bảng 3.13
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5
Bảng 4.6
Bảng 4.7

Chỉ tiêu lưới độ cao hạng I, II, III.
Tọa độ, độ cao điểm GPS tuyến đường Nội Bài - Lào Cai.
Kết quả nội suy dị thường độ cao có tính đến số hiệu
chỉnh địa hình tuyến đường Nội Bài - Lào Cai.

Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp góc
nghiêng Geoid tuyến đường Nội Bài - Lào Cai.
Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp
Elipxoid thi công tuyến đường Nội Bài - Lào Cai
Tọa độ, độ cao các điểm song trùng nhà máy thép Vũng
Áng.
Kết quả nội suy dị thường độ cao có tính đến số hiệu
chỉnh địa hình nhà máy thép Vũng Áng.
Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp góc
nghiêng Geoid nhà máy thép Vũng Áng.
Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp
Elipxoid thi công nhà máy thép Vũng Áng.
Tọa độ, độ cao các điểm song trùng tuyến đường Ninh
Binh - Thanh Hóa.
Kết quả nội suy dị thường độ cao có tính đến số hiệu
chỉnh địa hình tuyến đường Ninh Binh - Thanh Hóa.
Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp góc
nghiêng Geoid tuyến đường Ninh Binh - Thanh Hóa.
Kết quả nội suy dị thường độ cao theo phương pháp
Elipxoid thi cơng tuyến đường Ninh Binh - Thanh Hóa.
Bảng tổng hợp kết quả nội suy độ cao.
Cấu trúc tệp số liệu
Cấu trúc tệp số liệu
Cấu trúc tệp số liệu
Kết quả nội suy điểm song trùng
Kết quả nội suy các điểm cần chuyền độ cao
Kết quả nội suy điểm song trùng
Kết quả nội suy các điểm cần chuyền độ cao

13

45
46
46
47
47
49
50
51
52
54
54
55
56
64
64
65
65
66
67
67


6

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Ngày nay, trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội đã và đang áp
dụng những thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới. Trong trắc
địa cũng vậy, công nghệ định vị vệ tinh GPS đã mở ra thời kỳ mới, đã thay
thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới

tọa độ các cấp.
Ứng dụng công nghệ GPS cho phép chúng ta thành lập các mạng lưới
tọa độ trên diện rộng, không những bao phủ tồn quốc mà cịn cho phép liên
kết với các mạng lưới trên khắp thế giới. Công nghệ GPS đã giúp các nhà
quản lý giải quyết được các bài tốn vĩ mơ mang tính tồn cầu.
Chúng ta ứng dụng công nghệ GPS trong hơn 20 năm qua đã giải
quyết được các bài toán lớn như: xây dựng hệ tọa độ VN 2000, thành lập
được mạng lưới Địa chính cơ sở phủ trùm toàn quốc, ghép nối hệ tọa độ
VN2000 với các hệ tọa độ khác, xây dựng trạm DGPS ... Tuy nhiên, việc ứng
dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao trong các cơng tác Trắc địa nói chung
và Trắc địa cơng trình nói riêng ở nước ta cịn vơ cùng hạn chế. Trong thực tế,
có nhiều trường hợp khó có thể thực hiện đo cao hình học qua địa hình vùng
núi cao, đầm lầy, đo qua sơng, qua eo biển… Trong những trường hợp này,
nếu áp dụng phương pháp chuyền độ cao bằng công nghệ GPS sẽ giải quyết
được khó khăn trong cơng tác đo cao. Vì vậy nghiên cứu ứng dụng phương
pháp chuyền độ cao bằng công nghệ GPS trong khảo sát thiết kế và thi cơng
xây dựng các cơng trình ở nước ta là rất cần thiết.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác
chuyền độ cao bằng cơng nghệ GPS trong điều kiện địa hình khó khăn (khi


7

phương pháp thủy chuẩn hình học rất khó để thực hiện, thậm chí khơng thể
thực hiện được), phục vụ khảo sát thiết kế và thi cơng xây dựng cơng trình.
Đối tượng nghiên cứu là lưới độ cao Trắc địa công trình.
Phạm vi nghiên cứu là ứng dụng cơng nghệ GPS để chuyền độ cao đối
với các cơng trình có điều kiện địa hình khó khăn, phức tạp; Phục vụ khảo sát
thiết kế và thi cơng xây dựng cơng trình.

3. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu.
Tìm hiểu về cơng tác đo cao và yêu cầu độ chính xác đo cao đối với các
dạng cơng trình ở nước ta.
Nghiên cứu các mơ hình chuyền độ cao bằng cơng nghệ GPS và khả
năng ứng dụng của công nghệ này trong trắc địa cơng trình.
Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng công
nghệ GPS.
Thực nghiệm đo đạc và xử lý số liệu đo GPS để kiểm chứng các kết
quả nghiên cứu lý thuyết.
4. Phương pháp nghiên cứu.
Thống kê, thu thập, tổng hợp số liệu để khảo sát các mơ hình tính dị
thường độ cao dựa trên các điểm song trùng (các điểm có độ cao thủy chuẩn
và độ cao trắc địa).
Nghiên cứu lý thuyết để giải quyết các vấn đề về nâng cao độ chính xác
chuyền độ cao bằng cơng nghệ GPS.
Thực nghiệm, phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm để đưa ra
kết luận.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Góp phần nâng cao độ chính xác chuyền độ cao bằng cơng nghệ GPS,
đáp ứng được độ chính xác đo cao yêu cầu khi khảo sát thiết kế và thi công


8

xây dựng một số dạng cơng trình ở nước ta. Đặc biệt, góp phần giải quyết các
khó khăn khi chuyền độ cao bằng các phương pháp truyền thống.
6. Bố cục của luận văn.
Luận văn gồm 4 chương, tổng số 71 trang (khơng kể phụ lục), trong đó
có 22 hình vẽ và 21 bảng biểu.

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Trần
Viết Tuấn, cán bộ giảng dạy bộ mơn Trắc địa cơng trình, khoa Trắc địa,
trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy hướng dẫn, người đã
tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này. Xin cảm ơn các thầy
cô giáo khoa Trắc địa và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tơi hồn thành
luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn!


9

Chương 1
VAI TRỊ VÀ ĐẶC ĐIỂM CƠNG TÁC ĐO CAO TRONG
TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
1.1. VAI TRỊ CỦA CƠNG TÁC ĐO CAO TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG
TRÌNH.
Lưới khống chế độ cao là cơ sở trắc địa quan trọng phục vụ cho khảo
sát - thiết kế và thi cơng cơng trình, bố trí độ cao các hạng mục cơng trình.
Lưới độ cao trắc địa cơng trình được thành lập ở những khu vực đầu mối của
các cơng trình đường giao thơng, hầm, đèo, cầu vượt, khu vực thành phố, khu
công nghiệp, sân bay hay bến cảng …
Trong giai đoạn khảo sát thiết kế, lưới khống chế độ cao là một trong
những cơ sở để thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, bản đồ địa vật để phục vụ cho
công tác thiết kế các phương án kỹ thuật, định tuyến trong phòng, lên phương án
giải phóng mặt bằng … Giúp thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn dọc tuyến, loại
bản đồ này bao gồm bản đồ và mặt cắt (mặt cắt ngang, mặt cắt dọc), căn cứ vào
các tài liệu này tính ra khối lượng đào đắp cần thiết khi thi cơng cơng trình.
Trong giai đoạn thi cơng cơng trình nó là cơ sở để bố trí và thi cơng xây
dựng cơng trình nhằm đảm bảo độ chính xác đúng như thiết kế đã đề ra, đồng

thời lên phương án khắc phục sự cố có thể xảy ra trong khi thi cơng.
1.2. ĐẶC ĐIỂM CƠNG TÁC ĐO CAO TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH.
Cơng tác đo cao phục vụ xây dựng các loại cơng trình khác nhau
đều có đặc điểm và yêu cầu riêng.
1.2.1. Tuyến đường giao thông.
Tuyến đường là trục thiết kế của một cơng trình dạng thẳng kéo dài qua
nhiều vùng, đi theo dải hẹp được đánh dấu ngoài thực địa, được đo vẽ chuyển
lên bản đồ hoặc bình đồ ảnh hay được ghi trước bởi những tọa độ vẽ lên bản
đồ trên mơ hình số của bề mặt thực địa.


10

Quy trình khảo sát đường ơtơ (TCN 263-2000) nêu rất rõ về quy định
khảo sát đo cao cho các tuyến đường ở các bước của dự án (bước nghiên cứu
khả thi, bước khả thi, bước thiết kế kỹ thuật, bước thiết kế bản vẽ thi công).
Lưới khống chế độ cao hạng IV được xây dựng theo tiêu chuẩn cấp nhà
nước. Các mốc độ cao này hoặc sử dụng độc lập hoặc sử dụng chung với các
mốc của lưới khống chế mặt bằng hạng IV. Các mốc độ cao hạng IV được
tiến hành đo theo phương pháp đo cao hình học. Sai số khép độ cao phải đảm
bảo yêu cầu:
fh ≤ ±20√L (mm)

(1.1)

L: chiều dài đo tính bằng km.
Lưới độ cao cấp kỹ thuật sử dụng hệ mốc đường chuyền 2 và đo theo
phương pháp đo cao hình học. Sai số khép độ cao phải thỏa mãn yêu cầu:
- Đối với đồng bằng: f ≤ ±30√L (mm)
- Đối với miền núi:

(1.2)

f ≤ ±50√L (mm)

(1.3)

fhcf ≤ ±10√n

(1.4)

Trong trường hợp địa hình quá dốc (1 km phải đặt nhiều hơn 25 trạm
máy) thì sai số khép cao độ cũng không được vượt quá:

n: số trạm máy trong đường đo.
Đặc điểm của các tuyến đường là kéo dài qua nhiều vùng địa hình
khác nhau, có những khu vực địa hình phức tạp, rất khó khăn và tốn kém
trong công tác chuyền độ cao bằng các phương pháp truyền thống như vùng
núi cao, đầm lầy, thung lũng …
1.2.2. Cơng trình cầu.
Khi xây dựng các tuyến đường giao thông trên mặt đất thường gặp các
chướng ngại như sông, hồ, khe núi… Để vượt qua các chướng ngại này chúng
ta phải xây dựng những cơng trình rất phức tạp; Bao gồm: cầu, các đoạn cầu


11

dẫn, các cơng trình điều chỉnh dùng để điều chỉnh chế độ dịng chảy ở vị trí
cầu vượt [3].
Nhiệm vụ chủ yếu của lưới khống chế thi công cầu vượt là xác định

chiều dài cầu và bố trí trụ cầu. Trong đó u cầu độ chính xác bố trí trụ cầu
thường cao hơn yêu cầu độ chính xác xác định chiều dài cầu vượt.
Đối với cơng trình cầu, theo u cầu của quy phạm đối với các cầu
vượt lớn độ dài trên 300 m thì tại mỗi bờ phải chơn ít nhất hai mốc thủy
chuẩn lâu dài, sai số giới hạn xác định độ cao của chúng so với điểm gốc
không được vượt quá ± 10 mm. Các mốc bố trí ở hai bên bờ khác nhau cần

phải nối với nhau bằng đo thủy chuẩn hình học, tức là khi khảo sát các chỗ
vượt sông cần phải chuyền độ cao qua sông. Chuyền độ cao qua sông được
tiến hành bằng đo thủy chuẩn kép, thủy chuẩn lượng giác hay thủy chuẩn thủy
tĩnh [3]. Các phương pháp này thường đòi hỏi những yêu cầu chặt chẽ và rất
khó để thực hiện do ảnh hưởng của chiết quang và nhiệt độ, áp suất giữa hai
bờ sơng là khác nhau.

Hình 1.1. Cầu Long Biên.


12

1.2.3. Cơng trình hầm.
Khi xây dựng một số cơng trình vì một số điều kiện, nguyên nhân và lý
do khác nhau mà người ta phải tiến hành xây dựng dưới lịng đất, dưới nước.
Các cơng trình xây dựng dưới đất, nước gọi là các cơng trình hầm.
Hệ thống lưới khống chế độ cao trong xây dựng hầm bao gồm: lưới
khống chế độ cao trên mặt đất và trong hầm. Độ chính xác của lưới khống chế
độ cao trên mặt đất tùy thuộc u cầu độ chính xác đào thơng hầm đối hướng
theo phương thẳng đứng (độ cao), tùy thuộc chiều dài đường hầm, sai số cho
phép lắp đặt thiết bị trong hầm và yêu cầu độ chính xác đo biến dạng. Thơng
thường độ chính xác của thủy chuẩn hạng III có thể thỏa mãn các u cầu đó.

Hình 1.2. Hầm Hải Vân.
Cấp hạng thủy chuẩn để thành lập lưới khống chế độ cao trên mặt đất
không chỉ phụ thuộc vào chiều dài đường hầm mà quan trọng hơn là phụ
thuộc vào điều kiện địa hình khu vực đường hầm vì chiều dài của tuyến thủy
chuẩn phụ thuộc vào địa hình phía trên đường hầm.


13

Với các cơng trình hầm vượt núi, cơng tác chuyền độ cao trên mặt đất
bằng thủy chuẩn hình học là vơ cùng khó khăn do điều kiện địa hình phức tạp,
hiểm trở và khó khăn trong cơng tác lựa chọn tuyến đo.
1.2.4. Cơng trình cơng nghiệp - thành phố.
Lưới khống chế thi cơng cơng trình cơng nghiệp thường được chia
làm 2 cấp. Cấp đầu tiên khi ứng dụng công nghệ truyền thống, thường được
thành lập dưới dạng lưới ô vuông (chữ nhật) có chiều dài cạnh trung bình
khoảng 200m phủ trùm tồn bộ khu vực xây dựng cơng trình. Dựa vào lưới
đó để bố trí trục chính của các nhà xưởng. Sai số bố trí trục chính của các
nhà xưởng ảnh hưởng đến khoảng cách giữa chúng, nhưng khoảng cách này
tương đối lớn nên u cầu độ chính xác khơng cao lắm.
Trên khu vực xây dựng cơng trình cơng nghiệp, lưới độ cao thi công
hạng IV được thiết kế dựa vào các điểm khống chế hạng III. Lưới độ cao hạng
III tạo thành một hoặc một số vòng khép, chia khu đo thành các mảng, bên
trong được chêm dày bằng các tuyến hoặc lưới thủy chuẩn hạng IV. Trên khu
vực có diện tích lớn (đến 500 km2), người ta thành lập lưới độ cao hạng II để
làm cơ sở phát triển các bậc lưới tiếp theo. Lưới độ cao ở khu vực thành phố
và khu cơng nghiệp có những chỉ tiêu kỹ thuật đặc trưng như sau [2]:
Bảng 1.1. chỉ tiêu lưới độ cao hạng I, II, III.
Chỉ tiêu kỹ thuật

Hạng II

Hạng III

Hạng IV

- Giữa các điểm gốc

40

15

4

- Giữa các điểm nút

10

5

2

- Khu vực xây dựng

2

0,2

0,2 ÷ 0,5

- Khu vực chưa xây dựng

5

0,8

0,5 ÷ 2

5√L

10√L

20√L

Chiều dài lớn nhất của tuyến (km)

Khoảng cách lớn nhất giữa các mốc

Sai số khép giới hạn của tuyến (L tính km)


14

Hình 1.3. Nhà máy thép Vũng Áng.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CAO TRUYỀN THỐNG.
Trong trắc địa có nhiều phương pháp đo cao như: đo cao hình học, đo
cao lượng giác, đo cao thủy tĩnh, đo cao áp kế... Trong đó phương pháp đo
cao hình học và phương pháp đo cao lượng giác là được dùng phổ biến, đặc
biệt với những cơng trình trải dài trên khu vực rộng lớn như các cơng trình
giao thơng, thủy lợi, đường nước tự chảy… thì phương pháp đo cao hình học

tỏ ra vượt trội hơn cả về độ chính xác. Từ khi cơng nghệ GPS ra đời chúng ta
có thêm khái niệm đo cao GPS.
Khi nói đến mạng lưới độ cao, trước tiên ta phải quan tâm đến cơ sở
của lưới khống chế độ cao. Cơ sở của mạng lưới khống chế độ cao là mặt
thủy chuẩn gốc (mặt Geoid). Đó là mặt nước biển ở trạng thái trung bình, yên
tĩnh kéo dài xuyên qua các lục địa. Việc chọn mặt thủy chuẩn gốc làm cơ sở
xuất phát từ mặt thủy chuẩn là mặt vật lý, nó phản ánh tất cả các hiện tượng
tự nhiên xảy ra trong và trên Trái đất.
Để lập một mạng lưới độ cao phải trải qua nhiều giai đoạn bao gồm:
- Xây dựng trạm nghiệm triều.


15

- Xung quanh trạm đo mực nước nghiệm triều, người ta xây dựng một
số mốc thành mạng lưới. Căn cứ vào độ cao của mực nước trung bình qua
nhiều năm (độ cao điểm “0”) người ta tính ra độ cao điểm mốc của lưới này
và được gọi là lưới các điểm thủy chuẩn gốc. Trong số các điểm của lưới gốc,
có một số điểm xác định với độ chính xác rất cao gọi là điểm thủy chuẩn gốc
chính, cịn những điểm khác được xác định với độ chính xác thấp hơn gọi là
các điểm thủy chuẩn gốc phụ dùng để kiểm tra điểm gốc chính.
- Xây dựng mạng lưới có cấp hạng thấp hơn trải đều trên lãnh thổ
quốc gia: hạng I, hạng II, hạng III, hạng IV, thủy chuẩn kỹ thuật.
1.3.1. Đo cao hình học (thủy chuẩn).

a

b
B
A

Hình 1.4. Nguyên tắc đo cao hình học.

Đo cao hình học là phương pháp đo cao truyền thống có lịch sử hình
thành và phát triển từ nhiều thế kỷ nay. Nó được xem là phương pháp đo cao
chính xác nhất với quy mơ trải dài hàng trăm, hàng nghìn kilơmet. Tuy vậy
đây là dạng đo đạc khá tốn cơng sức và có hạn chế cơ bản là không khả thi
trong điều kiện mặt đất có độ dốc lớn hoặc bị ngăn cách bởi sình lầy, bị bao
phủ bởi biển cả ...
Máy sử dụng trong đo cao hình học là máy thủy bình. Nguyên tắc đo
cao hình học bằng máy thủy bình là sử dụng tia ngắm song song với trục của


16

ống thủy dài tức là song song với mặt thủy chuẩn đi qua điểm đo để xác định
hiệu số độ cao giữa hai điểm dựng mia là A, B qua số đọc a, b trên mia.
Chênh cao giữa hai điểm A và B được xác định: ∆hAB = b – a

(1.5)

Đối với phương pháp đo cao thủy chuẩn hình học thì nhược điểm lớn
nhất của phương pháp là chịu ảnh hưởng rất lớn do sai số góc i tới độ cao, yêu
cầu phải thông hướng đo và thiết kế bãi đo khá chặt chẽ do đó nhiều khi
chúng ta khơng thể đáp ứng được những yêu cầu này. Bên cạnh đó phương
pháp đo cao thủy chuẩn hình học cịn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện ngoại
cảnh, độ cong trái đất …, thêm vào đó việc phải ngắm mia xa thơng qua bảng
ngắm cũng gây khó khăn khi đo đây cũng chính là một hạn chế cần khắc phục
của phương pháp đo cao hình học.
1.3.2. Đo cao lượng giác.
Đo cao lượng giác chủ yếu được áp dụng khi đo vẽ chi tiết bản đồ. Đo

cao lượng giác kém chính xác hơn đo cao hình học. Nhưng khi cần đo nhiều
và nhanh, u cầu độ chính xác khơng cao ta sẽ áp dụng phương pháp này.
Để xác định chênh cao giữa điểm A và B cần phải đo các đại lượng:
chiều cao máy i, chiều cao tiêu l, khoảng cách ngang D và góc thiên đỉnh Z
(hoặc góc đứng V).

Z

l

V
B

i

h A,B
D
A
Hình 1.5. Nguyên tắc đo cao lượng giác.


17

Để xác định chênh cao h

. Khi đã biết độ cao của điểm A, ta đặt máy

kinh vĩ tại A. Đo chiều cao của máy là i, dựng mia tại B.
Chênh cao giữa hai điểm A, B được tính theo công thức:

Hoặc:

hAB = D.ctgZ +i - l + f

(1.6)

hAB = D.ctgV +i - l + f

(1.7)

trong đó f là số hiệu chỉnh chiết quang và được tính gần đúng theo
cơng thức:
1-K 2
D
(1.8)
2R
với R là bán kính trung bình của Trái đất (R ≈ 6372 km), K là hệ số chiết
f=

quang đứng (K = 0,12 ÷ 0,16).
Trong một số trường hợp, khoảng cách ngang D có thể được xác định
gián tiếp bằng cách đo hai góc thiên đỉnh Z1, Z2 đến hai vạch dấu trên tiêu đo
(khoảng cách giữa hai vạch dấu được xác định chính xác và có giá trị bằng b),
khi đó:
D = b.

sinZ1 .sinZ2
sin(Z2 - Z1 )

(1.9)

Các nguồn sai số trong đo cao lượng giác là: sai số đo góc thiên đỉnh
mz (hoặc sai số đo góc đứng mv), sai số đo chiều dài mD, sai số đo chiều cao
máy mi, sai số đo chiều cao tiêu ml và sai số chiết quang đứng mf.
Trên cơ sở các công thức (1.6) và (1.7) sẽ xác định được công thức tính
sai số trung phương chênh cao trong đo cao lượng giác :
2

mhAB = ctg

Z.m2D

+

(D.secZ)2

mZ
ρ

2

+ m2i + m2l + m2f

(1.10)

Nhiều khảo sát thực tế cho thấy, đo cao lượng giác có thể đạt độ chính
xác tương đương thủy chuẩn hình học hạng IV. Để nâng cao độ chính xác đo
cao lượng giác cần áp dụng đồ hình đo cao từ giữa và đồ hình đo cao đối

18

hướng. Ưu điểm chính của phương pháp đo cao lượng giác là khả năng đo
được chênh cao lớn trên một trạm máy.
Đối với phương pháp đo cao lượng giác cũng giống như phương pháp
đo cao hình học thì phương pháp đo cao lượng giác cũng chịu ảnh hưởng của
điều kiện ngoại cảnh, độ cong trái đất và cả vấn đề ngắm mục tiêu thông qua
bảng ngắm sẽ dẫn tới sai số xác định số đọc trên mia qua bảng ngắm, đây
cũng chính là hạn chế của phương pháp này. Hạn chế lớn nhất của phương
pháp đo cao lượng giác chính là độ chính xác đo cao của phương pháp phụ
thuộc rất lớn vào sai số góc thiên đỉnh (tức là sai số bàn độ đứng).
1.3.3. Thủy chuẩn thủy tĩnh.
Phương pháp đo cao thủy tĩnh là phương pháp xác định chênh cao dựa
trên định luật cơ bản của thủy tĩnh học: “Mặt thống của chất lỏng ln ln
vng góc với phương của trọng lực và trong các bình thơng nhau thì luôn
nằm trên cùng một mặt thủy chuẩn, không phụ thuộc vào khối lượng chất
lỏng và tiết diện ngang của bình”. Như vậy trong phương pháp thủy chuẩn
thủy tĩnh, các chênh cao được xác định trực tiếp từ bề mặt chất lỏng, do vậy
nó khắc phục được ảnh hưởng của một số nguồn sai số trong thủy chuẩn hình
học như sai số do máy, sai số do chiết quang …
Phương pháp này được ứng dụng trong việc lắp đặt và kiểm tra về độ
cao các mặt phẳng tựa và đường dẫn hướng của máy móc thiết bị cơng nghệ,
đo độ lún cơng trình, chuyển độ cao qua vùng mặt nước rộng hoặc chướng
ngại vật.


19

Vị trí thứ nhất

Vị trí thứ 2
N2

N1

N1
S
d

A

2

2

2

h

h

2

d

1
d

d

1

T

1
T

S

N2

1

A

B

B

Hình 1.6. Sơ đồ đo cao thủy tĩnh tại một trạm đo.
Chênh cao tại một trạm đo sẽ được đo bằng 2 vị trí thuận và nghịch của
các bình (hình 1.6). Giả sử hệ thống đo thủy tĩnh gồm 2 bình N1 và N2 dùng
để xác định chênh cao giữa 2 điểm A và B. Chênh cao cần xác định h được
tính tương tự như trong thủy chuẩn hình học.
Trong đó:

h = (d1 - S1 ) - (d2 - T1 )

(1.11)

d1, d2 - khoảng cách từ điểm “0” của thang vạch đến mặt phẳng
tựa của các bình.
N1 và N2; S1, T1 - Số đọc trên vành đọc số của bình sau và bình
trước.
Như vậy ở vị trí thứ nhất (vị trí thuận) ta có:
h = (T1 - S1 ) + (d1 - d2 )

(1.12)

h = (d − S ) − (d − T )

(1.13)

Khi đổi chỗ các bình cho nhau (vị trí nghịch) thì:
Hay:

h = (T − S ) − (d − d )

(1.14)


20

Hiệu số d1 - d2 là sai số MO của máy hay cịn gọi là hằng số của dụng
cụ, nó thể hiện độ chính xác của cơng tác chế tạo dụng cụ. Khi lắp ráp chế
tạo, người ta cố gắng đưa hằng số của dụng cụ về giá trị tuyệt đối nhỏ nhất.
Khi lấy trung bình cộng các kết quả (1.13) và (1.14) ta được giá trị
trung bình của chênh cao xác định tại 1 trạm đo:
(S1 - T1 ) + (S2 - T2 )
(T1 - S1 ) + (T2 - S2 )

=(1.15)
2
2
Hiệu (d1 - d2) được gọi là sai số MO của máy, khi chế tạo người ta cố
hAB =

gắng làm cho MO có giá trị tuyệt đối nhỏ:
(T1 - S1 ) - (T2 - S2 )
(S1 - T1 ) - (S2 - T2 )
=2
2
Từ công thức xác định chênh cao ta có:
MO = d1 - d2 =

m2h =

1 2
(mT1 + m2S1 + m2T2 + m2S2 )
4

(1.16)

(1.17)

Nếu lấy:
Ta có:

m

≈m

≈m

≈m

≈m

mh = m0 - sai số đọc số trên một bình.

Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác đo cao thủy tĩnh bao
gồm:
- Sự khác biệt tỷ trọng chất lỏng trong các bình và ảnh hưởng của hiện
tượng mao dẫn: nguồn sai số này sẽ được giảm thiểu nếu tăng đường kính của
bình và chỉ thực hiện đo sau khi đã đặt máy khoảng 2 ÷ 3 phút để tránh dao
động của chất lỏng trong bình.
- Sai số do tiếp xúc đầu đo với bề mặt chất lỏng: khi di chuyển đầu đo
với tốc độ chậm thì sai số ny nm trong khong 1 ữ 2 àm.
- nh hng của biến thiên nhiệt độ, áp suất: đây là nguồn có ảnh
hưởng lớn nhất đến độ chính xác đo cao thủy tĩnh, vì vậy khi tổ chức thực


21

hiện công việc ở ngoại nghiệp cần phải chọn tuyến và thời điểm đo có nhiệt
độ, áp suất ổn định.
Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy độ chính xác của phương pháp đo
cao thủy tĩnh cao hơn so với phương pháp đo cao hình học, với sai số trung
phương xác định chênh cao trên một trạm đo có thể đạt đến giá trị 0,02 ÷ 0,03
mm. Ngồi ra các hệ thống thủy tĩnh cố định còn cho phép tự động hóa hồn
tồn q trình đo chênh cao giữa các điểm quan trắc. Vì vậy, phương pháp

này được sử dụng để quan trắc lún nền và các kết cấu xây dựng, những nơi có
mơi trường độc hại, khơng thuận lợi cho việc tiếp xúc của con người.
Mặc dù có độ chính xác cao nhưng phương pháp địi hỏi có những u
cầu chặt chẽ và khó thực hiện nhất. Vì trong các cơng trình vượt sơng, việc
đặt ống mềm dưới đáy sơng sao cho luôn tiếp xúc với mặt đáy sông và phải
tạo ra một áp suất lớn sao cho trong ống dẫn khơng có bọt thủy là rất khó thực
hiện. Bên cạnh đó việc tạo ra một ống dẫn dài để chuyền độ cao tại các khu
vực có khoảng cách rộng là rất khó khăn, yêu cầu về bãi đo cũng khá chặt
chẽ. Đồng thời hạn chế lớn nhất của phương pháp đo cao thủy tĩnh là không
thể tiến hành đo tại các khu vực có độ chênh cao lớn. Chính vì vậy phương
pháp đo cao thủy tĩnh khơng mang tính khả thi trong thực tiễn chuyền độ cao
qua sông.
Các phương pháp đo cao truyền thống có những mặt hạn chế khác
nhau, tuy nhiên cũng có những hạn chế chung mà nổi bật nhất là tại các khu
vực đo rộng lớn, địa hình phức tạp, việc chuyền độ cao rất khó thực hiện thậm
chí trong một số trường hợp khơng thể thực hiện được. Đồng thời dù đã có
các biện pháp khắc phục song các phương pháp đo cao truyền thống vẫn còn
chịu ảnh hưởng trực tiếp của điều kiện ngoại cảnh, độ cong trái đất…


22

Chương 2
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ CHUYỀN ĐỘ CAO
TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
2.1. CÁC HỆ THỐNG ĐỘ CAO.
Trong cơng tác trắc địa bản đồ, để xác định vị trí của một điểm trên bề
mặt trái đất, ngoài việc xác định tọa độ mặt bằng chúng ta còn quan tâm tới độ
cao của nó trong hệ thống độ cao thống nhất. Trong hệ tọa độ không gian một
điểm bất kỳ luôn được thể hiện bởi 3 thành phần tọa độ (X,Y,Z). Ngồi ra

cịn có thể biểu diễn theo hệ tọa độ trắc địa (B,L,H), trong đó H là độ cao
trắc địa hay còn gọi là độ cao so với Ellipxoid. Đã nói đến tọa độ trắc địa
là gắn với một ellipxoid có hình dạng, kích thước xác định và được định vị
so với trái đất, chúng ta thường gọi đó là ellipxoid thực dụng. Trong thực tế,
độ cao trắc địa H hầu như ít được sử dụng trong trắc địa cơng trình.
Trước hết, ta xét bản chất của việc xác định độ cao bằng phương pháp
thủy chuẩn hình học. Khi các mặt đẳng thế song song với nhau thì độ cao h
của điểm B so với điểm khởi đầu 0 được xác định bằng cách lấy tổng chênh
cao từ 1, 2,..., n của các trạm thủy chuẩn:
n

hB =

∆hi =
i=1

∆H

(2.1)

OB

Trong thực tế, khi đo thủy chuẩn ở khu vực nhỏ với độ chính xác cao
thì các mặt đẳng thế có thể coi là song song với nhau. Khi độ cao được
truyền trong khoảng cách lớn thì phải tính đến ảnh hưởng của các mặt
đẳng thế không song song với nhau do sự phân bố vật chất trong lịng Trái
đất. Chính vì vậy tổng chênh cao các đường đo khác nhau thì ta nhận được
các giá trị độ cao khác nhau.

23

Hình 2.1. Nguyên tắc xác định độ cao.
Như vậy ta nhận thấy độ cao đo được không đơn trị, để có được độ
cao đơn trị ta có nhiều cách hiệu chỉnh độ cao đo được, ứng với mỗi cách
hiệu chỉnh ta có một hệ thống độ cao. Trong trắc địa, sử dụng 3 hệ thống độ
cao: hệ độ cao chính, hệ độ cao chuẩn và độ cao động học.
2.1.1. Hệ thống độ cao chính (orthometric height).
Độ cao chính cũng có thể gọi là độ cao trực giao. Độ cao chính của
điểm trên mặt đất tự nhiên là khoảng cách từ điểm đó đến mặt Geoid tính theo
đường sức. Khái niệm trực giao ở đây liên quan đến tính chất vng góc của
đường sức với tất cả các mặt thủy chuẩn mà nó đi qua. Như trên hình 2.1 độ
cao chính của điểm B được xác định như sau:
g

HB =

∆H

(2.2)

CB

Thay dấu tổng bằng dấu tích phân ta có:
g

HB =

dH

Khi 2 mặt thủy chuẩn ở rất gần nhau ta có thể viết:
g
gdh = g dH ⟺ dH=
dh
g

(2.3)

(2.4)