Nghiên cứu xây dựng thuật toán và lập chương trình tính chuyển độ cao gps trong trắc địa công trình

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

PHẠM ĐỨC HẬU

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TỐN
VÀ LẬP CHƯƠNG TRÌNH
TÍNH CHUYỂN ĐỘ CAO GPS
TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2014


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

PHẠM ĐỨC HẬU

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TỐN
VÀ LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH
CHUYỂN ĐỘ CAO GPS
TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
Ngành: Kỹ thuật trắc địa – bản đồ
Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TRẦN VIẾT TUẤN

Hà Nội – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi,chương trình hồn
tồn được viết mới, các bảng số liệu tính tốn hồn tồn trung thực do chương
trình thực hiện khơng có tác động sửa chữa. Số liệu, kết quả nêu trong luận văn
là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Hà nội ngày 10 thang 4 năm 2014
Tác giả luận văn

Phạm Đức Hậu


1

MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Mục lục
Danh sách các bảng biểu
Danh sách các hình vẽ
Mở đầu............................................................................................... ………….....6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG TÁC ĐO CAO TRONG TRẮC ĐỊA
CƠNG TRÌNH ..................................................................................................... 10
1.1. CÁC DẠNG CƠNG TÁC TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH Ở VIỆT NAM ... 10

1.2. CÔNG TÁC ĐO CAO TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH .................. 20
CHƯƠNG 2: ĐO CAO GPS .............................................................................. 288
2.1.NGUYÊN LY CHUNG ............................................................................... 288
2.2.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH DỊ THƯỜNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CƠ
BẢN ĐO CAO GPS ........................................................................................... 311
2.3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH DỊ THƯỜNG ĐỌ CAO ζ DỰA TRÊN KẾT QUẢ
ĐỊNH HƯỚNG LẠI ELLIPSOID...................................................................... 411
2.4. LỰA CHỌN MƠ HÌNH NỘI SUY DỊ THƯỜNG ĐỘ CAO TRONG TRẮC
ĐỊA CƠNG TRÌNH .......................................................................................... 414
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH
CHUYỂN ĐỘ CAO GPS TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
3.1. XÂY DỰNG THUẬT TỐN CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CHUYỂN ĐỘ
CAO GPS TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH ......................................... ……49
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CHUYỂN ĐỘ CAO GPS
TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH .................................................................. 53
3.3. MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH ................................................................ 59
3.4. KẾT QUẢ TÍNH TỐN THỬ NGHIỆM CHƯƠNG TRÌNH .................. 67
3.5. THỰC ĐƠN CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH ........................................... 76
KẾT LUẬN .................................................................……………..………….767


2

KIẾN NGHỊ ............................................................................................... ……788
TÀI LIỆU THAM KHẢO


3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỀU

TT
Tên bảng
Bảng 2.1 Ảnh hưởng của sai số vị trí điểm đến độ cao trắc địa

Trang
46

Bảng 3.1 : Tọa độ, độ cao trắc địa, độ cao thủy chuẩn các điểm song trùng

69

lưới độ cao GPS đường Hồ Chí Minh
Bảng 3.2: Kết quả nội suy độ cao theo phương pháp số hiệu chỉnh địa hình

69

Bảng 3.3: Kết quả nội suy độ cao theo phương pháp Ellipsoid thi công

69

Bảng 3.4: Kết quả nội suy độ cao theo phương pháp góc nghiêng khi các

70

điểm nằm trên tuyến thẳng
Bảng 3.5 : Kết quả nội suy theo phương pháp góc nghiêng khi cỏc im

70

khụng nm trờn tuyn thng

Bảng 3.6: Bảng giá trị tọa độ và độ cao của l-ới
GPS thủy điện Hå Bèn

71

Bảng 3.7: Bảng kết quả nội suy theo phương pháp số hiệu chỉnh địa hình

72

Bảng 3.8: Bảng kết quả nội suy theo phương pháp góc nghiêng giữa

72

Ellipsoid và Geoid.
B¶ng 3.9: Bảng giá trị tọa độ và độ cao của l-ới
GPS thủy điện Hồi Xuân

74

Bng 3.10: Bng kt qu ni suy theo phương pháp số hiệu chỉnh địa hình.

74

Bảng 3.11: Bảng kết quả nội suy theo phương pháp góc nghiêng giữ

75

Ellipsoid và Geoid theo khi các điểm nằm trên tuyến thẳng
Bảng 3.12: Bảng kết quả nội suy theo phương pháp góc nghiêng giữ
Ellipsoid và Geoid theo khi các điểm khơng nằm trên tuyến thẳng.

75


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT
Tên hình
Hình 1.1: Phối cảnh một số tuyến đường

Trang
12

Hình 1.2: Phối cảnh một số cơng trình cầu

13

Hình 1.3: Thủy chuẩn hình học kép

14

Hình 1.4: Thủy chuẩn lượng giác

16

Hình 1.5: Thủy chuẩn thủy tĩnh

17

Hình 1.6: Thủy điện A Vương, tỉnh Quảng Nam

18

Hình 1.7: Hầm đường bộ Hải Vân

19

Hình 1.8: Đo cao hình học

21

Hình 1.9: Tuyến đo cao hình học

22

Hình 1.10: Đo cao lượng giác

23

Hình 1.11:Đo cao thủy tĩnh

25

Hình 2.1: nguyên lý đo cao GPS

28

Hình 2.2: Mặt đại dương và địa hình đáy

35

Hình 2.3: Bề mặt đất và mặt quasigeoid

35

Hình 2.4: Mặt cắt địa hình

36

Hình 2.5: Góc nghiêng giữa hai mặt Geoid và Elipxoid

38

Hình 2.6: Ngun lý tính chuyển độ cao GPS theo mặt ellipsoid thi cơng

41

Hình 2.7 : Ảnh hưởng của sai số vị trí điểm đến độ cao trắc địa

45

Hình 3.1 : Sơ đồ khối tổng quát chương trình

53

Hình 3.2 : Sơ đồ khối modul chương trình phương pháp

54

số hiệu chỉnh địa hình
Hình 3.3: Sơ đồ khối Modul chương trình theo phương pháp định

55

hướng lại Elipsoid
Hình 3.4: Sơ đồ khối Modul chương trình theo phương pháp góc

57


5

nghiêng, khi các điểm gần nhau và nằm trên tuyến thẳng
Hình 3.5 : Sơ đồ khối Modul chương trình theo phương pháp góc nghiêng, 58
khi các điểm khơng cùng nằm trên một đường thẳng
Hình 3.6 : Sơ đồ lưới tuyến đường Hồ Chí Minh đưa vào nội suy

68

Hình 3.7 : Sơ đồ l-ới GPS thủy điện Hồ Bồn

71

Hỡnh 3.8 : Sơ đồ l-ới GPS thủy điện Hi Xuõn

73


6

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam nằm trong nhóm các nước đang phát triển và đang trong q
trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Do đó, xây dựng cơ sở hạ tầng
ln là vấn đề cấp thiết đặt ra cho đất nước trên đường hội nhập kinh tế thế giới.
Các cơng trình xây dựng hiện đại ngày nay là thành quả tổng hợp từ rất
nhiều các chun ngành khác nhau, trong đó khơng thể khơng kể đến vai trò
quan trọng của trắc địa. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì nghiệp
vụ trắc địa gắn với quy hoạch, khảo sát, thiết kế, thi cơng, vận hành các cơng
trình ngày càng địi hỏi độ tin cậy, độ ổn định, khả năng đáp ứng nhanh trong
mọi điều kiện địa hình và phải tính đến cả hướng phát triển mở rộng của cơng
trình. Vì thế các mạng lưới trắc địa cơng trình tất yếu cũng phải thỏa mãn các
yêu cầu trên, nghĩa là phải đạt được yêu cầu về kỹ thuật, tiến độ và kinh tế.
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) - một hệ thống dẫn
đường và định vị chính xác dựa trên các vệ tinh NAVSTAR (Navigation
Satellite Timing And Ranging) được xây dựng và phát triển bởi Bộ quốc phòng
Mỹ. Hệ thống này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: trắc
địa, địa chất, dầu khí, thuỷ văn, xây dựng, hải dương học, du lịch….
Khi khảo sát thiết kế và thi cơng xây dựng các cơng trình ở vùng địa hình
đặc biệt khó khăn ( Cơng trình thuỷ điện, cầu vượt sông .v.v) công tác truyền độ
cao bằng phương pháp thuỷ chuẩn hình học truyền thống gặp rất nhiều khó
khăn, hiệu quả kinh tế khơng cao và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện
được do yếu tố địa hình gây nên. Bằng kết quả đo GPS tương đối tĩnh có thể xác
định chênh cao trắc địa (H) giữa hai điểm cách xa nhau từ 1 - 8 km với độ chính
xác rất cao. Nhưng giá trị chênh cao này lại không sử dụng được trong trắc địa
công trình vì hệ độ cao sử dụng là hệ độ cao thường. Nghiên cứu xây dựng thuật


7

tốn và lập chương trình máy tính để tính chuyển độ cao đo bằng công nghệ
GPS về hệ độ cao thi cơng cơng trình, sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cũng như đáp
ứng được yêu cầu về tiến độ, thời gian khi khảo sát thiết kế và thi công xây dựng
các cơng trình tại vùng địa hình khó khăn
Xuất phát từ những điều kiện khách quan và chủ quan, nhất là yêu cầu từ
thực tiễn sản xuất, tôi đã tham khảo đề xuất và được phép thực hiện đề tài
“Nghiên cứu xây dựng thuật tốn và lập chương trình tính chuyền độ cao
GPS trong trắc địa cơng trình”.
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu nguyên lý đo cao bằng cơng nghệ GPS. Từ đó xây dựng thuật
tốn phù hợp với q trình tính tốn thực tế. Lập chương trình tự đơng hóa q
trình tính tốn để tính chuyển độ cao GPS về hệ độ cao thi công, nhằm đáp ứng
được yêu cầu về độ chính xác, cũng như đẩy nhanh tiến độ đo cao trong trong
khảo sát, thiết kế và thi cơng xây dựng cơng trình ở những khu vực có đặc điểm
địa hình khó khăn
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các dạng lưới khống chế trắc địa cơng trình thành
lập bằng cơng nghệ GPS phục vụ khảo sát - thiết kế - thi cơng các cơng trình.
Ngơn ngữ lập trình phù hợp với q trình xử lý số liệu có độ chính xác số học
cao.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài chủ yếu đề cập đến các phương pháp xử lý
số liệu tính chuyển độ cao GPS về hệ độ cao thường dùng trong trắc địa cơng
trình. Phương pháp tính và ngơn ngữ lập trình thơng dụng phù hợp cho xây dựng
chương trình tự động hóa q trình tính chuyển độ cao GPS.
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến các hệ thống độ cao, phương pháp
xác định dị thường độ cao, đo cao GPS. Tìm hiểu các đặc trưng của mơ hình dị

8

thường độ cao. Đề tài đã nghiên cứu cách xác định dị thường độ cao theo ba
phương pháp:
1- Phương pháp số hiệu chỉnh địa hình.
2- Phương pháp định vị lại Elipsoid.
3- Phương pháp sử dụng góc nghiêng giữa mặt Elipsoid và Geoid.
Đặc biệt tập trung vào nghiên cứu phương pháp đo cao GPS, từ đó nghiên
cứu phương pháp xác định độ cao thủy chuẩn từ độ cao GPS.
Thành lập chương trình máy tính thực hiện tính nội suy dị thường độ cao
cho các điểm GPS trên cơ sở các điểm song trùng. Thực hiện tính thử nghiệm
trên một số lưới đo cao GPS đã có số liệu, để kiểm định tính chính xác và hiệu
quả của chương trình mà đề tài đã thành lập.
5. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục đích và nội dung của đề tài đặt ra, trong luận văn đã sử
dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập tài liệu: các tài liệu liên quan đến công nghệ GPS,
đặc biệt là đo độ cao GPS như các bài giảng chuyên ngành, các bài báo khoa
học, các báo cáo đề tài nghiên cứu chun mơn, …
- Phương pháp phân tích cấu trúc dữ liệu và giải thuật.
- Phương pháp lập trình trên các ngơn ngữ lập trình khác nhau, đặc biệt các
ngơn ngữ lập trình có độ chính xác số học cao.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học : Nghiên cứu áp dụng công nghệ GPS để tính chuyển
độ cao khi khảo sát thiết kế và thi cơng các cơng trình xây dựng ở những vùng
có địa hình khó khăn.
Ý nghĩa thực tiễn : Kết quả nghiên cứu của luận văn là xây dựng thuật
toán và chương trình máy tính, để tính chuyển độ cao GPS, có ý nghĩa áp dụng
trong thực tế sản xuất rất cao. Cụ thể là nâng cao yêu cầu về độ chính xác cũng

9

như đẩy nhanh tiến độ thời gian, đáp ứng những yêu cầu trong khảo sát thiết kế
và thi công xây dựng cơng trình ở những khu vực có đặc điểm địa hình khó
khăn.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn được trình bày trong 82 trang khổ giấy A4, bao gồm 3 chương
phần thuyết minh, các bảng biểu và các hình vẽ.
8. Lời cảm ơn
Trong q trình thực hiện và hồn thành luận văn, cùng với sự nỗ lực của
bản thân, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Bộ mơn trắc địa cơng
trình, đặc biệt là sự chỉ dẫn chu đáo, cặn kẽ của thầy hướng dẫn PGS.TS Trần
Viết Tuấn. Tuy nhiên do điều kiện và thời gian có hạn, nên đề tài chưa xây dựng
được chương trình có tính tự đơng hóa cao cho thực tiễn sản. Tác giả rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp q báu của các thầy cơ và các đồng nghiệp,
giúp tác giả hoàn thiện và tiếp tục nghiên cứu thêm hướng phát triển của đề tài.
Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Viết Tuấn, cùng các đồng nghiệp
đã giúp tác giả hoàn thành luận văn này!


10

CHƯƠNG 1 :

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO CAO TRONG
TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH

1.1. CÁC DẠNG CƠNG TÁC TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH Ở VIỆT NAM
Ở Việt Nam hiện nay, chúng ta đang trong q trình cơng nghiệp hóa ,

hiện đại hóa. Vì thế mà dọc theo chiều dài đất nước có rất nhiều cơng trình đang
được thi cơng xây dựng, hoặc đã hoàn thành đưa vào sử dụng và cả những cơng
trình vẫn cịn nằm trong ý tưởng của các nhà hoạch định chiến lược. Nhưng tựu
chung lại, tất cả các cơng trình này đều có thể chia thành các dạng sau: cơng
trình thành phố, cơng nghiệp; cơng trình giao thơng (cầu, đường); cơng trình
hầm; cơng trình thủy điện - thủy lợi.
1.1.1. Trắc địa cơng trình thành phố, cơng nghiệp
u cầu chung của việc khảo sát khu vực xây dựng công trình cơng nghiệp
là chọn trong vùng quy định một địa điểm thỏa mãn đầy đủ nhất các điều kiện
hoạt động bình thường của các đơn vị trong đó, đồng thời đảm bảo chi phí nhỏ
nhất cho quy hoạch mặt bằng, độ cao và thi cơng cơng trình.
Cơng việc trắc địa triển khai đầu tiên ngoài thực địa thường bao giờ cũng là
thành lập lưới khống chế. Tùy thuộc vào mục đích thành lập lưới là dùng để đo
vẽ địa hình nói chung hay dùng để phục vụ thi cơng cơng trình (bố trí cơng trình,
lắp đặt thiết bị, …) mà đưa ra yêu cầu độ chính xác của lưới khống chế. Thơng
thường, lưới khống chế trắc địa cơng trình dạng này có thể phân thành 3 cấp:
- Lưới mặt bằng và độ cao nhà nước (lưới tam giác, đa giác hạng II ÷ IV;
lưới thủy chuẩn hạng II ÷ IV)
- Lưới tăng dày khu vực (lưới giải tích cấp 1, 2 hoặc đa giác cấp 1, 2; lưới
thủy chuẩn kỹ thuật)
s- Lưới khống chế đo vẽ (lưới đường chuyền kinh vĩ, lưới tam giác nhỏ,
lưới giao hội, …)


11

Việc phân cấp lưới không nhất thiết phải tuân theo như trên, có thể tùy
thuộc vào yêu cầu chung của từng cơng trình mà phân cấp hợp lý.
Mặc dù đa số các cơng trình dạng thành phố, khu cơng nghiệp đều quy
hoạch tại những khu vực địa hình bằng phẳng, độ dốc không cao nên công tác

thành lập lưới khống chế theo phương pháp kinh điển là sử dụng máy kinh vĩ để
đo góc, cạnh đối với lưới mặt bằng và máy thủy chuẩn để đo chênh cao đối với
lưới độ cao khơng gặp nhiều khó khăn. Nhưng do những cơng trình dạng này
đều có quy mơ diện tích lớn nên khối lượng công tác đo đạc thành lập lưới cũng
vì thế mà khơng nhỏ. Hơn nữa để đạt được độ chính xác đặt ra thì q trình thực
hiện đo đạc ngoài thực địa phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình đo. Trường
hợp khu đo tồn tại các chướng ngại vật làm che khuất tầm nhìn, khả năng thơng
hướng giữa các hướng đo thì phải khắc phục bằng cách thay đổi đồ hình lưới,
chẳng hạn như chọn lại vị trí mốc khống chế. Cơng việc này lại phát sinh thêm
nhiều công việc khác nữa làm kéo dài thêm thời gian và làm tăng chi phí.
Ngày nay, nhờ áp dụng cơng nghệ GPS mà mức khó khăn và khối lượng
cơng việc trắc địa trong quá trình thành lập lưới khống chế ở thành phố, khu
công nghiệp giảm đi nhiều, kéo theo đó là thời gian và chi phí cũng giảm. Lý do
là việc bố trí chọn mốc khống chế đơn giản hơn nhiều bởi đồ hình lưới GPS rất
linh hoạt, cho phép chọn vị trí đặt mốc gần như tại bất kỳ địa điểm nào miễn sao
không làm ảnh hưởng đến việc thu nhận tín hiệu từ vệ tinh.
Thực tế ngồi sản xuất hiện nay, cơng nghệ GPS được ứng dụng nhiều
nhưng mới chỉ dùng để thành lập lưới mặt bằng, còn lưới độ cao vẫn dùng
phương pháp kinh điển. Nếu muốn dùng cả kết quả đo cao GPS thì cần phải
nghiên cứu thêm để nâng độ chính xác độ cao khai thác từ công nghệ này.
1.1.2. Trắc địa công trình giao thơng
Tuyến đường là một đường cong khơng gian bất kỳ và rất phức tạp. Trong
mặt phẳng nằm ngang, tuyến bao gồm các đoạn thẳng có hướng khác nhau và


12

chêm giữa chúng là những đường cong phẳng có bán kính cong cố định hoặc
biến đổi. Trong mặt phẳng thẳng đứng, tuyến bao gồm các đoạn thẳng có độ dốc
khác nhau và nối giữa các đoạn thẳng đó là những đường cong đứng có bán kính

khơng đổi.

Đường Lê Đức Thọ - Tp. Hà Nội

Đường cao tốc Láng Hòa Lạc - Tp. Hà nội

Hình 1.1: Phối cảnh một số tuyến đường
Yêu cầu chung của tuyến đường là phải thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật
của việc thiết kế tuyến đề ra. Thông thường khi thiết kế một tuyến đường cụ thể
nào đó, người ta cho biết trước độ dốc dọc lớn nhất và nhỏ nhất, cho trước bán
kính cho phép tối thiểu của các đường cong đứng và thẳng, … Tập hợp tất cả
các công tác khảo sát theo những yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho một tuyến đường
và đòi hỏi một chi phí nhỏ nhất cho việc xây dựng tuyến gọi là cơng tác định
tuyến đường. Có hai cách định tuyến đường:
- Định tuyến trong phịng: thơng thường dựa vào bình đồ có sẵn.
- Định tuyến ngồi thực địa: xác định tuyến trực tiếp ngoài hiện trường.
Như vậy để xây dựng một tuyến đường thì cơng tác khảo sát địa hình mà cụ
thể là thành lập lưới khống chế là rất cần thiết. Lưới mặt bằng dùng để xác định
hình dạng tuyến trên mặt phẳng ngang, và lưới độ cao giúp cho việc xác định độ
dốc của tuyến.


13

Đối với những tuyến đường ở đồng bằng thì quá trình xây dựng lưới
khống chế theo phương pháp truyền thống ít gặp khó khăn hơn như đối với
những tuyến đường ở vùng núi, nhất là về vấn đề độ cao. Trong trường hợp này
thì lưới GPS lại thể hiện được ưu việt của nó, nhưng chúng ta vẫn gặp phải
vướng mắc về cao độ. Đó là độ cao cơng trình thì lấy theo hệ độ cao thường
trong khi kết quả tính GPS lại cho độ cao trong hệ độ cao trắc địa.

1.1.3. Trắc địa cơng trình cầu
Khi xây dựng các tuyến đường giao thông, chúng ta thường gặp các
chướng ngại vật như khe núi, sơng, hồ, … thì cần thiết phải xây dựng cơng trình
vượt qua các chướng ngại đó, những cơng trình như thế gọi là cầu.

Cầu Phú Mỹ - Tp. Hồ Chí Minh

Cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Nam

Hình 1.2: Phối cảnh một số cơng trình cầu
u cầu chung khi lựa chọn vị trí xây dựng cầu là vị trí đó phải phù hợp
với hướng chung của tuyến đường và đảm bảo các yếu tố kỹ thuật như địa chất,
hướng dịng chảy, bề rộng lịng sơng, … để phục vụ cho việc thiết kế cầu, một
yêu cầu không thể thiếu nữa là khả thi về mặt kinh tế.
Thông thường các công việc trắc địa đặt ra khi khảo sát, thi công xây
dựng cầu là lập lưới khống chế cho khu vực cầu, đo vẽ bình đồ cầu, trắc dọc và
trắc ngang cầu, bố trí tim trụ cầu, ... Cầu là một cơng trình có kết cấu phức tạp
với mục đích dùng để vượt chướng ngại vật nên độ chính xác bao giờ cũng lớn


14

hơn độ chính xác khi xây dựng tuyến đường. Vì thế phải xây dựng lưới khống
chế riêng cho cầu.
Trong thực tế hiện nay, thường sử dụng công nghệ GPS để xây dựng hai
điểm khống chế độ chính xác tương đưong lưới hạng IV nhà nước trở lên ở hai
bên bờ sơng, sau đó sử dụng hai điểm này là điểm gốc phát triển lưới khống chế
cầu. Đồ hình của lưới khống chế cầu thường có dạng tứ giác trắc địa. Về mặt
bằng thì vẫn sử dụng phương pháp truyền thống là đo góc, cạnh. Nhưng đối với
lưới độ cao cầu thì chúng ta khơng thể áp dụng đo độ cao thủy chuẩn hình học

bình thường được. Vì các mốc bố trí ở hai bên bờ khác nhau nên cần phải
chuyền độ cao qua chỗ vượt sơng. Khi đó việc chuyền độ cao qua sông được
tiến hành bằng đo thủy chuẩn hình học kép, thủy chuẩn lượng giác hay thủy
chuẩn thủy tĩnh.
♦ Thủy chuẩn hình học kép

Hình 1.3: Thủy chuẩn hình học kép
Sơ đồ đo chuyền độ cao qua sông bằng thủy chuẩn hình học kép bố trí
như hình 1.3, trong đó thỏa mãn điều kiện sau
J1Rp1 = J2Rp2
J1Rp2 = J2Rp1
Trình tự đo chênh cao tại một trạm máy thao tác như đo thủy chuẩn hình
học thơng thường, một vịng đo kết thúc khi lần lượt đặt máy thủy chuẩn tại J1
và J2 đo về hai mia tại Rp1 và Rp2. Số vịng đo phụ thuộc vào độ rộng của sơng
và độ chính xác yêu cầu chuyền độ cao.


15

Trong trường hợp này điều kiện bằng nhau về khoảng cách từ máy đến
mia trước và mia sau bị vi phạm nghiêm trọng, nên các chênh cao nhận được sẽ
chịu ảnh hưởng lớn của độ cong trái đất, chiết quang đứng, sai số góc i máy thủy
chuẩn. Hơn nữa quá trình đo cần phải giữ cho góc i của máy thủy chuẩn giữa
các nửa vịng đo thay đổi khơng đáng kể, trong khi theo số liệu thử nghiệm thì
cứ nhiệt độ thay đổi 1oC thì giá trị góc i thay đổi trung bình khoảng 0.5”. Vì vậy
cần tiến hành trong thời gian ngắn, ở những điều kiện ngoại cảnh như nhau để
cho ảnh hưởng của chiết quang tại các bờ là như nhau. Hoặc có thể khắc phục
sai số do ảnh hưởng chiết quang không đồng đều lên các giá trị chênh cao đo ở
các nửa vòng đo khác nhau thì nên sử dụng đồng thời 2 máy thủy chuẩn từ hai
bên bờ và sau đó đổi máy cho nhau.

Như vậy dễ dàng nhận thấy rằng việc chuyền độ cao qua sơng bằng thủy
chuẩn hình học kép phải tn thủ rất nghiêm ngặt từ phương án bố trí máy đo
đến thao tác đo và đòi hỏi thực hiện trong thời gian càng ngắn càng tốt trong khi
việc di chuyển máy qua sông lại phải đảm bảo sao cho giá trị góc i của máy thủy
chuẩn ổn định.
♦ Thủy chuẩn lượng giác
Sơ đồ đo thủy chuẩn lượng giác vượt sông giữa hai mốc độ cao A, B được
bố trí như hình 1.3, trong đó độ dài đoạn BC bằng độ dài đoạn AD và thường
khơng q 3m, ngồi ra cần cố gắng chọn điểm sao cho bốn điểm A, B, C, D tạo
thành hình bình hành.


16

Hình 1.4: Thủy chuẩn lượng giác
Sử dụng hai máy kinh vĩ đồng thời đặt tại C, D; hai mia có gắn bảng ngắm
đặt tại A, B. Quá trình đo tiến hành trên cả hai bờ, sau đó chuyển máy sang bờ
bên kia để kết thúc hai chiều đo.
Đối với thủy chuẩn lượng giác hai chiều ta có:
h = Stg(z2 - z1)/2 + (l1 + i1)/2 – (l2 + i2)/2
Trong đó z1, z2 là các góc thiên đỉnh tới các bảng ngắm cùng tên được đo
đồng thời bằng các máy kinh vĩ khác nhau; l1, l2 là độ cao các bảng ngắm cùng
tên so với chân mia; i1, i2 là độ cao của máy so với các mốc thủy chuẩn A, B; S
là khoảng cách giữa các mốc thủy chuẩn A và B được xác định từ tính tốn lưới
tam giác cầu.
Như vậy ta thấy rằng cũng giống như chuyền độ cao qua sơng bằng thủy
chuẩn hình học, việc chuyền độ cao qua sơng bằng thủy chuẩn lượng giác địi
hỏi thực hiện theo quy trình nghiêm ngặt.
♦ Thủy chuẩn thủy tĩnh
Thiết bị đo và cách bố trí khi đo thủy chuẩn thủy tĩnh vượt sông như sau:

trên đáy sông, đặt một ống mềm chắc chắn chứa đầy chất lỏng dưới áp suất cao,


17

trong ống khơng được có bọt khí. Ở các đầu ống mềm đó cắm những ống thủy
tinh khắc vạch và được gắn chặt vào các cột N1, N2 ở hai bên bờ (hình 1.5).

Hình 1.5: Thủy chuẩn thủy tĩnh
Các mốc thủy chuẩn Rp1 và Rp2 cần được chôn ở vị trí ổn định và cách các
cột đó một khoảng bằng khoảng cách giữa các trạm máy khi đo thủy chuẩn. Dựa
vào tính chất hai mặt thống của chất lỏng trong các ống tại N1, N2 nằm trên
cùng một mặt phẳng, dùng hai máy thủy chuẩn để nối mặt phẳng đó với các mốc
độ cao Rp1 và Rp2. Tiến hành đo nhiều lần, lấy trung bình để có được chênh cao
cần tìm.
Ta nhận thấy rằng, với cách đo như này thì tại mỗi bờ cần đo áp suất và
nhiệt độ không khí, nước để khi cần thiết có thể hiệu chỉnh vào kết qủa đo. Thiết
bị đo ít phổ biến, cơng tác chuẩn bị đo mất nhiều thời gian, và kết quả đo bị ảnh
hưởng ngồi độ chính xác của máy móc cịn bị ảnh hưởng của yếu tố áp suất,
nhiệt độ mơi trường đo.
Tóm lại trong cả ba phương pháp chuyền độ cao vượt sơng đã trình bày ở
trên thì đều có đặc điểm chung là cơng tác chuẩn bị đo phức tạp, quá trình đo
tuân thủ nhiều yêu cầu như về thời gian, trình tự thao tác, kiểm tra yếu tố ngoại
cảnh như nhiệt độ, áp suất, …. và trên hết là độ chính các các kết quả tìm được
đều chịu ảnh hưởng nhiều từ ngoại cảnh, khi sông rộng từ 400m trở lên thì càng
phải lưu ý đến ảnh hưởng này hơn nữa.


18

1.1.4. Trắc địa cơng trình thủy lợi - thủy điện
Lưới khống chế trắc địa phục vụ trong các cơng trình thủy lợi – thủy điện là
vô cùng quan trọng, đặc biệt là lưới độ cao. Chẳng hạn như khi xây dựng một
tuyến kênh dẫn nước tự chảy thì phải đảm bảo độ dốc của kênh, hoặc khi xây
dựng các nhà máy thủy điện thì phải lựa chọn được chính xác mực nước chuẩn
để từ đó xác định ranh giới ngập lụt cho vùng lịng hồ.
Đối với một cơng trình thủy lợi-thủy điện thì u cầu độ chính xác các
cơng trình khu đầu mối là cao nhất, ví dụ với các cơng trình bêtơng thì phải bố
trí với sai số trung phương là ±10mm. Vì thế mà lưới khống chế tại khu vực này
cũng địi hỏi độ chính xác cao, có thể tương đương thủy chuẩn hạng III, IV nhà
nước.

Phối cảnh cơng trình

Mơ hình nhà máy

Hình 1.6: Thủy điện A Vương, tỉnh Quảng Nam
Các nhà máy thủy điện thường xây dựng ở miền núi vì nếu xây dựng ở
đồng bằng sẽ làm ngập lụt một diện tích đáng kể các vùng đất canh tác có giá trị.
Các điểm lưới khống chế độ cao phân bố đều trong khu vực đầu mối. Với đặc
điểm địa hình núi cao, sơng lớn thì việc xây dựng lưới độ cao bằng phương pháp
truyền thống gặp nhiều khó khăn, hơn nữa lại gặp phải trường hợp cần chuyền
độ cao qua sơng như đã trình bày trong phần 1.1.3. Khi thành lập lưới khống chế
mặt bằng theo cơng nghệ GPS ta đã có độ cao trắc địa của các điểm lưới, nếu tận


19

dụng được kết quả đo cao GPS này vào trong việc thành lập lưới độ cao thì tăng
hiệu quả cơng việc.

1.1.5. Trắc địa cơng trình hầm
Nhiệm vụ chủ yếu của trắc địa trong xây dựng đường hầm là đảm bảo đào
thơng hầm đối hướng với độ chính xác theo u cầu. Lưới khống chế trắc địa
(mặt bằng và độ cao) trên mặt đất có nhiệm vụ định hướng cơ sở trắc địa
trong hầm. Đặc điểm của lưới này thường có các điểm lưới được bố trí gần
hai cửa hầm.

Hình 1.7: Hầm đường bộ Hải Vân
Trong phần này chúng tôi chỉ xét riêng lưới độ cao phục vụ trong cơng
trình hầm. Độ chính xác của lưới khống chế độ cao trên mặt đất tùy thuộc vào
yêu cầu độ chính xác đào thông hầm đối hướng theo phương thẳng đứng, chiều
dài hầm, sai số độ cao cho phép lắp đặt thiết bị trong hầm, … Thơng thường độ
chính xác này tương đương với thủy chẩn hạng III nhà nước. Ảnh hưởng của sai
số đo thủy chuẩn trên mặt đất đến độ cao đào thơng hầm được tính theo cơng
thức:
mh ≤ mo L

(1.1)

Trong đó: L là tổng chiều dài tuyến thủy chuẩn trên mặt đất (đơn vị tính là km).
mo là sai số trung phương của trị trung bình của hiệu độ cao đo đi-đo về
trên tuyến thủy chuẩn dài 1km và được xác định như sau:


20

mo =

1  ∆∆
4n  r 

(1.2)

Trong đó: ∆ là sai số khép của hiệu độ cao đo đi-đo về trên mỗi tuyến thủy
chuẩn (tính theo mm).
R là chiều dài tuyến thủy chuẩn (đơn vị tính là km).
N là số tuyến thủy chuẩn.
Từ công thức (1.1) và (1.2) ta thấy rằng độ chính xác độ cao đào thơng hầm
mh tỷ lệ thuận với chiều dài hầm và sai số đo thủy chuẩn. Khi chiều dài hầm là
đại lượng không đổi thì sai số này phụ thuộc chủ yếu vào sai số đo.
Thơng thường các cơng trình hầm thường đào xun qua núi, hoặc dưới
lịng sơng, eo biển, … nghĩa là qua những địa hình mà cơng tác chuyền độ cao
giữa hai đầu cửa hầm gặp rất nhiều khó khăn. Trong khi với điều kiện công nghệ
hiện tại, xây dựng lưới khống chế mặt bằng đơn giản hơn nhiều nhờ áp dụng
cơng nghệ GPS. Nếu có thể có biện pháp xử lý nhằm nâng cao độ chính xác về
độ cao khi đo bằng GPS để kết hợp đo lưới mặt bằng và độ cao cùng lúc bằng
GPS thì sẽ tăng hiệu quả cơng việc lên rất nhiều.
1.2. CƠNG TÁC ĐO CAO TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
Trắc địa cơng trình - hiểu một cách đơn giản là bao gồm tất cả những
công tác trắc địa thực hiện trong quá trình khảo sát thiết kế, thi công xây dựng
và vận hành sử dụng cơng trình. Tùy thuộc vào đặc điểm và u cầu riêng của
từng loại cơng trình mà các cơng tác trắc địa có thể khác nhau, song cơ bản đều
có đặc điểm chung về phương pháp và nguyên lý. Một trong những cơng tác của
trắc địa liên quan đến cơng trình là công tác đo cao. Trong mục này, luận văn sẽ
đề cập đến các phương pháp đo cao trong trắc địa cơng trình, chủ yếu liên quan
đến lưới khống chế độ cao.


21

Ở Việt Nam, khi thành lập lưới khống chế độ cao trong trắc địa cơng trình,
thơng thường ứng dụng 3 phương pháp đo sau: đo cao hình học, đo cao lượng
giác và đo cao thủy tĩnh. Trong các phương pháp trên thì đo cao hình học và đo
cao lượng giác được dùng phổ biến hơn. Từ khi công nghệ GPS ra đời chúng ta
có thêm khái niệm đo cao GPS.
1.2.1. Đo cao hình học
Phương pháp đo cao hình học đã và vẫn đang là phương pháp được ứng
dụng phổ biến nhất cả trong xây dựng lưới độ cao các cấp hạng và trong các
công tác đo cao của trắc địa cơng trình ở nước ta. Thiết bị sử dụng trong đo cao
hình học là máy thủy bình (máy NIVO)

a

b
B
A

Hình 1.8: Đo cao hình học
Nguyên tắc đo cao hình học bằng máy thủy bình là sử dụng tia ngắm song
song với trục của ống thủy dài tức là song song với mặt thủy chuẩn đi qua điểm
đo để xác định hiệu chênh độ cao giữa hai điểm dựng mia là A, B qua số hai số
đọc a, b trên mia.
Chênh cao giữa hai điểm A và B được xác định
hAB = a - b

(1.3)


22

Hình 1.9: Tuyến đo cao hình học
Khi A và B cách xa nhau hoặc do độ dốc lớn thì cần bố trí nhiều trạm máy,
lúc này hAB là tổng các chênh cao hi của n trạm máy.
n

n

n

1

1

1

hAB = ∑ hi = ∑ ai − ∑bi

(1.4)

Ưu điểm của đo cao hình học:
- Độ cao đo được thuộc hệ thống độ cao thường - là hệ thống độ cao sử
dụng trong trắc địa cơng trình.
- Độ chính xác cao nên đáp ứng được yêu cầu đặt ra khi tuân thủ quy trình đo.
- Trang thiết bị phục vụ quá trình đo rất phổ biến và có giá thành thấp nên
hầu hết các đơn vị sản xuất đều có thể tự trang bị được máy thủy chuẩn các loại.
- Thao tác đo và cơng việc tính tốn đơn giản, dễ dàng thực hiện.
- Hiện nay các nhà cung cấp như Topcon, Trimble đã tung ra thị trường
loại máy đo thủy chuẩn điện tử với mia mã vạch. Những loại máy này có bộ
phận tự cân bằng, chúng ta có thể đặt chế độ đo như S-T-T-S hay SS-TT và
trong file kết quả cuối cùng sẽ cho kết quả hiệu chênh cao tuyến và chiều dài

tuyến đo nên giảm được sai số ghi sổ cũng như sai số do tính tốn tổng hợp
chênh cao cho từng trạm hay cho cả tuyến đo.
Nhược điểm của đo cao hình học:
- u cầu thơng hướng tia ngắm từ máy đến cả hai mia trước và sau.
- Trong một trạm máy không đo được chênh cao lớn. Đối với địa hình miền
núi thì khó thực hiện do u cầu về khoảng cách bằng nhau từ máy đến mia