- Trang Chủ
- Báo cáo khoa học
- Báo cáo nghiên cứu khoa học: Những lưu ý khi sử dụng tọa độ nhà nước trong trắc địa công trình - TS. Nguyễn Quang Phúc
Xem mẫu
- NHỮNG LƯU Ý KHI SỬ DỤNG TỌA ĐỘ NHÀ NƯỚC
TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH
TS. NGUYỄN QUANG PHÚC
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
1. Đặt vấn đề
Hệ thống lư ới tọa độ Nhà nư ớc các cấp hạng là cơ s ở toạ độ để tiến hành các công tác tr ắc địa - địa
hình và tr ắc địa côn g trình (T ĐCT), ph ục vụ cho các
m ục đích khác nhau của nền kinh tế quốc dân v à B
A’
qu ốc ph òng. Tuy nhiên, việc sử dụng tọa độ Nhà
A B’
nư ớc trong khi giải quyết các nhiệm vụ của TĐCT ở
nư ớc ta vẫn c òn nhiều bất cập, gây ra những trở ngại a b
không nhỏ trong thiết kế và thi công xây dựng công
trình, làm ả nh hư ởng đến tiến độ v à thậm chí đến
chất lư ợng các công tr ình xây dựng. Chỉ ra những
bất cập đó, tác giả bài báo khuy ến nghị các chuy ên
gia cần sử dụng hợp lý các giá trị tọa độ phẳng của
lư ới tọa độ Nhà nư ớc trong khi t iến hành các công
tác TĐCT. Trư ớc hết, bàn về sự biến dạng kích
O
thư ớc và t ỷ lệ lư ới khống chế tọa độ do hệ tọa độ v à
độ cao mặt chiếu gây ra.
2. Số hiệu chỉnh do chuyển trị đo về hệ tọa độ và Hình 1. Chiếu cạnh đo lên mặt ellipsoid
độ cao mặt chiếu
N hư đã biết, các trị đo trong lư ới trắc địa ( chi ều dài, phương vị, góc hoặc h ư ớng) đ ư ợc thực hiện
trên bề mặt đất, chịu ảnh hư ởng của trọng tr ư ờng, chiết quang..., nhưng khi tính toán bình sai lại phải
tiến h ành trong m ột hệ tọa độ n ào đó, bảo đảm chặt chẽ về mặt toán học. V ì vậy, đặt ra nhiệm vụ là
trư ớc lúc bình sai phải tính chuyển các trị đo từ bề mặt đất tự nhi ên về các bề mặt toán học m à thực
chất là tính khái lư ợc các trị đo.
T hông thư ờng, việc tính khái lư ợc các trị đo trong mạng lư ới trắc địa đư ợc thực hiện thông qua các
s ố hiệu chỉnh do chiế u lên m ặt ellipsoid quy chiếu và lên bề mặt của phép chiếu tọa độ phẳng. Tuỳ
thuộc v ào cấp hạng và quy mô lư ới có thể phải tính đến tất cả các số hiệu chỉnh cho các loại trị đo nói
trên. Ở đây, xin đề cập đến các số hiệu chỉnh cho trị đo cạnh do chiếu l ên các bề mặt này.
2.1. Số hiệu chỉnh do chiếu lên mặt ellipsoid quy chiếu
Gọi AB là kho ảng cách nghi êng đo đư ợc giữa 2 điểm, A’B’ là khoảng cách đã đưa về nằm ngang,
ab là kho ảng cách t ương ứ ng của AB tr ên mặt ellipsoid (hình 1).
Để nhận đư ợc khoảng cách ab t rên ellipsoid, c ần phải đưa vào A’B’ số hiệu chỉnh:
Hm H0
S H S (1)
Rm
Trong đó:
H0 - độ cao của bề mặt quy chiếu;
Hm - độ cao trung bình của cạnh đo;
Rm - bán kính trung bình c ủa ellipsoid;
S - khoảng cách đã đ ưa về nằm ngang.
2.2. Số hiệu chỉnh do chiếu về mặt phẳng
Để có thể tính đư ợc tọa độ phẳng cho các điểm khống chế, tiếp theo cần phải chuyển các trị đo
trên m ặt ellipsoid quy chiếu về mặt phẳng. Số hiệu chỉnh chiều d ài cạnh đo trong phép chiếu phẳng
đư ợc tính theo công t h ức:
2
ym
S F ( m 0 1 )S ' (2)
2
2Rm
Trong đó:
ym - trị trung bình của tung độ điểm đầu và cuối cạnh S;
S’ - chiều dài cạnh trên ellipsoid quy chiếu;
m0 - hệ số biến dạng tr ên kinh tuy ến trục của múi chiếu.
- Đối với phép chiếu phẳng Gauss- Kruger, hệ số m0= 1; v ới phép chiếu p hẳng UTM múi 60,
m0=0.9996 và múi 30, m0=0.9999.
Để thấy đư ợc độ lớn của các số hiệu chỉnh nói tr ên, có th ể tham khảo kết quả tính ở bảng 1 d ư ới
đây (lấy với chiều dài cạnh bằng 1 km).
Bảng 1. Số hiệu chỉnh do chiếu cạnh đo l ên mặt ellipsoid và mặt phẳng
Số hiệu chỉnh độ cao Số hiệu chỉnh UTM múi Số hiệu chỉnh UTM múi Số hiệu chỉnh
60 ( mm) 30 (mm)
(mm) Gauss-Kruger (mm)
H m (m) y m ( km) y m ( km) y m (km)
S H S F S F S F
0 0.00 0 -400.00 0 -100.00 0 0.00
50 - 7.85 100 -276.82 50 -69.20 50 30.80
100 - 15.70 150 -122.84 90 -0.22 75 69.29
150 - 23.54 180 -0.88 110 49.05 100 123.18
200 - 31.39 200 92.74 120 77.39 120 177.40
637 - 99.98 220 196.21 130 108.18 150 277.16
Từ các kết quả tính ở bảng 1 có thể nhận thấy:
- Đ ộ cao trung bình c ủa cạnh đo c àng l ớn thì s ố hiệu chỉnh c àng l ớn v à n gư ợc lại. Trên độ cao của
bề mặt quy chiếu, số hiệu chỉnh n ày bằng 0.
- Trong phép chi ếu Gauss-Kruger, cạnh càng xa kinh tuyến trục có số hiệu chỉnh c àng lớn và ngư ợc
lại. Trên kinh tuyến trục, số hiệu chỉnh này bằng 0.
- Trong phép chiếu UTM, có 2 vị trí mà tại đó, số hiệu chỉnh xấp xỉ bằng 0, đó là vị trí cạnh đo
cách kinh tuyến trục 180 km (với múi 6 0) và 90 km (với múi 30) tính theo đư ờng xích đạo. C àng xa vị
trí này, số hiệu chỉnh có trị số c àng l ớn.
3. Sự khác biệt giữa hệ tọa độ Nhà nước và hệ toạ độ công trình
H ệ tọa độ Nh à nước l à h ệ tọa độ đ ư ợc lựa chọn theo những quy định chung của các c ơ quan qu ản
lý Nhà n ư ớc về Trắc địa - B ản đồ. Theo đó, tr ư ớc năm 2000 n ư ớc ta sử dụng hệ toạ độ HN - 72,
ellipsoid quy chiếu Kraxovski, phép chiếu phẳng Gauss- Kruge r, hệ độ cao H òn D ấu. Sau năm 2000,
nư ớc ta sử dụng hệ toạ độ VN- 2000, ellipsoid quy chi ếu WGS - 84, phép chiếu phẳng UTM, hệ độ cao
H òn D ấu. Điều đáng chú ý l à trư ớc khi bình sai, các tr ị đo trong lư ới trắc địa Nhà nư ớc đã đ ư ợc chiếu
xu ống mặt ellipsoid quy c hiếu. Điều đó cũng có nghĩa là tọa độ phẳng của l ưới toạ độ Nhà nư ớc v à
của các mạng l ư ới chêm dày tiếp theo cũng sẽ đư ợc xác định trên b ề mặt của ellipsoid quy chiếu (có
độ cao H=0m). Lư ới tọa độ Nhà nư ớc chủ yếu đ ư ợc sử dụng để đo vẽ bản đồ địa hình cá c tỷ lệ. Để
làm giảm biến dạng của múi chiếu, trong khi đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn c òn sử dụng múi chiếu với độ
rộng 30.
Hệ toạ độ công trình là hệ toạ độ đư ợc lựa chọn ph ù h ợp với đặc điểm và yêu c ầu kỹ thuật đối với
từng công tr ình. Việc lựa chọn này phải bả o đảm điều kiện sao cho các số hiệu chỉnh tính theo các công
thức (1) và (2) phải xấp xỉ bằng 0 để cho lư ới không bị biến dạng bởi các số hiệu chỉnh chiếu. Theo đó,
độ cao mặt chiếu toạ độ phẳng đư ợc chọn bằng độ cao trung bình c ủa khu xây dựng; kinh tuyến trung
ương của múi chiếu chọn đi qua giữa khu vực xây dựng (trong phép chiếu Gauss -Kruger) hoặc cách xa
khu xây dựng trong khoảng 90km và 180km (trong phép chiếu phẳng UTM tương ứ ng với múi chiếu có
độ rộng 30 và 60).
V ề nguyên t ắc, hoàn toàn có thể tính c huyển qua lại giữa hai hệ thống toạ độ này.
4. Những bất cập khi sử dụng toạ độ Nhà nước trong TĐCT
S ự khác biệt về cách thức lựa chọn hệ toạ độ v à mặt chiếu giữa 2 hệ toạ độ nói tr ên, nếu không
đư ợc chú trọng đúng mức sẽ dẫn đến những rắc rối trong quá t rình sử dụng. Xin chỉ ra những bất cập
khi sử dụng toạ độ Nh à nư ớc trong các công tác TĐCT.
4.1. Trong khảo sát công trình
Nhiệm vụ cơ bản của công tác trắc địa trong thời kỳ khảo sát công tr ình là đ o vẽ thành lập bản đồ
địa hình công trình và mặt cắt, phục vụ cho các b ư ớc thiết kế tổng thể, thiết kế kỹ thuật v à thi ết kế thi
công công trình. C ũng cần l ưu ý rằng bản đồ địa hình công trình là loại bản đồ đ ư ợc biểu diễn trong
hệ toạ công tr ình. Thông thư ờng, nếu đã có s ẵn các bản đồ địa hình ở t ỷ lệ thích hợp t hì ng ư ời ta sử
dụng luôn các bản đồ n ày cho thi ết kế công tr ình, hoặc nếu không sẽ sử dụng các điểm toạ độ Nh à
nư ớc nh ư những số liệu gốc để phát triển hệ thống lư ới đo vẽ bản đồ trên khu vực xây dựng công
trình. Nh ầm lẫn xảy ra khi chúng ta đ ã không đ o vẽ bản đồ địa hình công trình m à chỉ đ ơn gi ản là đ o
vẽ bản đồ địa hình, tức là đã không sử dụng bản đồ địa hình công trình mà đã sử dụng bản đồ địa hình
cho thi ết kế. Nếu lưu ý rằng "sai số giới hạn vị trí điểm của l ư ới đo vẽ so với điểm của lư ới Nhà nư ớc
và lư ới tăng dày không đư ợc vư ợt quá 0,2mm trên bản đồ" [6] thì có thể thấy các số hiệu chỉnh do
- ch ọn hệ toạ độ và độ cao mặt chiếu nêu trong b ảng 1 ảnh hư ởng không đáng kể đến hai loại bản đồ
nói trên. Tuy nhiên, chúng lại làm bi ến dạng rất đáng kể đến kíc h thư ớc thực tế của công tr ình trên
m ặt đất. Ví dụ: ở độ cao 637m, kích th ư ớc thiết kế của đối tư ợng trên bản vẽ ngắn h ơn kích thư ớc của
nó trên mặt đất là 99,98mm/1km; ở k hoảng cách 100km so với kinh tuyến trục, kích th ư ớc thiết kế
trên bản vẽ lớn h ơn thự c tế l à 123,18mm/1km trong phép chi ếu Gauss- Kruger (bảng 1). Vì thế trong
ph ần lớn các tr ư ờng hợp, không thể sử dụng bản đồ địa h ình cho thiết kế công tr ình.
4.2. Trong thi công công trình
Để phát triển các bậc lư ới thi công, nhất thiết phải sử dụng toạ độ các đi ểm của lư ới cũ đã đư ợc
xác định hoặc là trong hệ toạ độ Nhà nư ớc hoặc trong hệ toạ độ công tr ình. Một thực tế là khi sử dụng
các đi ểm của lư ới Nhà nư ớc để phát triển lư ới thi công, ngư ời ta đ ã lưu ý c huyển đổi các điểm từ hệ
to ạ độ Nhà nư ớc sang hệ toạ độ công tr ình theo quy trình tính chuy ển 2 bư ớc thông qua toạ độ trắc địa
B,L. Tuy nhiên, việc tính chuyển độ cao mặt chiếu toạ độ phẳng ph ù hợp với công tr ình l ại chưa đư ợc
quan tâm đúng mức, mặc dầu số hiệu chỉnh n ày là r ất đáng kể (xem cột 2 bảng 1) . Đôi khi, ngư ời ta
lại sử dụng các điểm lư ới cũ như những số liệu gốc, không có sai số để phát triển l ư ới thi công. Điều
này không phù hợp với đặc điểm của lư ới thi công: l ư ới có độ chính xác cao hơn lư ới cũ, đư ợc phát
triển trong hệ toạ độ đã chọn khi kh ảo sát công tr ình, không chịu ảnh hư ởng của sai số số liệu gốc…
N ếu sử dụng toạ độ các điểm l ư ới cũ như những số liệu gốc tối thiểu để phát triển lư ới thi công thì s ẽ
lo ại bỏ đư ợc ảnh hư ởng sai số của số liệu gốc, nh ưng v ề thực chất, lư ới mới thành lập lại đ ư ợc xác
định trong hệ toạ độ giả định, l à hệ toạ độ đư ợc chọn theo quy ư ớc của ng ư ời sử dụng.
Nh ững bất cập tr ên đây có thể đư ợc giải quyết nhờ thuật toán bình sai l ư ới tự do khi xử lý lư ới thi
công công trình, trong đ ó các điểm của lư ới cũ đã có toạ độ c hỉ đ ư ợc sử dụng như nh ững điểm định vị
m à không đư ợc sử dụng nh ư những số liệu gốc [3].
Nh ững phân tích đã trình bày ở trên cho thấy, để sử dụng hiệu quả toạ độ Nh à nư ớc trong các công
tác TĐCT, c ần phải tính chuyển chúng về hệ toạ độ và đ ộ cao mặt chiế u phù h ợp với công tr ình.
5. Vấn đề tính chuyển tọa độ
T hu ật toán tính chuyển hệ toạ độ đ ã đư ợc giới thiệu trong nhiều t ài li ệu chuy ên ngành [1, 5]
( modul 1). Còn để tính chuyển độ cao mặt chiếu toạ độ phẳng, có thể sử dụng thuật toán biến đổi
đồng dạng t heo đ ộ cao mặt chiếu do tác giả đề xuất (modul 2). Thuật toán n ày cho phép biến đổi đồng
góc mạng lư ới toạ độ phẳng, c òn biến dạng d ài đư ợc xác định phù hợp với hệ số biến dạng do độ cao
m ặt chiếu tính theo (1). Giả sử (x,y) 1 l à tập toạ độ phẳng đã đư ợc xác định trên bề mặt có độ cao H1
(hình 2). Nay c ần tính chuyển lên bề mặt có độ cao H2. Quy trình tính chuy ển đư ợc mô tả nh ư sau:
Tính các yếu tố trọng tâm trên bề
mặt H1
H2
O
Tính hệ số biến dạng dài theo độ cao
mặt chiếu H1
Tính toạ độ phẳng mới trên bề mặt
'
H2 k ( R ' H ) / R
Hình 2. Thuật toán biến đổi đồng dạng theo độ cao mặt
chiếu
Sử dụng hai modul n ày, có thể tính chuyển toạ độ phẳng giữa hai hệ toạ độ. Giả sử có tập toạ độ
ph ẳng (x,y)1 đ ã đư ợc xác định trong hệ toạ độ có kinh tuyến trục L 1 v à đ ộ cao mặt chiếu H1. Nay c ần
tính chuyển về hệ toạ độ công tr ình có kinh tuyến trục chọn là L2 và độ cao mặt chiếu H2 (hình 3).
Q uy trình tính chuyển đư ợc mô tả như sau:
- Bư ớc 1: d ùng modul 2 tính chuy ển độ cao mặt chiếu từ H 1 x uống H0;
- Bư ớc 2: dùng modul 1 tính chuyển tọa độ từ múi chiếu kinh tuyến trục L 1 sang múi chi ếu kinh
tuyến trục L2 t rên bề mặt H0;
- Bư ớc 3: d ùng modul 2 tính chuy ển độ cao mặt chiếu từ H 0 l ên H2.
- H2
H1
H0=0
L2
L1
Hình 3. Quy trình tính chuyển toạ độ
6. Kết luận và kiến nghị
- K hi tiến h ành các công tác TĐCT, c ần sử dụng hợp lý các điểm toạ độ Nh à nư ớc có tr ên khu v ực
xây dựng. Nếu các điểm toạ độ Nhà nư ớc không thuộc hệ toạ độ công tr ình thì tr ư ớc khi sử dụng cần
ph ải tính chuyển chúng về hệ toạ độ công tr ình theo quy trình 2 bư ớc: tính chuyển toạ độ và đ ộ cao
m ặt chiếu.
- T huật toán và quy trình tính chuy ển độ cao mặt chiếu tọa độ phẳng nh ư đã đề xuất trong bài báo
là đơn giản, hiệu quả và dễ dàng triển khai lập tr ình trên máy tính.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. ĐỖ NGỌC ĐƯỜNG, ĐẶNG NAM CHINH. Công nghệ GPS. Bài gi ảng cho sinh vi ên chuyên ngành Trắc
địa, 2007.
2. NGÔ VĂN HỢI. Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam và những l ưu ý khi sử dụng trong thiết kế và thi công xây
dựng công trình. Tạp chí KHCN Xây dựng, số 3/2005.
3. NGUYỄN QUANG PHÚC. Bàn thêm về vấn đề định vị lưới tự do trắc địa công trình. Tạp chí KHKT Mỏ -
Địa chất, số 19, tr. 98-102, 2007.
4. TCXDVN 364 : 2006. Tiêu chuẩn kỹ thuật đo và xử lý số liệu GPS trong TĐCT.
5. М. Н. БУЛУШЕВ и др. Справочник геодезиста . Книга 1. Под ред. В. Д. Б ОЛЬШАКОВА и Г. П.
ЛЕВЧУКА. Изд. “Недра”, Москва, 1985.
6. ЛЕВЧУК Г. П, НОВАК В. Е, КОНУСОВ В. Г. Прикладная геодезия, Изд. “Недра”, Москва, 1981.
nguon tai.lieu . vn
