Các phương pháp đo cao

Mục đích cuối cùng của việc xác định độ cao là thể hiện sự cao, thấp trên bản đồ. Trong khi đó, yêu cầu xác định độ cao tương đối giữa hai điểm chỉ cho phép trong phạm vi mm hay cm là cùng. Ngoài nhiệm vụ đo vẽ bản đồ địa hình, lưới thuỷ chuẩn cơ bản nhà nước còn phục vụ cho các mục đích khác nhau như : các công trình thuỷ lợi tưới tiêu, nghiên cứu khoa học, quan sát sự trồi lún của vỏ trái đất… cho nên phải có độ chính xác đầy đủ. Từ các yêu cầu nêu trên, đòi hỏi phải ứng dụng các phương pháp đo cao sao cho vừa kinh tế, vừa hiệu quả.

Trong công tác Trắc địa, người ta đã áp dụng nhiều phương pháp đo cao khác nhau như: đo cao hình học, đo cao lượng giác, đo cao thuỷ tĩnh, đo cao bằng công nghệ GPS….

Nói đến mạng lưới độ cao, trước tiên ta phải quan tâm đến cơ sở của lưới khống chế độ cao. Cơ sở của lưới khống chế độ cao là mặt thuỷ chuẩn gốc. Mặt thuỷ chuẩn gốc là mặt nước biển ở trạng thái trung bình, yên tĩnh kéo dài xuyên qua các lục địa. Mặt thuỷ chuẩn này có tên gọi là mặt Geoi.Việc chọn mặt thuỷ chuẩn gốc làm cơ sở xuất phát từ : mặt thuỷ chuẩn là mặt vật lý, nó phản ánh được tất cả các hiện tượng tự nhiên xảy ra trong và trên trái đất. Những hiện tượng này sẽ được ghi nhận lại qua số liệu đo độ cao trên đó.

Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các phương pháp đo cao đó:

1. Phương pháp đo cao hình học

a. Nguyên lý của đo cao hình học

Phương pháp đo cao hình học là một phương pháp được sử dụng rộng rãi và thường dùng để đo các mạng lưới độ cao nhà nước. Máy sử dụng trong đo cao hình học là máy thủy bình.

Nguyên lý đo cao hình học bằng máy thủy bình là sử dụng tia ngắm nằm ngang, song song với trục của ống thủy dài tức là song song với mặt thủy chuẩn đi qua điểm đo để xác định hiệu số độ cao giữa 2 điểm dựng mia, qua số đọc a trên mia dựng tại A và số đọc b trên mia dựng tại B.

Ta có chênh cao h_AB giữa 2 điểm A và B được xác định theo công thức:

h_AB = a – b

Có hai phương pháp để xác định chênh cao giữa hai điểm là :

– Đặt máy giữa hai điểm gọi là: ” Đo thuỷ chuẩn từ giữa “.

– Đặt máy ở một điểm và dựng mia một điểm gọi là: “Đo thuỷ chuẩn phía trước “.

       * Phương pháp 1: Đo thuỷ chuẩn từ giữa

Ta xét trong phạm vi hẹp, nghĩa là coi mặt thuỷ chuẩn là mặt phẳng ngang.

Tia ngắm truyền thẳng và song song với mặt thuỷ chuẩn, các trục đứng của máy và mia theo phương dây dọi vuông góc với mặt thuỷ chuẩn, chênh cao giữa hai điểm A và B ký hiệu là h_AB:

h_AB = H_B – H_A

Tại A và B đặt hai mia thẳng đứng, mia có khắc vạch đơn vị độ dài     (cm, mm), đo khoảng cách bằng dây thị cự. Tại điểm giữa của đoạn AB đặt máy thuỷ bình, máy có bộ phận để đưa trục ngắm về vị trí nằm ngang.

Theo hướng từ A đến B, ta gọi mia đặt ở A là “mia sau” và mia đặt ở B là “mia trước”. Sau khi cân bằng để đưa trục ngắm về vị trí nằm ngang, hướng ống kính ngắm về mia sau và dựa vào chỉ giữa (ngang) của lưới chỉ chữ thập đọc số đọc ký hiệu là ( a ), sau đó đưa ống kính ngắm sang mia trước đọc được số đọc ký hiệu là ( b ), từ hình vẽ ta thấy, trị số và dấu của chênh cao h_AB được tính theo hiệu của hai số đọc này là:

h_AB = a – b

Dấu ( – ) xảy ra trong công thức trên có nghĩa là điểm B thấp hơn điểm A.

Nếu độ cao của điểm A đã biết trước là H_A thì độ cao của điểm B sẽ được tính là:

H_B = H_A + h_AB

Trường hợp A và B cách xa nhau hoặc trong trường hợp h_AB quá lớn     (độ dốc lớn) cần phải bố trí nhiều trạm máy, lúc này h_AB là tổng các chênh cao h_i của n trạm :

* Phương pháp 2:  Đo thuỷ chuẩn phía trước

Trường hợp máy đặt ở M có độ cao đã biết để xác định độ cao của các điểm lân cận chẳng hạn điểm N, ta đặt mia tại N, sau khi đưa bọt thuỷ về vị trí ở giữa, trục ngắm về vị trí nằm ngang, đọc được số đọc là b và đo chiều cao của máy ta sẽ tính được chênh cao h_MN.

Ta có :

h_MN = i_m – b

H_N=( H_M + i_m )- b

Phương pháp đo cao hình học là phương pháp đơn giản nhất, nhưng đạt được độ chính xác cao nhất so với các phương pháp khác

2. Phương pháp đo cao lượng giác

a. Nguyên lý đo cao lượng giác

Nguyên lý của phương pháp là dựa vào mối tương quan hàm lượng giác trong tam giác tạo bởi tia ngắm nghiêng, khoảng cách giữa hai điểm cần xác định chênh cao.

Máy sử dụng trong đo cao lượng giác là máy kinh vĩ hoặc máy toàn đạc điện tử.

Giả sử ta cần xác định chênh cao giữa 2 điểm A và B 

Ta đặt máy kinh vĩ tại A, sau khi cân bằng và định tâm chính xác, chúng ta hướng máy lên tiêu dựng vuông góc tại B. Tiêu có chiều dài l_t.

Tiến hành đọc góc nghiêng trên bàn độ đứng. Ta đo ở hai vị trí bàn độ  trái và bàn độ phải. Sau đó tiến hành đo chiều cao của máy   AJ = i_m  .

Từ hình vẽ ta có :

h_AB = h^’ + i_m – l_t

+ Nếu tính cả ảnh hưởng của độ cong trái đất và chiết quang của tia ngắm f = 0,42S²/R thì :

h_AB = h^’ + i_m – l_t + f

+ Nếu đo được góc đứng V và khoảng cách ngang S thì

h^’= StgV

Khi đó:

h_AB = StgV + i_m – l_t + f

+ Nếu ta đo được góc thiên đỉnh Z và khoảng cách ngang S thì:

h_AB = ScotgZ + i_m – l_t + f

+ Nếu khoảng cách ngang S < 300m thì có thể bỏ qua số cải chính f.

Trong khi đo vẽ chi tiết, để đơn giản việc tính toán người ta đặt chiều cao gương bằng chiều máy (l_t = i_m).

Khi đó :

h_AB = StgV

Từ các công thức ở trên ta nhận thấy, độ chính xác xác định chênh cao h_AB phụ thuộc vào độ chính xác xác định các đại lượng S, V, i_m , l_t , f.

Tuy nhiên như trên đã nêu thì với khoảng cách nhỏ hơn 300m có thể bỏ qua đại lượng f. Nếu dùng thước thép đo i_m và xác định l_t với độ chính xác < ± 1cm thì cũng có thể bỏ qua được sai số m_i , m_l . Nghĩa là độ chính xác m_h chỉ còn phụ thuộc vào m_v và m_s .