Trái Đất có hình dạng vật lý phức tạp gọi là Geoid. Tuy nhiên, để giải quyết các bài toán trắc địa, đo đạc và định vị toàn cầu với độ chính xác cao, khoa học trắc địa sử dụng mô hình hình học đơn giản và chuẩn mực là ellipsoid tròn xoay.
Việc nghiên cứu, thiết lập và sử dụng các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất là nền tảng cốt lõi của trắc địa hiện đại, giúp chuyển hóa các phép đo vật lý tại hiện trường thành dữ liệu vị trí thống nhất, có ý nghĩa toàn cầu và khu vực.
Chi tiết các hệ tọa độ gắn với ellipsoid Trái đất
Các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất là các khung quy chiếu không gian cốt lõi trong trắc địa. Dựa trên tài liệu chuyên ngành, ba hệ tọa độ chính được sử dụng bao gồm:
Hệ tọa độ trắc địa (B, L, H)
Đây là hệ tọa độ cong, được sử dụng phổ biến nhất để mô tả vị trí địa lý của một điểm P bằng ba thành phần:
- Vĩ độ trắc địa (B): Góc tạo bởi mặt phẳng xích đạo của ellipsoid và pháp tuyến ellipsoid đi qua điểm P.
- Kinh độ trắc địa (L): Góc nhị diện giữa mặt phẳng kinh tuyến gốc (Greenwich) và mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm P.
- Độ cao trắc địa (H): Khoảng cách từ điểm P đến bề mặt ellipsoid, đo theo hướng pháp tuyến. Đây còn được gọi là độ cao Ellipsoid, là đầu ra trực tiếp của các phép đo định vị vệ tinh.
Hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm (X, Y, Z)
Hệ tọa độ này, còn gọi là hệ X,Y,Z hoặc ECEF (Earth-Centered, Earth-Fixed), là hệ tọa độ vuông góc toàn cầu, có tính chất động học. Nó là ngôn ngữ của các hệ thống định vị vệ tinh:
- Gốc Tọa Độ (O): Đặt tại tâm khối lượng Trái Đất (Địa tâm).
- Trục Z: Trùng với trục quay trung bình của Trái Đất (trục cực).
- Trục X: Nằm trong mặt phẳng xích đạo, hướng về kinh tuyến gốc.
- Trục Y: Tạo thành một hệ tọa độ thuận, vuông góc với X và Z.
Mối liên hệ giữa (B,L,H) và (X,Y,Z) là bài toán chuyển đổi cơ bản. Hệ tọa độ (X,Y,Z) cho phép mô tả chính xác vị trí của các trạm quan sát và vệ tinh, cung cấp khung quy chiếu đồng nhất cho toàn cầu, đặc biệt quan trọng trong các hệ thống các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất hiện đại.
>>> Xem thêm: Ellipsoid là gì? Khám phá hình dạng và yếu tố hình học của Trái Đất
Các hệ tọa độ địa diện
Các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất còn bao gồm các hệ tọa độ cục bộ, có gốc tại điểm đo P, dùng để định hướng và xử lý các phép đo tại hiện trường.
- Hệ tọa độ địa diện chân trời (Local Horizon Coordinate System): Các trục được định hướng theo phương ngang (chân trời) và phương đứng (pháp tuyến ellipsoid), là hệ tọa độ mà các thiết bị đo góc và khoảng cách (như Total Station) làm việc trực tiếp. Gồm hai biến thể chính:
– Hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời: Sử dụng ba trục vuông góc cục bộ để định vị.
– Hệ tọa độ cực địa diện chân trời: Sử dụng các tham số cực (ví dụ: góc phương vị và góc thiên đỉnh) để định vị.
- Hệ tọa độ địa diện xích đạo: Hệ tọa độ này sử dụng mặt phẳng xích đạo làm mặt phẳng tham chiếu cơ bản.
Các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất cục bộ này là công cụ thiết yếu để xử lý các phép đo góc (hướng), chiều dài, và độ cao tại hiện trường, trước khi chúng được quy chuyển về bề mặt ellipsoid để tính toán toàn mạng.
>>> Xem thêm: Tìm hiểu góc phương vị và hệ tọa độ chân trời
Mối quan hệ và sự chuyển đổi giữa các hệ tọa độ gắn với ellipsoid Trái đất
Sự tồn tại của nhiều các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất không phải là sự phức tạp không cần thiết, mà là phản ánh nhu cầu đa dạng của các bài toán trắc địa và khoa học Trái Đất. Cụ thể:
- Hệ (B,L,H) phục vụ cho các bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề, và các ứng dụng cần sự liên hệ trực quan với bề mặt Trái Đất (vĩ tuyến, kinh tuyến).
- Hệ (X,Y,Z) là hệ tọa độ động học, không gian, là ngôn ngữ của các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) và là cơ sở toán học cho việc nghiên cứu các hiện tượng địa động lực (chuyển động vỏ Trái Đất, dịch chuyển cực).
- Các hệ địa diện phục vụ cho các phép đo đạc truyền thống và công trình tại khu vực nhỏ.
Việc chuyển đổi giữa các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất là một nhiệm vụ trọng tâm của Trắc địa cao cấp.
Chẳng hạn, số liệu thô từ vệ tinh thường được cung cấp dưới dạng tọa độ (X,Y,Z) trong một khung quy chiếu toàn cầu (ví dụ: ITRF). Để sử dụng số liệu này cho mục đích bản đồ quốc gia, cần thực hiện một chuỗi các phép tính chuyển tọa độ:
- Chuyển từ (X,Y,Z) sang tọa độ trắc địa (B,L,H).
- Thực hiện phép chiếu bản đồ (ví dụ: Chiếu hình trụ ngang đồng góc Gauss-Kruger hoặc UTM) để chuyển từ tọa độ cong (B,L) trên ellipsoid sang tọa độ vuông góc phẳng (x,y) trên mặt phẳng.
- Thực hiện các phép tính chuyển đổi giữa các hệ quy chiếu (Datum) khác nhau, ví dụ: chuyển đổi từ hệ tọa độ toàn cầu WGS 84 sang hệ tọa độ quốc gia VN-2000. Các bài toán chuyển đổi này thường sử dụng các công thức phức tạp như Bursa-Wolf hoặc Helmert.
Mỗi phép chuyển đổi đều đi kèm với các tham số chuyển đổi (thông số dịch chuyển, xoay, và tỷ lệ) và phải đảm bảo độ chính xác cần thiết để duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu vị trí.
>>> Xem thêm: Mô hình Geoid là gì? Khám phá “Bản đồ trọng lực” của Trái đất
Vai trò của các hệ tọa độ gắn với ellipsoid Trái đất trong trắc địa hiện đại
Trong bối cảnh công nghệ định vị vệ tinh phát triển mạnh mẽ, vai trò của các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất càng trở nên thiết yếu, gồm có:
- Thiết lập Khung quy chiếu toàn cầu: Các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất như ITRF (International Terrestrial Reference Frame), được hiện thực hóa qua hệ tọa độ (X,Y,Z), là khung quy chiếu động lực học, thống nhất cho toàn thế giới. Chúng cho phép theo dõi sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo và cung cấp nền tảng cho khoa học Địa động lực học.
- Chuẩn hóa Hệ thống quốc gia: Mỗi quốc gia đều xây dựng một hệ tọa độ quốc gia của riêng mình (ví dụ: VN2000 của Việt Nam) dựa trên một ellipsoid thực dụng được định vị tối ưu. Hệ thống này đảm bảo tính đồng nhất về tọa độ cho mọi hoạt động kinh tế, kỹ thuật, và quốc phòng trong nước.
- Tích hợp dữ liệu đa dạng: Các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất là chiếc cầu nối để tích hợp các loại dữ liệu đo đạc khác nhau (đo trắc địa truyền thống, đo vệ tinh, đo trọng lực) thành một thể thống nhất để xử lý và bình sai.
>>> Xem thêm: Mặt Ellipsoid Trái đất có tính chất gì? Ứng dụng và thiết bị đo đạc hỗ trợ
Vai trò của thiết bị đo đạc chuyên dụng trong các hệ tọa độ gắn với ellipsoid Trái đất
Lý thuyết về các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất được hiện thực hóa và ứng dụng mạnh mẽ thông qua các thiết bị đo đạc chuyên dụng hiện đại sau:
Công nghệ GNSS và hệ tọa độ địa tâm
- Thiết bị: Máy GNSS RTK
- Cơ chế: Các máy thu GNSS xác định vị trí của mình thông qua việc đo khoảng cách đến các vệ tinh. Kết quả đo trực tiếp là tọa độ (X,Y,Z) của điểm quan sát trong hệ tọa độ địa tâm toàn cầu (ví dụ: WGS84)
- Sự liên hệ: Sau đó, phần mềm của máy thu sử dụng các tham số của ellipsoid WGS84 để tự động chuyển đổi (X,Y,Z) thành tọa độ trắc địa (B,L,H). Điều này chứng tỏ mối liên hệ trực tiếp giữa thiết bị hiện đại nhất và các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất.
Trạm toàn đạc điện tử và hệ tọa độ địa diện
- Thiết bị: Máy toàn đạc điện tử
- Cơ chế: Các thiết bị này đo đạc góc ngang, góc đứng và khoảng cách nghiêng tại hiện trường. Các phép đo này tự nhiên nằm trong Hệ Tọa Độ Địa Diện Chân Trời cục bộ tại điểm đứng máy.
- Sự liên hệ: Để có được tọa độ tuyệt đối trong hệ quốc gia (ví dụ: VN2000), dữ liệu đo từ Total Station phải được giảm về bề mặt Ellipsoid (hay mặt phẳng chiếu) thông qua các thuật toán bình sai và quy hồi.
Các phép tính này phải xét đến các yếu tố như độ cong của ellipsoid, hiệu chỉnh độ cao (H) và quy chiếu khoảng cách về kinh tuyến/vĩ tuyến, từ đó giúp chuyển đổi dữ liệu cục bộ sang các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất có tính thống nhất cao hơn.
Máy thủy bình và độ cao trắc địa
- Thiết bị: Máy thủy bình điện tử
- Cơ chế: Máy thủy bình đo chênh cao giữa hai điểm. Độ cao này thường được quy đổi thành độ cao Orthometric, là độ cao so với mặt Geoid.
- Sự liên hệ: Mối quan hệ giữa độ cao trắc địa (H) (so với Ellipsoid) và độ cao Orthometric (H ortho) là thông qua độ cao Geoid (N): H ortho =H−N. Giá trị N (độ tách biệt Geoid-Ellipsoid) được xác định bằng các mô hình Geoid được xây dựng trên cơ sở chính xác của một Ellipsoid Trái đất tham chiếu.
Do đó, ngay cả việc xác định độ cao (một đại lượng vật lý) cũng gián tiếp phụ thuộc vào các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất hình học.
>>> Xem thêm: Dịch vụ khảo sát địa hình bằng flycam uy tín, chất lượng
Như vậy, các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất là khung xương lý thuyết kết nối các công nghệ đo đạc tiên tiến với nhau. Chúng không chỉ cung cấp nền tảng toán học để xác định vị trí mà còn là tiêu chuẩn để tích hợp các loại dữ liệu không gian khác nhau thành một hệ thống thông tin địa lý (GIS) thống nhất.
Việc nắm vững cấu trúc, định nghĩa và quan hệ chuyển đổi giữa các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất là điều kiện tiên quyết để xử lý hiệu quả số liệu thu thập từ thiết bị đo đạc chuyên dụng trong mọi công tác trắc địa, bản đồ, và kỹ thuật hiện đại, đảm bảo tính chính xác và đồng nhất của dữ liệu vị trí trên quy mô toàn cầu và quốc gia.
Be the first to review “Các hệ toạ độ gắn với ellipsoid Trái đất – Nền tảng của trắc địa hiện đại”