Đo cao hạng IV và kỹ thuật: Tiêu chuẩn, trình tự và xử lý số liệu trong trắc địa

Đo cao hình học là một trong những phương pháp trắc địa cơ bản nhằm xác định độ chênh cao giữa các điểm trên mặt đất. Trong đó, Đo cao hạng IV và Đo cao kỹ thuật là hai cấp độ đo phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, khảo sát địa hình, lập bản đồ và công cụ hỗ trợ là máy thủy bình. Hãy cùng Việt Thanh Group tìm hiểu về đo cao hạng IV và kỹ thuật.

Đo cao hạng IV và kỹ thuật trong trắc địa

Một số tiêu chuẩn kỹ thuật trong đo cao hạng IV và kỹ thuật

Để đảm bảo độ chính xác, công tác đo cao phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật. Bảng so sánh dưới đây trình bày một số tiêu chuẩn cơ bản:

Trình tự đo và tính toán

Đo cao hạng IV

• Trình tự đo:
  • Nếu đường đo cao dài không quá 200m, chỉ cần đo ở một trạm máy.
  • Nếu đường đo dài hoặc chênh cao địa hình lớn, phải chia làm nhiều trạm, đo chênh cao từng trạm theo công thức:
    hAB​=h1​+h2​+h3​
    (Với h1​,h2​,h3​ là chênh cao tại các trạm máy)
• Trình tự đo ở một trạm:
  • Đặt máy thủy chuẩn ở vị trí trung gian, cân bằng cẩn thận.
  • Giả sử đo cao tại trạm 1: Đặt máy ở đoạn A-I sao cho độ lệch khoảng cách từ máy tới A (mia sau) và I (mia trước) không quá ±3m.
  • Ngắm và đọc số trên mia sau mặt đen (chỉ trên, giữa, dưới).
  • Quay máy ngắm mia trước, đọc số mặt đen (chỉ trên, giữa, dưới).
  • Quay mia trước sang mặt đỏ, người đọc máy đọc chỉ giữa mặt đỏ mia trước, rồi quay về mia sau đọc số chỉ giữa mặt đỏ mia sau.
  • Tất cả các số đọc phải được ghi vào sổ đo cao.
• Tính toán:

Tính khoảng cách từ máy tới hai mia: Bằng hiệu số đọc chỉ trên và dưới mặt đen trên mia nhân với 100. Độ lệch khoảng cách sau và trước không được vượt quá ±3m.

Tính chênh cao mặt đen và mặt đỏ:

• hđen​: Hiệu chỉ giữa mặt đen mia sau với mia trước.
• hđỏ​: Hiệu chỉ giữa mặt đỏ mia sau với mia trước.
• Nếu sai khác giữa hđen​ và hđỏ​ lớn hơn ±3mm (sai số cấp mia) thì phải đo lại trạm đó hoặc lấy trị trung bình chênh cao.

Tính sai số hằng số mia: Là hiệu chỉ giữa mặt đỏ và mặt đen. Hằng số cấp mia là hiệu số hai mia.

Máy thủy bình Sokkia B40A là lựa chọn lý tưởng cho công tác đo cao kỹ thuật. Với ống kính phóng đại 24× và cơ chế tự động cân bằng nhanh, B40A giúp người đo dễ dàng thiết lập tia ngắm ngang chính xác, nhanh chóng đọc số mặt đen/đỏ trên mia, đồng thời đáp ứng tốt các tiêu chuẩn về khoảng cách ngắm tối đa (120 m) và độ lệch khoảng cách giữa hai mia.

Các nguồn sai số trong đo cao hình học

Trong quá trình đo cao hình học, kết quả luôn bị ảnh hưởng bởi nhiều loại sai số. Việc nắm rõ các nguồn sai số giúp ta có biện pháp triệt tiêu hoặc hạn chế ảnh hưởng của chúng.

Sai số do máy và mia thủy chuẩn:

Sai số do máy thủy chuẩn và mia: Cần kiểm nghiệm và hiệu chỉnh trước khi đo.

Sai số do cân bằng thủy: mtb​=±0.2⋅d (d là giá trị phần khoảng ống thủy).

Sai số đọc số trên mia: ms​=0.04t+V⋅x0.156​⋅D

• t: giá trị vạch chia nhỏ nhất trên mia.
• D: khoảng cách từ máy tới mia.
• V: góc nghiêng của mia.

Sai số do mia nghiêng: Δ=l′−l=l′−l′cosV≈l′(1−cosV)=2l′sin22V​≈l′2V2​

Δ: độ hiệu chỉnh; l′ : số đọc trên mia nghiêng.

Sai số do máy và mia lún: Xảy ra khi đo trên đường có nền đất không vững, do trọng lượng người và thiết bị. Cần thao tác nhanh, đọc số trên cả hai mia, đo đi và về trên cùng đường đo; đo theo quy trình đã học.

Máy thủy bình điện tử Sokkia SDL30 cung cấp giải pháp đo cao tự động hóa, nơi máy tự động đọc mã vạch trên mia Invar và ghi nhận số liệu. Điều này loại bỏ hoàn toàn sai số do người đọc (ước lượng sai, ghi nhầm), đồng thời tự động tính toán chênh cao và kiểm tra độ lệch khoảng cách. 

Sai số do độ cong trái đất và chiết quang khí quyển:
f=(1−k)∗(D2)/(2R)≈0.43∗(D2)/R

Trong đó k=R/R1​≈0.14 là hệ số chiết quang.

f: Hiệu chỉnh độ cao do độ cong Trái Đất và chiết quang khí quyển (đơn vị: mét).

k: Hệ số chiết quang (xấp xỉ 0.14).

D: Khoảng cách từ máy đến mia (đơn vị: km hoặc m, phải đồng bộ với R).

R: Bán kính trung bình của Trái Đất (xấp xỉ 6371 km).

R1​: Bán kính đường cong quỹ đạo tia sáng chiết quang.

>>>Xem thêm: 6 lưu ý quan trọng khi sử dụng máy thủy bình – Hạn chế sai số, đảm bảo chính xác

Ứng dụng của đo cao hạng IV và kỹ thuật

Bối cảnh dự án

Công ty X đang thực hiện khảo sát địa hình để thiết kế một tuyến đường giao thông mới có chiều dài tổng cộng là L=1.25 km qua khu vực địa hình có độ dốc tương đối lớn. Yêu cầu kỹ thuật bắt buộc là phải thiết lập lưới khống chế độ cao đạt tiêu chuẩn Hạng IV để phục vụ cho công tác san nền và thi công kết cấu.

• Điểm gốc: Tuyến đường bắt đầu từ mốc A (đã biết cao độ HA​=10.000 m).
• Điểm kết thúc: Tuyến đường kết thúc tại mốc B (cao độ HB​ cần xác định).
• Phương pháp đo: Đo cao hình học đi và về (đo hồi quy) bằng máy thủy bình chính xác.

Thiết lập kỹ thuật và trình tự đo

Do tuyến đường dài hơn 200 m và địa hình phức tạp, tuyến đo được chia thành n=15 trạm đo (mỗi trạm cách nhau khoảng 83.3 m).

Trình tự đo tại một trạm (Trạm i):

Đặt máy và cân bằng: Đặt máy thủy bình giữa hai mia (mia sau đặt tại điểm khống chế cũ hoặc cọc chuyển, mia trước đặt tại cọc chuyển mới). Đảm bảo cân bằng máy cẩn thận.

Đo đi (Mặt đen – MD):

• Ngắm mia sau (S), đọc 3 chỉ: Trên (TS​), Giữa (GS​), Dưới (DS​).
• Ngắm mia trước (T), đọc 3 chỉ: Trên (TT​), Giữa (GT​), Dưới (DT​).

Đảo mia và đo đi (Mặt đỏ – MĐ):

• Yêu cầu người giữ mia xoay mia sau sang mặt đỏ. Đọc chỉ giữa (GS′​).
• Yêu cầu người giữ mia xoay mia trước sang mặt đỏ. Đọc chỉ giữa (GT′​).

Kiểm tra tại trạm: Tính toán và kiểm tra ngay tại trạm theo tiêu chuẩn Hạng IV.

>>>Xem thêm: Quan trắc lún công trình với máy thủy bình Sokkia hiệu quả

Lưu ý quan trọng khi đo cao hạng IV và kỹ thuật 

Kiểm nghiệm máy và dụng cụ

• Kiểm tra máy thủy chuẩn (Máy thủy bình):
  • Máy phải được kiểm nghiệm định kỳ và hiệu chỉnh sai số 2c (sai số đường ngắm) trước khi đo để đảm bảo tia ngắm ngang thực sự song song với mặt thủy chuẩn.
  • Kiểm tra độ nhạy của ống thủy bọt nước dài.
• Kiểm tra mia thủy chuẩn:
  • Mia phải có hằng số cấp mia (hiệu số giữa mặt đen và mặt đỏ) nằm trong giới hạn cho phép (±3 mm cho Hạng IV, ±5 mm cho Kỹ thuật).
  • Đảm bảo mia luôn được dựng thẳng đứng (sử dụng bọt thủy tròn hoặc bọt thủy hộp kèm theo) và chắc chắn trên cóc sắt tại các điểm chuyển trạm.

Thao tác hiện trường

• Khoảng cách mia và máy:
  • Đảm bảo khoảng cách từ máy đến hai mia gần bằng nhau (hạn sai ΔD≤3 m cho Hạng IV và ≤5 m cho Kỹ thuật tại một trạm) để triệt tiêu ảnh hưởng của sai số 2c và sai số do độ cong Trái Đất/chiết quang.
  • Khoảng cách tối đa từ máy tới mia không được vượt quá 100 m (Hạng IV) hoặc 120 m (Kỹ thuật).
  • Tổng độ lệch khoảng cách tích lũy trên toàn tuyến phải nằm trong giới hạn (≤10 m cho Hạng IV, ≤20 m cho Kỹ thuật).
• Chiều cao Tia ngắm:
  • Chiều cao tia ngắm không được quá thấp so với mặt đất (>0.3 m cho Hạng IV, >0.2 m cho Kỹ thuật) để tránh ảnh hưởng của hiện tượng chiết quang cục bộ (tia ngắm bị uốn cong do sự chênh lệch nhiệt độ không khí gần mặt đất).
• Ổn định Máy và Mia:
  • Đảm bảo chân máy và cóc sắt đặt mia phải vững chắc để tránh sai số luˊn của máy hoặc mia, đặc biệt là khi đo trên đất xốp hoặc mềm.

Quy trình đọc số và ghi chép

• Thao tác nhanh chóng: Cần đọc số nhanh và chính xác sau khi cân bằng máy để giảm thiểu sai số do lún máy và ảnh hưởng của điều kiện thời tiết thay đổi.
• Thứ tự Đọc số: Tuân thủ chặt chẽ quy trình đọc số (ví dụ: S-T-T-S hoặc S-T-T-S mặt đen/đỏ, đo đi/đo về) để triệt tiêu sai số hệ thống.
• Kiểm tra Ghi chép: Ghi chép sổ đo ngay tại hiện trường bằng bút mực (hoặc sử dụng máy thủy bình điện tử) và kiểm tra chéo giữa người đọc và người ghi để tránh sai số thô (đọc nhầm, ghi nhầm).
• Đọc chính xác: Đọc số trên mia phải đến milimet (mm) và ước lượng đến 0.1 mm (nếu sử dụng máy có độ phóng đại lớn).

Xử lý số liệu và bình sai

• Tính toán tại Trạm: Luôn tính toán và kiểm tra sai số cấp mia (Δh) ngay sau khi đo trạm để quyết định có phải đo lại trạm đó hay không.
• Bình sai Tuyến: Sau khi đo đi và đo về, phải kiểm tra sai số khép tuyến (fh​) so với hạn sai cho phép (fgh​=±20Lkm​​ mm cho Hạng IV).
• Phân phối Sai số: Nếu sai số khép nằm trong giới hạn cho phép, tiến hành bình sai bằng cách phân phối đều sai số khép theo khoảng cách hoặc số trạm.
• Hiệu chỉnh Chiết quang: Trong điều kiện thông thường, nếu khoảng cách mia gần bằng nhau, hiệu chỉnh độ cong và chiết quang có thể được bỏ qua do chúng tự triệt tiêu. Chỉ cần áp dụng công thức f=(1−k)2RD2​ nếu khoảng cách mia rất chênh lệch hoặc nếu đo ngắm một chiều qua khoảng cách rất dài (ví dụ: đo cao vượt sông).