Đo cao là gì? Phân loại và nguyên lý đo cao trong trắc địa

Đo cao là công tác đo đạc cơ bản của trắc địa. Đo cao giúp xác định độ chênh cao giữa hai điểm trên mặt đất, áp dụng nhiều nguyên lý và dụng cụ đo khác nhau. Để hiểu rõ hơn về đo cao là gì và nguyên lý đo cao trong trắc địa, mời bạn tìm hiểu chi tiết qua thông tin bài viết.

Đo cao là gì?

Trong trắc địa, “đo cao” là quá trình đo đạc và ghi nhận sự cao độ của một điểm trên mặt đất so với một điểm tham chiếu khác, thường là mặt nước biển. Cao độ này thường được thể hiện bằng mét hoặc feet trên mực nước biển. Đo cao có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xây dựng, thiết kế địa hình, công nghệ thông tin địa lý (GIS), địa chất học, và đặc biệt là trong lĩnh vực địa chất, nơi đo cao giúp xác định độ cao của các địa hình, dãy núi, thung lũng và sự biến đổi địa chất.

Một điểm trên mặt đất được xác định bằng toạ độ địa lý và độ cao. Như đã biết mặt thủy chuẩn là mặt nước biển trung bình kéo dài qua các lục địa và hải đảo tạo thành một mặt cong kín. Độ cao của một điểm là chiều dài thẳng đứng (theo phương của dây dọi) kể từ điểm đó tới mặt thủy chuẩn, đây là độ cao tuyệt đối. Mặt khác, ở mỗi điểm trên mặt đất cũng có một mặt thủy chuẩn đi qua nó gọi là mặt thủy chuẩn giả định, như vậy khoảng cách thẳng đứng từ một điểm nào đó tới mặt thủy chuẩn giả định đi qua một điểm khác nữa thì gọi là độ cao tương đối giữa hai điểm đó.

Phân loại đo cao trong trắc địa

Đo cao là công tác đo đạc cơ bản của trắc địa. Để có chênh cao giữa hai điểm trên mặt đất, thường áp dụng nhiều nguyên lý và dụng cụ đo khác nhau.

1. Đo cao hình học

Dựa vào tia ngắm nằm ngang của máy một loại máy trắc địa gọi là máy thủy bình (máy thủy chuẩn, máy bình chuẩn), để đo trực tiếp độ chênh lệch giữa hai điểm. Phương pháp này độ chính xác cao, được dùng nhiều nhất trong công tác đo độ cao.

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. Đo cao lượng giác

Dùng một máy trắc địa gọi là máy kinh vĩ, để đo góc nghiêng của tia ngắm; nếu biết khoảng cách nằm ngang giữa hai điểm, dùng công thức lượng giác sẽ tính ra được chênh cao. Phương pháp này cho độ chính xác thấp hơn đo cao hình học, song nó rất tiện lợi khi đo cao ở những vùng có địa hình phức tạp.

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 .

Ngoài 2 loại đo cao phổ biến trên, còn có các loại đo cao khác trong đo đạc gồm:

Đo cao áp kế: Dựa vào tính chất “càng lên cao thì áp suất càng giảm”, người ta dùng khí áp kế để đo độ chênh áp suất không khí giữa hai điểm, từ đó có thể tính được chênh giữa chúng.
Đo cao thủy tĩnh: Dựa vào nguyên lý: mặt thoáng của một chất lỏng chứa trong hai bình thông nhau luôn cao bằng nhau”, người ta chế tạo ra máy đo cao thủy tĩnh để đo chênh cao giữa hai điểm. Phương pháp này có độ chính xác khá cao, thường được ứng dụng trong trắc địa công trình (khoảng cách 2 điểm cần đo gần nhau).
Đo cao vô tuyến điện: Dựa vào tính chất phản xạ của sóng điện từ, sóng ánh sáng hoặc sóng âm, người ta chế ra máy đo khoảng cách (đứng) giữa bộ phận phát sóng và bộ phận phản xạ. Máy này sẽ cho kết quả là độ chênh cao giữa hai điểm.
Đo cao cơ học: Phối hợp giữa nguyên lý truyền độ cơ học theo phương ngang và dao động của con lắc, người ta chế tạo ra máy đo chênh cao cơ học gắn trên xe. Máy sẽ ghi lại bằng số hoặc đồ thị sự thay đổi độ chênh cao theo quãng đường xe đã di chuyển.

Việc lựa chọn phương pháp đo cao tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa vật của khu đo, vào dụng cụ máy móc hiện có và độ chính xác cần thiết của kết quả đo.

Bài viết cùng chuyên mục: So sánh máy thủy bình tự động và thủy bình điện tử – Loại nào tốt?

Trên đây là những thông tin về đo cao là gì, các phương pháp đo cao trong trắc địa và hướng dẫn đo cao hình học với máy thủy bình. Hy vọng những thông tin trên hữu ích với bạn!