Độ cao so với mực nước biển là gì? Ứng dụng

Độ cao so với mực nước biển là gì?

Trong cách nói thông thường, độ cao so với mực nước biển là giá trị cho biết một điểm nằm cao hơn hoặc thấp hơn mực nước biển trung bình bao nhiêu mét. Trên bản đồ địa hình, biển báo đèo, dữ liệu khí tượng hoặc hồ sơ khảo sát, đại lượng này thường được gọi là cao độ hoặc độ cao.

Về chuyên môn, cần tránh định nghĩa mực nước biển là một ellipsoid. Ellipsoid là mặt toán học trơn, dùng để biểu diễn gần đúng hình dạng Trái Đất và tính tọa độ trắc địa. Trong khi đó, geoid là mặt đẳng thế của trường trọng lực phù hợp gần nhất với mực nước biển trung bình toàn cầu và được kéo dài tưởng tượng qua lục địa.

Ở nhiều tài liệu quốc tế, độ cao vật lý gần với khái niệm “trên mực nước biển” được biểu diễn bằng độ cao trực chuẩn so với geoid. Tại Việt Nam, hệ độ cao quốc gia sử dụng độ cao chuẩn gắn với mặt quasigeoid cục bộ và mốc gốc Hòn Dấu. Vì vậy, khi dùng số liệu cho công trình hoặc hồ sơ kỹ thuật, chỉ ghi “cao hơn mực nước biển” là chưa đủ; cần ghi rõ hệ độ cao.

Mực nước biển trung bình có phải ellipsoid không?

Không. Đây là điểm sai phổ biến trong nhiều nội dung cũ. Ellipsoid được xác định bằng các tham số toán học như bán trục lớn và độ dẹt. Bề mặt này đều đặn, thuận tiện cho tính tọa độ nhưng không phản ánh trực tiếp trường trọng lực hoặc hướng nước chảy.

Geoid có hình dạng lượn sóng do phân bố khối lượng và trọng lực của Trái Đất không đồng đều. Có thể hình dung đây là bề mặt mà nước biển sẽ tiến đến nếu bỏ qua sóng, thủy triều, dòng chảy và các tác động động lực học khác. Vì vậy, geoid được dùng để mô tả bề mặt “0” vật lý gần với mực nước biển trung bình.

Hệ độ cao quốc gia Việt Nam lấy mốc ở đâu?

Lưới độ cao quốc gia Việt Nam lấy mực nước biển trung bình quan trắc nhiều năm tại trạm nghiệm triều Hòn Dấu, Đồ Sơn, Hải Phòng làm mực chuẩn “0”. Từ hệ thống mốc gốc và lưới độ cao quốc gia, cao độ được truyền đến các khu vực bằng phương pháp đo cao phù hợp.

Hệ tọa độ và hệ độ cao là hai thành phần liên quan nhưng không đồng nhất. VN-2000 quy định hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia, trong khi giá trị cao độ phải được quản lý theo hệ độ cao và mốc khống chế tương ứng. Người xử lý dữ liệu nên đọc thêm về hệ tọa độ và hệ quy chiếu bản đồ ở Việt Nam để tránh nhầm tọa độ X, Y với cao độ H.

Trong hồ sơ khảo sát, bản đồ hoặc bảng điểm, nên thể hiện rõ một trong các cách ghi như “Hệ độ cao quốc gia Hòn Dấu”, “cao độ giả định”, “cốt công trình ±0.000” hoặc tên hệ độ cao chuyên dụng của dự án. Không nên giao file chỉ có cột H nhưng không có mô tả hệ quy chiếu.

Vì sao dùng mực nước biển làm chuẩn độ cao?

Mặt nước chịu tác động của trọng lực nên có ý nghĩa vật lý đối với cao độ, dòng chảy và thoát nước. Đây là ưu điểm quan trọng so với một mặt toán học thuần túy. Khi một hệ độ cao được thiết lập và truyền qua mạng lưới mốc, các khu vực xa biển vẫn có thể sử dụng chung một chuẩn.

Tuy nhiên, không phải vì nước biển “gần như không thay đổi”. Mực nước thực tế luôn biến động do thủy triều, sóng, áp suất khí quyển, gió, dòng chảy, nhiệt độ, sụt lún bờ biển và biến đổi khí hậu. Hệ độ cao dùng giá trị trung bình trong một giai đoạn quan trắc xác định và được hiện thực hóa bằng mốc, không chạy theo mực nước từng ngày.

• Tạo chuẩn chung để so sánh độ cao giữa các khu vực.
• Có ý nghĩa vật lý đối với hướng dòng chảy và thoát nước.
• Có thể truyền cao độ từ mốc gốc đến mạng lưới quốc gia và dự án.
• Hỗ trợ thống nhất dữ liệu bản đồ, thiết kế, thi công và quản lý.
• Cho phép kiểm tra biến động cao độ theo thời gian khi dùng mốc ổn định.

Độ cao so với mực nước biển dùng để làm gì?

Độ cao không chỉ dùng để mô tả núi hoặc địa danh. Trong kỹ thuật, đây là dữ liệu quyết định hướng thoát nước, độ dốc tuyến, cao độ nền, khối lượng đào đắp và khả năng kết nối hạ tầng.

Các loại độ cao thường gặp trong trắc địa

Một điểm có thể có nhiều giá trị độ cao khác nhau nếu chúng được tính từ các mặt tham chiếu khác nhau. Vì vậy, hai thiết bị cùng đo một vị trí nhưng hiển thị hai con số khác nhau chưa chắc thiết bị bị lỗi.

Độ cao ellipsoid h

Đây là khoảng cách từ điểm đến ellipsoid quy chiếu theo phương pháp tuyến của ellipsoid. Máy GNSS trực tiếp xác định loại độ cao hình học này. Giá trị h không phải lúc nào cũng là cao độ có thể dùng ngay cho thiết kế thoát nước hoặc so sánh với mốc quốc gia.

Độ cao trực chuẩn H

Độ cao trực chuẩn được tính theo phương dây dọi từ điểm đến geoid. Trong mô hình hóa đơn giản, quan hệ giữa độ cao ellipsoid, độ cao trực chuẩn và độ cao geoid được viết:

Độ cao chuẩn

Độ cao chuẩn liên quan đến quasigeoid và thường được dùng trong các hệ độ cao quốc gia, trong đó có Việt Nam. Khi chuyển đổi từ GNSS sang độ cao chuẩn, phải sử dụng mô hình quasigeoid và tham số phù hợp với hệ quy chiếu đang dùng; không lấy một mô hình toàn cầu bất kỳ rồi mặc định đạt độ chính xác công trình.

Độ cao tương đối và cốt ±0.000

Đây là độ cao được tính từ một mặt phẳng hoặc mốc quy ước của dự án. Cốt ±0.000 có thể là mặt sàn hoàn thiện tầng một, cốt kiến trúc hoặc mặt chuẩn do thiết kế quy định. Giá trị này chỉ liên hệ với cao độ quốc gia khi hồ sơ có bảng quy đổi hoặc mốc dẫn rõ ràng.

“Khi bàn giao số liệu trắc địa, một con số cao độ chỉ có ý nghĩa khi đi kèm hệ độ cao, mốc gốc và phương pháp xác định. Nhầm độ cao ellipsoid với cao độ quốc gia có thể làm sai cốt nền, độ dốc thoát nước và toàn bộ chuỗi thiết kế phía sau.”

— Kỹ sư Phan Việt Tuyên

Cách xác định độ cao so với mực nước biển

Không có một phương pháp phù hợp cho mọi mục đích. Ứng dụng xem độ cao khi đi bộ đường dài có thể chấp nhận sai số lớn hơn nhiều so với đo cốt cống, kiểm tra độ dốc sàn hoặc quan trắc lún.

Đo bằng máy thủy bình

Máy thủy bình tạo tia ngắm nằm ngang và đọc số trên mia để tính chênh cao giữa hai điểm. Khi biết cao độ mốc sau, kỹ thuật viên truyền cao độ đến điểm mới qua một hoặc nhiều trạm máy. Bạn có thể xem thêm cấu tạo và nguyên lý tại bài máy thủy bình là gì.

Đo tuyến dài phải có kiểm tra khép, cân bằng khoảng ngắm và bình sai theo cấp hạng hoặc yêu cầu kỹ thuật. Nội dung về lưới và cách truyền mốc được trình bày trong bài đo thủy chuẩn và lưới khống chế độ cao.

Đo bằng GNSS

GNSS xác định tọa độ ba chiều và cung cấp độ cao ellipsoid. Muốn có cao độ gần với hệ độ cao vật lý, dữ liệu phải được chuyển đổi bằng mô hình geoid hoặc quasigeoid tương thích, sau đó kiểm tra trên mốc có cao độ đã biết khi công việc yêu cầu độ chính xác cao.

Đo bằng toàn đạc điện tử

Máy toàn đạc tính chênh cao từ góc đứng, khoảng cách nghiêng và chiều cao máy, gương. Phương pháp linh hoạt ở khu vực bị che khuất vệ tinh nhưng nhạy với sai số đo chiều cao máy, chiều cao gương, khúc xạ và khoảng cách ngắm.

Đo bằng UAV hoặc ảnh hàng không

UAV không tự tạo ra cao độ pháp lý chỉ bằng việc chụp ảnh. Mô hình phải được khống chế bằng GCP, GNSS RTK/PPK hoặc dữ liệu kiểm tra độc lập. Bề mặt thu được còn phụ thuộc loại cảm biến, độ phủ ảnh, địa hình, thực vật và quy trình xử lý.

Đo bằng điện thoại và khí áp kế

Điện thoại có thể kết hợp GNSS, Wi-Fi, mạng di động, mô hình độ cao và cảm biến khí áp. Kết quả phù hợp để tham khảo nhưng có thể thay đổi theo thiết bị, thời tiết, hiệu chuẩn và nguồn dữ liệu. Không dùng số liệu ứng dụng điện thoại để thiết kế cốt nền hoặc kết luận ranh giới kỹ thuật.

Quy trình đo cao độ cho công trình

Một quy trình đúng không bắt đầu bằng việc đặt máy và bấm đo. Trước tiên phải xác định sản phẩm cần bàn giao, hệ độ cao và mức chính xác phù hợp.

1. Xác định mục đích. Làm rõ cao độ phục vụ thiết kế, san nền, thoát nước, quan trắc hay chỉ tham khảo hiện trạng.
2. Chọn hệ độ cao. Quy định cao độ quốc gia, cốt dự án hoặc hệ quy ước và nêu rõ mối liên hệ giữa chúng.
3. Kiểm tra mốc gốc. Đánh giá hồ sơ mốc, tình trạng thực địa, độ ổn định và khả năng sử dụng.
4. Chọn thiết bị và phương pháp. Sử dụng thủy chuẩn, GNSS, toàn đạc hoặc kết hợp tùy địa hình và yêu cầu sai số.
5. Đo kiểm độc lập. Tạo tuyến khép, điểm kiểm tra hoặc phép đo lặp để phát hiện sai số thô.
6. Xử lý và bình sai. Tính chênh cao, hiệu chỉnh, bình sai và đánh giá sai số theo yêu cầu kỹ thuật.
7. Bàn giao có truy xuất. Ghi rõ hệ độ cao, mốc gốc, thiết bị, ngày đo, người thực hiện và định dạng số liệu.

Phép tính cơ bản trong đo cao hình học và cách kiểm tra cao độ được giải thích thêm tại bài các bài toán cơ bản trong trắc địa.

Độ cao, chiều cao và cốt công trình khác nhau thế nào?

Ba khái niệm này thường bị dùng lẫn trong trao đổi hiện trường:

Đây cũng là lý do kỹ sư phải kiểm tra đơn vị và loại số liệu trước khi nhập vào CAD, Civil 3D, GIS hoặc phần mềm máy. Danh sách thiết bị và phạm vi sử dụng có thể tham khảo trong bài các loại máy trong trắc địa.

Đơn vị đo độ cao

Trong hệ SI và trong hồ sơ kỹ thuật tại Việt Nam, độ cao thường được biểu diễn bằng mét, ký hiệu m. Một số quốc gia và lĩnh vực hàng không dùng feet, ký hiệu ft. Khi chuyển đổi phải giữ đủ độ chính xác cần thiết và không làm tròn sớm trong chuỗi tính toán.

• 1 foot bằng 0,3048 mét.
• 1 mét xấp xỉ 3,28084 feet.
• Milimét thường dùng để thể hiện chênh cao nhỏ hoặc sai số quan trắc.
• Trên bản vẽ, cần kiểm tra đơn vị dự án trước khi đọc hoặc nhập cao độ.

Độ cao có thay đổi khi mực nước biển dâng không?

Mực nước biển thực tế thay đổi theo thời gian, nhưng cao độ trong một hệ độ cao không tự động cập nhật mỗi khi mực biển dâng hoặc hạ. Hệ độ cao là hệ quy chiếu được xác lập theo mốc thời gian, phương pháp và mạng lưới mốc cụ thể.

Khi nghiên cứu ngập, nước biển dâng hoặc sụt lún, cần phân biệt ba đại lượng: biến động mặt nước, chuyển động của mặt đất và độ ổn định của mốc. Một khu vực có thể chịu ngập nghiêm trọng hơn do đồng thời mực nước tăng và nền đất lún.

Quan trắc lún phải sử dụng hệ mốc ổn định, đo lặp theo chu kỳ và phân tích chênh cao. Khi cần theo dõi biến động công trình hoặc nền đất, nên triển khai dịch vụ quan trắc lún công trình thay vì so sánh số độ cao từ điện thoại ở các thời điểm khác nhau.

Sai lầm thường gặp khi sử dụng số liệu cao độ

• Đồng nhất geoid với ellipsoid: hai bề mặt có bản chất và mục đích khác nhau.
• Dùng trực tiếp độ cao GNSS: độ cao ellipsoid chưa chắc là cao độ quốc gia hoặc cốt thiết kế.
• Không ghi hệ độ cao: file điểm chỉ có X, Y, H nhưng thiếu datum, múi chiếu và mốc gốc.
• Nhầm cốt ±0.000 với cao độ quốc gia: cốt kiến trúc có thể là mặt quy ước riêng.
• Lấy mực nước tại thời điểm đo làm mốc 0: mực nước tức thời chịu nhiều dao động.
• Dùng ứng dụng điện thoại cho thiết kế: kết quả tiêu dùng không thay thế khảo sát chuyên môn.
• Không kiểm tra mốc: mốc bị lún, xê dịch hoặc nhận dạng sai làm hỏng toàn bộ tuyến cao độ.
• Trộn mét và feet: sai đơn vị có thể gây hậu quả lớn trong thi công và vận hành.

Khi nào cần khảo sát cao độ chuyên nghiệp?

Nên thuê đơn vị khảo sát khi số liệu được dùng để thiết kế, xin thẩm tra, nghiệm thu, tính khối lượng hoặc kiểm soát an toàn. Các trường hợp điển hình gồm:

• Lập bản đồ địa hình và bình đồ cao độ.
• Thiết kế san nền, thoát nước, đường và hạ tầng kỹ thuật.
• Tính khối lượng đào đắp hoặc kiểm tra cao độ sau thi công.
• Truyền cốt từ mốc quốc gia hoặc mốc dự án vào công trường.
• Đo trắc dọc, trắc ngang và mặt cắt địa hình.
• Quan trắc lún nền đất, nhà xưởng, cao ốc và công trình lân cận.
• Kiểm tra sự khớp nối giữa cao độ hiện trạng và hồ sơ thiết kế.

Đối với khu đất, tuyến đường, nhà máy hoặc dự án cần dữ liệu cao độ có kiểm soát, dịch vụ khảo sát địa hình sẽ xây dựng mốc khống chế, đo chi tiết, kiểm tra sai số và bàn giao bản đồ theo đúng mục đích sử dụng.

Kết luận

Độ cao so với mực nước biển là giá trị độ cao của một điểm so với mặt chuẩn được xác lập từ hệ độ cao, không phải khoảng cách trực tiếp đến mặt ellipsoid và cũng không phải khoảng cách đến mặt nước biển tại thời điểm quan sát.

Tại Việt Nam, mực chuẩn “0” của lưới độ cao quốc gia gắn với mực nước biển trung bình quan trắc nhiều năm tại Hòn Dấu. Khi sử dụng cao độ cho bản đồ, thiết kế hoặc thi công, phải làm rõ hệ độ cao, mốc gốc, phương pháp đo và quan hệ giữa cao độ quốc gia với cốt quy ước của dự án.