Đo cao hình học và thao tác đo tại 1 trạm máy

Đo cao hình học là gì?

Đo cao hình học, còn gọi là thủy chuẩn hình học, xác định chênh cao bằng hiệu số đọc trên các mia khi trục ngắm của máy thủy chuẩn được đưa về phương ngang.

Lưới độ cao quốc gia được xây dựng bằng đo cao hình học và gồm các hạng I, II, III, IV. Trong khảo sát địa hình tỷ lệ lớn, độ cao các điểm khống chế và điểm chi tiết được phát triển từ các điểm gốc độ cao quốc gia hoặc được xác định theo phương án kỹ thuật phù hợp.

Các cấp lưới và cách lựa chọn phương pháp được trình bày tại bài lưới khống chế độ cao.

Nguyên lý đo cao hình học

Giả sử cần xác định chênh cao từ điểm A đến điểm B. Dựng mia thẳng đứng tại A và B, đặt máy thủy chuẩn tại vị trí có thể ngắm rõ cả hai mia rồi cân bằng máy.

Theo chiều truyền cao độ từ A đến B:

• Mia tại A là mia sau, số đọc ký hiệu a.
• Mia tại B là mia trước, số đọc ký hiệu b.
• Chênh cao: h_AB = a − b.
• Cao độ điểm B: H_B = H_A + h_AB.

Ví dụ tính nhanh

Giả sử H_A = 12,350 m, số đọc mia sau a = 1,532 m và số đọc mia trước b = 0,984 m:

• h_AB = 1,532 − 0,984 = +0,548 m.
• H_B = 12,350 + 0,548 = 12,898 m.

Đo cao hình học từ giữa

Đo từ giữa là phương pháp đặt máy giữa hai mia sao cho chiều dài tia ngắm sau và trước gần bằng nhau. “Giữa” không nhất thiết là trung điểm hình học tuyệt đối; mục tiêu kỹ thuật là cân bằng cự ly ngắm.

Ưu điểm của đo từ giữa

• Giảm ảnh hưởng sai số góc i khi cự ly hai tia ngắm gần bằng nhau.
• Giảm ảnh hưởng độ cong Trái Đất và khúc xạ khí quyển.
• Không cần đo trực tiếp chiều cao máy.
• Thuận lợi truyền cao độ qua nhiều trạm.
• Có khả năng kiểm tra cự ly và số đọc ngay tại trạm.

Đây là phương pháp được ưu tiên trong phần lớn công tác thủy chuẩn. Tuy nhiên, vị trí máy còn phải bảo đảm nền ổn định, tia ngắm không quá thấp sát mặt đất và mia có thể dựng thẳng đứng.

Truyền cao độ qua nhiều trạm

Khi A và B cách xa nhau hoặc chênh cao lớn, cần bố trí các điểm chuyển mia và nhiều trạm máy. Tại mỗi trạm i:

h_i = a_i − b_i

Chênh cao toàn tuyến:

h_AB = Σh_i = Σa_i − Σb_i

Đo cao hình học phía trước

Ở phương pháp phía trước, máy được đặt tại hoặc gần điểm A có cao độ đã biết, còn mia đặt tại điểm B. Người đo phải xác định chiều cao trục ngắm của máy so với A, ký hiệu là i.

Cao độ trục ngắm:

H_I = H_A + i

Cao độ điểm B:

H_B = H_A + i − b

Chênh cao:

h_AB = i − b

Máy và mia dùng trong đo cao

Cấu tạo, cách cân bằng và sử dụng thiết bị được giải thích tại bài máy thủy bình là gì.

Thao tác đo tại một trạm máy

1. Kiểm tra thiết bị. Kiểm tra chân máy, bộ bù, tiêu cự, mia và phụ kiện trước khi đo.
2. Chọn vị trí máy. Nền chắc, quan sát rõ hai mia và cự ly sau–trước gần cân bằng.
3. Dựng máy. Ép chân máy chắc, cân bằng bọt thủy tròn và để bộ bù ổn định.
4. Dựng mia sau. Mia đặt đúng điểm, thẳng đứng và không bị lún.
5. Đọc mia sau. Lấy nét thị kính, vật kính và đọc theo chương trình quy định.
6. Dựng, đọc mia trước. Kiểm tra mia thẳng, số đọc và cự ly.
7. Kiểm tra tại trạm. Tính chênh cao, chênh cự ly và các điều kiện số đọc.
8. Chuyển máy. Giữ nguyên mia trước làm mia sau của trạm kế tiếp nếu dùng điểm chuyển.
9. Ghi nhật ký. Ghi thời gian, thời tiết, máy, mia, người đo và bất thường.

Trình tự Sau–Trước có cố định không?

Không có một chương trình đọc áp dụng cho mọi cấp lưới và mọi loại thiết bị. Với máy quang học và mia hai mặt, giáo trình thường giới thiệu chương trình như:

• Sau đen – Trước đen – Trước đỏ – Sau đỏ, viết tắt S–T–T–S.
• Sau đen – Sau đỏ – Trước đen – Trước đỏ, viết tắt S–S–T–T.

Máy điện tử với mia mã vạch có quy trình đọc và kiểm tra theo thiết bị, cấp lưới và phương án kỹ thuật. Lưới độ cao quốc gia, thủy chuẩn kỹ thuật, quan trắc lún và bố trí thi công có thể yêu cầu số lượt đo khác nhau.

Ghi sổ đo thủy chuẩn

Sổ đo phải cho phép truy xuất từng số đọc và điều kiện đo. Với máy điện tử, dữ liệu gốc trong máy vẫn phải được lưu cùng nhật ký và metadata.

Tính số liệu tại một trạm

Với một mặt mia:

h = a − b

Với mia hai mặt, cần sử dụng đúng hằng số của từng mia. Có thể tính chênh cao từ mặt đen và mặt đỏ sau khi quy đổi về cùng gốc đọc, rồi so sánh chênh lệch theo hạn sai của chương trình đo.

Đối với máy điện tử, phần mềm có thể tính tự động nhưng người đo vẫn phải kiểm tra trạm, cự ly, số lần đo, cảnh báo nghiêng mia và chất lượng số đọc.

Đo khoảng cách bằng chỉ trên và chỉ dưới

Máy quang học có lưới chỉ thị cự có thể ước tính khoảng cách từ máy đến mia:

D ≈ K × |r_trên − r_dưới|

Trong đó K thường xấp xỉ 100 đối với nhiều máy, nhưng phải kiểm tra hằng số của thiết bị. Dấu giá trị tuyệt đối được dùng vì cách gọi chỉ trên–dưới có thể khác khi ảnh trong ống kính bị đảo.

Máy điện tử thường xác định cự ly từ mia mã vạch. Mục tiêu không chỉ là biết khoảng cách mà còn kiểm soát sự cân bằng giữa tia ngắm sau và trước.

Sai số khép tuyến thủy chuẩn

Nếu tuyến nối từ mốc A có độ cao H_A đến mốc B có độ cao H_B đã biết:

f_h = Σh_đo − (H_B − H_A)

Nếu đo vòng khép trở lại mốc đầu:

f_h = Σh_đo

Giá trị f_h phải được so sánh với sai số khép giới hạn của đúng cấp lưới, địa hình, chiều dài tuyến và tiêu chuẩn áp dụng. Không có một công thức giới hạn duy nhất dùng cho mọi công việc.

Nếu đạt hạn sai, số hiệu chỉnh có thể được phân phối theo chiều dài đoạn, số trạm hoặc trọng số của trị đo tùy phương án bình sai. Nếu vượt hạn sai, cần kiểm tra sổ, mốc, mia, tuyến và đo lại phần nghi ngờ; không phân phối cưỡng bức sai số vượt giới hạn.

Nguồn sai số trong đo cao hình học

Kiểm nghiệm máy thủy chuẩn

Máy phải được kiểm định hoặc kiểm nghiệm theo cấp công việc, quy định quản lý thiết bị và hướng dẫn nhà sản xuất. Kiểm tra hiện trường không thay thế hiệu chuẩn tại cơ sở đủ năng lực.

Kiểm tra bọt thủy và cơ cấu cân bằng

Với máy tự động, có thể kiểm tra sơ bộ hoạt động của bộ bù bằng cách gây dao động rất nhẹ và quan sát ảnh mục tiêu trở về vị trí ổn định. Đây chỉ là kiểm tra chức năng tại hiện trường, không chứng minh máy đã đạt độ chính xác hình học.

Kiểm nghiệm sai số góc i

Sai số góc i xuất hiện khi tia ngắm sau khi cân bằng không song song với phương ngang lý tưởng. Phương pháp kiểm nghiệm phổ biến là phép thử hai cọc hoặc hai mia:

1. Chọn hai điểm ổn định. A và B thẳng hàng, khoảng cách phù hợp hướng dẫn kiểm nghiệm.
2. Đặt máy gần giữa. Đọc hai mia để xác định chênh cao gần đúng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi góc i.
3. Đặt máy lệch về một phía. Một tia ngắm ngắn và một tia ngắm dài.
4. Tính số đọc lý thuyết. Dùng chênh cao từ vị trí giữa dự báo số đọc mia xa.
5. So sánh. Chênh lệch giữa số đọc thực tế và dự báo phản ánh sai số trục ngắm.
6. Hiệu chỉnh, kiểm tra lại. Chỉ hiệu chỉnh theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất và quy trình chuyên môn.

Không nên tự áp công thức hiệu chỉnh của một model máy cho thiết bị khác. Máy tự động, máy điện tử và máy quang cơ có cơ cấu hiệu chỉnh khác nhau.

Kiểm nghiệm mia thủy chuẩn

• Kiểm tra chiều dài tổng và sai số vạch chia.
• Kiểm tra hằng số mặt đỏ–mặt đen của từng mia.
• Kiểm tra đế mia, đầu mia và vị trí zero.
• Kiểm tra bọt thủy mia hoặc phụ kiện giữ thẳng.
• Kiểm tra độ cong, vênh và khớp nối của mia rút.
• Với mia Invar, kiểm tra lực căng và dải Invar.
• Với mia mã vạch, kiểm tra bề mặt mã, độ sạch và khả năng đọc.
• Ghi số hiệu cặp mia để không hoán đổi ngoài phương án.

Mia bị cong, mòn đế hoặc sai hằng số có thể làm kết quả sai dù máy hoạt động tốt.

Quy định kỹ thuật cần đối chiếu

Đo cao hình học trong khảo sát địa hình

Trong khảo sát địa hình, thủy chuẩn được dùng để dẫn cao độ từ mốc quốc gia hoặc mốc dự án đến các điểm khống chế, phục vụ đo chi tiết, đường đồng mức, san nền và hạ tầng.

Thông tư 68/2015/TT-BTNMT quy định máy dùng cho thủy chuẩn hình học trong lưới kỹ thuật phải đáp ứng yêu cầu tương ứng; có thể sử dụng máy điện tử với mia mã vạch theo quy trình của thiết bị và phương án được phê duyệt.

Đơn vị cần lập sơ đồ tuyến, kiểm tra điểm gốc, đo khép hoặc nối vào mốc đã biết và lưu đủ số liệu gốc. Xem dịch vụ khảo sát địa hình để hiểu sản phẩm lưới cao độ, bản đồ, mặt cắt và báo cáo kỹ thuật.

Ứng dụng trong quan trắc lún

Quan trắc lún yêu cầu mốc chuẩn ổn định, điểm quan trắc gắn chắc vào công trình, tuyến đo lặp có đồ hình thống nhất và máy, mia đáp ứng độ chính xác của chu kỳ.

TCVN 9360:2024 hiện quy định yêu cầu kỹ thuật xác định độ lún công trình dân dụng và công nghiệp bằng đo cao hình học. Tiêu chuẩn năm 2012 đã được rút và không nên tiếp tục viện dẫn như bản hiện hành.

Đo Vẽ Nhanh cung cấp dịch vụ quan trắc lún công trình bằng máy thủy chuẩn chính xác và tuyến đo được kiểm soát theo chu kỳ.

Đo cao hình học và đo cao lượng giác

Nguyên lý, công thức và thao tác của phương pháp còn lại được trình bày tại bài đo cao lượng giác.

Sai lầm thường gặp

• Đảo mia sau và mia trước: làm sai dấu chênh cao.
• Cho rằng đặt máy giữa là trung điểm tuyệt đối: bỏ qua mục tiêu cân bằng cự ly ngắm.
• Mia không thẳng: số đọc tăng và cao độ bị sai.
• Không kiểm tra thị sai: số đọc thay đổi theo vị trí mắt.
• Dùng nền mềm làm điểm chuyển: mia lún khi chuyển máy.
• Đọc tia quá sát mặt đất: ảnh hưởng khúc xạ và rung ảnh.
• Không kiểm tra góc i: sai số tăng khi cự ly sau–trước mất cân bằng.
• Áp S–T–T–S cho mọi công việc: không đúng loại máy hoặc tiêu chuẩn.
• Dùng sai hằng số mia đỏ–đen: phép kiểm tra chênh cao bị sai.
• Không tính tại trạm: rời hiện trường trước khi phát hiện số đọc lỗi.
• Phân phối sai số vượt hạn: che giấu tuyến đo không đạt.
• Chỉ lưu bảng cao độ: không giữ số liệu gốc và nhật ký.
• Nhầm độ cao GNSS với độ cao thủy chuẩn: không sử dụng mô hình Geoid và điểm gốc phù hợp.

“Đo thủy chuẩn nhìn đơn giản vì chỉ có hai số đọc, nhưng chất lượng nằm ở việc cân bằng cự ly, dựng mia thẳng, giữ điểm chuyển ổn định và kiểm tra ngay tại trạm. Một chữ số ghi sai hoặc một đế mia bị lún có thể làm hỏng cả tuyến cao độ.”

— Kỹ sư Phan Việt Tuyên

Kết luận

Đo cao hình học xác định chênh cao bằng hiệu số đọc mia sau và mia trước trên tia ngắm ngang. Phương pháp từ giữa được ưu tiên vì giảm nhiều sai số hệ thống; phương pháp phía trước phù hợp bố trí cao độ cục bộ nhưng phụ thuộc phép đo chiều cao máy.

Để có kết quả tin cậy, người đo phải kiểm nghiệm máy và mia, cân bằng cự ly, kiểm tra số đọc tại từng trạm, tính sai số khép toàn tuyến và áp dụng đúng giới hạn của cấp lưới. Các ví dụ, trình tự đọc và công thức của giáo trình không được tách khỏi loại máy, hằng số mia và tiêu chuẩn đang áp dụng.