PHẦN 2. ĐO CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN

CHƯƠNG 3. ĐO GÓC

Trong trắc địa, góc bằng dùng để tính chuyển góc định hướng và chiều dài cho các cạnh rồi từ đó tính các gia số tọa độ (Δx, Δy) và tọa độ X, Y cho các điểm. Góc đứng dùng để tính chênh cao h giữa các điểm theo phương pháp đo cao lượng giác, từ đó tính độ cao H cho các điểm. Máy chuyên dụng để đo góc bằng và góc đứng là máy kinh vĩ tử (Theodolite).

3.1. Nguyên lý đo góc bằng và góc đứng

Giả sử có ba điểm A, C, B nằm ở những độ cao khác nhau trên mặt đất (hình 3.1). Chiếu ba điểm này lên mặt phẳng ngang Po theo phương đường dây dọi, ta được ba điểm tương ứng là a, c, b. Góc nhị hợp bởi mặt phẳng ngắm [Aac'c ] và [BbC'c] là góc bằng β cần đo.

Để đo góc bằng, người ta dùng một bàn độ ngang đặt sao cho tâm của nó nằm trên đường dây dọi Cc', hai mặt phẳng ngắm [Aac'c ] và [BbC'c] sẽ cắt bàn độ ở hai giao tuyến có trị số tương ứng là a và c, trị số góc bằng cần đo là β = b - a.

Góc hợp bởi hướng ngắm c'A với đường ngang HH' gọi là góc đứng của hướng CA. Góc đứng nhận giá trị từ 0o đến 90o và có thể dương hoặc âm. Nếu điểm ngắm phía trên đường ngang thì góc đứng sẽ có dấu dương và nằm phía dưới sẽ có dấu âm.

Để đo góc đứng, người ta sử dụng một bàn độ đứng có đường kính nằm ngang mang trị số hai đầu 0o - 0o hoặc 0o-180o hoặc 90o-270o và vạch chuẩn hoặc vạch "0" trên thang đọc số bàn độ đứng. Số đọc trên bàn độ đứng khi ống kính nằm ngang và vạch chuẩn hoặc vạch 0 trên thang đọc số cân bằng được gọi là số đọc ban đầu MO. Trị số góc đứng V là hiệu số giữa số đọc MO với trị số của hướng ngắm tới mục tiêu đọc trên bàn độ đứng

3.2. Máy kinh vĩ

3.2.1. Tác dụng và phân loại máy kinh vĩ

Máy kinh vĩ dùng để đo góc bằng, góc đứng, ngoài ra còn đo được chiều dài và độ chênh cao theo phương pháp đo cao lượng giác.

Nếu phân loại máy kinh vĩ theo đặc điểm cấu tạo bàn độ thì sẽ có máy kinh vĩ kim loại, quang học và điện tử ; còn phân loại theo độ chính xác thì sẽ có máy kinh vĩ chính xác, máy có độ chính xác trung bình, và xác thấp.

3.2.2. Nguyên lý cấu tạo máy kinh vĩ

Các bộ phận cơ bản của máy kinh vĩ trình bày ở hình 3.2 gồm:

(1)-Ống kính ngắm

(2)-Bàn độ đứng

(3)-Bàn độ ngang

(4)-Ống kính hiển vi đọc số

(5)-Ốc hãm và vi động bàn độ ngang

(6)- Gương lấy sáng

(7)-Ống thủy dài bàn độ ngang

(8)-Đế máy

(9)-Ốc cân đế máy

CC'- Trục ngắm của ống kính

HH'-Trục quay của ống kính

VV'- Trục quay của máy kinh vĩ

LL'- Trục của ống thủy dài

3.2.2.1. Ống kính ngắm

Ống kính ngắm máy kinh vĩ cấu tạo bởi các bộ phận như hình 3.3:

- Kính vật (1) và kính mắt (2) là những thấu kính hội tụ kết hợp với nhau tạo thành hệ kính hiển vi.

- Hệ điều quang gồm ốc điều quang (3) và kính điều quang 3'. Khi vặn ốc điều quang, kính điều quang sẽ di chuyển trong ống kính, nhờ đó làm thay đổi vị trí ảnh thật ab so với kính vật. Khi ảnh ab trùng với mặt phẳng màng dây chữ thập (4) sẽ cho ảnh ảo a'b' ngược chiều với vật nhưng được phóng đại lên nhiều lần. Hình 3.4 là nguyên lý tạo ảnh trong ống kính của máy kinh vĩ

Màng dây chữ thập (4) là một tấm kính mỏng trên có khắc lưới chỉ mảnh dùng làm chuẩn khi đo ngắm. Lưới chỉ chữ thập gồm hai chỉ cơ bản là chỉ đứng và chỉ ngang cắt nhau dạng chữ thập; ngoài ra còn có chỉ trên và dưới dùng để đo khoảng cách.

Ống kính máy kinh vĩ đặc trưng bởi một số chỉ tiêu kỹ thuật sau:

- Độ phóng đại của ống kính :

V=  α/β = fv/fm

Trong đó: α - góc nhìn vật qua ống kính; β - góc nhìn vật bằng mắt thường; fv - tiêu cự kính vật; fm - tiêu cự kính mắt.

- Trường ngắm ống kính đặc trưng bởi góc kẹp ε giữa hai đường thẳng xuất phát từ quang tâm kính vật tới hai đầu đường kính màng dây chữ thập.

ε =[d.ρ'']/fv

Trong đó: d - đường kính màng dây chữ thập, fv - tiêu cự kính vật.

- Độ chính xác ống kính :  mV= ± 60''/ v

3.2.2.2. Bàn độ và bộ phận đọc số

Bàn độ ngang máy kinh vĩ có cấu tạo là một đĩa tròn làm bằng thủy tinh trong suốt có đường kính từ 6cm đến 25cm. Tùy theo là máy quang học hay điện tử và cách chia vạch và đọc số bàn độ có khác nhau.

Đối với máy kinh vĩ quang học, trên mặt bàn độ thường được chia thành 360 khoảng, mỗi khoảng ứng với 1o. Dùng kính hiển vi phóng to khoảng chia 1o rồi đưa và đó một tấm kính mỏng trên khắc vạch chuẩn hoặc thang số đọc. Tùy theo độ chính xác của máy mà thang vạch chuẩn được chia vạch khác nhau

Vì chức năng của bàn độ ngang là đo góc bằng, nên nó được liên kết với ống thủy thủy dài có trục LL' vuông góc với trục quay VV' của máy kinh vĩ (hình 3.5.a). Trong một vòng đo vị trí bàn độ ngang phải thực sự cố định.

Khác với bàn độ ngang, bàn độ đứng ngắn liền và cùng quay theo ống kính ngắm. Để cân bằng vạch chuẩn đọc số hoặc vạch "0" trên thang đọc số, một số loại máy kinh vĩ dùng ống thủy dài và vít nghiêng ( hình3.5c ), còn các loại máy kinh vĩ hiện đại dùng bộ cân bằng tự động bằng hệ con lắc quang học hoặc bộ cân bằng điện tử.

Hai đầu đường kính nằm ngang của bàn độ đứng máy kinh vĩ được khắc vạch tương ứng với trị số 0o - 0o hoặc 0o - 180o hoặc 90o - 270o; bởi vậy khi trục ngắm ống kính nằm ngang và thang đọc số được cân bằng thì đường kính trên phải trùng với vạch "0" của thang đọc số. Trị số của hai đầu đường kính trong trường hợp này gọi là số đọc ban đầu MO lý thuyết; nếu điều kiện trên không đảm bảo sẽ dẫn đến sai số số đọc ban đầu và số đọc có sai số đó gọi là MO thực tế.

Các loại máy kinh vĩ điện tử ( Digital Theodolite) có bàn độ được mã hóa kết hợp với bộ xử lý CPU cho trị số của hướng đo được hiển thị trên màn hình tinh thể, hoặc lưu trữ trong bộ nhớ của máy hoặc thẻ nhớ (hình 3.6a,b). Ngày nay với sự phát triển của ngành điện tử - tin học, máy kinh vĩ điện tử được ghép nối với máy đo dài điện tử (EDM) có bộ vi xử lý tích hợp nhiều phần mềm tiện ích tạo thành máy toàn đạc điện tử (Total Station). Máy này không những cho phép đo góc mà còn đo dài với độ chính xác cao, tiện lợi và hiệu quả

3.2.2.3. Bộ phận cân bằng và chiếu điểm

Bộ phận cân bằng gồm ống thuỷ, các ốc cân đế máy, chân máy, vít nghiêng. Bộ phận chiếu điểm gồm dây và quả dọi hoặc bộ phận định tâm quang học.

- Ông thuỷ dùng để đưa đường thẳng, mặt phẳng về nằm ngang hoặc thẳng đứng. có hai loại ống thuỷ là: ống thuỷ dài và ống thuỷ tròn ( hình 3.7).

Ông thuỷ dài cấu tạo bởi một ống thuỷ tinh hình trụ nằm ngang, mặt trên là mặt cong có bán kính tương đối lớn. Trong ống thuỷ tinh đã hút chân không người ta đổ đầy chất lỏng có độ nhớt thấp (ete) và để chừa lại một khoảng không khí nhỏ gọi là bọt thuỷ. Đối xứng qua điểm cao nhất trên mặt cong, có những vạch khắc cách đều nhau gọi là khoảng chia ống thuỷ. Độ chính xác ống thuỷ đặc trưng bởi góc ở tâm τ.

τ=ρ'' x d/R  

 R - bán kính mặt cong

d - khoảng chia ống thủy

Ống thuỷ tròn cấu tạo bởi ống thuỷ tinh hình trụ đứng có mặt trên là mặt cầu, sau khi hút chân không người ta cũng đổ đầy ête và chỉ để lại một bọt khí nhỏ gọi là bọt nước ống thuỷ. Điểm cao nhất trên mặt cầu được đánh dấu bởi hai vòng tròn đồng tâm, đường thẳng đứng qua điểm cao nhất là trục ống thủy. Khi bọt nước ống thuỷ ở điểm cao nhất thì trục của ống thuỷ sẽ thẳng đứng. Ống thuỷ tròn có độ chính xác không cao, dùng để cân bằng sơ bộ máy.

- Bộ phận chiếu điểm: có thể chiếu điểm bằng dọi hoặc bộ phận định tâm quang học

3.2.3. Kiểm nghiệm máy kinh vĩ

Để giảm sai số hệ thống do máy kinh vĩ ảnh hưởng tới kết quả đo, trước khi sử dụng máy phải tiến hành công tác kiểm nghiệm. Việc kiểm nghiệm và điều chỉnh máy kinh vĩ nhằm mục đích đảm bảo các điều kiện hình học của các hệ trục

Trục của ống thủy dài trên bàn độ ngang LL' phải vuông góc trục quay của máy kinh vĩ VV'.

- Chỉ đứng của màng dây chữ thập phải thẳng đứng.

-Trục ngắm CC' của ống kính ngắm máy kinh vĩ phải vuông góc với trục quay HH' của của nó (2C).

- Trục quay HH' của ống kính ngắm phải vuông góc với trục quay VV' của máy kinh vĩ.

- Kiểm nghiệm số đọc ban đầu MO.

3.2.3.1. Điều kiện trục của ống thủy dài trên bàn độ ngang

Để kiểm nghiệm điều kiện nằy, đầu tiên ta quay bộ phận ngắm sao cho trục ống thủy dài bàn độ ngang song song với đường nối hai ốc cân bất kỳ của đế máy, điều chỉnh hai ốc cân này đưa bọt thủy vào giữa ống (hình 3.10b). Tiếp đó quay bộ phận ngắm 180o, nếu bọt thủy vẫn ở giữa, hoặc độ lệch nhỏ hơn một khoảng chia ống thủy thì có thể coi điều kiện này đảm bảo, còn lệch quá một khoảng chia thì phải điều chỉnh lại ống thủy dài

3.2.3.2. Kiểm nghiệm màng dây chữ thập

Một trong những cách đơn giản là treo một dây dọi mảnh ở nơi kín gió. Máy kinh vĩ cần kiểm nghiệm đặt cách dây dọi chừng 20m. Sau khi cân bằng máy tiến hành ngắm chuẩn dây dọi, nếu chỉ đứng của màng dây chữ thập trùng với dây dọi thì điều kiện này đạt yêu cầu, nếu không trùng thì phải chỉnh lại màng dây chữ thập.

3.2.3.3. Kiểm nghiệm trục ngắm của ống kính ngắm (2c)

Trục ngắm của ống kính máy kinh vĩ là đường thẳng nối quang tâm kính vật, tâm màng dây chữ thập và quang tâm kính mắt. Nếu trục ngắm có sai số thì khi ngắm cùng một mục tiêu ở hai vị trí bàn độ chúng sẽ lệch nhau một góc ký hiệu là 2c

Để kiểm nghiệm điều kiện trục ngắm ta chọn một mục tiêu A rõ nét, cách xa máy và có góc đứng không quá 5o. Đầu tiên ở vị trí bàn độ trái, sau khi cân bằng máy ta tiến hành ngắm chuẩn mục tiêu A, đọc số bàn độ ngang được số đọc ký hiệu là T. Sau đó thực hiện tương tự đối với vị trí bàn độ phải được số đọc ký hiệu P. Thay giá trị T và P vào công thức (3.4) để tính 2C. Nếu giá trị này nhỏ hơn hai lần độ chính xác của bộ phận đọc số thì coi như điều kiện trục ngắm đảm bảo, nếu không thì phải chỉnh lại màng dây chữ thập

3.2.3.4. Kiểm nghiệm trục quay của ống kính ngắm

Nếu hai ổ trục quay của ống kính ngắm không cùng nằm trên một mặt phẳng ngang sẽ làm cho trục quay ống kính không vông góc với trục quay của máy kinh vĩ.

Để kiểm nghiệm điều kiện này, trên một bức tường cần đánh dấu một điểm A cao hơn mặt phẳng ngang ống kính chừng 30o ~ 50o. Máy kinh vĩ đặt cách tường 20m. Sau khi cân bằng máy, tiến hành chiếu điểm A xuống mặt phẳng ngang ở vị trí bàn độ trái và phải, đánh dấu được hai điểm tương ứng là a và a'. Nếu thấy đoạn aa' lớn hơn chiều rộng cặp chỉ đứng song song của màng dây chữ thập thì phải điều chỉnh lại trục quay ống kính

3.2.3.5. Kiểm nghiệm số đọc ban đầu MO

Nếu trục ngắm ống kính ngắm nằm ngang và thang đọc số cân bằng mà đường kính nằm ngang của bàn độ đứng không trùng với vạch "0" của thang đọc số thì sẽ gây ra sai số số đọc ban đầu MO (hình 3.13). Từ hình 3.13 ta có công thức tính MO:

MO= (tV + Pv ± k)/2

Trong đó k là hệ số tùy thuộc vào cách khắc vạch bàn độ đứng. Ví dụ máy Theo020, Dalhta, Redta,TC800, T100, T30 có k = 180; máy 2T30, 2T5, 2T5K có k = 0.

Để kiểm nghiệm MO, chọn một mục tiêu A rõ nét cách xa máy. Ở vị trí bàn độ thuận và ngược, ngắm chuẩn mục tiêu A bằng chỉ giữa nằm ngang của màng dây chữ thập và đọc số trên bàn độ đứng, được hai số đọc tương ứng là Tv và Pv. Thay hai giá trị này vào công thức (3.5) để tính MO. Cần chú ý rằng, trước khi đọc số trên bàn độ đứng thì đều phải cân bằng vạch chỉ tiêu hoặc vạch 0 của thang đọc số bàn độ đứng.

3.3. Phương pháp đo góc bằng

Tùy theo số hướng tại một trạm đo mà ta có thể áp dụng các phương pháp đo góc khác nhau như đo đơn, đo lặp, đo toàn vòng, đo tổ hợp. Giáo trình này chỉ trình bày hai phương pháp đo góc cơ bản là đo đơn và đo toàn vòng.

3.3.1. Đo góc bằng theo phương pháp đo đơn

Phương pháp đo đơn áp dụng cho các trạm đo chỉ có hai hướng và được áp dụng nhiều khi đo góc bằng trong các đường chuyền đa giác. Một vòng đo theo phương pháp đo đơn gồm nửa vòng đo thuận và nửa vòng nghịch. Giả sử đo góc bằng tại đỉnh O hợp bởi hướng ngắm OA và OB (hình 3.14), trình tự đo được thực hiện như sau

3.3.1.1. Đặt máy và dựng tiêu

Dựng tiêu ngắm tại điểm A và B; đặt máy kinh vĩ tại đỉnh O và tiến hành định tâm, cân bằng, định hướng.

- Định tâm là thao tác để chiếu đỉnh góc cần đo trên mặt đất theo phương đường dây dọi sao cho trùng với tâm bàn độ ngang của máy kinh vĩ. Việc định tâm được thực hiện bằng dây dọi hoặc bộ phận định tâm quang học. Để định tâm bằng dây dọi, ta phải mắc dọi vào đầu trục quay VV' của máy kinh vĩ. Điều chỉnh ba chân máy sao cho đầu quả dọi đi qua đỉnh góc cần đo.

Khi định tâm quang học, trước tiên ta điều chỉnh chân máy hoặc ốc cân đế máy sao cho tâm vòng tròn bộ định tâm quang học trùng với đỉnh góc đo. Sau đó cân bằng máy bằng ba ốc cân chân máy, các thao tác này được lặp lại cho đến khi đỉnh góc đo ở trong vòng tròn. Tiếp theo ta cân bằng máy bằng ba ốc cân đế máy, nếu sau khi cân bằng mà đỉnh góc lệch khỏi vòng tròn thì mở ốc nối, xê dịch đế máy cho trùng lại và tiến hành cân bằng lại máy là được.

- Cân bằng máy là thao tác để điều chỉnh cho mặt phẳng bàn độ về ngang nằm ngang. Thực hiện cân bằng nhờ ống thủy tròn (sơ bộ), ống thủy dài (chính xác), các ốc cân đế máy và chân máy.

Khi cân bằng, đầu tiên quay bộ phận ngắm sao cho trục ống thủy dài bàn độ ngang song song với đường nối hai ốc cân bất kỳ, điều chỉnh hai ốc cân này đưa bọt thủy vào giữa ống. Sau đó quay bộ phận ngắm đi 90o, điều chỉnh ốc cân thứ ba để bọt thủy vào giữa ống. Các thao tác này được lặp lại cho đến khi bọt thủy không lệch khỏi vị trí giữa ống quá một phân khoảng ống thủy là được

Định hướng: để nâmg cao độ chính xác đo góc và giảm sai số do khắc vạch bàn độ không đều, khi đo góc ta phải đo nhiều vòng và giữa các vòng hướng khởi đầu cần đặt lệch nhau một lượng bằng 180o/n ( n là số vòng đo). Việc làm này được gọi là định hướng máy kinh vĩ. Việc định hướng thực hiện nhờ ốc điều chỉnh bàn độ ngang.

3.3.1.2. Đo góc

Một vòng đo góc bằng theo phương pháp đo đơn gồm nửa vòng đo thuận và nửa vòng đo ngược.

- Nửa vòng đo thuận kính: Bàn độ đứng đặt bên trái hướng ngắm, ngắm chuẩn tiêu ngắm A, đọc số trên vành độ ngang được số đọc ký hiệu a1. Quay bộ phận ngắm thuận chiều kim đồng hồ, ngắm chuẩn tiêu ngắm B, đọc số trên bàn độ ngang được số đọc ký hiệu là b1. Như vậy ta đã hoàn thành nửa vòng đo thuận, trị số góc nửa vòng thuận βt = b1 - a1.

- Nửa vòng đo ngược: kết thúc nửa vòng đo thuận ống kính đang trên hướng OB, thực hiện đảo ống kính và quay máy ngắm lại tiêu ngắm B; đọc số trên bàn độ ngang được số đọc b2. Máy quay thuận chiều kim đồng hồ ngắm tiêu ngắm A, đọc số trên bàn độ ngang được số đọc a2 . Đến đây ta đã hoàn thành nửa vòng đo ngược và cũng hoàn thành một vòng đo theo phương pháp đo đơn. Góc nửa vòng đo nghịch βp = b2 - a2 ; nếu độ lệch trị số góc giữ hai nửa vòng đo nằm trong giới hạn cho phép thì trị số góc tại vòng đo này là: β1v = (βt + βp)/2. Kết quả đo góc bằng theo phương pháp đo đơn được ghi vào sổ đo ở bảng 3.1

Một số lưu ý khi đo góc bằng theo phương pháp đo đơn:

- Trong một vòng đo không được thay đổi vị trí bàn độ ngang.

- Trong suốt quá trình đo máy luôn quay thuận chiều kim đồng hồ để hạn chế sai số do bàn độ ngang bị kéo theo bộ phận ngắm

3.3.2. Đo góc bằng theo phương pháp toàn vòng

Phương pháp đo góc toàn vòng áp dụng cho các trạm đo góc bằng có từ 3 hướng trở lên, phương pháp này được ứng dụng nhiều khi đo góc trong lưới giải tích.

Một vòng đo theo phương pháp này cũng gồm nửa vòng đo thuận và nửa vòng đo ngược. Giả sử cần đo góc bằng tại trạm O có ba hướng là OA, OB, OC (hình 3.16). Để đo, trước tiên cần đặt máy kinh vĩ vào trạm O và thực hiện định tâm, cân bằng, định hướng tương tự như phương pháp đo đơn; sau đó tiến hành đo góc theo trình tự:

- Nửa vòng đo thuận: bàn độ đứng đặt bên trái hướng ngắm. Trước tiên ngắm chuẩn tiêu ngắm A, rồi lần lượt các tiêu ngắm ở các điểm B, C và A theo chiều kim đồng hồ; mỗi hướng đo đều tiến hành đọc số bàn độ ngang và ghi giá trị vào sổ đo góc.

- Nửa vòng đo ngược: kết thúc nửa vòng đo thuận thì ống kính đang ngắm về hướng OA. Tiến hành đảo ống kính và quay máy ngắm và đọc số lại hướng này; sau đó quay bộ phận ngắm ngược chiều kim đồng hồ lần lượt ngắm các tiêu trên hướng OC, OB và OA. Ở mỗi hướng đều đọc số bàn độ ngang và ghi trị số các hướng đo vào sổ đo góc bằng

Để tăng độ chính xác đo góc cần phải đo nhiều vòng đo, trị hướng khởi đầu mỗi vòng đo đặt lệch một lượng 180o/n ( n là số vòng đo ). Biến động 2c ≤ 2t; sai số khép vòng fv ≤ 2t với "t " là độ chính của bộ phận đọc số.