Hệ quy chiếu và hệ tọa độ trong đo đạc: WGS84, UTM, State Plane và phép chuyển đổi
Những điểm chính
- Hệ quy chiếu xác định kích thước, hình dạng, gốc và hướng của ellipsoid tham chiếu; hệ tọa độ xác định cách biểu diễn vị trí trên đó.
- Máy thu GNSS tính vị trí trong khung tham chiếu toàn cầu như WGS84 hoặc ITRF; dữ liệu dự án thường nằm trong hệ quy chiếu quốc gia như NAD83 hoặc ETRS89.
- Ở phần lãnh thổ Hoa Kỳ liền kề, vị trí WGS84 và NAD83(2011) chênh khoảng một đến hai mét.
- UTM chia thế giới thành 60 múi rộng 6°, với hệ số tỷ lệ kinh tuyến trục là 0.9996.
- Độ cao ellipsoid từ GNSS phải được chuyển đổi bằng mô hình geoid để có độ cao trực chuẩn so với hệ quy chiếu độ cao.
Hệ tọa độ là gì và hệ quy chiếu là gì?
Hệ tọa độ là tập hợp quy tắc mô tả vị trí bằng số, như vĩ độ và kinh độ bằng độ hoặc tọa độ đông và bắc bằng mét. Hệ quy chiếu là tham chiếu để đo các số đó: ellipsoid có kích thước và hình dạng xác định, gắn với Trái Đất bằng một gốc và một hướng. Cùng nhau chúng tạo thành hệ tham chiếu tọa độ (CRS).
Định nghĩa đơn giản: hệ quy chiếu cho biết điểm không ở đâu và giả định Trái Đất có hình dạng nào. Cùng một điểm vật lý có tọa độ khác nhau trên các hệ quy chiếu khác nhau, đôi khi hơn 100 m với các hệ cục bộ cũ. Vì vậy “hệ quy chiếu là gì?” là câu hỏi đầu tiên với mọi danh sách tọa độ, bản vẽ hoặc lớp GIS.
Trong GIS, CRS thường được xác định bằng mã EPSG, ví dụ EPSG:4326 cho vĩ độ và kinh độ WGS84. Hệ tọa độ GIS không nêu hệ quy chiếu và mã EPSG là nguyên nhân phổ biến gây lệch lớp. Để tìm hiểu bối cảnh GIS rộng hơn, xem hướng dẫn dữ liệu không gian địa lý và lập bản đồ GIS.
Hệ quy chiếu trong trắc địa và GPS là gì?
Hệ quy chiếu trong trắc địa là khung tham chiếu ngang và đứng mà mọi tọa độ và độ cao đo trong dự án được liên kết vào. Hệ quy chiếu trong GPS là khung tham chiếu toàn cầu dùng tính quỹ đạo vệ tinh và do đó tính vị trí máy thu.
Hệ quy chiếu ngang (trắc địa)
Hệ trắc địa hoặc hệ quy chiếu trắc địa sử dụng ellipsoid tham chiếu như GRS80 hoặc ellipsoid WGS84 và được hiện thực hóa bằng tọa độ các trạm khống chế. Hệ quy chiếu hiện đại là địa tâm và được hiện thực hóa bằng GNSS cùng các kỹ thuật không gian khác. Hệ cục bộ cũ được khớp cho một khu vực và có thể khác hệ toàn cầu hàng trăm mét.
Hệ quy chiếu độ cao
Hệ quy chiếu độ cao, tham chiếu cho độ cao, xấp xỉ mực nước biển trung bình, ví dụ NAVD 88 tại Hoa Kỳ. GNSS đo độ cao ellipsoid (h). Để có độ cao trực chuẩn (H), trừ độ cao geoid (N) từ mô hình geoid: H = h − N. Geoid có thể cao hoặc thấp hơn ellipsoid hàng chục mét, vì vậy dùng sai mô hình hoặc không dùng là một trong những sai sót tốn kém nhất khi đo cao bằng GNSS.
Điểm quy chiếu là gì?
Trong trắc địa, điểm quy chiếu là mốc vật lý có tọa độ hoặc độ cao được công bố, như mốc độ cao hoặc trạm khống chế, dùng liên kết dự án với hệ quy chiếu. Ý nghĩa có khác đôi chút trong bản vẽ kỹ thuật, nơi nó cũng có thể là điểm tham chiếu để tính mọi kích thước.
Người khảo sát dùng những hệ quy chiếu và khung tham chiếu nào?
Người khảo sát chủ yếu làm việc trong khung toàn cầu (WGS84 hoặc ITRF) hoặc hệ quy chiếu quốc gia gắn với mảng kiến tạo địa phương, và cần biết quan hệ giữa chúng.
| Hệ quy chiếu / khung tham chiếu | Khu vực | Ellipsoid | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| WGS84 | Toàn cầu | WGS84 | Tham chiếu phát quảng bá GPS; các hiện thực hóa gần đây phù hợp với ITRF ở mức centimét |
| ITRF (ví dụ ITRF2020) | Toàn cầu | GRS80 | Khung khoa học; tọa độ thay đổi theo chuyển động mảng qua thời gian |
| NAD83 (2011) | Hoa Kỳ | GRS80 | Gắn với mảng Bắc Mỹ; chênh WGS84 khoảng 1–2 m ở phần lãnh thổ Hoa Kỳ liền kề |
| ETRS89 | Châu Âu | GRS80 | Gắn với mảng Á-Âu; lệch khỏi ITRF khoảng 2.5 cm mỗi năm |
| GDA2020 | Úc | GRS80 | Thay thế GDA94; lục địa di chuyển khoảng 7 cm mỗi năm |
| CGCS2000 | Trung Quốc | CGCS2000 | Hệ địa tâm quốc gia |
Hệ quy chiếu WGS84, hay hệ quy chiếu trắc địa WGS84, sử dụng ellipsoid có bán trục lớn 6378137 m và độ dẹt 1/298.257223563, do Cơ quan Tình báo Không gian Địa lý Quốc gia Hoa Kỳ duy trì. Tại Hoa Kỳ, Cơ quan Trắc địa Quốc gia (geodesy.noaa.gov) đang chuẩn bị các khung mới thay thế NAD83 và NAVD 88, vì vậy hãy kiểm tra hệ quy chiếu và thời điểm quy chiếu mà mỗi dự án quy định.
Các hệ tọa độ khác nhau được dùng trong trắc địa và GIS là gì?
Các hệ tọa độ chia thành ba nhóm: địa lý (vĩ độ, kinh độ, độ cao), địa tâm (X, Y, Z lấy tâm Trái Đất làm gốc) và lưới chiếu (tọa độ đông, tọa độ bắc), cùng lưới cục bộ công trường.
- Hệ tọa độ vĩ độ, kinh độ (địa lý): các góc trên ellipsoid, ví dụ 31.2304° N, 121.4737° E. Mang tính toàn cầu nhưng độ không phải đơn vị thuận tiện cho khoảng cách và diện tích.
- XYZ địa tâm: tọa độ không gian bằng mét tính từ tâm Trái Đất; dùng nội bộ trong xử lý GNSS.
- Hệ tọa độ lưới chiếu: phép chiếu bản đồ biến bề mặt cong thành hệ tọa độ x y phẳng bằng mét hoặc foot. Ví dụ UTM, State Plane, British National Grid và các lưới Mercator ngang quốc gia.
- Lưới cục bộ hoặc công trường: gốc tùy chọn như 1000, 5000, thường liên kết với GNSS qua hiệu chuẩn công trường.
UTM
Phép chiếu Mercator ngang toàn cầu chia thế giới thành 60 múi, mỗi múi rộng 6° kinh độ. Mỗi múi có hệ số tỷ lệ kinh tuyến trục 0.9996 và tọa độ đông giả 500000 m; các múi ở Nam bán cầu cộng tọa độ bắc giả 10000000 m.
State Plane
Hệ tọa độ State Plane chia Hoa Kỳ thành hơn 100 múi, dùng phép chiếu nón đồng góc Lambert cho các bang kéo dài đông–tây và Mercator ngang cho các bang kéo dài bắc–nam. Múi nhỏ nên biến dạng thấp. Chú ý đơn vị: foot trắc địa Hoa Kỳ chính thức ngừng được khuyến nghị vào cuối năm 2022 và khác foot quốc tế 2 ppm, tương đương khoảng 2 ft trên tọa độ bắc 1000000 ft.
Những ví dụ này cho thấy thông tin hệ tọa độ trên bản vẽ phải luôn gồm hệ quy chiếu, phép chiếu, múi và đơn vị.
Tọa độ lưới khác tọa độ mặt đất như thế nào?
Tọa độ lưới nằm trên phép chiếu bản đồ phẳng, còn khoảng cách mặt đất được đo trên bề mặt Trái Đất tại cao độ công trường; chúng khác nhau bởi hệ số tỷ lệ tổng hợp có thể lên đến hàng trăm ppm.
Hệ số tỷ lệ tổng hợp bằng hệ số tỷ lệ lưới của phép chiếu tại vị trí đó nhân hệ số độ cao, thu khoảng cách từ độ cao công trường về ellipsoid. Ở độ cao 1000 m, riêng ảnh hưởng hệ số độ cao khoảng 157 ppm, hay 15.7 cm mỗi kilômét. Máy toàn đạc đo khoảng cách mặt đất; GNSS cho tọa độ lưới. Nếu trộn hai loại mà không áp dụng hệ số tỷ lệ, các tuyến bố trí sẽ không khép.
| Tình huống | Cách tiếp cận đề xuất |
|---|---|
| Dự án lớn hoặc dạng tuyến, sản phẩm bàn giao GIS | Làm việc trên lưới chính thức và áp dụng hệ số tỷ lệ cho khoảng cách máy toàn đạc |
| Công trường xây dựng nhỏ, cao độ lớn | Phép chiếu ít biến dạng hoặc hệ mặt đất có tỷ lệ được ghi rõ trong hồ sơ công việc |
| Các tổ dùng kết hợp GNSS và máy toàn đạc | Một hệ thống và hệ số tỷ lệ được thống nhất trong mọi bộ điều khiển |
Chuyển đổi tọa độ hoạt động như thế nào?
Chuyển đổi hệ quy chiếu biến tọa độ từ hệ quy chiếu này sang hệ khác, còn chuyển đổi cách biểu diễn tọa độ thay đổi cách thể hiện vị trí trong cùng hệ quy chiếu, như đổi vĩ độ và kinh độ sang UTM.
- Phép chuyển đổi Helmert 7 tham số: ba tịnh tiến, ba góc quay và một tỷ lệ. Phiên bản 14 tham số phụ thuộc thời gian bổ sung tốc độ cho các khung chuyển động theo kiến tạo mảng.
- Chuyển đổi dựa trên lưới: các lưới dịch chuyển được công bố (ví dụ tệp định dạng NTv2) mô hình hóa biến dạng không đều trong hệ quy chiếu quốc gia cũ.
- Hiệu chuẩn công trường (địa phương hóa): phép chuyển đổi khớp tốt nhất tính tại hiện trường từ phép đo GNSS trên các điểm khống chế cục bộ đã biết.
Độ chính xác phụ thuộc tham số. Các phép chuyển đổi quốc gia công bố thường chính xác vài centimét; tham số chung từ WGS84 sang hệ cục bộ có thể chỉ đạt một mét hoặc kém hơn. Khi đổi hệ quy chiếu trong dự án, ghi lại phép chuyển đổi và phiên bản đã dùng để tổ tiếp theo có cùng kết quả.
Chuyển tọa độ x và y sang vĩ độ, kinh độ: từng bước
Chuyển tọa độ x và y sang vĩ độ, kinh độ đòi hỏi biết chính xác phép chiếu, hệ quy chiếu, múi và đơn vị của lưới; có các thông tin này, bất kỳ công cụ chuyển tọa độ hoặc phần mềm hiện trường đáng tin cậy nào cũng thực hiện được phép chiếu nghịch.
- Xác định CRS. Tìm hệ quy chiếu, phép chiếu, múi và đơn vị trên bản vẽ, trong siêu dữ liệu hoặc từ mã EPSG. Không bao giờ đoán múi.
- Kiểm tra đơn vị. Xác nhận mét, foot quốc tế hay foot trắc địa Hoa Kỳ.
- Chọn công cụ. Dùng phần mềm trắc địa hoặc GIS, hoặc công cụ chuyển đổi trực tuyến của cơ quan trắc địa quốc gia; công cụ đổi múi UTM hay State Plane phù hợp cho điểm đơn lẻ nếu nêu rõ hệ quy chiếu.
- Đổi xy sang vĩ độ, kinh độ trên cùng hệ quy chiếu trước.
- Chuyển hệ quy chiếu nếu cần, ví dụ NAD83 sang WGS84, bằng phép chuyển đổi đã thống nhất.
- Kiểm tra điểm đã biết. Đưa lên ảnh hoặc so với tọa độ khống chế được công bố.
Tọa độ đọc từ bản đồ phổ thông chỉ đạt mức mét; về ranh giới, xem hướng dẫn tìm ranh giới thửa đất bằng GPS. Đảo ngược các bước trên để đổi tọa độ sang x y. Nếu kết quả lệch hàng trăm mét, thường sai múi hoặc hệ quy chiếu; nếu lệch vài mét, hãy nghi ngờ phép chuyển hệ quy chiếu hoặc đơn vị.
Cách thiết lập hệ tọa độ cho công việc khảo sát GNSS
Đặt hệ tọa độ trong bộ điều khiển trước khi đo điểm đầu tiên và bảo đảm trạm gốc, rover và phần mềm văn phòng dùng đúng cùng định nghĩa.
- Chọn hệ quy chiếu, phép chiếu và múi, hoặc mã EPSG của dự án, cùng mô hình geoid cho độ cao.
- Đặt trạm gốc trên điểm khống chế đã biết bằng đế máy có bộ chuyển đổi GNSS để định tâm chính xác, như mô tả trong hướng dẫn thiết lập trạm gốc RTK, hoặc kết nối với mạng CORS trong đúng khung tham chiếu như giải thích ở hướng dẫn NTRIP và CORS.
- Chạy hiệu chuẩn công trường nếu dự án dùng lưới cục bộ, với ít nhất bốn điểm khống chế phân bố tốt, rồi kiểm tra số dư.
- Đo điểm kiểm tra độc lập trước và sau công việc.
Máy thu GNSS RTK E1 hoạt động dưới dạng trạm gốc vô tuyến, rover vô tuyến hoặc rover CORS/NTRIP; máy tính bảng GNSS bền chắc T8 Pro là bộ điều khiển Android 10 màn hình 8 inch, có mô-đun GNSS chính xác cao, làm kín IP67 và 4G cho hiệu chỉnh mạng. Để có bộ hoàn chỉnh cùng phụ kiện phù hợp, hãy yêu cầu báo giá.
Câu hỏi thường gặp
Định nghĩa hệ quy chiếu trong trắc địa là gì?
Trong trắc địa, hệ quy chiếu là hệ tham chiếu cho vị trí và độ cao. Hệ quy chiếu ngang hoặc trắc địa xác định ellipsoid và cách nó gắn với Trái Đất, như WGS84 hoặc NAD83. Hệ quy chiếu độ cao xác định độ cao bằng không, thường liên quan đến mực nước biển trung bình, như NAVD 88. Mọi khảo sát nên nêu rõ cả hai.
Hệ quy chiếu bản đồ GPS là gì?
Vệ tinh GPS phát quỹ đạo trong WGS84 nên máy thu mặc định tính vị trí trong WGS84. Cài đặt hệ quy chiếu bản đồ GPS trong thiết bị hoặc ứng dụng quyết định hệ quy chiếu của tọa độ được hiển thị. Máy thu trắc địa dùng RTK lấy hệ quy chiếu của trạm gốc hoặc mạng CORS, vì vậy hãy kiểm tra khung tham chiếu mạng có khớp dự án trước khi đo.
WGS84 có giống NAD83 không?
Không. Chúng sử dụng ellipsoid gần như giống nhau, nhưng NAD83 gắn với mảng Bắc Mỹ còn WGS84 theo khung tham chiếu toàn cầu. Ở phần lãnh thổ Hoa Kỳ liền kề, hai hệ chênh khoảng một đến hai mét và chênh lệch tăng chậm do chuyển động mảng. Với công việc cấp bản đồ, chúng có thể trông giống nhau, nhưng trong trắc địa phải chuyển đổi giữa chúng.
Định nghĩa hệ tọa độ trong GIS là gì?
Trong GIS, định nghĩa hệ tọa độ, hay hệ tham chiếu tọa độ, là mô tả đầy đủ cách tọa độ liên hệ với Trái Đất: hệ quy chiếu, ellipsoid, kinh tuyến gốc, đơn vị và, với hệ chiếu, phép chiếu cùng các tham số. Thông tin thường được lưu dưới dạng mã EPSG hoặc chuỗi well-known text; mỗi lớp cần có thông tin này để chồng ghép đúng.
Tìm tọa độ bất động sản như thế nào?
Bạn có thể đọc tọa độ bất động sản gần đúng từ bản đồ trực tuyến hoặc thiết bị tọa độ GPS, nhưng chúng thường chỉ chính xác vài mét và không phải ranh giới pháp lý. Tọa độ góc thửa chính thức, nếu có, lấy từ bản đồ thửa đã đăng ký hoặc người khảo sát có giấy phép. Bài viết về tìm ranh giới thửa đất bằng GPS giải thích giới hạn của các phương pháp phổ thông.
Hệ tọa độ không gian là gì?
Hệ tọa độ không gian là bất kỳ hệ nào định vị đối tượng trong không gian bằng các con số, trên Trái Đất dưới dạng vĩ độ, kinh độ và độ cao, dạng X, Y, Z địa tâm hoặc trên lưới chiếu dạng tọa độ đông, tọa độ bắc và cao độ. Trong trắc địa và GIS, hệ luôn cần hệ quy chiếu để tọa độ từ các nguồn khác nhau khớp đúng.
Hệ quy chiếu tham chiếu độ cao là gì?
Hệ quy chiếu tham chiếu độ cao là bề mặt tính cao độ, thường là mô hình dựa trên geoid gần với mực nước biển trung bình, như NAVD 88 ở Hoa Kỳ. GNSS cho độ cao ellipsoid nên cần mô hình geoid để chuyển đổi. Sử dụng các hệ quy chiếu độ cao khác nhau trong cùng dự án có thể gây sai số hàng đềximét hoặc hơn.
Bạn cần thiết bị cho công việc này?
Cho chúng tôi biết công việc, quốc gia và số lượng. Kỹ sư sẽ phản hồi cấu hình và giá trong một ngày làm việc. Số lượng đặt hàng tối thiểu là một thiết bị; có dịch vụ OEM.
