Hệ tọa độ địa lý là một hệ tọa độ cho phép tất cả mọi điểm trên Trái Đất đều có thể xác định được bằng một tập hợp các số có thể kèm ký hiệu. Các tọa độ thường gồm số biểu diễn vị trí thẳng đứng, và hai hoặc ba số biểu diễn vị trí nằm ngang. Hệ tọa độ phổ biến hiện dùng là hệ hệ tọa độ cầu tương ứng với tâm Trái Đất với các tọa độ là vĩ độ, kinh độ và cao độ.
1. Các hệ tọa độ của bản đồ
1.1. Hệ tọa độ địa lý
Hệ tọa độ địa lý của quả đất được tạo nên bởi mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến gốc.
· Mặt phẳng kinh tuyến là mặt phẳng chứa trục quay của quả đất.
· Mặt phẳng kinh tuyến gốc là mặt phẳng kinh tuyến đi qua đài thiên văn Greenwich (thủ đô Luân Đôn nước Anh).
· Kinh tuyến là giao tuyến giữa mặt phẳng kinh tuyến với bề mặt quả đất, tính từ cực Bắc đến cực Nam. Kinh tuyến gốc là kinh tuyến đi qua đài thiên văn Greenwich (thủ đô Luân Đôn nước Anh).
· Mặt phẳng vĩ tuyến là mặt phẳng vuông góc với trục quay của quả đất.
· Mặt phẳng xích đạo là mặt phẳng vĩ tuyến chứa tâm của quả đất.
· Vĩ tuyến là giao tuyến giữa mặt phẳng vĩ tuyến và bề mặt quả đất.
· Xích đạo là vĩ tuyến chứa tâm của quả đất. Xích đạo có độ dài lớn nhất
· Toạ độ địa lý gồm: Độ kinh λ và độ vĩ φ xác định như sau:
Giả sử có điểm A bất kỳ trên bề mặt trái đất. Nối AO, vẽ kinh tuyến qua A cắt mặt phẳng xích đạo tại A1, vẽ kinh tuyến gốc cắt mặt phẳng xích đạo tại G1. Nối O với G1, A1 góc G1OA1 = λ là kinh độ địa lý của điểm A. Góc AOA1 = φ là vĩ độ địa lý của điểm A
+ Kinh độ địa lý của 1 điểm là góc nhị diện hơn bởi mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó và mặt phẳng chứa kinh tuyến gốc. Những điểm nằm phía bên phải kinh tuyến gốc có kinh độ Đông, những điểm nằm phía bên trái có kinh độ Tây. Kinh độ địa lý biến thiên từ 00đến 1800Đông và 00đến 1800 Tây.
+Vĩ độ địa lý của một điểm là góc hơn bởi đường dây dọi đi qua điểm đó với mặt phẳng xích đạo. Việt Nam hoàn toàn nằm ở phía Bắc bán cầu và phía Đông kinh tuyến gốc nên tất cả các điểm trên nước ta đều có vĩ độ Bắc và kinh độ Đông. Trên bản đồ địa hình mạng lưới kinh tuyến và vĩ tuyến và tọa độ địa lý được biểu thị ở phần góc khung bản đồ. Toạ độ địa lý được xác định bởi phương pháp thiên văn trắc địa nên còn gọi là tọa độ thiên văn.
1.2. Hệ tọa độ vuông góc phẳng
Hệ tọa độ này được xây dựng trên mặt phẳng múi chiếu 60 của phép chiếu hình Gauss, trong đó nhận hình chiếu của kinh tuyến giữa múi làm trục X hình chiếu của xích đạo làm trục Y.
Như vậy nếu tính từ điểm gốc về phía Bắc Y mang dấu dương, về phía Nam mang dấu âm, còn trị số Y về phía đông mang dấu dương, về phía tây mang dấu âm. Bắc bán cầu có X > 0 nhưng Y có thể âm hoặc dương. Khi tính toán để tránh được trị số Y âm người ta quy ước điểm gốc 0 có tọa độ X0 = 0, Y0 =500 km nghĩa là tịnh tiến kinh tuyến giữa múi về phía Tây 500km được hệ tọa độ XIOY gọi là hệ tọa độ thông dụng ví dụ khu vực Hà Nội trong hệ toa độ thông dụng.
Hình 1. Hệ tọa độ phẳng Gauss – Kruger
Để tiện sử dụng, trên bản đồ địa hình người ta kẻ sẵn lưới tọa độ vuông góc Gauss bằng những đường thẳng song song với trục OX và OY tạo thành lưới ô vuông. Chiều dài cạnh của lưới ô vuông có tính đến ảnh hưởng của biến dạng tương ứng với bản đồ.
Ví dụ với bản đồ tỷ lệ 1:10.000, l:25.000 chọn ô vuông ứng với 1 km2 và gọi là lưới tim, cụ thể là với bản đồ 1:10.000 chọn cạnh ô vuông 10 cm, bản đồ tỷ lệ 1:25.000 chọn cạnh ô vuông 4 chỉ còn bản đồ l:50.000 là 2 cm. Phía ngoài khung bản đồ có ghi trị số X và Y của các đường song song. Để phân biệt ngay được tọa độ của điểm nằm ở múi chiếu thứ bao nhiêu và cách điểm gốc 0 bao nhiêu, người ta quy định cách viết hoành độ y có kèm theo số thứ tự của múi chiếu.
Ví dụ: Toạ độ của điểm Láng Trung (Hà nội) là 2.325.464,246; 18.505.973,362 có nghĩa điểm cách xích đạo về phía Bắc 2.325.464,246 m và ở múi thứ 18 về phía đông và cách kinh tuyến giữa là 505.973,362 m. Để tính số kinh độ của kinh tuyến giữa một múi chiếu nào đó ta dùng công thức: (n là số thứ tự của múi chiếu) Lưới khống chế tọa độ mặt phẳng X và Y của Việt nam trong hệ HN – 72 được xây dựng theo hệ tọa độ vuông góc Gauss-kruger, trong đó Elipxoit dùng số liệu của Kravxoski
1.3. Hệ tọa độ vuông góc UTM
Trong phép chiếu hình UTM, hình chiếu của kinh tuyến giữa và xích đạo là hai đường thẳng vuông góc với nhau và được chọn làm trục tọa độ. Đặc điểm của hệ trục tọa độ được mô tả trên hình vẽ (2). Toạ độ UTM của điểm M được xác định bởi tung độ N (North) và hoành độ E (East). Cũng như trong quy định trong phép chiếu hình Gauss trị số EMđược tính từ trục ON cách kinh luyến giữa 500km về phía Tây, nghĩa là EM = E’+ 500km.Trước năm 1975, quân đội Mỹ sử dụng hệ tọa độ UTM với số liệu Elipxoit của Everest để thành lập bản đồ địa hình cho khu vực miền Nam nước ta. Do đó khi sử dụng các bản đồ này để cho thống nhất cần phải tính chuyển tọa độ UTM (E và N) sang hệ tọa độ Gauss- Kruger (X và Y).
2. Các hệ tọa độ được sử dụng ở Việt Nam từ sau 1954
2.1. Hệ tọa độ HN – 72
Từ năm 1959 đến năm 1966, với sự giúp đỡ của các chuyên gia Trung Quốc, chúng ta đã xây dựng được hệ thống lưới tọa độ Nhà nước hạng I và II phủ kín lãnh thổ miền Bắc Việt Nam. hệ quy chiếu được chọn là hệ thống chung cho các nước xã hội chủ nghĩa với Elipxoit Kraxôpsky, có các yếu tố chính:
– Bán trục lớn a = 6.378.425,000 m
– Độ dẹt k = 1:298,3
– Điểm gốc tại Đài Thiên văn Pun Kô vơ (Liên Xô cũ)
– Lưới chiếu tọa độ thẳng Gauss – Kruger.
Hệ tọa độ được truyền tới Việt Nam thông qua lưới tọa độ quốc gia Trung Quốc. Năm 1972 Chính phủ đã quyết định công bố Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ quốc gia nói trên là Hệ Hà Nội – 72 (viết tắt là HN – 72) để sử dụng thống nhất trong cả nước. Sau ngày miền Nam hoàn toàn giải phóng, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước liếp tục phát triển vào phía Nam.
Quá trình xây dựng lưới tọa độ Nhà nước thực hiện trong một thời gian dài, phải đáp ứng kịp thời tọa độ và bản đồ cho nhu cầu sử dụng thực tế nên toàn mạng lưới bị chia cắt thành nhiều khu vực riêng biệt. Hình thức xây dựng lưới rất đa dạng, toàn hệ thống chưa dược xử lý thống nhất.
2.2. Hệ tọa độ VN – 2000
Cho đến nay, HN – 72 không đáp ứng được nhu cầu kỹ thuật mà thực tế đòi hỏi, vì các lý do:
· Hệ quy chiếu quốc gia HN – 72 (thực chất là Hệ quy chiếu chung của các nước xã hội chủ nghĩa trước đây) không phù hợp với lãnh thổ Việt Nam, có độ lệch giữa mô hình vật lý và mô hình toán học của trái đất quá lớn, do đó biến dạng lớn, làm giảm độ chính xác của lưới tọa độ và bản đồ.
· Hiện nay các nước xã hội chủ nghĩa (cũ) cũng đã thay đổi Hệ quy chiếu quốc gia, vì vậy HN – 72 không còn mối liên kết khu vực nào nữa.
· HN – 72 hoàn toàn không tạo điều kiện thuận lợi để phát triển hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), hệ thống đã được phổ biến trên toàn thế giới và ở Việt Nam. HN – 72 làm suy giảm độ chính xác định vị và tạo một quy trình công nghệ khá phức tạp khi xử lý toán học các trị đo GPS.
· HN – 72 gây khó khăn trong việc liên kết tư liệu với quốc tế nhằm giải quyết các vấn đề quan trọng như hoạch định biên giới, dẫn đường hàng không, hàng hải, v.v… HN – 72 hiện nay bị chia cắt thành nhiều khu vực nhỏ, thiếu tính thống nhất trên toàn lãnh thổ.
Vì vậy, thực tế đòi hỏi phải có một hệ quy chiếu phù hợp hơn thống nhất trên toàn quốc Các nhà khoa học ngành Đo đạc – Bản đồ đã nghiên cứu, thực hiện công trình nói trên, Thủ tướng Chính phủ đã quyết định Quyết định số 83/2.000/QĐ-TTG ngày 12 tháng 7 năm 2.000 đưa Hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia VN – 2.000 vào sử dụng thống nhất trên toàn quốc. VN – 2.000 có các yếu tố chính sau:
1 – Elipxoil quy chiếu: WGS toàn cần có kích thước:
Bán trục lớn a = 6.378.137,000m
Độ dẹt α = 298,257223563
2 – Điểm gốc tọa độ quốc gia: Điểm này đặt trong khuôn viên Viện Nghiên cứu
địa chính, đường Hoàng Quốc Việt, Hà Nội.
3 – Lưới chiếu tọa độ phẳng: Lưới chiếu UTM quốc tế
4 – Chia múi và phân mảnh hệ thống bản đồ cơ bản: theo hệ thống UTM quốc
tế, danh pháp tờ bản đồ theo hệ thống hiện hành có chú thích danh pháp quốc tế.
2.3. Tính chuyển tọa độ từ hệ HN – 72 sang VN – 2000
Hệ tọa độ quốc gia VN – 2000 được áp dụng thống nhất để xây dựng hệ thống tọa độ các cấp hạng, hệ thống bản đồ địa hình cơ bản, bản đồ nền, hệ thống bản đồ địa chính, bản đồ hành chính quốc gia và các loại bản đồ chuyên đề khác. Chính vì vậy khi đo vẽ bản đồ chúng ta phái tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ HN – 72 sang hệ tọa độ VN – 2000.
Tổng cục Địa chính đã có Thông tư số 973/2001/TT-TCĐC ngày 20 tháng 6 năm 2001 hướng dẫn áp dụng hệ quy chiếu và hệ tọa độ Quốc gia VN – 2000 quyết định chuyển đổi các hệ tọa độ trước đây theo hệ tọa độ VN – 2 000. Trong cùng một hệ quy chiếu, tọa độ phẳng của lưới chiếu UTM được tính thông qua loa độ phẳng của lưới chiếu Gauss thông qua công thức sau đây:
Trong đó:
K0 = 0,9996 cho múi 60; k0 = 0,9999 cho múi 30, XUTM’, YUTM là tọa độ phẳng của lưới chiếu UTM XG, YG là tọa độ phẳng của lưới chiếu Gauss γUTM, γG là góc lệch kinh tuyến tương ứng của lưới chiếu UTM và lưới chiếu Gauss. mUTM, mG là tỷ lệ biến dạng chiều dài tương ứng của lưới chiếu UTM và lưới chiếu Gauss.
Công thức tính các yếu tố XG, YG. γG, γG’của lưới chiếu Gauss đã được hướng dẫn chi tiết trong quá trình tính toán hiện hành, khi áp dụng tính cần phải thay đổi kích thước elipxoit trái đất Kraxôpski bằng kích thước Elipxoit WGS-84.
Để nhận biết vị trí điểm tọa độ thuộc múi nào, trước giá trị tọa độ yUTMđược ghi thêm số hiệu múi theo bảng (3.1):
Bảng 1 : Kinh tuyên trục của một số múi
Ví dụ: – Toạ độ y của điểm thuộc múi 48 múi 60là 48.523.456,123 m.
– Toạ độ y của điểm thuộc múi 481 múi 30 là 481.645.456,321 m.
