Bản đồ hiện đại ra đời qua bốn bước lớn. Đo tam giác từ thế kỷ 17 cho phép dựng khung toạ độ chính xác cho cả một quốc gia; ảnh chụp từ trên không đầu thế kỷ 20 tăng tốc việc vẽ chi tiết; ảnh vệ tinh, đánh dấu bằng vệ tinh Landsat đầu tiên năm 1972, cho cái nhìn đều đặn về toàn bộ Trái Đất; và bản đồ số cùng hệ thông tin địa lý biến bản đồ từ tờ giấy thành cơ sở dữ liệu cập nhật liên tục.
Mỗi bước không xoá bước trước. Bản đồ trên điện thoại hôm nay vẫn đứng trên khung trắc địa có gốc từ những phép đo tam giác, vẫn dùng ảnh hàng không cho chi tiết đô thị, và vẫn cần người kiểm tra thực địa. Hiểu các lớp này giúp bạn biết bản đồ đáng tin ở đâu và có thể sai ở đâu.
Bài này đi theo dòng thời gian, kể những công trình đo vẽ tiêu biểu, giải thích nguyên lý của từng công nghệ, kèm bảng so sánh các thời kỳ và các giới hạn mà bản đồ số vẫn còn.
Đo tam giác: dựng khung cho cả một quốc gia
Muốn vẽ bản đồ chính xác cho một vùng rộng, không thể đo từng khoảng cách bằng thước dây. Lời giải là phép đo tam giác: đo thật chính xác chiều dài một đoạn thẳng gọi là đường đáy, rồi từ hai đầu đường đáy đo góc tới một điểm mốc xa, chẳng hạn một đỉnh đồi hay tháp cao. Biết một cạnh và hai góc, lượng giác cho ra hai cạnh còn lại. Mỗi cạnh mới lại làm đường đáy cho tam giác tiếp theo, tạo thành chuỗi phủ khắp lãnh thổ.
Ưu điểm của phương pháp là đo góc dễ và chính xác hơn đo khoảng cách dài trên địa hình gồ ghề. Nhà toán học người Hà Lan Willebrord Snellius thường được ghi nhận là người áp dụng có hệ thống phép đo tam giác để đo một cung kinh tuyến ở Hà Lan vào đầu thế kỷ 17. Sai số tích luỹ qua chuỗi tam giác được kiểm tra bằng cách đo thêm một đường đáy ở cuối chuỗi và so với giá trị tính ra.
Ở Pháp, bốn thế hệ gia đình Cassini dẫn dắt một công trình đo tam giác toàn quốc trong thế kỷ 18, dẫn tới bộ bản đồ nước Pháp thường gọi là bản đồ Cassini, hoàn thành vào cuối thế kỷ đó. Đây thường được coi là bộ bản đồ quốc gia đầu tiên dựng trên một mạng lưới trắc địa thống nhất. Từ đó, nhiều nước lập cơ quan đo đạc bản đồ nhà nước, coi bản đồ chính xác là hạ tầng không kém đường sá.
Cuộc Đo đạc Tam giác Lớn ở Ấn Độ và chuyện ngọn núi cao nhất
Một trong những công trình đo đạc lớn nhất thế kỷ 19 là Cuộc Đo đạc Tam giác Lớn ở tiểu lục địa Ấn Độ, bắt đầu năm 1802 dưới sự chỉ đạo ban đầu của William Lambton rồi George Everest. Các đội đo kéo một chuỗi tam giác dài hàng nghìn km theo hướng bắc – nam, mang theo những máy kinh vĩ khổng lồ nặng hàng trăm kg, vượt rừng rậm, đồng bằng ngập nước, nóng bức và bệnh tật.
Khi chuỗi tam giác chạm tới chân dãy Himalaya, các nhà đo đạc tính độ cao của những đỉnh núi xa bằng góc ngẩng từ nhiều trạm khác nhau. Giữa thế kỷ 19, các phép tính cho thấy một đỉnh được ký hiệu là "Đỉnh XV" cao hơn mọi đỉnh đã biết. Năm 1865, đỉnh này được đặt tên theo George Everest, dù ông không trực tiếp đo nó và người dân địa phương đã có tên gọi riêng từ lâu. Phép tính độ cao phải hiệu chỉnh khúc xạ khí quyển và độ lệch dây dọi do khối núi khổng lồ hút.
Câu chuyện thường kể bằng tên các trưởng đoàn người Anh, nhưng công trình dựa vào hàng nghìn người lao động, người khuân vác, người dẫn đường và những nhà toán học, nhà đo đạc người Ấn Độ thực hiện phần lớn tính toán và đo vẽ thực địa. Một số người trong họ được huấn luyện để đi đo những vùng núi xa xôi phía bắc bằng cách đếm bước chân, ghi chép bí mật, đóng góp lớn vào bản đồ vùng cao nguyên Trung Á.
Ảnh hàng không và phép đo ảnh
Năm 1858, nhiếp ảnh gia người Pháp Nadar chụp những bức ảnh đầu tiên từ khinh khí cầu trên vùng Paris. Từ ý tưởng đó tới bản đồ còn một khoảng xa, vì ảnh chụp từ trên cao bị méo do độ nghiêng máy ảnh và do địa hình cao thấp. Thế chiến thứ nhất đẩy nhanh kỹ thuật chụp ảnh từ máy bay để trinh sát, và sau chiến tranh, kỹ thuật này được chuyển sang đo vẽ dân sự.
Nền tảng kỹ thuật là phép đo ảnh. Máy bay bay theo những tuyến song song, chụp ảnh liên tiếp sao cho hai ảnh kề nhau chồng lên nhau khoảng một nửa. Nhìn hai ảnh chồng nhau qua kính lập thể, mắt người thấy địa hình nổi khối như nhìn bằng hai mắt thật. Các máy vẽ chuyên dụng cho phép người vận hành dò theo một độ cao không đổi trên khối nổi đó, vẽ ra đường đồng mức mà không cần leo từng sườn núi.
Ảnh hàng không làm thời gian lập bản đồ địa hình rút ngắn hẳn. Phép đo tam giác vẫn cần để có các điểm khống chế mặt đất làm mốc, nhưng phần lớn chi tiết như đường sá, nhà cửa, rừng, sông được vẽ từ ảnh. Đến nay, ảnh chụp từ máy bay và thiết bị bay không người lái vẫn là nguồn chính cho bản đồ đô thị chi tiết, vì độ phân giải cao hơn ảnh vệ tinh và chủ động được thời điểm chụp.
Ảnh vệ tinh và viễn thám: nhìn toàn bộ Trái Đất đều đặn
Tháng 7 năm 1972, Hoa Kỳ phóng vệ tinh đầu tiên của chương trình mà nay gọi là Landsat, mở đầu chuỗi ảnh vệ tinh dân sự quan sát bề mặt Trái Đất liên tục. Điểm mạnh của vệ tinh không chỉ là nhìn từ cao, mà là nhìn đều đặn: cùng một vùng được chụp lại sau mỗi chu kỳ vài ngày đến vài tuần, cho phép so sánh qua nhiều năm, thấy rừng bị chặt, đô thị lan rộng, sông đổi dòng, bờ biển bồi lở.
Vệ tinh viễn thám không chỉ chụp ánh sáng nhìn thấy. Cảm biến ghi nhiều dải phổ, trong đó dải cận hồng ngoại đặc biệt hữu ích vì thực vật khoẻ phản xạ rất mạnh ở dải này. Ghép các dải phổ lại, người phân tích phân biệt được lúa với rừng, nước trong với nước đục, đất khô với đất ẩm. Vệ tinh radar còn nhìn xuyên mây, rất quý cho các vùng nhiệt đới nhiều mây như Việt Nam vào mùa mưa.
Năm 2000, một sứ mệnh tàu con thoi dùng radar đo độ cao bề mặt cho phần lớn đất liền giữa khoảng vĩ độ 60 bắc và 56 nam, tạo ra mô hình độ cao số gần như toàn cầu. Việt Nam cũng có vệ tinh quan sát Trái Đất riêng, VNREDSat-1 phóng năm 2013. Ngày nay, các chương trình vệ tinh mở dữ liệu miễn phí cho phép một sinh viên tự tải ảnh về theo dõi biến động đất đai ở quê mình, điều mà vài chục năm trước chỉ cơ quan nhà nước mới làm được.
GIS và bản đồ số: từ tờ giấy thành cơ sở dữ liệu
Bản đồ giấy là một sản phẩm đóng băng: in xong là bắt đầu cũ. Hệ thông tin địa lý, viết tắt GIS, đổi cách nghĩ: mỗi đối tượng trên bản đồ là một bản ghi có toạ độ và thuộc tính, lưu trong cơ sở dữ liệu, xếp thành các lớp chồng lên nhau như lớp đường, lớp sông, lớp ranh giới, lớp dân số. Người dùng có thể bật tắt lớp, truy vấn, phân tích, rồi in ra bản đồ mới bất cứ lúc nào.
Hệ thống thường được nhắc là GIS đầu tiên được xây dựng ở Canada trong thập niên 1960 để kiểm kê đất đai, với Roger Tomlinson là người dẫn dắt và thường được gọi là cha đẻ của GIS. Từ thập niên 1980, máy tính cá nhân đưa GIS tới các cơ quan quy hoạch, môi trường, nông nghiệp. Khi định vị vệ tinh phổ biến, việc thu toạ độ ngoài thực địa trở nên nhanh và rẻ, lấp đầy cơ sở dữ liệu với tốc độ chưa từng có.
Giữa thập niên 2000, bản đồ số đến tay người dùng phổ thông. Năm 2004, dự án OpenStreetMap ra đời ở Anh với ý tưởng để cộng đồng tình nguyện tự vẽ bản đồ mở cho cả thế giới. Năm 2005, các dịch vụ bản đồ và quả địa cầu ảo trên trình duyệt của những công ty công nghệ lớn ra mắt, đưa ảnh vệ tinh vào máy tính của hàng trăm triệu người. Sau trận động đất ở Haiti năm 2010, các tình nguyện viên khắp thế giới vẽ bản đồ đường sá, nhà cửa vùng thảm hoạ từ ảnh vệ tinh chỉ trong vài ngày, phục vụ cứu trợ, cho thấy sức mạnh của bản đồ cộng đồng.
Bốn thời kỳ đo vẽ bản đồ: so sánh nhanh
Bảng tóm tắt công nghệ chủ đạo, thứ được đo, thời gian cần và giới hạn của từng thời kỳ.
| Thời kỳ | Công nghệ chủ đạo | Điểm mạnh | Giới hạn |
|---|---|---|---|
| Thế kỷ 17–19 | Đo tam giác, máy kinh vĩ, thước đo đường đáy | Khung toạ độ chính xác cho cả quốc gia | Rất chậm, tốn người, chi tiết phải vẽ tay ngoài thực địa |
| Đầu đến giữa thế kỷ 20 | Ảnh hàng không, phép đo ảnh lập thể | Vẽ chi tiết nhanh, có đường đồng mức từ ảnh | Phụ thuộc thời tiết, chi phí bay chụp |
| Từ năm 1972 | Ảnh vệ tinh, viễn thám đa phổ, radar | Phủ toàn cầu, lặp lại đều đặn, thấy biến động | Độ phân giải giới hạn, mây che, cần xử lý chuyên môn |
| Từ thập niên 1960 đến nay | GIS, định vị vệ tinh, bản đồ số, bản đồ cộng đồng | Cập nhật liên tục, truy vấn và phân tích được | Chất lượng không đồng đều, phụ thuộc người nhập, vấn đề riêng tư |
Đọc bảng theo chiều dọc sẽ thấy xu hướng: bản đồ ngày càng nhanh, rẻ, phủ rộng và cập nhật thường xuyên hơn. Đọc theo chiều ngang sẽ thấy mỗi công nghệ để lại một lớp nền mà công nghệ sau vẫn dựa vào, chứ không thay thế hoàn toàn.
Bản đồ số vẫn có thể sai ở đâu
Dữ liệu cũ nằm dưới lớp mới. Một vùng có ảnh vệ tinh mới chưa chắc có dữ liệu đường sá mới. Ngõ mới mở, cầu mới xây có thể chưa có trên bản đồ, nhất là ở vùng nông thôn, miền núi.
Toạ độ lệch hệ. Các hệ toạ độ khác nhau, như hệ quốc gia VN-2000 và hệ toàn cầu WGS-84, có thể lệch nhau đáng kể nếu chuyển đổi sai. Chồng hai lớp dữ liệu lệch hệ sẽ ra nhà nằm giữa sông.
Khái quát hoá theo tỉ lệ. Ở mức thu nhỏ, bản đồ bỏ bớt và làm trơn chi tiết. Một con sông uốn lượn có thể bị vẽ thẳng hơn, một hòn đảo nhỏ có thể biến mất, chỉ vì không đủ chỗ hiển thị.
Chỉ dẫn đường không phải lúc nào cũng an toàn. Thuật toán chọn đường ngắn nhất có thể dẫn qua đường mòn, đường ngập hay đèo xấu mà dữ liệu chưa ghi. Ở vùng lạ, nên đối chiếu với biển báo và người địa phương.
Bản đồ nào cũng có lựa chọn của người làm. Điều gì được vẽ, đặt tên ra sao, hiện ở mức thu phóng nào đều là quyết định biên tập. Bản đồ số tạo cảm giác khách quan tuyệt đối, nhưng nó vẫn là sản phẩm của con người, giống mọi tấm bản đồ trước nó.
Câu hỏi thường gặp
Ảnh vệ tinh trên bản đồ trực tuyến có phải ảnh chụp trực tiếp không?
Không. Đó là ảnh ghép từ nhiều lần chụp, có thể cách nhau vài tháng tới vài năm, đã được nắn chỉnh và loại mây. Ở đô thị, nhiều lớp ảnh thật ra chụp từ máy bay. Vì vậy ảnh có thể không phản ánh tình trạng hôm nay.
Viễn thám khác ảnh vệ tinh thông thường thế nào?
Viễn thám là ngành thu và phân tích thông tin về bề mặt Trái Đất từ xa, gồm cả các dải phổ mắt người không thấy như hồng ngoại, cùng radar. Ảnh màu tự nhiên chỉ là một phần nhỏ; phần lớn giá trị nằm ở phân tích nhiều dải phổ qua nhiều thời điểm.
GIS dùng để làm gì trong đời sống?
GIS được dùng trong quy hoạch đô thị, quản lý đất đai, theo dõi rừng, dự báo ngập lụt, chọn vị trí trường học, trạm y tế, tối ưu tuyến giao hàng. Bất cứ câu hỏi nào có chữ "ở đâu" đều có thể dùng GIS để trả lời.
Đo tam giác ngày nay còn dùng không?
Mạng lưới tam giác truyền thống phần lớn đã được thay bằng định vị vệ tinh và các trạm tham chiếu cố định. Tuy vậy, nguyên lý đo góc và cạnh vẫn có mặt trong máy toàn đạc điện tử dùng ở công trường, và các mốc trắc địa cũ vẫn được bảo vệ, đối chiếu.
Tự mình góp sức vẽ bản đồ được không?
Được. Các dự án bản đồ mở cho phép bất kỳ ai đăng ký và bổ sung đường, công trình, tên địa điểm theo quy tắc của cộng đồng. Cần ghi đúng những gì mình biết chắc, không chép từ bản đồ có bản quyền, và tôn trọng quyền riêng tư của người khác.
Vì sao bản đồ trên điện thoại đôi khi đặt mình lệch vài chục mét?
Tín hiệu định vị bị nhà cao tầng, mái che, cây cối phản xạ hoặc chặn, khiến vị trí tính ra lệch. Trong nhà, điện thoại phải dựa vào sóng di động và mạng không dây nên sai số còn lớn hơn. Ra chỗ thoáng và chờ một lúc thường cho vị trí chính xác hơn.
