BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ -*** - BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA H ỌC CẤP BỘ NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐỘ CAO CHUẨN THỐNG NHẤT CHO CẢ LÃNH THỔ VÀ LÃNH HẢI VIỆT NAM TRÊN CƠ SỞ KHÔNG SỬ DỤNG MẶT NƯỚC BIỂN TRUNG BÌNH Chủ nhiệm đề tài GS.TSKH Phạm Hồng Lân 7988 Hà nội, 12 – 2009 TÓM TẮT Đề tài định hướng vào việc nghiên cứu triển khai phương pháp đo cao GPS sở xác định độ cao trắc địa cơng nghệ GPS khoảng cách dài xác cao xác định dị thường độ cao theo phương pháp collocation bình phương nhỏ thuật tốn “loại ra- hồn trả” (“removerestore”) thơng qua số liệu trọng lực mặt đất, mơ hình trọng trường địa hình Trên sở phân tích chất độ cao chuẩn phương pháp xác định đề tài nhấn mạnh nhược điểm cách giải truyền thống ưu cách giải Sau hệ thống lại tình hình triển khai kết nhận cho hệ thống độ cao chuẩn hành nước ta theo phương pháp truyền thống, đề tài phân tích, đánh giá kết xác định độ cao trắc địa cho điểm xét chọn trước lãnh thổ nước ta công nghệ GPS xác cao khoảng cách dài Đã cho thấy độ xác cao kết đo đạc thực nghiệm Tiếp đề tài tập trung phân tích để lựa chọn phương pháp collocation bình phương nhỏ cho việc trực tiếp xác định dị thường độ cao theo số liẹu trọng lực, mơ hình trọng trường địa hình với thuật tốn “loại – hồn trả” Kết nhận giá trị độ cao chuẩn tính theo mặt khởi tính quasigeoid tồn cầu với độ xác 0,2 – 0,3 m cho điểm xét cụ thể lãnh thổ nước ta với tư cách điểm gốc độc lập sở độ cao chuẩn thống cho lãnh thổ lãnh hải nước ta Kết thu nhận khẳng định tính khả thi việc khơng dùng đến mặt biển trung bình làm mặt khởi tính độ cao vốn sử dụng phương pháp truyền thống Cuối đề tài đề xuất phương án thiết lập hệ thống độ cao chuẩn trình chuyển đổi độ cao tương ứng MỤC LỤC TÓM TẮT MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I ĐỘ CAO CHUẨN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 1.1 Các hệ thống độ cao trắc địa 1.1.1 Độ cao 1.1.2 Độ cao chuẩn (hay độ cao bình thường) 1.1.3 Độ cao trắc địa 1.2 Bản chất ưu độ cao chuẩn 1.2.1 Bản chất độ cao chuẩn 1.2.2 Các ưu độ cao chuẩn 11 1.3 Các phương pháp xác định độ cao chuẩn 11 1.3.1 Phương pháp dựa công nghệ truyền thống 11 1.3.2 Phương pháp dựa công nghệ định vị vệ tinh 12 CHƯƠNG II XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO CHUẨN THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG 14 2.1 Mạng lưới độ cao hạng I, hạng II Nhà nước 14 2.1.1 Sơ lược mạng lưới độ cao hạng I, II trước năm 2001 14 2.1.2 Hoàn thiện lưới độ cao nhà nước hạng I, II 17 2.2 Các số hiệu chỉnh ảnh hưởng trọng trường 26 2.3 Xử lí tốn học mạng lưới độ cao hạng I, hạng II Nhà nước 27 2.3.1 Tính khái lược 27 2.3.2 Tính tốn bình sai lưới độ cao quốc gia 30 2.4 Nhận xét, đánh giá 31 CHƯƠNG THIẾT LẬP CƠ SỞ ĐỘ CAO CHUẨN THEO SỐ LIỆU GPS VÀ SỐ LIỆU TRỌNG LỰC TRÊN DẢI VEN BỜ VÀ MỘT VÀI ĐẢO Ở VIỆT NAM 33 3.1 Nguyên lý đo cao GPS phương án triển khai 33 3.1.1 Nguyên lý đo cao GPS 33 3.1.2 Các phương án triển khai 33 3.2 Xác định độ cao trắc địa theo số liệu đo GPS xác cao 35 3.2.1 Đo GPS xác cao 35 3.2.2 Thực xử lí số liệu phần mềm Bernese 5.0 36 3.3 Xác định dị thường độ cao theo số liệu trọng lực 48 3.3.1 Cơ sở lí thuyết 48 3.3.2 Các bước tính tốn 54 CHƯƠNG PHƯƠNG ÁN THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐỘ CAO MỚI VÀ QUY TRÌNH CHUYỂN ĐỔI ĐỘ CAO 76 4.1 Phương án thiết lập hệ thống độ cao 76 4.2 Quy trình chuyển đổi độ cao 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Các phụ lục Phụ lục Quy trình xử lts số liệu đo GPS xác cao tại: Bạch long vĩ, Đồ sơn, Quảng nam, Vũng tàu, Côn đảo Phụ lục Giá trị hiệp phương sai dị thường trọng lực phần dư Phụ lục Sai số nội suy dị thường trọng lực chân khơng Phụ lục Mơ hình trọng trường EIGEN-5C Phụ lục Mặt địa hình tham khảo Phụ lục Dị thường trọng lực phần dư Phụ lục Chương trình xác định tham số hàm hiệp phương sai giải tích Phụ lục Chương trình xử lý theo phương pháp collocation bình phương nhỏ MỞ ĐẦU Vị trí khơng gian điểm xét đặc trưng yếu tố toạ độ Ở mặt đất khoảng khơng bên ngồi bao quanh Trái đất yếu tố toạ độ thứ ba gắn chặt với trường sức hút Trái đất có tên gọi đầy đủ xác trường trọng lực hay trọng trường Nó thường đề cập đến với khái niệm độ cao tính theo phương hướng phía tâm quán tính Trái đất theo chiều ngược lại, kể từ bề mặt khởi tính có liên quan mức hay mức khác với mặt đẳng trọng trường Trái đất Tuỳ thuộc vào mặt khởi tính, phương tính xác định, người ta có hệ thống độ cao cụ thể khác Bên cạnh hệ thống độ cao đề xuất từ lâu có liên quan tới lí thuyết Stokes nghiên cứu xác định hình dạng Trái đất đặc trưng geoid có nhược điểm xác định chặt chẽ, xuất hệ thống độ cao xây dựng sở lí thuyết hồn chỉnh Molodenski bề mặt thực trọng trường bên Trái đất Tương ứng, hệ thống độ cao với tên gọi độ cao chuẩn có nhiều ưu điểm so với hệ thống độ cao sử dụng ngày rộng rãi nhiều quốc gia giới Trước đây, độ cao chuẩn xây dựng sở đo thuỷ chuẩn truyền thống kết hợp với đo trọng lực dọc tuyến đo cao có độ xác cao phương pháp đo cao biết đến Tuy vậy, dạng đo đạc tốn nhiều công sức phát huy hiệu vùng địa hình phức tạp đồi núi, sình lầy hồn tồn khơng khả thi gặp mặt nước bao phủ sông rộng, biển Cùng với đời hệ thống định vị vệ tinh, vấn đề xác định độ cao chuẩn có hướng giải cho phép khắc phục hạn chế nhược điểm phương pháp truyền thống Phương pháp có tên đo cao GPS Phương pháp đo cao GPS triển khai nhanh chóng cơng tác đo đạc nhiều nước có Việt nam Ngoài việc cho phép truyền độ cao xa, vượt qua bề mặt địa hình phức tạp đạt độ xác ngày cao tiệm cận tới thuỷ chuẩn xác hạng III, hạng II hạng I, đo cao GPS mở khả không cần sử dụng mặt biển trung bình làm mặt khởi tính vốn khơng thống cho khu vực khác giới lại thay đổi theo thời gian biến đổi khí hậu tồn cầu Để kịp thời tiếp cận triển khai tiến kĩ thuật lĩnh vực đo đạc định vị nói chung xác định độ cao nói riêng sở cơng nghệ vệ tinh lí thuyết trọng trường Trái đất, đề xuất Bộ tài nguyên môi trường cho phép triển khai đề tài NCKH với tiêu đề: “Nghiên cứu thiết lập hệ thống độ cao chuẩn thống cho lãnh thổ lãnh hải Việt nam sở không sử dụng mặt nước biển trung bình” Dưới mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ cụ thể giải trình thực đề tài nói Mục tiêu đề tài Trên sở phân tích chất, khả xây dựng hệ thống độ cao chuẩn tập trung nghiên cứu triển khai lí thuyết đo cao GPS thơng qua việc sử dụng kết xác định độ cao trắc địa xác cao GPS xác định trực tiếp dị thường trọng lực theo số liệu trọng lực, mô hình trọng trường địa hình, thiết lập sở độ cao chuẩn dải ven bờ vài đảo lớn phục vụ cho mục đích thống hệ thống độ cao lãnh thổ lãnh hải nước ta khơng dùng đến mặt biển trung bình Nhiệm vụ cụ thể cần giải 2.1 Phân tích đánh giá chất độ cao chuẩn phương pháp xác định để lựa chọn cách giải 2.2 Phân tích đánh giá thực trạng, kết xác định độ cao chuẩn theo phương pháp truyền thống nước ta 2.3 Triển khai lí thuyết đo cao GPS sở xác định độ cao trắc dịa GPS xác cao xác định trực tiếp dị thường độ cao trọng lực phương pháp collocation bình phương nhỏ với thuật tốn “loại – hồn trả” (“remove- restore”); Xử lí số liệu trọng lực, mơ hình trọng trường địa hình để nhận độ cao chuẩn cho điểm dải ven bờ vài đảo nước ta 2.4 Đề xuất phương án thiết lập hệ thống độ cao quy trình chuyển đổi độ cao Các nhiệm vụ cụ thể nêu kết giải trình bày chương Báo cáo tổng kết giới thiệu mục lục Trong trình nghiên cứu, triển khai đề tài, nhận quan tâm động viên đạo đồng chí lãnh đạo phận chức Bộ tài nguyên môi trường, Vụ khoa học kĩ thuật, Viện khoa học đo đạc đồ, Cục đo đạc đồ, Trung tâm viễn thám nhiều bạn đồng nghiệp thuộc Bộ tài nguyên môi trường Khoa Trắc địa trường Đại học Mỏ-Địa chất Chúng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành CHƯƠNG I ĐỘ CAO CHUẨN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 1.1 Các hệ thống độ cao c bn trc a Độ cao ba thành phần toạ độ xác định vị trí điểm xét Tuỳ thuộc vào bề mặt khởi tính đợc chọn, có hệ thống độ cao khác Các hệ thống độ cao đà ®ỵc sư dơng réng r·i thùc tÕ thêng cã bề mặt khởi tính gần với mực nớc biển trung bình Trái đất Đó mặt geoid hệ thống độ cao hay mặt quasigeoid hệ thống độ cao chuẩn Thành phần chủ yếu hai loại độ cao độ cao đo đựơc- tổng chênh cao nhận đợc trạm máy theo phơng pháp đo cao hình học (đo cao thuỷ chuẩn) từ điểm gốc độ cao mặt biển đến điểm xét Bằng cách tính thêm vào độ cao đo đc số hiệu chỉnh tơng ứng ta sÏ cã ®é cao chÝnh, ®é cao chuÈn hay ®é cao động học Ngoại trừ độ cao động học thích ứng chủ yếu cho mục đích thuỷ văn, độ cao độ cao chuẩn đợc sử dụng rộng rÃi công tác trắc địa-bản đồ nói riêng vµ cho nhiỊu ngµnh khoa häc-kü tht nãi chung HƯ thống độ cao chuẩn đợc biết đến cách không lâu, từ khoảng kỷ trứơc, có u điểm chặt chẽ mặt lý thuyết, đơn giản mặt tính toán Trên thực tế số hiệu chỉnh phân biệt độ cao chính, độ cao chuẩn độ cao đo đạc thờng nhỏ đến mức bỏ qua nhiều trờng hợp không đòi hỏi độ xác cao Chính phần tiếp theo, trừ trờng hợp cần phân biệt rạch ròi, gọi chung ba loại độ cao độ cao thủy chuẩn để nhấn mạnh nguồn gốc xuất xứ chúng đợc rút từ kết đo cao thuỷ chuẩn 1.1.1 cao Độ cao điểm mặt đất khoảng cách tính theo đường sức từ điểm tới mặt geoid Nó ký hiệu hg xác định theo biểu thức: B gdh W0 − WB ∫ h = =0 B , B gm gm g B (1.1.1) B dh chênh cao thuỷ chuẩn, g giá trị trọng lực trạm máy; g m giá trị trọng lực trung bình đoạn đường sức điểm xét B mặt geoid; W0 giá trị trọng trường mặt geoid, WB giá trị trọng trường mặt đẳng qua điểm xét Vì hiệu số trọng trường thực điểm B so với mặt geoid đại lượng không phụ thuộc vào tuyến truyền độ cao, độ cao điểm xác định không phụ thuộc vào tuyến đo cao, có nghĩa đại lượng đơn trị Tuy độ cao điểm khác mặt đẳng lại khơng nhau, ch úng có hiệu trọng trường so với geoid, giá trị g m ứng với chúng lại khác Tính g m vấn đề phiền phức thực cách chặt chẽ, xác, ta khơng biết biết xác mật độ phân bố vật chất lớp mặt đất geoid qui luật thay đổi giá trị trọng lực theo độ cao lớp Độ cao khơng thể xem hệ thống độ cao chặt chẽ hoàn chỉnh mặt lý thuyết Song, đơn giản trực quan mặt nhận biết, nên sử dụng rộng rãi từ lâu nhiều quốc gia, kể số nước 1.1.2 Độ cao chuẩn (hay độ cao bình thường) Hệ thống độ cao xây dựng với lý thuyết hoàn chỉnh chặt chẽ Molođenski nghiên cứu xác định bề mặt thực trọng trường bên Trái đất Như ta biết, độ cao bình thường ký γ hiệu hB xác định theo công thức: B γ hB = ∫ gdh B γm , (1.1.2) B γ m giá trị trọng lực chuẩn trung bình ứng với điểm B, tính cách đơn giản xác.Ta xem xét kỹ phía Cũng độ cao chính, độ cao chuẩn điểm cho trước đại lượng đơn trị, không phụ thuộc vào tuyến truyền độ cao Mặc dù độ cao chuẩn điểm khác mặt đẳng nói chung khơng nhau, thay đổi theo độ vĩ Hiện độ cao chu ẩn sử dụng thay độ cao việc xây dựng hệ thống độ cao quốc gia nhiều nước giới 1.1.3 Độ cao trắc địa Độ cao trắc địa điểm đoạn pháp tuyến với ellipsoid tính từ mặt tới điểm xét Mặt ellipsoid ellipsoid thực dụng, ellipsoid chuẩn (ellipsoid trọng lực) hay ellipsoid chung Trái đất Độ cao trắc địa điểm xét M ký hiệu HM 1.2 Bản chất ưu độ cao chuẩn 1.2.1 Bản chất độ cao chuẩn Mét vấn đề việc thiết lập hệ thống độ cao chọn mặt khởi tính Từ trớc đến mặt khởi tính độ cao thờng đợc gắn mức độ hay mức độ khác với mặt đẳng trọng trờng Trái Đất Điều dễ hiểu, trọng trờng, kích thớc hình dạng Trái Đất có liên quan mật thiết với Các mặt đẳng tồn khách quan đặc trng trọng trờng Trái Đất ta nhận biết trực quan Đó mặt nớc yên tĩnh không bị nhiễu (bởi nguyên nhân khác tác dụng trọng lực) sông, hồ, biển, đại dơng.Trên phạm vi toàn cầu ngời ta đà đa khái niệm mặt geoid coi nú mặt khởi tính cho hệ thống độ cao đợc đề xuất từ kỷ 19 có tên độ cao [8] Song, không đơn giản dễ dàng vị trí xác mặt geoid khu vực cụ thể khác bề mặt Trái Đất ; nữa, mặt lại uốn nếp phức tạp có dạng phình dần từ hai cực phía xích đạo Trái Đất Vì thế, thực tế sử dụng mặt geoid làm mặt khởi tính chung cho độ cao điểm xét Ngời ta đà phải chấp nhận mực nớc biển trung bình vùng biển cụ thể làm mốc khởi tính độ cao cho quốc gia, nhóm quốc gia hay cho lục địa Do mực nớc biển trung bình khu vực khác không trùng nhau, nên giá trị độ cao điểm xét đợc tính theo hệ thống độ cao quốc gia khác chênh khác Bài toán trực tiếp hoà nhập hệ thống độ cao quốc gia nói riêng hay hoà nhập hệ thống độ cao với điểm gốc khác nói chung vấn đề lời giải Khi đó, đạt tới mục đích hoà nhập hệ thống chung cách đo nối hệ thống riêng biệt với sử dụng điểm gốc chung Nhng trờng hợp nẩy sinh nhiều vấn đề bất cập, chẳng hạn, liên kết mạng lới độ cao bị phân cách biển đại dơng Giá trị độ cao tính theo hệ thống chung chênh khác nhiều so với giá trị độ cao tơng ứng tính theo mực nớc biển trung bình địa phơng, tức giá trị độ cao không thích ứng với vị trí thực tế khách quan mặt đẳng thể trọng trờng điểm xét cụ thể Ngay nớc ta, giá trị độ cao tính theo mực nớc biển trung bình Mũi Nai (Hà tiên) nhỏ giá trị độ cao tơng ứng tính theo mực nớc biển trung bình Hòn Dấu (Đồ sơn) cỡ 0,16 m Chính điều đa đến không bất tiện cho tỉnh ven biển miền Nam sử dụng đồ địa hình với hệ thống độ cao nhà nớc Về mặt lý thuyết M.S Molodenski nhà bác học Xô viết khác [9] đà khảo sát chứng minh xác định mặt geoid cách chặt chẽ xác V.F Eremeev đà thân độ cao lấy geoid làm mặt khởi tính đợc tính cách chặt chẽ xác, phải dùng đến giả thuyết khác cấu tạo bên Trái Đất.Để thoát khỏi trở ngại khắc phục việc sư dơng geoid, M.S Molodenski ®· ®Ị xt ý t−ëng khớc từ khái niệm độ cao thay cần xây dựng sử dụng loại độ cao với mặt khởi tính mặt ellipsoid chuẩn tuân thủ điều kiện: chọn trọng trờng chuẩn mặt ellipsoid chuẩn thực mặt geoid, giá trị trọng trờng chuẩn UN điểm N tơng ứng với điểm xét M bề mặt thực S Trái ất giá trị trọng trờng thực WM điểm M Các điểm N tơng ứng với điểm M mặt đất hợp thành bề mặt m M.S Molodenski gọi bề mặt phụ trợ hay bề mặt xấp xỉ (gần đúng) Trái Đất Bề mặt đà đợc R.A Hirvonen đặt tên mặt teluroid [10] thờng đợc ký hiệu Khoảng cách tính theo pháp tuyến điểm N mặt ellipsoid chuẩn, tức mặt teluroid mặt ellipsoid chuẩn, đợc V.F Eremeev [9] gọi độ cao chuẩn thờng đợc ký hiệu hγ Ta cã ®é cao chn cđa ®iĨm xÐt M mặt đất (hình l) : Khoảng cách mặt teluroid mặt đất thực ứng với điểm xét dị thờng độ cao ; Nó đợc ký hiệu Ta có : M = MN Khoảng cách MM0 đợc gọi độ cao trắc địa đợc ký hiệu H Theo hình ta có : (1.2.1) Đại lợng đợc xác định theo số liệu trọng lực thông qua công thức chặt chẽ lý thuyết xác định trọng trờng bề mặt thực Trái Đất M.S Molodenski đề xuất Khái niệm độ cao chuẩn nh lý thuyết vừa nhắc tới đợc ghi nhận đánh giá bớc ngoặt lĩnh vực nghiên cứu xác định trọng trờng bề mặt Trái Đất Tính dị thường trọng lực phần dư Bằng cách lấy giá trị dị thường trọng lực chân không nhận theo chuản 5′×5′ trừ ảnh hưởng ∆gEGM ∆gĐH ta có giá trị dị thường trọng lực phần dư: ∆gdư = ∆g - ∆gEGM - ∆gĐH Đối với giá trị dị thường trọng lực đầu vào ∆g ta có : Giá trị trung bình bằng: -19,29mgal; Giá trị chuẩn : 27,53 mgal Trường dị thường trọng lực phần dư sau “loại ra” ảnh hưởng mơ hình trọng trường tồn cầu thơng qua hệ số triển khai điều hoà từ bậc đến bậc nmax ảnh hưởng địa hình thơng qua khoảng chênh bề mặt địa hình thực bề mặt địa hình tham khảo có đặc trưng thống kê sau: Các đặc trưng thống kê trường dị thường trọng lực phần dư Bảng Độ vĩ Độ kinh Dị thường ggm03 EGMEIGEN- EIGENEGM-96 Độ cao chân 2008 +ĐH +ĐH 5C +ĐH GLO4C+ĐH khơng +ĐH Trung bình 16041 106o42 232.27m -19.29mgal 3.8mgal 4.6mgal 4.6mgal 3.4mgal 3.9mgal Nhỏ 8.50 102.58 0.0 Lớn 23.25 109.50 1756.30 126.74 Trung phương 302.67 -132.57 -97.04 159.95 153.88 128.13 139.58 16.79 -122.36 -103.76 152.23 27.53 -88.83 -97.78 17.19 23.03 18.60 17.02 Tính tham số hàm hiệp phương sai giải tích dị thường trọng lực phần dư Hiện hàm giải tích tốt cho hiệp phương sai dị thường trọng lực chọn mơ hình Tscherning&Rapp: N ∞ D ( n − 1) ⎛ RB ⎞ err ⎛ R ⎞ cov (ψ , r , r ′ ) = α ∑ σ n ⎜ ⎟ Pn ( cosψ ) + ∑ ⎜ ⎟ n=2 n = N +1 ( n − )( n + ) ⎝ r r ′ ⎠ ⎝ r r′ ⎠ n +1 σ err n ⎛ fM ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ a ⎠ n ∑S m =− n n +1 Pn ( cosψ ) , ; nm Snm sai số trung phương hệ số điều hoà bậc n cấp m α, N, RB D tham số cần xác định sở ngun lí bình phương nhỏ với yêu cầu tiệm cận tốt so với hàm hiệp phương sai thực nghiệm nhận theo số liệu thực tế Việc thực theo chương trình COVFIT Tương ứng với giá trị hiệp phương sai thực nghiệm dị thường trọng lực phần dư rút theo phương án sử dụng mơ hình trọng trường Trái đất nêu bảng xác định tham số cho hàm hiệp phương sai giải tích sau: Bảng Các tham số hàm hiệp phương sai giải tích dị thường trọng lực phần dư Các tham số Các phương án P.án P.án P.án P.án P.án Phương sai D 369 mgal2 564 mgal2 312 mgal2 333 mgal2 333mgal2 Bậc triển khai N 100 360 80 70 70 Hệ số α 7.0 16.8 1.2 3.2 3.2 R-2.6km R-0.51km R-0.4km R-0.4km Bán kính mặt cầu R-1.0km Bjerhammar 3 Xác định dị thường độ cao phần dư phương pháp collocation Sau có biểu thức giải tích hàm hiệp phương sai dị thường trọng lực phần dư, tốn cịn lại sử dụng phương pháp collocation bình phương tối thiểu để xác định giá trị dị thường độ cao tương ứng cho điểm xét theo công thức tương ứng Như thấy, cơng đoạn địi hỏi phải nghịch đảo ma trận hiệp phương sai dạng vng có cấu trúc đối xứng với số lượng phương trình số lượng chuẩn có giá trị dị thường trọng lực; Trong trường hợp là: n = 4217 Để giải toán đặt ra, cần sử dụng thuật toán bậc hai Choleski Công việc thực với phần mềm chương trình GEOCOL Kết phép giải dị thường độ cao điểm xét tương ứng với trường dị thường phần dư nhận bước xử lí tính tốn Các trị số cụ thể theo phương án dẫn bảng Phương án ứng với mơ hình trọng trường EGM-96 Phương án ứng với mơ hình trọng trường EGM-2008 Phương án ứng với mơ hình trọng trường ggm03c Phương án ứng với mơ hình trọng trường EiGEN-5C Phương án ứng với mơ hình trọng trường EiGEN-GLO4C Bảng Giá trị dị thường độ cao phần dư xác định collocation Điểm xét P.án P án P án P án P.án BLVI -0.81m -0.36m -0.69m -1.28m -1.28m DSON -0.69 -0.14 -0.23 -0.21 -0.15 QNAM 1.64 0.15 0.92 0.99 0.09 VTAU -0.13 0.16 -0.13 -0.19 -0.09 COND 0.13 0.13 0.26 0.16 0.08 4.“Hoàn trả” ảnh hưởng bị “loại ra” + Ảnh hưởng mơ hình trọng trường Ảnh hưởng “loại ra” dạng giá trị dị thường trọng lực tính thơng qua hệ số điều hoà từ bậc đến bậc nmax mơ hình trọng trường cụ thể Bây ảnh hưởng tính đến để “hồn trả” dạng dị thường độ cao thơng qua hệ số điều hồ sử dụng để tính dị thường trọng lực bị “loại ra” trước Ta có công thức: nmax n ( ) ζ EGM = R ∑ ∑ ∆C nm cos mL + snm sin mL Pnm (sin B) n = m=0 Kết tính tốn dị thường độ cao theo mơ hình trọng trường cộng với kết nhận phương pháp collocation cho bảng sau: Bảng Giá trị dị thường độ cao tính theo trường dị thường trọng lực phần dư “hồn trả” ảnh hưởng mơ hình trọng trường Tên điểm Mơ hình trọng trường EGM96 EGM2008 EiGENGLO4C ggm03c EiGEN5C Trung bình -2.64m -23.23m -24.51m -23.66m -24.31m -23.67m -25.12 -25.40 -25.78 -25.75 -25.77 -25.56 -10.00 -10.05 -9.99 -10.04 -9.99 -10.01 -2.25 -1.91 -1.94 -1.90 -1.95 -1.99 -0.12 0.46 0.39 0.49 0.31 0.31 + Ảnh hưởng địa hình Ảnh hưởng độ chênh bề mặt địa hình thực bề mặt tham khảo bị “loại ra” khỏi dị thường trọng lực đầu vào dạng lực hút theo phương thẳng đứng cần “hoàn trả” dạng dị thường độ cao Đại lượng tương ứng tính theo công thức sau: ζ DH = U γ Đại lượng U có biểu thức cụ thể sau: • Điểm xét nằm phía mặt địa hình: U = Ue Ue = π f δ {( 2 c − b ) − c − ( c − b ) a + ( c − b ) + c a + c − a ln ⎡ c − b + a + ( c − b ) ⎤ + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ } + a ln ⎡c + a + c ⎤ ⎣ ⎦ • Điểm xét nằm mặt địa hình : U = Uo ⎡ b + a + b2 U o = π f δ ⎢ −b + b a + b + a ln a ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ • Điểm xét nằm phía mặt địa hình : U = Ui ⎡ c + a2 + c2 2 2 2 + U i = π f δ ⎢ −c − ( b − c ) + c a + c + ( b − c ) a + ( b − c ) + a ln a ⎢ ⎣ b − c + a2 + (b − c ) ⎤ ⎥ + a ln ⎥ a ⎦ Kết tính tốn theo cơng thức nêu cho bảng Tính giá trị cuối dị thường độ cao giá trị độ cao chuẩn Với mục đích có biểu thức sau: ζ = ζ collocation + ζ EGM + ζ DH hγ = H − ζ , thành phần vế phải nhận bước tính tốn phía trước Ta có bảng sau: Bảng Giá trị dị thường độ cao, độ cao chuẩn Điểm xét ζ colocation + ζ EGM ζĐH ζ H hγ 8.14 m mhγ = mζ BLVI -23.67 m -0.07m -23.74 m -15.60 m DSON -25.56 -0.17 -25.73 -6.42 19.31 0.25 QNAM -10.01 -0.08 -10.09 5.60 15.69 0.20 VTAU -1.99 -0.07 -2.06 2.11 4.17 0.25 COND 0.31 +0.03 0.34 4.00 3.66 0.30 0.30 m Trong bảng giá trị mhγ lấy giá trị mζ mH nhỏ không vượt 3mm Như nhận giá trị độ cao chuẩn điểm xét lãnh thổ nước ta Cần lưu ý chất độ cao mặt teluroid so với mặt ellipsoid chuẩn quốc tế WGS-84 điểm xét Theo cách hiểu hành độ cao điểm xét mặt đất so với mặt quasigeoid toàn cầu Điều đáng lưu ý sai số độ cao chuẩn cho với giá trị độ cao nhận phép giải collocation theo số liệu đo đạc thực tế dị thường độ cao, giá trị sai số không đánh giá ước tính phương pháp khác Các giá trị sai số độ cao chuẩn nhận khuôn khổ đề tài cho điểm xét nằm khoảng từ 0.2-0.3 m Có thể nói kết tốt mà có điều kiện số liệu trọng lực cụ thể nước ta Trong điểm xét điểm DSON, QNAM, VTAU nằm lãnh thổ đo nối độ cao với mạng lưới độ cao quốc gia để có độ cao chuẩn theo số liệu đo thuỷ chuẩn truyền thống trọng lực Đây giá trị độ cao so với mặt quasigeoid cục qua mực nước biển γ trung bình trạm nghiệm triều Hịn Dấu Chúng kí hiệu hTC cho bảng sau: Bảng γ hTC Điểm xét hγ DSON 19,31 m 17,39m -1,92m QNAM 15,69 16,67 0,98 VTAU 4,17 2,54 -1,63 γ hTC - hγ Trên thực tế điểm xét bảng nằm cách khoảng 500km không cho ta tranh chi tiết đầy đủ chênh khác mặt quasigeoid toàn cầu mặt quasigeoid cục phạm vi lãnh thổ lãnh hải nước ta Song, chúng cho ta độ lớn có đại lượng chênh khác hai mặt nói tức chênh khác giá trị độ cao chuẩn nhận theo phương pháp đo thuỷ chuẩn truyền thống theo phương pháp đo cao GPS đại Kết nhận được xem số liệu vị trí tương hỗ hai mặt khởi tính độ cao chuẩn xác định theo phương pháp khác nước ta Cần nói thêm số liệu nhận phù hợp với số liệu tương tự cơng bố nước ngồi BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ -*** - ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA H ỌC CẤP BỘ NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐỘ CAO CHUẨN THỐNG NHẤT CHO CẢ LÃNH THỔ VÀ LÃNH HẢI VIỆT NAM TRÊN CƠ SỞ KHÔNG SỬ DỤNG MẶT NƯỚC BIỂN TRUNG BÌNH Chủ nhiệm đề tài GS.TSKH Phạm Hoàng Lân CHUYÊN ĐỀ: PHƯƠNG ÁN THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐỘ CAO MỚI VÀ CHUYỂN ĐỔI ĐỘ CAO Hà nội, 12 – 2009 1 Phương án thiết lập hệ thống độ cao Các kết nhận chương đề tài cho thấy độ cao chuẩn điểm xét nhận với sai số trung phương khơng vượt q 0.3 m, có giá trị trung bình 0.26 m Nếu lưu ý tới khoảng cách trung bình điểm xét đất liền cỡ 500km, ta rút độ cao chuẩn xác định với sai số bằng: 0.26m ≈ 11 mm km 500km , (1) tức với độ xác thuỷ chuẩn hạng III Kết hoàn toàn phù hợp với số liệu mà chúng tơi có dịp cơng bố Điều góp phần khẳng định tính đắn khách quan kết đánh giá theo nguồn số liệu khác nước ta Như điều kiện cụ thể nay, với kết đạt có sở độ cao chuẩn dải ven bờ vài đảo nằm cách bờ khoảng 100km điểm gốc khơng phải chúng lại có độ xác thuỷ chuẩn hạng III Không thế, thấy, không dùng đến mặt biển trung bình cách làm truyền thống Với mục đích thiết lập hệ thống độ cao lãnh thổ lãnh hải, cần mở rộng sở độ cao chuẩn nói Các điểm gốc khơng cần bố trí q dày, nên phân bố tương đối đồng để vừa đảm bảo tính thống nhất, vừa đảm bảo tính đồng nước, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối, hoà nhập khu vực rộng Căn vào hình thể vị trí địa lí nước ta, đề xuất phương án thiết lập hệ thông độ cao sau: 1.1 Về số lượng vị trí điểm gốc Với dãn cách khoảng 500km, số lượng điểm gốc phân bố phạm vi lãnh thổ lãnh hải nước ta khoảg 10-15 điểm Cụ thể, 12 điểm ngồi điểm có khn khổ đề tài này, bố trí thêm điểm là: Hà Giang Lai Châu Yên Bái Lạng Sơn Mường Xá Phú Quốc Trường Sa 1.2 Về kết cấu đồ hình điểm gốc Các điểm cần đo GPS có kết nối với với vài điểm cũ, với điểm IGS khu vực 1.3 Về số liệu Để xác định dị thường trọng lực, nên sử dụng cách xử lí có nhiều ưu thừa nhận rộng rãi trắc địa vât lí phương pháp collocation bình phương nhỏ Số liệu đầu vào khơng dị thường trọng lực, mà loại số liệu khác đo cao vệ tinh, độ lệch dây dọi thiên văn- trắc địa v.v… Song, thực tế, số liệu thiên văn- trắc địa vốn không nhiều, số liệu đo cao vệ tinh lại đòi hỏi nguồn số liệu bổ sung đo đạc hải dương học dài ngày, liên tục với độ xác cần thiết mà nước ta chưa có Do vậy, nguồn số liệu chủ yếu trước mắt bổ sung nhanh chóng số liệu trọng lực biển hàng không Độ rộng vùng cần có số liệu trọng lực cần thiết, chúng tơi có dịp khảo sát công bố nhắc tới Báo cáo tổng kết đề tài, mức bán kính xấp xỉ 1o, tức 120-150 km xung quanh điểm xét Cần nói thêm từ cuối năm 2007 dự án GOCE (Gravity field and Steady-state Ocean Circulation Explorer) quan vũ trụ Châu âu bắt đầu triển khai với sứ mệnh nghiên cứu trường trọng lực xác định geoid với độ xác cao dị thường trọng lực có độ xác tới 1mgal độ cao geoid - tới 1-2 cm, độ phân giải không gian tốt 100km Dự án dự kiến kéo dài 20 tháng giai đoạn thu thập, tổng hợp xử lí số liệu Có thể hy vọng vài năm tới nguồn liệu quý giá khai thác quy mơ rộng rãi có điều kiện tiếp cận cần thiết Khi đó, độ xác dị thường độ cao, độ cao chuẩn xác định theo cách giải sử dụng đề tài chúng tô, tăng đến mức 0.1m khoảng cách 500km, tức 5mm km chiêu dài Tương ứng, có sở độ cao chuẩn với nhiều điểm gốc có độ xác thuỷ chuẩn hạng II, chí hạng I mà đạt công nghệ truyền thống 1.4 Về vai trò điểm gốc hệ thống độ cao chuẩn Cùng với xuất công nghệ định vị vệ tinh với độ xác đo đạc ngày cao, nguyên tắc xác định vị trí điểm từ “tổng quát” đến “chi tiết” xem cách giải hợp lí Trong lĩnh vực đo đạc, có cơng nghệ đo trọng lực tuyệt đối theo ngun lí rơi tự cho phép đạt độ xác tương đương cao so với đo trọng lực tương đối Trong tất cac trường hợp khác, kể định vị vệ tinh, phép đo tương đối có độ xác cao phép đo tuyệt đối Nhưng, chấp nhận phép đo tương đối, chấp nhận cách giải “lan truyền” từ hay nhiều điểm “xuất phát” với “tư cách” cao Mặt khác, thực tế vị trí quy mơ tồn khu vực rộng lớn hay công đoạn định vị, kể mặt độ cao, địi hỏi độ xác đồng với chi phí Rõ ràng cần đến phân chia cấp hạng hợp lí cho q trình triển khai thực Thêm vào đó, nguyên tắc từ “tổng quát” đến “chi tiết” cho phép đạt thống đồng quy mơ tồn khu vực vùng (từng phần), đồng thời đảm bảo tính độc lập song hành dạng cơng tác khác Với lí nêu trên, hệ thống chuẩn xây dựng dựa nguyên lí định vị vệ tinh số liệu trọng trường dù trình độ cơng nghệ cao tới cần đến điểm có chức tư cách điểm gốc 4.2 Quy trình chuyển đổi độ cao So sánh chất độ cao chuẩn xác định phương pháp đo thuỷ chuẩn truyền thống phương pháp đo cao GPS Về chất độ cao chuẩn, theo cách hiểu người đề xuất M.S.Molodenski, khoảng chênh tính theo pháp tuyến với mặt ellipsoid chuẩn qua điểm xét mặt đất mặt teluroid mặt ellipsoid chuẩn Trước đây, để tính độ cao chuẩn đó, người ta có hiệu trọng trường chuẩn hình chiếu điểm xét mặt teluroid mặt ellipsoid chuẩn thay hiệu trọng trường thực điểm xét mặt đất điểm gốc độ cao lấy mặt geoid (mặt biển trung bình) Tương ứng, có phương pháp xác định độ cao chuẩn dựa kết đo thuỷ chuẩn kết hợp với số liệu đo trọng lực dọc theo tuyến đo cao mà ta gọi phương pháp truyền thống Cách giải tất yếu hồn cảnh hạn chế trình độ cơng nghệ đo đạc trướ Chính tiến kĩ thuật đo đạc thể công nghệ GPS thập kỉ cuối kỉ trước cho phép nhà trắc địa giải toán xác định độ cao chuẩn theo cách khác nữa, đem độ cao trắc địa xác định ngun lí định vị vệ tinh thơng qua GPS trừ dị thường độ cao trọng lực xác định theo lí thuyết hình dạng trọng trường Trái đất thông qua số liệu dị thường trọng lực đặc trưng khác trọng trường Tương ứng, ta có phương pháp đo cao GPS Như vậy, độ cao chuẩn xác định theo hai phương pháp nêu Kết xác định, khơng có sai số, phải có trị số Song, thực tế, mặt khởi tính độ cao, tức mặt qua điểm gốc độ cao để tính độ cao chuẩn theo số liệu đo thuỷ chuẩn truyền thống (kết hợp với số liệu trọng lực) lại thống Bề mặt lấy theo kết quan trắc mực nước biển nhiều năm (ít 18,6 năm) (hay vài ba) trạm nghiệm triều cụ thể Đó mặt biển trung bình chấp nhận cho quốc gia hay khu vực Nó thường gọi mặt geoid (hay xác quasigeoid) cục Như vậy, có nhiều quasigeoid cục Chính giá trị độ cao chuẩn cụ thể quốc gia hay khu vực hiểu tính từ mặt quasigeoid cục Trong đó, độ cao chuẩn nhận theo phương pháp đo cao GPS dị thường độ cao nhận theo số liệu trọng lực sở giải toán biên trị lí thuyết lại tính từ mặt quasigeoid toàn cầu bề mặt xấp xỉ với mặt biển trung bình phạm vi tồn Trái đất (Xin lưu ý giá trị độ cao chuẩn mà xác định cho điểm xét đề tài độ cao chuẩn so với quasigeoid toàn cầu) Dễ hiểu mặt quasigeoid cục không trùng không trùng với mặt quasigeoid tồn cầu (xem hình 1) WM=const γ hM Mặt biển trung bình tồn cầu Mặt biển trung bình cục O W0 = const M γ hM HM Quasigeoid toàn cầu Wo= const O ζo Quasigeoid cục ζM ζM Ellipsoid chuẩn Mo Hình Mặt quasigeoid cục mặt quasigeoid tồn cầu Ta kí hiệu γ hM độ cao chuẩn so với quasigeoid toàn cầu điểm xét M; γ hM độ cao chuẩn so với quasigeoid cục bộ; ζ M dị thường độ cao toàn cầu; ζ M dị thường độ cao cục bộ; HM độ cao trắc địa điểm xét so với ellipsoid chuẩn Khi ta có: γ γ H M = hM + ζ M = hM + ζ M (2) Các công thức Như biết, mặt biển trung bình (khơng có ảnh hưởng sóng, gió dịng chảy biển) chấp nhận trùng với mặt đẳng trọng trường thực gọi mặt geoid Tương ứng,trên phạm vi biển đại dươngta có mặt geoid tồn cầu mặt geoid cục bộ; Trên phạm vi đất liền ta có mặt quasigeoid tồn cầu mặt quasigeoid cục Các mặt mặt đẳng Ta ước tính khoảng cách mặt geoid mặt quasigeoid phạm vi lãnh thổ nước ta Với mục đích này, ta có cơng thức : hγ − h g = ( g − γ )Bouguer gM hγ , (g - γ)Bouguer dị thường trọng lực Bouguer; g m giá trị trọng lực thực trung bình đoạn đường sức qua điểm xét mặt đất thực mặt geoid Ở nước ta theo số liệu trọng lực thực tế (g - γ)Bouguer có giá trị trung bình -45.3 mgal; hγ có gía trị trung bình 340m Cho g m = 980 mgal, ta nhận được: hγ − h g ≈ 0, 016m Trị số nhỏ, bỏ qua Ngay vùng núi (g γ)Bouguer có giá trị tới -150 mgal hγ có gía trị cỡ 1000 m; Tương ứng h γ − h g ≈ ,1 m Điều có nghĩa nhìn chung điều kiện bề mặt địa hình trường trọng lực cụ thể Việt nam mặt quasigeoid geoid xem chênh khác khơng đáng kể Nói cách khác, coi mặt quasigeoid mặt đẳng trọng trường Khi đó, khoảng chênh hai mặt quasigeoid đặc trưng hiệu trọng trường tương ứng để tìm khoảng chênh mặt quasigeoid toàn cầu mặt quasigeoid cục điểm xét M tuỳ ý, ta cần biết hiệu trọng trường thực hai mặt biết giá trị trọng lực chuẩn điểm Tại điểm gốc độ cao J ta vừa biết độ cao chuẩn hJγ so với quasigeoid toàn cầu, vừa biết độ cao chuẩn hJγ so với quasigeoid cục bộ, tức biết: γ hJγ − hJ = ζ J − ζ J = ∆ζ J (3) Do vậy, tương tự (4.2.7) ta có ∆WJ = ∆ζ J ⋅ γ J (4) Giả sử hệ thống độ cao ta thiết lập N điểm độ cao gốc Khi ta có N giá trị ∆WJ , J = 1,2,…N Bằng phương pháp collocation, từ điểm gốc ta tính giá trị ∆Wi cho điểm xét i, tính khoảng chênh tương ứng mặt quasigeoid toàn cầu mặt quasigeoid cục : ∆ζ i = ∆Wi γi (5) Khi đó, giá trị độ cao chuẩn tính theo mặt quasigeoid tồn cầu tính theo mặt quasigeoid cục chuyển đổi theo biểu thức: (6) hiγ − hiγ = ∆ζ i Như vậy, để chuyển đổi giá trị độ cao chuẩn tính theo mặt quasigeoid tồn cầu nhận giá trị độ cao chuẩn tính theo mặt quasigeoid cục có sẵn từ trước theo kết đo thuỷ chuẩn truyền thống kết hợp với số liệu trọng lực, cần tiến hành quy trình tính toán sau: Xác định hiệu độ cao chuẩn tương ứng với mặt quasigeoid toàn cầu xác định theo phương pháp đo cao GPS triển khai đề tài độ cao chuẩn tương ứng với mặt quasigeoid cục theo phương pháp đo thuỷ chuẩn truyền thống kết hợp với số liệu trọng lực tất điểm gốc độ cao theo công thức (3) Tính hiệu trọng trường thực hai mặt nói điểm gốc độ cao theo cơng thức (4) Tính giá trị hiệu trọng trường thực điểm xét tuỳ ý theo phương pháp collocation Tính khoảng chênh mặt quasigeoid tồn cầu mặt quasigeoid cục cho điểm xét theo cơng thức (5) Tính chuyển đổi giá trị độ cao chuẩn tương ứng với hai mặt khởi tính theo công thức (6) ... thống độ cao chuẩn thống cho lãnh thổ lãnh hải Việt nam sở không sử dụng mặt nước biển trung bình? ?? Dưới mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ cụ thể giải trình thực đề tài nói Mục tiêu đề tài Trên sở phân... gốc sở độ cao chuẩn thống cho lãnh thổ lãnh hải mà đề tài thiết lập có giá trị độ cao trắc địa với độ xác độ tin cậy cao 47 3.3 Xác định dị thường độ cao theo số liệu trọng lực 3.3.1 Cơ sở lí... trọng trường địa hình, thiết lập sở độ cao chuẩn dải ven bờ vài đảo lớn phục vụ cho mục đích thống hệ thống độ cao lãnh thổ lãnh hải nước ta khơng dùng đến mặt biển trung bình Nhiệm vụ cụ thể cần