Khảo sát độ chính xác của mô hình Quasigeoid GECO

Bài viết Khảo sát độ chính xác của mô hình Quasigeoid GECO khảo sát độ chính xác của mô hình Quasigeoid GECO trên phạm vi lãnh thổ Việt Nam nhằm góp phần cung cấp thông tin giúp lựa chọn mô hình Quasigeoid toàn cầu trong công tác đo cao GNSS nói riêng và các nhiệm vụ liên quan đến khoa học Trái đất nói chung ở Việt Nam.

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MƠ HÌNH QUASIGEOID GECO Nguyễn Xuân Bắc1, Trần Thị Ngoan1, Vương Thị Hòe1, Trần Mạnh Tiến2 Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Ban quản lý dự án thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh Tóm tắt Nhóm tác giả thực khảo sát giá trị dị thường độ cao mơ hình Quasigeoid GECO phạm vi lãnh thổ Việt Nam, so sánh kết với giá trị dị thường độ cao thu từ mơ hình Quasigeoid toàn cầu EGM 2008 kết dị thường độ cao 800 điểm song trùng GNSS - TC Kết đánh giá tuyệt đối tương đối cho thấy, lãnh thổ Việt Nam, dị thường độ cao theo mơ hình Quasigeoid GECO chênh với dị thường độ cao GNSS - TC nhỏ Trên toàn vùng lãnh thổ, hai trường hợp đánh giá tuyệt đối tương đối, mơ hình độ cao Quasigeoid GECO có độ xác tốt mơ hình EGM 2008 Điều lý giải mơ hình Quasigeoid GECO bổ sung thêm số liệu mới, đặc biệt liệu dự án GOCE Do đó, nên sử dụng mơ hình GECO thay cho mơ hình EGM 2008 cho ứng dụng liên quan đến độ cao Quasigeoid phạm vi lãnh thổ Việt Nam Từ khóa: Quasigeoid GECO; EGM2008; Dị thường độ cao Abtracst Surveying the accuracy of Quasigeoid GECO model The authors surveyed the elevation anomaly value of the GECO Quasigeoid model in The Territory of Vietnam, comparing this result with the elevation anomaly value obtained from the EGM 2008 global Quasigeoid model and the elevation anomaly of more than 800 GNSS-TC duplication points The results of the absolute and relative assessment show that, in the territory of Vietnam, the height anomaly modeled on the GECO quasigeoid model is different from the GNSS TC elevation anomaly is quite small Across the territory, in both absolute and relative evaluation cases, the GECO Quasigeoid elevation model has better accuracy than the EGM 2008 model This can be explained by the addition of new data in the GECO Quasigeoid model, especially the GOCE project data Therefore, it is recommended to use the GECO model as an alternative to the EGM 2008 model for quasigeoid elevation - related applications within the territory of Vietnam Keyword: Quasigeoid GECO; EGM2008; Altitude Anomaly Đặt vấn đề Trong thời đại công nghệ GNSS (Global Navigation Satellite System), vị trí điểm bề mặt Trái đất giải cách hiệu quả, độ cao điểm lại chưa thể giải trọn vẹn khơng có thơng tin Quasigeoid Mơ hình Quasigeoid GECO có độ phân giải cao với bậc hạng lên đến 2.190 GECO đời sau EGM 2008 hứa hẹn khả nâng cao độ xác so với EGM 2008 Việc khảo sát độ xác mơ hình Quasigeoid GECO phạm vi lãnh thổ Việt Nam nhằm góp phần cung cấp thơng tin giúp lựa chọn mơ hình Quasigeoid tồn cầu cơng tác đo cao GNSS nói riêng nhiệm vụ liên quan đến khoa học Trái đất nói chung Việt Nam Cơ sở lý thuyết 2.1 Phương pháp đánh giá tuyệt đối Giả sử, điểm lưới GNSS đồng thời có độ cao trắc địa (H) độ cao nhà nước (h) xác định phương pháp thủy chuẩn xác định dị thường độ cao ζGNSS-TC theo công thức sau: 252 Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên môi trường ζGNSS-TC = H - h (1) Chênh lệch dị thường độ cao khai thác từ mơ hình Quasigeoid (ζMH) dị thường độ cao GNSS - TC điểm xác định theo công thức: Δζj = ζGNSS-TC - ζMH với (j = 1, 2, , n) (2) đó: - ζGNSS-TC = Hj - hj - n số điểm GNSS - TC tham gia tính Bản chất độ lệch Δζj xác định theo (1) chứa loại sai số, gồm sai số đo GNSS, sai số độ cao thủy chuẩn lớn sai số mơ hình Quasigeoid Từ giá trị độ lệch Δζj tính theo (2) tính độ lệch trung bình theo cơng thức: Dz TB = n ∑ Dz j n j =1 (3) Dựa vào độ lệch Δζj tính độ lệch trung phương dị thường độ cao theo công thức: m=± [DzDz ] n (4) Mức độ chênh lệch Δζj với trị trung bình Dz TB thể thành phần sai số ngẫu nhiên tổng hợp chứa Δζj Thành phần ngẫu nhiên tổng hợp biểu thị sai số trung phương: m=± [Dz ' Dz '] n −1 (5) đó: Dz j/ = Dz j − Dz TB (6) Các công thức sử dụng để đánh giá độ xác trị tuyệt đối dị thường độ cao xác định từ mô hình Quasigeoid Phương pháp đánh giá chịu ảnh hưởng đáng kể sai số hệ thống tọa độ trắc địa (B, L, H) điểm GNSS xác định khơng hồn tồn xác hệ WGS 84 sai số hệ thống mặt khởi tính độ cao quốc gia mặt nước biển trung bình cục Chính thế, sai lệch mang tính hệ thống dị thường độ cao tính theo (3) thường có giá trị lớn 2.2 Phương pháp đánh giá tương đối Giữa hai điểm xét i k mạng lưới GNSS - TC: - Từ mơ hình Quasigeoid xác định hiệu dị thường độ cao Δζ i,k D H - Từ số liệu đo GNSS xác định hiệu độ cao trắc địa i ,k - Từ số liệu đo thuỷ chuẩn xác định hiệu độ cao thủy chuẩn Dhi ,k Nếu tất nguồn số liệu sai số có phương trình: (7) Δζi,k = ΔHi,k – Δhi,k Trong thực tế, sai số tồn tất nguồn nêu trên, vậy, điều kiện (7) không đảm bảo Giữa ∆zi,k hiệu (∆Hi,k - ∆hi,k) ln có khoảng chênh: Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên môi trường 253 (8) δi,k = ΔH – Δh – Δζ i,k i,k i,k Độ lệch di,k chứa loại sai số đo GNSS, đo thủy chuẩn hình học sai số mơ hình Quasigeoid Sử dụng giá trị độ lệch d i,k xác định theo (8) đánh giá độ xác thành phần sai số Trọng số Pi ,k phương trình (8) tính: Pi ,k = Di ,k (9) đó: Di ,k khoảng cách điểm i k, tính đơn vị km Như sai số trung phương (tổng hợp) hiệu độ cao Quasigeoid km tính theo công thức sau: mkm = ± [Pd ] m (10) Trong công thức (10) m số cặp điểm song trùng dùng khảo sát, giá trị m không nên nhỏ 20 khoảng cách Di ,k cặp điểm khảo sát nên có giá trị khác Nếu cho biết sai số đo cao hình học km mDh ước lượng sai số đo hiệu độ cao trắc địa km mDH tính sai số mơ hình Quasigeoid theo công thức sau: m1km −Quas = ± mkm2 + mD2h + mD2H (11) Giá trị m1km −Quas tính theo (11) sai số trung phương hiệu dị thường độ cao km coi giá trị đặc trưng cho độ xác mơ hình Quasigeoid Nếu đo cao hình học thực với độ xác cao bỏ qua sai số đo cao hình học mDh cơng thức (11), sai số trung phương tính theo (10) coi sai số đo cao GNSS túy sử dụng mơ hình Quasigeoid Hình 1: Sơ đồ quy trình đánh giá độ xác độ cao Quasigeoid số liệu GNSS - TC phạm vi lãnh thổ Việt Nam theo phương pháp tuyệt đối 254 Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài ngun mơi trường Hình 2: Sơ đồ quy trình đánh giá độ xác dị thường độ cao mơ hình Quasigeoid số liệu GNSS - TC phạm vi lãnh thổ Việt Nam Thực nghiệm khảo sát mơ hình Quasigeoid GECO phạm vi lãnh thổ Việt Nam 3.1 Nguồn số liệu a Nguồn số liệu GECO Dữ liệu khai thác từ Trung tâm quốc tế mơ hình Trái đất tồn cầu (ICGEM) GFZ Potsdam, Đức (http://icgem.gfz-potsdam.de/calc) b Số liệu GNSS - TC Dữ liệu GNSS - TC trích từ mạng lưới GNSS toàn quốc phần độ cao trích từ điểm thuỷ chuẩn hạng I, hạng II hạng III có đo GNSS bình sai lại năm 2008 Áp dụng theo tiêu chuẩn kỹ thuật (Bảng 1) có 818 điểm GNSS - TC đạt u cầu cho q trình tính tốn Tại 818 điểm GNSS - TC, xác định dị thường độ cao theo mơ hình Quasigeoid GECO mơ hình Quasigeoid EGM2008 Bảng Chỉ tiêu kỹ thuật lưới GNSS Yêu cầu kỹ thuật Sai số vị trí điểm lớn Sai số độ cao trắc địa lớn Sai số trung phương tuyệt đối cạnh yếu Sai số phương vị lớn Sai số khép tam giác mặt Sai số khép độ cao Hạng II cm cm 1/500.000 1.0’’ cm 10 cm 3.2 Khảo sát độ xác mơ hình Quasigeoid GECO phạm vi lãnh thổ Việt Nam 3.2.1 Kết đánh giá tuyệt đối Kết đánh giá độ xác mơ hình trình bày Bảng (trích 50 điểm từ tập liệu 818 điểm GNSS - TC) Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên mơi trường 255 Bảng Trích kết đánh giá tuyệt đối mơ hình GECO STT 10 … 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Tên điểm - 33 I (BH - HN) 13 I (BH - HN) 17 I (BH - HN) 19 - I (BH - HN) 20 - I (BH - HN) 26 I (BH - HN) 33 I (BH - HN) 39 I (BH - HN) - I (BH - HN) 42 … I (BH - TH) 119 I (BH - TH) - I (BH - TH) 122 A I (BH - TH) 128 I (BH - TH) 131 - I (BH - TH) 134 A I (BH - TH) 136 I (BH - TH) 14 I (BH - TH) 140 Vĩ độ ( 0) 16.77968 21.79626 21.69889 21.62027 21.58018 21.40957 21.30917 21.29494 22.05121 21.23979 … 20.76034 22.20315 20.69831 20.49041 20.39401 20.28721 20.19649 22.3524 20.05652 Kinh độ (0) 107.2692 104.8006 104.8753 104.934 104.9813 105.1713 105.4052 105.6321 104.4952 105.7374 … 104.9738 104.3275 105.0775 105.0343 105.0888 105.193 105.2289 103.8585 105.3939 H (m) h (m) - 4.6 10.248 5.5 34.903 2.7 31.912 - 2.5 26.438 - 2.4 26.46 29.27 - 14.7 13.032 - 16.1 11.318 32.9 62.868 - 19.7 7.493 … … 350.7 377.564 33.3 63.781 212.9 239.783 53.3 79.966 45.4 71.794 33.3 59.49 68.8 94.83 1325.8 1355.839 7.7 33.276 ζ(GECO) (m) - 15.309 - 30.156 - 29.944 - 29.724 - 29.590 - 28.841 - 28.360 - 27.899 - 30.676 - 27.594 … - 27.155 - 31.196 - 27.182 - 26.959 - 26.814 - 26.712 - 26.637 - 30.290 - 26.189 ζT (m) Δζ (m) - 14.848 - 29.403 - 29.212 - 28.938 - 28.86 - 28.27 - 27.732 - 27.418 - 29.968 - 27.193 … - 26.864 - 30.481 - 26.883 - 26.666 - 26.394 - 26.19 - 26.03 - 30.039 - 25.576 - 0.461 - 0.753 - 0.731 - 0.786 - 0.729 - 0.571 - 0.628 - 0.480 - 0.708 - 0.401 … - 0.292 - 0.716 - 0.299 - 0.293 - 0.420 - 0.522 - 0.607 - 0.251 - 0.613 Bảng Tổng hợp độ lệch dị thường độ cao theo hai mơ hình GECO EGM 2008 với số liệu dị thường độ cao GNSS - TC Độ lệch dị thường độ cao Độ lệch trung bình Độ lệch nhỏ Độ lệch lớn Độ lệch trung phương Độ lệch trung phương ngẫu nhiên Mơ hình GECO (m) - 0,452 - 1,147 0,460 0,490 0,189 Mơ hình EGM2008 (m) - 0,504 - 3,523 0,937 0,883 0,724 Từ số liệu Bảng ta thấy mơ hình quasigeod GECO có độ lệch trung bình, độ lệch trung phương nhỏ mơ hình Quasigeod EGM 2008 Tuy nhiên điều không cho phép kết luận mơ hình GECO có độ xác cao mơ hình EGM 2008 độ chênh dị thường độ cao mơ hình tồn cầu mơ hình cục nhiều yếu tố mang tính hệ thống gây nên Cũng theo số liệu Bảng 2, độ lệch trung phương ngẫu nhiên mơ hình EGM 2008 lớn so với mơ hình GECO Điều cho thấy độ chênh dị thường độ cao mơ hình GECO có ổn định, phân tán mơ hình EGM 2008 Độ lệch trung phương ngẫu nhiên xác định cách loại bỏ yếu tố mang tính hệ thống dị thường độ cao toàn cầu dị thường độ cao cục bộ, thể sai số ngẫu nhiên mơ hình khu vực xét, đại lượng phản ánh chất lượng mơ hình Qua đến kết luận mơ hình GECO có độ xác tốt mơ hình EGM 2008 phạm vi lãnh thổ Việt Nam 3.2.2 Kết đánh giá tương đối Trong phạm vi báo tác giả đánh giá tương đối mơ hình GECO mơ hình EGM 2008 với 818 điểm GNSS - TC hạng I, II, III khu vực thực nghiệm phạm lãnh thổ Việt Nam Khoảng cách giới hạn hai điểm thay đổi khoảng từ - 1.600 km Trích phần kết trình bày Bảng 256 Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên môi trường Bảng Kết đánh giá tương đối mơ hình GECO mơ hình EGM 2008 với 818 GNSS - TC hạng I, II, III phạm lãnh thổ Việt Nam STT 10 Khoảng cách Khoảng cách Khoảng cách Số cặp nhỏ lớn dãn điểm 5 10 10 97 10 15 333 15 20 498 20 25 679 25 30 789 30 35 894 35 40 1006 40 45 1121 45 50 1266 GECO δ/1km δ/tuyen 0,0462 0,0862 0,033 0,0952 0,0319 0,1122 0,0343 0,1444 0,035 0,1663 0,0354 0,1862 0,0345 0,197 0,0347 0,212 0,0365 0,2379 0,0347 0,2392 EGM2008 δ/1km δ/tuyen 0,0508 0,0976 0,0476 0,1397 0,0554 0,1979 0,0574 0,241 0,0639 0,3045 0,064 0,3364 0,0721 0,4114 0,0742 0,4535 0,0764 0,498 0,0793 0,5464 Từ kết tính toán, biểu diễn giá trị độ lệch trung phương tuyến (δ/tuyến) độ lệch trung phương km (δ/1km) xét phạm vi lãnh thổ Việt Nam biểu đồ Hình 3, Hình 3: Đồ thị độ lệch trung phương tuyến hai mơ hình GECO EGM 2008 Hình 4: Đồ thị độ lệch trung phương km hai mô hình GECO EGM 2008 Biểu đồ Hình cho thấy: - Nhìn chung giá trị δ tuyến (δ/tuyến) mơ hình GECO nhỏ ổn định so với mơ hình EGM 2008 - Với mơ hình EGM 2008: Trong khoảng từ - 200 km, giá trị δ/tuyến tăng mạnh từ cỡ 0,1 1,15 m; khoảng từ 200 - 1.500 km, δ/tuyến dao động với biên độ mạnh; Trong khoảng 1.500 - 1.600 km, δ/tuyến giảm dần từ 0,8 - 0,2 m - Với mô hình GECO: Trong khoảng từ - 100 km, giá trị δ/tuyến tăng mạnh từ 0,09 - 0,3 m; Trong khoảng từ 100 - 1.500 km, δ/tuyến ổn định; khoảng 1.500 - 1.600 km, δ/tuyến giảm dần từ 0,2 - 0,1 m Biểu đồ Hình cho thấy: - Nhìn chung giá trị δ/1 km mơ hình GECO nhỏ ổn định so với mơ hình EGM 2008 Độ chênh đại lượng δ/km hai mơ hình gần giảm dần khoảng cách tăng - Với mơ hình EGM 2008: Trong khoảng từ - 100 km, giá trị δ/1 km mơ hình EGM 2008 tăng mạnh từ 0,05 - 0,09 m; Sau δ/1 km giảm dần 0,01 m Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài ngun mơi trường 257 - Với mơ hình GECO: Giá trị δ/1 km mơ hình GECO giảm mạnh từ dần từ 0,0 m 0,003 m; Tuy nhiên, biểu đồ Hình 4, chưa thể rõ khác biệt hai mơ hình khoảng cách tuyến bé 50 km nên cần tách riêng biểu đồ cho trường hợp (Hình 5, 6) Biểu đồ Hình cho thấy δ/tuyến mơ hình GECO nhỏ mơ hình EGM 2008 khoảng cách tuyến bé 50 km Độ chênh δ/tuyến tỷ lệ thuận với khoảng cách tuyến Biểu đồ Hình cho thấy δ/1 km mơ hình GECO nhỏ mơ hình EGM 2008 khoảng cách tuyến bé 50 km Độ chênh δ/1 km tỷ lệ thuận với khoảng cách tuyến Các biểu đồ cho thấy tranh rõ nét kết khảo sát độ chênh hiệu độ cao Quasigeoid hai theo mơ hình tồn cầu với hiệu độ cao Quasigeoid cục tất cặp điểm 818 điểm hạng I, II, III phạm vi lãnh thổ Việt Nam Hình 5: Đồ thị độ lệch trung phương Hình 6: Đồ thị độ lệch trung phương km tuyến hai mô hình GECO EGM 2008 hai mơ hình GECO EGM 2008 trong khoảng 50 km khoảng 50 km Qua phân tích, đánh giá cho thấy, trường hợp khảo sát độ chênh hiệu độ cao Quasigeoid hai mơ hình tồn cầu với hiệu độ cao Quasigeoid cục tất cặp điểm 818 điểm hạng I, II, III phạm vi lãnh thổ Việt Nam, mơ hình GECO có chất lượng tốt mơ hình EGM 2008 Kết luận Từ kết khảo sát mơ hình Quasigeoid GECO phạm vi lãnh thổ Việt Nam rút số kết luận sau đây: - Kết đánh giá tuyệt đối tương đối cho thấy, lãnh thổ Việt Nam, dị thường độ cao theo mô hình Quasigeoid GECO chênh với dị thường độ cao GNSS - TC nhỏ Với giá trị độ chênh trung phương ± 0,490 m, độ chênh dị thường độ cao d/tuyến nhỏ 40 cm d/ km nhỏ cm - Trên toàn vùng lãnh thổ, hai trường hợp đánh giá tuyệt đối tương đối, mơ hình độ cao Quasigeoid GECO có độ xác tốt mơ hình EGM 2008 Điều lý giải mơ hình Quasigeoid GECO bổ sung thêm số liệu mới, đặc biệt liệu dự án GOCE Do đó, đề xuất sử dụng mơ hình GECO song song với mơ hình EGM 2008 cho ứng dụng liên quan đến độ cao Quasigeoid phạm vi lãnh thổ Việt Nam, tiến tới sử dụng mơ hình GECO thay cho mơ hình EGM 2008 ứng dụng rộng rãi Việt Nam 258 Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Thị Hồng Thắm (2015) Sử dụng số liệu địa hình để nâng cao độ xác liệu trọng trường phạm vi lãnh thổ Việt Nam Báo cáo tổng kết Đề tài nghiên cứu cấp Bộ, mã số TNMT.07.40 [2] Bùi Thị Hồng Thắm (2019) Độ xác dị thường độ cao mơ hình trọng trường tồn cầu GECO khu vực Tây Nguyên, Việt Nam Kỷ yếu Hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc, trang 13 - 22 [3] Hoa Thi Pham, Thang Viet Nguyen, Thu Hoai Thi Trinh and Bac Xuan Nguyen (2019) Assessment of the performance of EIGEN - 6C4 via GNSS/leveling data over Vietnam FIG Working Week 2019 Chấp nhận đăng: 10/12/2021; Người phản biện: TS Lê Anh Cường Giải pháp kết nối chia sẻ hệ thống sở liệu phục vụ công tác đào tạo, quản lý lĩnh vực tài nguyên môi trường 259 ... đối, mô hình độ cao Quasigeoid GECO có độ xác tốt mơ hình EGM 2008 Điều lý giải mơ hình Quasigeoid GECO bổ sung thêm số liệu mới, đặc biệt liệu dự án GOCE Do đó, đề xuất sử dụng mơ hình GECO. .. hợp độ lệch dị thường độ cao theo hai mơ hình GECO EGM 2008 với số liệu dị thường độ cao GNSS - TC Độ lệch dị thường độ cao Độ lệch trung bình Độ lệch nhỏ Độ lệch lớn Độ lệch trung phương Độ lệch... ngun mơi trường Hình 2: Sơ đồ quy trình đánh giá độ xác dị thường độ cao mơ hình Quasigeoid số liệu GNSS - TC phạm vi lãnh thổ Việt Nam Thực nghiệm khảo sát mơ hình Quasigeoid GECO phạm vi lãnh