Xác định độ cao đỉnh phanxipăng theo số liệu GPS, thủy chuẩn, trọng lực và địa hình

Nghiên cứu khoa học ñổi nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý XÁC ðỊNH ðỘ CAO ðỈNH PHANXIPĂNG THEO SỐ LIỆU GPS, THUỶ CHUẨN, TRỌNG LỰC VÀ ðỊA HÌNH PHẠM HỒNG LÂN ðÀO CHÍ CƯỜNG Trường ðại học Mỏ-ðịa chất Cục Bản ñồ Bộ Tổng tham mưu I ðẶT VẤN ðỀ ðỉnh Phanxipăng ñỉnh núi cao dãy núi Hoàng Liên Sơn vùng Tây Bắc nước ta ñược mệnh danh “mái nhà ðơng Dương” ðộ cao so với mặt biển ñược xem số liệu ñặc ñiểm ñịa lý tự nhiên Việt Nam, cần xác định xác tới mức đạt tương ứng với khả trình độ khoa học - kỹ thuật đất nước vào giai ñoạn cụ thể ðộ cao ñỉnh Phanxipăng ñã ñược xác ñịnh công bố từ thời Pháp thuộc, vào năm 1909 [6]; Nó có trị số 3142 m Phương pháp ño ñạc ñã ñược sử dụng đo cao áp kế Về độ xác tương ứng giá trị ñộ cao ñã nêu đây, chúng tơi chưa có tài liệu thức; cịn theo suy luận chúng tơi, nằm khoảng - 3m Từ đến trình độ khoa học - kỹ thuật nói chung phương pháp, phương tiện trắc địa nói riêng kể giới nước ta ñã ñạt ñược tiến vượt bậc Ngày công nghệ GPS cho phép xác ñịnh ñồng thời thành phần tạo ñộ với ưu vượt trội so với kỹ thuật truyền thống độ xác, quy mơ đo ñạc ñiều kiện ñịa lý tự nhiên ñiểm xét Trong báo cáo khoa học chúng tơi xin trình bày kết xác định giá trị ñộ cao cho ñỉnh Phanxipăng sở kết hợp sử dụng số liệu GPS, thủy chuẩn, trọng lực độ cao địa hình II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cơng thức để giải tốn vừa nêu cơng thức đo cao GPS [4]: h=H-ζ (1) Trong h độ cao bình thường hay độ cao thường; H ñộ cao trắc ñịa; ζ ñộ cao quasigeoid hay dị thường ñộ cao (hình 1) Ngày nay, kỹ thuật quan trắc vệ tinh nhân tạo cho phép xác định H với độ xác cao Một cơng nghệ có liên quan ñang ñược sử dụng ngày rộng rãi với hiệu cao công nghệ GPS 341 Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng phát triển ðại lượng ζ xác định trực tiếp thơng qua số liệu trọng lực phạm vi tồn cầu Nó cịn xác định gián tiếp cách nội suy theo cách hay cách khác từ điểm có giá trị ζ rút sở biết H h theo công thức: ζ=H-h (2) Trên thực tế, nhiều trường hợp, độ xác địi hỏi khơng cao, cỡ xentimét lớn hơn, người ta thường thay h giá trị gần ñúng h ño ñược từ số “0” ñộ cao quốc gia (ở Việt Nam ñó mực nước biển trung bình nhiều năm Hịn Dấu Hải Phịng) gọi độ cao thủy chuẩn Sau ñây ta xét chi tiết cách xác ñịnh ñại lượng H ζ Mặt ñất thực h H Mặt quasigeoid ζ Mặt ellipsoid Hình 1 Xác ñịnh ñộ cao trắc ñịa H Trên sở quan trắc chuyển ñộng vệ tinh nhân tạo ta xác định thành phần tọa độ vng góc khơng gian X, Y, Z điểm xét so với tâm quán tính Trái ðất thành phần hiệu tọa độ vng góc khơng gian ∆X, ∆Y, ∆Z hai ñiểm xét Tương ứng ta có thành phần tọa độ trắc địa B, L, H hiệu tọa ñộ trắc ñịa mặt cầu ∆B, ∆L, ∆H gắn với ellipsoid tuỳ ý chọn trước [10] ðến độ xác thực tế đạt nhiều nước giới cỡ xentimet, chí milimét (tính theo đơn vị chiều dài) [9] ðể tính chuyển X, Y, Z thành B, L, H hay tính chuyển ∆X, ∆Y, ∆Z thành ∆B, ∆L, ∆H chúng tơi có kết khảo sát cơng bố [3] Xác ñịnh dị thường ñộ cao ζ a Bằng cách trực tiếp Với mục đích người ta cần sử dụng số liệu dị thường trọng lực theo cơng thức tích phân dạng xác cao Molodenski [11] dạng xấp xỉ bậc thoả mãn nhiều nhu cầu thực tế Stokes [1], chẳng hạn: 342 Nghiên cứu khoa học ñổi nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý R ζ = 4πγ π 2π ∫ ∫ ( ∆g B + 0,3086.h ).S (Ψ ) sin Ψd ΨdA (3) 0 Trong ∆gB dị thường trọng lực Bouguer, h ñộ cao thủy chuẩn ñiểm chạy bề mặt tự nhiên Trái ðất với phương vị A khoảng cách cầu Ψ tới điểm xét có ζ cần tính; R γ bán kính trung bình trọng lực bình thường trung bình Trái ðất Trên thực tế có giá trị ∆gB h với ñộ xác mật ñộ cần thiết vùng đủ rộng với bán kính Ψo xung quanh ñiểm xét Ảnh hưởng vùng thường ñược tính đến theo cơng thức tích phân số; Thời gian gần ñây người ta ñã ñề xuất số cách tính như: collocation, biến đổi Fourier, biến đổi Hartley [7] Ảnh hưởng vùng lại bề mặt Trái ðất tính đến sở sử dụng hệ số triển khai điều hịa theo chuỗi hàm số cầu trọng lực Trái ðất Tương ứng, ñến người ta ñã xây dựng ñưa vào sử dụng nhiều mơ hình trọng trường Trái ðất có mơ hình cơng bố gần ñây như: OSU-91A, EGM-96, GAO-98 [8] b Bằng cách gián tiếp Giả sử bao quanh điểm xét cần xác ñịnh giá trị dị thường ñộ cao ζ có N điểm xét với giá trị ζj (j =1,2, N) biết, chẳng hạn dựa theo cơng thức (2) Khi giá trị ζ cần tìm ñược nội suy từ giá trị ζj theo phương pháp thích hợp ðã có nhiều phương pháp đề xuất cho mục đích này, chẳng hạn phương pháp tuyến tính, đa thức bậc hai, bậc ba bậc cao hơn, phương pháp collocation, kriging, spline [5] Trong nhiều trường hợp thực tế cần tiến hành nội suy tuyến tính spline bậc ñủ Hai phương pháp ñơn giản mặt thuật tốn và, điều quan trọng hơn, ñòi hỏi số lượng ñiểm biết trước (chúng ta gọi chúng “điểm cứng”) mức Ta xét kỹ phương pháp nội suy tuyến tính Trong trường hợp dị thường độ cao ζ ñược biểu diễn dạng hàm bậc theo hai thành phần tọa ñộ ñiểm xét, chẳng hạn: ζj = a + b.xj + c.yj (4) Trong a, b, c hệ số cần tìm Các hệ số ñược xác ñịnh từ việc giải hệ phương trình với ẩn số số lượng “điểm cứng” 3, theo ngun lý bình phương nhỏ nhất, số lượng “ñiểm cứng” nhiều Giá trị ζnội suy ñiểm xét với toạ ñộ x, y tính theo biểu thức: ζnội suy = a + b.x + c.y (5) Dựa sở lý thuyết sai số ước tính có N “điểm cứng” phân bố cách cách ñều ñiểm xét, giá trị dị thường ñộ cao tất “ñiểm cứng” mζ sai số trung phương giá trị dị thường ñộ mζ Trong ña số trường cao nội suy tuyến tính từ “ñiểm cứng” N 343 Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng phát triển hợp thực tế lấy N = 4; Tương ứng ta có sai số trung phương giá trị dị thường ñộ cao nội suy 0,5 mζ Nếu giá trị dị thường độ cao ζ tính theo độ cao trắc địa độ cao thủy chuẩn ta cịn có giá trị dị thường độ cao ζTL tính theo số hiệu trọng lực thành phần ζðH tính theo độ cao địa hình đó, thay ζ ta nội suy ñại lượng (ζ - ζTL- ζðH) từ “điểm cứng” tính ζnội suy theo biểu thức: (6) ζnội suy = ζTL + ζðH + (ζ - ζTL- ζðH) nội suy III ðO ðẠC, TÍNH TỐN THỰC TẾ Ở khu vực Phanxipăng bố trí điểm điểm trực tiếp bao quanh đỉnh có độ cao cần xác định (điểm HPXP) tạo thành hình tam giác có cạnh dài cỡ 11 km, 18 km 22 km (hình 2) BT14 GPS1 HPXP 4411 4413 GPS2 Hình Tại tất ñiểm ñã tiến hành ño GPS tương ñối máy thu hai tần số loại TRIMBLE 4000 SSI với ca đo (session) ca đo kéo dài 25 phút vào ñêm ngày 16/5/2005 ca ño thứ hai kéo dài phút vào buổi sáng ngày 18/5/2005 Mạng lưới GPS ñược xử lý độc lập, sau kết nối thơng qua việc xử lý số liệu đo tương ứng với trạm GPS quốc gia Hà Giang, Cao Bằng ðiện Biên có liên hệ với mạng lưới GPS quốc tế ðiểm BT14 mốc ñộ cao tuyến thủy chuẩn hạng I nhà nước Các ñiểm GPS1 GPS2 ñược dẫn ñộ cao từ mốc thủy chuẩn hạng I khác thủy chuẩn kỹ thuật hai chiều với chiều dài tuyến ño tương ứng 1,4 km 12,6km Tọa ñộ, ñộ cao trắc ñịa hệ ITRF ñộ cao thủy chuẩn điểm có liên quan đến việc xác định độ cao ñỉnh Phanxipăng ñược cho bảng Trên thực tế có giá trị dị thường trọng lực ñược xử lý từ số liệu tương ứng lãnh thổ Việt Nam cho theo chuẩn 5’×5’ phạm vi bán kính cỡ 300 km xung quanh ñiểm xét; Các giá trị dị thường trọng lực 344 Nghiên cứu khoa học ñổi nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý phạm vi tới bán kính 1000 km cho theo chuẩn 10×10; Các hệ số triển khai ñiều hòa trọng trường Trái ðất ñược lấy tới bậc n = 36 Thêm vào cịn có giá trị độ cao địa hình cho theo chuẩn 5’×5’ thuộc lãnh thổ Việt Nam [2] Bộ số liệu gọi mơ hình HN-94 Chúng tơi sử dụng chương trình nhập ngoại GEOID số liệu nói ñể tính dị thường ñộ cao trọng lực dị thường độ cao ảnh hưởng địa hình Kết tính tốn nêu bảng Bảng Tên ñiểm BT 14 GPS GPS HPXP B 20 21’ 200 19’ 200 14’ 200 18’ L 103 51’ 1030 38’ 1030 42’ 1030 46’ H (m) 1325,790 612,634 620,414 3116,919 h ζTL (m) ζGPS-TC (m) (m) 1355,908 -30,118 -30,764 643,398 -30,647 651,061 -33,003 -33,491 -33,277 -33,175 ζðH (m) 2,441 2,496 2,473 2,463 Với số liệu ñã cho chúng tơi sử dụng cơng thức đo cao GPS sở nội suy dị thường ñộ cao hàm tuyến tính nội suy spline theo phương án: - Phương án 1: sử dụng dị thường ñộ cao tính từ ñộ cao trắc ñịa ñộ cao thủy chuẩn ( ζGPS-TC) - Phương án 2: sử dụng thêm dị thường ñộ cao trọng lực (ζTL) - Phương án 3: sử dụng thêm dị thường ñộ cao trọng lực (ζTL) dị thường ñộ cao (ζðH) địa hình gây Kết xác định độ cao thủy chuẩn ñỉnh Phanxipăng ñược cho bảng ðể so sánh, chúng tơi có xét thêm trường hợp tính trực tiếp dị thường độ cao trọng lực theo mơ hình HN-94 theo mơ hình EGM-96 Kết nhận ñược cho hàng cuối bảng Bảng ðộ cao thủy chuẩn ñỉnh Phanxipăng Cách xác ñịnh dị thường ñộ cao Loại dị thường ñộ cao ñược sử dụng Nội suy tuyến tính ζGPS thủy chuẩn ζGPS thủy chuẩn có tính thêm ζTL ζGPS thủy chuẩn có tính thêm ζTL ζðH ζTL 3147,332 m 3147,332 m 3147,334 m 3147,334 m 3147,332 m 3147,332 m Nội suy theo spline Tính trực mơ hình HN-94 3147,632 m Tính trực mơ hình EGM-96 3147,290 m Từ số liệu nêu bảng nhận thấy dị thường độ cao ảnh hưởng dị thường trọng lực ảnh hưởng địa hình biến đổi khu vực Phanxipăng Chính mà ảnh hưởng chúng ñến kết nội suy dị thường ñộ cao từ “ñiểm cứng” BT 14, GPS GPS cho ñiểm 345 Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng phát triển Phanxipăng tương ứng ñến kết qủa xác ñịnh ñộ cao thủy chuẩn ñỉnh Phanxipăng nhỏ Kết nội suy dị thường độ cao theo phương pháp tuyến tính theo spline Giá trị ñộ cao thủy chuẩn xác định sở tính trực tiếp dị thường độ cao theo mơ hình HN-94 theo mơ hình EGM-96 chênh khoảng 0,3 m; ðộ cao xác ñịnh sở nội suy dị thường ñộ cao nằm khoảng giá trị ñộ cao tính trực mơ hình Bây ta ñánh giá ñộ xác giá trị ñộ cao thủy chuẩn ñỉnh Phanxipăng ñược xác ñịnh từ kết đo cao GPS Như nói tới phần trên, ñộ cao thủy chuẩn ñiểm GPS1 GPS2 nhận ñược cách ño thủy chuẩn kỹ thuật từ mốc ñộ cao thủy chuẩn hạng I Sai số chúng tương ứng bằng: mh (GPS1) = 50 mm 1,4 = 59,2 mm; mh (GPS2) = 50 mm 12,6 = 177,5 mm; Vì điểm BT14 mốc thủy chuẩn hạng nên ta coi mh(BT14)= Theo kết đánh giá độ xác độ cao trắc địa lưới GPS khu vực Phanxipăng m H(GPS1)= 3,3 mm; m H(GPS2)= 2,4 mm; m H(BT14)= 2,6 mm; m H(HPXP)= 3.0mm Do sai số xác ñịnh dị thường ñộ cao ζGPS-TC tương ứng bằng: 59,3 mm (ñối với ñiểm GPS 1); 177,5 mm (ñối với ñiểm GPS 2); 2,6 mm (ñối với ñiểm BT14) Sai số giá trị dị thường ñộ cao nội suy 108,1 mm Cuối sai số ñộ cao thủy chuẩn ñỉnh Phanxipăng 108,14 mm IV KẾT LUẬN Trên sở ño cao GPS với số liệu thực tế ñộ cao trắc ñịa, ñộ cao thủy chuẩn, số liệu trọng lực số liệu địa hình nước ta chúng tơi nhận giá trị ñộ cao cho ñỉnh Phanxipăng 3147,3m Sai số trung phương giá trị ñộ cao 0,1m Chúng hy vọng kết nhận góp phần làm xác hóa số liệu ñịa lý tự nhiên nước ta Các số liệu ño GPS ño thủy chuẩn vùng Phanxipăng ñược sử dụng báo cáo Cục Bản ñồ Bộ Tổng tham mưu cung cấp Chúng xin bày tỏ cảm ơn ñối với KS Phan Ngọc Mai, Cục ño ñạc đồ Bộ Tài ngun Mơi trường hỗ trợ cho việc xử lý kết nối số liệu ño GPS vùng Phanxipăng với ñiểm GPS quốc gia phần mềm Bernese ñể thu nhận ñược giá trị tọa độ độ cao với độ xác cao hệ ITRF TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Hồng Lân (1973) Giáo trình Trọng lực trắc địa ðH Mỏ-ðịa chất, Hà Nội, 460 trang [2] Phạm Hoàng Lân (1991) Xác lập mặt khởi tính độ cao quốc gia lãnh hải ven bờ nước CHXHCN Việt Nam ðề tài nhà nước 46A-01-03 (1990-1991) ðH Mỏ-ðịa chất, Hà Nội 346 Nghiên cứu khoa học ñổi nội dung, phương pháp giảng dạy địa lý [3] Phạm Hồng Lân (1993) Vấn đề tính chuyển kết đo GPS Tạp chí Trắc địa Bản đồ số 1/1993 Cục ðo ñạc Bản ñồ nhà nước, Hà Nội, trang 1-8 [4] Phạm Hồng Lân (1996) Cơng nghệ GPS Bài giảng cho Cao học ngành Trắc ñịa ðH Mỏ-ðịa chất, Hà Nội, 48 trang [5] Phạm Hoàng Lân, Bùi Khắc Luyên (2005) ðánh giá số phương pháp nội suy dị thường độ cao mơ hình Tạp chí Các khoa học Trái ðất, 1(T.27), Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, trang 32-36 [6] Chabert et Gallois (1909) Atlas de l’Indochine francaise Imprimerie d’ Extrême- Orient, Hanoi [7] Collier P.A., A.P.Amstrong and F.J Leahy(1994) GPS Heighting by Least Squares Collocation Initial Results and Experiences FIG XX Congress, Comm.5 TS 501.2, p 15-29 [8] Demyanov G.V., Brovar B.V nnk (1999) Mơ hình trọng trường Trái ðất TSNIIGAiK, GAO-98 Tuyển tập khoa học-kỹ thuật Trắc ñịa, ðo vẽ ảnh hàng khơng-Vũ trụ Bản đồ, Trắc ñịa Vật lý, TSNIIGAiK, Matxcơva, trang 88-116 (tiếng Nga) [9] Genike A.A, Vu Van Dong (2004) ðặc ñiểm xây dựng mạng lưới trắc ñịa cục phương pháp vệ tinh Hội nghị khoa học-kỹ thuật quốc tế nhân kỷ niệm 225 năm thành lập trường ðH Trắc ñịa, ðo vẽ ảnh hàng không Bản ñồ Matxcơva, trang 212-217 (tiếng Nga) TĨM TẮT Dựa cơng nghệ ño cao GPS sử dụng số liệu GPS, thủy chuẩn, trọng lực địa hình, tác giả xác ñịnh nhận ñược giá trị ñộ cao cho đỉnh Phanxipăng 3147.3 m với độ xác 0.1 m ðộ cao cũ ñược xác ñịnh từ thời Pháp thuộc, chủ yếu ño cao áp kế, ñược cơng bố lần vào năm 1909 có trị số 3142 m, song khơng có thơng tin tin cậy sai số tương ứng SUMMARY DETERMINATION OF FANSIPAN PEAK’S ALTITUDE BY USE OF GPS, NIVELLEMENT, GRAVITY AND TOPOGRAPHY DATA PHAM HOANG LAN, DAO CHI CUONG Based on GPS levelling technology and using GPS, Nivellement, Gravity and Topography Data the authors have determined new value of Fansipan Peak’s Altitude The new Altitude is 3147.3 m and has been defined with the accuracy of 0,1m while the old value received mainly by use of barometer in the French colonization time and published first in 1909 is 3142 m without any reliable information about its determination error 347 ... ñỉnh Phanxipăng 108,14 mm IV KẾT LUẬN Trên sở ño cao GPS với số liệu thực tế ñộ cao trắc ñịa, ñộ cao thủy chuẩn, số liệu trọng lực số liệu địa hình nước ta chúng tơi ñã nhận ñược giá trị ñộ cao. .. HN-94 theo mơ hình EGM-96 chênh khoảng 0,3 m; ðộ cao xác ñịnh sở nội suy dị thường ñộ cao nằm khoảng giá trị độ cao tính trực mơ hình Bây ta đánh giá độ xác giá trị ñộ cao thủy chuẩn ñỉnh Phanxipăng. .. ñộ cao thủy chuẩn ñỉnh Phanxipăng nhỏ Kết nội suy dị thường ñộ cao theo phương pháp tuyến tính theo spline Giá trị ñộ cao thủy chuẩn ñược xác ñịnh sở tính trực tiếp dị thường độ cao theo mơ hình