Untitled BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT EG[.]
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HỊA CẦU CỦA MƠ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ Mã số: 62.52.05.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 Cơng trình hồn thành tại: Phòng nghiên cứu Trắc địa, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH HÀ MINH HỊA Phản biện 1: GS.TS VÕ CHÍ MỸ Phản biện 2: TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH Phản biện 3: PGS.TS NGUYỄN VĂN SÁNG Luận án bảo vệ trước hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ vào hồi phút, ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc gia, Hà Nội Hoặc thư viện Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Thế nhiễu coi tham số đặc trưng cho trọng trường Trái đất phục vụ cho ứng dụng Trắc địa Địa vật lý Việc mơ hình hóa nhiễu điểm bề mặt Trái đất, không gian gần Trái đất dạng hệ số điều hòa cầu cho phép đánh giá cách tin cậy, xác đại lượng vật lý giá trị gia tốc lực trọng trường, độ cao quasigeoid (độ cao geoid), trọng trường, độ lệch dây dọi vv… vị trí Trái đất Các nghiên cứu phân bố khối lượng vật chất trọng trường Trái đất việc kết hợp liệu trọng lực vệ tinh mặt đất thơng qua hệ số điều hịa cầu nhà khoa học liên tục thực từ năm 1960 đến (Kaula, W.M (1959); Colombo, O.L (1981); Wenzel, H.G (1985); Rapp, R.H and Pavlis, N.K (1990); Sideris, M.G (1994); Schwintzer, P (2005); Pavlis, N.K et al (2008); Förste, C et al (2009); Barthelmes, F (2013); Hà Minh Hịa (2014)) Cơng nghệ GNSS phát triển phổ cập ngày cho phép xác định tọa độ, độ cao trắc địa điểm đạt đến độ xác cỡ cm phạm vi hàng nghìn kilomet Tuy nhiên, việc xác định độ cao chính/chuẩn với độ xác cao cơng nghệ GNSS thay cho phương pháp đo thủy chuẩn truyền thống thống yêu cầu cần phải có tối thiểu mơ hình geoid/quasigeoid độ xác cao Như biết, phương pháp đơn giản để xây dựng mơ hình geoid/quasigeoid nội suy từ điểm GPS-TC Với quy mô lãnh thổ quốc gia có nhiều đặc thù địa hình, địa mạo phức tạp khác nhau, phương pháp trở nên hiệu quả, đo giá trị GPS-TC độ xác cao vị trí có địa hình phức tạp, khó khăn, chi phí lớn cho việc tăng dày đủ mật độ điểm GPS-TC tương ứng với bước sóng ngắn mặt geoid Trong chất geoid mặt đẳng thế, phụ thuộc vào phân bố tỉ trọng vật chất lớp vỏ Trái đất gây thay đổi trọng trường vị trí khác mặt đất Như vậy, công nghệ đo trọng lực vệ tinh, hàng không, tàu biển, mặt đất người ta xây dựng CSDL trọng lực phủ trùm toàn lãnh thổ quốc gia rộng lớn phục vụ việc xây dựng mô hinh geoid/quasigeoid với mật độ, độ chi tiết, độ xác cao giá thành rẻ phương pháp GPS-TC nhiều lần Ngồi ra, để tăng tính hiệu phương pháp này, xu hướng giới kế thừa mơ hình geoid tồn cầu bước sóng dài, sau tăng cường liệu địa hình, trọng lực chi tiết GPS-TC để xây dựng mơ hình geoid với mức độ chi tiết độ xác cao NGA xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008, cung cấp cách thức cho người sử dụng tồn cầu dạng hệ số điều hòa cầu lên đến bậc 2190, cho phép khơng tính giá trị geoid, dị thường độ cao mà cịn tính giá trị vật lý Trái đất đặc trưng khác trọng trường, độ lệch dây dọi, dị thường trọng lực, vv Tuy nhiên, xây dựng EGM2008 mơ hình trọng trường tồn cầu khác, Việt Nam thuộc nước “Fill in”, tức liệu trọng lực chi tiết Việt Nam khơng đưa vào để tính tốn hệ số điều hịa cầu Do độ xác EGM2008 khu vực Việt Nam không cao Mặt khác, Việt Nam năm gần đây, nhận thức tầm quan trọng đặc trưng trường trọng lực Trái đất, công tác đo trọng lực không ngừng quan tâm Chúng ta hoàn thiện hệ thống trọng lực sở quốc gia liên tục đo bổ sung liệu trọng lực chi tiết Như vậy, nhiệm vụ cấp thiết lúc dùng liệu trọng lực chi tiết ngày hồn thiện Việt Nam để cải hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường tồn cầu nói chung EGM2008 nói riêng cho thu mơ hình với hệ số điều hịa cầu cải phù hợp với trọng trường Trái đất thực khu vực Việt Nam Tuy nhiên để làm điều này, cần phải nghiên cứu để hiểu rõ chất việc tính tốn chuẩn hóa liệu trọng lực đưa vào xây dựng EGM2008 Hiểu rõ lý thuyết sở khoa học phương pháp kế thừa, tận dụng, khai thác tối đa đưa liệu trọng lực Việt Nam sở toán học với liệu trọng lực dùng để xây dựng EGM2008 Như việc tính tốn cải hệ số điều hịa đảm bảo tính quán phù hợp với trường trọng lực lãnh thổ Việt Nam Vì lý nêu trên, đề tài Luận án Tiến sĩ tập trung nghiên cứu việc chuẩn hóa liệu dị thường trọng lực cho phù hợp với mô hình trọng trường Trái đất EGM2008 phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hịa cầu mơ hình EGM2008 dựa liệu dị thường trọng lực có Việt Nam, đóng góp vào việc thực nhiệm vụ khoa học kỹ thuật trắc địa cao cấp Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quyết định số 33/2008/QĐ-TTg ngày 27/02/2008 chiến lược phát triển ngành Đo đạc Bản đồ Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn dến năm 2020 Mục tiêu đề tài 2.a.Mục tiêu tổng qt Cải hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất liệu trọng lực Việt Nam nhằm nâng cao độ xác tính phù hợp mơ hình trọng trường toàn cầu với trường trọng lực Việt Nam 2.b.Mục tiêu cụ thể - Thiết lập sở khoa học phương pháp luận cho việc tính tốn, chuẩn hóa loại liệu trọng lực dùng q trình xây dựng cải hệ số điều hịa mơ hình trọng trường tồn cầu nói chung EGM2008 nói riêng; - Xây dựng thuật tốn, modul chương trình theo phương pháp tối ưu phục vụ khai thác sử dụng liệu trọng lực Việt Nam chuẩn hóa đồng sở tốn học để cải hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008 cho phù hợp nâng cao độ xác khu vực Việt Nam; - Chứng minh tính đắn sở khoa học phương pháp luận nghiên cứu xây dựng việc thực nghiệm liệu thực tế khu vực cụ thể Việt Nam, làm sở cho việc áp dụng cho khu vực khác CSDL trọng lực Việt Nam dần bổ sung, hoàn thiện Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.a Đối tượng nghiên cứu Xuất phát từ yêu cầu luận án, đối tượng nghiên cứu luận án vấn đề khoa học liên quan đến việc phân tích, sử dụng, tính tốn chuẩn hóa liệu trọng lực Faye RTM, xây dựng thuật toán modul chương trình nhằm sử dụng liệu trọng lực chuẩn hóa Việt Nam để cải vào hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008 cho phù hợp với trường trọng lực lãnh thổ Việt Nam 3.b Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu giới hạn việc nghiên cứu phương pháp để chuẩn hóa đưa liệu dị thường trọng lực chi tiết Việt Nam vào cải lại hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM, nhằm nâng cao độ xác tính phù hợp mơ hình trọng trường toàn cầu với trường trọng lực Việt Nam Các luận điểm luận án Luận điểm 1: Sử dụng mơ hình số độ cao tồn cầu độ phân giải 3”x3” làm mặt địa hình thực mơ hình số độ cao tồn cầu độ phân giải 5’x5’ làm mặt địa hình tham chiếu để tính tốn chuẩn hóa liệu trọng lực Faye RTM phương pháp có sở tốn học phù hợp với liệu đầu vào tính hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008 Luận điểm 2: Với thuật toán tối ưu cho phép cải hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008 liệu trọng lực chi tiết chuẩn hóa nâng cao độ xác EGM2008 phù hợp với trường trọng lực lãnh thổ Việt Nam Những điểm luận án Kết nghiên cứu luận án hình thành xây dựng điểm sau: - Đưa phương pháp sử dụng mặt địa hình thực địa hình trung bình làm trơn để chuẩn hóa liệu trọng lực Faye RTM Việt Nam có sở khoa học thích hợp cho việc cải hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008 - Lần Việt Nam có nghiên cứu cách tồn diện việc tính tốn hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất, phân tích tổng hợp đầy đủ thơng tin phương pháp tiếp cận khác việc giải toán quan trọng Trắc địa vật lý Trái đất gồm: Phép tổng hợp điều hòa “Synthesis”, phép phân tích điều hịa “Analysis” tính tốn hàm “Legendre” kết hợp theo phương pháp truy hồi, công việc thực vài trung tâm Trắc địa vật lý Trái đất lớn giới; - Áp dụng thành công phương pháp Colombo, O L để xây dựng thuật toán modul chương trình tối ưu phục vụ tính tốn cải hệ số điều hịa cầu mơ hình EGM2008 (số lượng phương trình ẩn lớn, lên tới vài triệu) từ liệu trọng lực chi tiết Việt Nam, kết nhận mơ hình EGM2008 nâng cao độ xác phù hợp với trường trọng lực lãnh thổ Việt Nam Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6.a Ý nghĩa khoa học Xây dựng sở khoa học, phương pháp tối ưu chứng minh thực nghiệm việc chuẩn hóa đưa liệu trọng lực chi tiết Việt Nam vào cải lại hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008 làm tăng độ xác tính phù hợp mơ hình EGM2008 với đặc thù trường trọng lực Việt Nam 6.b Ý nghĩa thực tiễn - Tạo sở khoa học thực tiễn cho việc khai thác tối đa, hiệu nguồn liệu trọng lực có Việt Nam để giải số nhiệm vụ Trắc địa cao cấp tính tốn cải hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường Trái đất EGM cho phù hợp với đặc thù lãnh thổ dài hẹp Việt Nam điều kiện không thu thập liệu trọng lực chi tiết nước lân cận; - Hỗ trợ cơng tác chuẩn hóa liệu trọng lực chi tiết phục vụ việc xây dựng CSDL trọng lực quán Việt Nam; - Chủ động việc tính tốn cải hệ số điều hịa mơ hình trọng trường tồn cầu bối cảnh Việt Nam khu vực “Fill-in” liệu trọng lực Việt Nam không đưa vào tham gia việc tính tốn hệ số điều hịa cầu để xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất (xuất phát từ quy định bảo mật liệu trọng lực ngành Đo đạc Bản đồ Việt Nam); - Mơ hình trọng trường Trái đất EGM dạng hệ số điều hòa cầu cải liệu trọng lực chi tiết Việt Nam hỗ trợ nhiệm vụ xây dựng mơ hình quasigeoid độ xác cao mà cịn cho phép tính tốn đại lượng vật lý khác trọng trường, dị thường trọng lực, độ lệch dây dọi vv… CHƢƠNG TỔNG QUAN CÔNG TÁC KHẢO SÁT, ĐO ĐẠC TRỌNG LỰC VÀ NGHIÊN CỨU CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HỊA CẦU CỦA MƠ HÌNH TRỌNG TRƢỜNG TRÁI ĐẤT BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC CHI TIẾT 1.1 Công tác khảo sát, đo đạc trọng lực giới Dựa liệu trọng lực bề mặt Trái đất kết hợp với liệu đo trọng lực đo cao bề mặt đại dương (altimetry) từ vệ tinh nhân tạo, tổ chức quốc tế xác định mô hình trọng trường Trái đất EGM, mơ hình mặt biển trung bình MSS (mơ hình độ cao điểm mặt biển trung bình tồn cầu so với mặt geoid tồn cầu) Về phần mình, mơ hình MDT sở để xây dựng thông tin địa lý biển đại dương phục vụ việc thành lập đồ chuyên đề biển nghiên cứu hoạt động dòng hải lưu lĩnh vực hải dương học… Theo đánh giá tài liệu (Gusev, N.A., Xeglov, S.N,(2010), giai đoạn 1880 – 1960, độ xác đo trọng lực tương đối cao độ xác đo trọng lực tuyệt đối Đó lý để quốc gia tổ chức quốc tế phát triển mạng lưới trọng lực hạng phương pháp đo trọng lực tương đối Trước năm 1906, hệ thống trọng lực quốc tế hệ thống Hungary Hệ thống thay hệ thống Potsdam (CHLB Đức) vào năm 1909 Đến cuối thập kỷ 70 kỷ XX, nước phát triển hoàn thành việc xây dựng mạng lưới trọng lực quốc gia Từ thập kỷ 90 kỷ XX với việc phát triển vượt bậc công nghệ chế tạo máy trọng lực tuyệt đối FG5, A10 Mỹ, GBL Liên Bang Nga, nên quốc gia đo trọng lực máy đo trọng lực tuyệt đối Trong thực tế xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất EGM nay, bên cạnh việc sử dụng liệu vệ tinh Altrimetry, Jacson1,2, thời gian qua người ta không ngừng đưa lên quỹ đạo thấp vệ tinh quan trắc trọng trường Trái đất đại khác GRACE, GOCE, CHAMP vv…, đồng thời quốc gia tăng cường phủ trùm liệu trọng lực hàng không, tàu biển mặt đất, cho phép xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất dạng hệ số điều hòa cầu với bậc tối đa lên đến 2190 1.2 Công tác khảo sát, đo đạc trọng lực Việt Nam Công tác đo đạc trọng lực lãnh thổ Việt Nam năm 1933 Nhà địa vật lý người Pháp Lerai từ năm 1933-1935 tiến hành đo đạc trọng lực lãnh thổ nước Đông Nam Châu Á Sau giai đoạn chiến tranh, hai miền đất nước bị chia cắt, công tác trọng lực Việt Nam chưa trọng Ở Miền Nam chủ yếu phục vụ nhu cầu quân chuyên gia Hoa kỳ giúp đỡ Ở Miền Bắc chuyên gia Liên Xô giúp đỡ Trong giai đoạn 1973 – 1978, công tác đo đạc trọng lực tiến hành nước Độ xác giá trị gia tốc lực trọng trường nêu cho phép liên kết hệ thống trọng lực quốc gia Việt Nam với hệ thống trọng lực quốc tế IGSN71 Trong giai đoạn 1978 – 1981 xây dựng khoảng 500 điểm trọng lực hạng III với mật độ 20 – 30 km/1 điểm Các điểm đo máy GAG-2 Giai đoạn 1987 - 1988, Liên đoàn Trắc địa địa hình II với chun gia Liên Xơ tiến hành đại hóa mạng lưới trọng lực quốc gia Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ đề xuất dự án “Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống trọng lực Nhà nước” Dự án Bộ trưởng Bộ TNMT phê duyệt Quyết định số 208/2003/QĐ-BTNMT Năm 2007 xây dựng Thiết kế kỹ thuật – dự toán với việc bổ sung lưới trọng lực tuyệt đối, xây dựng hoàn thiện hệ thống trọng lực hạng I Nhà nước phê duyệt Quyết định số 332/QĐ-BTNMT ngày 22/03/2007 Bộ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường Từ 30/10/2010 đến 5/01/2011, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ phối hợp với Liên Bang Nga đo 29 điểm hạng I máy trọng lực tuyệt đối GBL-M Toàn phần lãnh thổ đất liền Việt Nam với diện tích 331211 km2 chia thành 12991 ô chuẩn trọng lực 3’ x 3’, có 6740 chuẩn trọng lực thuộc khu vực đồng trung du có số liệu đo trọng lực chi tiết 6251 chuẩn cịn lại (tương ứng với diện tích 156 275km2) thuộc khu vực rừng núi cao vùng Đông Bắc, Tây Bắc dọc dãy Trường Sơn chưa có số liệu đo trọng lực chi tiết Trong giai đoạn 2009 – 2011, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ thực Thiết kế kỹ thuật – dự toán “Đo trọng lực chi tiết phục vụ xây dựng CSDL trọng lực phần đất liền lãnh thổ Việt Nam” (được phê duyệt Quyết định số 1341/QĐ-BTNMT ngày 14/07/2009 Bộ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường) Theo “Đề án đo trọng lực chi tiết vùng núi Việt Nam” phê duyệt Quyết định số 2523/QĐ-BTNMT ngày 12/12/2013 Bộ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường, Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ triển khai đo trọng lực vùng núi Việt Nam máy trọng lực hàng không TAGS AIR III GRAVITY METER (Mỹ), dự kiến hoàn thành vào năm 2018 Đối với công tác đo đạc trọng lực biển: - Trong năm 1973 – 1985, nhiều công ty dầu khí nước Anh, Pháp, Italia, Na Uy, Liên Xô (cũ) tiến hành khảo sát địa vật lý theo lơ cấu tạo dự đốn triển vọng có dầu tồn thềm lục địa Việt Nam - Năm 1987, Đoàn khảo sát thuộc Bộ địa chất khoáng sản Trung Quốc tiến hành khảo sát địa vật lý toàn vùng Biển Đông - Tài liệu đo trọng lực từ tàu Gagarinsky toàn thềm lục địa Việt Nam theo chương trình hợp tác Phân viện Hải Dương Hà Nội Viện Hải dương học Thái Bình Dương (Liên bang Nga) vào năm 1990 – 1992; - Bản đồ dị thường trọng lực Bouguer Nam Biển Đông tỷ lệ 1:1 000 000 Trung tâm Vật lý địa cầu ứng dụng thành lập năm 1992; Ngồi ra, Việt Nam có số cơng trình nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng liệu trọng lực, mơ hình trọng trường Trái đất liệu GPS/ thủy chuẩn để xác định mơ hình geoid/quasigeoid quốc gia (Phạm Hồng Lân (2006), Đặng Hùng Võ, Lê Minh, Trần Bạch Giang nnk (2012), Hà Minh Hịa (2014, 2016)) 1.3 Tình hình nghiên cứu cải hệ số điều hịa mơ hình trọng trƣờng tồn cầu liệu trọng lực Từ nhiều nguồn liệu đa dạng trọng lực vệ tinh, trọng lực mặt đất, trọng lực hàng không vv…, thu thập từ nhiều quốc gia, tổ chức khoa học khác giới chuẩn hóa để tính tốn hệ số điều hịa cầu mơ hình trọng trường tồn cầu cho phép mô đặc trưng trường trọng lực Trái đất Các hệ số điều hòa cầu coi tập liệu mơ hình hóa phục vụ cho tất tính tốn Trắc địa Địa vật lý Như mơ hình EGM2008 sử dụng làm sở để xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất có độ phân giải cao Tuy nhiên, nhiều quốc gia, liệu trọng lực chi tiết (Hoặc liệu đo trọng lực bổ sung) chưa đưa vào để xây dựng hệ số điều hịa cầu mơ hình Do đó, tổ chức quốc tế quốc gia có liệu trọng lực tăng dày, bổ sung, cập nhật nghiên cứu phương pháp tính tốn, hiệu chỉnh hệ số điều hịa cầu để nhận mơ hình trọng trường Trái đất phù hợp với trọng trường Trái đất thực lãnh thổ quốc gia nghiên cứu Phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu sử dụng phổ biến phương pháp cầu phương Colombo O.L đề xuất năm 1981 (Colombo O.L (1981)) Ngoài giới sử dụng rộng rãi phương pháp tính độ cao quasigeoid dựa liệu trọng lực theo tích phân Stockes Phương pháp địi hỏi phải có liệu trọng lực vùng gần bán kính 2.5o - 5o (Featherstone W.E., Kirby J.F., Hirt C., Filmer M.S., Claessens S.J., Brown N., Hu G., Johnston (2011)) Tuy nhiên, lãnh thổ có đặc thù dài hẹp Việt Nam, chưa có liệu trọng lực nước lân cận gồm Lào, Campuchia Biển Đông, với việc chưa thu thập liệu trọng lực tỉnh Quảng Đông, Quảng Tây (Trung Quốc) nên điều kiện để áp dụng phương pháp nêu khơng thỏa mãn để tính tốn độ cao quasigeoid với độ xác cao Do đó, phương pháp tính độ cao quasigeoid theo tích phân stockes khơng nghiên cứu luận án Trong năm gần đây, Việt Nam nhận thức tầm quan trọng đặc trưng trường trọng lực Trái đất, công tác đo trọng lực không ngừng quan tâm Chúng ta hoàn thiện hệ thống trọng lực sở Quốc gia liên tục đo đạc bổ sung liệu trọng lực chi tiết Như vậy, với liệu trọng lực mặt đất Việt Nam không ngừng hoàn thiện bổ sung qua giai đoạn, sở sử dụng hệ số điều hòa tồn cầu mơ hình trọng trường Trái đất, ví dụ EGM2008 có tham số trọng trường Trái đất đặc trưng trường trọng lực 11 Về mặt lý thuyết, giá trị dị thường trọng lực sử dụng để giải toán biên hỗn hợp Trắc địa vật lý Đối với tiếp cận Molodenxkii M.X., mặt biên mặt telluroid, thực tế toán biên hỗn hợp giải mặt vật lý Trái đất Theo quy định, để giá trị dị thường trọng lực hàm điều hòa hàm giải tích cho chúng có đạo hàm riêng bậc mặt biên khơng gian ngồi mặt biên, khối lượng vật chất không tồn mặt biên Theo tài liệu (Moritz (1984)), số trọng trường địa tâm GM ellipsoid quy chiếu quốc tế GRS80, WGS84, PZ – 90.11 bao gồm khối lượng vật chất khí Do bắt buộc phải loại bỏ ảnh hưởng khối lượng vật chất khí giá trị dị thường khơng khí tự Đây vấn đề cần giải để hoàn thiện Quy định đo trọng lực chi tiết Việt Nam Khối lượng vật chất địa hình lồi lõm xung quanh điểm trọng lực so với mặt phẳng nằm ngang qua điểm dạng khối lượng vật chất cần loại bỏ, đặc biệt khu vực rừng núi nhờ hiệu chỉnh Faye Vấn đề xây dựng phương pháp triển khai tính tốn số hiệu chỉnh Faye (2.10) dựa mạng lưới (grid) ô chuẩn hình vng mơ hình số địa hình DTM P1 Mặt địa hình thực P2 Hình 2.3 Các điểm P1 P2 mặt địa hình thực (Simberov B.P (1975); Ogorodova L.V., Simberov B.P., Yuzephovich A.P (1978)) Tuy nhiên, khu vực rừng núi địa hình hiểm trở, núi cao vực sâu thân số hiệu chỉnh Faye lấp đầy khối lượng vật chất địa hình lõm khối lượng vật chất địa hình lồi, ví dụ điểm trọng lực P1 hình 2.3 dẫn đến việc thiếu khối lượng vật chất khắc phục thừa khối lượng vật chất địa hình lồi để lấp đầy địa hình lõm, ví dụ điểm P2 hình 2.3 Việc thiếu thừa khối lượng vật chất địa hình xung quanh điểm trọng lực làm dị thường Faye biến đổi không “trơn”, tức khơng phải hàm điều hịa giải tích Để khắc phục vấn đề nêu trên, tài liệu (Forsberg, R and Tsherning, C.C (1981); Forsberg R (1984)) đề xuất phương pháp mơ hình mặt đất dư RTM (Residial Terrain Model) để triển khai lý thuyết Molodenxkii M.X thực tế, 12 theo thay mặt địa hình thực địa hình trung bình Trái đất hay gọi mặt quy chiếu Như vậy, lại phải giải toán xác định dị thường RTM việc xây dựng sở liệu (CSDL) trọng lực quốc gia phục vụ việc xây dựng mơ hình quasigeoid quốc gia độ xác cao Theo (Hà Minh Hịa (2016)), xác định dị thường trọng lực RTM, hoàn toàn sử dụng mơ hình số địa hình độ phân giải cao làm mặt địa hình thực, cịn sử dụng mơ hình số địa hình độ phân giải thấp làm trơn dùng làm mặt quy chiếu hay cịn gọi mặt địa hình trung bình (Xem hình 2.9), giống cách mà NGA làm với EGM2008 Trong thực tế mơ hình mặt địa hình thực đặc trưng mơ hình số địa hình DTM độ phân giải cao, cịn mặt địa hình trung bình làm trơn đặc trưng mơ hình số địa hình DTM có độ phân giải thấp Khi xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất EGM2008, theo tài liệu (Pavlis, N.K., Factor J.K and Holmes, S.A (2007)), mặt địa hình trung bình tạo mơ hình địa hình mặt đất tồn cầu DTM2006.0 có độ phân giải 5’x5’ Mặt địa hình thực tạo mơ hình địa hình mặt đất tồn cầu 30”x30” (Mơ hình xây dựng dựa liệu SRTM) Dị thường trọng lực RTM sử dụng để khai triển hệ số điều hòa trọng trường Trái đất đến bậc 2160 2.2 Các bƣớc tính tốn dị thƣờng trọng lực khơng khí tự do, Faye RTM Biểu thức tính dị thường khơng khí tự có dạng (Hà Minh Hịa (2016)) (2.13) Trong đó: - gia tốc lực trọng trường đo điểm M; - gia tốc lực trọng trường chuẩn: Trong đó: ( ) - giá trị gia tốc lực trọng trường chuẩn mặt ellipsoid; cải dị thường khơng khí tự do; - Độ cao chuẩn điểm M; - số - số cải vào gia tốc lực trọng trường khối lượng vật chất khí ( Biểu thức tính dị thường Faye có dạng (Hà Minh Hịa (2016)) Trong đó: ) - số cải dị thường trọng lực Faye Sử dụng phương pháp tích phân mặt phẳng, chia miền địa hình lồi lõm xung 13 quanh điểm xét thành n chuẩn có tọa độ đỉnh hình 2.7 x x1,y1 1, 2, x2,y1 xP ̅𝑖𝛾 𝐻 x1,y2 1, Ô chuẩn thứ i 2, x2,y2 P yP y O Hình 2.7 Tích phân mặt phẳng Với ô chuẩn thứ i, tính số cải Faye tương ứng là: (̅ ) || | | Tổng hợp số cải Faye n ô chuẩn quanh điểm xét là: ∑ Biểu thức tính dị thường RTM có dạng (Hà Minh Hịa (2016)) Trong ( ) độ cao chuẩn điểm tính ứng với mặt địa hình thực mặt địa hình tham chiếu làm trơn hình 2.9 Mặt địa hình thực P H Mặt địa hình trung bình Mặt quasigeoid 𝛾 𝐻𝑃 Pref P 𝛾 𝐻𝑟𝑒𝑓 Hình 2.9 Quan hệ địa hình thực địa hình trung bình 14 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HỊA CẦU CỦA MƠ HÌNH TRỌNG TRƢỜNG TRÁI ĐẤT EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC CHI TIẾT CỤC BỘ 3.1 Nghiên cứu sử dụng kết giải toán biên Molodenxkii M.X Trắc địa vật lý Trong toán xác định đặc trưng trọng trường Trái đất, dị thường trọng lực Δg xác định tương ứng với mặt biên, theo giá trị gia tốc lực trọng trường g xác định mặt vật lý Trái đất phải chuyển xuống mặt biên Theo (Hà Minh Hòa (2014)) đây: ) ( - nhiễu điểm M; điểm M; - dị thường trọng lực - véc tơ bán kính; - trọng trường chuẩn mặt ellipsoid; - trọng trường chuẩn Chúng ta ký hiệu vế phải biểu thức (3.1) dạng sau: mặt Geoid * Phƣơng pháp thƣ nhất: Xác định độ cao quasigeoid theo liệu trọng lực, sau giải phương trình (3.1) lưu ý (3.2), nhận cơng thức tích phân Stokes nhiễu T (Hofmann Wellenhof, B., Moritz H., (2007)): ∬ hàm Stokes có dạng: S ( ) sin 6.sin 5.cos 3.cos ln(sin sin ) khoảng cách cầu từ điểm chạy M miền đến điểm tính Từ (3.3) nhận biểu thức tính giá trị quasieoid theo cơng thức Stokes: ∬ Theo (Hà Minh Hòa (2014)) để xác định giá trị geoid N với độ xác cao, phải có giá trị dị thường trọng lực độ xác cao với mật độ cần thiết 15 bao phủ toàn cầu, tức miền phải bao trùm toàn Trái đất Tuy nhiên, công tác đo đạc trọng lực nhiều quốc gia chưa đáp ứng yêu cầu Do đó, thực tế có liệu trọng lực vùng gần khoảng cách cầu tối đa xung quanh điểm M với Do phương pháp áp dụng cho số khu vực thích hợp *Phƣơng pháp thứ hai: việc xác định nhiễu T Trái đất theo phương trình điều kiện biên (3.1) Theo (Hà Minh Hịa (2014)), nhiễu T(,B,L) khai triển ̅ theo theo hàm điều hòa cầu với hệ số ̅ mơ hình khai triển điều hịa trọng trường Trái đất sau: T ( , B, L ) GM GM a e n 1 2n a e C2 n,0 j2( 0n) P2 n (sin B) n1 GM (3.5) n 1 C n1,0 P2 n1 (sin B) n a e Cn,m cos mL S n,m sin mL .Pn,m (sin B) n2 m1 - bán kính vectơ địa tâm - bán kính bán trục lớn ellipsoid WGS84; (0) điểm; GM - Hằng số trọng trường Trái đất; j2n - hệ số vùng; dị thường trọng lực gọi dị thường trọng lực Theo (Hà Minh Hòa (2014)), lấy đạo hàm (3.5) theo , thay T vào (3.1), biểu thức tính theo hệ số điều hòa cầu ∑( ) ∑( ̿ ̿ ) ̅ Trong thực tế xây dựng mơ hình trọng trường EGM nay, bên cạnh việc sử dụng liệu vệ tinh Altrimetry như: TOPEX/POSEIDON, ERS-1, GEOSAT, EnviSAT, thời gian qua người ta không ngừng đưa lên quỹ đạo thấp vệ tinh quan trắc trọng trường Trái đất đại khác GRACE, GOCE, CHAMP vv… , đồng thời quốc gia tăng cường phủ trùm liệu trọng lực hàng không, tàu biển mặt đất, cho phép xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất dạng hệ số điều hòa cầu với bậc tối đa lên đến 2190 (tương ứng với ô chuẩn phút tương lai bậc tối đa tăng lên nữa, tức mật độ liệu tương ứng với bước sóng geoid cịn tiếp tục giảm) Tuy nhiên Việt Nam khu vực Fill-in, 16 liệu trọng lực quốc gia khơng tham gia vào việc xây dựng mơ hình trọng trường Trái đất dạng hệ số điều hịa cầu, với đặc thù lãnh thổ dài hẹp, khó khăn việc thu thập liệu bên quốc gia, luận án chọn cách tiếp cận Molodenxkii M.X để nghiên cứu phương pháp xây dựng thuật toán theo Colombo O.L nhằm đưa liệu trọng lực chi tiết Việt Nam vào mơ hình trọng trường Trái đất dạng hệ số điều hịa cầu, qua kế thừa liệu trọng lực vệ tinh bước sóng dài bậc điều hịa thấp (từ đến 180) đồng thời cải bước sóng ngắn bậc cao cho mơ hình trọng trường Trái đất dạng hệ số điều hòa cầu phù hợp với đặc trưng dị thường trọng lực chi tiết Việt Nam 3.2 Các bƣớc tổ chức tối ƣu hóa thuật tốn để xây dựng Modul chƣơng trình Đối với việc xác định ̿ ̿ theo giá trị dị thường trọng lực (Erol B (2012)) biểu diễn hệ số ̿ { ̿ ̿ } ∬ ( ) ̿ , tài liệu dạng sau: { } ̅ Chúng ta nghiên cứu đưa giải pháp tối ưu hóa thuật tốn Colombo O.L để giải tích phân (Hà Minh Hịa, Nguyễn Tuấn Anh (2015)) - Sử dụng giá trị dị thường trọng lực khu vực nhỏ để hiệu chỉnh hệ số điều hịa mơ hình trọng trường Trái đất EGM có sẵn cách xác định , giá trị dị thường trọng lực từ mơ hình EGM hiệu ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅ - Tổ chức tính tốn tối ưu hàm Legendre theo phương pháp truy hồi chuẩn hóa chúng nhằm giảm thời gian tính tốn nhớ máy tính; - Tối ưu hóa sơ đồ tính tốn theo tăng dần vĩ độ trắc địa theo đỉnh ô chuẩn mạng lưới (grid) CSDL dị thường trọng lực Trong CSDL dị thường trọng lực, ô chuẩn với kích thước BxL, thường 3’ x 3’ 5’ x 5’, phân bố với M ô chuẩn theo vĩ tuyến N ô chuẩn theo kinh tuyến Chúng ta xếp thứ tự ô chuẩn dị thường trọng lực đưa vào tính tốn theo thứ tự tăng dần vĩ độ trắc địa kinh độ trắc địa đỉnh sở ô chuẩn Khi ký hiệu (i,j) số hiệu ô chuẩn, đỉnh sở ô chuẩn (i,j) đỉnh có đồng thời vĩ độ trắc địa Bi kinh độ trắc địa L j không lớn so với tọa độ trắc địa đỉnh lại Khi đó, tồn CSDL dị thường trọng lực cần số i = 1,2, ,N j = 1,2, ,M 17 Khi ta đặt: Kn ae2 4. GM (n 1) (3.51) n Pn,m (sin Bi ). i, j , ni ,m i qn ae n n nmax / 3, qn n nmax / < n nmax , 1 nmax < n (3.52) (3.53) n - tham số Pellinen L.P tính theo biểu thức Pellinen L.P biểu thức Meisl P biểu thức Sjopberg L E (xem chi tiết Hà Minh Hòa (2014)), nmax - bậc khai triển cực đại mơ hình EGM (đối với mơ hình EGM200 nmax=2190), diện tích chuẩn (i,j) tính theo biểu thức: ij L.sin Bi sin( Bi B), { ̿ ̿ } hệ số: ∑ ̅ A(m) B(m) ) [ cos m j sin m j ] B(m) A(m) ∑ ̅̅̅̅( (sin m.L) / m.L m 0, A(m) m 0, 1 (3.54) (cos m.L 1) / m.L m 0, B ( m) 0 m 0, Trong biểu thức (3.27) phải tính giá trị cos(mX) sin(mX) với biến X Do đó, việc cần xây dựng biểu thức truy hồi để tính tốn giá trị cos(mX) sin(mX) có dạng: cos(mX ) cos X cosm 1 X cosm 2 X (3.55) sin(m X ) cos X sinm 1 X sinm 2 X (3.56) Xác định hiệu: ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅ thường trọng lực từ mơ hình EGM Chú ý ̅̅̅̅ , giá trị dị giá trị trung bình dị thường 18 trọng lực chuẩn (i,j) tính điểm trọng tâm giá trị dị thường trọng lực từ đỉnh ô chuẩn theo biểu thức nội suy song tuyến Jurkin I.G.- Neyman I.M Khi từ (3.27) có biểu thức tính tốn gia số hiệu chỉnh vào hệ số khai triển điều hòa { ̿ ̿ } ∑ ̅ ̿ ∑ ̅̅̅̅̅̅( ̿ sau: A(m) B(m) ) [ cos m j sin m j ] B(m) A(m) Để tổ chức tính tốn hiệu số hiệu chỉnh vào hệ số khai triển điều hòa cầu theo biểu thức (3.30), biểu diễn lại biểu thức (3.30) dạng: N C n,m i K n n,m H i ( m), i 1 S n,m (3.58) vectơ cột H i kích thước 2x1 hàng thứ i (i = 1,2, ,N) xác định theo biểu thức: M A(m) B(m) H i (m) g (i, j ). cos mL j sin mL j (3.59) j 1 A(m) B(m) Để tính tốn tất N vectơ cột H i , xác định giá trị g (i, j ) tất ô chuẩn CSDL dị thường trọng lực theo biểu thức (3.57) xếp theo hàng dạng ma trận Z kích thước N x M sau: Z NxM g1,1 g1,2 g1,M g g g 2,1 2,2 2,M g N ,1 g N ,2 g N ,M (3.60) Tổng số (nmax+1) cặp giá trị A(m), B(m) tính tốn với số m thay đổi từ đến nmax Đối với mơ hình EGM2008 có tất 2190 cặp giá trị nêu Để tiện sử dụng tiếp theo, tổ chức file trực truy (tạm ký hiệu file AB) với số thứ tự ghi đến (nmax+1) Như vậy, số m tương ứng với ghi m+1 Sau tính tốn cặp hệ số A(m), B(m), theo M kinh độ L1 , L2 , , LM điểm sở tiến hành cặp giá trị cos m.L j , sin mL j (j = 1,2, ,M) theo biểu thức (3.55), (3.56) tính tiếp hai giá trị: