Phát triển phương pháp bình sai mạng lưới độ cao hạng I và II quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu

Nội dung báo cáo khoa học này tập trung vào việc trình bày các kết quả nghiên cứu xây dựng phương pháp và lập phần mềm VNAOLG - VIGAC (Vertical Network Adjustment On Local Geoid - Vietnam Institute of Geodesy And Cartography) để bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu.

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 Phát triển phương pháp bình sai mạng lưới độ cao hạng I II quốc gia dựa mặt geoid cục Hòn Dấu  Hà Minh Hòa Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ Việt Nam (Bản thảo nhận ngày 28 tháng 06 năm 2016, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 08 năm 2016) TÓM TẮT Nội dung báo cáo khoa học tập trung vào việc trình bày kết nghiên cứu xây dựng phương pháp lập phần mềm VNAOLG VIGAC (Vertical Network Adjustment On Local Geoid - Vietnam Institute of Geodesy And Cartography) để bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa mặt geoid cục Hòn Dấu Các kết nghiên cứu bao gồm nghiên cứu phương pháp chuyển chênh cao đo từ hệ triều trung bình hệ triều 0; xây dựng phương pháp chuyển đổi chênh cao đo thành hiệu địa thế; phương pháp xác định trọng số hiệu địa đường độ cao hạng I, II quốc gia; phương pháp tìm kiếm đường độ cao thơ phương pháp hiệu chỉnh kết bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia có biến động trị đo (bổ sung số độ cao vào mạng lưới; phục hồi số mốc độ cao bị mất) theo nguyên tắc: dựa kết bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II có mà khơng cần phải bình sai lại tồn mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia Các kết thử nghiệm phần mềm VNAOLG - VIGAC để bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II khu vực miền Bắc Việt Nam bao gồm 143 mốc độ cao hạng I, II, 17 đường độ cao hạng I đường độ cao hạng II cho thấy sai số trung phương đơn vị trọng số sau bình sai ± 1.185 kGal.mm/1km, sai số trung phương lớn giá trị bình sai trọng trường đạt ± 0,021 kGal.m Việc bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II khu vực miền Bắc Việt Nam hệ triều dẫn đến độ lệch độ cao chuẩn mức cực đại ± cm so với kết bình sai mạng lưới hệ triều trung bình Từ khóa: Lưới cao độ, bình sai, geoid, Hòn dấu, VNAOLG – VIGAC GIỚI THIỆU Như trình bày tài liệu [10], dựa điều kiện Molodensky M.S., độ cao chuẩn điểm M nằm mặt vật lý Trái đất xác định theo công thức: H M   M W0  WM M M  g.dh   CM M U U N (1) M Trang SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 Ở W - trọng trường mặt geoid cục sát với mặt biển trung bình nhiều năm trạm nghiệm triều (Ở Việt Nam trạm nghiệm triều Hòn Dấu); W M - trọng trường điểm M; U - trọng trường chuẩn mặt ellipsoid quy chiếu quốc gia; U N - trọng trường chuẩn điểm N tương ứng với điểm M nằm mặt telluroid; dh g - chênh cao đo giá trị trung bình gia tốc trọng lực đoạn đô cao đường độ cao từ mặt geoid cục đến điểm M; giá trị trung bình gia tốc trọng lực chuẩn  M tương ứng với điểm M tính theo cơng thức: M  0   HM  , n (2) 0 – giá trị gia tốc trọng lực chuẩn mặt ellipsoid xác định theo công thức:    e (1   Sin B  1 Sin 2 B ), (3)    0.3086 mGal / m - gradient n gia tốc trọng lực chuẩn;  e - gia tốc trọng lực chuẩn xích đạo ellipsoid; hệ số  ,  xác định theo tham số ellipsoid; B - vĩ độ trắc địa điểm M Ở Việt Nam, mặt quasigeoid cục trùng với mặt geoid cục Hòn Dấu trạm nghiệm triều Hòn Dấu mặt khởi tính cho hệ độ cao Hải Phòng 1972 Việt Nam Hệ độ cao quốc gia Việt Nam hệ độ cao chuẩn Thuật ngữ “Bình sai mạng lưới độ cao quốc gia dựa mặt geoid cục Hòn Dấu” cần hiểu nhờ xác định trọng trường W0 mặt geoid cục Hòn Dấu, thơng qua quan hệ (1) chuyển chênh cao đo thành hiệu địa thông qua trình bình sai theo hiệu địa xác định trị bình sai trọng trường mốc độ cao quốc gia Độ cao chuẩn điểm độ cao Trang quốc gia xác định từ trọng trường bình sai chúng Các nước Châu Âu sử dụng mơ hình Địa hình động lực trung bình (MDT), mơ hình Mặt biển trung bình (MSS) kết đo GPS trạm nghiệm triều 0, ví dụ nước Liên hiệp Châu Âu (EU) xác định trọng trường W0 = 62636851,83 ± 0,71 m2.s-2 mặt geoid cục Normaal Amsterdams Peil (NAP) làm khởi tính cho khung quy chiếu độ cao Châu Âu EVRF2007 [13, 14, 16] với tham gia 24 nước Các trị đo tham gia hiệu địa mốc độ cao Ở Việt Nam, từ đề xuất phương trình tương quan độ cao chuẩn toàn cầu độ cao chuẩn cục phương trình tương quan dị thường độ cao tồn cầu dị thường độ cao cục tài liệu [6], dựa giá trị độ cao chuẩn, độ cao trắc địa (được xác định công nghệ GNSS độ xác cao) dị thường độ cao tồn cầu (được xác định từ mơ hình EGM2008) xác định trọng trường W0 = 62636847,2911 ± 0,18 m2.s-2 mặt geoid cục sát với mặt biển trung bình nhiều năm trạm nghiệm triều Hòn Dấu (xem tài liệu [7, 9, 10, 11]) Việc xác định trọng trường mặt geoid cục trạm nghiệm triều mở nhiều phương hướng đại lĩnh vực Trắc địa vật lý Như trình bày tài liệu [11], hàng loạt toán đại giải liên kết hệ độ cao nước khác nhau, chuyển đổi mơ hình Địa hình động lực trung bình MDT quốc tế hệ độ cao quốc gia để xây dựng thông tin địa lý biển, xây dựng mơ hình quasigeoid quốc gia độ xác cao bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II dựa mặt geoid Do mặt quasigeoid quốc gia trùng với mặt geoid cục biển nên việc bình sai mạng lưới hạng I, II quốc gia dựa mặt quasigeoid quốc gia cho phép xác định trọng trường mốc độ cao hạng TAÏP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 I, II quốc gia Điều cho phép đơn giản giải toán chuyển độ cao hệ độ cao Ngoài ra, mốc độ cao hạng I, II quốc gia, giá trị độ cao trắc địa độ xác cao xác định công nghệ GPS kết hợp với giá trị trọng trường mốc cho phép xác định giá trị nhiễu tạo nên nguồn liệu quan trọng với liệu trọng lực chi tiết sử dụng để hiệu chỉnh hệ số khai triển điều hòa mơ hình EGM cho phù hợp với trọng trường lãnh thổ quốc gia chuyển giá trị từ hệ triều trung bình hệ triều Tuy nhiên, trọng trường mốc độ cao không thay đổi hệ triều trung bình hệ triều 0, nên bình sai mạng lưới độ cao quốc gia theo trị đo hiệu địa khơng nẩy sinh tốn chuyển hiệu địa từ hệ triều trung bình hệ triều Do Việt Nam xác định trọng trường mặt geoid cục Hòn Dấu, nên khn khổ đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ Tài nguyên Môi trường giai đoạn 2013 - 2015 “Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp xử lý toán học mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia hệ độ cao đại” tác giả báo cáo khoa học làm chủ nhiệm đặt nhiệm vụ nghiên cứu phương pháp bình sai độ cao hạng I, II quốc gia dựa mặt quasigeoid quốc gia xác định từ mặt geoid cục Hòn Dấu Các kết thực nhiệm vụ nêu trình bày báo cáo khoa học Bài toán chuyển chênh cao đo thành hiệu địa trọng trường chuẩn ellipsoid quy chiếu quốc gia chứng minh tài liệu [11], theo trường hợp chênh  cao đo hij đoạn độ cao ij chuyển trọng trường chuẩn ellipsoid quy chiếu quốc gia, hiệu địa dC iJ đoạn độ cao tính tốn theo cơng thức: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO HẠNG I, II QUỐC GIA DỰA TRÊN MẶT GEOID CỤC BỘ HÒN DẤU Dưới sức hút Mặt trăng Mặt trời, mặt vật lý Trái đất bị biến dạng triều sóng triều theo chu kỳ sóng vùng Do đó, theo Nghị 16 Hội Trắc địa quốc tế IAG Hamburg (CHLB Đức) vào năm 1983 (International Association of Geodesy (IAG)), trị đo đạc đại lượng trắc địa phải tính tốn hệ triều tương ứng với bề mặt Trái đất bị biến dạng bổ sung Như vậy, phải loại bỏ ảnh hưởng sóng vùng đến chênh cao đo độ cao chuẩn, tức Hiệu địa dC iJ đoạn độ cao ij quan hệ với trọng trường Wi , W j mốc độ cao i, j theo công thức: dCiJ  Wi  W j H    ij   j i dCiJ   ij h  ij Ở  ij  ij  j  i   - giá trị trung bình  i  j hai mốc độ cao i giá trị j; H   (4) H  H j i - độ cao chuẩn trung bình hai mốc độ cao i j,  i  j giá trị trung bình gia tốc trọng lực chuẩn mốc độ cao i j tính theo cơng thức (2) Trong tốn bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa mặt geoid cục nhận đơn vị chênh cao đo, độ cao chuẩn mét (m), đơn vị trọng trường W mốc độ cao, hiệu địa dC kGal.m Với lý này, gia tốc trọng lực chuẩn xác định theo công thức (2) (3) phải chuyển đơn vị Trang SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 kGal Đối với ellipsoid quy chiếu quốc gia WGS84, cơng thức (2) (3) có dạng:     0.1543.10 6.H   0.036.10 12  H  (5)  kGal  đó,   0.9780325335 * 1  0.0053023132 sin B     kGal      0.0000058179 4875 sin B  (6) Khi sử dụng hiệu địa dC đơn vị kGal,m, trọng số hiệu địa trọng số chênh cao đo đoạn thủy chuẩn Ở Việt Nam, điểm M có độ cao  chuẩn H M (đơn vị m), trọng trường điểm xác định theo công thức:  W M  6263684.72911   M H M  kGal m  Ở giá trị trung bình gia tốc lực trọng trường chuẩn  M (đơn vị kGal) xác định theo công thức (5), (6) Điểm độ cao L6 điểm khởi tính hệ độ cao hạng I, II quốc gia có vĩ độ 20047’54” độ cao chuẩn 0,5964 m Khi trọng trường điểm khởi tính hệ độ cao hạng I, II quốc gia Việt Nam 6263684,1454 kGal.m Nhằm đáp ứng yêu cầu phương pháp bình sai đại bao gồm khả sử dụng kỹ thuật ma trận thưa, khả phát tìm kiếm trị đo thơ, khả hiệu chỉnh kết bình sai mạng lưới có từ trước mạng lưới độ cao có biến động mà khơng phải bình sai lại tồn mạng lưới sử dụng thuật tốn bình sai truy hồi với phép biến đổi xoay trung bình T - thuận T - nghịch (xem tài liệu [8]) Các kết nghiên cứu triển khai phần mềm bình sai mạng lưới độ cao Trang hạng I, II quốc gia VNAOLG - VIGAC (Vertical Network Adjustment On Local Geoid Vietnam Institute of Geodesy And Cartography) Các kết thực nghiệm bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II khu vực miền Bắc Việt Nam bao gồm 143 mốc độ cao hạng I, II (106 mốc độ cao hạng I, 37 mốc độ cao hạng II), 22 đường độ cao hạng I, II (17 đường độ cao hạng I, đường độ cao hạng II) cho sai số trung phương đơn vị trọng số sau bình sai ± 1.185 kGal.mm/1km, số cải nghiệm cực đại 0.077 kGal.m Sai số trung phương lớn giá trị bình sai trọng trường đạt ± 0,021 kGal.m điểm yếu I(BHTH)39, I(BH-TH)45-1, I(BH-TH)53A I(BHTH)58 Mạng lưới bình sai hệ triều Việc so sánh độ cao chuẩn bình sai khn khổ đề tài với độ cao chuẩn mốc độ cao hạng I, II Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam cung cấp, độ chênh cực đại độ cao chuẩn so sánh nằm mức ± cm KẾT LUẬN Phương pháp bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia xu hướng đại lý thuyết hiệu chỉnh toán học mạng lưới trắc địa nhằm hoàn thiện phương pháp bình sai truyền thống tính đến thành tựu đại việc xác định trọng trường mặt geoid cục sát với mặt biển trung bình trạm nghiệm triều ứng dụng giá trị trọng trường mốc độ cao hạng I, II quốc gia việc giải hàng loạt toán đại Trắc địa vật lý liên kết hệ độ cao nước khác nhau, xây dựng mơ hình quasigeoid quốc gia độ xác cao kết hợp với cơng nghệ GNSS để xác định giá trị nhiễu mốc độ cao hạng I, II quốc gia phục vụ việc giải toán hiệu chỉnh hệ số khai triển điều hòa TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 mơ hình EGM cho phù hợp với trọng trường lãnh thổ quốc gia Phương pháp bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II trình bày báo cáo khoa học đáp ứng đầy đủ yêu cầu quốc tế đại việc bình sai mạng lưới trắc địa quốc gia gắn kết với việc ứng dụng hệ thống thông tin trắc địa quốc gia Tiếp theo nước EU, kết bình sai thử nghiệm mạng lưới độ cao hạng I, II khu vực miền Bắc Việt Nam dựa mặt geoid cục Hòn Dấu kết công bố Châu Á theo phương pháp bình sai mạng lưới quốc gia dựa mặt geoid cục Development of method for adjusting the national I and II orders vertical network based on the local geoid Hon Dau  Ha Minh Hoa Institute of Geodesy and Cartography, Vietnam ABSTRACT The paper concentrates on researching results in building of method and software VNAOLG-VIGAC (Vertical Network Adjustment On Local Geoid - Vietnam Institute of Geodesy And Cartography) for adjustment of national first, second orders vertical network bassed on local geoid Hon Dau Main results consist of researching method for conversion of a measured geometric height differences from mean tide system to zero tide sysstem; construction of method of transformation of the measured geometric height differences into a geopotential differences; method of calculation of weights of the geopotential differences on first, second orders levelling lines; method of detection of outlier levelling lines and methods of correction of results of the national first, second orders vertical network adjustment on case of change of observables (adding of some new levelling lines, restoring of some lost benchmarks) by principle: Based on present results of the national first, second orders vertical network adjustment without readjustment of the whole network The experiment results of software VNAOLG-VIGAC for the national first, second orders vertical network adjustment on the Vietnam Northern region with 143 first, second orders benchmarks, 17 first order levelling lines, second order levelling lines showed that RMS unit weight is equal to ± 1.185 kGal.mm/1km, maximal RMS of adjusted geopotential reaches ± 0,021 kGal.m Adjustment of the national first, second orders vertical network adjustment on the Vietnam Northern region in zero tide system leads to maximal offset of normal heights at level of ± cm in comparison with those of in mean tide system Keywords: vertical network, adjustment, geoid, Hon Dau, VNAOLG-VIGAC Trang SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam, Thiết kế kỹ thuật - dự tốn bình sai tổng thể lưới độ cao nhà nước hạng 1,2 Báo cáo Tổng kết kỹ thuật, Hà Nội, 2008 [2] Bursa M., Report of special Commission SC3, Fundamental Constants, Travoux de L’Association Internationale de Geodesie, Reports Generaux et Rapports Rechnique, IAG, 140 rue de Grenelle, 75700 Paris, 1995 [3] Bursa M., Kenyon S., Kouba J., Muller A., Radej K., Vatrt V., Vojtiskova M., Vitek V., Long - Term Stability of Geoidal Geopotential from TOPEX/POSEIDON Satellite Altimetry 1993 – 1999, Earth, Moon and Planets, 84 (3), 163-176, 1999 [4] Bursa M., Kenyon S., Kouba J., Sima Z., Vatrt V., Vitek V., Vojtiskova M., The geopotential value W0 for specifying the relativistic atomic time scale and a global vertical reference system Journal of Geodesy, 81 (2), 103-110, 2007 [5] Dennis D McCarthy, Gerard Petit IERS Conventions (2003) IERS Technical Note No 32 Frankfurt am Main, 2004 [6] Hà Minh Hòa Giải số vấn đề liên quan đến việc chuyển hệ độ cao xác định từ mặt nước biển trung bình trạm thủy triều mặt Quasigeoid tồn cầu Tạp chí Địa số 2, – 11, 2007 [7] Hà Minh Hòa, Nghiên cứu xác định trọng trường thực W0 mặt Geoid cục trùng với mặt biển trung bình trạm nghiệm triều Hòn Dấu Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ “Trắc địa Bản đồ nghiệp tài nguyên Môi trường” Viện Khoa học Đo Trang 10 đạc Bản đồ - Hội Trắc địa, Bản đồ Viễn thám Việt Nam, Hà Nội, 6-19, 2012 [8] Hà Minh Hòa Phương pháp bình sai truy hồi với phép biến đổi xoay NXB Khoa học Kỹ thuật, 2013 [9] Ha Minh Hoa, Estimating the geopotential value W0 of the local geoid based on data from local and global normal heights of GPS/Leveling points in Vietnam Geodesy and Cartography Taylor & Francis UDK 528.21, 39 (3), 99-105, 2013 [10] Hà Minh Hòa Phương pháp xử lý tốn học mạng lưới trắc địa quốc gia NXB Khoa học Kỹ thuật, 2014 [11] Hà Minh Hòa Lý thuyết thực tiễn Trọng lực trắc địa NXB Khoa học Kỹ thuật, 2014 [12] International Association of Geodesy (IAG) IAG Resolutions adopted at the XVIII General Assembly of the IUGG in Hamburg, Bulletin Geodetique - The Geodesist’s handbook, 58 (3), p 321, 1984 [13] Ihde J., Status of the European Vertical Reference System (EVRS) EVRS Workshop, Frankfurt Main April 5-7, 2004 [14] Makinen J., The treatment of permanent tide in EUREF products The Symposium of the IAG Sub-commission for Europe (EUREF) in Brussels, June 17 - 21, 2008 [15] Petit G., Luzum B., IERS Conventions (2010), IERS Technical Note No 36, Frankfurt am Main, p 179, 2010 [16] Sacher M., Ihde J., Liebsch G., Makinen J EVRF2007 as Realization of the European Vertical Reference System EUREF Symposium, Brussels, June 17 - 21, 2008  ... độ xác cao bình sai mạng lư i độ cao hạng I, II dựa mặt geoid Do mặt quasigeoid quốc gia trùng v i mặt geoid cục biển nên việc bình sai mạng lư i hạng I, II quốc gia dựa mặt quasigeoid quốc gia. .. hạng I, II quốc gia hệ độ cao đ i tác giả báo cáo khoa học làm chủ nhiệm đặt nhiệm vụ nghiên cứu phương pháp bình sai độ cao hạng I, II quốc gia dựa mặt quasigeoid quốc gia xác định từ mặt geoid. .. hạng I, II khu vực miền Bắc Việt Nam bao gồm 143 mốc độ cao hạng I, II (106 mốc độ cao hạng I, 37 mốc độ cao hạng II) , 22 đường độ cao hạng I, II (17 đường độ cao hạng I, đường độ cao hạng II)