NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI ỔN ĐỊNH MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO QUỐC GIA TRONG HỆ ĐỘ CAO DỰA TRÊN MẶT GEOID CỤC BỘ Ở VIỆT NAM

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

NGUYỄN THỊ THANH HƯƠNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
BÌNH SAI ỔN ĐỊNH MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO QUỐC GIA
TRONG HỆ ĐỘ CAO DỰA TRÊN MẶT GEOID
CỤC BỘ Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

NGUYỄN THỊ THANH HƯƠNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
BÌNH SAI ỔN ĐỊNH MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO QUỐC GIA
TRONG HỆ ĐỘ CAO DỰA TRÊN MẶT GEOID
CỤC BỘ Ở VIỆT NAM
Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

Mã số: 62520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TSKH Hà Minh Hòa

Hà Nội - 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thanh Hương


i

MỤC LỤC
Danh mục các chữ viết tắt.................................................................................. iv
Danh mục các bảng ............................................................................................ v
Danh mục các hình ............................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
BÌNH SAI ỔN ĐỊNH MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO QUỐC GIA TRONG HỆ ĐỘ

CAO DỰA TRÊN MẶT GEOID CỤC BỘ .................................................... 12
1.1. Sự cần thiết phải xây dựng hệ độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ................ 12
1.2. Tình hình phát triển hệ độ cao hiện đại dựa trên mặt geoid trên thế giới ................... 17
1.3. Tình hình phát triển hệ độ cao hiện đại dựa trên mặt geoid cục bộ ở Việt Nam ....... 27
1.3.1. Hiện trạng Hệ độ cao quốc gia Việt Nam .................................................27
1.3.2. Tình hình nghiên cứu phát triển hệ độ cao hiện đại dựa trên mặt geoid cục
bộ ở Việt Nam......................................................................................................33
1.4. Các yêu cầu của phương pháp bình sai hiện đại ........................................................... 35
1.5. Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ................................................................................ 44
1.5.1. Nghiên cứu, đề xuất phương pháp bình sai để tìm kiếm các trị đo thô trong
mạng lưới độ cao quốc gia..................................................................................45
1.5.2. Nghiên cứu nguyên lý tác động của hiện tượng triều Trái Đất đến các kết
quả đo thủy chuẩn quốc gia ................................................................................46
1.5.3. Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định trọng số của các chênh cao đo
trong quá trình bình sai mạng lưới độ cao quốc gia ..........................................47
1.6. Kết luận chương 1 ............................................................................................................ 48
Chương 2. NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG
TRIỂU TRÁI ĐẤT ĐẾN CÁC KẾT QUẢ ĐO THỦY CHUẨN QUỐC GIA .... 50
2.1. Sự biến dạng bề mặt Trái Đất do hiện tượng triều dưới sức hút của Mặt Trăng và
Mặt Trời ................................................................................................................................... 50
2.2. Hiệu địa thế giữa hai mốc độ cao trong hệ triều 0 ........................................................ 55
2.2.1. Chuyển các chênh cao đo thành các hiệu địa thế .....................................55


ii

2.2.2.Chuyển hiệu địa thế từ hệ triều trung bình về hệ triều 0 ...........................58
2.3. Kết luận chương 2 ............................................................................................................ 60
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI ỔN ĐỊNH MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO QUỐC
GIA TRONG HỆ ĐỘ CAO DỰA TRÊN MẶT GEOID CỤC BỘ HÒN DẤU ........ 62

3.1. Phương pháp xác định trọng số của các chênh cao đo trên các đường độ cao hạng I, II
quốc gia .................................................................................................................................... 62
3.1.1. Nghiên cứu các phương pháp xác định sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống
của chênh cao trên 1km thủy chuẩn ....................................................................62
3.1.2. Tính trọng số của chênh cao trên các đường độ cao hạng I, II ................69
3.1.3. Xác định trọng số của các hiệu địa thế trên các đường độ cao hạng I, II .....71
3.2. Phát triển thuật toán bình sai ổn định mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên
mặt geoid cục bộ Hòn Dấu ở Việt Nam ................................................................................ 73
3.2.1. Phát triển thuật toán phát hiện và tìm kiếm các trị đo thô trong bình sai
mạng lưới độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu ở Việt Nam ...73
3.2.2. Phương pháp bình sai truy hồi với phép biến đổi xoay (thuật toán T thuận) ..... 83
3.3. Bình sai ổn định mạng lưới độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ ở Việt Nam .... 90
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................................ 91
Chương 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM BÌNH SAI MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO
HẠNG I, II QUỐC GIA TRÊN MẶT GEOID CỤC BỘ HÒN DẤU................... 93
4.1. Khái quát chung về số liệu thực nghiệm........................................................................ 93
4.2. Tìm kiếm và phát hiện sai số thô .................................................................................... 95
4.3. Bình sai mạng lưới độ cao quốc gia với các trị đo hiệu địa thế ................................... 95
4.3.1. Tính thế trọng trường WL6 của mốc độ cao khởi đầu ........................................ 95
4.3.2. Chuyển chênh cao về hiệu địa thế giữa hai mốc i và j ...................................... 96
4.3.3. Truyền thế trọng trường từ điểm khởi tính ra toàn lưới..................................... 98
4.3.4. Tính trọng số của các đường độ cao hạng I, II ................................................... 98
4.3.5. Lập phương trình số cải chính của đường ij ...................................................... 99
4.3.6. Tính các giá trị bình sai của các thế trọng trường của các mốc độ cao và đánh
giá độ chính xác ................................................................................................................ 99


iii

4.3.7. Đánh giá độ chính xác......................................................................................... 100

4.3.8. Chuyển giá trị bình sai của thế trọng trường của mốc M ra giá trị bình sai của
độ cao chuẩn ................................................................................................................... 101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 103
A. KẾT LUẬN ............................................................................................................... 103
B. KIẾN NGHỊ ............................................................................................................... 105
DANH MỤC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN
NỘI DUNG LUẬN ÁN ................................................................................. 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 108


iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ

Giải thích

DEM

Digital Elevation Model

DNSC

the Danish National Space Center

DTU

Denmark’sTechnical University

EGM

Earth Gravitational Model

EIGEN
ENVISAT

European Improved Gravity model of the Earth by New techniques
ENVIronmental SATellite

ERS

European Remote-sensing Satellite

EVRF

European Vertical Reference Frame

GFO

Geosat Follow-On

GGM

the GEOSAT Geodetic Mission

GNSS

Global Navigation Satellite System

GSD

The Geodetic Survey Division

GVRF

Geoid - based Vertical Reference Frame for North America

IAG

International Association of Geodesy

ITRF

International Terrestrial Reference Frame

MDT

Mean Dynamic Topography (Sea Topography Surface)

MSS

MeanSea Surface

NAD

North America Datum

NAP

Normal Amsterdams Peil

NAVD
NGS

North America Vertical Datum
the US National Geodetic Survey

NRCan

Natural Resources Canada

SIRGAS
TEG

SIstema de Referencia Geocéntrico para las AméricaS
(South American Geocentric Reference System)
Texas Earth Gravity

TGO

Tide Gauge Offset

TOPEX

ocean TOPography EXpeniment

USGG2012

the U.S. Gravimetric Geoid of 2012

USGG

United States’ Gravimetric Geoid

IERS

Internatioal Earth Rotation Service


v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Thế trọng trường thực của mặt geoid cục bộ của một số quốc gia ở
Châu Âu, Bắc Mỹ, Canada và Australia ......................................................... 23
Bảng 1.2. Một số kết quả bình sai mạng lưới UELN trong EVRF2007 ......... 26
Bảng 1.3. Các đường độ cao hạng I, II quốc gia............................................. 31
Bảng 2.1. Sai số hệ thống do biến dạng triều theo vĩ độ ................................ 55
Bảng 2.2. Số cải chính để chuyển hiệu địa thế từ hệ triều trung bình về hệ
triều 0............................................................................................................... 60
Bảng 3.1. Các hạn sai trong đa giác khép kín khi bình sai mạng lưới độ cao
hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ ................................................. 71
Bảng 4.1. Dữ liệu đầu vào ............................................................................... 94
Bảng 4.2. Chuyển chênh cao thành hiệu địa thế giữa hai mốc ....................... 97
Bảng 4.3. Truyền thế trọng trường từ điểm khởi tính ra toàn lưới ................. 98
Bảng 4.4. Tính trọng số của các đường độ cao hạng I, II ............................... 99
Bảng 4.5. Giá trị bình sai của các thế trọng trường của các mốc độ cao ...... 100
Bảng 4.6. Sai số trung phương của trị bình sai các điểm cần tìm ................. 100
Bảng 4.7. Độ cao chuẩn sau bình sai theo hiệu địa thế................................. 101
Bảng 4.8. So sánh với kết quả bình sai theo phương pháp truyền thống...... 102

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Quan hệ giữa các mặt cơ bản trong lý thuyết của Molodenxkii M.X. ........19
Hình 1.2. Sơ đồ mạng lưới độ cao hạng I, II Nhà nước .................................. 32
Hình 2.1. Bề mặt Trái Đất không bị biến dạng triều....................................... 52
Hình 2.2. Sự nâng lên của quasigeoid không bị biến dạng triều .................... 53
Hình 2.3. Quan hệ giữa các mặt quasigeoid trong các hệ triều ...................... 54
Hình 3.1. Đường thủy chuẩn ........................................................................... 63
Hình 4.1. Sơ đồ mạng lưới thử nghiệm........................................................... 93


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Vào những năm cuối Thế kỷ 20 và đầu Thế kỷ 21, các quốc gia phát triển
ở Châu Âu và Châu Mỹ đã và đang hoàn thiện Hệ độ cao dựa trên mặt geoid.
Các nước Châu Âu đã hoàn thành việc xây dựng Hệ độ cao Châu Âu EVRF
2007 vào năm 2007 với mặt khởi tính là mặt geoid cục bộ đi qua Normaal
Amsterdams Peil (NAP) tại trạm nghiệm triều Amsterdam (Hà Lan) với thế
trọng trường thực WNAP =(62636857,25 ± 0,53) m2.s-2 [Fortes P., Lauría E.,
Brunini C., Amaya W., Sánchez L., Drewes H., Seemuller W., 2006]. Các nước
Nam Mỹ đã xây dựng Hệ quy chiếu độ cao SIRGAS dựa trên mặt geoid với thế
trọng trường thực W0 = 62636853,4 m2s-2 [Sánchez L., 2005]. Trong giai đoạn
2002-2013, Phân ban Đo đạc Trắc địa (GSD) trực thuộc Bộ Tài nguyên Canada

(NRCan) đã thực hiện dự án hiện đại hóa Hệ độ cao Canada GVRF, theo đó Hệ
độ cao mới dựa trên mặt geoid cục bộ với thế trọng trường thực W = W0 =
62636864,61 m2/s2 đi qua mặt biển trung bình tại trạm nghiệm triều Rimouski
[M a kinen J.(2008); Marc Veronneau. (2010a)]. Cơ quan Trắc địa quốc gia
Mỹ (NGS) hiện cũng đang hoàn thiện Hệ độ cao hiện đại dựa trên mặt geoid
và dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2018 [Marc Veronneau. (2010b)].
Tiền đề để thúc đẩy việc xây dựng hệ độ cao dựa trên mặt geoid ở các nước
và các khu vực trên thế giới xuất phát từ việc xác định được thế trọng trường
thực W0 của mặt geoid toàn cầu trên các biển và các đại dương thế giới nhờ các
dữ liệu đo cao vệ tinh (altimetry). Thế trọng trường thực W0 = 62636856.0m2.s-2
của mặt geoid toàn cầu được Tổ chức Dịch vụ quay Trái Đất IERS công nhận tại
các Quyết định 2003 và 2010 [Dennis D. McCarthy, Gerard Petit. (2004); Petit
G., Luzum B. (2010)] và được sử dụng trong nhiều mô hình trọng trường Trái
Đất như GOCE, GRACE, EGM2008, USGG2012,... các mô hình địa hình động
lực trung bình MDT và các mô hình mặt biển trung bình MSS.


2

Các lợi ích to lớn của việc xây dựng hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ
bao gồm: Nâng cao độ chính xác của mô hình quasigeoid quốc gia dựa trên việc
đồng bộ hóa các dị thường độ cao GNSS/thủy chuẩn và dị thường độ cao trọng
lực [Hà Minh Hòa (2012a); Hà Minh Hòa (2012b)]; chuyển đổi mô hình địa
hình động lực trung bình MDT và mô hình trọng trường Trái Đất EGM từ mặt
geoid toàn cầu về mặt geoid cục bộ, phục vụ việc xây dựng nền thông tin địa
lý trên biển và xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia; đơn giản hóa việc kết
nối hệ độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ với các hệ độ cao dựa trên
mặt geoid cục bộ của các nước khác nhằm tăng cường hợp tác khoa học quốc
tế trong việc sử dụng các dữ liệu địa hình phục vụ dự báo các thảm họa tự nhiên;
cung cấp dữ liệu bổ sung quan trọng để làm chính xác các hệ số khai triển điều

hòa của thế trọng trường Trái Đất, ngoài dữ liệu đo trọng lực chi tiết trên phạm
vi lãnh thổ một quốc gia hoặc một khu vực,...
Hệ độ cao quốc gia Việt Nam (HP72) được xây dựng dựa trên việc sử
dụng mặt nước biển trung bình tại trạm nghiệm triều Hòn Dấu (Đồ Sơn, Hải
Phòng) làm mặt khởi tính và được tính toán trong hệ thống độ cao chuẩn. Việc
chuyển độ cao từ mặt nước biển trung bình tại trạm nghiệm triều Hòn Dấu
vào mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia được thực hiện nhờ mạng lưới “0”
gồm 06 mốc và mạng lưới độ cao gốc gồm 21 mốc. Mạng lưới độ cao hạng
I,II quốc gia được xây dựng, tu bổ theo nhiều giai đoạn và đến năm 2008 đã
hoàn thành việc đo đạc kiểm tra, khôi phục các mốc bị mất hay không bảo
đảm chất lượng, kết hợp với việc phát triển thêm 02 đường độ cao hạng II mới
(Anh Sơn - Khe Sanh và Đăkrông - Thành Mỹ) và được tính toán bình sai
tổng thể. Kết quả kiểm tra độ chính xác đo đạc trên các tuyến thủy chuẩn hạng
I, II quốc gia theo các sai số khép cho thấy chất lượng đo đạc thủy chuẩn hạng
I, II đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của “Quy phạm xây dựng lưới độ cao Nhà
nước hạng I, II, III và IV” do Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước ban hành năm
1988. Do Hệ độ cao HP72 thuộc hệ độ cao chuẩn, nên mặt biển trung bình


3

nhiều năm tại trạm nghiệm triều Hòn Dấu được chọn làm mặt khởi tính cho
Hệ độ cao quốc gia. Về mặt lý thuyết, mặt khởi tính cho hệ độ cao chuẩn là
mặt quasigeoid trùng với mặt geoid cục bộ Hòn Dấu, thêm vào đó, mặt geoid
cục bộ Hòn Dấu sát nhất với mặt biển trung bình nhiều năm tại trạm nghiệm
triều Hòn Dấu. Tuy nhiên, trong hơn 40 năm khai thác hệ độ cao HP72, chúng
ta chưa xác định được mặt geoid cục bộ Hòn Dấu và vẫn coi mặt biển trung
bình nhiều năm trùng với mặt geoid cục bộ Hòn Dấu. Vì lý do này, hệ độ cao
quốc gia HP72 còn được gọi là hệ độ cao dựa trên mặt geoid Gauss-Listing
xuất phát từ quan điểm của C.F. Gauss vào năm 1828 coi mặt geoid toàn cầu

trùng với mặt biển trung bình không bị nhiễu trên các biển và các đại dương
thế giới và quan điểm của Listing J.B. vào năm 1873 coi mặt geoid là mặt
khởi tính cho hệ độ cao. Trong thực tế, Hệ độ cao HP72 hoàn toàn đáp ứng
các yêu cầu kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình phục vụ công tác quy hoạch
phát triển kinh tế - xã hội và quốc phòng - an ninh. Tuy nhiên, Hệ độ cao
dựa trên mặt biển trung bình nhiều năm bộc lộ nhiều nhược điểm trong việc
giải quyết các nhiệm vụ khoa học - kỹ thuật hiện đại liên quan đến việc thành
lập và sử dụng các loại dữ liệu địa hình cả trên đất liền và trên biển; thống
nhất dữ liệu địa hình của nhiều quốc gia để dự báo nước biển dâng và các
thảm họa tự nhiên trên phạm vi lớn; thành lập nền thông tin địa lý quốc gia
trên biển; xây dựng mô hình quasigeoid độ chính xác cao thống nhất trên
toàn bộ vùng biển và phần lục địa thuộc lãnh thổ quốc gia dựa trên các dữ
liệu độ cao chuẩn, công nghệ GNSS, mô hình trọng trường Trái Đất EGM
và mô hình địa hình động lực trung bình (MDT) do các tổ chức khoa học và
công nghệ quốc tế cung cấp. Nguyên nhân của các vấn đề nêu trên nằm ở
chỗ các mặt biển trung bình nhiều năm tại các trạm nghiệm triều ở các khu
vực khác nhau trong một quốc gia hoặc các khu vực khác nhau trên thế giới
không trùng nhau, tức là các mặt biển trung bình nhiều năm không phải là
mặt đẳng thế [Ekman, M. (1989)].


4

Ngoài những hạn chế đã nêu ở trên của hệ độ cao dựa trên mặt biển trung
bình, chúng ta còn phải nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp xử lý toán học
của các mạng lưới độ cao quốc gia. Thực tế đã chỉ ra rằng, kết quả bình sai
mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia vào năm 2008 đã bộc lộ một số hạn chế
sau đây [Nguyễn Thị Hương (2012a); Nguyễn Thị Thanh Hương (2012b); Hà
Minh Hòa, Nguyễn Thị Thanh Hương (2015)].
- Bình sai các mạng lưới độ cao quốc gia trong hệ triều trung bình, chưa

phản ánh được sự tác động của các hiện tượng triều Trái Đất lên kết quả đo
thủy chuẩn quốc gia và không phù hợp với quy định của quốc tế. Theo quy định
quốc tế, các số liệu trắc địa phải được tính toán trong hệ triều 0 (IAG) (1984));
- Trọng số của các chênh cao đo được xác định theo hạn sai của các đường
thủy chuẩn hạng I, II trong Quy phạm, chưa dựa vào các sai số trung phương
ngẫu nhiên và sai số hệ thống được xác định trên các tuyến thủy chuẩn Nhà nước.
- Thuật toán được lựa chọn để xây dựng chương trình bình sai chưa phù
hợp với yêu cầu của bài toán bình sai hiện đại.
Với mong muốn góp một phần sức lực nhỏ bé của mình vào việc xây
dựng hệ độ cao hiện đại ở Việt Nam, ngoài nhiệm vụ nghiên cứu cơ sở khoa
học của việc xây dựng hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ tại trạm nghiệm
Hòn Dấu, luận án còn giải quyết nhiều nhiệm vụ khoa học kỹ thuật liên quan
đến việc xây dựng hệ độ cao hiện đại như chuyển chênh cao đo trong trường
trọng lực thực của Trái Đất về hiệu địa thế giữa hai mốc độ cao trong trường
trọng lực chuẩn của ellipsoid quy chiếu; xác định thứ nguyên và trọng số của
các hiệu địa thế trên các đường thủy chuẩn;... Ngoài các nội dung khoa học
chuyên ngành nêu trên, luận án còn tập trung nghiên cứu hoàn thiện phương
pháp xử lý toán học các mạng lưới độ cao Nhà nước cho phù hợp với yêu
cầu của bài toán bình sai hiện đại như phát hiện và tìm kiếm trị đo thô, sử
dụng kỹ thuật ma trận thưa, bình sai mạng lưới độ cao quốc gia trong hệ triều


5

0 cho phù hợp với quy định tại Nghị quyết 16 của Hội Trắc địa quốc tế (tại
cuộc họp 1983 IAG/UGG tại Hamburg năm 1983 đã ra Nghị quyết 16 với
quy định “Các hệ thống được sử dụng trong Trắc địa phải tương ứng với Hệ
triều 0 (Zero - Tide System)” khi tính đến tác động của hiện tượng triều Trái
Đất dưới sức hút của Mặt Trăng và Mặt Trời). Xây dựng hệ độ cao dựa trên
mặt geoid là xu hướng hiện đại của các quốc gia trên thế giới. Đặc biệt, trong

điều kiện địa thế lãnh thổ Việt Nam, nằm trên các đới đứt gãy có biểu hiện
hoạt động dịch chuyển và động đất mạnh, với một nền địa chất không ổn
định, mật độ dân số rất cao, tốc độ khai thác các nguồn tài nguyên thiên nhiên
phục vụ cho mục đích mưu sinh lớn, hạ tầng cơ sở phát triển mạnh và có
phần tùy tiện, lại chịu tác động trực tiếp của biến đổi khí hậu, động đất, sóng
thần,… thì việc các mốc độ cao Nhà nước bị mất, bị xê dịch hay bị phá hủy
là điều không thể tránh khỏi. Điều đó càng thúc đẩy việc nhanh chóng xây
dựng hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ ở Việt Nam để cung cấp nhanh
chóng, chính xác dữ liệu trắc địa cho nhiệm vụ phát triển kinh tế - xã hội và
bảo đảm quốc phòng - an ninh của đất nước. Hơn nữa, nếu chỉ xét trên phạm
vi lãnh thổ Việt Nam thì dữ liệu trắc địa, bản đồ thu được dù mức độ đầy đủ,
chi tiết đến bao nhiêu cũng không thể đáp ứng được các tiêu chuẩn để giải
quyết các bài toán của Trắc địa Vật lý hiện đại... Vì vậy, nghiên cứu phương
pháp để sử dụng các thành quả khoa học công nghệ tiên tiến của thế giới
trong việc giải quyết các bài toán khoa học kỹ thuật của Việt Nam là một
nhiệm vụ rất quan trọng trong giai đoạn hiện nay. Nhằm chuẩn bị sẵn sàng
cơ sở lý thuyết và công cụ xử lý toán học các mạng lưới độ cao Nhà nước
khi Việt Nam tiến hành xây dựng hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ, đề
tài “Nghiên cứu phương pháp bình sai ổn định mạng lưới độ cao quốc gia
trong hệ độ cao dựa trên mặt geoid ở Việt Nam”thể hiện tính cấp thiết, góp
phần đẩy nhanh tiến độ xây dựng và hiện đại hóa hệ độ cao quốc gia Việt


6

Nam trong xu thế hợp tác và hội nhập khoa học quốc tế để giải quyết các bài
toán mang tính khu vực và toàn cầu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu đề xuất phương pháp bình sai ổn định mạng lưới độ cao quốc

gia trong hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ ở Việt Nam
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Nghiên cứu nguyên lý tác động của hiện tượng triều Trái Đất đến các
kết quả đo thủy chuẩn quốc gia.
- Hoàn thiện phương pháp xác định trọng số của các chênh cao đo trong
quá trình bình sai mạng lưới độ cao quốc gia.
- Đề xuất phương pháp phát hiện, tìm kiếm các trị đo thô và bình sai mạng
lưới độ cao quốc gia với các ẩn số là các giá trị thế trọng trường của các mốc
độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu.
2.3. Nhiệm vụ
Để đạt được mục tiêu nêu trên, nội dung nghiên cứu đã thực hiện các
nhiệm vụ sau đây:
- Thu thập, phân tích các tài liệu khoa học trong nước và trên thế giới liên
quan đến việc bình sai mạng lưới độ cao trong Hệ độ cao dựa trên mặt geoid
cục bộ Hòn Dấu;
- Nghiên cứu hoàn thiện nguyên lý tác động của hiện tượng triều Trái Đất
đến các kết quả đo thủy chuẩn quốc gia;
- Nghiên cứu sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trên 1 km thủy chuẩn
theo các mô hình khác nhau;
- Nghiên cứu phương pháp bình sai để tìm kiếm các trị đo thô trong mạng
lưới độ cao quốc gia. Phát triển thuật toán bình sai ổn định mạng lưới độ cao
quốc gia;


7

- Xác định ý nghĩa của việc lựa chọn các giá trị thế trọng trường của các mốc
độ cao hạng I, II quốc gia làm các tham số cần tìm;
- Nghiên cứu phương pháp chuyển các chênh cao đo thành các hiệu địa thế
giữa các mốc độ cao hạng I, II quốc gia;

- Hoàn thiện phương pháp xác định trọng số của các chênh cao đo và đề
xuất việc tính toán trọng số của các hiệu địa thế trong quá trình bình sai mạng
lưới độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu;
- Nghiên cứu tác động của hiện tượng triều Trái Đất đến các giá trị thế
trọng trường của các mốc độ cao trong hệ triều trung bình và hệ triều 0;
- Nghiên cứu lựa chọn đơn vị của các hiệu địa thế giữa các mốc độ cao
hạng I, II và xây dựng các phương trình số cải chính của các hiệu địa thế giữa
các mốc độ cao hạng I, II quốc gia;
- Thực nghiệm tính toán bình sai ổn định mạng lưới độ cao quốc gia với
các ẩn số là các giá trị thế trọng trường của các mốc độ cao hạng I, II quốc gia
trong Hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu;
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là các
vấn đề khoa học liên quan đến việc hoàn thiện phương pháp tính toán và quy
trình bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ
Hòn Dấu với các trị đo là các hiệu địa thế.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi bình sai mạng ổn định mạng
lưới độ cao hạng I, II quốc gia ở Việt Nam trong hệ độ cao dựa trên mặt geoid
cục bộ Hòn Dấu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án được thực hiện trên cơ sở các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp hồi cứu: Tìm kiếm, thu thập các tài liệu và cập nhật các
thông tin trên mạng Internet và thư viện.


8

- Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết về yêu cầu bài toán bình

sai ổn định, các yêu cầu thực tế của bài toán bình sai ổn định để tìm kiếm trị đo
thô trong mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia trong hệ độ cao dựa trên mặt geoid
cục bộ.
- Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, định lý, công thức, kết
luận đã được chứng minh để hoàn thiện nguyên lý tác động của hiện tượng triều
Trái Đất đến các kết quả đo thủy chuẩn quốc gia.
- Phương pháp so sánh: So sánh phân tích ưu nhược điểm các phương pháp
xác định trọng số để hoàn thiện phương pháp xác định trọng số của các chênh cao
đo và đề xuất phương pháp xác định trọng số của các hiệu địa thế trong quá trình
bình sai mạng lưới độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu.
- Phương pháp thực nghiệm: Đối chiếu các kết quả thực nghiệm để làm
sáng tỏ thuật toán và phương pháp bình sai mạng lưới độ cao quốc gia theo các
hiệu địa thế với các ẩn số là các thế trọng trường của các mốc độ cao hạng I, II
quốc gia trong Hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu.
- Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng các thuật toán và lập các
phần mềm bình sai mạng lưới độ cao quốc gia theo các hiệu địa thế với các ẩn
số là các thế trọng trường của các mốc độ cao hạng I, II quốc gia trong Hệ độ
cao dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu và tìm kiếm trị đo thô trong mạng lưới
độ cao hạng I, II quốc gia.
5. Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Các phép đo thủy chuẩn hình học diễn ra trên bề mặt vật
lý của Trái Đất bị biến dạng triều dưới sức hút của Mặt Trăng và Mặt Trời.
Vì vậy, khi bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia phải chuyển các
chênh cao đo hay các hiệu địa thế từ hệ triều trung bình về hệ triều 0 để loại
bỏ các sai số hệ thống gây ra do ảnh hưởng của sóng vùng theo quy định
quốc tế.


9

Luận điểm 2: Do các phương pháp xác định sai số trung phương ngẫu
nhiên  và sai số hệ thống  trên 1 km đối với các đường thủy chuẩn hạng I và
các đường thủy chuẩn hạng II được xây dựng trên các quan điểm khác nhau về
phân bố sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống, nên trọng số của các chênh cao đo
phải xác định theo các mô hình khác nhau. Phương án bình sai mạng lưới thủy
chuẩn hạng I, II Nhà nước được chấp nhận là phương án có ảnh hưởng của sai
số trung phương ngẫu nhiên và sai số hệ thống nhỏ nhất đến kết quả bình sai.
Luận điểm 3: Phương pháp bình sai ổn định mạng lưới độ cao hạng I, II
quốc gia được đề xuất hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của bài toán bình sai hiện đại
và là công cụ đắc lực trong việc xử lý toán học các mạng lưới độ cao quốc gia
khi Việt Nam xây dựng hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu.
6. Những điểm mới của luận án
Kết quả nghiên cứu luận án đã hình thành và xây dựng được các điểm
mới sau đây:
- Thiết lập phương pháp chuyển chênh cao đo thành hiệu địa thế giữa hai
mốc độ cao và đánh giá tác động của hiện tượng triều Trái Đất đến thế trọng
trường của các mốc độ cao trong hệ triều trung bình và hệ triều 0.
- Hoàn thiện phương pháp xác định trọng số của các chênh cao đo trong
quá trình bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia và đề xuất phương pháp
bình sai mạng lưới độ cao quốc gia hạng I, II theo các hiệu địa thế với các ẩn
số là các giá trị thế trọng trường của các mốc độ cao quốc gia trong hệ độ cao
dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu ở Việt Nam.
- Nghiên cứu ứng dụng và phát triển phương pháp phát hiện và tìm kiếm
các trị đo thô trong quá trình bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia trong
hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu.


10

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

7.1. Ý nghĩa khoa học
Thiết lập được cơ sở khoa học và chứng minh bằng thực nghiệm việc bình
sai ổn định mạng lưới độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu ở
Việt Nam.
7.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Tạo cơ sở khoa học và thực tiễn cho khả năng ứng dụng các thành quả
khoa học công nghệ tiên tiến của thế giới phục vụ xây dựng hệ độ cao quốc gia
dựa trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu, góp phần vào việc phát triển và hoàn thiện
hệ độ cao quốc gia Việt Nam theo xu hướng hiện đại.
- Góp phần hoàn thiện phương pháp xử lý toán học các mạng lưới độ cao
quốc gia cho phù hợp với yêu cầu của bài toán bình sai hiện đại và theo quy
định của quốc tế.
- Kết quả nghiên cứu là tư liệu hỗ trợ về lý luận và thực tiễn cho các cơ
quan quản lý xem xét ứng dụng trong việc xây dựng hệ độ cao dựa trên mặt
geoid cục bộ ở Việt Nam.
8. Cơ sở tài liệu
Luận án được hoàn thành trên cơ sở các tài liệu sau:
- Các sách, báo trong và ngoài nước viết về lĩnh vực nghiên cứu của đề tài;
- Số liệu đo thủy chuẩn hạng I, II Nhà nước do Cục Đo đạc và Bản đồ
Việt Nam cung cấp.
- Các kết quả nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ.
- Các tài liệu tham khảo trên mạng Internet.
9. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và các phụ lục, nội dung của luận án được
trình bày trong bốn chương:


11

Chương 1.Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp bình sai ổn định

mạng lưới độ cao quốc gia trong hệ độ cao dựa trên mặt geoid cục bộ.
Chương 2.Nguyên lý tác động của hiện tượng triều Trái Đất đến các kết
quả đo thủy chuẩn quốc gia.
Chương 3. Phương pháp bình sai ổn định mạng lưới độ cao quốc gia trong
hệ độ cao dựa trên trên mặt geoid cục bộ Hòn Dấu.
Chương 4. Kết quả thực nghiệm.


12

Chương 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI
ỔN ĐỊNH MẠNG LƯỚI ĐỘ CAO QUỐC GIA TRONG HỆ ĐỘ CAO
DỰA TRÊN MẶT GEOID CỤC BỘ

1.1. Sự cần thiết phải xây dựng hệ độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid
cục bộ
Hệ độ cao của mỗi quốc gia được xây dựng nhằm xác định hình dạng
của bề mặt vật lý của Trái Đất, bao gồm các bề mặt tự nhiên của phần lục địa
và mặt nước biển trung bình nhiều năm trong phạm vi lãnh thổ quốc gia. Độ
cao của các điểm trên bề mặt vật lý của Trái Đất là thành phần của mô hình
số độ cao DEM của quốc gia và được sử dụng để thành lập các thể loại bản
đồ địa hình ở các tỷ lệ khác nhau phục vụ công tác quy hoạch phát triển kinh
tế - xã hội, thiết kế và thi công xây dựng các công trình dân dụng, nghiên cứu
dịch chuyển đứng của vỏ Trái Đất và phục vụ mục đích an ninh - quốc phòng
của đất nước.
Ngày nay, các thành tựu khoa học - kỹ thuật phát triển vượt bậc trong
ứng dụng công nghệ GNSS, thành lập mô hình địa hình động lực trung bình
của các biển và đại dương MDT nhờ phương pháp đo cao từ vệ tinh (altimetry),
xây dựng mô hình trọng trường Trái Đất EGM đã tạo ra những nguồn dữ liệu

quan trọng để hiện đại hóa hệ độ cao quốc gia. Hệ độ cao quốc gia đóng vai trò
quan trọng trong việc xác định dị thường độ cao GNSS/thủy chuẩn phục vụ
việc xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao và nghiên cứu
xác định sự chuyển dịch đứng bề mặt tự nhiên của Trái Đất theo thời gian dưới
tác động của các hiện tượng địa động lực diễn ra trong và trên vỏ Trái Đất như
chuyển dịch kiến tạo của vỏ Trái Đất, các hiện tượng El Nino, La Nina và sự
tan băng trên các cực của Trái Đất v.v...


13

Mặt biển trung bình trên các biển và các đại dương thế giới không phải
là mặt đẳng thế đã được khẳng định trong nhiều tài liệu [Pellinen L.P. (1978);
Sjoberg L.E. (1991); Ekman M. (1992); Hà Minh Hòa, Nguyễn thị Thanh
Hương và nnk (2012)]. Nguyên nhân của sự không trùng nhau của các mặt
biển trung bình ở các khu vực khác nhau là do sự khác nhau về nhiệt độ, độ
mặn của nước biển ở các phần khác nhau của các đại dương; hoạt động của
các dòng hải lưu; sự thay đổi của áp suất khí quyển theo mùa và một vài
nguyên nhân khác. Sự khác nhau giữa các mặt biển trung bình của biển Đen
và các biển lân cận Bắc Băng Dương và Thái Bình Dương là 70 cm [Pellinen
L.P. (1978)]. Theo tài liệu [Wikipedia and Collins English Dictionary], riêng
theo kênh đào Panama mực nước biển ở đầu Thái Bình Dương cao hơn đầu
Đại Tây Dương đến 20cm. Theo tài liệu [Columbia Encyclopedia], ở nước
Mỹ độ chênh giữa các mặt biển trung bình tại hai trạm nghiệm triều Nova
Scotia và Florida là 16 cm.
Những điều nêu trên dẫn đến một thực tế là các hệ độ cao được xây dựng
ở các nước dựa trên mặt biển trung bình tại các khu vực khác nhau sẽ khác
nhau. Các kết quả nghiên cứu trong [Sjoberg L.E.(1991)] đã phát hiện được
rằng sự khác nhau về độ cao của các hệ độ cao ở Phần Lan và Thụy Điển đạt
tới 192 mm. Cũng so sánh hai hệ độ cao này, dựa trên kết quả đo nối thuỷ

chuẩn, trong [Ekman M. (1992)] đã chỉ ra rằng sự khác nhau của Hệ độ cao
Thụy Điển RH70 so với Hệ độ cao Phần Lan N60 ở mức 162 mm.
Ở Việt Nam, đã có nhiều công trình nghiên cứu đề xuất phương hướng
hoàn thiện Hệ độ cao quốc gia [Hà Minh Hòa, Nguyễn Thị Thanh Hương
(2011), Bùi Đăng Quang (2012), Nguyễn Thị Thanh Hương (2012a), Nguyễn
Thị Thanh Hương (2012b), Hà Minh Hòa (2012a), Hà Minh Hòa (2012b);
Phạm Hoàng Lân (2008), Phạm Hoàng Lân (2010)].


14

Phương pháp xác định thế trọng trường W0 của mặt geoid toàn cầu trên các
biển và các đại dương thế giới dựa trên các dữ liệu altimetry được nhà trắc địa
người Czech Bursa Milan đề xuất vào năm 1976. Dựa trên kết quả xử lý dữ liệu
altimetry từ các vệ tinh TOPEX/POSEIDON, Jason1, Jason2, ERS-1, ERS-2,
SEASAT, GEOSAT,... đã xác định được thế trọng trường của mặt geoid toàn
cầu W  62636856.0 m2 .s 2 . Sau khi kiểm tra, xem xét giá trị thế trọng trường của
mặt geoid toàn cầu W  62636856.0 m2 .s 2 , Tổ chức Dịch vụ quay Trái Đất IERS
đã thừa nhận tại các Quyết định 2003 và 2010 [Dennis D. McCarthy, Gerard
Petit. (2004); Petit G., Luzum B. (2010)] và sử dụng giá trị W0 nêu trên vào việc
xây dựng các mô hình trọng trường Trái đất EGM. Việc xác định được giá trị
thế trọng trường của mặt geoid toàn cầu W  62636856.0 m2 .s 2 đã làm thay đổi
hoàn toàn tư duy về hệ độ cao dựa trên mặt nước biển trung bình theo quan
điểm của Gauss-Listing.
Trên cơ sở các thành tựu khoa học - công nghệ trong gần 20 năm qua đã
hình thành xu hướng xây dựng hệ độ cao dựa trên mặt geoid (the geoid - based
vertical reference system) ở các quốc gia phát triển trên thế giới [Ihde J. (2004);
Marc Veronneau. (2010a), Marc Veronneau. (2010b), Sánchez L. (2005)]. Các
kết quả bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid sẽ cho
phép nhận được các giá trị thế trọng trường được bình sai của các mốc độ cao

quốc gia. Về phần mình, các giá trị thế trọng trường được bình sai của các
mốc độ cao quốc gia không chỉ cho phép tính toán các giá trị độ cao chuẩn
được bình sai, mà còn được sử dụng để kết nối mạng lưới độ cao quốc gia với
các mạng lưới độ cao của các nước khác mà ở đó hệ độ cao cũng được xây
dựng dựa trên mặt geoid; liên kết mô hình số độ cao trên lục địa với mô hình
địa hình động lực trung bình (MDT) trong hệ độ cao thống nhất, giải phóng
hệ độ cao quốc gia khỏi sự phụ thuộc vào mặt biển trung bình nhiều năm tại
trạm nghiệm triều 0 (ở Việt Nam là trạm nghiệm triều Hòn Dấu) và cho phép


15

chuyển một cách đơn giản hệ độ cao quốc gia về mặt geoid chung của khu
vực nếu có nhu cầu. Mặt geoid cục bộ khởi tính cho hệ độ cao quốc gia là mặt
đẳng thế sát nhất với mặt biển trung bình nhiều năm tại trạm nghiệm triều Hòn
Dấu. Vì vậy, xác định được thế trọng trường của mặt geoid cục bộ Hòn Dấu
không chỉ là cơ sở khoa học của việc giải quyết bài toán bình sai mạng lưới
độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid, mà còn cho phép chuyển các
mô hình trọng trường Trái Đất EGM, mô hình địa hình động lực trung bình
MDT quốc tế từ mặt geoid toàn cầu về mặt geoid cục bộ Hòn Dấu phục vụ
việc xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia và xây dựng các mô hình địa hình
mặt biển quốc gia.
Chiến lược phát triển ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam đến năm 2015,
tầm nhìn đến năm 2020 đã được xác định trong Quyết định số 33/2008/QĐ-TTg
ngày 27/02/2008 của Thủ tướng Chính phủ, trong đó đã chỉ rõ các nội dung cụ
thể cho giai đoạn từ 2011 - 2020 bao gồm:
- Hoàn thành Hệ quy chiếu quốc gia theo quan điểm động để kết nối với
Hệ quy chiếu quốc tế ITRF, Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ phục vụ quốc phòng - an
ninh; hoàn chỉnh hệ thống lưới điểm tọa độ quốc gia, lưới điểm độ cao quốc
gia, lưới điểm trọng lực quốc gia,… bảo đảm tính hiện đại và phù hợp với tiêu

chuẩn quốc tế;
- Hoàn chỉnh toàn bộ hạ tầng thông tin đo đạc và bản đồ bao gồm hệ thống
lưới tọa độ, độ cao, trọng lực quốc gia trong một hệ quy chiếu quốc gia thống
nhất, được kết nối theo trạng thái động với hệ quy chiếu quốc tế.
Bên cạnh đó, hệ độ cao quốc gia có vai trò quan trọng như:
- Cung cấp dữ liệu địa hình phục vụ các yêu cầu quy hoạch phát triển kinh
tế - xã hội, thiết kế thi công các công trình, giải quyết các nhiệm vụ an ninh quốc phòng và dự báo sự dâng lên của mực nước biển do sự biến đổi của khí
hậu toàn cầu;


16

- Giải quyết bài toán khoa học - kỹ thuật liên quan đến việc xác định mô
hình quasigeoid độ chính xác cao trên lãnh thổ quốc gia.
Bài toán bình sai mạng lưới độ cao quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ
Hòn Dấu có các ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn:
- Đảm bảo sự thống nhất hệ độ cao quốc gia cả trên đất liền lẫn trên vùng
biển Việt Nam dựa trên mặt khởi tính duy nhất - đó là mặt quasigeoid cục bộ
Hòn Dấu khi lưu ý rằng trên biển mặt quasigeoid cục bộ Hòn Dấu trùng với
mặt geoid cục bộ Hòn Dấu;
- Khi bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid cục
bộ Hòn Dấu sẽ nhận được trị bình sai là thế trọng trường của các mốc độ cao
hạng I, II quốc gia. Khi tiến hành đo GNSS và xử lý dữ liệu GNSS trong ITRF
sẽ nhận được giá trị độ cao trắc địa độ chính xác cao trên các mốc độ cao này.
Điều này cho phép xác định được giá trị thế nhiễu trên các mốc độ cao hạng I,
II quốc gia và tạo ra nguồn dữ liệu mới, cùng với nguồn dữ liệu trọng lực để
hiệu chỉnh hệ số khai triển điều hòa của mô hình trọng trường Trái Đất EGM
cho phù hợp với trọng trường Trái Đất trên lãnh thổ Việt Nam, tạo cơ sở cho
việc xây dựng mô hình quasigeoid độ chính xác cao trên lãnh thổ Việt Nam.
Điều này rất có ý nghĩa đối với lãnh thổ dài và hẹp của Việt Nam cùng với sự

thiếu hụt các nguồn dữ liệu trọng lực của các nước lân cận [Hà Minh Hòa,
Nguyễn Thị Thanh Hương (2015a)];
- Đáp ứng yêu cầu của Nhóm làm việc 1 (Working Group 1: Regional
Geodesy) của tổ chức PCGIAP trong việc chuẩn bị xây dựng hệ độ cao thống
nhất của các nước Châu Á - Thái Bình Dương [Shigery Matsuzaka, Pengfei
Cheng, John Manning (2009)].
Do việc chuyển các chênh cao đo thành các hiệu địa thế giữa các mốc độ
cao hạng I, II quốc gia là bài toán khá đơn giản (xem mục 2.2.1, chương 2), nên