(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp chuyển đổi hệ thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao quốc gia để thống nhất tư liệu bản đồ sử dụng trong Quân đội

ii

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP
CHUYỂN ĐỔI HỆ THỐNG TOẠ ĐỘ, ĐỘ CAO HẢI ĐỒ VỀ
HỆ THỐNG TOẠ ĐỘ, ĐỘ CAO QUỐC GIA ĐỂ THỐNG
NHẤT TƯ LIỆU BẢN ĐỒ SỬ DỤNG TRONG QUÂN ĐỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

TRẦN VĂN HẢI

HÀ NỘI, NĂM 2018


iii

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN
ĐỔI HỆ THỐNG TOẠ ĐỘ, ĐỘ CAO HẢI ĐỒ VỀ HỆ THỐNG TOẠ
ĐỘ, ĐỘ CAO QUỐC GIA ĐỂ THỐNG NHẤT TƯ LIỆU BẢN ĐỒ
SỬ DỤNG TRONG QUÂN ĐỘI
TRẦN VĂN HẢI
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ: 60520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN XUÂN BẮC

HÀ NỘI, NĂM 2018


iv

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Xuân Bắc

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Văn Sáng

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Đinh Xuân Vinh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
Trường Đại học Tài Nguyên và Môi trường Hà Nội
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày........tháng.......năm 2018


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố. Tôi
xin chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày trong luận văn.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Văn Hải


2

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Xuân Bắc,
giảng viên Khoa Trắc địa và Bản đồ, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà
Nội. Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ,
hướng dẫn và động viên của Thầy trong suốt thời gian tác giả làm luận văn.
Trong quá trình học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội, được sự giúp đỡ và nhiệt tình giảng dạy của các thầy, các cô trong
trường nói chung và trong Khoa Trắc địa Bản đồ nói riêng, tác giả đã trang bị cho mình
những kiến thức cơ bản về chuyên môn cũng như lối sống, tạo hành trang vững chắc
cho công tác sau này. Kính chúc các thầy, các cô luôn luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và
thu được nhiều thành công trong sự nghiệp giảng dạy, đào tạo và trong cuộc sống.
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực cố gắng của bản thân,
tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám đốc Xí nghiệp Trắc địa, Công ty
Trắc địa Bản đồ đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả được theo học và hoàn thành luận
văn Thạc sỹ. Xin trân trọng cảm ơn PGS. TSKH Hà Minh Hòa, nguyên Viện trưởng
Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ đã cho phép sử dụng các kết quả nghiên cứu của
Thầy trong luận văn. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Đại tá, TS. Nguyễn Đình
Thành, Cục Bản đồ, BTTM và Thầy giáo Lương Thanh Thạch, giảng viên Khoa Trắc
địa và Bản đồ, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về các định hướng
nghiên cứu khoa học. Xin cảm ơn về sự hợp tác hiệu quả trong nghiên cứu với Đại tá
Khương Văn Long, Phó Chỉ huy trưởng Đoàn Đo đạc Biên vẽ hải đồ và Nghiên cứu

biển và KS. Đặng Xuân Thủy, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ.
Mặc dù đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết để hoàn thành, nhưng chắc
chắn luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được ý
kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp để luận văn được
hoàn thiện tốt hơn. Đây sẽ là những kiến thức rất bổ ích cho công việc của tác giả
trên chặng đường phía trước.
Xin trân trọng cám ơn./.
Hà Nội, ngày
tháng 9 năm 2018
Tác giả luận văn

Trần Văn Hải


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................7
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................9
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC
MÔ HÌNH BỀ MẶT CƠ BẢN TRÊN BIỂN ........................................................14
1.1. Các vấn đề về chuyển đổi tọa độ, độ cao giữa hải đồ và bản đồ địa hình14
1.2. Tình hình nghiên cứu xây dựng các mô hình bề mặt cơ bản trên biển ...16
1.2.1. Ellipsoid quy chiếu toàn cầu (WGS84) ....................................................16

1.2.2. Mô hình quasigeoid toàn cầu (EGM2008) ...............................................19
1.2.3. Mô hình mặt biển trung bình (MSS) .........................................................21
1.2.4. Mô hình địa hình động lực trên biển (DTU10 MDT) ...............................23
1.2.5. Mối quan hệ giữa một số mô hình bề mặt cơ bản trên biển .....................24
1.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu........................................................27
CHƯƠNG 2. CHUYỂN ĐỔI HỆ THỐNG TỌA ĐỘ, ĐỘ CAO HẢI ĐỒ VỀ
HỆ THỐNG TỌA ĐỘ, ĐỘ CAO QUỐC GIA .....................................................28
2.1. Cơ sở toán học của bản đồ địa hình và hải đồ sử dụng trong quân đội ..28
2.1.1. Cơ sở toán học của bản đồ địa hình.........................................................28
2.1.2. Cơ sở toán học của hải đồ ........................................................................32
2.1.3. Cơ sở toán học của bản đồ địa hình đáy biển ..........................................34
2.2. Một số phương pháp tính quy chuyển độ cao hải đồ về độ cao quốc gia 34
2.3. Lý thuyết về xây dựng một số mô hình bề mặt cơ bản cục bộ..................38


4

2.3.1. Ellipsoid quy chiếu quốc gia ....................................................................40
2.3.2. Xây dựng mô hình quasigeoid cục bộ ......................................................42
2.3.3. Xây dựng mô hình mặt nước biển trung bình cục bộ ...............................49
2.3.4. Xây dựng mô hình mặt nước biển thấp nhất cục bộ .................................52
2.4. Chuyển đổi hệ thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao
quốc gia dựa trên các mô hình bề mặt cơ bản trên biển ..................................54
2.4.1. Chuyển đổi hệ tọa độ hải đồ về hệ tọa độ quốc gia .................................54
2.4.2. Chuyển độ cao hải đồ về độ cao quốc gia................................................58
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM......................................................61
3.1. Khái quát về khu vực thực nghiệm .............................................................61
3.2. Thu thập, tập hợp và xử lý số liệu ...............................................................64
3.3. Thực nghiệm xây dựng mô hình mặt biển trung bình và mặt biển thấp
nhất trên vùng biển Việt Nam ............................................................................68

3.3.1. Xây dựng các mô hình mặt biển trung bình và mặt biển thấp nhất khu vực 68
3.3.2. Thực nghiệm chuyển đổi hệ thống tọa độ, độ cao Hải đồ về hệ thống tọa
độ, độ cao quốc gia ............................................................................................81
3. 4. Đánh giá kết quả chuyển đổi hệ thống tọa độ, độ cao Hải đồ về hệ thống
tọa độ, độ cao quốc gia ........................................................................................89
3.4.1. Đánh giá độ chính xác độ chênh giữa mô hình MDTTBKV và mô hình
MBTNKV65 ........................................................................................................89
3.4.2. Đánh giá kết quả chuyển đổi độ cao hải đồ về độ cao quốc gia..............90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................94
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............................................96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................97
PHỤ LỤC ...............................................................................................................101


5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ

Giải thích

Dịch thuật

BIH

B
Bureau International de I’Heure
Cơ quan giờ quốc tế
(International Time Bureau)
C

CTP

Conventional Terrestrial Pole

Cực quy ước Trái đất

D
DEM

Mô hình số độ cao

Digital Elevation Model
E

EGM

Earth Gravitational Model

EGM96

Earth Gravitational Model 1996

EGM2008

Earth Gravitational Model 2008

IAG
IGS
ITRF

I
Association

International
of
Geodesy
International GNSS Service
International Terrestrial Reference
Frame
M

MDT

Mean Dynamic Topography

MSS

Mean Sea Surface

Mô hình trọng trường toàn cầu
Mô hình trọng trường toàn cầu
công bố năm 1996
Mô hình trọng trường toàn cầu
công bố năm 2008
Hiệp hội Trắc địa Quốc tế
Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tế
Khung tham chiếu Trái đất quốc
tế
Bề mặt tự nhiên động lực trung

bình
Mặt nước biển trung bình

MDTTBKV

Mặt biển trung bình khu vực

MBTNKV

Mặt biển thấp nhất khu vực

MDTVN2015

Mặt biển trung bình cục bộ

LSS2015

Mặt biển thấp nhất cục bộ


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các thời kỳ nâng cấp khung quy chiếu WGS84. .....................................18
Bảng 3.1. Độ cao mặt biển trên các trạm nghiệm triều (Nguồn [10])…………….….64
Bảng 3.2. Độ cao các mặt trên biển các trạm nghiệm triều (Nguồn Đoàn 6 [6]) .....65
Bảng 3.3. Kết quả đánh giá độ chính xác chênh cao giữa mô hình MDTTBKV và
mô hình MBTNKV36 ...............................................................................................77
Bảng 3.4. Tọa độ mắt lưới của hải đồ và bản đồ địa hình ........................................82
Bảng 3.5. Kết quả tính chuyển toạ độ các điểm đo độ sâu trên hải đồ từ hệ toạ độ

VN2000 phép chiếu Mercator về hệ toạ độ VN2000 phép chiếu UTM múi 6o........84
Bảng 3.6. Kết quả tính chuyển độ cao hải đồ về độ cao quốc gia dựa trên mô hình
MDTTBKV và mô hình MBTNKV65 ......................................................................85
Bảng 3.7. Kết quả đánh giá độ chính xác chênh cao giữa mô hình MDTTBKV và
mô hình MBTNKV65 ...............................................................................................89
Bảng 3.8. Đánh giá kết quả tính chuyển độ cao hải đồ về độ cao quốc gia dựa trên
mô hình MDTTBKV và mô hình MBTNKV65 .......................................................91


7

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Trạm khung tham chiếu WGS84 ..............................................................19
Hình 1.2.Màu trắng chỉ các khu vực có dữ liệu dị thường trọng lực với mật độ 5’x5’ ..20
Hình 1.3. Mặt biển trung bình CNES-CLS11 MSS .................................................22
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí các trạm DGPS CORS của Cục Bản đồ, Bộ Tổng tham mưu
và của Bộ Tài nguyên và Môi trường .......................................................................29
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa các bề mặt cơ bản quốc gia và quốc tế ........................38
Hình 2.3.Mô hình quasigeoid hỗn hợp VIGAC2014 trên lãnh thổ Việt Nam .........49
Hình 2.4. Mô hình mặt biển trung bình cục bộ MDTVN2015 trên vùng biển Việt Nam [10] 52
Hình 2.5.Mô hình mặt biển thấp nhất cục bộ LSS2015 trên vùng biển Việt Nam [10]. ...54
Hình 2.6. Công cụ lấy độ cao điểm trong ArcMap ..................................................59
Hình 2.7. Sơ đồ minh hoạ tính chuyển độ cao .........................................................59
Hình 3.1. Sơ đồ mặt biển trung bình DTU10MDT trên vùng biển Việt Nam .........61
Hình 3.2. Sơ đồ các trạm nghiệm triều dọc bờ biển và trên một số đảo của Việt
Nam (Nguồn [10]) .....................................................................................................62
Hình 3.3. Sơ đồ các trạm nghiệm triều dọc bờ biển và trên một số đảo của Việt
Nam (Nguồn Đoàn 6 [6]) ..........................................................................................63
Hình 3.4. Hải đồ tỷ lệ 1:100.000 khu vực Hòn Dấu (Nguồn Đoàn 6 [6])................63
Hình 3.5. Biên tập bản đồ nền ..................................................................................70

Hình 3.6. Sử dụng công cụ Spline để xây dựng mô hình MDTTBKV ....................71
Hình 3.7. Sử dụng công cụ Contour để vẽ các đường đẳng trị độ cao MDTTBKV 72
Hình 3.8. Thể hiện thang tầng màu độ cao MDTTBKV ...........................................72
Hình 3.9. Mô hình MDTTBKV trên vùng biển Việt Nam ........................................73
Hình 3.10. Mô tả công cụ Spline để xây dựng mô hình MBTNKV36 ....................74
Hình 3.11. Mô tả công cụ Contour để vẽ các đường đẳng trị độ cao MBTNKV36 75
Hình 3.12. Mô tả thang tầng màu độ cao mặt biển thấp nhất khu vực.....................76


8

Hình 3.13. Mô hình MBTNKV36 trên vùng biển Việt Nam ...................................76
Hình 3.14. Mô hình MBTNKV65 trên vùng biển Việt Nam ...................................81
Hình 3.15. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 trong Hệ tọa độ VN2000, phép chiếu
UTM, múi chiếu 60, hệ độ cao HP72 được chuyển từ hải đồ tỷ lệ 1:100.000, phép
chiếu Mercator, độ sâu tính theo số "0" hải đồ khu vực ...........................................87
Hình 16a. Hình ảnh phóng to một khu vực hải đồ……………...…………………88
Hình 16b. Hình ảnh phóng to một khu vực bản đồ địa hình .................................... 88


9

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên: Trần Văn Hải
Lớp: CH2B.TĐ

Khóa: 2

Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Bắc
Tên đề tài: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp chuyển đổi hệ thống

tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao quốc gia để thống nhất tư liệu bản
đồ sử dụng trong Quân đội.
Tóm tắt nội dung luận văn: Xác định các mặt chuẩn để xử lý dữ liệu đo độ sâu
trong công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển phục vụ xây dựng nền thông tin
địa lý biển và sản xuất hải đồ bảo đảm an toàn hàng hải là một trong những nhiệm
vụ khoa học kỹ thuật quan trọng nhất của ngành Trắc địa Bản đồ Việt Nam. Do
tính chất phức tạp của thủy triều trên Biển Đông nên hiện nay việc tính toán độ cao
mặt biển trung bình và mặt biển thấp nhất đều dựa vào số liệu nghiệm triều với thời
gian quan trắc tối thiểu 30 ngày. Luận văn nghiên cứu xây dựng mặt biển trung
bình khu vực và mặt biển thấp nhất khu vực trên vùng biển Việt Nam dựa trên mô
hình DTU10MDT kết hợp với các trạm nghiệm triều, làm cơ sở để chuyển đổi hệ
thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao quốc gia để thống nhất tư
liệu bản đồ sử dụng trong Quân đội.


10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có một vùng biển đặc quyền kinh tế rộng trên 1 triệu km2, gấp 3 lần
diện tích đất liền và bờ biển dài hơn 3.260 km. Trong sự nghiệp xây dựng và bảo vệ
Tổ quốc, biển có vai trò, vị trí rất quan trọng, gắn bó mật thiết và ảnh hưởng to lớn
đến sự phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng - an ninh, bảo vệ môi trường
của nước ta. Sau gần 30 năm thực hiện công cuộc đổi mới dưới sự lãnh đạo của
Đảng, tiềm lực kinh tế biển của nước ta đã không ngừng lớn mạnh, phát triển với
tốc độ khá nhanh và đã có những đóng góp quan trọng vào nhịp độ tăng trưởng kinh
tế - xã hội của đất nước theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá.
Nhằm cung cấp đầy đủ, chính xác và kịp thời tư liệu biển cho các hoạt động
trên biển, công tác điều tra cơ bản tài nguyên môi trường biển được đặc biệt quan
tâm. Đối với ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam, công tác nghiên cứu khoa học

biển; đo đạc, thành lập các loại bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu biển được đầu tư
toàn diện, từ máy móc phương tiện tiên tiến, các phần mềm hiện đại đến việc đào
tạo nguồn nhân lực chất lượng cao. Nhiệm vụ đo đạc, biên vẽ hải đồ được giao cho
Đoàn Đo đạc và Biên vẽ hải đồ và Nghiên cứu biển (Đoàn 6), Bộ Tư lệnh Hải quân
và một số cơ quan chuyên ngành của Bộ Tài nguyên và Môi trường thực hiện. Công
tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển do Trung tâm Trắc địa Bản đồ biển/ Tổng cục
Biển và Hải đảo Việt Nam thực hiện. Với sự nỗ lực của toàn Ngành trong gần 30 năm
qua, đến nay các loại bản đồ biển cơ bản đã phủ kín toàn bộ vùng biển Việt Nam.
Trong các hình thức tác chiến hiện đại của Quân đội nhân dân Việt Nam với
sự tham gia của nhiều quân, binh chủng trên phạm vi không gian rộng lớn, cần phải
sử dụng tư liệu địa hình (cả đất liền và vùng biển) thống nhất trong một cơ sở toán
học. Do bản đồ địa hình đáy biển chưa phủ kín vùng biển Việt Nam, đặc biệt là các
khu vực thềm lục địa và các đảo, quần đảo xa bờ, nên cần thiết phải chuyển đổi hệ
thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao quốc gia để thống nhất tư
liệu địa hình sử dụng trong Quân đội.


11

Vấn đề chuyển đổi tọa độ, độ cao của các mặt biển (trung bình, thấp nhất) tại
các trạm nghiệm triều về hệ độ cao quốc gia, sử dụng phương pháp đo thủy chuẩn là
chính xác nhất. Tuy nhiên, trong thực tế thì nhiều trường hợp không thể thực hiện vì
lý do kinh phí. Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu xây dựng mặt biển
trung bình và mặt biển thấp nhất dựa trên số liệu đo mực nước biển của một số trạm
nghiệm triều ven bờ bằng phương pháp hải văn [12, 17], tuy nhiên sử dụng mặt biển
trung bình cục bộ được xây dựng theo số liệu đo mực nước tại các trạm nghiệm
triều dọc bờ biển Việt Nam không cho phép xác định được bề mặt tự nhiên biển
(mặt biển trung bình) trên toàn bộ Biển Đông [10]. Ngoài ra, sử dụng mặt biển
trung bình khu vực và mặt biển thấp nhất khu vực thống nhất trên toàn bộ vùng biển
để quy chiếu các trị đo sâu địa hình đáy biển (sau khi đã hiệu chỉnh sóng, thủy triều)

cũng chưa từng được nghiên cứu và áp dụng ở Việt Nam.
Nhiệm vụ quan trọng nhất của luận văn này là xây dựng mô hình mặt biển
trung bình khu vực và mô hình mặt biển thấp nhất khu vực phủ trùm vùng biển Việt
Nam phục vụ chuyển đổi hệ thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao
quốc gia và xa hơn nữa, để quy chiếu các trị đo sâu địa hình đáy biển trong công tác
thành lập bản đồ địa hình đáy biển (sử dụng mô hình mặt biển trung bình) và hải đồ
(sử dụng mô hình mặt biển thấp nhất khu vực). Kết quả của đề tài sẽ đáp ứng kịp
thời nhu cầu cung cấp đầy đủ tư liệu địa hình trong một cơ sở toán học thống nhất
bảo đảm cho các hoạt động của Quân đội. Vì lý do đó, đề tài "Nghiên cứu cơ sở
khoa học và phương pháp chuyển đổi hệ thống toạ độ, độ cao hải đồ về hệ thống toạ
độ, độ cao quốc gia để thống nhất tư liệu bản đồ sử dụng trong Quân đội" thể hiện
tính cấp thiết, góp phần hoàn thiện cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý phủ trùm lãnh
thổ Việt Nam (cả đất liền và vùng biển) phục vụ cho sự nghiệp xây dựng phát triển
đất nước và bảo vệ vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển của Việt Nam.


12

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở khoa học và các phương pháp để chuyển đổi hệ thống tọa
độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao quốc gia dựa trên các mô hình bề mặt
cơ bản trên biển.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng các mô hình bề mặt cơ bản phủ trùm vùng biển Việt
Nam và tính chuyển tọa độ giữa các hệ thống tọa độ phục vụ chuyển đổi hệ thống
toạ độ, độ cao hải đồ về hệ thống toạ độ, độ cao quốc gia; vận dụng để tính chuyển
cơ sở toán học hải đồ về cơ sở toán học của bản đồ địa hình cho 01 mảnh hải đồ tỷ
lệ 1:100.000 khu vực từ Cửa Lục đến Cửa Ba Lạt.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục đích, luận văn phải giải quyết được một số vấn đề sau:

- Thu thập số liệu phục vụ tính toán thực nghiệm;
- Nghiên cứu các vấn đề về chuyển đổi tọa độ, độ cao giữa hải đồ và bản đồ
địa hình;
- Nghiên cứu phương pháp xây dựng và mối quan hệ giữa các mô hình bề mặt
cơ bản trên biển;
+ Nghiên cứu một số phương pháp tính quy chuyển độ cao hải đồ về độ cao
quốc gia;
+ Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi tọa độ, độ cao giữa các hệ thống tọa
độ, độ cao khác nhau dựa trên các mô hình bề mặt cơ bản trên biển;
+ Thực nghiệm chuyển đổi tọa độ, độ cao hải đồ về tọa độ, độ cao quốc gia,
đánh giá kết quả và rút ra kết luận.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:
- Phương pháp hồi cứu: Tìm kiếm, thu thập các tài liệu và cập nhật các thông
tin trên mạng Internet và thư viện.
- Phương pháp phân tích: Phân tích tính hợp lý của kết quả thực nghiệm, tính
logic trong lựa chọn phương pháp xử lý số liệu,...


13

- Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, phương pháp, công thức, kết
luận đã được chứng minh để xây dựng các mô hình mặt biển cơ bản cho bài toán
chuyển đổi hệ thống toạ độ và độ cao.
- Phương pháp so sánh: So sánh đánh giá phương pháp chuyển đổi theo mô hình
bề mặt cơ bản trên biển với quy định về độ chính xác theo phương pháp hải văn.
- Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên các kết quả thực nghiệm để làm sáng tỏ
ưu thế của việc sử dụng mô hình bề mặt cơ bản trên biển trong chuyển đổi tọa độ,
độ cao hải đồ về tọa độ, độ cao quốc gia.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Mô hình mặt biển trung bình khu vực và mô hình mặt biển thấp nhất khu vực
ngoài việc sử dụng để chuyển đổi tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao
quốc gia, còn thúc đẩy nhiệm vụ nghiên cứu khoa học theo hướng xây dựng các mô
hình bề mặt cơ bản trên biển để quy chiếu các trị đo sâu địa hình đáy biển.
- Góp phần cung cấp nhanh chóng, đầy đủ tư liệu địa hình trong một cơ sở
toán học thống nhất phục vụ cho các hoạt động của Quân đội.
7. Cấu trúc của luận văn
Để thực hiện các mục tiêu của luận văn và trình bày các kết quả đã nghiên
cứu, luận văn được trình bày với cấu trúc như sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu xây dựng các mô hình bề mặt cơ
bản trên biển.
Chương 2. Chuyển đổi hệ thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ
cao quốc gia.
Chương 3. Tính toán thực nghiệm
Kết luận và Kiến nghị
Các công trình khoa học đã công bố
Tài liệu tham khảo
Phụ lục


14

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
CÁC MÔ HÌNH BỀ MẶT CƠ BẢN TRÊN BIỂN
1.1. Các vấn đề về chuyển đổi tọa độ, độ cao giữa hải đồ và bản đồ địa hình
Cơ sở dữ liệu và bản đồ được xây dựng từ các đối tượng địa lý. Mỗi một đối
tượng địa lý được thiết lập từ các tập hợp điểm, đường, vùng cùng các tính chất
thuộc tính của chúng và nói chung, chúng cũng được cấu tạo từ tập hợp các điểm
theo một quy tắc nhất định. Một điểm trong không gian, tùy thuộc vào các góc quan

sát sẽ có vai trò khác nhau. Như vậy, cơ sở dữ liệu và bản đồ trong các hệ thống tọa
độ khác nhau sẽ giữ các vai trò khác nhau. Mặt khác, do đặc thù riêng của công tác
định vị dẫn đường trên biển, trong nhiều trường hợp có sử dụng các tư liệu quốc tế
nên vấn đề tính chuyển qua lại giữa hệ tọa độ quốc tế WGS84 và Hệ tọa độ quốc gia
VN2000 được thực hiện thường xuyên với yêu cầu độ chính xác phù hợp.
Trong các hoạt động của Quân đội, lực lượng không quân sử dụng bản đồ địa
hình ở tỷ lệ 1:250.000, 1:500.000 và nhỏ hơn cho khu vực đất liền và hải đồ tỷ lệ
1:300.000, 1:400.000, 1:500.000 và nhỏ hơn đối với các khu vực biển; lực lượng bộ
binh sử dụng bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000, 1:25.000, 1:50.000, 1:100.000 và nhỏ
hơn; lực lượng hải quân sử dụng hải đồ tỷ lệ 1:25.000, 1:50.000, 1:100.000 và nhỏ
hơn. Tùy thuộc vào quy mô và tính chất của chiến trường để xác định các hình thái
tác chiến với sự phối hợp của nhiều quân, binh chủng. Sử dụng nhiều loại tư liệu địa
hình sẽ gây ra rất nhiều khó khăn cho việc chỉ huy và hợp đồng tác chiến giữa các
quân binh chủng. Đối với vũ khí phương tiện hiện đại của quân đội hoạt động trên
phạm vi không gian rộng, hình thức tác chiến nhanh như máy bay, tên lửa đất đối
hạm, tên lửa bờ,... cần phải có cơ sở dữ liệu (CSDL) địa hình (cả phần đất liền và
phần biển) thống nhất trong một cơ sở toán học xác định,... CSDL và hệ thống bản
đồ cơ bản quốc phòng được quy định thống nhất với cơ sở toán học của CSDL và
hệ thống bản đồ cơ bản quốc gia. Tuy nhiên, bản đồ địa hình (phần đất liền) được
Cục Bản đồ, Bộ Tổng Tham mưu (BTTM) thành lập dựa trên hệ tọa độ VN2000,
phép chiếu UTM, hệ độ cao Hải phòng 1972 (HP72) cho dãy tỷ lệ 1:10.000,
1:25.000, 1:50.000; 1:100.000; 1:250.000, 1:500.000 và 1:1.000.000; hải đồ được


15

Đoàn 6 thành lập dựa trên hệ tọa độ WGS84 quốc tế, phép chiếu Mercator, hệ độ
cao tính theo mực nước thấp nhất lý luận 0 cho các dãy tỷ lệ; 1:1.000, 1:2.000,
1:5.000 và 1:10.000 cho các khu vực cảng, đảo/đá; 1:25.000, 1:50.000,
1:100.000,

1:200.000,

1:300.000,

1:400.000,

1:500.000,

1:1.000.000,

1:1.500.000 và 1:2.500.000; bản đồ địa hình đáy biển do Trung tâm Trắc địa Bản
đồ biển, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam thành lập dựa trên hệ tọa độ
VN2000, phép chiếu UTM, hệ độ cao HP72 cho dãy tỷ lệ 1:10.000, 1:25.000,
1:50.000 và 1:100.000 cho các khu vực ven bờ (phạm vi phủ đến hết vùng tiếp
giáp lãnh hải). Để thống nhất cơ sở toán học bản đồ nền trên phạm vi lãnh thổ
Việt Nam (cả đất liền và vùng biển) cần phải chuyển đổi tọa độ, độ cao của hệ
thống hải đồ về hệ tọa độ, độ cao quốc gia để tận dụng nguồn tư liệu của Đoàn 6
trong việc bảo đảm tư liệu địa hình cho các hoạt động của Quân đội.
Chuyển đổi tọa độ hải đồ (ellipsoid WGS84, phép chiếu Mercator) về hệ
tọa độ quốc gia VN2000 là một vấn đề khoa học không quá phức tạp, nhưng
chuyển đổi độ cao hải đồ (dựa trên mặt chuẩn "0" độ sâu khu vực) về hệ độ cao
quốc gia HP72 là một vấn đề không đơn giản. Ở Việt Nam, đã có một số công
trình nghiên cứu quy đổi độ cao hải đồ về độ cao quốc gia trên cơ sở xây dựng
các mặt biển trung bình và mặt biển thấp nhất dựa trên số liệu quan trắc thủy
triều tại các trạm nghiệm triều ven bờ biển bằng các phương pháp ngoại suy
[14]. Tuy nhiên, như đã khẳng định trong nhiều tài liệu, mặt biển trung bình cục
bộ được thành lập theo các số liệu đo mực nước tại các trạm nghiệm triều dọc bờ
biển Việt Nam không cho phép xác định được bề mặt tự nhiên biển (mặt biển
trung bình) trên toàn bộ Biển Đông [10,13]. Vì vậy, đề tài luận văn tập trung

nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình mặt biển trung bình khu vực và mặt
biển thấp nhất khu vực trên cơ sở sử dụng các thành quả khoa học tiên tiến của
thế giới phục vụ nhiệm vụ chuyển đổi độ cao hải đồ về độ cao quốc gia.


16

1.2. Tình hình nghiên cứu xây dựng các mô hình bề mặt cơ bản trên biển
1.2.1.Ellipsoid quy chiếu toàn cầu (WGS84)
Từ những năm 1950, khi bắt đầu sử dụng vệ tinh nhân tạo của Trái đất người ta
đã đưa ra hệ trắc địa toàn cầu WGS. Hệ quy chiếu WGS60 được coi là hệ trắc địa
toàn cầu đầu tiên, do Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD) thiết lập. Tiếp theo đó là các hệ
WGS66 và WGS72 được đưa ra nhằm nâng cao độ chính xác của hệ trắc địa toàn cầu
đáp ứng các yêu cầu của DoD. Hệ WGS72 phục vụ cho hệ thống TRANSIT.
Từ năm 1970, trên cơ sở quan trắc vệ tinh mà chủ yếu là trị đo Doppler từ
khoảng 1500 điểm, Liên đoàn Địa vật lý và Trắc địa quốc tế đã định nghĩa Hệ quy
chiếu GRS80 (Geodetic Reference System). GRS là Hệ quy chiếu không gian địa
tâm có Ellipsoid xấp xỉ gần đúng nhất với Trái Đất, được định nghĩa bằng các
thông số hình học và vật lý. Hệ thống trắc địa toàn cầu được thiết lập bởi Bộ Quốc
phòng Mỹ và được xác định dựa trên việc tính chuyển tọa độ của các vệ tinh
Doppler. Trong quá trình bình sai lưới, chỉ sử dụng các tập hợp số liệu của các
trạm quan trắc vệ tinh Doppler khác nhau mà không cần dùng tới các kết quả quan
trắc giao thoa cạnh đáy dài VLBI (Very Long Baseline Interferometry) và đo laze
đến vệ tinh SLR (Satellite Laser Ranging). Do hạn chế của kỹ thuật Doppler nên
độ tin cậy của lưới chỉ cỡ 1-2m, vận tốc của các trạm được coi là không đáng kể.
Từ khi công nghệ GPS phát triển, một số phần của lưới được đo bằng công
nghệ GPS và được đưa vào xử lý kết quả. Hệ quy chiếu WGS84 được xây dựng
dựa trên tọa độ của 10 trạm đo GPS của Bộ Quốc phòng Mỹ. Sau đó, tọa độ
WGS84 được xác định lại bằng việc sử dụng trị đo trong vài tuần từ một lưới toàn
cầu gồm 32 điểm, trong đó 10 điểm cũ của Bộ Quốc phòng Mỹ và 22 điểm của Tổ

chức dịch vụ GNSS quốc tế IGS (International GNSS Service). Quá trình bình sai
được thực hiện trên nguyên tắc tổ hợp cả quỹ đạo vệ tinh và tọa độ các điểm đo.
Lưới Quy chiếu này được gọi là WGS84 (G730) để ghi nhận các kết quả đo GPS ở
tuần thứ 730. Lưới quy chiếu đạt độ chính xác 10cm và sử dụng mô hình chuyển
động mảng toàn cầu NUVEL-1.


17

Hệ trắc địa toàn cầu WGS84 (World Geodetic System-1984) được duy trì bởi
Cơ quan Tri thức Địa không gian quốc gia Hoa Kỳ (NGA). WGS84 là một hệ quy
chiếu Trái đất quy ước (CTRS) phù hợp với Trái đất trên phạm vi toàn cầu và được
xác định với gốc tọa độ khá gần với trọng tâm Trái đất (xét cả phần đại dương và khí
quyển quanh Trái đất) thoả mãn các tiêu chí do IERS đề ra. Ellipsoid WGS84 sử
dụng một số tham số của GRS-1980, tuy nhiên cũng có một số tham số khác nhau
không nhiều.
Hệ toạ độ WGS84 được bảo đảm bởi khung quy chiếu WGS84, với các trạm
trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS và một số trạm quan sát của Cơ quan Bản
đồ và Ảnh quốc gia Mỹ (NIMA) và nhiều trạm tham gia khác.
Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 (BIH CTS 1984.0) và Cực Trái Đất quy
ước CTP đã được Cơ quan giờ quốc tế BIH (năm 1984) xác định như sau:
* Gốc trùng với tâm vật chất của Trái Đất;
* Trục Z trùng với hướng của Cực Trái Đất quy ước BIH CTP vào thời điểm
chuẩn 1984.0;
* Trục X trùng với đường giao cắt của mặt phẳng kinh tuyến 0 của BIH (BIH
Zero Meridian) và mặt phẳng chứa điểm gốc “0” của Trái Đất (mặt phẳng xích đạo)
và vuông góc với trục Z;
* Trục Y là trục thứ ba vuông góc với các trục Z, X và nằm trên mặt phẳng
xích đạo, hướng về phía Đông.
Cả ba trục X, Y, Z tạo nên hệ tọa độ địa tâm theo quy tắc bàn tay phải.

Trong hệ quy chiếu WGS84 người ta sử dụng ellipsoid tham chiếu có các
tham số kích thước và hình dạng như sau :
- Bán trục lớn a = 6378137.0 m; độ dẹt f = 1:298.257223563
- Hệ thời gian: GPST (GPS Time)
Mô hình vật lý chuẩn của Trái đất sử dụng trong các ứng dụng GPS là hệ tọa
độ trắc địa WGS84 của Bộ Quốc phòng Mỹ. Một phần của WGS84 là mô hình chi
tiết của sự bất thường lực hấp dẫn của Trái đất. Các thông tin này là cơ sở để đạt


18

được độ chính xác của lịch vệ tinh, từ đó đạt được độ chính xác trong tính toán
vị trí của máy thu GPS80 được hiệp hội Trắc địa và Địa vật lý thế giới chấp nhận
năm 1979 và được đánh giá tiệm cận tốt nhất với mặt geoid toàn cầu. Các tham
số vật lý như sau:
- Hằng số trọng trường: GM=3986004,418.108m3/s2
- Tham số hình dạng động học của Trái đất: J2= 108263.10-8
- Tốc độ quay của Trái đất: ω=7292115.10-11rad/s
- Thế trọng trường chuẩn trên Ellipsoid U0 = 62 636 851,7146m2/s2
- Trọng lực chuẩn trên xích đạo γE = 9,7803253359m/s2
- Trọng lực chuẩn tại cực γP = 9,8321849378m/s2
Trong hệ tọa độ WGS84 chúng ta có thể biểu diễn vị trí của bất kỳ một
điểm nào trên mặt đất hoặc không gian ngoài Trái đất nhờ 3 thành phần toạ độ
vuông góc không gian địa tâm là X,Y,Z hay toạ độ trắc địa B,L,H.
Khung quy chiếu WGS84 đã được nâng cấp vào các năm 1997 và 2002 (Bảng 1.1).
Dựa trên hệ tọa độ WGS84 người ta đã xây dựng mô hình geoid toàn cầu
như DMA-10, OSU91A, EGM96, EGM-2008,... Hiện nay, sự khác biệt giữa
WGS84 và ITRF2005 là rất nhỏ, cỡ một vài cm.
Bảng 1.1. Các thời kỳ nâng cấp khung quy chiếu WGS84.
TT

Tên gọi

Thờigian

Độ chính xác vị trí điểm

1

WGS84(G730)

6/1994

10cm

2

WGS84(G873)

1/1997

5cm

3

WGS84(G1150)

1/2002

1-2cm

4

WGS84(G1674)

1/2005

<1cm

5

WGS84(G1762)

6/2005

<1cm


19

Hình 1.1. Trạm khung tham chiếu WGS84
1.2.2. Mô hình quasigeoid toàn cầu (EGM2008)

Mô hình trọng trường Trái Đất EGM2008 do Cơ quan Tri thức Địa không
gian quốc gia (National Geospatial-Intelligence Agency-NGA) của Mỹ xây dựng.
Các hệ số điều hòa của phép khai triển địa thế năng theo hàm cầu trong mô hình
này có bậc (order) và mức (degree) 2159. Một số hệ số bổ sung được khai triển
đến mức 2190 [31]. Các dữ liệu được sử dụng là các thông tin trọng trường của
các dự án vệ tinh CHAMP, GRACE với mô hình trọng lực toàn cầu GGM2S
(Global Gravity Model), mô hình Địa hình đại dương động lực (Dynamic Ocena

Topography-DOT), EGM96, mô hình mặt đất dư (Residual Terrain Model-RTM),
mô hình trọng trường ban đầu PGM2007B (Premilinary Gravitational Model) của
nhóm làm việc Quốc tế dưới sự bảo trợ của Hội Trắc địa quốc tế AIG
(International Association of Geodesy). Trên các đại dương đã sử dụng các giá trị
dị thường trọng lực được xác định bằng các kết quả đo cao từ vệ tinh của các tổ
chức DNSC (the Danish National Space Center) và SIO/NOAA cùng các mô hình
DOT tương ứng [33]. Việt Nam cũng nằm trong khu vực có dữ liệu dị thường
trọng lực với mật độ 5’ x 5’ [32] (xem hình 1.2).


20

Hình 1.2. Màu trắng chỉ các khu vực có dữ liệu dị thường trọng lực với mật độ
5’x5’
Dị thường độ cao trọng lực được xác định từ mô hình EGM2008 tương ứng
với Ellipsoid Trái đất trung bình lý tưởng (Ideal Mean-Earth Ellipsoid) trong Hệ
thống không bị ảnh hưởng của thủy triều (The Tide Free System) với các tham số
a = 6378136.58m và 1/𝑓 ̅ = 298,257686 và mặt Geoid toàn cầu với thế năng trọng

trường thực ̅̅̅̅
𝑊0 = 62636856,0 m2.s-2[33].

Các đánh giá mô hình trọng trường Trái đất EGM2008 với bậc khai triển 2190

được thể hiện trong tài liệu [26, 33]:
1. So sánh độ cao mặt biển (Sea Surface Height so với mặt Ellipsoid) được xác
định bằng đo cao vệ tinh theo các dự án TOPEX/POSEIDON với độ cao mặt biển
được xác định từ EGM2008:
Sai số trung phương độ cao: 5,2cm
Độ chênh cực đại: 121cm

2. Đánh giá sai số trung phương của dị thường độ cao được xác định theo EGM2008:
- Đại dương: 6,1m
- Đất liền: 10,3m
- Nam Mỹ, Mỹ và Canada: 4,8m


21

- Toàn cầu: 11,1m
3. So sánh các dị thường độ cao được xác định theo kết quả GPS/thủy chuẩn
và theo EGM2008.
Sai số trung phương của các độ chênh:
- Toàn cầu: 13cm
- Trung Mỹ: 7,1cm
- Australia (phần đất liền): 26,6cm
Như vậy khi xác định độ cao geoid từ các hệ số điều hòa khai triển hàm cầu
của mô hình EGM2008 không cần thiết phải xác định số cải chính địa hình dựa trên
mô hình số độ cao quốc gia, bởi vì các dị thường trọng lực được xác định từ mô
hình EGM2008 đã được hiệu chỉnh bởi Mô hình mặt đất còn dư RTM.
Hiện nay mô hình EGM2008 được coi là mô hình tổng hợp nhất về trọng
trường Trái đất. Khi so sánh dị thường độ cao GNSS/thủy chuẩn và dị thường độ
cao trọng lực chúng ta sẽ xác định được độ chênh hệ thống giữa chúng. Việc xác
định độ chênh hệ thống giữa dị thường độ cao GNSS/thủy chuẩn và dị thường độ cao
trọng lực là cơ sở khoa học để giải quyết bài toán đồng bộ dị thường độ cao
GNSS/thủy chuẩn và dị thường độ cao trọng lực được xác định từ mô hình EGM2008
trong việc giải quyết bài toán xác định mô hình quasigeoid độ chính xác cao trên lãnh
thổ quốc gia.
1.2.3. Mô hình mặt biển trung bình (MSS)
Mô hình mặt biển trung bình (MSS) là một tham chiếu quan trọng trong việc
nghiên cứu biểu đồ biến đổi mực nước biển và mực nước biển. Mặt nước biển trung

bình (MSS) là độ cao của mặt nước biển trung bình so với mặt ellipsoid. Một mô
hình mặt biển trung bình toàn cầu (WHU2013) có dữ liệu được phân bố trong ô
chuẩn (Grid) 2’x2’ từ vĩ độ Nam 800S đến vĩ độ Bắc 840N được xây dựng bằng
cách kết hợp gần 20 năm dữ liệu đo cao vệ tinh bao gồm TOPEX/POSEIDON,
JASON-1, JASON-2, ERS-2, ENVISAT và GFO.


22

Kể từ khi quan sát vệ tinh Geos-3 đầu tiên đạt được thành công trong thập niên
1970. Một loạt các mô hình mặt biển trung bình toàn cầu và khu vực đã được thành
lập, bao gồm: OSU MSS95, GSFC00.1, WHU2000, CLS01, DNSC08 và
WHU2009. Hiện nay chỉ có 2 tổ chức: Trung tâm Quốc gia Không gian (CNES) và
Trung tâm Nghiên cứu Không gian của Trường Đại học Tổng hợp kỹ thuật Đan
Mạch (DTU - Technical University of Denmark) vẫn đang xuất bản các mô hình
MSS. Các mô hình MSS mới nhất là CNES-CLS11MSS và DTU13MSS. Dữ liệu
đo vệ tinh của mô hình CNES-CLS11MSS kéo dài 16 năm từ năm 1993 đến năm
2008 và bao gồm các kết quả quan sát kết hợp dữ liệu TOPEX/POSEIDON và
JASON-1 trong 16 năm, các kết quả nghiên cứu của ERS-2 và ENVISAT trong
vòng 14 năm từ năm 1995 đến năm 2008, dữ liệu GFO trong vòng 7 năm từ năm
2001 đến năm 2007, dữ liệu TOPEX/POSEIDON trong vòng 3 năm từ năm 2003
đến năm 2006 và hai quan sát sứ mệnh trắc địa ERS-1. Đối với mô hình
DTU13MSS, các biển thể mực nước biển đã được giải quyết trực tiếp trong bình sai.
Phương pháp này thường được sử dụng nhưng vẫn có số dư đáng kể tồn tại.

Hình 1.3. Mặt biển trung bình CNES-CLS11 MSS
Trong lịch sử, các mô hình mặt biển trung bình (MSS) đã sử dụng các quan sát
của GEOSAT và ERS-1, nhưng những quan sát này dần dần được thay thế bằng các