Nghiên cứu chính xác hoá dị thường độ cao egm 2008 dựa trên số liệu gps thuỷ chuẩn trên phạm vi cục bộ ở việt nam

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học mỏ - địa chất

nguyễn duy Đô

nghiên cứu chính xác hóa dị thờng ®é cao EGM2008
dùa trªn sè liƯu gps - thđy chn trên phạm vi
cục bộ ở việt nam

luận án tiến sĩ kÜ thuËt

Hµ néi - 2012


bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học mỏ - địa chất

nguyễn duy Đô

nghiên cứu chính xác hóa dị thờng ®é cao EGM2008
dùa trªn sè liƯu gps - thđy chn trên phạm vi
cục bộ ở việt nam
Chuyờn ngnh : Trc địa cao cấp
Mã số : 62.52.85.10

luËn ¸n tiÕn sÜ kÜ thuật

ngời Hớng dẫn khoa học

1. PGS. TS. Đặng Nam Chinh
2. TS. Lê Minh Tá

Hà nội - 2012


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng bản thân tơi. Tất cả q
trình nghiên cứu; các số liệu tính tốn; báo cáo và kết quả nghiên cứu được trình
bày trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được công bố trong cơng
trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Duy Đơ


ii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ……………………………………………………………………………….
Mục lục ……………………………………………………………………………………..
Danh mục các hình …………………………………………………………………………
Danh mục các bảng ………………………………………………………………………...
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………………...
Chương 1. TỔNG QUAN ………………………………………………………………….
1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt nam
Chương 2. MƠ HÌNH GEOID/QUASIGEOID VÀ VAI TRỊ CỦA NĨ TRONG CƠNG
TÁC ĐO CAO BẰNG GPS ………………………………………………………………..
2.1 Các cơ sở gốc độ cao và các loại độ cao ……………………………………………..

2.1.1. Các cơ sở gốc độ cao ………………………………………………………….
2.1.2. Các loại độ cao ………………………………………………………………...
2.2. Mơ hình Geoid/Quasigeoid và các phương pháp xây dựng nó …………………….
2.2.1. Mơ hình Geoid và phân loại mơ hình Geoid …………………………………..
2.2.2. Một số phương pháp xây dựng mơ hình Geoid ……………………………….
2.2.3. Một số mơ hình Geoid toàn cầu và cục bộ ……………………………………
2.3. Đo cao GPS và vai trị của mơ hình Geoid trong đo cao GPS ………………………
2.3.1. Đo cao GPS ……………………………………………………………………
2.3.2. Vai trị của mơ hình Geoid/Quasigeoid trong đo cao GPS …………………….
Chương 3. ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC MỘT SỐ MƠ HÌNH GEOID TỒN CẦU
TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM …………………………………………………………...
3.1. Phương pháp khảo sát đánh giá độ chính xác mơ hình Geoid tồn cầu dạng lưới…..
3.1.1. Mơ hình Geoid tồn cầu trên lãnh thổ Việt Nam ……………………………..
3.1.2. Phương pháp đánh giá độ chính xác mơ hình Geoid tồn cầu dạng lưới ……..
3.2. Khảo sát đánh giá độ chính xác một số mơ hình Geoid trên lãnh thổ Việt Nam ……
3.2.1. Giới thiệu một số mô hình Geoid tồn cầu để khảo sát ……………………….
3.2.2. Khảo sát đánh giá một số mơ hình Geoid tồn cầu đã giới thiệu ……………..
Chương 4, NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHÍNH XÁC HÓA DI THƯỜNG ĐỘ CAO
EGM2008 KHU VỰC TÂY NGUYÊN VÀ DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ …………
4.1. Phần lý thuyết ……………………………………………………………………….
4.1.1. Quá trình ngẫu nhiên trên bề mặt trái đất ……………………………………..
4.1.2. Sự thay đổi hiệu độ cao trắc địa do tính chuyển tọa độ ………………………
4.2. Phần thực nghiệm ……………………………………………………………………
4.2.1. Giới thiệu khu vực thực nghiệm ……………………………………………….
4.2.2. Quy trình tính tốn và chương trình máy tính …………………………………
4.2.3. Tính tốn thực nghiệm …………………………………………………………
4.2.4. Tính tốn thử nghiệm để so sánh ……………………………………………...
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………………………………………………...
Các cơng trình nghiên cứu khoa học ……………………………………………………….
Tài liệu tham khảo ……………………………………………………………………….....

Phụ lục ……………………………………………………………………………………...

i
ii
iii
iv
1
6
6
12
16
16
16
20
26
26
27
30
37
37
41
42
42
42
42
46
46
53
63
63

63
82
86
86
90
97
112
123
125
126
131


iii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Bản đồ Geoid với khoảng cao đều 10m (1964) .. ……………………….
7
Hình 1.2. Bản đồ Geoid GRIM-3 …………………………………………………..
8
Hình 1.3. Bản đồ Geoid EGM96 …………………………………………………...
9
Hình 2.1. Quasigeoid và Geoid . …………………………………………………… 17
Hình 2.2. Hai cơ sở gốc đơ cao A và B …………………………………………….
18
Hình 2.3. Độ cao chính ……………………………………………………………..
22
Hình 2.4. Độ cao chuẩn ……………………………………………………………. 23
Hình 2.5. Mối quan hệ giữa độ cao chính và độ cao chuẩn ………………………... 25
Hình 2.6. Mặt Geoid tồn cầu và mực nước trung bình khu vực ………………….

26
Hình 2.7. Mơ hình Quasigeoid Cộng Hịa Liên Bang Đức GCG05 ……………….
32
Hình 2.8. Mơ hình Quasigeoid của Ba Lan …………………………………...……
33
Hình 2.9. Mơ hình WWGEOID04 ............................................................................ 34
Hình 2.10. Mơ hình EGMGEOID05 .......................................................................... 34
Hình 2.11. Bản đồ Geoid KOGD2003 của Hàn Quốc ……………………….…….. 35
Hình 2.12. Mơ hình Geoid AUSGEOID98 của Australia ……………………..…..
36
Hình 2.13. Mối quan hệ giữa độ cao ellipsoid và độ cao chuẩn …………………… 37
Hình 2.14. Hiệu độ cao trắc địa và hiệu độ cao thủy chuẩn ………………………..
38
Hình 3.1. Mơ hình Geoid DMA10 …………………………………………………
48
Hình 3.2. Mơ hình Geoid USU91A ………………………………………………..
49
Hình 3.3. Mơ hình Geoid EGM96 ………………………………………………….
50
Hình 3.4. Mơ hình Geoid EGM2008 ……………………………………………….
52
Hình 4.1. Dạng hàm Hirvonen …………………………………………………….. 67
Hình 4.2. Phân chia vùng để xác định đặc trưng hiệp phương sai dị thường trọng lực …
78
Hình 4.3. Sơ đồ khối chương trình tính tốn khảo sát ……………………………..
84
Hình 4.4. Một phần vùng đất Tây Nguyên ……….…………………………………...
87
Hình 4.5. Phạm vi phân bố các điểm song trùng ...……………………………………. 89
Hình 4.6. Tạo mơ hình Geoid cục bộ (grid) từ mơ hình tồn cầu ….………………...…

92
Hình 4.7. Tạo mơ hình EGM08 cục bộ vùng Tây Ngun ………………………… 93
Hình 4.8. Quy trình tính tốn chính xác hóa dị thường độ cao ……………………
94
Hình 4.9. Đồ thị hàm hiệp phương sai Markov bậc 3 ……………………………… 99
Hình 4.10. Đồ thị hàm hiệp phương sai Markov bậc 3 ……………………………. 104
Hình 4.11. Sơ đồ 2D của các số hiệu chỉnh δζ i …………………………………… 106
Hình 4.12. Mơ hình chính xác hóa EGM08C …………………………………….
Hình 4.13. Hiệu quả của việc chính xác hóa dị thường độ cao Geoid ……………………
Hình 4.14. Đồ thị hàm hiệp phương sai thực nghiệm ……………………………...

107
112
114


iv

Hình 4.15. Sơ đồ 2D của Quasigeoid GPS-TC xác lập từ 163 điểm song trùng …
Hình 4.16. Phân bố 110 điểm GPS-TC …………………………………………...
Hình 4.17. Hiệp phương sai dị thường độ cao GPS-TC xác định từ 110 điểm.......
Hình 4.18. Sơ đồ 2D của Quasigeoid GPS-TC xác lập từ 110 điểm song trùng …
Hình 4.19. Hiệp phương sai số chênh dị thường độ cao ………………………....
Hình 4.20. Sơ đồ 2D Quasigeoid đã được chính xác hóa ……………………......
Hình 4.21. Phân bố 60 điểm GPS-TC …………………………………………....
Hình 4.22. Hiệp phương sai số chênh dị thường độ cao GPS-TC ……………….
Hình 4.23. Sơ đồ 2D của Quasigeoid GPS-TC xác lập từ 60 điểm song trùng …
Hình 4.24. Đồ thị hiệp phương sai số chênh dị thường độ cao ………………….
Hình 4.25. Sơ đồ 2D của Quasigeoid …………………………………………....

114
116
117
117
118
118
119
120
121
121
122


v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1.Tổng hợp một số đặc điểm chính của độ cao chính và độ cao chuẩn ……

25

Bảng 2.2. Sự khác nhau giữa ζ và N trong 4 trường hợp khác biệt về độ cao ……….

26

Bảng 2.3. Một số mơ hình geoid tồn cầu ………………………………………..

31

Bảng 3.1. Một số mơ hình Geoid tồn cầu đã có ở Việt Nam ..................................

46

Bảng 3.2 Số liệu thống kê giá trị trung bình dị thường trọng lực chân không theo
các ô 30’x30’ của mơ hình EGM96 .................................................................. .......

47

Bảng 3.3. Thống kê dữ liệu ∆g (5’x5’) mGal ...........................................................

51

Bảng 4.1. Hiệp phương sai thực nghiệm tính theo 180 điểm ....................................

99

Bảng 4.2. Các tham số hàm hiệp phương sai Markov bậc 3 .....................................

99

Bảng 4.3. Tọa độ và các loại độ cao của các điểm song trùng ..................................

100

Bảng 4.4. Hiệp phương sai thực nghiệm tính theo 163 điểm ....................................

103

Bảng 4.5. Các tham số hàm hiệp phương sai Markov bậc 3 ...................................... 104
Bảng 4.6. Giá trị dị thường độ cao nội suy tại 163 điểm song trùng ......................... 108
Bảng 4.7. Giá trị độ cao Geoid nội suy từ mơ hình EGM08C ................................... 111

Bảng 4.8. Tổng hợp kết quả tính nội suy theo 3 phương pháp .................................. 112
Bảng 4.9. Tổng hợp kết quả tính tốn trường hợp 163 điểm ..................................... 115
Bảng 4.10. Tổng hợp kết quả tính tốn trường hợp 110 điểm ................................... 119
Bảng 4.11. Tổng hợp kết quả tính tốn trường hợp 60 điểm ..................................... 122


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại cơng nghệ GNSS (Global Navigation Satellite System), vị trí
điểm trên bề mặt trái đất đã được giải quyết một cách hiệu quả, nhưng độ cao của
điểm lại chưa thể giải quyết trọn vẹn nếu như khơng có thơng tin về vị trí của
Geoid hay Quasigeoid trong hệ quy chiếu trái đất. Chính vì thế vấn đề nghiên cứu
trọng trường và xây dựng mơ hình Geoid/Quasigeoid trên phạm vi tồn cầu cũng
như cục bộ luôn là nhiệm vụ quan trọng của ngành Trắc địa nói riêng và các ngành
khoa học trái đất nói chung.
Trên quy mơ tồn cầu, các nhà khoa học đã nghiên cứu và xây dựng được một
số mô hình trọng trường, tiêu biểu nhất trong số đó là mơ hình EGM2008, có bậc và
hạng tới 2190. Tương ứng đã xác định được Geoid theo mơ hình đó với độ phân giải
2,5’x2,5’ và độ chính xác khoảng 2 dm. So với các mơ hình trọng trường tồn cầu
trước đó, độ chính xác của mơ hình EGM 2008 đã tăng lên đáng kể. Tuy vậy, mơ
hình EGM2008 vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu trong nghiên cứu khoa học và
một số ứng dụng thực tiễn trên phạm vi cục bộ, đặc biệt là trong ứng dụng công
nghệ đo cao GPS.
Trên quy mơ cục bộ, mơ hình Geoid của các quốc gia, châu lục cũng liên tục
được hoàn thiện và nâng cấp thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Độ
chính xác của các Geoid cục bộ tại một số quốc gia đã đạt được ở mức cm. Tiêu biểu
như Canada (2.5cm), Thụy sỹ (2.5cm), Balan (2cm) vv…
Ở Việt Nam, ngay từ đầu những năm 90 của thập kỷ trước, GS.TSKH Phạm
Hồng Lân đã xây dựng mơ hình grid trọng lực 5’x5’ trên cơ sở sử dụng giá trị trọng

lực chi tiết mặt đất cho vùng lãnh thổ và sử dụng hệ số hàm điều hòa cầu của mơ hình
Rapp có bậc và hạng (n=m=180) để cải chính cho vùng xa khi tính tốn độ cao geoid.
Độ chính xác của mơ hình geoid đạt khoảng 2,0m ÷3,0m. Tiếp đó, giai đoạn 19982000, Tổng Cục Địa chính giao cho GS.TSKH Đặng Hùng Võ làm trưởng ban cùng
một số nhà khoa học trắc địa đã xây dựng được mô hình Geoid VnGeo 96R và VnGeo
96U với độ chính xác từ 0.5m ÷0,8m [28].
Giai đoạn 2002 -2005, cũng đã có nghiên cứu và đã xây dựng được mơ hình
Geoid trên lãnh thổ với độ chính xác 0,22m.
Một vài nét sơ lược trên đây đã cho thấy, đối với Việt nam, hiện nay có hai sự
lựa chọn để khai thác Geoid phục vụ cho việc giải quyết các nhiệm vụ khoa học và
thực tiễn. Thứ nhất, sử dụng mơ hình EGM2008. Thứ hai sử dụng Geoid cục bộ được
xây dựng bởi các nhà khoa học trong nước. Cả hai phương án cho dị thường độ cao đạt


2
cỡ 2dm. Độ chính xác này chưa thỏa mãn được nhu cầu ứng dụng công nghệ đo cao
GPS và một số ứng dụng khác.
Trong bối cảnh đó chúng tơi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chính xác hóa dị
thường độ cao EGM2008 dựa trên số liệu GPS - Thủy chuẩn trên phạm vi cục
bộ ở Việt Nam” với mục tiêu xây dựng được mơ hình Quasigeoid cục bộ có độ
chính xác cao hơn mức 2dm, nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu cầu trong nghiên cứu
khoa học và thực tiễn của ngành Trắc địa nói riêng và các ngành khoa học trái đất
nói chung ở nước ta.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu đánh giá độ chính xác các mơ hình Geoid tồn cầu trên lãnh thổ
Việt Nam và xây dựng một mơ hình Quasigeoid cục bộ dạng lưới (đã được chính xác
hóa) cho vùng Tây Ngun và duyên hải Nam Trung Bộ, hoàn toàn đáp ứng được yêu
cầu đo cao GPS tương đương thủy chuẩn hạng IV ở vùng núi.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Mơ hình Geoid/Quasigeoid và phương pháp xác định chúng trong hệ quy
chiếu trái đất

- Phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất và một số phương pháp nội
suy khác.
- Sử dụng mơ hình Geoid/Quasigeoid cục bộ phục vụ cho công tác đo cao GPS.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp đánh giá độ chính xác mơ hình Geoid; lựa chọn mơ
hình Geoid tiên nghiệm và xử lý số liệu GPS-TC để chính xác hóa dị thường độ cao tại
vùng Tây Nguyên và Duyên hải Nam Trung Bộ.
5. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết về mơ hình Geoid, các phương pháp nội suy dị thường độ
cao hoặc độ cao Geoid.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về một số phương pháp đánh giá độ
chính xác mơ hình Geoid tồn cầu.
- Nghiên cứu và tính tốn thực nghiệm về sự thay đổi hiệu độ cao trắc địa do
tính chuyển tọa độ và sai số tọa độ khởi tính.
- Nghiên cứu phương pháp và quy trình chính xác hóa dị thường độ cao cho
một khu vực nhỏ; lập bộ chương trình cho máy tính, cho phép tự động xử lý chính xác
hóa dị thường độ cao mơ hình Geoid tiên nghiệm dạng lưới dựa trên số liệu tọa độ, độ
cao của các điểm song trùng.


3
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Thu thập các tài liệu đã có; cập nhật các
thơng tin trên mạng Internet; tìm kiếm các số liệu tọa độ GPS, độ cao thủy chuẩn có đủ
độ chính xác tin cậy phục vụ cho nghiên cứu.
- Phương pháp phân tích: Tìm hiểu lý thuyết cơ bản về Geoid/Quasigeoid; các
phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình Geoid/Quasigeoid.
- Phương pháp so sánh: So sánh ưu điểm và nhược điểm của các thuật toán hoặc
các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu, để tìm phương án tối ưu.
- Phương pháp tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, tìm được thuật tốn

chính xác hóa dị thường độ cao.
- Phương pháp ứng dụng công nghệ tin học: Viết các chương trình tính tốn cho
máy tính thực hiện quy trình chính xác hóa dị thường độ cao.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Việc nghiên cứu phương pháp chính xác hóa dị thường độ cao mơ hình để đạt
được mục đích nghiên cứu của luận án tiến sĩ kỹ thuật này sẽ góp phần bổ sung vào lý
thuyết xây dựng mơ hình Quasigeoid cục bộ có độ chính xác cao.
- Xác định độ cao thủy chuẩn của các điểm trong lưới GPS bằng đo cao GPS tại
khu vực đã có mơ hình Quasigeoid cục bộ đã được chính xác hóa.
8. Các luận điểm bảo vệ và các luận điểm mới của luận án
a) Các luận điểm bảo vệ
1. Đánh giá chất lượng mơ hình Geoid tiên nghiệm theo phương pháp so sánh hiệu
dị thường độ cao giữa các cặp điểm cho kết quả tin cậy. Các điểm song trùng GPS-Thủy
chuẩn (GPS-TC) phải được xác định trong hệ WGS84 với độ chính xác cần thiết. Độ
chính xác đó phụ thuộc vào diện tích khu vực cần chính xác hóa dị thường độ cao.
2. Dị thường độ cao EGM2008 (mơ hình tiên nghiệm) được chính xác hóa trên
cơ sở xác định số chênh dị thường độ cao chuẩn hóa xác định tại các điểm GPS-TC để
hiệu chỉnh vào các điểm mắt lưới của mơ hình tiên nghiệm. Kết quả cho mơ hình
Quasigeoid cục bộ giữ được sự phù hợp tổng thể với Geoid toàn cầu và với các mơ
hình cục bộ tại vùng tiếp biên ở khu vực lân cận sau chính xác hóa.
3. Dựa trên phương pháp xấp xỉ hàm và thuật toán Collocation, đã xây dựng bộ
chương trình máy tính gồm các modul có tên là PRECOV.EXE, COVFUN.EXE và
COLLO2.EXE, cho phép tự động xử lý chính xác hóa dị thường độ cao của
Geoid/Quasigeoid tiên nghiệm dạng lưới dựa trên số liệu tọa độ, độ cao của các điểm
song trùng; chương trình GEOINT.EXE cho người sử dụng muốn nội suy dị thường độ
cao của điểm bất kỳ trong khu vực.


4
b) Các điểm mới của luận án

1. Xây dựng quy trình chính xác hóa dị thường độ cao Quasigeoid cục bộ lấy
mơ hình Geoid tồn cầu làm mơ hình tiên nghiệm dựa trên hiệu số chênh dị thường độ
cao xác định tại các điểm song trùng GPS-TC.
2. Thiết lập được một mơ hình Quasigeoid cục bộ dạng lưới (đã được chính xác
hóa) cho vùng Tây Ngun và dun hải Nam Trung Bộ, hoàn toàn đáp ứng được yêu
cầu đo cao GPS tương đương thủy chuẩn hạng IV ở vùng núi.
3. Hình thành được bộ chương trình xử lý chính xác hóa dị thường độ cao,
thuận lợi cho người sử dụng và có thể áp dụng cho các vùng khác nếu có đủ số điểm
có số liệu đo GPS-TC.
9. Kết cấu của luận án
Gồm 3 phần chính
(1) Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án; mục đích nghiên cứu
của luận án; phương pháp nghiên cứu; nội dung nghiên cứu; những luận điểm bảo vệ
và những điểm mới của luận án.
(2) Phần nội dung: Gồm 4 chương
* Chương 1: Tổng quan
Giới thiệu sơ bộ về tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về các vấn đề
liên quan đến nội dung của luận án; các vấn đề còn tồn tại cần được nghiên cứu tiếp.
* Chương 2: Mơ hình Geoid/Quasigeoid và vai trị của nó trong công tác đo cao
bằng GPS.
Nội dung cơ bản của chương 2 trình bày những điểm sau:
- Các cơ sở độ cao và các loại độ cao.
- Mơ hình Geoid và các phương pháp xây dựng mơ hình Geoid.
- Đo cao GPS và vai trị của mơ hình Geoid trong đo cao GPS.
* Chương 3: Đánh giá độ chính xác một số mơ hình Geoid tồn cầu trên phạm
vi lãnh thổ Việt Nam.
Nội dung cơ bản của chương 3 trình bày những điểm sau:
- Phương pháp khảo sát đánh giá độ chính xác mơ hình Geoid.
- Khảo sát đánh giá độ chính xác một số mơ hình Geoid trên phạm vi lãnh
thổ Việt Nam.

5
* Chương 4: Nghiên cứu phương pháp chính xác hóa dị thường độ cao
EGM2008 khu vực Tây Nguyên và duyên hải Nam Trung Bộ.
- Phần lý thuyết.
- Phần thực nghiệm.
(3) Phần kết luận và kiến nghị
10. Cơ sở tài liệu
- Các tài liệu tham khảo là những nghiên cứu được cơng bố ở nước ngồi và
Việt Nam, hoặc trên các nguồn thông tin đại chúng.
- Số liệu thực tế về tọa độ của các điểm GPS - TC khu vực Tây Nguyên được
thu thập từ Cục Đo đạc và Bản đồ Việt Nam.
11. Lời cảm ơn
Luận án được hoàn thành tại Bộ môn Trắc địa cao cấp - Khoa Trắc địa - Trường
Đại học Mỏ - Địa chất thuộc Bộ Giáo dục và Đào tạo, dưới sự hướng dẫn khoa học
của PGS. TS Đặng Nam Chinh và TS Lê Minh Tá.
Trong q trình viết luận án, chúng tơi ln nhận được sự giúp đỡ của các thầy
giáo, cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, lãnh đạo và nhân viên các đơn vị:
khoa Trắc địa, phòng Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Cục Đo
đạc và Bản đồ Việt Nam, Cục Đo đạc và Bản đồ Bộ tổng tham mưu, Viện khoa học
Đo đạc và Bản đồ, Viện Địa chất, Trường Đại học Tài ngun và Mơi trường Hà
Nội v.v…
Chúng tơi bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS Đặng Nam
Chinh và TS Lê Minh Tá; các thầy giáo, cô giáo; các cơ quan; các nhà khoa học; các
bạn đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành luận án.


6
Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

Ngay từ năm 322 trước Công nguyên (TCN), Aristotle đã suy luận rằng Trái
đất có hình Spheroid tức là hình ellipsoid tròn xoay. Năm 250 TCN, dựa trên quan sát
đồng thời bóng Mặt trời ở hai đầu khoảng cách gần 25000 dặm từ Alexandria đến
Syene, Eratosthenes đã tính được kích thước gần đúng đầu tiên của trái đất. Như vậy,
từ khá lâu con người đã quan tâm nghiên cứu hình dạng và cấu trúc của Trái đất, đó
cũng chính là đối tượng nghiên cứu của các nhà trắc địa, các nhà địa vật lý từ các thời
kỳ lịch sử trước đây và cho đến hiện nay.
Lý thuyết hình dạng trái đất là một môn học quan trọng của Trắc địa cao cấp,
nội dung của môn học mang ý nghĩa khoa học sâu sắc, song kết quả của nó lại có ý
nghĩa ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, trước hết là trong công tác đo đạc-bản đồ.
Sự phát triển đỉnh cao trong cơng nghệ đo đạc hiện đại lại địi hỏi những người
làm công tác trắc địa cao cấp phải am hiểu tường minh và chính xác hình dạng Trái
đất, cụ thể là Geoid, Quasigeoid, Ellipsoid và mối quan hệ giữa chúng.
Năm 1901, Helmert đã dựa trên 1603 điểm trọng lực trên trái đất để xác định
các tham số của mô hình trọng lực chuẩn xét với Ellipsoid trịn xoay có dạng:
γ = γ e (1 + β1 sin 2 B + β 2 sin 2 2 B + ....)

(1.1)

Mơ hình tốn (1.1) được coi là mơ hình trọng trường đầu tiên, trong đó giá trị
trọng lực chuẩn thay đổi theo độ vĩ B của điểm xét. Theo (1.1) đã có một số nhà khoa
học công bố các tham số khác nhau như Bowie (1917), Heiskanen (1928,1957),
Jeffreys (1937,1941,1948), Zhongolovich (1952), Uotila (1957), Kaula (1958) vv...
Năm 1915 Helmert lại đưa ra mô hình trọng trường trái đất có dạng ellipsoid
3 chiều, tức là có xét tới độ dẹt xích đạo [57].
(1.2)
γ = γ e (1 + β1 sin 2 B + β 2 sin 2 2 B + β 3 cos 2 B. cos 2(λ − λ0 ))

trong đó λ0 là độ kinh của bán trục lớn của hình ellip xích đạo.
Theo mơ hình này, có một số kết quả nghiên cứu được cơng bố sau đó như các
cơng trình của Heiskanen (1924,1928), Niskanen (1945), Jeffreys (1948), Uotila
(1957,1962) vv... Các tham số của các mơ hình trọng lực trên đều dựa vào số liệu đo
trọng lực sau khi tính chuyển về mặt quy chiếu có độ cao bằng 0. Cũng nhờ các mơ
hình trọng lực trên, người ta đã xác định được dị thường trọng lực, sử dụng để tính
tốn các đặc trưng của thế trọng trường theo các công thức do Pizzetti,Vening Meinesz
phát triển từ lý thuyết Stokes và định lý Bruns.


7
Do hình thể khái quát của Trái đất gần với hình cầu, nên để nghiên cứu chi tiết
thế trọng trường trái đất, người ta đã sử dụng phương pháp khai triển thế trọng trường
trái đất vào hàm điều hòa cầu (spherical harmonic expansions). Giá trị dị thường trọng
lực được biểu thị ở dạng hàm điều hòa cầu:
M

n

∆g (ϑ , λ ) = ∑ ∑ (anm cos mλ + bnm sin mλ ) Pnm (cosϑ )

(1.3)

n=0 m =0

trong đó ϑ là hiệp độ vĩ địa tâm (co-geocentric latitude), λ là độ kinh, Pnm (cosϑ ) là
hàm Legendre [57].
Theo phương pháp này, trong những năm 1937-1943 đã có một số tác giả công bố
kết quả nghiên cứu như Dubovskii (1937), Jeffreys (1941,1943), trong đó đã khai triển
điều hịa cầu bậc 3 đến bậc 6.

Năm 1952, Zhongolovich đã dựa trên phân tích dị thường trọng lực từ 26000
điểm để khai triển đến bậc 8. Năm 1960, Molodenski, Eremeev và Yurkina đã cũng đã
trình bầy 2 lời giải (phương án 1 và phương án 2). Trong thời gian này, Brova đã đưa
ra khái niệm sóng Geoid (Geoid Undulation), từ đó thuật ngữ này đã được sử dụng
rộng rãi trong các cơng trình của Magnitski, Shimbirer và Uotila.
Từ năm 1958, người ta đã sử dụng kết quả quan sát quỹ đạo vệ tinh để xác định
các tham số điều hòa khu vực và các hệ số sóng hài thứ ba (tesseral coefficients). Năm
1963, dựa trên số liệu quan sát vệ tinh bằng camera Baker-Numm, Kaula đã nhận được
một bộ gồm 35 hệ số hàm điều hịa từ bậc 4 đến bậc 7. Trên hình 1.1. là bản đồ Geoid
do Izsak vẽ năm 1964 với khoảng cao đều 10m, trong đó sử dụng các hệ số khai triển
đến bậc 6.

Hình 1.1. Bản đồ Geoid với khoảng cao đều 10m (1964)
Trong những năm 1970, 1979 dựa trên quan sát vệ tinh nhân tạo và số liệu
trọng lực mặt đất, một số mơ hình trọng trường trái đất được xây dựng như các mô


8
hình GEM của NASA (Mỹ) và GRIM của Đức và Pháp phối hợp phát triển. Như mơ
hình GEM-2, có bậc khai triển 18 được công bố vào năm 1972, mô hình GEM-8 có
bậc 25 (1976), GEM-10B có bậc 36 (1979), OSU79 có bậc 180 (1979) vv....
Trong những năm 1980, vệ tinh vẫn tiếp tục được sử dụng trong nghiên cứu thế
trọng trường trái đất nhưng độ chính xác được nâng cao hơn. Trong thời gian này, nhờ
kỹ thuật đo cao từ vệ tinh (Altimetry) sử dụng các vệ tinh GEOS-3, SEASAT... cùng
với việc nâng cao độ chính xác các số liệu quan trắc trên mặt đất, người ta đã tiến hành
nghiên cứu địa hình động lực đại dương DOT (Dynamic Ocean Topography) và
chuyển động mảng (plate motion).
Trong các năm 1981 đến 1990, đã có một số mơ hình trọng trường được công
bố như: GRIM-3 (1983), OSU81 (1981),GPM-2 (1985),GEM-L2 (1986). Trên hình
1.2. là bản đồ Geoid tương ứng của mơ hình GRIM-3 với khoảng cao đều 5 m (1983).

Hình 1.2. Bản đồ Geoid GRIM-3

Trong thời gian này, Cục bản đồ Bộ quốc phịng Mỹ (DMA) đã cơng bố và sử
dụng hệ trắc địa thế giới WGS84. Hệ WGS84 là hệ quy chiếu sử dụng cho hệ thống
định vị toàn cầu GPS và được sử dụng trong nghiên cứu thế trọng trường của trái đất.
Năm 1988, để xử lý trên máy tính điện tử, Weber và Zomorrodian đã đề xuất
một chương trình tính tốn để tạo mơ hình thế trọng trường bậc cao được khai triển
Taylor [57]. Theo phương pháp này, đã có một số mơ hình bậc cao được cơng bố như
mơ hình OSU86F (bậc 360).
Tiếp theo những năm 90 của thế kỷ 20, chương trình nghiên cứu thế trọng
trường trái đất tiếp tục được phát triển. Nhờ đo cao vệ tinh thực hiện bởi


9
TOPEX/POSEIDON trong đó có sử dụng kết quả quan trắc giữa vệ tinh cao với vệ
tinh thấp, đã có những mơ hình trọng trường trái đất mới được cơng bố, đó là các mơ
hình JGM-1,JGM-2,JGM-3, GRIM4-C3, TEG-3, OSU91A, DQM94 vv...
Năm 1997, Lemoine đã công bố kết quả phát triển mô hình EGM96 với bậc
khai triển 360. Mơ hình này sử dụng phối hợp số liệu trọng lực mặt đất với độ phân
giải cao ( 1o và 30’) cùng số liệu đo cao vệ tinh GEOSAT và ERS-1 với độ phân giải
30’. Trên hình 1.3. là bản đồ Geoid tương ứng của EGM96 với khoảng cao đều
10m [53].

Hình 1.3. Bản đồ Geoid EGM96

Những năm đầu thế kỷ 21, phương pháp đo trọng lực vệ tinh được sử dụng để
nghiên cứu thế trọng trường. Năm 2000 đã có vệ tinh CHAMP, tiếp theo, năm 2002 có
vệ tinh GRACE và năm 2006 là vệ tinh GOCE. Với vệ tinh GOCE có độ cao quỹ đạo
cỡ 250 km, cho phép xác định khá chi tiết các đặc trưng trường trọng lực trái đất với

độ chính xác cỡ 1 mgal và xác định Geoid với độ chính xác cỡ 1-2cm [58].
Mơ hình trọng trường trái đất EGM2008 có bậc khai triển 2190, được cơng bố
năm 2008, trong đó có sử dụng số liệu trọng lực vệ tinh GRACE.
Trong nghiên cứu xây dựng mơ hình trọng trường trái đất, R. Rapp cũng đã chỉ
ra rằng, thế trọng trường trái đất không phải là hằng số bất biến theo thời gian. Sự thay
đổi phân bố vật chất của trái đất, chuyển dịch mảng, biến đổi thủy triều đại dương và
sự vận động của khí quyển vv... là những thay đổi theo thời gian (temporal variations)
sẽ làm thay đổi các tham số của thế trọng trường [57]. Những thay đổi rất nhỏ đó cũng


10
đã được nghiên cứu xác định để có thể nhìn nhận mơ hình trọng trường trái đất một
cách chính xác và khách quan.
Có thể thấy rằng, theo cách tiếp cận truyền thống cũng như bằng các phương
tiện hiện đại, cho đến nay phương pháp nghiên cứu hình dạng Trái đất vẫn được triển
khai theo trình tự sau [39]:
1. Xác định mặt tham chiếu - là mặt Ellipsoid
2. Xác định Geoid (hoặc Quasigeoid) so với mặt tham chiếu Ellipsoid
3. Xác định độ cao mặt địa hình so với mặt Geoid (hoặc Quasigeoid)
Theo cách tiếp cận trên, chừng nào vị trí mặt Geoid hay Quasigeoid được xác
định rất chính xác trong hệ quy chiếu trái đất, thì có thể sử dụng mặt Ellipsoid làm mặt
khởi tính độ cao.
Qua vài nét lịch sử nêu trên, có thể thấy rằng, cho đến nay vấn đề xác định các
đặc trưng của trọng trường Trái đất nói chung và Geoid/Quasigeoid nói riêng ln là
nhiệm vụ quan trọng của Trắc địa cao cấp.
Độ chính xác và mức độ chi tiết của mơ hình trọng trường trái đất phụ thuộc
vào chất lượng và mật độ số liệu đo nhận được trên mặt đất và trong không gian gần
trái đất, thường được thể hiện qua số bậc (degree) và hạng (order) khai triển thế trọng
trường vào hàm số cầu. Những mơ hình đầu tiên có bậc khai triển là 3, hiện nay phổ
biến là bậc 360 hoặc thậm chí bậc 2190.

Trước những năm 80 của thế kỷ XX, khi kỹ thuật số chưa phát triển, kết quả
nghiên cứu Geoid được thể hiện trên bản đồ Geoid, trên đó thể hiện độ cao Geoid so
với mặt tham chiếu là Ellipsoid. Từ những năm 1980 trở lại đây, nhờ sự phát triển của
máy tính điện tử, cơng nghệ thơng tin và kỹ thuật số đã được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực. Sau khi xử lý xây dựng các mô hình trọng trường trái đất, mơ hình
Geoid được thiết lập ở dạng số. Từ mơ hình trọng trường Trái đất có thể dễ dàng nhận
được mơ hình số Geoid dạng lưới (Grid) mà ở mỗi điểm mắt lưới có giá trị tọa độ B,L
và độ cao Geoid N. Khoảng cách các mắt lưới là một trong các chỉ tiêu về độ chính
xác hay độ phân giải của mơ hình Geoid.
Các mơ hình Geoid tồn cầu được sử dụng khá rộng rãi trong xác định độ cao
các điểm lưới GPS, giải quyết bài tốn đo cao GPS, song độ chính xác của các mơ
hình này thường chưa đáp ứng được các yêu cầu cần thiết của thực tế đặt ra. Vấn đề xử
lý nâng cao độ chính xác mơ hình Geoid đã được đề cập đến khơng chỉ đối với mơ
hình Geoid tồn cầu mà đối với cả mơ hình Geoid cục bộ được xây dựng từ số liệu
trọng lực. Trong những trường hợp này, kết quả chính xác hóa sẽ là một mơ hình cục


11
bộ có độ chính xác cao hơn, có sự phù hợp tốt nhất với số liệu GPS-thủy chuẩn trên
khu vực đó.
Vấn đề chính xác hóa mơ hình Geoid đã được một số nhà khoa học thực hiện và
đã được nêu trong các tài liệu tham khảo [38,51,35,30,52].
Theo [38], năm 1997, TS Khalrul A. Abdullah của Trường Đại học Công nghệ
Malaysia đã nâng cao (Improving) độ chính xác độ cao Geoid xác định từ mơ hình
Geoid OSU91A bằng phương pháp hồi quy có sử dụng số liệu đo GPS trên 10 mốc đã
biết độ cao, trong đó sử dụng 4 mốc kiểm tra. Kết quả đánh giá độ chính xác cho thấy
sai số xác định độ cao Geoid sau khi áp dụng mơ hình hồi quy chỉ là 10,4cm. Tuy
nhiên đây là kết quả đánh giá theo giá trị tuyệt đối. Trong các năm 2004-2005 tại
Malayssia người ta đã xây dựng 2 mơ hình Geoid riêng biệt là WWGEOID04 cho
vùng bán đảo (Penisular) và EGMGEOID05 cho vùng đảo (Sabah-Sarawak).

Trong các năm 2002 và 2003, dựa trên số liệu trọng lực, GPS-TC và đo cao vệ
tinh, các nhà khoa học Hàn Quốc đã xây dựng mơ hình Geoid chính xác KOGD2002
và sau đó nâng cấp thành mơ hình KOGD2003 để phục vụ cho các công tác trắc địa và
nghiên cứu khoa học.
Năm 2000, W.E. Featherstone đã chính xác hóa (Refinement) Geoid trọng lực
vùng Perth của Australia dựa trên số liệu của 99 điểm song trùng GPS-TC và sử dụng
phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất cùng với phương pháp nội suy Spline.
Sau chính xác hóa, giá trị trung phương tính theo sai khác của mơ hình chỉ cịn là ± 8mm,
so với trước khi chính xác hóa, sai khác của mơ hình Geoid trọng lực là ±128mm [51].
Năm 2008, tại Ai cập, Gomaa M. Dawod và Hoda F. Mohamed thuộc Trung
tâm nghiên cứu tài nguyên nước của Ai Cập đã làm khớp (fitting) các mơ hình Quasigeoid trọng lực cục bộ và toàn cầu với số liệu GPS-TC [35].
Năm 2009, tại Hy Lạp C. Kotsakis, K. Katsambalos và D. Ampatzidis thuộc
Trường Đại học tổng hợp Aristotle ở Thessaloniki, đã tiến hành khảo sát đánh giá độ
chính xác một số mơ hình Geoid của châu Âu và mơ hình Geoid tồn cầu trên lãnh thổ Hy
Lạp dựa trên 1542 mốc độ cao có đo trùng GPS [31]. Phương pháp đánh giá là xác định
sai số trung phương theo số chênh giữa hiệu độ cao Geoid xác định từ các mơ hình và
hiệu độ cao Geoid xác định từ kết quả GPS-TC. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trên lãnh
thổ Hy Lạp, mơ hình EGM2008 cho độ chính xác cao nhất trong các mơ hình đã khảo sát.
Các mơ hình Quasigeoid cục bộ của CHLB Đức, Ba Lan, Thụy sĩ vv... là những
mơ hình có độ chính xác khá cao, đáp ứng tốt cho công tác đo cao bằng GPS và các
nhiệm vụ khoa học khác.


12
Như vậy, vấn đề chính xác hóa mơ hình Geoid tồn cầu đã có để nhận được một
Geoid cục bộ tốt hơn hầu hết đều được giải quyết dựa vào số liệu GPS-TC. Điều đó
cũng nói lên rằng, tiêu chí chính xác hóa mơ hình Geoid trước hết là đáp ứng được yêu
cầu trong đo cao bằng GPS, đây là u cầu cao đối với mơ hình Geoid.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TẠI VIỆT NAM
Xác định mơ hình Geoid cục bộ ở Việt Nam đã được nghiên cứu và đưa vào áp

dụng thực tế trong hơn 20 năm qua, tiêu biểu có các nghiên cứu sau đây:
* Giai đoạn 1990-1995
GS.TSKH Phạm Hồng Lân đã xây dựng mơ hình grid trọng lực có kích thước
ơ là 5’x5’ trên cơ sở sử dụng giá trị trọng lực chi tiết mặt đất (khoảng 4500 điểm) cho
vùng lãnh thổ và sử dụng hệ số hàm điều hịa cầu của mơ hình Rapp, có bậc và hạng
(n=m=180) để cải chính cho vùng xa khi tính tốn độ cao Geoid. Độ chính xác của mơ
hình Geoid đạt khoảng: mζ = 2,0m ÷3,0m[23].
* Giai đoạn 1998-2000
Trong giai đoạn 1998 -2000, khi xây dựng hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN2000,
Tổng Cục Địa chính giao cho GS.TSKH Đặng Hùng Võ làm trưởng ban cùng một số
nhà khoa học trắc địa đã sử dụng mơ hình trọng trường trái đất EGM-96 có hệ số điều
hịa cầu n = m = 360 kết hợp với đo GPS trên 367 điểm thủy chuẩn hạng I, II, và hạng
III. Kết quả đã xây dựng được mơ hình VnGeo 96R và VnGeo 96U. Mơ hình này có
độ chính xác từ 0.5m ÷0,8m, đáp ứng yêu cầu chỉnh lý các trị đo trên mặt đất về mặt
Ellipsoid tham chiếu [28].
* Giai đoạn 2002-2008
Nhằm nâng cao độ chính xác mơ hình Geoid cục bộ ở Việt Nam, phục vụ cho
công tác đo cao thủy chuẩn vệ tinh, GS.TSKH Đặng Hùng Võ đã chủ trì đề tài độc lập
cấp nhà nước: “Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng hạ tầng kỹ thuật thông tin địa lý
phục vụ hợp tác giải quyết một số vấn đề cơ bản về khoa học trái đất trên lãnh thổ Việt
Nam, khu vực và toàn cầu”. Trong đề tài có tên đề tài nhánh là: “ Xây dựng cơ sở dữ
liệu trường trọng lực tồn cầu, thiết lập mơ hình Geoid có độ chính xác cao trên lãnh
thổ Việt Nam phục vụ nghiên cứu hoạt động của trái đất và đổi mới công nghệ đo độ
cao bằng hệ thống định vị toàn cầu”. Đây là nội dung nghiên cứu về việc sử dụng các
trị đo trọng lực mặt đất, đo độ cao mặt nước biển từ vệ tinh, trọng lực vệ tinh nhằm
đưa ra giải pháp xây dựng mặt đẳng thế “0” trùng với mặt nước biển trung bình (gọi là
mặt Geoid) với độ chính xác cao trên lãnh thổ Việt Nam nhằm mục tiêu thiết lập mối


13

quan hệ giữa mơ hình vật lý và mơ hình toán học của trái đất (cho phần lãnh thổ và
vùng biển Việt Nam). Mơ hình Geoid chính xác trên đã được ứng dụng cho việc sử
dụng công nghệ định vị tồn cầu GPS vào đo đạc chính xác các yếu tố trên mặt đất
thực, nhất là đo đạc độ cao, tạo khả năng nghiên cứu các hoạt động của vỏ trái đất trên
đất liền và mặt biển. Kết quả của đề tài đã đạt được là:
- Đã xây dựng được mơ hình Grid trọng lực trên lãnh thổ Việt Nam với khoảng
cách ô lưới 3’x3’ trên lãnh thổ và phần biển Việt Nam trong phạm vi vĩ độ 8o - 24o,
kinh độ 1020 - 114o. Phần đất liền có độ chính xác nội suy m∆g ≤ ±3.5mGal, phần biển
khoảng từ ± 5,0 đến ± 7,0 mGal (tính từ hệ số điều hịa cầu của mơ hình EGM96).
- Xây dựng mơ hình Geoid trọng lực trên cơ sở tích phân Stokes và phương
pháp “lấy ra- hoàn trả” (Remove-Restore) và xây dựng mơ hình Geoid hình học trên
tập hợp điểm cùng được đo GPS và thủy chuẩn.
- Xây dựng mơ hình Geoid cục bộ bằng việc kết hợp hai phương pháp ở trên
được gọi là phương pháp GPS-TC-Trọng lực trên cơ sở sử dụng các thuật toán nội suy
Collocation hoặc Kriging.
Kết quả đã xây dựng được mơ hình Geoid trên tồn lãnh thổ Việt Nam với độ
chính xác: mζ = ± 0.22m.
Cũng trong giai đoạn này, dự án cấp Nhà nước “Xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thống
thơng tin địa hình - thủy văn cơ bản phục vụ phòng chống lũ lụt và phát triển kinh tế xã hội
ở đồng bằng sông Cửu Long” do Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trường
thực hiện, đã xây dựng được mơ hình Geoid phủ trùm tồn bộ 13 tỉnh đồng bằng sơng Cửu
Long (40.000km2) có độ chính xác mζ ≤ ±0.05m. Mơ hình này là cơ sở cho việc sử dụng
phương pháp đo cao GPS để xây dựng mơ hình số độ cao trong khu vực có độ chính xác
±0.2m. Các số liệu ở trên đều đã được kiểm chứng trong sản xuất và hiện nay mơ hình số
độ cao phủ trùm 13 tỉnh đồng bằng sông Cửu Long đã được sử dụng để thiết lập các kịch
bản nước biển dâng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu gây ra trong dự án về biến đổi khí
hậu của Bộ Tài ngun và Mơi trường [].
Bên cạnh đó, tác giả Lê Trung Chơn và Phạm Chí Tích đã cơng bố mơ hình dị
thường độ cao cho khu vực Nam Trung bộ trong phạm vi từ vĩ độ 10o55’-12o và kinh
độ 107o55’-109o10’ (bao gồm Lâm Đồng, Ninh Thuận, Bình Thuận). Mơ hình được

xây dựng trên cơ sở sử dụng số liệu của 23 điểm song trùng GPS-Thủy chuẩn trên khu
vực và phương pháp nội suy Spline. Mơ hình đạt độ chính xác đảm bảo xác định độ
cao thủy chuẩn hạng IV bằng công nghệ GPS [www.diatinhoc.info].


14
Năm 2008, tác giả Bùi Quang Tuyền, đã thử nghiệm xử lý số liệu đo cao GPS
trên khu vực Nam Trung Bộ, trong đó sử dụng mơ hình EGM2008 kết hợp tính hiệu
chỉnh địa hình và nội suy Spline đã đạt được độ chính xác đo cao tương đương hạng
III trên khu vực thực nghiệm [22].
Năm 2009, tác giả Nguyễn Thị Thu Hiền, đã thử nghiệm xây dựng mơ hình dị
thường độ cao cục bộ ở khu vực Nam Trung Bộ - Nam Bộ theo số liệu GPS, Thủy
chuẩn và Trọng lực đã đạt được độ chính xác 0.2m [13].
* Giai đoạn 2009 -2011
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước ở trên,
Bộ Tài ngun và Mơi trường đã được Chính phủ cho thực hiện dự án: “ Xây dựng mơ
hình Geoid địa phương trên lãnh thổ Việt Nam”. Mục tiêu của dự án là xây dựng mơ
hình Geoid địa phương trên tồn lãnh thổ Việt Nam có độ chính xác trung bình cho
tồn lãnh thổ mζ ≤ 0.1m. Cụ thể u cầu về độ chính xác của mơ hình Geoid như sau:
- Vùng đồng bằng: mζ ≤ 0.05 ÷ 0.07m
- Vùng đồi núi thấp: mζ ≤ 0.07 ÷ 0.10m
- Vùng núi cao: mζ ≤ 0.12m
Dự án do Cục đo đạc và Bản đồ Việt Nam chủ trì và phối hợp với Trung tâm
viễn thám quốc gia thực hiện [20].
Trong dự án đã sử dụng bổ sung các dữ liệu trọng lực chi tiết trên đất liền và sử
dụng mơ hình trọng trường trái đất mới nhất EGM2008 với hệ số hàm điều hịa cầu có
bậc và hạng n = m = 2190. Kết quả đạt được của dự án là:
Mơ hình Geoid địa phương:
+ Mơ hình Geoid địa phương được xác lập bằng phương pháp GPS-TC- Trọng
lực cho toàn lãnh thổ và trong từng khu vực cụ thể là:

+ Toàn lãnh thổ Việt Nam (phần đất liền): mζ ≤ 0.10m
+ Vùng đồng bằng: mζ ≤ ± 0.07m
+ Vùng đồi núi thấp: mζ ≤ ± 0.10m
+ Vùng núi cao: mζ ≤ ± 0.15m
+ Độ chính xác cho vùng biển (lấy theo mơ hình EGM2008) đạt khoảng từ
0.1m đến 0.2m.
Tuy nhiên các kết quả này của dự án đang trong quá trình kiểm tra và nghiệm thu.


15
3. Các vấn đề còn tồn tại cần nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp đánh giá độ chính xác mơ hình Geoid tồn cầu trên
phạm vi lãnh thổ Việt nam dựa trên cơ sở số liệu GPS-TC.
- Nghiên cứu sự thay đổi hiệu độ cao trắc địa do tính chuyển tọa độ, là cơ sở
xác định yêu cầu về độ chính xác vị trí tuyệt đối điểm GPS trong hệ WGS84 trong xử
lý số liệu đo cao GPS.
- Nghiên cứu phương pháp và quy trình xây dựng mơ hình Quasigeoid cục bộ
có độ chính xác cao trên phạm vi lãnh thổ Việt Nam.


16
Chương 2
MƠ HÌNH GEOID/QUASIGEOID VÀ VAI TRỊ CỦA NĨ
TRONG CƠNG TÁC ĐO CAO GPS
2.1 CÁC CƠ SỞ GỐC ĐỘ CAO VÀ CÁC LOẠI ĐỘ CAO
2.1.1 CÁC CƠ SỞ GỐC ĐỘ CAO

2.1.1.1. Geoid/Quasigeoid và cơ sở gốc độ cao
Muốn xác định được chính xác vị trí của bất kỳ điểm nào trên mặt đất, thì phải
thơng qua tọa độ vng góc không gian (X, Y, Z); hoặc tọa độ trắc địa mặt cầu (B, L,

H) trong hệ quy chiếu trái đất. Độ cao trắc địa H của một điểm trên mặt đất được tính
từ mặt Ellipsoid đến điểm đó theo phương pháp tuyến. Nghĩa là mặt Ellipsoid được
chọn làm mặt khởi tính và nó chỉ mang ý nghĩa tốn học thuần tuý. Nhưng trong thực
tế của công tác trắc địa - bản đồ (trên bản đồ địa hình), người ta khơng sử dụng độ cao
trắc địa H mà lại sử dụng độ cao liên quan đến thế năng (W) được gọi chung là độ cao
thủy chuẩn (hg hoặc hγ), lấy mặt Geoid hoặc mặt Quasigeoid làm mặt khởi tính. Từ đó
cho thấy vai trò của cơ sở gốc độ cao (Vertical Datum) là không thể thiếu khi xét đến
hệ quy chiếu trắc địa Quốc gia. Từ lâu, người ta đã sử dụng các thuật ngữ cơ sở gốc
mặt bằng (Horizotal Datum) và cơ sở gốc độ cao để nói về số liệu trắc địa của mỗi
quốc gia.
Đối với cơ sở gốc độ cao, điều quan trọng nhất đó là mặt khởi tính độ cao. Mặt
khởi tính độ cao khác nhau, cho ta một loại độ cao khác nhau. Đã từ lâu, người ta đã
sử dụng mặt Geoid làm mặt khởi tính độ cao, từ mặt gốc này cho ta hệ thống độ cao
chính (Orthometric Height). Trước đây, Geoid được định nghĩa là mặt nước biển trung
bình ở trạng thái yên lặng [theo Listing (1873)] và coi là mặt đẳng thế. Định nghĩa này
thiếu chặt chẽ và đã được làm rõ khi có những phương pháp nghiên cứu bề mặt đại
dương đạt độ chính xác cao như phương pháp đo cao vệ tinh (Altimetry). Gần đây,
người ta đã định nghĩa lại Geoid như sau: Geoid là mặt đẳng thế của trường trọng lực
trái đất, có xấp xỉ tốt nhất với mặt nước biển trung bình tồn cầu theo nghĩa bình
phương nhỏ nhất.
Nếu từ mặt Ellipsoid, ta đặt những đoạn bằng dị thường độ cao của tất cả các
điểm tương ứng trên mặt đất thì đầu mút của các đoạn này sẽ hợp thành một bề mặt
gọi là Quasigeoid (Hình 2.1). Quasigeoid khơng phải là bề mặt thủy chuẩn và khơng
có ý nghĩa vật lý.


17
Geoid
Quasigeoid

ζ

N
Ellipsoid

Hình 2.1. Quasigeoid và Geoid

Lý thuyết Stokes xác định được Geoid còn lý thuyết Molodenski xác định được
Quasigeoid. Hai mặt này trùng nhau ở Đại dương nhưng trên lục địa thì chênh nhau ít
nhiều. Quasigeoid là mặt khởi tính trong hệ thống độ cao chuẩn (normal heigth).
Giá trị thế năng trên mặt Geoid là W0. Tuy nhiên, giá trị W0 khơng dễ dàng xác
định một cách chính xác; mà người ta thường có thể xác định được hiệu thế giữa các
điểm thơng qua đo thủy chuẩn hình học và đo trọng lực. Giá trị thế W0 trên Geoid
thường được lấy bằng U0 là thế trọng trường chuẩn trên Ellipsoid tổng quát của trái đất
(thí dụ trên GRS80). Các kết quả nghiên cứu biển và Đại dương cho thấy mặt nước
biển trung bình khơng phải là mặt đẳng thế. Vì nó còn chịu tác động của các dòng hải
lưu, sự tan băng, sự thay đổi của gió, mức độ muối ở các vùng biển vv… Sự khác biệt
giữa mặt biển trung bình và Geoid được gọi là địa hình mặt biển (SST: Sea Surface
Topography). Sự khác biệt lớn nhất giữa Geoid và mực nước biển trung bình xét trên
phạm vi tồn cầu có thể tới ± 2m [47].
Từ thực tế trên, vấn đề xây dựng cơ sở gốc độ cao là một công việc không đơn
giản. Đặc biệt, đối với những quốc gia trên thế giới có đường bờ biển dài hàng nghìn
kilomet như Australia, Mỹ, Canada, Ấn Độ, Nhật Bản, Indonesia, Malaysia v.v…,
trong đó có Việt Nam.
Dựa vào lưới độ cao được xác định bằng thuỷ chuẩn hình học chính xác ở
Malaysia, người ta xác định được độ cao mực nước biển trung bình ở bờ biển phía Tây
cao hơn bờ biển phía Đơng xấp xỉ 0,2m. Đối với nước Mỹ, chênh lệch độ cao mực
nước biển trung bình bờ phía Tây (Thái Bình Dương) và bờ biển phía Đơng (Đại Tây
Dương) cịn lớn hơn. Điều đó cho thấy: ngay với một quốc gia cũng không thể chọn
được một mặt khởi tính độ cao phù hợp cho cả nước, theo ý nghĩa sử dụng mực nước

biển trung bình.
Để có cơ sở số liệu gốc mặt bằng, phải cần có điểm gốc. Nhưng đối với lưới độ
cao là lưới 1 chiều (1D), khơng có yếu tố định hướng, do đó chỉ cần một yếu tố gốc là
độ cao của 1 mốc trên mặt đất có giá trị được xác định từ độ cao mốc “0” của trạm
nghiệm triều ven bờ. Mỗi cơ sở gốc độ cao có thể chọn riêng một mốc gốc. Mốc gốc


18
đó phải rõ ràng, dễ tiếp cận và đáp ứng được các yêu cầu của việc thiết lập một cơ sở
số liệu gốc độ cao. Từ mốc gốc này, có thế xác định được độ cao của bất kỳ điểm nào
thông qua các hiệu độ cao được đo bằng thủy chuẩn hình học.

Như đã nói ở trên, do mặt biển trung bình khơng phải là mặt đẳng thế, do đó 2
hệ độ cao ở cách xa nhau cùng dựa vào mực nước biển trung bình sẽ có độ cao khởi
tính khác nhau. Trên hình 2.2. thể hiện 2 cơ sở gốc độ cao A và B đều sử dụng mực
nước biển trung bình, nhưng độ cao của 2 mốc khởi tính P0 và Q0 của hai cơ sở gốc thì
khác nhau.
Để tính chuyển đổi độ cao từ cơ sở gốc này sang cơ sở gốc khác cần biết hiệu
thế trọng trường giữa các điểm gốc.
2.1.1.2. Một số cơ sở gốc độ cao
a) Khu vực Bắc Mỹ
Từ năm 1929 các nước Bắc Mỹ gồm Mỹ và Canada đã thiết lập và sử dụng cơ sở
gốc độ cao NGVD29 (National Geodetic Vertical Datum of 1929) để xác định độ cao cho
mạng lưới độ cao quốc gia cho đến những năm 1980. Đặc biệt của NGVD29 là được xây
dựng dựa trên 26 trạm nghiệm triều (21 trạm ở Mỹ, 5 trạm tại Canada) để xác định vị trí
mặt nước biển trung bình và gán cho giá trị độ cao “0” tại các vị trí đó. Cách làm như vậy
đã làm biến dạng số liệu đo khi bình sai lưới độ cao. Tất nhiên sự biến dạng cịn do cả
việc tính tốn thiếu hiệu chỉnh chặt chẽ ảnh hưởng của sự không song song của các mặt
đẳng thế.
Để hiện đại hóa cơ sở gốc độ cao NGVD29, năm 1988, các nước Mỹ; Canada;

Mexico đã thiết lập cơ sở gốc độ cao mới là NAVD88 (North American Vertical
Datum of 1988), trong đó sử dụng 1 mốc khởi tính độ cao là điểm Father’s Point
(Pointe-au-Pere), đặt tại Rimouski thuộc vùng biển Quebee của Canada. Cơ sở gốc độ