nghiên cứu chính xác hóa dị thường độ cao EGM2008 dựa TRÊN số LIỆU GPS THỦY CHUẨN TRÊN PHẠM vị cục bộ ở VIỆT NAM

“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 mô hình Quasigeoid cục bộ có độ chính xác

bộ giáo dục và đào tạo

trường đại học mỏ - địa chất

nguyễn duy Đô

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

Chuyờn ngành : Trắc địa cao cấp

Mó số : 62.52.85.10

Tóm tắt luận án tiến sĩ kĩ thuật

Hà nội - 2012

Luận án được hoàn thành tại Khoa Trắc địa - Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Phản biện 2 : TS Nguyễn Văn Vấn

Phản biện 3 : TS Dương Chí Công

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Vào hồi giờ ngày tháng năm 2012

Có thể tìm đọc Luận án tại:

- Thư viện Khoa Trắc địa - Trường Đại học Mỏ - Địa chất

- Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời đại công 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 không có thông tin về vị trí của Geoid hay Quasigeoid trong hệ quy chiếu trái đất Trên quy mô toàn 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 mô hình EGM2008, có bậc và hạng tới 2190 Tương ứng

đã xác định được Geoid theo mô hình đó với độ phân giải 2,5’x2,5’ và độ chính xác khoảng 2 dm Ở Việt Nam, Giai đoạn 2002 -2005 cũng đã có nghiên cứu và

đã xây dựng được mô 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 mô 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 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 “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 mô 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 mô hình Geoid toàn cầu trên lãnh thổ Việt Nam và xây dựng một mô hình Quasigeoid cục bộ dạng lưới (đã được chính xác hóa) cho vùng Tây Nguyên 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

- Mô 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 mô 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 mô hình Geoid; lựa chọn

mô 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 mô 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 mô hình Geoid toàn cầu

- Nghiên cứu và tính toán 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 mô hình Geoid tiên nghiệm dạng lưới dựa trên

số liệu tọa độ, độ cao của các điểm song trùng

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Thu thập các tài liệu đã có; cập nhật các thông 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 toán chính xác hóa dị thường độ cao

- Phương pháp ứng dụng công nghệ tin học: Viết các chương trình tính toán 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 mô 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 mô 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 mô 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 mô 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 (mô 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 mô hình tiên nghiệm Kết quả cho mô hình Quasigeoid cục bộ giữ được sự phù hợp tổng thể với Geoid toàn cầu

và với các mô 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

b) Các điểm mới của luận án

1 Xây dựng quy trình chính xác hóa dị thường độ cao Quasigeoid cục bộ lấy mô hình Geoid toàn cầu làm mô 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 mô hình Quasigeoid cục bộ dạng lưới (đã được chính xác hóa) cho vùng Tây Nguyên 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 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 Nội dung của luận án

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TẠI VIỆT NAM

MÔ HÌNH GEOID/QUASIGEOID VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ

TRONG CÔNG 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

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) 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 không phải là bề mặt thủy chuẩn và không có ý nghĩa vật lý

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)

2.1.2 Các loại độ cao

2.1.2.3 Sự khác biệt giữa độ cao chuẩn và độ cao chính

Giữa độ cao chuẩn và độ cao chính có sự khác biệt quan trọng Đó là việc

sử dụng giá trị trọng lực trong công thức tính Độ cao chính tính theo trọng lực thực trung bình (g), phụ thuộc vào mật độ phân bố vật chất dọc theo đường dây dọi, mà thông tin này thì không thể biết chính xác Độ cao chuẩn tính theo trọng lực chuẩn trung bình (γ), có thể được tính toán một cách rõ ràng thông qua các tham số hình học và tham số vật lý của Ellipsoid tham chiếu

Đánh giá sự khác biệt về giá trị:

Từ hình (2.3.) và hình (2.4.), giả sử có điểm P trên mặt đất Ta có:

hgP + Np = HP ; hγP + ζP = HP (2.13) Trong đó: hgP là độ cao chính của điểm P; Np là độ cao geoid ở điểm P;

hγP là độ cao chuẩn của điểm P; ζP là dị thường độ cao ở điểm P;

HP là độ cao trắc địa của điểm P

Ta lập hiệu: Np- ζP

Ta được: Np- ζP = hγP - hgP

Hay: N g h

m P

Ellipsoid

H P hgP

N P ζ P

hγP

Xuất phát từ công thức này, W.A.Heiskanen và H.Moritz tìm ra công thức gần đúng vào năm 1979: Np - ζP ≈ 10-7 h _ h (mét)

Trong đó: h_ là độ cao trung bình của khu vực, đơn vị tính là mét, h là độ cao của điểm xét, đơn vị tính là mét

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

Độ cao của điểm xét

Độ cao trung bình của khu

- Ở trên các đại dương thì h = 0 Nghĩa là N P - ζ P = 0; hay mặt Geoid và Quasigeoid trùng nhau

- Độ cao trung bình của khu vực, độ cao của điểm xét càng lớn thì hai mặt Geoid và Quasigeoid càng cách xa nhau

2 2 MÔ HÌNH GEOID/QUASIGEOID VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG NÓ 2.2.1 Mô hình Geoid và phân loại mô hình Geoid

T N

γ

= (2.14)

- TP: Thế nhiễu tại điểm P trên mặt đất

- γP: Giá trị trọng lực chuẩn của điểm P trên mặt Ellipsoid chuẩn

2.2.1.2 Phân loại mô hình Geoid

Có nhiều phương pháp phân loại mô hình Geoid Nhưng chủ yếu là 2 cách phân loại cơ bản sau:

a) Phân loại theo phương pháp xây dựng:

- Mô hình Geoid được xây theo phương pháp thiên văn - trắc địa;

- Mô hình Geoid được xây theo phương pháp trọng lực;

- Mô hình Geoid được xây theo phương pháp GPS-TC;

- Mô hình Geoid được xây theo phương pháp không gian (phương pháp chỉ sử dụng số liệu vệ tinh) (Satellite-only);

- Mô hình Geoid được xây theo phương pháp hỗn hợp (combined);

b) Phân loại theo phạm vi của mô hình Geoid

- Mô hình Geoid toàn cầu (global), được xây dựng cho toàn bộ Trái Đất;

- Mô hình Geoid cục bộ (local), chỉ xây dựng cho một phạm vi diện tích nhất định

2.2.2 Một số phương pháp xây dựng mô hình Geoid

2.2.2.1 Phương pháp Thiên văn – Trắc địa

2.2.2.2 Phương pháp Trọng lực

2.2.2.3 Phương pháp GPS - TC

Xây dựng mô hình Geoid hoặc Quasigeoid trên cơ sở chỉ sử dụng số liệu đo

độ cao bằng thủy chuẩn hình học và bằng GPS (còn gọi là phương pháp hình học)

Dựa trên việc đo GPS tại điểm có độ cao thủy chuẩn hoặc đo thủy chuẩn đến điểm có tọa độ GPS chính xác (hoặc đo cả 2 loại trị đo thủy chuẩn và GPS tại một điểm mới) Tại các điểm này, vừa có độ cao trắc địa H trên Ellipsoid, vừa

có độ cao thủy chuẩn h so với Quasigeoid (nếu là độ cao chuẩn) Như vậy, trên tất cả các điểm có đo GPS kết hợp thủy chuẩn (gọi là điểm song trùng GPS-TC)

có thể xác định trực tiếp được dị thường độ cao ζ =H −h Trong phương pháp này mô hình Quasigeoid được thành lập chỉ là mô hình cục bộ do mặt khởi tính

độ cao quốc gia thường không trùng với Geoid toàn cầu và chịu ảnh hưởng đáng

kể của hệ quy chiếu khi xử lý số liệu lưới GPS

Trên các tập hợp hữu hạn các điểm song trùng có dị thường độ cao ζi, có thể xây dựng được mô hình Quasigeoid bằng các phương pháp nội suy thích hợp Ưu điểm của phương pháp này là tại các điểm GPS-TC có giá trị dị thường

độ cao với độ chính xác cao, cho phép xây dựng một mô hình Quasigeoid chính xác nếu số điểm song trùng đủ lớn và được phân bố với mật độ đồng đều Thực chất của phương pháp này là nội suy trực tiếp từ dị thường độ cao cho các điểm mắt lưới (của mô hình cần thành lập) dựa vào dị thường độ cao tại các điểm song trùng GPS-TC, không dựa vào mô hình tiên nghiệm Đây là phương pháp mà chúng tôi có sử dụng để so sánh với mô hình Quasigeoid chính xác hóa từ mô hình EGM2008, vì thế phương pháp này sẽ được trình bày cụ thể về phương pháp và quy trình

Nếu áp dụng phương pháp nội suy Collocation để xây dựng mô hình Quasigeoid cục bộ dựa trên số liệu GPS-TC, trình tự tính toán sẽ gồm các bước sau:

- Tính dị thường độ cao GPS-TC

ζi = H i −h i (i=1,2 n) (2.16)

- Chuẩn hóa các giá trị dị thường độ cao:

δζi =ζi −ζTB (2.17) Trong đó: ∑

=

i i TB

P i Q

P

k Cov

s C

1

.

1 ) (

- Dùng phương pháp Collocation nội suy δζA cho các điểm A theo công thức:

n n

n n An

A A A

C C

C

C C

C

C C

C C C

C

δζ

δζ

δζ δζ

2 1

2 22

21

1 12

11 2

- Tạo mô hình Quasigeoid cục bộ theo nguyên tắc:

ζk = ζTB + δζk ( k=1,2 m) (2.21) trong đó m là số điểm mắt lưới của mô hình Geoid cần thành lập

Trong (2.21), giá trị ζTB được sử dụng để phục hồi lại dị thường độ cao Trong công thức nội suy Collocation (2.20) có thể thay véc tơ [ ]T

n

δζ δζ

bằng [ ]T

n

ζ ζ

ζ1 2 để nội suy trực tiếp ζA, tuy nhiên, do tính chất của phương pháp nội suy Collocation và mối quan hệ (2.21), sự khác nhau theo hai cách tính trên là không đáng kể, đặc biệt là trong vùng khống chế của các điểm song trùng

Về phương pháp tính hiệp phương sai thực nghiệm, xác định các tham số hàm hiệp phương sai lý thuyết Markov bậc 3 và phương pháp Collocation sẽ được trình bày kỹ trong chương 4

Nhược điểm của phương pháp này là khó có thể có một tập hợp điểm

GPS-TC phân bố đồng đều trên phạm vi cả nước với mật độ cần thiết (có thể đo được nhưng cần kinh phí quá lớn) Vì vậy, phương pháp này khó phù hợp với việc xây dựng mô hình Quasigeoid trong phạm vi cả nước, đặc biệt là đối với các quốc gia

có diện tích lớn

2.2.2.4 Phương pháp không gian

2.2.2.5 Phương pháp kết hợp trọng lực và GPS-TC

2.2.2.6 Phương pháp hỗn hợp

2.2.3 Một số mô hình Geoid toàn cầu và cục bộ trên thế giới

2 3 ĐO CAO GPS VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH GEOID/QUASIGEOID TRONG

ĐO CAO GPS

2.3.1 Nguyên lý đo cao GPS

Nếu ζ là dị thường độ cao tại điểm xét (P) và bỏ qua độ lệch dây dọi (góc giữa phương dây dọi và phương pháp tuyến) (hình 2.13.), ta có mối quan hệ giữa

độ cao thủy chuẩn h và độ cao trắc địa H như sau:

h γ = H - ζ (2.24)

Mặt đất

Quasigeoid Ellipsoid

Lưu ý rằng, theo các công thức (2.24), độ cao trắc địa H và dị thường độ cao ζ, phải cùng xét trên 1 Ellipsoid của một hệ quy chiếu (thí dụ trên Ellipsoid WGS-84)

Mục tiêu của đo cao GPS là tìm một giải pháp đo cao mới có thể thay thế cho đo cao hình học (đo thủy chuẩn) nhằm giải quyết khó khăn của phương pháp

đo cao hình học ở những vùng đo đạc khó khăn như vùng núi, đầm lầy, vượt chướng ngại vật, v.v Thậm chí không phải đo thủy chuẩn, mà từ kết quả đo GPS, chúng ta có thể xác định được độ cao thủy chuẩn của bất kỳ điểm đo GPS nào có trong khu vực đã thiết lập được mô hình Geoid với độ chính xác cần thiết Công việc này được gọi là đo cao GPS Hiện nay với các hệ thống GPS, GLONASS và trong tương lai là GALILEO, khái niệm đo cao GPS được mở rộng hơn gọi là đo cao GNSS

Nguyên tắc đo GPS tương đối cho ta xác định được các số gia tọa độ không gian ∆X, ∆Y, ∆Z (trong hệ WGS84) giữa hai điểm thu tín hiệu đồng thời

Từ các số gia tọa độ không gian này, ta có thể chuyển thành các số gia ∆B, ∆L,

∆H ; ở đây giá trị ∆H là hiệu số độ cao trắc địa trong hệ WGS84 Trên thực tế vị trí điểm chỉ được xác định theo nguyên tắc định vị tuyệt đối, không phải là tọa độ chính xác trong hệ WGS84, chỉ có thể coi là trong hệ WGS84 gần đúng nào đó (ký hiệu là WGS84’) Sai số này dẫn đến sai số trong hiệu số độ cao ∆H nhận được

Sau đây ta xét trường hợp chuyển độ cao từ điểm A đến điểm B bằng GPS

Ký hiệu độ cao trắc địa tại điểm A và B là HA và HB, độ cao thủy chuẩn (độ cao chính, hoặc độ cao chuẩn) tại A và B là hA và hB, theo (2.24)ta có các biểu thức:

hA = HA − ζA (2.25)

hB = HB − ζB (2.26)

Trong đó: ζA,ζB là dị thường độ cao tại điểm A và B (hình 2.14.)

Từ các biểu thức (2.25) và (2.26) ta có công thức tính hiệu độ cao thủy chuẩn giữa 2 điểm A,B như sau:

∆h A,B =∆H A,B - ∆ζ A,B (2.27)

Trong đó ∆HA,B là hiệu số cao trắc địa, ∆ζA,B là hiệu số dị thường độ cao

giữa hai điểm A, B Các công thức (2.25),(2.26) và (2.27) là các công thức cơ bản

của phương pháp đo cao GPS

Như vậy, để xác định độ cao thuỷ chuẩn của một điểm bằng công nghệ GPS, vấn đề mấu chốt là xác định được dị thường độ cao hoặc hiệu dị thường độ cao tại các điểm đặt máy thu tín hiệu Có thể nhận thấy rằng độ chính xác đo cao bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố quyết định đó là độ chính xác đo cạnh GPS (cụ thể là độ chính xác của ∆H) và độ chính xác hiệu dị thường độ cao ∆ζ giữa

hai điểm Sau khi bình sai mạng lưới GPS trong hệ tọa độ không gian địa tâm X,Y,Z; chúng ta sẽ nhận được tọa độ bình sai của các điểm Từ đó dễ dàng nhận được độ cao trắc địa H cùng tọa độ trắc địa B,L của các điểm Sau bình sai có thể đánh giá độ chính xác vị trí điểm trong không gian, bao gồm sai số độ cao (mH) và sai số tọa độ mặt bằng (mB, mL) Nếu tại các điểm của mạng lưới, chúng ta có giá trị của dị thường độ cao ζ, theo công thức (2.25),(2.26) chúng ta

sẽ nhận được độ cao thủy chuẩn của các điểm Nếu trong lưới GPS có 1 điểm có

độ cao thủy chuẩn h, thì các điểm khác sẽ được xác định độ cao thủy chuẩn theo điểm đã biết này theo nguyên tắc tính hiệu độ cao nêu trong công thức (2.27) Trong trường hợp này không sử dụng giá trị tuyệt đối của độ cao trắc địa mà thực chất là chỉ sử dụng hiệu độ cao trắc địa giữa các điểm trong lưới

2.3.1.2 Một số phương pháp xác định độ cao thủy chuẩn cho lưới GPS

a) Phương pháp nội suy theo các điểm song trùng

Để có một số điểm song trùng trong lưới GPS: vừa có độ cao trắc địa H, vừa có độ cao thủy chuẩn h; cần có phương án đo nối độ cao thủy chuẩn cho một

số điểm GPS, theo một trong hai cách sau đây:

1 Dẫn độ cao bằng thủy chuẩn hình học từ mốc độ cao Nhà nước đến một

số mốc trong lưới GPS để tạo thành các điểm song trùng

2 Nếu có thể, bố trí một số điểm GPS trùng vào mốc thủy chuẩn nhà nước Trong trường hợp này nếu tại điểm thủy chuẩn không thể thu tín hiệu GPS được (do bị che chắn tín hiệu) thì có thể thực hiện đo lệch tâm, tức là bố trí một điểm phụ gần đó và xác định độ cao cho điểm phụ bằng thủy chuẩn hình học từ điểm thủy chuẩn nhà nước qua một vài trạm máy

Các điểm song trùng được dùng để kiểm tra việc xác định độ cao cho các điểm lưới GPS, làm cơ sở nội suy dị thường độ cao cho các điểm khác nhau trong lưới và xác định độ cao thủy chuẩn cho các điểm còn lại mà không cần phải đo nối thuỷ chuẩn Đối với các điểm song trùng ta dễ dàng xác định được dị thường độ cao theo công thức:

ζ = H - h (2.28) Công thức (2.28) là cơ sở để xây dựng mô hình Quasigeoid dựa vào số liệu GPS-TC

Có một số thuật toán nội suy khác nhau có thể áp dụng để nội suy dị thường độ cao dựa vào các điểm song trùng như thuật toán song tuyến, song bình phương, Kriging, Spline, Collocation vv… Việc lựa chọn thuật toán nội suy còn phụ thuộc vào số lượng điểm song trùng đã có và mức độ phù hợp của thuật toán đó đối với Quasigeoid trên khu vực nghiên cứu

b) Phương pháp dựa trên mô hình Geoid toàn cầu

Trong những trường hợp không thể bố trí các điểm song trùng (do không thể đo thủy chuẩn hình học đến các điểm của lưới GPS) thì cũng cần phải có ít nhất một điểm GPS có độ cao thủy chuẩn và dựa vào mô hình Geoid toàn cầu để xác định độ cao thủy chuẩn cho tất cả các điểm của mạng lưới

Hiện nay chúng ta có thể khai thác các mô hình Geoid toàn cầu như: DMA10, OSU91A, EGM96, EGM2008 vv… để xử lý lưới GPS, xác định độ cao thủy chuẩn cho các điểm của lưới Tuy nhiên, về độ chính xác dị thường độ cao (hoặc độ cao Geoid ) và hiệu dị thường độ cao (hoặc hiệu độ cao Geoid) xác định từ các mô hình này còn hạn chế, nên trong nhiều trường hợp không đạt được độ chính xác như mong muốn

c) Phương pháp dựa trên mô hình mô hình Geoid toàn cầu kết hợp các điểm song trùng

Hiện nay, khi sử dụng mô hình Geoid toàn cầu cho lưới GPS có các điểm song trùng, chúng ta sẽ đánh giá được mức độ phù hợp của mô hình đó đối với khu vực cần xác định thông qua giá trị khác biệt giữa giá trị độ cao thủy chuẩn tính theo

mô hình Geoid toàn cầu và độ cao xác định bằng đo thủy chuẩn hình học

Tại điểm song trùng k, ta ký hiệu độ cao trắc địa là Hk , dị thường độ cao xác định từ mô hình Geoid toàn cầu là ζk , độ cao thủy chuẩn hình học là hk , ta

sẽ có giá trị sai khác là:

δhk = Hk − ζk − hk (2.29) Trong một phạm vi không lớn, giá trị sai khác trên được mô hình hóa dưới dạng hàm của tọa độ mặt phẳng (tọa độ phẳng) của các điểm song trùng, có dạng tổng quát:

δhk = Hk − ζk − hk = ƒ(xk ,yk) + vk (2.30) Trong đó vk là sai số của mô hình toán Về dạng của hàm ƒ(x ,y),có thể lựa chọn theo các dạng hàm toán học thông thường như hàm song tuyến, song bình phương, hàm đa thức bậc cao vv

Nếu số lượng điểm song trùng đủ lớn cho phép xác định được dạng của hàm (2.30) theo điều kiện [vv] = min, khi đó ta sử dụng hàm (2.30) để xác định

độ cao thủy chuẩn cho 1 điểm i bất kỳ theo công thức:

h i =H i −ζi − f(x i,y i) +v i (2.31)

Trong đó xi ,yi là tọa độ phẳng của điểm i

2.3.2 Vai trò của mô hình Geoid/Quasigeoid trong đo cao GPS

Như đã biết, bằng GPS chúng ta dễ dàng xác định được vị trí không gian (3D) của các điểm trên bề mặt đất trong hệ quy chiếu trái đất, tuy nhiên để xác định độ cao thủy chuẩn (mang ý nghĩa thế năng) thì vị trí không gian chưa đủ mà còn phải biết vị trí của mặt chuẩn gốc độ cao là mặt Geoid hay Quasigeoid

Khi bình sai lưới GPS chúng ta có thể sử dụng các mô hình Quasigeoid để tính

chuyển độ trắc địa về độ cao thủy chuẩn của điểm đo theo các công thức (2.28)

Trong lưới GPS phải có ít nhất một điểm được xác định độ cao thủy chuẩn (điểm tính độ cao), do đó thực chất sử dụng công thức tính hiệu độ cao:

∆h = ∆H – ∆ζ (2.32)

Trong đó:

h

∆ là hiệu độ cao thủy chuẩn từ điểm khởi tính độ cao đến điểm xét

H

∆ là hiệu độ cao trắc địa từ điểm khởi tính độ cao đến điểm xét

∆ζ là hiệu dị thường độ cao từ điểm khởi tính độ cao đến điểm xét

Khi bình sai chúng ta sử dụng mô hình Geoid toàn cầu để tính dị thường

độ cao Hiện nay, các mô hình Geoid toàn cầu dạng số (*.GGF) được tích hợp trong cơ sở dữ liệu của các phần mềm bình sai GPS phổ biến như GPSurvey, Trimble Geomatic Office Khi bình sai, chúng ta chỉ cần lựa chọn mô hình Geoid toàn cầu phù hợp trong các phần mềm

Đo đạc bằng GPS hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các công tác trắc địa ở nhiều lĩnh vực như giao thông, xây dựng, thủy lợi, Do đó việc ứng dụng

mô hình Geoid trong đo cao GPS có ý nghĩa rất quan trọng, mở ra một hướng phát triển mới cho công nghệ GPS

Chương 3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC MỘT SỐ MÔ HÌNH GEOID TOÀN

CẦU TRÊN PHẠM VI LÃNH THỔ VIỆT NAM

3.1 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC MÔ HÌNH GEOID TOÀN CẦU DẠNG LƯỚI

3.1.1 Khả năng sử dụng mô hình Geoid toàn cầu ở Việt Nam

3.1.2 Phương pháp đánh giá độ chính xác mô hình Geoid toàn cầu trên phạm vi lãnh thổ Việt Nam

3.1.2.1 Đánh giá dựa vào so sánh giá trị độ lệch dị thường độ cao

Để đánh giá độ chính xác Geoid trên một khu vực, trước hết cần tạo ra các điểm song trùng GPS-TC phân bố tương đối đều trên khu vực đó Nếu trên khu vực đó đã có các mốc độ cao hạng I, hạng II nhà nước, thì chỉ cần lập lưới GPS trùng với các mốc độ cao đó Để có số liệu tin cậy, lưới GPS phải được đo

∆ζ j = ζ GPS-TC – ζ MH với (j=1,2 n) (3.1)

Trong đó ζ GPS-TC = H j – h j

n là số điểm GPS - TC tham gia tính

Bản chất độ lệch ∆ζ j xác định theo (3.1) chứa cả 3 loại sai số, gồm sai số

do đo GPS, sai số của độ cao thủy chuẩn và lớn nhất là sai số của mô hình Geoid Trong sai số của mô hình Geoid thì sai số do sự sai khác giữa mặt chuẩn

độ cao quốc gia (Geoid địa phương) không trùng với Geoid toàn cầu là khá lớn

và mang tính hệ thống (xuất hiện cùng dấu)