TÓM TẮT

Đề tài định hướng vào việc nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo cao GPS trong điều kiện Việt Nam mà mục tiêu cụ thể là đạt tới độ chính xác tương đương thuỷ chuẩn hạng III nhà nước.

Trên cơ sở phân tích công thức cơ bản của đo cao GPS và xét các phương án triển khai phương pháp đo cao này trong thực tế, đề tài đã nêu ra các yêu cầu về độ chính xác cho hai thành phần cơ bản của kết quả đo cao GPS đó là đo GPS và xác định dị thường độ cao nhằm đáp ứng mục đích đạt độ chính xác đặt ra cho độ cao chuẩn.

Đề tài đã đi sâu phân tích khảo sát các nguồn sai số trong kết quả xác định độ cao trắc địa bằng GPS, cụ thể đã xét ảnh hưởng của sai số toạ độ mặt bằng cũng như sai số độ cao của điểm đầu véctơ cạnh, ảnh hưởng của chiều dài véctơ cạnh, ảnh hưởng của bản thân sai số đo GPS .

Vấn đề tiếp theo được nghiên cứu giải quyết là xác định dị thường độ cao, mà cụ thể đã xét hai cách giải quyết cơ bản, đó là : xác định trực tiếp theo số liệu trọng lực và xác định gián tiếp theo các phương pháp nội suy trên cơ sở sử dụng số liệu đo GPS và đo thuỷ chuẩn là chủ yếu.

Theo cách thứ nhất đã xuất phát từ cơ sở lý thuyết rồi đi sâu khảo sát, luận chứng các yêu cầu về độ chính xác, mật độ và độ rộng vùng cần đo trọng lực trong đó đã áp dụng lý thuyết hàm hiệp phương sai dị thường trọng lực kết hợp với số liệu thực tế của Việt Nam, đồng thời sử dụng lý thuyết xây dựng mô hình trọng trường nhiễu. Đã khảo sát hai phương pháp chính trong việc tính dị thường độ cao theo số liệu trọng lực là sử dụng công thức tích phân của Stokes và sử dụng collocation và trên cơ sở đó rút ra nhận xét, so sánh cho việc sử dụng chúng. Đáng chú ý là đề tài đã xét mối quan hệ giữa dị thường độ cao trọng lực với độ cao trắc địa và độ cao chuẩn để trên cơ sở đó chỉ ra sự cần thiết phải tính đến nó khi sử dụng kết hợp kết quả đo cao GPS với kết quả đo thuỷ chuẩn và đo trọng lực. Theo cách xác định gián tiếp dị thường độ cao đề tài đã khảo sát 5 phương pháp nội suy dị thường độ cao trên mô hình, đó là nội suy tuyến tính, nội suy theo đa thức bậc hai, nội suy kriging, nội suy collocation và nội suy spline. Tiếp đó đã tiến hành khảo sát dựa trên số liệu thực tế ở nước ta trong đó có cả số liệu trọng lực và số liệu độ cao địa hình.

Cuối cùng đề tài đã triển khai thực nghiệm đo cao GPS ở khu vực đồng bằng chuyển tiếp sang trung du thuộc địa phận Sóc sơn- Tam đảo. Kết quả đo đạc và xử lý tính toán với 3 dạng số liệu là đo GPS, đo thuỷ chuẩn và số liệu trọng lực cho thấy ở khu vực thực nghiệm đã đạt được kết quả đo cao GPS với độ chính xác tương đương thuỷ chuẩn hạng III nhà nước.

MỞ ĐẦU

Độ cao là một trong ba thành phần toạ độ xác định vị trí của một điểm xét. Tuỳ thuộc vào bề mặt khởi tính được chọn, chúng ta có các hệ thống độ cao khác nhau. Các hệ thống độ cao đã và đang được sử dụng rộng rãi trong thực tế thường có bề mặt khởi tính rất gần với mực nước biển trung bình trên Trái đất. Đó có thể là mặt geoid trong hệ thống độ cao chính hay mặt quasigeoid trong hệ thống độ cao chuẩn. Thành phần chủ yếu của hai loại độ cao này là độ cao đo đựơc- tổng của các chênh cao nhận được tại mỗi trạm máy theo phương pháp đo cao hình học (đo cao thuỷ chuẩn) từ điểm gốc độ cao trên mặt biển đến điểm xét. Bằng cách tính thêm vào độ cao đo được các số hiệu chỉnh tương ứng ta sẽ có độ cao chính, độ cao chuẩn hay độ cao động học. Ngoại trừ độ cao động học thích ứng chủ yếu cho mục đích thuỷ văn, cả độ cao chính và độ cao chuẩn đều được sử dụng rộng rãi trong công tác trắc địa-bản đồ nói riêng và cho nhiều ngành khoa học-kỹ thuật nói chung. Hệ thống độ cao chuẩn được biết đến cách đây không lâu, từ khoảng giữa thế kỷ trước, và có ưu điểm cơ bản là chặt chẽ về mặt lý thuyết, đơn giản hơn về mặt tính toán. Trên thực tế các số hiệu chỉnh phân biệt độ cao chính, độ cao chuẩn và độ cao đo được thường nhỏ đến mức có thể bỏ qua trong nhiều trường hợp không đòi hỏi độ chính xác cao. Chính vì vậy trong các phần tiếp theo, trừ trường hợp cần phân biệt rạch ròi, chúng ta sẽ gọi chung ba loại độ cao đó là “độ cao thủy chuẩn” để nhấn mạnh nguồn gốc xuất xứ của chúng là được rút ra từ kết quả đo cao thuỷ chuẩn.

Đo cao thuỷ chuẩn là phương pháp đo cao truyền thống có lịch sử hình thành và phát triển từ nhiều thế kỷ nay. Nó được xem là phương pháp đo cao chính xác nhất với quy mô trải dài hàng trăm, hàng nghìn kilômét. Tuy vậy đây là dạng đo đạc khá tốn công sức và có hạn chế cơ bản là không khả thi trong điều kiện mặt đất có độ dốc lớn hoặc bị ngăn cách bởi sình lầy, bị bao phủ bởi biển cả...

Sự ra đời của công nghệ định vị toàn cầu (GPS) đã đưa lại một phương pháp mới cho việc xác định độ cao - phương pháp đo cao GPS. Phương pháp này cho phép khắc phục các nhược điểm nêu ở trên của phương pháp đo cao thuỷ chuẩn truyền thống, và do vậy nó thu hút được sự quan tâm ngày càng rộng rãi của những người làm công tác trắc địa-bản đồ trên khắp thế giới trong đó có Việt Nam. Vấn đề đặt ra là làm sao để có thể nâng cao độ chính xác của phương pháp đo cao GPS ngang tầm và thậm chí vượt hơn so với đo cao thuỷ chuẩn.

Ở nước ngoài công nghệ GPS cho phép xác định vị trí tương đối về mặt bằng với sai số cỡ xentimét, thậm chí milimét trên khoảng cách tới hàng trăm, hàng ngàn kilômét. Công nghệ này cũng tỏ ra rất hữu hiệu trong việc truyền độ cao, song lại phụ thuộc chủ yếu và trước hết vào mức độ phức tạp của trọng trường Trái đất ở vùng xét. Ở các nước phát triển như Mỹ, Nga , Đức , Úc có các mạng lưới trọng lực dày đặc và rộng khắp, người ta đã có thể sử dụng đo cao GPS thay thế cho đo cao thuỷ chuẩn chính xác tới hạng II. Ở Hungari cũng đã có dự án sử dụng đo cao GPS để phát triển mạng lưới độ cao hạng III trên phạm vi toàn quốc. Với mục đích tiếp tục nâng cao độ chính xác của công tác đo cao GPS người ta đang tìm cách xây dựng các mô hình quasigeoid chi tiết với độ chính xác tới 1-2 xentimét trên phạm vi lãnh thổ quốc gia.

Từ đầu thập niên cuối cùng của thế kỷ trước, ngay sau khi công nghệ GPS được du nhập vào Việt Nam, công tác đo cao GPS đã được quan tâm kịp thời. Có nhiều công trình khảo sát và thực nghiệm đã được triển khai. Nhiều đơn vị sản xuất cũng đã mạnh dạn áp dụng đo cao GPS để xác định độ cao cho các điểm khống chế phục vụ đo vẽ địa hình, khảo sát giao thông, thuỷ lợi… Thậm chí Tổng cục Địa chính đã có các quy định tạm thời cho công tác đo cao GPS.

Song các kết quả khảo sát và đo đạc thực tế cho thấy là trong điều kiện số liệu trọng lực còn hạn chế và khó tiếp cận như hiện nay ở Việt Nam, phương pháp đo cao GPS mới chỉ đảm bảo xác định độ cao thuỷ chuẩn với độ chính xác phổ biến là tương đương thuỷ chuẩn kỹ thuật, trong một số trường hợp có thể đạt được tương đương thuỷ chuẩn hạng IV, mà chủ yếu lại là cho vùng đồng bằng và trung du, và điều quan trọng hơn là không thể dự đoán chắc chắn trước khi triển khai đo đạc. Do vậy, nâng cao độ chính xác của đo cao GPS trong điều kiện Việt Nam đã và đang là nhu cầu bức bách của thực tế đo đạc-bản đồ ở nước ta.

Với mong muốn góp phần giải quyết bài toán được đặt ra, chúng tôi đã đề xuất và được Bộ Tài nguyên và Môi trường chấp thuận cho triển khai đề tài NCKH cấp Bộ có tiêu đề : “ Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác đo cao GPS trong điều kiện Việt Nam “.

Dưới đây là mục tiêu nghiên cứu và các nhiệm vụ cụ thể đã giải quyết trong quá trình triển khai thực hiện đề tài nói trên.

1. Mục tiêu của đề tài

Trên cơ sở phân tích bản chất, yêu cầu về độ chính xác và các yếu tố ảnh hưởng chính, đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác đo cao GPS trong điều kiện nước ta.

2. Nhiệm vụ cụ thể cần giải quyết

- Phân tích bản chất của đo cao GPS

- Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng chính đến kết quả xác định độ cao trắc địa bằng GPS.

- Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng chính đến kết quả xác định dị thường độ cao .

- Thực nghiệm đo cao GPS với yêu cầu tương đương thuỷ chuẩn hạng III

- Đề xuất các yêu cầu cho việc đảm bảo đo cao GPS tương đương thuỷ chuẩn hạng III ở Việt Nam.

Các nhiệm vụ cụ thể nêu trên và kết quả giải quyết được trình bày trong 4 chương của Bản báo cáo tổng kết.

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài, chúng tôi luôn nhận được sự quan tâm, chỉ đạo của các đồng chí lãnh đạo và các bộ phận quản lý chức năng của Bộ Tài nguyên và Môi trường, Vụ khoa học-kỹ thuật, Viện nghiên cứu địa chính, sự hỗ trợ, giúp đỡ của Cục đo đạc và bản đồ, Trung tâm Viễn thám, Khoa Trắc địa trường Đại học Mỏ-Địa chất và nhiều đồng nghiệp

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO CAO GPS TƯƠNG ĐƯƠNG

THUỶ CHUẨN HẠNG III Ở VIỆT NAM

1. Khu vực triển khai đo cao GPS nên giới hạn trong phạm vi cỡ 30km30km trên đó bố trí 4 - 5 “điểm cứng” tạo thành một đa giác khép kín bao quanh các điểm xét.

2. Các “điểm cứng” cần được dẫn độ cao thủy chuẩn với độ chính xác không thấp hơn hạng II nhà nước, từ điểm cách đó không quá 15 km.

3. Các “điểm cứng” cần được xác định hiệu độ cao trắc địa bằng GPS với sai số không vượt quá 0,04 m, còn các điểm xét – không quá 0,03 m. Tương ứng cần sử dụng máy thu GPS loại 2 tần số với độ dài ca đo (session) không nhỏ hơn 90 phút. Sai số toạ độ mặt bằng của điểm khởi tính cho mỗi vectơ cạnh (baseline) phải không lớn 0,1 m, còn sai số độ cao – không lớn hơn 0,5 m. Sai số xác định hiệu tọa độ vuông góc không gian bằng GPS trên véctơ cạnh phải không vượt quá 0,03 m.

4. Dị thường độ cao được xác định bằng cách lấy hiệu giữa độ cao trắc địa xác định từ GPS và độ cao chuẩn từ đo thuỷ chuẩn kết hợp trọng lực tại các “điểm cứng” rồi nội suy sang cho điểm xét. Việc nội suy nên tiến hành theo phương pháp sử dụng hàm spline hoặc hàm tuyến tính.

5. Ở vùng có địa hình biến đổi mạnh, nhất là vùng núi nên sử dụng thêm số liệu độ cao địa hình. Giá trị độ cao địa hình cần có sai số không vượt quá 10 – 15 m và được lấy trong phạm vi bán kính tới 15 – 20 km xung quanh mỗi điểm xét. Số hiệu chỉnh địa hình nên tính theo công thức chặt chẽ trong đó có sử dụng tích phân số đã được giới thiệu trong đề tài này.

6. Nếu cần tăng khoảng cách giữa các “điểm cứng” lên tới cỡ 50 km thì cần sử dụng thêm số liệu trọng lực trong phạm vi bán kính không nhỏ hơn 150 km xung quanh điểm xét. Trong trường hợp này sai số chênh cao trắc địa trên vectơ cạnh giữa các “điểm cứng” cần đạt không lớn hơn 0.07 m, còn tại các điểm xét - không lớn hơn 0.05 m.

KIẾN NGHỊ

Các đề xuất nêu trên được xây dựng trên cơ sở các khảo sát lý thuyết và thực nghiệm trong khuôn khổ đề tài mà chúng tôi đã thực hiện. Chúng có ý nghĩa và tác dụng định hướng cho việc triển khai phương pháp đo cao GPS có độ chính xác không thấp hơn thuỷ chuẩn hạng III truyền thống. Đây là những kết quả có cơ sở luận cứ khoa học và được thể nghiệm trên một địa bàn cụ thể ở nước ta.

Tuy vậy, chúng tôi mong muốn được các cấp quản lý tạo điều kiện cho khảo nghiệm thêm để trên cơ sở đó có những bổ sung, điều chỉnh cần thiết và có sức thuyết phục chắc chắn hơn nhằm hoàn chỉnh và sớm đưa vào sử dụng rộng rãi một phương pháp xác định độ cao hiện đại có nhiều ưu thế tiềm năng trong điều kiện Việt Nam. Cụ thể, trên cơ sở nghiên cứu của đề tài này có thể sớm cho thực hiện một Dự án thử nghiệm cấp Bộ triển khai ở một số địa bàn khác nhau với các dạng địa hình đặc trưng và tình hình số liệu cụ thể trên phạm vi cả nước.