Xây dựng mô hình Geoid cục bộ cho khu vực Cẩm Phả - Mông Dương

Nội dung text: Xây dựng mô hình Geoid cục bộ cho khu vực Cẩm Phả - Mông Dương

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 41, 01/2013, (Chuyªn ®Ò Tr¾c ®Þa cao cÊp), tr.70-75 XÂY DỰNG MÔ HÌNH GEOID CỤC BỘ CHO KHU VỰC CẨM PHẢ - MÔNG DƯƠNG VŨ ĐÌNH TOÀN, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Các điểm trong mạng lưới GPS có đo nối độ cao bằng thuỷ chuẩn hình học (các điểm song trùng) được sử dụng để xác định độ cao Geoid (Undulation), từ đó nội suy độ cao Geoid cho các điểm khác phục vụ chuyền độ cao bằng GPS. Khi sử dụng mô hình Geoid toàn cầu để xác định độ cao Geoid, số liệu đo tại các điểm song trùng được sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp của mô hình Geoid với mặt Geoid thực tế tại khu đo, không những thế, các số liệu này còn có thể sử dụng để chính xác hoá mô hình Geoid tại khu vực có các điểm song trùng. Bài báo này trình bày một phương pháp xây dựng mô hình Geoid cục bộ dựa trên việc cải chính cho mô hình Geoid toàn cầu theo mô hình tương đối của trị đo tại các điểm song trùng. mô hình Geoid chính xác cho toàn quốc, vì vậy 1. Đặt vấn đề việc xây dựng các mô hình Geoid cục bộ cho Đo GPS xác định cho ta độ cao trắc địa (H) từng khu vực nhỏ là cần thiết. Nếu trong (so với mặt Ellipsoid) có độ chính xác cao, lưới GPS có một số điểm được xác định độ nhưng đây chỉ là một hệ thống độ cao mang ý cao bằng thuỷ chuẩn hình học với độ chính xác nghĩa lý thuyết trong thực tế lại cần sử dụng giá cần thiết thì ta không những sử dụng các điểm trị độ cao thủy chuẩn (h) (so với mặt Geoid). song trùng để đánh giá độ chính xác đo cao Do đó, vấn đề đặt ra là cần phải tính chuyển độ GPS hay bổ sung thêm số hiệu chỉnh (nội suy) cao trắc địa về độ cao thủy chuẩn. Chúng ta có nhằm nâng cao độ chính xác đo cao GPS trong thể dễ dàng khai thác các mô hình Geoid toàn mạng lưới hiện thời mà còn sử dụng chúng để cầu như OSU91A, EGM-96, EGM2008 từ các nâng cấp mô hình Geoid toàn cầu tại chính khu phần mềm xử lý số liệu GPS để xác định độ cao vực có mạng lưới GPS bằng cách sử dụng Geoid (N) phục vụ tính chuyển độ cao trắc địa chúng để xác định số hiệu chỉnh cho độ cao về độ cao thủy chuẩn cho các điểm. Nếu trong Geoid (lấy từ mô hình Geoid toàn cầu) [1,4]. lưới GPS có một số điểm được xác định độ cao Giá trị độ cao Geoid sau hiệu chỉnh có thể được bằng thuỷ chuẩn hình học với độ chính xác cần sử dụng để thành lập mô hình Geoid cục bộ tại thiết, chúng ta sẽ có cơ sở để đánh giá mức độ chính khu vực có mạng lưới GPS, ta gọi việc sai khác giữa độ cao geoid lấy từ mô hình này là chính xác hóa mô hình Geoid. Mô hình Geoid đã sử dụng với độ cao geoid xác định từ Geoid đã được chính xác hoá chắc chắn sẽ phục các điểm đo song trùng. Qua thực tế cho thấy vụ tốt hơn cho công tác đo cao trên khu vực này các mô hình Geoid toàn cầu có độ chính xác trong thời gian tiếp theo. thấp ở khu vực Việt Nam, chỉ mới đảm bảo xác Theo [1] đã xác định được số hiệu chỉnh định độ cao thủy chuẩn với độ chính xác phổ cho độ cao geoid tại các điểm song trùng dựa biến là tương đương thủy chuẩn kỹ thuật, trong trên thuật toán bình sai lưới tự do với số liệu một số trường hợp có thể đạt được thủy chuẩn đầu vào là hiệu độ cao thủy chuẩn (Δh) có được hạng IV [2,5], mà chủ yếu cho vùng đồng bằng từ kết quả đo cao thủy chuẩn hình học, hiệu độ và trung du, và điều quan trọng hơn là không cao trắc địa (ΔH) có được từ kết quả đo GPS và thể dự đoán chắc chắn trước khi triển khai đo hiệu độ cao geoid lấy từ mô hình geoid toàn cầu đạc. Đó chính là hạn chế của mô hình Geoid (ΔN). Song mô hình Geoid sau hiệu chỉnh tại toàn cầu. Vấn đề đặt ra là cần có một mô hình các điểm song trùng này có sự biến đổi bất Geoid chính xác. thường do chưa hiệu chỉnh tại các điểm mắt Hiện nay ở Việt Nam chưa xây dựng được lưới (chưa làm trơn). Vậy để mô hình có giá trị 70
2. sử dụng vấn đề đặt ra là cần có thuật toán nội 3. Tính toán thực nghiệm suy phù hợp để xác định số hiệu chỉnh tại điểm Số liệu thực nghiệm là mạng lưới GPS hạng mắt lưới đảm bảo nguyên tắc giữ nguyên số IV được đo tại vùng mỏ Cẩm Phả - Mông hiệu chỉnh tại các điểm song trùng và mắt lưới Dương, tỉnh Quảng Ninh. Lưới gồm 26 điểm càng xa điểm song trùng thì độ lớn trị tuyệt đối với 74 cạnh đo (baselines), trong đó có 9 điểm của số hiệu chỉnh càng nhỏ. song trùng (được đo nối thuỷ chuẩn hình học 2. Thuật toán nội suy số hiệu chỉnh độ với độ chính xác hạng III nhà nước). Sơ đồ liên cao Geoid tại điểm mắt lưới kết 9 điểm song trùng được thể hiện ở hình 1. Thuật toán nội suy trọng số nghịch đảo khoảng cách là phù hợp để xác định số hiệu chỉnh mô hình tại điểm mắt lưới. Theo phương pháp này trọng số được lấy theo nghịch đảo khoảng cách từ điểm cần xác định giá trị độ cao Geoid đến các điểm đã có giá trị độ cao Geoid ở xung quanh nó. Giá trị độ cao Geoid tại vị trí i được xác định theo công thức trung bình trọng số : n NPjj j1 Ni n , (1) Pj j1 Hình 1. Sơ đồ liên kết 9 điểm song trùng trong đó: j - các điểm đã biết giá trị độ cao Geoid ở xung quanh điểm i chưa biết giá trị độ cao Geoid. 3.1. Tính số hiệu chỉnh mô hình tại các điểm Trọng số được tính theo công thức: song trùng 1 Với số liệu thực tế của mạng lưới trên P , (2) j d và mô hình Geoid EGM-2008, ta tính được j chênh cao trắc địa ΔH, chênh cao thủy chuẩn dj - khoảng cách từ điểm cần xác định i đến Δh, hiệu độ cao Geoid ΔNm, từ đó tính được số điểm đã có giá trị độ cao Geoid j hạng tự do của các phương trình số hiệu chỉnh, α - tham số cần xác định (α có thể bằng 1, kết quả tính trong bảng 1. 2, 3, ). Bảng 1. Các giá trị tính ΔH, Δh, ΔNm và số hạng tự do l Tên chênh cao ΔH (m) Δh (m) ΔNm (m) l = Δh + ΔNm – ΔH IV-01→IV-06 -6.824 -6.921 0.077 -0.020 IV-06→IV-02 -1.002 -1.040 0.083 0.045 IV-02→IV-18 -18.693 -18.711 0.008 -0.010 IV-18→107406 -0.956 -0.783 -0.164 0.009 107406→IV-14 45.607 45.515 0.065 -0.027 IV-14→IV-16 55.118 55.130 0.063 0.075 IV-16→IV-12 38.556 38.453 -0.045 -0.148 IV-09→IV-01 -72.830 -72.715 -0.029 0.086 71
3. Sau khi lập và giải hệ phương trình chuẩn, Dương. Để có thể nhìn trực quan sự thay đổi sẽ xác định được giá trị các ẩn số, chính là các của bề mặt Geoid sau khi hiệu chỉnh, ở đây vẽ số hiệu chỉnh cho độ cao Geoid (dN) tại các cả phần mô hình Geoid khi chưa hiệu chỉnh. điểm song trùng. Từ đó sẽ nhận được độ cao Trên hình 2a và 2b là các sơ đồ 2D và sơ đồ Geoid sau hiệu chỉnh. 3D của phần mô hình Geoid EGM-2008 thuộc Sau khi tính được độ cao Geoid sau hiệu vùng Cẩm Phả-Mông Dương khi chưa hiệu chỉnh tại các điểm song trùng có thể vẽ lại mô chỉnh. hình Geoid cho khu vực Cẩm Phả-Mông Bảng 2. Số hiệu chỉnh mô hình và độ cao geoid sau hiệu chỉnh Tên Độ cao geoid lấy từ mô hình toàn Số hiệu chỉnh dN Độ cao geoid sau hiệu điểm cầu (m) (m) chỉnh (m) IV-01 -23.879 -0.005 -23.884 IV-06 -23.802 0.015 -23.787 IV-02 -23.719 -0.030 -23.749 IV-18 -23.711 -0.020 -23.731 107406 -23.875 -0.029 -23.904 IV-14 -23.810 -0.002 -23.812 IV-16 -23.747 -0.077 -23.824 IV-12 -23.792 0.071 -23.721 IV-09 -23.850 0.081 -23.769 Hình 2a. Sơ đồ 2D chưa hiệu chỉnh Hình 2b. Sơ đồ 3D chưa hiệu chỉnh Trên hình 3a và 3b là sơ đồ 2D và 3D của phần mô hình Geoid đã được hiệu chỉnh. Hình 3a. Sơ đồ 2D đã hiệu chỉnh Hình 3b. Sơ đồ 3D đã hiệu chỉnh 72
4. Hình 4a. Sơ đồ 2D chưa hiệu chỉnh mắt lưới Hình 4b. Sơ đồ 3D chưa hiệu chỉnh mắt lưới Ngoài ra chúng ta còn có thể dùng kết hợp suy để xác định số hiệu chỉnh cho các điểm mắt cả số liệu của các điểm mắt lưới ở khu vực này lưới, đây được gọi là phương pháp làm trơn để vẽ đường đồng mức với số lượng của mắt (smoothing) mô hình geoid sau hiệu chỉnh. lưới là 10×10. Số liệu độ cao Geoid ở các điểm 3.2. Nội suy số hiệu chỉnh độ cao Geoid tại các mắt lưới được lấy từ mô hình Geoid toàn cầu điểm mắt lưới EGM2008. Sử dụng số hiệu chỉnh cho độ cao Geoid tại Có thể nhận thấy rằng, sau khi xử lý số liệu, các điểm song trùng tiến hành nội suy số hiệu độ cao Geoid tại các điểm song trùng nhận được chỉnh độ cao Geoid cho các điểm mắt lưới theo số hiệu chỉnh, do đó bề mặt Geoid bị thay đổi phương pháp nội suy trọng số nghịch đảo khớp với số liệu đo GPS và thuỷ chuẩn. Tuy khoảng cách với hệ số α = 2. Số hiệu chỉnh độ nhiên chỉ tại điểm song trùng mô hình được cao Geoid và độ cao Geoid sau hiệu chỉnh tại thay đổi “đột biến”, còn các điểm mắt lưới các điểm mắt lưới được thể hiện trong bảng sau: không thay đổi. Do đó cần có phương pháp nội Bảng 3. Số hiệu chỉnh mô hình và độ cao Geoid sau hiệu chỉnh của điểm mắt lưới Độ cao Geoid lấy từ mô hình toàn Độ cao Geoid sau Tên điểm Số hiệu chỉnh (m) cầu EGM2008(m) hiệu chỉnh (m) 1 -23.872 -0.025 -23.897 2 -23.843 -0.018 -23.861 3 -23.815 -0.006 -23.821 4 -23.785 -0.005 -23.790 98 -23.791 0.012 -23.779 99 -23.771 0.004 -23.767 100 -23.750 -0.001 -23.751 Sau khi có được độ cao Geoid sau hiệu chỉnh tại các điểm mắt lưới thực hiện vẽ mô hình Geoid cho khu vực Cẩm Phả-Mông Dương. Hình 5a. Sơ đồ 2D đã hiệu chỉnh mắt lưới 73
5. Hình 5b. Sơ đồ 3D đã hiệu chỉnh mắt lưới Có thể nhận thấy rằng mô hình geoid sau hiệu chỉnh tại điểm mắt lưới đã trở nên trơn tru hơn. 3.3. Xây dựng mô hình Geoid cục bộ Dựa vào giá trị độ cao Geoid sau hiệu chỉnh độ cao Geoid của các điểm mắt lưới tiến hành xây dựng mô hình Geoid cục bộ cho khu vực Cẩm Phả-Mông Dương theo khuôn dạng của mô hình Geoid trong phần mềm xử lý số liệu GPS (GPSurvey, Trimble Geomatic Office, Trimble Total Control). Mô hình được xây dựng có tên là GeoCP_MD.GGF. Sử dụng mô hình này để xác định giá trị độ cao Geoid của 9 điểm song trùng. Bảng 4. Kết quả độ cao Geoid xác định từ mô hình GeoCP_MD.GGF Độ cao Geoid lấy từ mô hình toàn cầu Độ cao Geoid lấy từ mô hình Tên điểm (m) GeoCP_MD.GGF (m) IV-01 -23.879 -23.884 IV-06 -23.802 -23.787 IV-02 -23.719 -23.749 IV-18 -23.711 -23.731 107406 -23.875 -23.904 IV-14 -23.810 -23.812 IV-16 -23.747 -23.824 IV-12 -23.792 -23.721 IV-09 -23.850 -23.769 Thực hiện so sánh độ cao thủy chuẩn xác định từ đo cao GPS dùng mô hình Geoid toàn cầu (hGPS) và độ cao thủy chuẩn xác định từ mô hình Geoid GeoCP_MD.GGF (hGeoCP_MD) với độ cao thủy chuẩns có được từ việc đo cao thủy chuẩn hình học sau bình sai (hTC). Bảng 5. So sánh kết quả sử dụng mô hình Geoid GeoCP_MD.GGF Tên điểm hTC (m) hGPS (m) hGeoCP_MD (m) hTC- hGPS (m) hTC- hGeoCP_MD (m) IV-01 29.906 29.924 29.903 -0.018 0.003 IV-06 22.985 23.023 22.986 -0.038 -0.001 IV-02 21.945 21.939 21.943 0.006 0.002 IV-18 3.234 3.237 3.235 -0.003 -0.001 107406 2.451 2.445 2.447 0.006 0.004 IV-14 47.966 47.987 47.965 -0.021 0.001 IV-16 103.096 103.041 103.069 0.055 0.027 IV-12 141.549 141.642 141.564 -0.093 -0.015 74
6. IV-09 102.621 102.725 102.634 -0.104 -0.013 Sau khi nghiên cứu lý thuyết và tiến hành [2]. Đặng Nam Chinh. Nội suy dị thường độ tính toán thực nghiệm trên số liệu thực tế, cao và độ chính xác xác định độ cao bằng công chúng tôi đưa ra một số kết luận và kiến nghị nghệ GPS. Đặc san Khoa học và công nghệ địa như sau: chính. Tháng 12/1997. 4. Kết luận và kiến nghị [3]. Vũ Đình Toàn. Khảo sát một số phương Mô hình Geoid cục bộ GeoCP_MD.GGF pháp tìm ma trận giả nghịch đảo trong bình sai mới được lập cho phép xác định độ cao thủy lưới trắc địa tự do. Tạp chí Khoa học kỹ thuật chuẩn tại khu vực Cẩm Phả – Mông Dương có Mỏ - Địa chất. Số 33, 01-2011. độ chính xác cao hơn so với giá trị độ cao thủy [4]. Vũ Đình Toàn. Ứng dụng phương pháp chuẩn xác định bằng mô hình Geoid toàn cầu bình sai lưới tự do để xác định số hiệu chỉnh mô EGM2008. Qua đó giúp nâng cao được khả hình Geoid. Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa năng đo cao trong đo GPS ở khu vực này trong học lần thứ 19. Quyển 6 Trắc địa, Hà Nội, các giai đoạn tiếp theo. 11/11/2010. - Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc [5]. Đặng Hùng Võ, Lê Minh, Phạm Hoàng vào độ chính xác của việc xác định độ cao trắc Lân, Nguyễn Tuấn Anh. Xây dựng mô hình địa bằng đo GPS và độ cao thủy chuẩn bằng đo Geoid độ chính xác cao ở Việt Nam (GeoVN- thủy chuẩn hình học tại các điểm song trùng. 2003). Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học - Cần áp dụng phương pháp này để thành trắc địa bản đồ và quản lý đất đai-lần thứ nhất- lập mô hình Geoid cho các khu vực thực Hà Nội, 12/2004. nghiệm khác có quy mô rộng hơn nhằm để [6]. Urs Marti, Andreas Schlatter and Elmar kiểm chứng khả năng ứng dụng của thuật toán Brockmann, Federal Office of Topography, này. Seftigenstrasse 264, CH-3084 Waber, - Nếu có số liệu đo song trùng GPS-thủy Switzerland. Combining Levelling with GPS chuẩn ta có thể áp dụng phương pháp này để measurements and Geoid information. thành lập mô hình Geoid cục bộ độ chính xác [7]. G. Fotopoulos and M.G. Sideris, cao cho Việt Nam, qua đó giúp nâng cao khả Department of Geomatics Engineering, năng ứng dụng của phương pháp đo cao GPS. University of Calgary, 2500 University Dr.NW Calgary, Alberta, T2N 1N4, Canada. On the TÀI LIỆU THAM KHẢO Estimation of Variance Components Using GPS, Geoid and Levelling Data. [1]. Đặng Nam Chinh, Vũ Đình Toàn, Nguyễn [8]. B. Erol , R. N. Çelik. Modelling Local Duy Đô, 2011. Một phương pháp hiệu chỉnh mô GPS/Levelling Geoid with the Assesstment of hình Geoid theo các số liệu GPS và thủy chuẩn. Inverse Distance Weighting and Geostatistical Tạp chí Khoa học Đo đạc và Bản đồ. Số 8, Kriging Methods tháng 6-2011. SUMMARY Building the local geoid model in the Cam Pha-Mong Duong area Vu Dinh Toan, University of Mining and Geology GPS points which were measured height by levelling (GPS/levelling points) are used to determine geoid undulation, from which interpolate geoid undulation of another points to determine height by GPS. When using the global geoid model to determine geoid undulation, data measured at GPS/levelling points is used to assess the suitability of the geoid model with real surface geoid of measurement area, not only that, this data can also be used to accurately geoid model in the area of GPS/levelling points. This paper presents a method to build local Geoid models based on correction for the global Geoid model from relative model of measuremets in GPS/levelling points. 75