Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008 bằng dữ liệu trọng lực chi tiết tại Việt Nam - Nguyễn Tuấn Anh

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ Mã số: 9.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TSKH Hà Minh Hòa Hà Nội - 2018 MỤC LỤC Mục Nội dung Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG Vi DANH MỤC CÁC HÌNH Vii MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG TÁC KHẢO SÁT, ĐO ĐẠC TRỌNG LỰC VÀ NGHIÊN CỨU CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ 10 ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƢỜNG TRÁI ĐẤT BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC CHI TIẾT 1.1 Công tác khảo sát, đo đạc trọng lực trên thế giới 10 1.2 Công tác khảo sát, đo đạc trọng lực ở Việt Nam 12 Tình hình nghiên cứu cải chính các hệ số điều hòa cầu của 1.3 16 mô hình trọng trƣờng Trái đất bằng dữ liệu trọng lực 1.4 Kết luận chƣơng 1 19 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC FAYE VÀ RTM 20 PHỤC VỤ XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUASIGEOID ĐỘ CHÍNH XÁC CAO TRÊN CƠ SỞ KẾ THỪA MÔ HÌNH EGM2008 Vai trò và ý nghĩa của các dạng dị thƣờng trọng lực trong 2.1 20 Trắc địa vật lý 2.2 Vai trò và ý nghĩa thực tiễn 24 Các phƣơng pháp tính toán dị thƣờng trọng lực không khí 2.2 28 tự do, Faye và RTM 2.1 Dị thường trọng lực không khí tự do 28 2.2 Dị thường trọng lực Faye 28 2.3 Dị thường trọng lực RTM 29 Sử dụng các loại dị thƣờng trọng lực Faye và RTM trong 2.3 bài toán xây dựng các mô hình quasigeoid toàn cầu và cục 30 bộ trên thế giới Mặt địa hình thực SRTM 30” x 30” và mặt địa hình làm trơn 2.2 Dị thường trọng lực RTM trong EGM2008 33 2.3 Dị thường trọng lực khu vực Fill-in trong EGM2008 36 Xu thế dùng dị thường trọng lực Faye và RTM trong thực tế 2.4 42 xây dựng mô hình quasigeoid độ chính xác cao trên thế giới 2.4 Kết luận chƣơng 2 50 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƢỜNG TRÁI ĐẤT 51 EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC CHI TIẾT CỤC BỘ 3.1 Cơ sở khoa học và lý thuyết 51 Nghiên cứu sử dụng các kết quả giải bài toán biên của 3. trong Trắc địa vật lý 3.2 Tiếp cận theo phương pháp tích phân Stokes 54 3.3 Tiếp cận theo phương pháp cầu phương số 56 3.4 Tiếp cận theo phương pháp chuyển về chuỗi Fourier 64 3.5 Vấn đề tính hàm liên hợp chuẩn Legendre và tích phân của nó 72 3.6 Phương pháp nội suy phi tuyến dựa trên phân bố không gian 74 3.2 Tổ chức tối ƣu hóa thuật toán 78 3.1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 78 3.2 Tổ chức tối ưu hóa thuật toán 80 3.3 Kết luận chƣơng 3 89 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC FAYE, RTM VÀ CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƢỜNG 90 TRÁI ĐẤT EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM 4.1 Khu vực thực nghiệm 90 Tính toán giá trị dị thƣờng trọng lực Faye và RTM tại Việt 4.1 Sơ đồ quy trình các bước tính toán 92 4.2 Dữ liệu địa hình 93 4.3 Tính dị thường trọng lực Faye và RTM của 2006 điểm trọng lực 94 Cải chính các hệ số điều hòa cầu của mô hình trọng trƣờng 4.3 trái đất EGM2008 bằng dữ liệu trọng lực đã đƣợc chuẩn 95 hóa ở Việt Nam 4.1 Giới thiệu về Modul chương trình 95 4.2 Các bước thực nghiệm và kết quả đạt được 98 4.4 Kết luận chƣơng 4 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 DANH MỤC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN 110 QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 Phụ lục 1 125 Phụ lục 2 129 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án, trung thực khách quan và chưa từng sử dụng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Nguồn số liệu trích dẫn và tài liệu tham khảo là hoàn toàn trung thực.

Tác giả luận án ii LỜI CÁM ƠN Nội dung khoa học được nghiên cứu trong luận án đã giải quyết một số vấn đề cơ bản của Trắc địa cao cấp hiện đại cũng như Trắc địa vật lý Trái đất, do vậy trong quá trình thực hiện ngoài việc cố gắng nỗ lực không biết mệt mỏi của bản thân, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS-TSKH Hà Minh Hòa và những cá nhân, tập thể, gia đình, các tổ chức khoa học ở trong và ngoài nước đã giúp đỡ, động viên, góp ý, hỗ trợ thời gian, kỹ thuật, tài chính và cung cấp tài liệu cũng như tiếp thêm động lực cho nghiên cứu sinh trong quá trình tiến hành nghiên cứu, thực nghiệm và hoàn thiện luận án. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ Giải thích bằng tiếng Việt Bundesamt für Kartographie und Cơ quan Trắc địa và Bản đồ BKG Geodäsie liên bang Đức CSDL Cơ Sở Dữ Liệu Cơ Sở Dữ Liệu DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao Trung tâm Vũ trụ Quốc gia DNSC the Danish National Space Center Đan Mạch DOT Dynamic Ocean Topography Địa hình đại dương động học DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt DTU Denmark’sTechnical University Đại học Kỹ thuật Đan Mạch EGM Earth Gravitational Model Mô hình trọng trường Trái đất European Improved Gravity model of Mô hình trọng lực cải tiến của EIGEN the Earth by New techniques Châu Âu bằng kỹ thuật mới ENVISAT ENVIronmental SATellite Vệ tinh môi trường ERS European Remote-sensing Satellite Vệ tinh Viễn thám Châu Âu European Vertical Reference Khung tham chiếu độ cao EVRF Frame Châu Âu FFT Fast Fourier Transforms Phép biến đổi Fourier nhanh GEODAS GEOphysical DAta System Hệ thống dữ liệu địa vật lý GFO Geosat Follow-On Vệ tinh giám sát Geosat Nhiệm vụ trắc địa của vệ tinh GGM the Geosat Geodetic Mission quan sát Trái đất Hệ thống vệ tinh đạo hàng GNSS Global Navigation Satellite System toàn cầu Vệ tinh thăm dò (quan trắc) Gravity field and steady-state GOCE trường trọng lực và dòng hải Ocean Circulation Explorer lưu đại dương iv GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPS-TC GPS - Thủy chuẩn GPS – Thủy chuẩn GSD the Geodetic Survey Division Bộ phận Khảo sát Trắc địa Gravity Recovery and Climate Vệ tinh phục hồi trọng lực và GRACE Experiment thực nghiệm khí hậu Geoid - based Vertical Reference Geoid dựa trên khung tham GVRF Frame chiếu độ cao International Association of IAG Hiệp hội Trắc địa quốc tế Geodesy the International Absolute Mạng lưới các trạm trọng lực IAGBN Gravity Base station Network tuyết đối cơ sở quốc tế Viện Đo đạc Trái đất liên IfE Institut für Erdmessung bang Đức International Gravity Quy chuẩn Trọng lực quốc tế IGSN71 Standardization Net 1971 1971 International Terrestrial Reference Khung tham chiếu mặt đất ITRF Frame quốc tế LINZ Land Information New Zeland Thông tin đất đai New Zeland Phép tính theo phương pháp LSC Least Squares Calculation số bình phương tối thiểu Mean Dynamic Topography (Sea Địa hình mặt biển trung bình MDT Topography Surface) động lực MSS Mean Sea Surface Mặt biển trung bình NAD North America Datum Hệ thống tọa độ Bắc Mỹ Cột mốc hiển thi độ cao NAP Normaal Amsterdams Peil Amsterdams NAVD North America Vertical Datum Hệ thống độ cao Bắc Mỹ National Geospatial-intelligence Cơ quan tri thức Địa hông NGA Agency gian quốc gia Hoa Kỳ NGBN National Gravity Base Net Mạng lưới trọng lực Hoa Kỳ v NGC National Geodetic Center Trung tâm Trắc địa Hoa kỳ Trung tâm dữ liệu địa vật lý NGDC National Geophysical Data Center quốc gia Hoa Kỳ Cơ quan Trắc địa quốc gia NGS the US National Geodetic Survey Hoa Kỳ National Oceanic and Atmospheric Cục Đại dương và Khí quyển NOAA Administration quốc gia Hoa Kỳ Cơ quan Tài nguyên thiên NRCan Natural Resources Canada nhiên Canada Các mô hình thế trọng trường PGM Preliminary Gravitational Models tiền nhiệm Permanent Service for Mean Sea Dịch vụ thường trực về mực PSMSL Level nước biển trung bình RTM Residual Terain Model Mô hình địa hình phần dư Scripps Institution of SIO Viện Hải dương học Scripps Oceanography The Shuttle Radar Topography Nhiệm vụ khảo sát địa hình SRTM Mission bằng Radar cửa chớp SSH Sea Surface Height Độ cao bề mặt biển TEG Texas Earth Gravity Trọng trường Trái đất Texas TGO Tide Gauge Offset Khoảng nghiệm triều TNMT Tài Nguyên Môi Trường Tài Nguyên Môi Trường Vệ tinh thực nghiệm địa hình TOPEX ocean TOPography EXpeniment đại dương Mô hình Geoid trọng lực năm USGG2012 U. Gravimetric Geoid of 2012 2012 của Mỹ USGG United States’ Gravimetric Geoid Mô hình Geoid trọng lực Mỹ Phép chiếu hình trụ ngang UTM Universal Transverse Mercator đồng góc vi DANH MỤC CÁC BẢNG STT Bảng Nội dung Trang Các số liệu thống ê từ sự so sánh giữa ba 1 Bảng 2.1 39 tập dữ liệu Kết quả tính dị thường trọng lực Faye và 2 Bảng 4.1 RTM của 40 điểm trọng lực chi tiết đặc 94 trưng điển hình Các giá trị bán phương sai thực nghiệm 3 Bảng 4.2 101 và lý thuyết Một số giá trị trong ết quả tính toán 4 Bảng 4.3 102 C n,m ; S n,m Giá trị g và g trên mô hình gốc và 5 Bảng 4.4 103 mô hình đã cải chính Kết quả tính toán iểm tra g EGM , 6 Bảng 4.5 g , g và g tại 45 điểm trọng 105 EGM lực chi tiết độc lập. vii DANH MỤC CÁC HÌNH STT Hình Nội dung Trang Các nguồn dữ liệu trọng lực dùng để tính 1 Hình 1.1 11 toán các hệ số điều hòa cầu 2 Hình 1.2 Sơ đồ phân bố các điểm trọng lực chi tiết 15 Cấu trúc của lớp đơn giản đồng nhất 3 Hình 2.2 Hình trụ hấp dẫn 23 5 Hình 2.3 Các điểm P1 và P2 trên mặt địa hình thực 26 6 Hình 2.4 Tích phân trên mặt phẳng 29 Quan hệ giữa địa hình thực và địa hình 7 Hình 2.5 30 trung bình Phân bố hiện trạng dữ liệu dị thường 8 Hình 2.6 40 trọng lực ô chuẩn 5 phút Mô hình quasigeoid hỗn hợp GCG2011 9 Hình 2.7 43 của Đức Mô hình quasigeoid trọng lực 10 Hình 2.8 44 NZGeoid2016 của New Zealand Mô hình geoid trọng lực USGG2012A 11 Hình 2.9 45 của Mỹ 12 Hình 2.