Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực bằng số liệu đo cao vệ tinh trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam" do nghiên cứu sinh Phạm Văn Tuyên thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất (Hà Nội, 2023), thuộc ngành Kỹ thuật trắc địa - bản đồ (mã số 9520503), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Văn Sáng và TS Vũ Văn Trí.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Việt Nam có vùng biển và thềm lục địa rộng lớn với diện tích gấp ba lần phần đất liền. Công tác đo đạc, khảo sát trường địa vật lý và trường trọng lực biển đóng vai trò thiết yếu trong việc xác định hình dáng, kích thước, thế trọng trường Trái Đất, thiết lập số liệu gốc cho hệ tọa độ quốc gia, nghiên cứu cấu trúc địa chất, thăm dò tài nguyên khoáng sản và nghiên cứu địa hình đáy biển. Tuy nhiên, việc đo trọng lực trực tiếp bằng tàu biển hoặc máy bay gặp nhiều trở ngại do điều kiện khí tượng, thủy văn phức tạp, chi phí tài chính cao và thời gian thi công kéo dài trên diện tích rộng.
Phương pháp đo cao vệ tinh là giải pháp gián tiếp cho phép xác định dị thường trọng lực biển trên diện rộng. Tuy nhiên, tại các vùng biển nông và ven bờ như Vịnh Bắc Bộ, độ chính xác của số liệu đo cao vệ tinh bị suy giảm do ảnh hưởng phức tạp của địa hình đáy biển, sóng, gió, dòng hải lưu và thủy triều. Các mô hình trường trọng lực toàn cầu (như DTU, Sandwell) hoặc các công trình trong nước trước đây chỉ đạt độ chính xác từ ±5 mGal đến ±9 mGal tại khu vực Biển Đông, hoặc chỉ áp dụng cho một vệ tinh đơn lẻ ở chế độ lặp lại chính xác (ERM) với độ phân giải lưới thưa (10'x10' hoặc 3'x3') tại vùng biển sâu ngoài khơi. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần thiết lập một tổ hợp giải pháp xử lý toán học đồng bộ nhằm nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển từ dữ liệu đo cao đa vệ tinh cho vùng nước nông ven bờ Vịnh Bắc Bộ.
Mục tiêu nghiên cứu
- Xác lập cơ sở khoa học và xây dựng các giải pháp xử lý số liệu đo cao vệ tinh nhằm nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực trên biển nói chung và vùng biển Vịnh Bắc Bộ nói riêng.
- Xác định dị thường trọng lực biển có độ chính xác tốt hơn ±4 mGal cho vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam bằng số liệu đo cao vệ tinh trên lưới ô vuông phân giải (1'x1').
Luận điểm bảo vệ
- Luận điểm 1: Các giải pháp nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh do luận án đề xuất có cơ sở lý thuyết chặt chẽ và hoàn toàn khả thi trong tính toán thực nghiệm.
- Luận điểm 2: Việc sử dụng kết hợp mô hình thế trọng trường toàn cầu EIGEN-6C4, mô hình mặt biển trung bình động học DTU15MDT, số liệu đo cao từ các vệ tinh ở chế độ thực hiện nhiệm vụ trắc địa (GM) gồm Cryosat-2/GM và SARAL-DP/AltiKa/GM, cùng phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC) sẽ mang lại kết quả dị thường trọng lực có độ chính xác cao hơn so với các công trình nghiên cứu trước đây trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp xác định giá trị dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh; các giải pháp tính toán nâng cao độ chính xác; các tập số liệu đo cao vệ tinh, số liệu đo trọng lực trực tiếp bằng tàu biển và các kết quả dị thường trọng lực biển được xử lý.
- Phạm vi không gian: Vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam, được giới hạn bởi 21 điểm tọa độ phân định lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa giữa Việt Nam và Trung Quốc.
- Phạm vi dữ liệu: Dữ liệu đo cao vệ tinh Cryosat-2/GM (105 chu kỳ) và SARAL-DP/AltiKa/GM (54 chu kỳ); các mô hình thế trọng trường toàn cầu GGM (EGM2008, GECO, EIGEN-6C4, SGG-UGM-1); mô hình mặt biển trung bình động học DTU15MDT; 818 điểm song trùng GPS - Thủy chuẩn và 31 trạm nghiệm triều trên lãnh thổ Việt Nam; 2011 điểm dị thường trọng lực đo trực tiếp bằng tàu biển phục vụ làm khớp và đánh giá kiểm chứng sai số.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các nghiên cứu quốc tế
Kỹ thuật xác định trường trọng lực từ đo cao vệ tinh đã được phát triển qua nhiều giai đoạn với các công trình tiêu biểu:
- Cheinway Hwang và Barry Parsons (1995): Tính dị thường trọng lực vùng sống núi Reykjanes bằng số liệu Geosat/ERM (60 chu kỳ), ERS-1 (10 chu kỳ) và TOPEX/Poseidon (36 chu kỳ), áp dụng phương pháp LSC và làm khớp với số liệu đo tàu đạt độ chính xác ±5,6 mGal.
- David T. Sandwell và Walter H. Smith (1997): Ứng dụng số liệu Geosat/GM (khoảng cách vết 6 km) và ERS-1/GM (khoảng cách vết 8 km) trên toàn cầu bằng phương pháp biến đổi Fourier (FFT), đạt độ lệch chuẩn ±4,3 mGal khi so sánh với số liệu tàu biển.
- Ole Baltazar Andersen và Per Knudsen (1998): Dùng số liệu ERS-1/GM và Geosat/GM xác định dị thường trọng lực toàn cầu bằng phương pháp FFT, đạt độ lệch chuẩn ±5,8 mGal ở Bắc Đại Tây Dương và ±9,8 mGal ở Đông Địa Trung Hải.
- Xiaoli Deng, Will Featherstone, Cheinway Hwang và C. Shum (2001): Nghiên cứu khu vực eo biển Đài Loan bằng số liệu ERS-1 qua công thức Vening-Meinesz ngược kết hợp kỹ thuật xử lý lại dạng sóng (waveform retracking), đạt độ lệch chuẩn ±13,1 mGal.
- Cheinway Hwang, Hsin-Ying Hsu và R. J. Jang (2002): Dùng số liệu Seasat, Geosat, ERS-1, T/P, ERS-2 tính dị thường trọng lực toàn cầu lưới (2'x2') bằng công thức Vening-Meinesz ngược; độ chính xác tại Biển Đông đạt ±8,2 mGal.
- Andersen, Knudsen và Berry (2010): Xây dựng mô hình trường trọng lực toàn cầu DNSC08GRA (1'x1') bằng phương pháp LSC, so với 321.400 điểm đo tàu vùng Bắc Đại Tây Dương đạt sai số trung phương ±3,91 mGal.
- Andersen (2010): Công bố mô hình DTU10GRAV (1'x1'), bổ sung dữ liệu ERS-1, Envisat và tinh chỉnh số hiệu chỉnh địa vật lý, đạt độ lệch chuẩn ±3,82 mGal ở Bắc Đại Tây Dương.
- Andersen, Knudsen, Kenyon, Factor và Holmes (2013, 2014): Phát triển mô hình DTU13GRAV (1'x1') từ vệ tinh CryoSat-2/GM và Jason-1/GM, sử dụng mô hình EGM2008 loại bỏ bước sóng dài bằng phương pháp FFT, đạt độ lệch chuẩn ±3,45 mGal ở Bắc Đại Tây Dương.
- Sandwell, Müller, Smith, Garcia và Francis (2014) cùng Garcia, Sandwell và Smith (2014): Kết hợp dữ liệu CryoSat-2 và Jason-1, áp dụng kỹ thuật retracking dạng sóng cho CryoSat-2, Envisat và Jason-1, nâng độ chính xác lên 1,5 lần so với dữ liệu Geosat và ERS-1.
- Andersen và Knudsen (2016): Xây dựng mô hình DTU15GRAV (1'x1') từ dữ liệu 5 năm của Cryosat-2 và Jason-2, đạt độ lệch chuẩn ±1,75 mGal tại vùng biển Úc và ±5,08 mGal tại Bắc Cực.
- Liang Liu và cộng sự (2016): Sử dụng 7 năm dữ liệu vệ tinh Jason-1 tính dị thường trọng lực vùng biển (0°-23°N, 103°-120°E) bằng công thức Stokes ngược, đạt độ lệch trung phương ±12,1 mGal.
- Shengjun Zhang, Sandwell, Jin và Li (2017): Kết hợp đa vệ tinh (Geosat, ERS-1, Jason-1, T/P, Envisat, CryoSat-2, SARAL/AltiKa) tính dị thường trọng lực lưới (1'x1'); kết quả kiểm chứng tại khu vực Biển Đông Việt Nam đạt sai số trung phương ±5,986 mGal.
- Andersen và Knudsen (2019): Xây dựng mô hình DTU17GRA (1'x1') tích hợp các vệ tinh GM (Cryosat-2, Jason-1, SARAL/AltiKa), đạt độ lệch chuẩn so sánh với dự án LomGrav 2009 là ±3,22 mGal.
Các nghiên cứu trong nước
- Nguyễn Như Trung và cộng sự (2003): Khai thác dị thường trọng lực từ vệ tinh Geosat và ERS-1 để tính dị thường Bouguer đáy Biển Đông, độ chính xác so với đo tàu đạt khoảng ±9 mGal.
- Bùi Công Quế và cộng sự (2008): Kết hợp dữ liệu tàu Gagarinsky, tàu Attalante và dữ liệu đo cao quốc tế thành lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer tỷ lệ 1:1.000.000, độ chính xác đạt ±8,5 mGal.
- Nguyễn Văn Sáng (2012): Thực hiện luận án tiến sĩ tại MIIGAiK (Nga), tính toán dị thường trọng lực Biển Đông từ số liệu 10 chu kỳ của vệ tinh ENVISAT/ERM kết hợp số liệu trọng lực bờ và đảo, đạt độ chính xác ±6,7 mGal ở độ phân giải lưới (10'x10').
- Hà Minh Hòa (2014): Hệ thống hóa lý thuyết trường trọng lực Trái Đất và phương pháp xử lý dữ liệu đo cao vệ tinh.
- Bùi Khắc Luyên và Nguyễn Văn Sáng (2014): Thực hiện làm khớp mô hình toàn cầu DTU13 với số liệu trọng lực đo trực tiếp ven bờ.
- Vũ Văn Trí, Phạm Văn Tuyên và cộng sự (2017): Đề tài cấp Bộ mã số B2016-MDA-11ĐT xác định dị thường trọng lực vùng biển Quần đảo Trường Sa bằng 52 chu kỳ dữ liệu Cryosat-2/GM, EGM2008, DTU13MDT và phương pháp LSC ở lưới (3'x3'), đạt sai số ±0,67 mGal tại vùng nước sâu.
Khoảng trống luận án giải quyết
Hầu hết các nghiên cứu trong nước trước đây chỉ khai thác mô hình có sẵn hoặc chỉ sử dụng một loại vệ tinh ở chế độ ERM với mật độ thưa, chủ yếu áp dụng tại vùng biển sâu ngoài khơi. Chưa có công trình nào tích hợp đồng thời các thế hệ vệ tinh nhiệm vụ trắc địa (GM) mới có độ chính xác cao (Cryosat-2 và SARAL/AltiKa) để giải quyết bài toán xác định trường trọng lực chi tiết tại vùng nước nông ven bờ Vịnh Bắc Bộ. Luận án đã lựa chọn mô hình thế trọng trường toàn cầu, mô hình địa hình mặt biển động học tối ưu cho khu vực Việt Nam và thiết lập quy trình làm khớp với dữ liệu đo trực tiếp để đạt độ chính xác cao hơn các công trình trước đó.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và khái niệm cơ bản
Dị thường trọng lực ($\Delta g$) tại một điểm quan sát là hiệu số giữa giá trị trọng lực thực đo ($g$) và giá trị trọng lực chuẩn ($\gamma$):
$$\Delta g = g - \gamma$$
Giá trị trọng lực chuẩn $\gamma_0$ trên bề mặt ellipsoid được xác định theo công thức Somigliana:
$$\gamma_0 = \gamma_e \frac{1 + k \sin^2 B}{\sqrt{1 - e^2 \sin^2 B}}, \quad \text{với } k = \frac{b \gamma_p - a \gamma_e}{a \gamma_e}$$
Trong đó $a, b$ là bán trục lớn và bán trục bé; $e$ là tâm sai thứ nhất; $\gamma_e, \gamma_p$ là trọng lực chuẩn tại xích đạo và cực; $B$ là vĩ độ trắc địa. Đối với ellipsoid WGS-84, công thức thực dụng có dạng:
$$\gamma_0 = 978032{,}67714 \left(1 + 0{,}00193185138639 \sin^2 B\right) / \sqrt{1 - 0{,}00669437999013 \sin^2 B} \text{ (mGal)}$$
Nguyên lý đo cao vệ tinh xác định khoảng cách $d$ từ vệ tinh tới bề mặt biển thông qua thời gian truyền tín hiệu hai chiều $t$ với vận tốc ánh sáng $c$:
$$d = c \frac{t}{2}$$
Độ cao mặt nước biển hiệu chỉnh ($SSH_{corr}$) so với ellipsoid tham chiếu được tính theo biểu thức:
$$SSH_{corr} = H - (d + e)$$
Trong đó $H$ là độ cao quỹ đạo vệ tinh; $e$ là tổng các số hiệu chỉnh bao gồm:
- Hiệu chỉnh thiết bị: Sai số bộ phát sóng, độ trôi dạt đồng hồ, độ dịch chuyển trọng tâm vệ tinh.
- Hiệu chỉnh đường truyền: Tầng điện ly (sử dụng đo song tần Ku/C qua tổng lượng điện tử TEC hoặc mô hình GIM, DORIS, PRARE với độ lớn hiệu chỉnh từ 2 đến 20 cm) và tầng đối lưu (khô $h_{dry}$ theo mô hình áp suất ECMWF từ 2,0 đến 2,3 m; ướt $h_{wet}$ theo mô hình hoặc máy đo bức xạ).
- Hiệu chỉnh bề mặt và địa vật lý: Trạng thái biển, thủy triều đại dương, triều Trái Đất rắn, triều cực.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| KỸ THUẬT LOẠI BỎ - PHỤC HỒI (REMOVE - RESTORE) |
| |
| 1. Loại bỏ (Remove): |
| SSHcorr - hMDT = hGeoid |
| hGeoid - ht (Bình sai giao cắt) = N |
| N - N_GGM (EIGEN-6C4) = Delta N (Phần dư độ cao Geoid) |
| |
| 2. Chuyển đổi (Collocation bình phương nhỏ nhất - LSC): |
| Delta N --------[ GRAVSOFT: EMPCOV -> COVFIT -> GEOCOL ]--------> Delta g_res |
| |
| 3. Làm khớp (Fitting LSC với 2011 điểm đo tàu ZLS Dynamic Meter): |
| Delta g_res (vệ tinh) + Delta g_res (đo trực tiếp) -> Delta g_res_khop |
| |
| 4. Phục hồi (Restore): |
| Delta g_final = Delta g_res_khop + Delta g_GGM |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
Phương pháp nghiên cứu
Luận án áp dụng kết hợp các phương pháp:
- Phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC): Sử dụng các module
EMPCOV, COVFIT, GEOCOL trong gói phần mềm chuyên dụng GRAVSOFT để tính toán hàm hiệp phương sai thực nghiệm, làm khớp hàm hiệp phương sai lý thuyết và chuyển đổi từ phần dư độ cao geoid ($\Delta N$) sang phần dư dị thường trọng lực ($\Delta g_{res}$), đồng thời làm khớp với dữ liệu đo trực tiếp.
- Phương pháp bình sai giao cắt (Crossover adjustment): Loại bỏ độ cao địa hình mặt biển biến đổi theo thời gian ($h_t$) tại các điểm giao nhau giữa các cung bay thăng và cung bay giáng.
- Phương pháp mô hình hóa và tin học: Xây dựng phần mềm
Geomat2015 để tính toán độ cao geoid, dị thường độ cao và dị thường trọng lực từ các hệ số hàm điều hòa cầu của các mô hình GGM; sử dụng chương trình GEOIP để nội suy độ cao mặt biển trung bình động học $h_{MDT}$.
- Phương pháp thống kê và so sánh: Đánh giá sai số trung phương (RMS), độ lệch cực đại, độ lệch cực tiểu và vẽ biểu đồ tần suất sai số để kiểm chứng kết quả với số liệu đo trọng lực trực tiếp.
Nguồn tư liệu và dữ liệu
- Dữ liệu đo cao từ cơ sở dữ liệu RADS (Radar Altimeter Database System) và AVISO của vệ tinh Cryosat-2/GM (105 chu kỳ) và SARAL-DP/AltiKa/GM (54 chu kỳ).
- 4 mô hình thế trọng trường toàn cầu thu thập từ ICGEM: EGM2008 ($N_{max}=2190$), GECO ($N_{max}=2190$), EIGEN-6C4 ($N_{max}=2190$), SGG-UGM-1 ($N_{max}=2159$).
- 818 điểm GPS - Thủy chuẩn hạng I, II và 31 trạm nghiệm triều phân bố trên toàn lãnh thổ Việt Nam.
- Dữ liệu trọng lực biển đo trực tiếp: 2011 điểm đo bằng máy trọng lực ZLS Dynamic Gravity Meter (sai số máy $\pm1{,}0$ mGal) do Liên đoàn Địa chất biển thực hiện.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh
Chương 1 hệ thống hóa khái niệm dị thường trọng lực, lịch sử phát triển các công thức tính trọng lực chuẩn trên thế giới (Helmert 1884, 1901-1909, 1915; Cassinis 1930; Zhongolovich 1952; Heiskanen 1957; Uotila 1959; Groushinsky; hệ chuẩn quốc tế 1971; WGS-84).
Chương này tổng kết lịch sử công tác đo trọng lực tại Việt Nam từ thời kỳ người Pháp (nhà địa vật lý Lerai, 9 điểm tựa, 30 điểm thường), giai đoạn 1957-1967 (máy LRG, Worden ở miền Nam; máy thạch anh của Liên Xô ở miền Bắc), giai đoạn 1971-1977 xây dựng mạng lưới quốc gia hạng I (25 điểm) và hạng II (148 điểm) bằng máy OVM, GAG-2 nối về hệ thống Potsdam qua Matxcơva. Tiếp đó là giai đoạn hiện đại hóa 1988-1989 bằng máy AGAT, dự án hiện đại hóa 2003-2012 với 11 điểm cơ sở tuyệt đối (máy FG5, A10, GBL đạt sai số $<\pm0{,}005$ mGal), 29 điểm hạng I, 548 điểm tựa và 10.614 điểm chi tiết.
Trên biển, chương 1 điểm lại các chuyến khảo sát địa chấn - trọng lực của các tàu Poisk, Iskatel, Gambuxep, Malugin (những năm 1980), tàu Gagarinsky (1990-1992), tàu Attalante (1993), 28.158 điểm đo quanh đảo Bạch Long Vĩ (2007) và dự án điều tra của Liên đoàn Địa chất biển năm 2008 với 58.989 điểm đo (khoảng cách tuyến 15 km, máy ZLS). Từ việc phân tích các công trình quốc tế và trong nước, chương 1 xác định rõ hạn chế tại vùng biển nông ven bờ Vịnh Bắc Bộ và định hình 5 nhóm giải pháp nghiên cứu.
Chương 2: Phương pháp xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh
Chương 2 tập trung trình bày cơ sở toán học và kỹ thuật của đo cao vệ tinh. Nội dung phân tích chi tiết nguyên lý xác định độ cao mặt biển ($SSH$), các hệ thống theo dõi quỹ đạo vệ tinh chính xác đạt sai số 1-2 cm (DORIS, SLR, VLBI, GNSS) và toàn bộ các số hiệu chỉnh vật lý: hiệu chỉnh thiết bị đo cao, hiệu chỉnh tầng điện ly qua bước sóng kép Ku/C ($h_{Ku}, h_C$) và tổng lượng điện tử TEC, hiệu chỉnh tầng đối lưu khô ($h_{dry}$) và ướt ($h_{wet}$).
Chương này thiết lập quy trình giải bài toán chuyển đổi độ cao mặt biển thành dị thường trọng lực biển qua các bước:
- Xác định độ cao địa hình mặt biển trung bình động học $h_{MDT}$ và độ cao geoid sơ bộ $h_{Geoid} = SSH_{corr} - h_{MDT}$.
- Bình sai mạng lưới điểm giao cắt giữa các cung thăng và cung giáng nhằm khử sai số quỹ đạo và biến thiên mặt nước biển theo thời gian $h_t$, thu được độ cao geoid $N$.
- Ứng dụng kỹ thuật "loại bỏ - phục hồi" (Remove - Restore), trích xuất phần dư độ cao geoid $\Delta N = N - N_{GGM}$ dựa trên mô hình thế trọng trường toàn cầu.
- Cơ sở lý thuyết chuyển đổi $\Delta N$ sang phần dư dị thường trọng lực $\Delta g_{res}$.
Chương 3: Giải pháp nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh
Chương 3 đề xuất và giải quyết 5 giải pháp công nghệ then chốt:
- Giải pháp 1 (Dữ liệu vệ tinh GM): Chọn lựa và kết hợp số liệu từ các vệ tinh thực hiện nhiệm vụ trắc địa (GM) với mật độ vết quét dày đặc gồm Cryosat-2/GM (105 chu kỳ) và SARAL-DP/AltiKa/GM (54 chu kỳ) thay vì chỉ sử dụng chế độ lặp lại định kỳ (ERM).
- Giải pháp 2 (Lựa chọn mô hình GGM): Tác giả viết chương trình
Geomat2015 để tính toán dị thường độ cao từ các hệ số khai triển điều hòa cầu. Thực hiện so sánh kiểm nghiệm 4 mô hình (EGM2008, GECO, EIGEN-6C4, SGG-UGM-1) với 818 điểm song trùng GPS - Thủy chuẩn trên toàn quốc. Kết quả đánh giá chọn mô hình EIGEN-6C4 vì có độ lệch chuẩn và độ phù hợp tốt nhất tại khu vực Việt Nam.
| Mô hình GGM |
Bậc cực đại ($N_{max}$) |
Nguồn dữ liệu tích hợp chính |
Độ phù hợp tại Việt Nam |
| EGM2008 |
2190 |
GRACE, Dữ liệu mặt đất, Altimetry cũ |
Trung bình khá |
| GECO |
2190 |
Tích hợp GOCE vào EGM2008 |
Khá |
| EIGEN-6C4 |
2190 |
GOCE, GRACE, LAGEOS, Dữ liệu mặt đất |
Tốt nhất (Được lựa chọn) |
| SGG-UGM-1 |
2159 |
EGM2008 kết hợp dữ liệu GOCE |
Khá |
- Giải pháp 3 (Lựa chọn mô hình MDT): Đánh giá các mô hình mặt biển trung bình động học của DTU và lựa chọn mô hình DTU15MDT (độ phân giải 1'x1'), sử dụng chương trình
GEOIP thuộc gói GRAVSOFT để nội suy độ cao $h_{MDT}$.
- Giải pháp 4 (Phương pháp LSC): Áp dụng phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất thông qua các module
EMPCOV (tính hàm hiệp phương sai thực nghiệm), COVFIT (làm khớp hàm hiệp phương sai lý thuyết Tscherning-Rapp) và GEOCOL để chuyển đổi $\Delta N$ thành $\Delta g_{res}$.
- Giải pháp 5 (Làm khớp với số liệu đo trực tiếp): Tích hợp số liệu phần dư dị thường trọng lực đo trực tiếp bằng tàu vào mô hình LSC để hiệu chỉnh triệt để các sai số hệ thống cục bộ tại vùng ven bờ.
Chương 4: Áp dụng các giải pháp để nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam
Chương 4 triển khai tính toán thực nghiệm trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ (phần thuộc chủ quyền Việt Nam) theo 3 phương án:
- Phương án 1: Chỉ sử dụng dữ liệu đo cao vệ tinh Cryosat-2/GM (105 chu kỳ).
- Phương án 2: Chỉ sử dụng dữ liệu đo cao vệ tinh SARAL-DP/AltiKa/GM (54 chu kỳ).
- Phương án 3: Kết hợp đồng thời dữ liệu Cryosat-2/GM và SARAL-DP/AltiKa/GM.
Quá trình tính toán thực nghiệm xác định phần dư độ cao geoid $\Delta N$, tính toán các tham số hàm hiệp phương sai thực nghiệm và lý thuyết, xác định phần dư dị thường trọng lực $\Delta g_{res}$ và thực hiện làm khớp với 2011 điểm đo trọng lực trực tiếp bằng tàu. Kết quả kiểm chứng sai số trung phương (RMS) được tổng hợp cụ thể:
| Giai đoạn đánh giá |
Phương án 1 (Cryosat-2) |
Phương án 2 (SARAL/AltiKa) |
Phương án 3 (Cryosat-2 + SARAL/AltiKa) |
| Trước khi làm khớp |
$\pm4{,}78\text{ mGal}$ |
$\pm4{,}92\text{ mGal}$ |
$\pm4{,}21\text{ mGal}$ |
| Sau khi làm khớp |
$\pm3{,}25\text{ mGal}$ |
$\pm3{,}41\text{ mGal}$ |
$\pm2{,}84\text{ mGal}$ |
Khi so sánh kết quả dị thường trọng lực của Phương án 3 với các mô hình trường trọng lực toàn cầu hiện có trên cùng phạm vi Vịnh Bắc Bộ:
- So với mô hình DTU10GRA: Sai số trung phương đạt $\pm6{,}12\text{ mGal}$.
- So với mô hình DTU13GRA: Sai số trung phương đạt $\pm5{,}45\text{ mGal}$.
- So với mô hình DTU15GRA: Sai số trung phương đạt $\pm4{,}88\text{ mGal}$.
- So với mô hình DTU17GRA: Sai số trung phương đạt $\pm4{,}15\text{ mGal}$.
- Kết quả của luận án (Phương án 3 sau làm khớp): Sai số trung phương đạt $\pm2{,}84\text{ mGal}$ (đạt độ chính xác tốt hơn $\pm3\text{ mGal}$, vượt chỉ tiêu đặt ra ban đầu là $\pm4\text{ mGal}$).
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về mặt lý luận và khoa học
- Xác lập cơ sở khoa học và xây dựng thành công quy trình công nghệ tính toán hoàn chỉnh, chặt chẽ về mặt toán học để xác định dị thường trọng lực biển từ dữ liệu đo cao đa vệ tinh, phù hợp đặc thù vùng biển nông và ven bờ.
- Đã kiểm chứng, đánh giá định lượng độ chính xác của các mô hình thế trọng trường toàn cầu tại Việt Nam trên cơ sở số liệu thực nghiệm 818 điểm GPS - Thủy chuẩn và 31 trạm nghiệm triều, chứng minh mô hình EIGEN-6C4 và mô hình DTU15MDT mang lại độ phù hợp cao nhất cho khu vực nghiên cứu.
- Xây dựng phần mềm
Geomat2015 phục vụ tính toán các đặc trưng trường trọng lực từ hệ số điều hòa cầu của các mô hình GGM.
Đóng góp về mặt thực tiễn
- Xây dựng bộ số liệu dị thường trọng lực biển chi tiết độ phân giải (1'x1') trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam đạt độ chính xác thực tế $\pm2{,}84\text{ mGal}$ (tốt hơn $\pm3\text{ mGal}$), nâng cao chất lượng so với các mô hình DTU toàn cầu trước đây (từ $\pm4{,}15$ đến $\pm6{,}12\text{ mGal}$).
- Cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật giúp các cơ quan quản lý nhà nước xây dựng các quy định kỹ thuật về xử lý dữ liệu đo cao vệ tinh phục vụ đo vẽ trọng lực biển ven bờ.
- Bổ sung nguồn tư liệu trường trọng lực phục vụ điều tra cơ bản, nghiên cứu địa chất đáy biển, quản lý tài nguyên môi trường và bảo vệ chủ quyền biển đảo.
Kiến nghị và đề xuất
- Kiến nghị các cơ quan quản lý chuyên ngành (Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường) ứng dụng quy trình xử lý của luận án để mở rộng xây dựng lưới dị thường trọng lực cho toàn bộ các vùng biển còn lại của Việt Nam.
- Đề xuất tiếp tục bổ sung các nguồn dữ liệu đo cao vệ tinh thế hệ mới (như Sentinel-3, ICESat-2, SWOT) và tăng cường đo đạc trọng lực trực tiếp tại các vùng biển nông ven bờ để cập nhật, nâng cao độ chính xác của mô hình trường trọng lực biển quốc gia.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Số liệu đo trọng lực trực tiếp bằng tàu biển dùng để làm khớp và kiểm chứng còn phân bố tập trung theo tuyến đo, mật độ chưa bao phủ đồng đều toàn bộ diện tích Vịnh Bắc Bộ.
- Dữ liệu đo cao vệ tinh tại sát mép bờ biển (dưới 5-10 km) vẫn chịu ảnh hưởng nhiễu địa hình đất liền làm suy giảm chất lượng tín hiệu phản xạ radar.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng ứng dụng quy trình và tổ hợp giải pháp cho toàn bộ vùng biển ven bờ miền Trung và Nam Bộ.
- Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán xử lý lại dạng sóng phản xạ (waveform retracking) chuyên sâu cho dải bờ biển sát bờ.
- Tích hợp thêm nguồn dữ liệu đo cao đa phổ và radar đo cao giao thoa từ các vệ tinh hiện đại nhằm tăng cường độ phân giải trường trọng lực.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Trắc địa cao cấp, Trắc địa biển, Địa vật lý, Hải dương học: Tham khảo phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC), kỹ thuật loại bỏ - phục hồi, và thuật toán xử lý dữ liệu đo cao radar đa vệ tinh.
- Kỹ sư và chuyên gia trắc địa - địa vật lý: Ứng dụng các quy trình sử dụng bộ phần mềm GRAVSOFT (
EMPCOV, COVFIT, GEOCOL) và phần mềm Geomat2015 trong tính toán Geoid biển và dị thường trọng lực thực tế.
- Cơ quan quản lý và quy hoạch biển (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Quốc phòng, Viện Dầu khí Việt Nam): Sử dụng bộ dữ liệu dị thường trọng lực lưới (1'x1') Vịnh Bắc Bộ phục vụ thăm dò khoáng sản, nghiên cứu địa động lực và xây dựng hệ quy chiếu trắc địa biển.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án đã sử dụng những nguồn dữ liệu đo cao vệ tinh nào để tính toán thực nghiệm trên Vịnh Bắc Bộ?
Tác giả đã thu thập và sử dụng dữ liệu đo cao từ cơ sở dữ liệu RADS và AVISO ở chế độ thực hiện nhiệm vụ trắc địa (GM) gồm: 105 chu kỳ đo của vệ tinh Cryosat-2/GM và 54 chu kỳ đo của vệ tinh SARAL-DP/AltiKa/GM.
2. Mô hình thế trọng trường toàn cầu (GGM) và mô hình mặt biển trung bình động học (MDT) nào được tác giả lựa chọn?
Qua đánh giá thực nghiệm so sánh với 818 điểm GPS - Thủy chuẩn và 31 trạm nghiệm triều trên toàn quốc, tác giả đã lựa chọn mô hình thế trọng trường toàn cầu EIGEN-6C4 (bậc khai triển $N_{max}=2190$) và mô hình mặt biển trung bình động học DTU15MDT (lưới phân giải 1'x1') do Viện Vũ trụ Quốc gia Đan Mạch xây dựng.
3. Phương pháp toán học nào được sử dụng để chuyển đổi phần dư độ cao geoid sang phần dư dị thường trọng lực?
Tác giả sử dụng phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC) thông qua các chương trình EMPCOV (tính hàm hiệp phương sai thực nghiệm), COVFIT (làm khớp hàm hiệp phương sai lý thuyết) và GEOCOL thuộc gói phần mềm chuyên dụng GRAVSOFT.
4. Độ chính xác dị thường trọng lực biển đạt được trong luận án là bao nhiêu và so sánh thế nào với các mô hình toàn cầu?
Kết quả tính toán theo Phương án 3 (kết hợp Cryosat-2/GM và SARAL-DP/AltiKa/GM sau khi làm khớp với 2011 điểm đo trọng lực trực tiếp) đạt sai số trung phương $\pm2{,}84\text{ mGal}$. Độ chính xác này vượt mục tiêu đề ra ($\pm4\text{ mGal}$) và cao hơn các mô hình toàn cầu trên Vịnh Bắc Bộ như DTU10GRA ($\pm6{,}12\text{ mGal}$), DTU13GRA ($\pm5{,}45\text{ mGal}$), DTU15GRA ($\pm4{,}88\text{ mGal}$) và DTU17GRA ($\pm4{,}15\text{ mGal}$).
Kết luận
Luận án của tác giả Phạm Văn Tuyên đã giải quyết bài toán xác định dị thường trọng lực tại vùng biển nông và ven bờ Vịnh Bắc Bộ bằng việc kết hợp dữ liệu đo cao đa vệ tinh ở chế độ GM (Cryosat-2 và SARAL-DP/AltiKa), mô hình thế trọng trường EIGEN-6C4 và mô hình DTU15MDT. Thông qua phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất và kỹ thuật làm khớp với số liệu đo tàu trực tiếp, công trình đã xây dựng thành công lưới dị thường trọng lực phân giải (1'x1') đạt độ chính xác $\pm2{,}84\text{ mGal}$. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của quy trình công nghệ đề xuất, đóng góp nguồn cơ sở dữ liệu và phương pháp luận giá trị cho công tác trắc địa - địa vật lý biển Việt Nam.
