Tổng quan luận án

Công tác đo đạc và xác định trường trọng lực trên biển đóng vai trò thiết yếu trong việc nghiên cứu hình dáng, kích thước, thế trọng trường Trái Đất, thiết lập số liệu gốc cho hệ tọa độ quốc gia đối với ngành Trắc địa. Trong Địa vật lý, số liệu dị thường trọng lực hỗ trợ phân tích cấu trúc vỏ Trái Đất và phục vụ thăm dò khoáng sản, dầu khí. Đối với Hải dương học và quân sự, trường trọng lực có mối liên hệ mật thiết với địa hình đáy biển và hỗ trợ xác định quỹ đạo chuyển động của tên lửa đạn đạo. Vùng biển và thềm lục địa Việt Nam có diện tích lớn gấp ba lần phần đất liền, việc đo đạc 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 khảo sát kéo dài trên diện rộng.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là độ chính xác xác định dị thường trọng lực từ số liệu đo cao vệ tinh tại khu vực biển gần bờ và vùng nước nông (như Vịnh Bắc Bộ) thường bị suy giảm đáng kể so với ngoài khơi xa do ảnh hưởng phức tạp của sóng, gió, thủy triều và phản xạ địa hình. Các mô hình toàn cầu sẵn có chưa đạt độ chính xác cao tại vùng biển Việt Nam. Luận án "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" của tác giả Phạm Văn Tuyên (Trường Đại học Mỏ - Địa chất, 2023) được thực hiện nhằm giải quyết các hạn chế này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm:

  1. Xác lập cơ sở khoa học, 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 trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ nói riêng.
  2. Xác định được dị thường trọng lực biển có độ chính xác tốt hơn $\pm 4\text{ mGal}$ cho vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam bằng số liệu đo cao vệ tinh.

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; tập số liệu đo cao vệ tinh; số liệu đo trọng lực trực tiếp bằng tàu biển; các kết quả dị thường trọng lực tính toán được.
  • Phạm vi không gian và dữ liệu: Khu vực vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam; các tập dữ liệu đo cao vệ tinh ở chế độ nhiệm vụ trắc địa (GM) và nhiệm vụ lặp lại chính xác (ERM); mô hình thế trọng trường toàn cầu (GGM); mô hình mặt biển trung bình động học (MDT).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Công tác đo trọng lực tại Việt Nam được ghi nhận từ những năm 1930 dưới sự chủ trì của Lerai sử dụng máy con lắc cổ điển xác định 9 điểm tựa (sai số $\pm 1{,}0\text{ mGal}$) và 30 điểm thường (sai số $\pm 2{,}5\text{ mGal}$). Năm 1957, Iu. Bulanze đo 01 điểm tại sân bay Gia Lâm. Giai đoạn 1960–1967 tại miền Nam, máy LRG và Worden được sử dụng để đo hơn 10 điểm tựa và trên 200 điểm thường. Tại miền Bắc giai đoạn 1957–1967, chuyên gia Liên Xô đo gần 400 điểm tựa và trên 5.300 điểm thường. Giai đoạn 1971–1977, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước xây dựng mạng lưới trọng lực quốc gia với máy con lắc OVM và máy tĩnh học thạch anh GAG-2, gồm 25 điểm hạng I và 148 điểm hạng II. Giai đoạn 1988–1989, hiện đại hóa lưới với 4 điểm cơ sở đo bằng máy AGAT. Dự án "Xây dựng và hoàn chỉnh hệ thống trọng lực nhà nước" (2003–2012) hợp tác với Liên bang Nga triển khai máy đo tuyệt đối laser FG5, A10 và GBL, hoàn thành 11 điểm cơ sở, 29 điểm hạng I, 548 điểm tựa và 10.614 điểm chi tiết. Trên biển, các đợt đo đạc bằng tàu được thực hiện qua các chương trình khảo sát dầu khí (1973–1979), tàu Poisk, Iskatel (1980), tàu Liên Xô (1984–1985), đoàn khảo sát Trung Quốc (1987), tàu Gagarinsky (1990–1992), tàu Attalante (1993), khu vực Bạch Long Vĩ năm 2007 với 28.158 điểm bằng máy ZLS D06, và dự án của Liên đoàn Địa chất biển năm 2008 trên Vịnh Bắc Bộ thu thập 58.989 điểm bằng máy ZLS Dynamic Meter.

Trên thế giới, việc ứng dụng đo cao vệ tinh xác định dị thường trọng lực biển đã được phát triển qua nhiều công trình tiêu biểu:

  • Cheinway Hwang và Barry Parsons (1995): Kết hợp số liệu Seasat, Geosat/ERM, ERS-1, TOPEX/Poseidon xác định dị thường trọng lực khu vực sống núi Reykjanes bằng phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC), đạt độ chính xác $\pm 5{,}8\text{ mGal}$.
  • David T. Sandwell và Walter H. Smith (1997): Dùng số liệu Geosat/GM và ERS-1/GM xử lý bằng biến đổi Fourier xác định trường trọng lực toàn cầu đạt độ chính xác $\pm 4{,}4\text{ mGal}$ ($\pm 3\text{ mGal}$ tại nơi có vết đo trùng tàu biển).
  • Ole Baltazar Andersen và Per Knudsen (1998): Sử dụng ERS-1/GM và Geosat/GM tính toán bằng phương pháp biến đổi Fourier nhanh (FFT) trên toàn cầu.
  • Xiaoli Deng, Will Featherstone, Cheinway Hwang và C. Shum (2001): Ứng dụng kỹ thuật xử lý lại dạng sóng (waveform retracking) cho số liệu ERS-1 khu vực eo biển Đài Loan bằng công thức Vening-Meinesz ngược, đạt sai số $\pm 13\text{ mGal}$.
  • Cheinway Hwang, Hsin-Ying Hsu và R. J. Jang (2002): Tính dị thường trọng lực toàn cầu độ phân giải $2' \times 2'$, khu vực Biển Đông đạt độ chính xác $\pm 8\text{ mGal}$.
  • Ole Baltazar Andersen cùng các cộng sự (2010, 2013, 2016, 2019): Lần lượt công bố các mô hình trường trọng lực toàn cầu độ phân giải $1' \times 1'$ gồm DNSC08GRA ($\pm 3{,}91\text{ mGal}$ Bắc Đại Tây Dương), DTU10GRAV ($\pm 3{,}82\text{ mGal}$), DTU13GRAV (tích hợp CryoSat-2/GM, Jason-1/GM), DTU15GRAV và DTU17GRA (bổ sung SARAL/AltiKa, CryoSat-2, đạt $\pm 3{,}15\text{ mGal}$ ở Bắc Cực).
  • Sandwell và cộng sự (2014), Garcia và cộng sự (2014): Tái xử lý dạng sóng vệ tinh CryoSat-2, Envisat, Jason-1 giúp tăng độ chính xác lên 1,5 lần.
  • Liang Liu và cộng sự (2016), Shengjun Zhang và cộng sự (2017): Đánh giá dị thường trọng lực đo cao khu vực Biển Đông đạt sai số từ $\pm 5{,}2\text{ mGal}$ đến $\pm 8\text{ mGal}$.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây gồm:

  • Nguyễn Như Trung và cộng sự (2003): Phân tích số liệu Geosat và ERS-1 trên Biển Đông, độ chính xác so với đo tàu đạt $\pm 9\text{ mGal}$.
  • Bùi Công Quế và cộng sự (2008): Thành lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer 1:1.000.000 kết hợp đo tàu và mô hình đo cao quốc tế, sai số đạt $\pm 8\text{ mGal}$.
  • Nguyễn Văn Sáng (2012): Luận án tiến sĩ tại MIIGAiK (Nga), tính toán dị thường trọng lực Biển Đông từ số liệu ENVISAT/ERM (10 chu kỳ) độ phân giải $10' \times 10'$, đạt độ chính xác $\pm 6\text{ mGal}$.
  • Hà Minh Hòa (2014): Tổng kết lý thuyết trường trọng lực và kỹ thuật đo cao vệ tinh.
  • Bùi Khắc Luyên và Nguyễn Văn Sáng (2014): Nghiên cứu làm khớp mô hình DTU13 với trọng lực ven biển.
  • Vũ Văn Trí, Phạm Văn Tuyên và cộng sự (2017): Đề tài B2016-MDA-11ĐT xác định dị thường trọng lực quanh quần đảo Trường Sa lưới $3' \times 3'$ từ 52 chu kỳ CryoSat-2/GM, đạt độ chính xác $\pm 0{,}67\text{ mGal}$.

Vị trí của luận án: Các nghiên cứu trong nước trước đó chỉ sử dụng đơn lẻ một loại vệ tinh hoặc tập trung ở vùng nước sâu xa bờ. Luận án này lựa chọn giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác tại vùng nước nông, gần bờ thuộc Vịnh Bắc Bộ thông qua kết hợp đa nguồn vệ tinh nhiệm vụ trắc địa (GM) độ chính xác cao và tối ưu hóa các mô hình nền.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm nền tảng

Dị thường trọng lực ($\Delta g$) tại một điểm quan sát là hiệu giữa giá trị trọng lực thực đo ($g$) và giá trị trọng lực chuẩn ($\gamma$) tại điểm đó: $$\Delta g = g - \gamma$$

Giá trị trọng lực chuẩn $\gamma_0$ trên bề mặt ellipsoid được xác định theo công thức chuẩn Somigliana hoặc biểu thức thực dụng trên ellipsoid WGS-84: $$\gamma_0 = 978032{,}67715 \left(1 + 0{,}0052790414\sin^2 B + 0{,}0000232718\sin^4 B\right)\text{ mGal}$$

Khoảng cách từ vệ tinh đo cao đến bề mặt biển được xác định trên nguyên lý lan truyền xung sóng ngắn: $$d = c \cdot \frac{t}{2}$$ Trong đó $c$ là vận tốc lan truyền tín hiệu sóng điện từ, $t$ là thời gian lan truyền hai chiều.

Độ cao mặt nước biển (Sea Surface Height - $SSH$) so với ellipsoid tham chiếu và độ cao mặt biển sau hiệu chỉnh ($SSH_{corr}$) được biểu diễn qua công thức: $$SSH = H - d$$ $$SSH_{corr} = H - (d + e)$$ Trong đó $H$ là độ cao quỹ đạo vệ tinh so với ellipsoid (được kiểm soát bởi các công nghệ DORIS, SLR, VLBI, GNSS đạt độ chính xác $1 \div 2\text{ cm}$), $e$ là tổng các số hiệu chỉnh.

Kỹ thuật "loại bỏ - phục hồi" (Remove-Restore) kết hợp phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC) được áp dụng để chuyển đổi phần dư độ cao geoid ($\Delta N$) sang phần dư dị thường trọng lực ($\Delta g_{res}$): $$\Delta g = \Delta g_{GGM} + \Delta g_{res}$$

                +-------------------------------------------------------+
                |     Số liệu đo cao vệ tinh (CryoSat-2, SARAL/AltiKa)   |
                +-------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
                +-------------------------------------------------------+
                |    Xử lý các số hiệu chỉnh thiết bị, truyền sóng,     |
                |          địa vật lý và bình sai điểm giao cắt         |
                +-------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
+------------------------+      +--------------------+      +------------------------+
|   Mô hình GGM tối ưu   | ---> |  Kỹ thuật loại bỏ  | <--- |   Mô hình MDT tối ưu   |
|      (EIGEN-6C4)       |      |  (Remove-Restore)  |      |       (DTU15MDT)       |
+------------------------+      +--------------------+      +------------------------+
                                           |
                                           v
                +-------------------------------------------------------+
                |      Phần dư độ cao geoid trên các vết quét (ΔN)      |
                +-------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
                +-------------------------------------------------------+
                | Chuyển đổi sang phần dư dị thường trọng lực (Δg_res)  |
                |           bằng phương pháp Collocation (LSC)          |
                +-------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
                +-------------------------------------------------------+
                |   Làm khớp phần dư dị thường trọng lực với số liệu    |
                |            đo trực tiếp bằng tàu trên biển            |
                +-------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
                +-------------------------------------------------------+
                | Lưới dị thường trọng lực hoàn chỉnh vùng Vịnh Bắc Bộ  |
                +-------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp định lượng và xử lý toán tin chuyên ngành:

  • Phương pháp thống kê: Thu thập, phân loại, kiểm tra và xử lý số liệu quan trắc đo cao, số liệu trọng lực tàu biển.
  • Phương pháp phân tích: Đánh giá cấu trúc chuỗi số liệu, xác định các nguồn sai số hệ thống và ngẫu nhiên.
  • Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hóa các điểm giao cắt giữa các cung thăng, cung giáng để loại bỏ độ cao địa hình mặt biển biến đổi theo thời gian ($h_t$).
  • Phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC): Tính toán hàm hiệp phương sai thực nghiệm, làm khớp hàm hiệp phương sai lý thuyết và suy tính phần dư dị thường trọng lực từ phần dư độ cao geoid.
  • Phương pháp so sánh, đối chuẩn: Đánh giá sai số trung phương (RMS), độ lệch cực đại, cực tiểu giữa các mô hình và số liệu thực đo.
  • Phương pháp tin học: Sử dụng ngôn ngữ lập trình xây dựng phần mềm Geomat2015 tính toán độ cao geoid, dị thường độ cao, dị thường trọng lực từ hệ số điều hòa cầu; ứng dụng các module chuyên dụng GEOIP, EMPCOV, COVFIT, GEOCOL thuộc bộ phần mềm Gravsoft.

Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng

Nhóm dữ liệu Nguồn gốc và quy mô Mục đích sử dụng trong luận án
Số liệu đo cao vệ tinh GM 105 chu kỳ CryoSat-2/GM và 54 chu kỳ SARAL-DP/AltiKa/GM Tạo lưới vết quét dày đặc trên khu vực Vịnh Bắc Bộ
Số liệu đo cao vệ tinh ERM Seasat, Geosat, GFO, ERS-1/2, Envisat, TOPEX/Poseidon, Jason-1/2/3, Sentinel-3A/B Phân tích bổ trợ và đối sánh mạng lưới giao cắt
Mô hình trọng trường toàn cầu EGM2008, GECO, EIGEN-6C4, SGG-UGM-1 Đánh giá và lựa chọn mô hình nền cho kỹ thuật Remove-Restore
Mô hình địa hình mặt biển Các thế hệ mô hình DTU (DTU10MDT, DTU13MDT, DTU15MDT) Tách thành phần độ cao mặt biển trung bình động học ($h_{MDT}$)
Số liệu GPS - Thủy chuẩn 818 điểm phân bố trên toàn lãnh thổ Việt Nam Đánh giá độ chính xác thực tế của các mô hình GGM
Số liệu trạm nghiệm triều 31 trạm dọc bờ biển và hải đảo Việt Nam Đánh giá độ phù hợp của các mô hình MDT
Số liệu trọng lực đo tàu 58.989 điểm đo năm 2008 và 2.011 điểm đo trực tiếp trên Vịnh Bắc Bộ Kiểm chứng độc lập và làm khớp phần dư dị thường trọng lực

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 các khái niệm nền tảng về dị thường trọng lực thuần nhất, dị thường trọng lực hỗn hợp và các công thức tính trọng lực chuẩn quốc tế qua các thời kỳ: Helmert (1884, 1901–1909, 1915), Cassinis (1930), Zhongolovich (1952), Heiskanen (1957), Uotila (1959), Groushinsky và công thức WGS-84. Chương này điểm lại toàn diện lịch sử xây dựng mạng lưới trọng lực quốc gia trên đất liền và các chương trình đo trọng lực biển tại Việt Nam.

Phần tổng quan quốc tế và trong nước phân tích sâu các phương pháp toán học xác định trọng lực từ đo cao (LSC, FFT, Stokes ngược, Vening-Meinesz ngược). Tác giả nhận định các nghiên cứu đo cao trên thế giới có thể đạt độ chính xác $\pm 3\text{ mGal}$ ở đại dương mở, nhưng tại Biển Đông và thềm lục địa Việt Nam, sai số còn ở mức cao ($\pm 5{,}2$ đến $\pm 8{,}5\text{ mGal}$). Các nghiên cứu trong nước trước đây chỉ dùng một vệ tinh đơn lẻ ở chế độ ERM hoặc thực nghiệm tại vùng nước sâu. Từ đó, chương 1 xác lập hướng tiếp cận của luận án gồm 5 giải pháp trọng tâm nhằm nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực tại vùng biển nông Vịnh Bắc Bộ.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC BIỂN BẰNG SỐ LIỆU ĐO CAO VỆ TINH

Chương 2 tập trung trình bày nguyên lý đo cao vệ tinh và phân tích hệ thống các số hiệu chỉnh $e$ tác động lên cự ly đo $d$, bao gồm 4 nhóm chính:

  1. Số hiệu chỉnh thiết bị (Instrumental corrections): Bù trừ sự mất ổn định của máy phát xung sóng ngắn (tần số trên 1.700 xung/giây), chuyển dịch trọng tâm vệ tinh do tiêu hao nhiên liệu, độ trôi dạt và lão hóa của bộ đếm xung, sai số định chuẩn ăng-ten.
  2. Số hiệu chỉnh đường truyền (Propagation corrections):
    • Tầng điện ly: Hiện tượng chiết suất làm trễ sóng, được xử lý bằng thiết bị đo song tần (dải Ku và C trên các vệ tinh TOPEX/Poseidon, Jason, Envisat, Sentinel-3) thông qua tính toán tổng lượng điện tử ($TEC$), hoặc mô hình tầng điện ly toàn cầu GIM/DORIS/PRARE với giá trị hiệu chỉnh trong khoảng $2 \div 20\text{ cm}$ ($\pm 3\text{ cm}$).
    • Tầng đối lưu khô và ướt: Thành phần khô được tính từ mô hình áp suất khí quyển bề mặt (ECMWF) với giá trị hiệu chỉnh $2{,}0 \div 2{,}4\text{ m}$ ($\pm 0{,}7\text{ cm}$); thành phần ướt do hơi nước biến đổi mạnh được xác định bằng cảm biến bức xạ sóng ngắn hoặc mô hình ẩm.
  3. Số hiệu chỉnh bề mặt (Surface corrections): Bù trừ sai số do trạng thái mặt biển (chiều cao sóng có nghĩa, tốc độ gió).
  4. Số hiệu chỉnh địa vật lý (Geophysical corrections): Hiệu chỉnh thủy triều đại dương, thủy triều đất liền, tải trọng triều, hiệu ứng phân cực triều và hiệu ứng khí áp nghịch đảo (Inverted Barometer).

Chương 2 cũng thiết lập cơ sở lý thuyết bình sai mạng lưới điểm giao cắt (crossover adjustment) giữa các cung thăng và cung giáng nhằm triệt tiêu độ cao địa hình mặt biển biến đổi theo thời gian ($h_t$), xác định độ cao mặt biển trung bình động học ($h_{MDT}$), và quy trình trích xuất độ cao geoid trung bình từ dữ liệu đo cao vệ tinh.

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 trình bày chi tiết cơ sở khoa học và quy trình thực hiện của 5 giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Giải pháp 1 - Kết hợp đa nguồn dữ liệu vệ tinh nhiệm vụ trắc địa (GM): Lựa chọn và tích hợp chuỗi dữ liệu đo dày từ các vệ tinh thế hệ mới gồm 105 chu kỳ CryoSat-2/GM (quỹ đạo dệt dày đặc) và 54 chu kỳ SARAL-DP/AltiKa/GM (sử dụng băng tần Ka với bước sóng ngắn cho độ phân giải không gian cao), kết hợp bổ trợ các vết quét ERM nhằm tối ưu hóa mật độ điểm đo tại Vịnh Bắc Bộ.
  • Giải pháp 2 - Lựa chọn mô hình thế trọng trường toàn cầu (GGM) phù hợp với Việt Nam: 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. Tiến hành đánh giá độc lập 4 mô hình trọng trường toàn cầu gồm EGM2008, GECO, EIGEN-6C4 và SGG-UGM-1 dựa trên số liệu 818 điểm GPS - Thủy chuẩn phân bố trên toàn lãnh thổ Việt Nam. Mô hình EIGEN-6C4 cho độ lệch chuẩn nhỏ nhất và độ phù hợp cao nhất, được lựa chọn làm mô hình nền để tính thành phần bước sóng dài.
  • Giải pháp 3 - Lựa chọn mô hình mặt biển trung bình động học (MDT): Đánh giá độ chính xác các mô hình MDT toàn cầu do DTU phát triển bằng số liệu độ cao mực nước biển thực đo tại 31 trạm nghiệm triều ven bờ và hải đảo Việt Nam. Kết quả xác định mô hình DTU15MDT (lưới $1' \times 1'$) đạt độ chính xác cao nhất và tương thích tối ưu với vùng biển Việt Nam.
  • Giải pháp 4 - Ứng dụng phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC): Lựa chọn thuật toán LSC thay vì biến đổi Fourier để chuyển đổi phần dư độ cao geoid sang phần dư dị thường trọng lực. Phương pháp này cho phép tích hợp dữ liệu phân bố không đều, ước tính đồng thời tín hiệu và lọc nhiễu ngẫu nhiên thông qua hàm hiệp phương sai thực nghiệm và lý thuyết (sử dụng các module EMPCOV, COVFIT, GEOCOL của phần mềm Gravsoft).
  • Giải pháp 5 - Làm khớp phần dư dị thường trọng lực đo cao với số liệu trọng lực đo trực tiếp: Sử dụng dữ liệu đo trọng lực trực tiếp trên biển để làm khớp phần dư dị thường trọng lực tính toán được từ vệ tinh, triệt tiêu sai số hệ thống cục bộ tại khu vực nước nông 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 thực nghiệm toàn bộ quy trình trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ (giới hạn bởi đường bờ biển và 21 điểm phân định vịnh giữa Việt Nam và Trung Quốc). Tác giả thiết lập 3 phương án tính toán thực nghiệm để so sánh đối chứng:

  • Phương án 1: Tính toán từ nguồn dữ liệu đo cao vệ tinh đơn lẻ.
  • Phương án 2: Tính toán kết hợp dữ liệu đo cao vệ tinh với mô hình trọng trường toàn cầu chưa tối ưu.
  • Phương án 3 (Phương án tối ưu của luận án): Tích hợp 105 chu kỳ CryoSat-2/GM cùng 54 chu kỳ SARAL-DP/AltiKa/GM, sử dụng mô hình trọng trường EIGEN-6C4, mô hình địa hình mặt biển DTU15MDT, chuyển đổi qua phương pháp LSC và làm khớp với 2.011 điểm đo trọng lực trực tiếp bằng tàu.

Kết quả tính toán hàm hiệp phương sai thực nghiệm và làm khớp hàm hiệp phương sai lý thuyết cho thấy Phương án 3 phản ánh chính xác cấu trúc thống kê của trường trọng trường khu vực. Đối sánh kết quả của luận án với các mô hình toàn cầu DTU10GRA, DTU13GRA, DTU15GRA, DTU17GRA và số liệu đo trực tiếp khẳng định độ chính xác của phương án đề xuất vượt trội so với các mô hình quốc tế trên khu vực vịnh.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

Luận án đã thiết lập được cơ sở khoa học và xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ quy trình tính toán xử lý số liệu đo cao vệ tinh ở chế độ GM phục vụ xác định dị thường trọng lực chi tiết tại vùng biển ven bờ và nước nông. Công trình đã làm sáng tỏ khả năng tích hợp dữ liệu đo cao đa vệ tinh băng tần Ka (SARAL/AltiKa) và băng tần Ku (CryoSat-2) kết hợp phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất để xử lý hiệu quả bài toán ngược trọng lực biển trong điều kiện thủy thạch địa động lực phức tạp.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  • Luận án đã đánh giá định lượng và xác định mô hình thế trọng trường toàn cầu EIGEN-6C4 cùng mô hình địa hình mặt biển động học DTU15MDT là hai mô hình nền tối ưu nhất cho lãnh thổ và vùng biển Việt Nam.
  • Xây dựng thành công bộ chương trình tính toán Geomat2015 hỗ trợ tính chuyển các đại lượng trọng trường từ hệ số hàm điều hòa cầu.
  • Thành lập được lưới dị thường trọng lực biển có độ phân giải cao $1' \times 1'$ cho toàn bộ vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam với độ chính xác đạt tốt hơn $\pm 3\text{ mGal}$ (vượt mục tiêu ban đầu đề ra là $\pm 4\text{ mGal}$).
========================================================================================
                               KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN
========================================================================================
  Chỉ tiêu nghiên cứu         Mục tiêu đề ra           Kết quả thực nghiệm đạt được
----------------------------------------------------------------------------------------
  Độ phân giải không gian     Lưới ô vuông 1' x 1'     Lưới ô vuông 1' x 1'
  Mô hình nền GGM             Đánh giá & lựa chọn      Mô hình EIGEN-6C4 (tối ưu nhất)
  Mô hình nền MDT             Đánh giá & lựa chọn      Mô hình DTU15MDT (tối ưu nhất)
  Độ chính xác dị thường      Tốt hơn ±4.0 mGal        Tốt hơn ±3.0 mGal
========================================================================================

Kiến nghị và đề xuất

Kết quả nghiên cứu cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn giúp các cơ quan quản lý nhà nước xây dựng, ban hành các quy định kỹ thuật về xử lý toán học dữ liệu đo cao vệ tinh phục vụ đo đạc trường trọng lực biển ven bờ. Bộ dữ liệu dị thường trọng lực Vịnh Bắc Bộ độ chính xác cao được đề xuất đưa vào cơ sở dữ liệu điều tra cơ bản tài nguyên môi trường biển, phục vụ phân tích cấu trúc địa chất, khai thác dầu khí và bảo vệ chủ quyền quốc gia.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung thực nghiệm chủ yếu trong phạm vi không gian vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam; số liệu đo trọng lực trực tiếp trên biển phục vụ làm khớp và kiểm chứng còn phụ thuộc vào mật độ tuyến khảo sát của các dự án địa chất biển đã thực hiện.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng áp dụng quy trình và 5 giải pháp kỹ thuật của luận án cho toàn bộ các vùng biển khác của Việt Nam, đặc biệt là vùng biển Nam Trung Bộ, Tây Nam Bộ và các vùng biển quanh các quần đảo Hoàng Sa, Trường Sa.
    • Tích hợp thêm nguồn dữ liệu từ các thế hệ vệ tinh đo cao mới phóng (như Sentinel-3, Jason-3, SWOT) và áp dụng các thuật toán xử lý lại dạng sóng (waveform retracking) chuyên sâu tại đới sát bờ nước cực nông.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo dành cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa vật lý, Hải dương học: Tham khảo phương pháp toán học Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC), kỹ thuật Remove-Restore và quy trình xử lý dữ liệu đo cao vệ tinh tại Chương 2 và Chương 3.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật tại các viện nghiên cứu chuyên ngành đo đạc biển, địa chất khoáng sản, dầu khí: Khai thác quy trình phối hợp phần mềm Gravsoft và Geomat2015 trong bình sai, tính chuyển trường trọng lực.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam): Tham khảo cơ sở thực tiễn để xây dựng quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật đo đạc trọng lực biển bằng công nghệ vệ tinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần kết hợp đồng thời số liệu của hai vệ tinh CryoSat-2/GM và SARAL-DP/AltiKa/GM?
Ở chế độ Geodetic Mission (GM), các vệ tinh di chuyển trên các quỹ đạo không lặp lại với khoảng cách vết quét rất dày (từ $6 \div 8\text{ km}$). CryoSat-2 hoạt động trên băng tần Ku còn SARAL/AltiKa hoạt động trên băng tần Ka có bước sóng ngắn hơn, ít chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và cho kích thước vết đo (footprint) nhỏ hơn. Việc kết hợp 105 chu kỳ CryoSat-2 và 54 chu kỳ SARAL/AltiKa giúp tăng mật độ điểm quan trắc trên bề mặt Vịnh Bắc Bộ, nâng cao độ phân giải không gian và độ chính xác của trường độ cao geoid.

2. Dựa trên cơ sở nào luận án lựa chọn mô hình EIGEN-6C4 trong số các mô hình GGM?
Tác giả đã lập trình phần mềm Geomat2015 và thực hiện đánh giá so sánh dị thường độ cao tính từ 4 mô hình toàn cầu (EGM2008, GECO, EIGEN-6C4, SGG-UGM-1) với dữ liệu thực tế tại 818 điểm GPS - Thủy chuẩn trải đều trên toàn lãnh thổ Việt Nam. Mô hình EIGEN-6C4 cho kết quả sai số lệch chuẩn nhỏ nhất, chứng minh tính phù hợp cao nhất với cấu trúc trọng trường khu vực Việt Nam.

3. Tại sao phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất (LSC) được ưu tiên sử dụng thay vì biến đổi Fourier nhanh (FFT)?
Phương pháp FFT đòi hỏi dữ liệu đầu vào phải được nội suy về dạng lưới ô vuông đều đặn, điều này dễ gây ra sai số nội suy tại các vùng biển có phân bố vết đo không đồng đều hoặc gián đoạn do đảo ven bờ. Phương pháp LSC cho phép xử lý trực tiếp các điểm dữ liệu phân bố tùy ý dọc theo các vết quét vệ tinh, đồng thời có khả năng phân tách tối ưu giữa tín hiệu trọng trường thực và sai số ngẫu nhiên thông qua hàm hiệp phương sai.

4. Độ chính xác cuối cùng của dị thường trọng lực xác định trong luận án đạt mức bao nhiêu và so với các mô hình toàn cầu như thế nào?
Kết quả tính toán theo Phương án 3 của luận án sau khi làm khớp với 2.011 điểm đo trực tiếp đạt độ chính xác tốt hơn $\pm 3\text{ mGal}$, vượt chỉ tiêu đặt ra ban đầu ($\pm 4\text{ mGal}$). Độ chính xác này cao hơn rõ rệt so với các mô hình toàn cầu cùng thời điểm như DTU10GRA, DTU13GRA, DTU15GRA và DTU17GRA khi kiểm chứng trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ.

Kết luận

Luận án của tác giả Phạm Văn Tuyên đã giải quyết thành công bài toán nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển tại vùng nước nông Vịnh Bắc Bộ bằng công nghệ đo cao vệ tinh. Thông qua việc đề xuất đồng bộ 5 giải pháp kỹ thuật—kết hợp đa vệ tinh chế độ GM (CryoSat-2, SARAL/AltiKa), lựa chọn mô hình EIGEN-6C4 và DTU15MDT, áp dụng phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất và làm khớp với số liệu đo tàu—công trình đã xây dựng thành công lưới dị thường trọng lực $1' \times 1'$ đạt độ chính xác tốt hơn $\pm 3\text{ mGal}$. Kết quả nghiên cứu đóng góp thiết thực cho hệ thống lý luận trắc địa biển trong nước và cung cấp nguồn tư liệu quan trọng phục vụ phát triển kinh tế biển, bảo vệ chủ quyền quốc gia.