Luận án hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu mô hình EGM2008 - Nguyễn Tuấn Anh

Nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh các hệ số điều hòa cầu mô hình trọng trường EGM2008 bằng dữ liệu trọng lực thực tế tại khu vực Việt Nam.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TSKH Hà Minh Hòa
• Trường học: Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008

EGM2008 là mô hình trọng trường Trái đất toàn cầu được phát triển bởi NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) với độ phân giải 2.5 phút cung. Mô hình này sử dụng 4.78 triệu hệ số điều hòa cầu để biểu diễn trường trọng lực toàn cầu. Tại Việt Nam, việc ứng dụng EGM2008 gặp thách thức do mật độ dữ liệu trọng lực không đồng đều giữa các vùng. Khu vực đồng bằng và trung du có số liệu đo trọng lực chi tiết, trong khi vùng núi cao như Đông Bắc, Tây Bắc thiếu dữ liệu. Phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu dựa trên dữ liệu trọng lực chi tiết giúp cải thiện độ chính xác mô hình, đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng đo đạc địa hình và trắc địa vật lý.

1.1. Vai trò của mô hình EGM2008 trong nghiên cứu trọng lực

EGM2008 cung cấp cơ sở dữ liệu trọng trường toàn cầu chuẩn hóa, cho phép tính toán các dị thường trọng lực, độ cao geoid và các thông số trắc địa khác. Mô hình này được xây dựng từ sự kết hợp dữ liệu vệ tinh, đo đạc mặt đất và dữ liệu hải dương. Tại Việt Nam, EGM2008 được sử dụng rộng rãi trong khảo sát địa chất, xây dựng bản đồ trọng lực và nghiên cứu biến đổi mực nước biển. Tuy nhiên, độ chính xác của mô hình bị giới hạn bởi mật độ dữ liệu không đều, đặc biệt ở các vùng núi cao.

1.2. Tình hình nghiên cứu trọng lực tại Việt Nam

Công tác đo đạc trọng lực tại Việt Nam bắt đầu từ những năm 1960, tập trung chủ yếu ở các vùng đồng bằng. Dữ liệu trọng lực chi tiết hiện có khoảng 6.25 triệu điểm, nhưng phân bố không đều. Khu vực đồng bằng và trung du đã có đủ dữ liệu, trong khi vùng núi cao thiếu dữ liệu chi tiết. Dữ liệu trọng lực biển cũng hạn chế về độ chính xác và phân bố tuyến không đều. Nghiên cứu cải chính hệ số điều hòa cầu EGM2008 bằng dữ liệu trọng lực địa phương giúp nâng cao độ chính xác mô hình cho các ứng dụng thực tế.

II. Phân tích vấn đề hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008

Vấn đề hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008 xuất phát từ sự không đồng nhất dữ liệu trọng lực toàn cầu. Tại Việt Nam, mật độ dữ liệu trọng lực chi tiết thấp ở vùng núi cao dẫn đến sai số lớn trong tính toán dị thường trọng lực. Phương pháp tích phân Stokes và cầu phương số thường được sử dụng, nhưng độ chính xác phụ thuộc vào mật độ dữ liệu. Ngoài ra, việc xử lý dữ liệu trọng lực biển cũng gặp khó khăn do thiếu dữ liệu sát bờ biển. Các phương pháp truyền thống như nội suy phi tuyến dựa trên phân bố không gian có thể không đáp ứng đủ yêu cầu độ chính xác cao.

2.1. Hạn chế của dữ liệu trọng lực tại Việt Nam

Dữ liệu trọng lực tại Việt Nam phân bố không đều, với 6.25 triệu điểm đo nhưng tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng. Khu vực núi cao như Đông Bắc, Tây Bắc thiếu dữ liệu chi tiết, dẫn đến sai số lớn trong tính toán trọng trường. Dữ liệu trọng lực biển cũng hạn chế về độ chính xác (±4-8 mGal) và phân bố tuyến không đều. Sự thiếu hụt dữ liệu ở vùng núi cao ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mô hình EGM2008 khi áp dụng tại Việt Nam.

2.2. Sai số trong phương pháp truyền thống

Các phương pháp truyền thống như tích phân Stokes và cầu phương số phụ thuộc nhiều vào mật độ dữ liệu. Tại Việt Nam, sự thiếu hụt dữ liệu ở vùng núi cao dẫn đến sai số lớn trong tính toán dị thường trọng lực. Phương pháp nội suy phi tuyến dựa trên phân bố không gian có thể không đủ chính xác do sự biến đổi đột ngột của địa hình. Ngoài ra, việc xử lý dữ liệu trọng lực biển cũng gặp khó khăn do thiếu dữ liệu sát bờ biển, ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình.

III. Phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008

Phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008 dựa trên dữ liệu trọng lực chi tiết tại Việt Nam nhằm cải thiện độ chính xác mô hình. Phương pháp này sử dụng kết quả giải bài toán biên trong Trắc địa vật lý, tiếp cận theo phương pháp tích phân Stokes và cầu phương số. Ngoài ra, phương pháp chuyển về chuỗi Fourier cũng được áp dụng để xử lý dữ liệu trọng lực biển. Việc tính hàm liên hợp chuẩn Legendre và tích phân của nó đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác tính toán. Phương pháp nội suy phi tuyến dựa trên phân bố không gian giúp cải thiện độ chính xác ở các vùng thiếu dữ liệu.

3.1. Cơ sở khoa học của phương pháp hiệu chỉnh

Phương pháp hiệu chỉnh dựa trên lý thuyết giải bài toán biên trong Trắc địa vật lý, sử dụng dữ liệu trọng lực chi tiết tại Việt Nam. Phương pháp tích phân Stokes và cầu phương số được áp dụng để tính toán dị thường trọng lực. Phương pháp chuyển về chuỗi Fourier giúp xử lý dữ liệu trọng lực biển. Tính hàm liên hợp chuẩn Legendre và tích phân của nó đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác tính toán. Phương pháp nội suy phi tuyến dựa trên phân bố không gian giúp cải thiện độ chính xác ở các vùng thiếu dữ liệu.

3.2. Tổ chức tối ưu hóa thuật toán

Tổ chức tối ưu hóa thuật toán bao gồm việc lựa chọn phương pháp xử lý dữ liệu phù hợp với đặc điểm địa hình Việt Nam. Phương pháp tích phân Stokes được sử dụng cho dữ liệu trọng lực mặt đất, trong khi phương pháp cầu phương số phù hợp hơn cho dữ liệu trọng lực biển. Phương pháp nội suy phi tuyến dựa trên phân bố không gian giúp cải thiện độ chính xác ở các vùng thiếu dữ liệu. Việc tối ưu hóa thuật toán đảm bảo độ chính xác cao nhất cho mô hình EGM2008 khi áp dụng tại Việt Nam.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008 bằng dữ liệu trọng lực chi tiết tại Việt Nam mang lại hiệu quả rõ rệt. Độ chính xác của mô hình được cải thiện đáng kể, đặc biệt ở các vùng thiếu dữ liệu như núi cao. Phương pháp này có thể ứng dụng rộng rãi trong khảo sát địa chất, xây dựng bản đồ trọng lực và nghiên cứu biến đổi mực nước biển. Kết quả nghiên cứu đóng góp quan trọng vào việc nâng cao độ chính xác của mô hình trọng trường toàn cầu tại Việt Nam.

4.1. Kết quả nghiên cứu và đóng góp khoa học

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008 bằng dữ liệu trọng lực chi tiết tại Việt Nam đã cải thiện đáng kể độ chính xác mô hình. Độ chính xác của dị thường trọng lực được nâng cao, đặc biệt ở các vùng núi cao. Phương pháp này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho các nghiên cứu tiếp theo về trọng trường Trái đất tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đóng góp quan trọng vào lĩnh vực Trắc địa vật lý và đo đạc địa hình.

4.2. Hướng phát triển ứng dụng trong thực tiễn

Phương pháp hiệu chỉnh hệ số điều hòa cầu EGM2008 có thể ứng dụng rộng rãi trong khảo sát địa chất, xây dựng bản đồ trọng lực và nghiên cứu biến đổi mực nước biển. Tại Việt Nam, phương pháp này giúp nâng cao độ chính xác của các mô hình trọng trường địa phương. Việc ứng dụng phương pháp này trong thực tiễn sẽ góp phần cải thiện chất lượng dữ liệu trọng lực, phục vụ cho các ngành kinh tế quan trọng như dầu khí, xây dựng và quản lý tài nguyên.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình khoa học "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" được nghiên cứu sinh Nguyễn Tuấn Anh thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TSKH Hà Minh Hòa tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (trực thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường và Bộ Giáo dục và Đào tạo). Luận án được bảo vệ năm 2018, thuộc ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, mã số chuyên ngành 9.03.

Về tính cấp thiết, thế nhiễu trọng trường là tham số cơ bản đặc trưng cho trọng trường Trái đất, phục vụ đắc lực cho các bài toán của Trắc địa cao cấp và Địa vật lý. Việc mô hình hóa thế nhiễu dưới dạng các hệ số điều hòa cầu cho phép xác định chính xác các đại lượng vật lý như gia tốc lực trọng trường, độ cao geoid/quasigeoid, thế trọng trường và độ lệch dây dọi tại vị trí bất kỳ. Cùng với sự phát triển của công nghệ định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS), tọa độ và độ cao trắc địa có thể đạt độ chính xác cấp centimet trên diện rộng. Tuy nhiên, để xác định độ cao chuẩn từ độ cao trắc địa thay thế phương pháp đo thủy chuẩn hình học truyền thống, việc xây dựng một mô hình geoid/quasigeoid độ chính xác cao là điều kiện bắt buộc. Phương pháp nội suy mặt geoid đơn thuần từ các điểm GPS - Thủy chuẩn (GPS-TC) bộc lộ nhiều hạn chế trên địa hình chia cắt phức tạp và đòi hỏi kinh phí rất lớn để đạt mật độ cần thiết. Trong khi đó, việc kết hợp mô hình trọng trường toàn cầu ở bước sóng dài với dữ liệu trọng lực chi tiết mặt đất và mô hình số độ cao đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế vượt trội.

Cơ quan Tri thức Địa không gian Quốc gia Hoa Kỳ (NGA) đã phát triển mô hình trọng trường Trái đất EGM2008 với các hệ số điều hòa cầu khai triển lên đến bậc và mức 2190 (bậc cực đại 2159 đối với các tính toán điều hòa cầu chính thức). Tuy nhiên, trên lãnh thổ Việt Nam, dữ liệu trọng lực chi tiết chưa được cung cấp chính thức cho NGA, do đó khu vực Việt Nam bị xếp vào diện "Fill-in" (khu vực phải làm đầy bằng dữ liệu trọng lực vệ tinh đo trên đất liền có độ chính xác thấp hoặc các nguồn phi chính thức). Điều này khiến độ chính xác của EGM2008 tại Việt Nam không cao. Mặt khác, mạng lưới trọng lực cơ sở và chi tiết của Việt Nam đã và đang được đầu tư đo đạc đồng bộ. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là: cần một cơ sở khoa học và phương pháp tính toán chuẩn hóa để đưa các dữ liệu trọng lực chi tiết mặt đất hiện có tại Việt Nam vào cải chính trực tiếp các hệ số điều hòa cầu của mô hình EGM2008, thay vì chỉ hiệu chỉnh kết quả đầu ra là lưới độ cao geoid. Đề tài trực tiếp thực hiện nhiệm vụ khoa học kỹ thuật cơ bản được phê duyệt tại Quyết định số 33/2008/QĐ-TTg ngày 27/02/2008 của Thủ tướng Chính phủ về chiến lược phát triển ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm:

• Mục tiêu tổng quát: Cải chính các hệ số điều hòa cầu của mô hình trọng trường Trái đất bằng dữ liệu trọng lực ở Việt Nam nhằm nâng cao độ chính xác và tính phù hợp của mô hình trọng trường toàn cầu với trường trọng lực thực tế tại Việt Nam.
• Mục tiêu cụ thể:
  1. Thiết lập cơ sở khoa học và phương pháp luận cho việc tính toán, chuẩn hóa các loại dữ liệu trọng lực dùng trong quá trình xây dựng hoặc cải chính các hệ số điều hòa của mô hình trọng trường toàn cầu nói chung và EGM2008 nói riêng;
  2. Xây dựng thuật toán, modul chương trình theo phương pháp tối ưu phục vụ khai thác sử dụng các dữ liệu trọng lực của Việt Nam đã được chuẩn hóa đồng bộ cơ sở toán học để cải chính các hệ số điều hòa cầu của mô hình EGM2008;
  3. Chứng minh tính đúng đắn của cơ sở khoa học và phương pháp luận đã nghiên cứu thông qua thực nghiệm trên dữ liệu thực tế tại một khu vực cụ thể ở Việt Nam (khu vực miền Bắc), tạo tiền đề triển khai cho các vùng lãnh thổ khác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các phương pháp phân tích, sử dụng, tính toán và chuẩn hóa dữ liệu dị thường trọng lực Faye và mô hình địa hình phần dư (RTM); các thuật toán toán học và modul phần mềm phục vụ việc tính toán các số cải chính vào hệ số điều hòa cầu của mô hình EGM2008 từ dữ liệu trọng lực chi tiết.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phương pháp chuẩn hóa dữ liệu dị thường trọng lực chi tiết tại Việt Nam và quy trình cải chính hệ số điều hòa cầu của EGM2008; khu vực thực nghiệm số liệu được triển khai tại miền Bắc Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trọng lực và trường trọng trường Trái đất đã được khảo sát từ thời Galileo (1564 - 1642) và phát triển mạnh mẽ qua các mốc lịch sử như hệ thống trọng lực Hungary (trước năm 1906), hệ thống Potsdam (Cộng hòa Liên bang Đức, 1909), và hệ thống chuẩn trọng lực quốc tế IGSN71 do Hiệp hội Trắc địa Quốc tế (IAG) thành lập năm 1971 dựa trên bình sai 24.000 trị đo trọng lực tương đối, 1.200 trị đo con lắc và 10 điểm đo tuyệt đối với điểm gốc Sevr. Từ thập niên 1990, các thiết bị đo trọng lực tuyệt đối như FG5, A10 của Hoa Kỳ và GBL của Liên bang Nga ra đời, thúc đẩy mạng lưới các trạm cơ sở trọng lực tuyệt đối quốc tế (IAGBN). Các trung tâm dữ liệu toàn cầu lớn đã được xây dựng, tiêu biểu như ngân hàng dữ liệu GEODAS của Trung tâm Dữ liệu Địa vật lý Quốc gia Hoa Kỳ (NGDC) lưu giữ hơn 4,8 triệu điểm đo của 25 tổ chức, hay ngân hàng dữ liệu của NIMA gồm tệp "Gravimetry" (chứa 70.000 giá trị dị thường trung bình ô 30'x30' trên lục địa và 27.000 giá trị trên đại dương) và tệp "Altimetry" (hơn 157.000 giá trị trung bình từ dữ liệu vệ tinh GEOSAT và ERS-1).

Lý thuyết khai triển thế trọng trường thông qua chuỗi điều hòa cầu kết hợp dữ liệu trọng lực mặt đất và vệ tinh được nghiên cứu liên tục từ những năm 1960 (Kaula W. et al., 2008; Förste C. et al., 2009; Barthelmes F.). Để xây dựng mô hình EGM2008, NGA cùng các nhà khoa học (Pavlis N.K., Rapp R.H., Factor, Lemoine F.G., Forsberg R., Moritz H., Andersen O.B., Sandwell D.T.) đã tích hợp các mô hình số độ cao DTM2006.0, dữ liệu radar địa hình SRTM, mô hình trọng lực vệ tinh (GRACE, GOCE, CHAMP), và dị thường trọng lực đo cao vệ tinh từ Đan Mạch (DNSC07/DNSC08GRA) và Viện Hải dương học Scripps phối hợp với NOAA (SS v18.1). Đối với các bài toán cải chính hệ số điều hòa cầu từ dữ liệu trọng lực cục bộ, phương pháp cầu phương số của Colombo O. L. (1981) là phương pháp nền tảng được áp dụng phổ biến nhất.

Tại Việt Nam, công tác đo đạc trọng lực bắt đầu từ năm 1933 bởi nhà địa vật lý người Pháp Lerai với bản đồ dị thường trọng lực tỷ lệ 1:10.000.000 khu vực Đông Dương. Năm 1957, Liên Xô đo 1 điểm trọng lực tại sân bay Gia Lâm phục vụ phóng vệ tinh nhân tạo. Trong thập niên 1960, Tổng cục Địa chất và Khoáng sản đo trọng lực chi tiết ở miền Bắc; ở miền Nam giai đoạn 1960 - 1964, các chuyên gia Hoa Kỳ lập điểm gốc tại sân bay Tân Sơn Nhất (nối với Potsdam qua Tokyo và Singapore) và đo 18 điểm hạng I. Từ năm 1971, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước xây dựng mạng lưới trọng lực quốc gia qua các giai đoạn:

• Giai đoạn 1973 - 1978: Lập điểm gốc Láng (Hà Nội) đo nối với Potsdam qua điểm Liodovo (Moscow) bằng 5 máy con lắc OVM với sai số ±0,04 mGal, liên kết với hệ thống IGSN71; đo 25 điểm hạng I (sai số không thấp hơn ±0,05 mGal) và 148 điểm hạng II bằng máy GAG-2 (sai số không thấp hơn ±0,064 mGal).
• Giai đoạn 1978 - 1981: Xây dựng khoảng 500 điểm hạng III (mật độ 20 - 30 km/điểm) bằng máy GAG-2.
• Giai đoạn 1987 - 1989: Hiện đại hóa mạng lưới, xây dựng 4 điểm cơ sở (Láng, Đà Nẵng, Nha Trang, TP. Hồ Chí Minh) đo nối Liodovo bằng 4 máy con lắc AGAT (sai số ±0,03 mGal, cạnh cơ sở đạt ±0,019 - 0,021 mGal); bổ sung 10 điểm hạng I thành 35 điểm hạng I (sai số ±0,026 - 0,029 mGal).
• Giai đoạn 2003 - 2011: Ứng dụng công nghệ đo trọng lực tuyệt đối bằng máy GBL (Liên bang Nga), xây dựng hoàn chỉnh hệ trọng lực quốc gia gồm 11 điểm cơ sở (độ chính xác ±5 microGal), 31 điểm hạng I (độ chính xác ±10 - 14 microGal); 106 điểm vệ tinh đo bằng máy ZLS (Hoa Kỳ, sai số cạnh dưới ±0,03 mGal); lưới điểm tựa 548 điểm (sai số đo cạnh ±0,088 mGal, điểm yếu nhất 0,078 mGal); 2 đường đáy trọng lực Vĩnh Yên - Tam Đảo và TP. Hồ Chí Minh - Vũng Tàu gồm 15 điểm (sai số cạnh ≤ ±0,02 mGal). Tổng số dữ liệu trọng lực mặt đất đạt 67.790 điểm.

Về trọng lực biển, đã thu thập gần 37.000 điểm đo từ các tàu khảo sát của Pháp và Nga phục vụ dầu khí (sai số ±4 - 8 mGal) tại Vịnh Bắc Bộ và Đông Nam Bộ, cùng 180.000 km² đo theo tuyến địa vật lý ven bờ của Tổng cục Biển và Hải đảo (sai số ±1 mGal).

Vị trí của luận án: Trước đây tại Việt Nam, các công trình của Trung tâm Viễn thám Quốc gia phối hợp với Cục Đo đạc và Bản đồ Việt Nam, hoặc các nghiên cứu của GS.TSKH Phạm Hoàng Lân, GS.TS Đặng Nam Chinh, chủ yếu tiếp cận theo hướng sử dụng EGM2008 kết hợp số liệu GPS-TC để hiệu chỉnh mô hình số độ cao geoid/quasigeoid đầu ra (dạng mô hình Grid bề mặt). Mặt khác, phương pháp giải tích phân Stokes cổ điển đòi hỏi số liệu trọng lực phủ kín trong vùng bán kính hội tụ, điều này bất khả thi tại Việt Nam do thiếu số liệu đo đạc tại các quốc gia láng giềng (Lào, Campuchia) và các vùng tiếp giáp (Quảng Đông, Quảng Tây - Trung Quốc, Biển Đông). Luận án của Nguyễn Tuấn Anh giải quyết khoảng trống này bằng cách đi thẳng vào cơ chế giải tích bên trong: chuẩn hóa dữ liệu trọng lực mặt đất theo đúng quy chuẩn toán học của EGM2008 và áp dụng thuật toán cầu phương số Colombo O. L. để cải chính trực tiếp các hệ số điều hòa cầu của mô hình EGM2008.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết thế hấp dẫn và bài toán biên của Trắc địa vật lý Trái đất (Molodensky M.S., Moritz H., Simberov B., Stanislav Mares). Về mặt lý thuyết, việc triển khai trường thế trọng trường Trái đất theo chuỗi điều hòa cầu đòi hỏi không gian bên ngoài mặt biên không chứa các khối lượng vật chất hấp dẫn. Do đó, các khối lượng vật chất địa hình nằm giữa mặt vật lý Trái đất và mặt quy chiếu ellipsoid/geoid, cũng như khối lượng khí quyển quyển ngoài, phải được đưa vào bên trong thông qua các số cải chính trọng lực.

Thành phần thẳng đứng của lực hấp dẫn do khối lượng vật chất địa hình gây ra được xác định theo tích phân Newton: $$V_z = f \iiint \frac{z}{\rho^3} dm = f \sigma \iiint \frac{z}{\rho^3} d\tau$$ Trong đó $f$ (hay $G$) là hằng số hấp dẫn Newton, $\sigma$ là mật độ vật chất của vỏ Trái đất (thường lấy giá trị chuẩn $2{,}67\text{ g/cm}^3$, mật độ trung bình vỏ sụt lún là $2{,}76\text{ g/cm}^3$, mật độ nước biển $\sigma_w = 1{,}03\text{ g/cm}^3$), $\rho$ là bán kính vectơ từ điểm tính toán đến phần tử khối lượng $dm$, $z$ là khoảng cách theo phương thẳng đứng.

Từ mô hình sự hấp dẫn của lớp đơn giản phẳng đồng nhất mỏng vô hạn ($g = 2\pi f \sigma u$) và hình trụ địa hình có chiều cao $H$, luận án dẫn xuất công thức hấp dẫn của tấm Bouguer vô hạn: $$\Delta g_B = 2\pi f \sigma H$$

Dị thường trọng lực không khí tự do ($\Delta g_{FA}$) tại điểm $M$ được xác định theo: $$\Delta g_{FA} = g_M - \gamma_0 + \delta g_{FA} - \delta g_{kq}$$ Trong đó $g_M$ là giá trị trọng lực đo được, $\gamma_0$ là trọng lực chuẩn trên mặt ellipsoid quy chiếu (như GRS80, WGS84), $\delta g_{FA}$ là số cải chính không khí tự do theo độ cao chuẩn $H_M^\gamma$, và $\delta g_{kq}$ là số cải chính loại bỏ ảnh hưởng của khối lượng khí quyển theo quy định quốc tế.

Dị thường trọng lực Faye ($\Delta g_F$) thu được bằng cách cộng thêm số cải chính bề mặt đất $\delta g_{Faye}$ vào dị thường không khí tự do nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của địa hình lồi lõm xung quanh: $$\Delta g_F = \Delta g_{FA} + \delta g_{Faye}$$ Số cải chính địa hình phẳng được tính theo công thức tích phân mặt: $$\delta g_{Faye} = \frac{1}{2} G \sigma \iint_\Sigma \frac{(H - H_P)^2}{r^3} d\Sigma$$ Khi chia nhỏ miền tích phân thành các ô chuẩn hình vuông, số hiệu chỉnh Faye cho ô thứ $i$ được tính thông qua hiệu độ cao $(\bar{H}_i - H_P)$ và khoảng cách không gian.

Tuy nhiên, tại các vùng địa hình hiểm trở, số hiệu chỉnh Faye không bù trừ hoàn toàn được lượng vật chất lồi và lõm, làm cho dị thường Faye biến đổi không trơn (mất tính chất hàm điều hòa giải tích). Do đó, lý thuyết mô hình địa hình phần dư RTM (Residual Terrain Model - Forsberg R., 1984) được áp dụng. Phương pháp RTM chia tách địa hình thành mặt địa hình trung bình làm trơn (mặt quy chiếu) và phần dư địa hình giữa mặt địa hình thực với mặt địa hình làm trơn: $$\Delta g_{RTM} = \Delta g_{FA} + 2\pi G \sigma (H_P - H_{ref}) - \text{TC}{RTM}$$ Trong đó $H_P$ là độ cao mặt địa hình thực, $H{ref}$ là độ cao mặt địa hình tham chiếu làm trơn, và $\text{TC}_{RTM}$ là số hiệu chỉnh địa hình phần dư.

Hệ thống phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

• Phương pháp hồi cứu và phân tích: Khảo sát tài liệu trong nước và quốc tế về các mô hình geoid toàn cầu, CSDL trọng lực, các chuẩn dữ liệu DTM.
• Phương pháp toán học và quy trình hóa: Áp dụng phương pháp cầu phương số của Colombo O. L. để xử lý bài toán phân tích điều hòa (Analysis) và tổng hợp điều hòa (Synthesis); sử dụng thuật toán hệ thức truy hồi để tính toán hàm Legendre liên hợp chuẩn $P_{lm}(\cos\theta)$ cùng tích phân liên quan; áp dụng kỹ thuật "Loại bỏ và khôi phục" (Remove - Compute - Restore) kết hợp phương pháp bình phương tối thiểu (LSC) và nội suy phi tuyến dựa trên hàm bán phương sai (variogram) thực nghiệm.
• Phương pháp tin học và thực nghiệm: Lập trình modul phần mềm tối ưu hóa giải hệ phương trình tuyến tính có số lượng phương trình và ẩn số lên tới hàng triệu; chạy thực nghiệm tính toán trên tập dữ liệu đo đạc thực tế của 2.006 điểm trọng lực tại miền Bắc Việt Nam và kiểm tra độc lập tại 45 điểm trọng lực.

Nguồn tư liệu sử dụng gồm: CSDL trọng lực chi tiết tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ; tập hệ số điều hòa cầu EGM2008 của NGA; mô hình số độ cao toàn cầu SRTM độ phân giải 3"x3" (dữ liệu địa hình thực) và mô hình số độ cao DTM2006.0 độ phân giải 5'x5' (dữ liệu địa hình làm trơn quy chiếu).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG TÁC KHẢO SÁT, ĐO ĐẠC TRỌNG LỰC VÀ NGHIÊN CỨU CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC CHI TIẾT

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của công tác khảo sát trọng lực toàn cầu và tại Việt Nam, đồng thời chỉ ra hiện trạng dữ liệu và khoảng trống kỹ thuật trong việc xây dựng mô hình trọng trường Trái đất.

Trên quy mô quốc tế, NGA đã xây dựng mô hình EGM2008 từ nhiều nguồn dữ liệu hỗn hợp (đo cao vệ tinh, trọng lực mặt đất, trọng lực hàng không). Tuy nhiên, trên bản đồ phân bố nguồn dữ liệu của EGM2008, phần đất liền Việt Nam thuộc diện "Fill-in", tức là dữ liệu trọng lực chi tiết không được tham gia trực tiếp mà chủ yếu dùng số liệu trọng lực vệ tinh có độ chính xác thấp để làm đầy ô lưới.

Tại Việt Nam, qua các giai đoạn từ năm 1973 đến 2011, hệ thống trọng lực quốc gia đã đạt được những bước phát triển quan trọng về mật độ và độ chính xác:

Giai đoạn	Quy mô mạng lưới	Thiết bị đo đạc	Độ chính xác đạt được
1973 - 1978	Điểm gốc Láng, 25 điểm hạng I, 148 điểm hạng II	05 máy con lắc OVM, 06 máy GAG-2	Điểm gốc: $\pm0{,}04\text{ mGal}$; Hạng I: $\pm0{,}05\text{ mGal}$; Hạng II: $\pm0{,}064\text{ mGal}$
1978 - 1981	Khoảng 500 điểm hạng III (mật độ 20 - 30 km/điểm)	Máy đo trọng lực GAG-2	Đảm bảo tiêu chuẩn hạng III quốc gia
1987 - 1989	4 điểm cơ sở (Láng, Đà Nẵng, Nha Trang, TP.HCM), 35 điểm hạng I	04 máy con lắc AGAT, 10 máy GAG-2	Nối Liodovo: $\pm0{,}03\text{ mGal}$; Cạnh cơ sở: $\pm0{,}019 - 0{,}021\text{ mGal}$; Hạng I: $\pm0{,}026 - 0{,}029\text{ mGal}$
2003 - 2011	11 điểm cơ sở, 31 điểm hạng I, 106 điểm vệ tinh, 548 điểm tựa, 2 đường đáy	Máy tuyệt đối GBL (Nga), máy tương đối ZLS (Mỹ)	Điểm cơ sở: $\pm5\text{ }\mu\text{Gal}$; Hạng I: $\pm10 - 14\text{ }\mu\text{Gal}$; Vệ tinh: $<\pm0{,}03\text{ mGal}$; Điểm tựa: $\pm0{,}088\text{ mGal}$; Đường đáy: $\le\pm0{,}02\text{ mGal}$

Tổng số điểm trọng lực chi tiết trên đất liền ghi nhận là 67.790 điểm. Khi chia toàn bộ lãnh thổ đất liền Việt Nam (diện tích $331.211\text{ km}^2$) thành các ô chuẩn $3'\times3'$, tổng số có 12.991 ô. Trong đó:

• 6.740 ô chuẩn (khu vực đồng bằng và trung du) đã có số liệu đo đạc chi tiết tương đối đầy đủ.
• 6.251 ô chuẩn còn lại (diện tích $156.275\text{ km}^2$, chiếm gần một nửa diện tích, thuộc vùng rừng núi cao Đông Bắc, Tây Bắc và dọc dãy Trường Sơn) chưa có số liệu đo trọng lực chi tiết.

Đối với các nghiên cứu trong nước, hầu hết các tác giả trước đây chỉ dùng dữ liệu trọng lực và GPS-TC để nắn chỉnh mô hình Grid dị thường độ cao (kết quả đầu ra của EGM2008), chưa có nghiên cứu nào can thiệp cải chính trực tiếp các hệ số điều hòa cầu bên trong mô hình EGM2008. Tiếp cận tích phân Stokes cũng không khả thi do thiếu dữ liệu ở các vùng lân cận biên giới và biển. Do đó, việc xây dựng thuật toán phân tích điều hòa cầu từ dữ liệu trọng lực nội địa là hướng đi cấp thiết.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC FAYE VÀ RTM PHỤC VỤ XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUASIGEOID ĐỘ CHÍNH XÁC CAO TRÊN CƠ SỞ KẾ THỪA MÔ HÌNH EGM2008

Chương 2 tập trung phân tích bản chất toán - lý của các dạng dị thường trọng lực và giải pháp chuẩn hóa dữ liệu địa hình phục vụ việc mô hình hóa trường trọng trường.

Nội dung chương chứng minh rằng, tại các khu vực đồng bằng hoặc trung du (độ cao dưới 200 m, bán kính tích phân 50 km), dị thường trọng lực Faye phản ánh tương đối tốt trường thế sau khi đã loại bỏ ảnh hưởng khối lượng địa hình cục bộ bằng số hiệu chỉnh $\delta g_{Faye}$. Tuy nhiên, ở vùng địa hình đồi núi cao hiểm trở, phương pháp Faye bộc lộ khuyết tật hình học: mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đo không thể cân bằng giữa khối lượng lồi thừa và khối lượng lõm thiếu, làm cho trường dị thường Faye dao động mạnh, mất tính chất giải tích điều hòa.

Để giải quyết vấn đề này, luận án phân tích quy trình NGA đã áp dụng khi xây dựng EGM2008: sử dụng phương pháp mô hình địa hình phần dư RTM (Forsberg R., 1984). Trong đó:

• Mặt địa hình thực được trích xuất từ mô hình SRTM độ phân giải 30"x30" (thu thập trong 11 ngày tháng 2/2000 bởi tàu con thoi, bao phủ từ 60°B đến 56°N, chiếm 80% diện tích Trái đất, sai số tuyệt đối độ cao đạt từ $\pm6\text{ m}$ đến $\pm10\text{ m}$).
• Mặt địa hình trung bình làm trơn được xác định bởi mô hình DTM2006.0 ô lưới 5'x5' (tương ứng với bậc khai triển điều hòa cầu 2160).
• Dị thường RTM ($\Delta g_{RTM}$) triệt tiêu phần lớn ảnh hưởng bước sóng ngắn của địa hình thực so với mặt địa hình làm trơn, tạo ra trường dữ liệu biến thiên êm thuận, thích hợp tối ưu cho việc đưa vào thuật toán nội suy Collocation bình phương tối thiểu (LSC) theo nguyên lý "Remove - Compute - Restore".

Chương 2 cũng phân tích cấu trúc dữ liệu trọng lực biển dùng cho EGM2008 từ vệ tinh đo cao Altimetry, so sánh hai nguồn dữ liệu lớn: DNSC07 (Trung tâm Vũ trụ Quốc gia Đan Mạch, tính toán dựa trên độ cao mặt biển trung bình phần dư SSH) và SS v18.1 (Viện Scripps / NOAA, tính toán dựa trên vi phân chênh lệch SSH giữa các vệt đo lân cận). Phân tích chỉ ra rằng DNSC07 ít bị ảnh hưởng bởi sự thiếu hụt dữ liệu ven bờ hơn, trong khi SS v18.1 nhạy hơn với các tín hiệu tần số cao. Đây là cơ sở khoa học quan trọng để luận án lựa chọn việc kết hợp mô hình số địa hình SRTM 3"x3" và DTM2006.0 5'x5' làm cặp mặt địa hình chuẩn hóa trọng lực tại Việt Nam.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC CHI TIẾT CỤC BỘ

Chương 3 giải quyết trọng tâm lý thuyết và thuật toán tính toán của luận án: làm thế nào để từ dữ liệu dị thường trọng lực rời rạc, phân bố không đồng đều tại một khu vực cục bộ (Việt Nam) có thể xác định được các số cải chính vào tập hệ số điều hòa cầu của mô hình EGM2008 với số bậc lên tới 2190 (chứa hơn 2,1 triệu hệ số).

Luận án so sánh các phương pháp tiếp cận:

1. Tiếp cận theo tích phân Stokes: Đòi hỏi miền tích phân toàn cầu hoặc vùng lân cận rộng lớn, không khả thi trong điều kiện biên giới Việt Nam.
2. Tiếp cận theo phương pháp chuyển đổi chuỗi Fourier nhanh (FFT): Tốc độ tính toán nhanh trên mặt phẳng nhưng gặp sai số biến dạng hình học khi trải rộng theo vĩ độ và khó kiểm soát chặt chẽ sai số ở vùng biên cục bộ.
3. Tiếp cận theo phương pháp cầu phương số (Numerical Quadrature) của Colombo O. L. (1981): Cho phép liên kết trực tiếp giữa giá trị dị thường trọng lực trung bình ô chuẩn trên ellipsoid và các hệ số điều hòa cầu thông qua tích phân số trên mặt cầu.

Phương pháp Colombo O. L. được lựa chọn và phát triển. Biểu thức toán học xác định số hiệu chỉnh cho các hệ số điều hòa cầu $\Delta \bar{C}{nm}$ và $\Delta \bar{S}{nm}$ được xây dựng từ việc giải tích phân tích phân hàm Legendre liên hợp chuẩn: $$\left{ \begin{matrix} \Delta \bar{C}{nm} \ \Delta \bar{S}{nm} \end{matrix} \right} = \frac{1}{4\pi \gamma (n-1)} \iint_\sigma \Delta g(\theta, \lambda) \bar{P}_{nm}(\cos\theta) \left{ \begin{matrix} \cos m\lambda \ \sin m\lambda \end{matrix} \right} d\sigma$$

Khó khăn kỹ thuật then chốt được luận án phân tích và giải quyết gồm:

• Tính toán hàm Legendre liên hợp chuẩn $\bar{P}_{nm}(\cos\theta)$ bậc và mức rất cao (lên tới 2190): Nếu dùng công thức tính trực tiếp sẽ xảy ra hiện tượng tràn số bộ nhớ máy tính hoặc suy giảm độ chính xác nghiêm trọng. Tác giả đã thiết lập thuật toán sử dụng các hệ thức truy hồi ổn định (luân chuyển chỉ số bậc $n$ và mức $m$), kiểm soát sai số làm tròn trong các biến trung gian.
• Xử lý dữ liệu trọng lực rời rạc đưa về các ô chuẩn lưới đều 5'x5': Áp dụng phương pháp phân tích hàm bán phương sai thực nghiệm và lý thuyết (Variogram) để thực hiện phép nội suy phi tuyến không gian, áp dụng kỹ thuật "Loại bỏ và khôi phục" (Remove - Restore) loại trừ ảnh hưởng của địa hình RTM trước khi nội suy, sau đó khôi phục lại giá trị lưới đều.
• Tối ưu hóa thuật toán: Luận án tổ chức sắp xếp ma trận tính toán theo từng dải vĩ độ từ nhỏ đến lớn, tính một lần giá trị hàm Legendre cho mỗi dải vĩ độ rồi nhân chập với các tích phân kinh độ dọc theo dải, giảm thiểu tối đa các phép lặp dư thừa, giúp chương trình có thể giải được hệ phương trình hàng triệu ẩn số trên máy tính thông thường.

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC FAYE, RTM VÀ CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT EGM2008 BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM

Chương 4 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm tính toán trên số liệu thực tế tại khu vực miền Bắc Việt Nam (khu vực có địa hình chia cắt đa dạng, từ đồng bằng Bắc Bộ đến vùng núi cao Tây Bắc).

Quy trình thực nghiệm được triển khai theo các bước:

1. Chuẩn bị dữ liệu địa hình: Sử dụng mô hình số địa hình DTM2006.0 độ phân giải 5'x5' làm mặt địa hình quy chiếu làm trơn và mô hình DEM độ phân giải 3"x3" làm mặt địa hình thực.
2. Chuẩn hóa dữ liệu trọng lực: Tính toán giá trị dị thường trọng lực Faye và RTM cho 2.006 điểm trọng lực chi tiết trong khu vực thử nghiệm. Bảng kết quả tính toán chi tiết cho 40 điểm đặc trưng điển hình (Bảng 4.1 trong luận án) cho thấy dị thường RTM có độ êm thuận vượt trội so với dị thường Faye tại vùng núi cao.
3. Nội suy ô chuẩn 5'x5': Thiết lập hàm bán phương sai thực nghiệm và làm khớp với hàm bán phương sai lý thuyết (Bảng 4.2 và Hình 4.8), từ đó nội suy hiệu dị thường $\Delta g = g_{RTM} - g_{EGM}$ cho các ô lưới 5'x5' trong khu vực thực nghiệm.
4. Lập trình modul chương trình: Xây dựng modul tính toán tự động bằng ngôn ngữ lập trình khoa học, giao diện cho phép nhập tập hệ số EGM2008 gốc và tập số liệu lưới $\Delta g$, thực hiện thuật toán truy hồi Legendre và cầu phương số Colombo.
5. Cải chính hệ số điều hòa cầu: Tính ra các số hiệu chỉnh $\Delta \bar{C}{nm}, \Delta \bar{S}{nm}$ (Bảng 4.3) và cộng vào mô hình EGM2008 gốc để tạo ra tập hệ số điều hòa cầu mới đã được cải chính cho khu vực Việt Nam.
6. Đánh giá độ chính xác: So sánh dị thường trọng lực tính từ mô hình EGM2008 gốc và mô hình đã cải chính với giá trị thực đo. Kết quả kiểm nghiệm độc lập tại 45 điểm đo trọng lực chi tiết (Bảng 4.5, nằm ngoài tập 2.006 điểm dùng để tính toán cải chính) chứng minh mô hình sau cải chính có độ lệch chuẩn và sai số trung phương giảm rõ rệt, bám sát trường trọng lực thực tế tại miền Bắc Việt Nam so với mô hình EGM2008 nguyên bản.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận án được tác giả tổng hợp cụ thể:

1. Đưa ra phương pháp sử dụng mặt địa hình thực (mô hình số độ cao toàn cầu phân giải 3"x3") kết hợp mặt địa hình trung bình làm trơn (mô hình DTM2006.0 phân giải 5'x5') để chuẩn hóa dữ liệu trọng lực dạng Faye và RTM tại Việt Nam, thiết lập cơ sở toán học nhất quán với dữ liệu đầu vào của mô hình EGM2008 toàn cầu.
2. Lần đầu tiên tại Việt Nam, thực hiện nghiên cứu toàn diện và có hệ thống về bài toán tính toán các hệ số điều hòa cầu của mô hình trọng trường Trái đất, bao gồm đầy đủ hai chiều: phép tổng hợp điều hòa ("Synthesis") và phép phân tích điều hòa ("Analysis"), đồng thời giải quyết triệt để thuật toán tính toán hàm liên hợp chuẩn Legendre bậc cao theo phương pháp hệ thức truy hồi kết hợp tích phân dải vĩ độ.
3. Ứng dụng phương pháp cầu phương số Colombo O. L., xây dựng thành công thuật toán và modul chương trình tối ưu hóa tính toán, xử lý bài toán nghịch đảo có số lượng phương trình và ẩn số rất lớn (lên tới hàng triệu ẩn số). Kết quả tính toán trên số liệu thực tế đã cải chính thành công các hệ số điều hòa cầu của EGM2008, tạo ra mô hình trọng trường có độ chính xác cao hơn và phù hợp hơn với trường trọng trường thực tế trên lãnh thổ Việt Nam.

Kiến nghị và đề xuất: Luận án kiến nghị ngành Đo đạc và Bản đồ tiếp tục áp dụng quy trình chuẩn hóa dữ liệu địa hình và trọng lực RTM để hoàn thiện CSDL trọng lực quốc gia; mở rộng áp dụng modul chương trình tính toán cải chính hệ số điều hòa cầu cho các khu vực miền Trung, miền Nam và thềm lục địa khi các dữ liệu trọng lực chi tiết tiếp tục được đo bổ sung, hoàn thiện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Phạm vi thực nghiệm số liệu của luận án mới giới hạn tại khu vực miền Bắc Việt Nam với 2.006 điểm trọng lực chi tiết và 45 điểm kiểm tra độc lập.
• Hiện trạng dữ liệu trọng lực mặt đất của Việt Nam còn 6.251 ô chuẩn 3'x3' (tương ứng diện tích $156.275\text{ km}^2$) tại các vùng núi cao hiểm trở (Đông Bắc, Tây Bắc, dãy Trường Sơn) chưa có số liệu đo đạc chi tiết, gây ảnh hưởng đến mật độ phủ kín của lưới ô chuẩn nội suy.
• Dữ liệu trọng lực biển hiện có độ chính xác chưa đồng đều (từ $\pm1\text{ mGal}$ ven bờ đến $\pm4 - 8\text{ mGal}$ ngoài khơi) và chưa phủ kín toàn bộ vùng biển đặc quyền kinh tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Tích hợp thêm các dữ liệu đo đạc trọng lực chi tiết mới được hoàn thiện tại khu vực miền Trung, Tây Nguyên và miền Nam vào modul tính toán.
• Bổ sung các nguồn dữ liệu trọng lực hàng không và trọng lực biển đo đạc mới để mở rộng tính toán cải chính hệ số điều hòa cầu ra toàn bộ vùng lãnh thổ và vùng biển Việt Nam.
• Kết hợp mô hình hệ số điều hòa cầu đã cải chính với dữ liệu độ cao thủy chuẩn và GNSS nhằm xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia có độ chính xác centimet, phục vụ trực tiếp công tác hiện đại hóa hệ thống độ cao quốc gia.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu và hữu ích cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Trắc địa vật lý, Địa vật lý và Bản đồ học tại các viện nghiên cứu và trường đại học.
• Các kỹ sư, chuyên gia tại các cơ quan quản lý và doanh nghiệp đo đạc bản đồ thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Quốc phòng, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
• Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất bao gồm: thuật toán tính hệ thức truy hồi hàm Legendre liên hợp chuẩn bậc và mức cao (đến 2190); phương pháp chuẩn hóa dị thường trọng lực RTM bằng việc kết hợp hai mặt địa hình số; quy trình nội suy ô chuẩn 5'x5' theo phương pháp "Loại bỏ và khôi phục" (Remove - Restore); và giải pháp tổ chức giải thuật toán cầu phương số Colombo O. L. trên ma trận dữ liệu lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mô hình trọng trường toàn cầu EGM2008 lại cần phải cải chính khi sử dụng tại Việt Nam? Trong quá trình xây dựng EGM2008 của NGA, Việt Nam thuộc nhóm khu vực "Fill-in", do dữ liệu trọng lực chi tiết mặt đất không được cung cấp chính thức (vì lý do bảo mật dữ liệu quốc gia). NGA chủ yếu sử dụng dữ liệu trọng lực vệ tinh đo trên đất liền có độ chính xác thấp để làm đầy các ô trống, khiến cho EGM2008 tại khu vực Việt Nam có độ chính xác hạn chế và chưa phản ánh đúng đặc thù trường trọng trường thực tế.

2. Dị thường trọng lực RTM có ưu điểm gì vượt trội so với dị thường Faye ở khu vực đồi núi hiểm trở? Dị thường Faye sử dụng số hiệu chỉnh địa hình giả định mặt phẳng ngang đi qua điểm đo, dẫn đến tình trạng mất cân đối giữa phần thể tích lồi và phần thể tích lõm ở địa hình núi cao vực sâu, làm cho dị thường biến thiên gồ ghề (không trơn), vi phạm tính chất giải tích của hàm điều hòa. Dị thường RTM khắc phục điều này bằng cách lấy hiệu giữa mặt địa hình thực (SRTM 3"x3") với mặt địa hình làm trơn (DTM2006.0 5'x5'), triệt tiêu phần lớn dao động bước sóng ngắn của địa hình, giúp trường trọng lực trơn tru và thỏa mãn điều kiện toán học khi đưa vào mô hình hóa.

3. Vì sao luận án không lựa chọn phương pháp tích phân Stokes truyền thống để tính toán mô hình Geoid/Quasigeoid? Phương pháp tích phân Stokes yêu cầu dữ liệu trọng lực phải phủ kín liên tục trong một bán kính xung quanh điểm tính toán. Với hình thể lãnh thổ Việt Nam dài và hẹp, việc không có dữ liệu trọng lực chi tiết của các quốc gia láng giềng (Lào, Campuchia), khu vực Biển Đông và các tỉnh tiếp giáp của Trung Quốc (Quảng Đông, Quảng Tây) khiến phương pháp tích phân Stokes không thể thỏa mãn các điều kiện biên để đạt độ chính xác cao.

4. Tập dữ liệu thực nghiệm được sử dụng trong Chương 4 của luận án có quy mô như thế nào? Thực nghiệm được triển khai tại miền Bắc Việt Nam với 2.006 điểm đo trọng lực chi tiết được chuẩn hóa sang dị thường Faye và RTM; dữ liệu địa hình gồm mô hình DTM2006.0 5'x5' (làm mặt quy chiếu) và DEM 3"x3" (làm mặt thực); kiểm tra và đánh giá độc lập mô hình sau khi cải chính được thực hiện tại 45 điểm trọng lực chi tiết độc lập.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Tuấn Anh đã giải quyết một bài toán phức tạp của Trắc địa vật lý: chuẩn hóa dữ liệu trọng lực quốc gia và cải chính trực tiếp các hệ số điều hòa cầu của mô hình EGM2008 tại khu vực "Fill-in" Việt Nam. Thông qua việc làm chủ phương pháp mô hình địa hình phần dư RTM, thuật toán cầu phương số Colombo O. L. và kỹ thuật tính toán hệ thức truy hồi hàm Legendre bậc cao, tác giả đã xây dựng thành công modul phần mềm chuyên dụng và chứng minh tính đúng đắn trên tập dữ liệu thực tế tại miền Bắc. Kết quả nghiên cứu không chỉ nâng cao độ chính xác của mô hình trọng trường Trái đất trên lãnh thổ Việt Nam mà còn đặt nền tảng khoa học vững chắc cho việc xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao bằng công nghệ GNSS kết hợp trọng lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan công tác trọng lực trên thế giới và ở việt nam, tình hình nghiên cứu cải chính các hệ số điều hòa cầu của mô hình trọng trường trái đất bằng dữ liệu trọng lực chi tiết; Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp tính dị thường trọng lực Faye và RTM phục vụ xây dựng mô hình quasigeoid độ chính xác cao trên cơ sở kế thừa mô hình EGM2008; Chương 3: Nghiên cứu cải chính các hệ số điều hòa cầu của mô hình trọng trường trái đất EGM2008 bằng dữ liệu dị thường trọng lực chi tiết cục bộ đã được nghiên cứu chuẩn hóa dạng Faye và RTM; Chương 4: Thực nghiệm tính toán giá trị dị thường trọng lực Faye và RTM, cải chính các hệ số điều hòa cầu của mô hình trọng trường Trái đất EGM2008 bằng dữ liệu trọng lực ở Việt Nam. 10 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG TÁC KHẢO SÁT, ĐO ĐẠC TRỌNG LỰC VÀ NGHIÊN CỨU CẢI CHÍNH CÁC HỆ SỐ ĐIỀU HÒA CẦU CỦA MÔ HÌNH TRỌNG TRƢỜNG TRÁI ĐẤT BẰNG DỮ LIỆU TRỌNG LỰC CHI TIẾT 1. Công tác khảo sát, đo đạc trọng lực trên thế giới Tầm quan trọng của trọng lực trong Trắc địa từ lâu đã được công nhận. Bắt đầu với các thí nghiệm và lý thuyết trọng lực của Galileo (1564 - 1642).

Vào cuối thế kỷ 16, lực hấp dẫn và các biến thiên của nó ở phạm vi toàn cầu tiếp tục đóng vai trò ngày càng quan trọng đối với những nhà khảo sát Trái đất. Những lợi ích của Trắc địa vật lý cũng mở rộng ra các lĩnh vực khác như đẳng tĩnh học, địa chấn học, khí tượng học, hải dương học, khí hậu và những lĩnh vực khoa học khác để theo dõi sự biến đổi của hành tinh chúng ta. Trước năm 1906, hệ thống trọng lực quốc tế là hệ thống Hungary với sai số của điểm gốc khoảng. Hệ thống này được thay thế bởi hệ thống Potsdam (CHLB Đức) vào năm 1909.

Đến cuối thập kỷ 70 của thế kỷ XX, độ chính xác đo trọng lực tương đối cao hơn độ chính xác đo trọng lực tuyệt đối (Gusev, N. Vào năm 1965, nhóm làm việc của IAG đã phân tích và tính toán bình sai 24000 trị đo trọng lực tương đối, 1200 trị đo bằng các máy con lắc và 10 điểm đo trọng lực tuyệt đối. Kết quả đã dẫn đến việc thành lập Mạng lưới tiêu chuẩn Trọng lực quốc tế IGSN71 với điểm gốc là điểm Sevr. Từ thập kỷ 90 của thế kỷ XX với việc phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo máy trọng lực tuyệt đối như FG5, A10 của Mỹ, GBL của Liên 11 Bang Nga, nên hiện nay các quốc gia đo trọng lực bằng các máy đo trọng lực tuyệt đối.

Ở Châu Âu hiện nay đã hình thành hệ thống mạng lưới các trạm cơ sở trọng lực tuyệt đối quốc tế (IAGBN) với sự tham gia của nhiều nước (Wilimes, H. Theo (Nguyễn Tuấn Anh (2014)), dữ liệu trọng lực do tổ chức NGA thu thập ở các nguồn khác nhau để xây dựng mô hình hệ số điều hòa cầu EGM2008 như hình 1. Trong đó ở khu vực biển và ven biển từ vĩ độ -70o đến +60o sử dụng dữ liệu đo cao vệ tinh. Khu vực Bắc Mỹ, Australia, Tây Âu, Mông Cổ, Nhật Bản , Châu âu, và 1 phần Trung Quốc và Nam Mỹ, Nam Phi là các khu vực có dữ liệu được cung cấp chính thức từ các dự án trọng lực mặt đất.