Nghiên Cứu Phương Pháp Xây Dựng Và Phát Triển Hệ Quy Chiếu Tọa Độ Không Gian Quốc Gia

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia, ứng dụng trong đo đạc bản đồ và quản lý địa chính.

• Tác giả: Lương Thanh Thạch
• 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: Phương Pháp Xây Dựng Và Phát Triển Hệ Quy Chiếu Tọa Độ Không Gian Quốc Gia
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA
• 1.1. Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc tế và hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 1.2. Vai trò của Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 1.3. Thống nhất Hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và Hệ độ cao quốc gia
• 1.4. Nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất
• 1.5. Quản lý sử dụng hạ tầng cơ sở dữ liệu trắc địa quốc gia
• 1.6. Liên kết với ITRF
• 1.7. Bình sai ghép nối để nâng cao độ chính xác của các điểm song trùng
• 1.8. Tạo tiền đề cho việc xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao trên cơ sở sử dụng các dữ liệu GNSS/thủy chuẩn
• 1.9. Tình hình nghiên cứu, xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia trên thế giới
• 1.9.1. Liên bang Nga
• 1.9.2. Vương quốc Anh
• 1.9.3. Papua New Guinea
• 1.10. Tình hình nghiên cứu, xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia ở Việt Nam
• 1.11. Một số vấn đề khoa học kỹ thuật cần tiếp tục giải quyết
• 1.12. Đánh kết quả xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia ở Việt Nam
• 1.13. Nghiên cứu cơ sở khoa học của phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 1.14. Nghiên cứu phương pháp phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia khi xuất hiện các điểm cơ sở không gian quốc gia mới
• 1.15. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ MỘT SỐ TIÊU CHÍ XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA
• 2.1. Hiện trạng các hệ quy chiếu tọa độ mặt bằng, độ cao và trọng lực quốc gia ở Việt Nam
• 2.1.1. Hiện trạng hệ quy chiếu tọa độ mặt bằng quốc gia
• 2.1.2. Hiện trạng hệ quy chiếu độ cao quốc gia
• 2.1.3. Hiện trạng hệ quy chiếu trọng lực quốc gia
• 2.2. Đánh giá một số mô hình geoid ở Việt Nam
• 2.3. Các mạng lưới GNSS phục vụ xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia ở Việt Nam
• 2.3.1. Mạng lưới GNSS CORS quốc gia
• 2.3.2. Mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm
• 2.4. Cơ sở khoa học và một số tiêu chí của việc xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 2.4.1. Một số thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới
• 2.4.2. Xác định một số tiêu chí xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 2.4.3. Cơ sở khoa học của việc xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 2.5. Phương hướng xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia ở Việt Nam
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ DỮ LIỆU TRONG XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA
• 3.1. Lý thuyết về bình sai khối
• 3.2. Bình sai gộp chung hai mạng lưới
• 3.3. Bình sai riêng rẽ từng mạng lưới và ghép nối
• 3.4. Triển khai thực tế mô hình toán học của bài toán bình sai ghép nối
• 3.5. Nghiên cứu phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 3.6. Bình sai riêng rẽ mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm trong ITRF tương ứng với ellipsoid quy chiếu quốc tế
• 3.7. Bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 3.8. Phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 3.9. Phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia trong trường hợp bổ sung các điểm cơ sở trắc địa mới
• 3.10. Các biện pháp nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 3.11. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Khái quát chung về số liệu thực nghiệm
• 4.2. Mô hình quasigeoid
• 4.3. Mạng lưới cơ sở của các điểm địa động lực Miền Bắc
• 4.4. Thực nghiệm đánh giá một số mô hình quasigeoid quốc gia ở Việt Nam
• 4.5. Thực nghiệm đánh giá mô hình quasigeoid hỗn hợp VIGAC2014
• 4.6. Thực nghiệm đánh giá mô hình quasigeoid quốc gia khởi đầu VIGAC2017
• 4.7. Thực nghiệm bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 4.8. Thực nghiệm phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia trong trường hợp bổ sung các điểm cơ sở trắc địa mới
• 4.9. Bình sai tổng thể mạng lưới
• 4.10. Bình sai một phần của mạng lưới
• 4.11. Bình sai bổ sung trị đo làm thay đổi ẩn số
• 4.12. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• 1. Đánh giá kết quả xây dựng mô hình quasigeoid
• 2. Một số kết quả tính toán thực nghiệm việc bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia
• 3. Một số kết quả tính toán thực nghiệm việc phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia khi bổ sung điểm cơ sở trắc địa không gian quốc gia mới
• 4. Mã code một số Module tính toán bằng ngôn ngữ lập trình

Tóm tắt

I. Phương pháp xây dựng

Phương pháp xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia (HQCTĐKGQG) là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Luận án tập trung vào việc nghiên cứu các phương pháp khoa học để xây dựng hệ thống này, bao gồm việc sử dụng công nghệ GNSS, mô hình trọng trường Trái Đất (EGM), và các mô hình địa hình động lực trung bình (MDT). Phương pháp xây dựng này nhằm đảm bảo tính chính xác cao trong việc xác định vị trí các đối tượng trên bề mặt Trái Đất và dưới đáy biển. Một trong những yếu tố then chốt là xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao, giúp thống nhất hệ tọa độ mặt bằng và hệ độ cao quốc gia.

1.1. Cơ sở khoa học

Cơ sở khoa học của phương pháp xây dựng HQCTĐKGQG dựa trên các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến, bao gồm việc sử dụng các mô hình trọng trường toàn cầu (EGM) và các mạng lưới GNSS. Luận án đã phân tích hiện trạng các hệ quy chiếu tọa độ mặt bằng, độ cao và trọng lực quốc gia ở Việt Nam, từ đó đề xuất các tiêu chí xây dựng hệ thống này. Các mạng lưới GNSS, bao gồm mạng lưới CORS quốc gia và mạng lưới phủ trùm, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của hệ quy chiếu.

1.2. Thực nghiệm và đánh giá

Luận án đã tiến hành các thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của các mô hình quasigeoid quốc gia, bao gồm mô hình VIGAC2014 và VIGAC2017. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc xác định độ cao trắc địa quốc gia. Các phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS cũng được nghiên cứu và áp dụng để nâng cao hiệu quả của hệ quy chiếu.

II. Phát triển hệ quy chiếu

Phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia là một quá trình liên tục, đòi hỏi sự cập nhật và cải tiến theo thời gian. Luận án đã đề xuất các phương pháp phát triển hệ quy chiếu khi xuất hiện các điểm cơ sở không gian quốc gia mới. Việc phát triển này bao gồm cả việc bổ sung các điểm cơ sở trắc địa mới và nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng hệ quy chiếu. Phát triển hệ quy chiếu cũng liên quan đến việc liên kết với ITRF (Khung tham chiếu Trái Đất quốc tế) để đảm bảo tính nhất quán và độ chính xác cao.

2.1. Bổ sung điểm cơ sở

Khi bổ sung các điểm cơ sở trắc địa mới, luận án đã nghiên cứu các phương pháp bình sai tổng thể và bình sai một phần để đảm bảo tính chính xác của hệ quy chiếu. Các thực nghiệm đã được tiến hành để đánh giá hiệu quả của các phương pháp này, cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc xác định tọa độ các điểm mới.

2.2. Liên kết với ITRF

Việc liên kết với ITRF là một yếu tố quan trọng trong phát triển hệ quy chiếu. Luận án đã nghiên cứu các phương pháp chuyển đổi tọa độ từ ITRF về hệ quy chiếu quốc gia, sử dụng các tham số chuyển đổi theo mô hình Bursa-Wolf. Điều này giúp đảm bảo tính nhất quán và độ chính xác cao trong việc xác định vị trí các đối tượng.

III. Ứng dụng thực tiễn

Luận án tiến sĩ này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG giúp nâng cao độ chính xác trong các hoạt động đo đạc và bản đồ, đồng thời tạo cơ sở cho việc ứng dụng công nghệ GNSS trong các lĩnh vực khác nhau. Ứng dụng thực tiễn của luận án bao gồm việc hỗ trợ quản lý đất đai, quy hoạch đô thị, và giám sát môi trường. Các kết quả nghiên cứu cũng có thể được áp dụng trong các dự án quốc tế, góp phần nâng cao vị thế của Việt Nam trong lĩnh vực trắc địa và bản đồ.

3.1. Quản lý đất đai

HQCTĐKGQG giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định ranh giới đất đai, hỗ trợ công tác quản lý đất đai và giải quyết các tranh chấp liên quan. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được áp dụng trong các dự án quản lý đất đai tại Việt Nam, mang lại hiệu quả cao.

3.2. Quy hoạch đô thị

Việc sử dụng HQCTĐKGQG trong quy hoạch đô thị giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc thiết kế và xây dựng các công trình đô thị. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được áp dụng trong các dự án quy hoạch đô thị tại các thành phố lớn, góp phần phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu phương pháp xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia" được NCS Lương Thanh Thạch thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TSKH Hà Minh Hòa tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (Bộ Tài nguyên và Môi trường), bảo vệ năm 2018 thuộc ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (mã số: 9.03).

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia (HQCTĐKGQG) được sử dụng để xác định vị trí của các đối tượng nằm trên bề mặt vật lý Trái Đất và địa hình đáy biển. Về mặt toán học, tồn tại mối quan hệ chặt chẽ giữa tọa độ không gian ba chiều $(X, Y, Z)$ và tọa độ trắc địa $(B, L, H)$. Trong đó, độ cao trắc địa $H$ liên hệ với độ cao chuẩn quốc gia $H_\gamma$ và dị thường độ cao $\zeta$ qua biểu thức $H = H_\gamma + \zeta$. Tại Việt Nam, Hệ quy chiếu và Hệ thống điểm tọa độ quốc gia VN2000 được ban hành năm 2000 cùng Hệ độ cao Hải Phòng 1972 (HP72) đóng vai trò nền tảng nhưng bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật:

• Mô hình geoid địa phương VNGeo-96R xây dựng trên nền EGM96 làm khớp bằng 367 điểm GPS/thủy chuẩn chỉ đạt độ chính xác dị thường độ cao khoảng $\pm 1,4\text{ m}$.
• Mạng lưới GPS cấp 0 gồm 69 điểm có thời gian đo ngắn (khoảng 7 giờ), xử lý bằng phần mềm thương mại (GPSurvey, TRIM NET+), chưa đạt độ chính xác tương đối $10^{-9}$ theo quy định quốc tế.
• Bảy tham số chuyển đổi tọa độ công bố theo Quyết định số 05/2007/QĐ-BTNMT chưa bảo đảm độ chính xác cao khi chuyển đổi tọa độ từ Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế (ITRF) về VN2000.
• Bản chất VN2000 là hệ tọa độ hai chiều (2D tĩnh), tách rời giữa hệ tọa độ mặt bằng và hệ độ cao, gây trở ngại khi ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh GNSS hiện đại.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng, phát triển Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia.
2. Mục tiêu cụ thể:
   • Đánh giá độ chính xác một số mô hình quasigeoid quốc gia được xây dựng ở Việt Nam nhằm lựa chọn mô hình phù hợp phục vụ xây dựng HQCTĐKGQG.
   • Nghiên cứu phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG và phương pháp phát triển HQCTĐKGQG khi xuất hiện các điểm cơ sở không gian quốc gia mới theo quan điểm hiện đại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các vấn đề khoa học - kỹ thuật liên quan đến quy trình xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong khuôn khổ phương pháp toán học xử lý dữ liệu trắc địa, đánh giá mô hình quasigeoid cục bộ tại Việt Nam, thuật toán bình sai ghép nối và thuật toán bình sai truy hồi cập nhật trị đo mạng lưới không gian.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật kinh nghiệm xây dựng hệ quy chiếu không gian tại nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ:

• Hoa Kỳ: Cơ quan Trắc địa Quốc gia (NGS) phát triển Hệ thống quy chiếu không gian quốc gia (NSRS) dựa trên ITRF2000, mạng lưới trạm tham chiếu hoạt động liên tục (CORS), mạng lưới khống chế liên bang (FBN), mạng lưới phối hợp (CBN) và mô hình geoid trọng lực USGG2012 (chuẩn bị cho USGG2022 đạt độ chính xác $\pm 1\text{ - }2\text{ cm}$).
• Liên bang Nga: Hệ thống PZ-90 (PZ-90.11) và Mạng lưới trắc địa vệ tinh quốc gia (NSGN) gồm 3 cấp: mạng lưới thiên văn - trắc địa truyền thống (FAGN), mạng lưới trắc địa chính xác (PGN) và mạng lưới trắc địa vệ tinh hạng 1 (SGN-1), cho phép xác định tọa độ với độ chính xác $1\text{ - }5\text{ cm}$.
• Canada: Chuyển đổi từ CGVD28 sang Hệ quy chiếu độ cao trắc địa CGVD2013 dựa trên mô hình geoid trọng lực CGG2013 ($\pm 3\text{ cm}$), duy trì Hệ thống quy chiếu không gian CSRS qua mạng lưới CACS (250 trạm) và mạng lưới cơ sở CBN.
• Châu Âu và Vương quốc Anh: Khung tham chiếu ETRS89 dựa trên ellipsoid GRS80, mô hình EGG97 ($\pm 3\text{ - }5\text{ cm}$) và mạng lưới thường trực EPN (218 trạm); Vương quốc Anh thiết lập OS Net liên kết ETRS89 qua mô hình OSGM02 ($\pm 2\text{ cm}$) và OSGM15 ($\pm 1\text{ - }3\text{ cm}$).
• Australia: Chuyển đổi từ GDA94 sang GDA2020 gắn với khung ATRF, dựa trên mô hình AUSGeoid09 ($\pm 3\text{ cm}$) và AUSGeoid2020.
• Các quốc gia khác: Papua New Guinea (PND94), Colombia (MAGNA-SIRGAS, mô hình GEOCOL2001), New Zealand (NZGD2000, mô hình NZGeoid2016), CHLB Đức (ETRS89/DREF91/2016, mô hình GCG2016 đạt sai số nhỏ hơn $\pm 1\text{ cm}$), Nhật Bản (JGD2000, JGD2011), Hàn Quốc (KGD2000), Malaysia (GDM2000).

Quốc gia / Khu vực	Hệ quy chiếu tọa độ không gian	Mô hình geoid / quasigeoid	Độ chính xác mô hình
Hoa Kỳ	NAD83 / NSRS (dự kiến)	USGG2012 / USGG2022	$\pm 3\text{ - }4\text{ cm}$ / $\pm 1\text{ - }2\text{ cm}$
Canada	CSRS	CGG2013	$\pm 3\text{ cm}$
Châu Âu	ETRS89	EGG97	$\pm 3\text{ - }5\text{ cm}$
Vương quốc Anh	ETRS89 / OSTN02 (OSTN15)	OSGM02 / OSGM15	$\pm 2\text{ - }4\text{ cm}$ / $\pm 1\text{ - }3\text{ cm}$
Australia	GDA94 / GDA2020	AUSGeoid09 / AUSGeoid2020	$\pm 3\text{ cm}$
New Zealand	NZGD2000	NZGeoid2016	$\pm 3\text{ cm}$
CHLB Đức	ETRS89 / DREF91/2016	GCG2016	$\le \pm 1\text{ cm}$

Tại Việt Nam, các nghiên cứu nền tảng được điểm lại gồm:

• Chiến lược phát triển ngành Đo đạc và Bản đồ đến năm 2015, tầm nhìn 2020 theo Quyết định số 33/2008/QĐ-TTg ngày 27/02/2008.
• Các mô hình geoid/quasigeoid đã thử nghiệm: Geoid2010 của Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam (độ chính xác trung bình $\pm 8,2\text{ cm}$ trên 240 điểm GPS/thủy chuẩn); GeoidQS của Cục Bản đồ/Bộ Tổng tham mưu (sai số trung phương sau làm khớp $\pm 12,4\text{ cm}$); VIGAC2017 của Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (độ chính xác $\pm 6,3\text{ cm}$).
• Các công trình xử lý toán học mạng lưới: Bộ phần mềm ECME-GPS (Hà Minh Hòa, Nguyễn Ngọc Lâu và nnk, 2004); phần mềm GNSS Net A&C (Hà Minh Hòa, Đặng Hùng Võ và nnk, 2005b); xác định thế trọng trường $W_0$ của mặt quasigeoid cục bộ Hòn Dấu (Hà Minh Hòa, 2012a); phần mềm VNAOLG-VIGAC bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II (Hà Minh Hòa, 2015c); phương pháp bình sai ổn định mạng lưới độ cao (Nguyễn Thị Thanh Hương, 2016); nghiên cứu mạng lưới trạm CORS và chuyển dịch vỏ Trái Đất (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014); quản lý cơ sở dữ liệu trắc địa (Bùi Đăng Quang, 2012).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Thiết lập cơ sở khoa học và tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng HQCTĐKGQG; giải quyết bài toán bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ tọa độ không gian ba chiều liên kết với ITRF qua 7 tham số Bursa - Wolf; xây dựng thuật toán bình sai truy hồi có biến đổi xoay để mở rộng, cập nhật điểm cơ sở mới mà không cần bình sai lại toàn bộ mạng lưới gốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học:

• Hệ quy chiếu không gian địa tâm quốc tế (ITRS/ITRF) và mối liên kết với hệ quy chiếu quốc gia thông qua mô hình chuyển đổi 7 tham số Bursa - Wolf: $$\begin{bmatrix} X \ Y \ Z \end{bmatrix}{VN2000-3D} = \begin{bmatrix} dX_0 \ dY_0 \ dZ_0 \end{bmatrix} + (1 + m) \begin{bmatrix} 1 & \epsilon_Z & -\epsilon_Y \ -\epsilon_Z & 1 & \epsilon_X \ \epsilon_Y & -\epsilon_X & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} X \ Y \ Z \end{bmatrix}{ITRF}$$ Trong đó $dX_0, dY_0, dZ_0$ là các tham số dịch chuyển gốc tọa độ; $\epsilon_X, \epsilon_Y, \epsilon_Z$ là các góc xoay trục; $m$ là hệ số tỷ lệ chiều dài.
• Lý thuyết quasigeoid của M.S. Molodensky và nguyên lý xác định độ cao trắc địa $H = H_\gamma + \zeta$.
• Lý thuyết bình sai khối: Phân tích so sánh giữa phương án bình sai gộp chung hai mạng lưới và phương án bình sai riêng rẽ từng mạng lưới kết hợp bình sai ghép nối.
• Thuật toán bình sai truy hồi kết hợp phép biến đổi xoay (Givens rotation) trên nền tảng ma trận hiệp phương sai được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu (CSDL) trắc địa phân cấp.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp hồi cứu và phân tích: Khảo cứu tài liệu quốc tế và quy định hiện hành; phân tích 3 tiêu chí kỹ thuật chọn điểm GNSS quốc gia phủ trùm (thu nhận $\ge 5$ vệ tinh GNSS; nền địa chất ổn định; thuận tiện tiếp cận), khoảng cách trung bình $20\text{ - }100\text{ km/điểm}$.
• Phương pháp toán học và xử lý số liệu: Thiết lập phương trình số hiệu chỉnh, giải hệ phương trình chuẩn xác định vector tham số và ma trận hiệp phương sai; đánh giá thống kê sai số ngẫu nhiên, sai số hệ thống của mô hình quasigeoid.
• Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng các module chương trình tính toán và tích hợp xử lý số liệu thực nghiệm.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm:

• Mô hình quasigeoid VIGAC2014 và VIGAC2017 do Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ cung cấp.
• Số liệu đo GPS và độ cao chuẩn HP72 của 75 điểm độ cao hạng II và 25 điểm độ cao hạng I Nhà nước.
• Dữ liệu đo đạc Mạng lưới cơ sở các điểm địa động lực Miền Bắc (gồm 5 điểm song trùng và các vector baseline liên kết).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan tình hình xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia

Chương 1 hệ thống hóa khái niệm về hệ quy chiếu không gian, phân biệt giữa hệ thống quy chiếu (reference system), khung quy chiếu (reference frame) và hệ quy chiếu tọa độ (coordinate reference system) theo định nghĩa của IERS và tiêu chuẩn ISO 19111. Chương này phân tích 5 vai trò then chốt của HQCTĐKGQG:

1. Thống nhất Hệ tọa độ mặt bằng quốc gia (VN2000) và Hệ độ cao quốc gia (HP72) thành một hệ thống 3D thống nhất trên cơ sở mô hình quasigeoid độ chính xác cao.
2. Cung cấp hạ tầng phục vụ nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất và địa động lực học.
3. Làm nền tảng quản lý, vận hành hạ tầng CSDL trong Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia.
4. Bảo đảm mối liên kết toán học chặt chẽ với khung quy chiếu toàn cầu ITRF qua 7 tham số Bursa - Wolf.
5. Nâng cao độ chính xác tọa độ mặt bằng và độ cao của các điểm song trùng thông qua bài toán bình sai ghép nối.

Phần tổng quan phân tích chi tiết kinh nghiệm chuyển đổi hệ quy chiếu của Hoa Kỳ, Nga, Canada, Châu Âu, Anh, Australia, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia và Colombia. Đánh giá thực trạng tại Việt Nam cho thấy hệ VN2000 tồn tại khiếm khuyết về độ chính xác mô hình geoid VNGeo-96R ($\pm 1,4\text{ m}$), lưới GPS cấp 0 chưa đạt yêu cầu $10^{-9}$ và 7 tham số chuyển đổi năm 2007 chưa đáp ứng yêu cầu định vị không gian độ chính xác cao.

Chương 2. Cơ sở khoa học và một số tiêu chí xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia

Chương 2 phân tích hiện trạng 3 hệ thống trắc địa cơ bản của Việt Nam:

• Hệ tọa độ mặt bằng VN2000: Dựa trên ellipsoid WGS84 quy chiếu quốc gia định vị phù hợp lãnh thổ Việt Nam bằng 25 điểm cơ sở (10 điểm GPS cấp 0 có thủy chuẩn và 15 điểm độ cao hạng I, II có đo GPS). Mạng lưới thiên văn - trắc địa hạng I, II gồm các chuỗi tam giác đo góc và cạnh, sai số vị trí điểm lớn nhất sau bình sai đạt mức $\pm 0,40\text{ m}$.
• Hệ độ cao quốc gia HP72: Hệ thống độ cao chuẩn xác định từ mốc gốc Hòn Dấu, mạng lưới hạng I, II phân bố dọc các tuyến đường giao thông chính.
• Hệ trọng lực quốc gia: Hệ thống điểm trọng lực cơ bản và chi tiết, phục vụ xác định trường trọng lực và tính chuyển thế trọng trường.

Tác giả xác lập 3 luận điểm khoa học và các tiêu chí kỹ thuật xây dựng HQCTĐKGQG:

• Mô hình quasigeoid quốc gia phải đạt độ chính xác không thấp hơn $\pm 4\text{ cm}$.
• Mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm phát triển dựa trên các điểm thiên văn - trắc địa và mốc độ cao hạng I, II ổn định, kết hợp mạng lưới trạm GNSS CORS quốc gia.
• Mối liên kết giữa HQCTĐKGQG và ITRF được xác lập qua 7 tham số chuyển đổi Bursa - Wolf, bảo đảm khả năng tích hợp công nghệ vệ tinh hiện đại.

Chương 3. Phương pháp xử lý dữ liệu trong xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia

Chương 3 xây dựng các mô hình toán học phục vụ xử lý dữ liệu mạng lưới trắc địa không gian:

• Lý thuyết bình sai khối: So sánh giữa bình sai gộp chung và bình sai riêng rẽ kết hợp ghép nối. Luận án khẳng định phương pháp bình sai riêng rẽ mạng lưới GNSS trong ITRF rồi bình sai ghép nối vào HQCTĐKGQG thông qua các điểm song trùng là giải pháp tối ưu, tránh làm biến dạng các mạng lưới thành phần.
• Mô hình toán học bình sai ghép nối: Thiết lập phương trình số hiệu chỉnh tọa độ không gian cho các điểm song trùng giữa hệ thống ITRF và hệ quy chiếu không gian ba chiều quốc gia (VN2000-3D): $$V = A \cdot \delta X - L, \quad P = K_{L}^{-1}$$ Trong đó vector ẩn số $\delta X$ gồm số hiệu chỉnh 7 tham số chuyển đổi $(dX_0, dY_0, dZ_0, \epsilon_X, \epsilon_Y, \epsilon_Z, m)$ và số hiệu chỉnh tọa độ các điểm trắc địa; $K_L$ là ma trận hiệp phương sai của vector trị đo.
• Phương pháp phát triển mở rộng HQCTĐKGQG: Đề xuất thuật toán bình sai truy hồi kết hợp phép biến đổi xoay. Khi bổ sung các điểm cơ sở trắc địa mới hoặc các trị đo baseline mới, thuật toán cho phép cập nhật trực tiếp vector nghiệm và ma trận trọng số nghịch đảo từ CSDL của Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia mà không cần tổ chức bình sai lại toàn bộ mạng lưới gốc.

Chương 4. Thực nghiệm

Chương 4 triển khai tính toán thực nghiệm trên các tập dữ liệu thực tế tại Việt Nam:

1. Đánh giá độ chính xác mô hình quasigeoid:

   • Mô hình VIGAC2014: Kiểm nghiệm trên 75 điểm độ cao hạng II Nhà nước có đo GPS. Kết quả trước khi khử sai số hệ thống cho sai số trung phương $\pm 0,113\text{ m}$; sau khi hiệu chỉnh sai số hệ thống, sai số trung phương ngẫu nhiên đạt $\pm 0,043\text{ m}$.
   • Mô hình VIGAC2017: Kiểm nghiệm trên 25 điểm độ cao hạng I Nhà nước có đo GPS, phân bố trên phạm vi lãnh thổ. Kết quả tính toán cho thấy sai số trung phương đạt mức $\pm 0,063\text{ m}$ ($\pm 6,3\text{ cm}$).

2. Thực nghiệm bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm:

   • Sử dụng số liệu Mạng lưới cơ sở các điểm địa động lực Miền Bắc với 05 điểm song trùng trong hệ tọa độ VN2000-3D và ITRF.
   • Kết quả bình sai ghép nối xác định chính xác 7 tham số chuyển đổi tọa độ và vector tọa độ không gian $(X, Y, Z)$, độ cao trắc địa $H$, độ cao chuẩn $H_\gamma$ tại các điểm mạng lưới. Sai số vị trí điểm mặt bằng sau ghép nối giảm rõ rệt, nâng cao độ chính xác tọa độ so với hệ thống 2D cũ.

3. Thực nghiệm phát triển mở rộng mạng lưới:

   • Tiến hành tính toán trên 3 trường hợp: (i) Bình sai tổng thể toàn mạng; (ii) Bình sai một phần mạng lưới; (iii) Bình sai bổ sung trị đo làm thay đổi ẩn số bằng thuật toán biến đổi xoay.
   • So sánh tọa độ các điểm bổ sung giữa phương pháp bình sai tổng thể và phương pháp bình sai truy hồi cho độ lệch tọa độ cực đại chỉ ở mức $0,0001\text{ - }0,0003\text{ m}$ ($0,1\text{ - }0,3\text{ mm}$), chứng minh tính đúng đắn và độ tin cậy tuyệt đối của thuật toán truy hồi.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn của luận án:

1. Về cơ sở khoa học: Thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết và các tiêu chí kỹ thuật đồng bộ để xây dựng Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia tại Việt Nam, xác định rõ yêu cầu độ chính xác mô hình quasigeoid phải đạt $\le \pm 4\text{ cm}$ và cấu trúc mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm liên kết ITRF.
2. Về phương pháp toán học: Hoàn thiện phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG thông qua mô hình 7 tham số Bursa - Wolf, bảo đảm nâng cao độ chính xác tọa độ mặt bằng và độ cao của các điểm trắc địa truyền thống.
3. Về giải thuật xử lý dữ liệu: Thiết lập phương pháp phát triển mở rộng HQCTĐKGQG khi bổ sung điểm trắc địa mới dựa trên thuật toán bình sai truy hồi với phép biến đổi xoay, cho phép cập nhật dữ liệu trực tiếp từ CSDL trắc địa mà không cần bình sai lại toàn bộ mạng lưới.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

• Tiếp tục đo bổ sung dữ liệu trọng lực chi tiết và dữ liệu đo cao vệ tinh tại khu vực biển Đông để nâng cao độ chính xác mô hình quasigeoid VIGAC2017 đạt ngưỡng $\le \pm 4\text{ cm}$ trên toàn quốc.
• Triển khai mạng lưới GNSS CORS quốc gia kết hợp mạng lưới GNSS phủ trùm theo 3 tiêu chí kỹ thuật đã đề xuất.
• Ứng dụng các module phần mềm bình sai ghép nối và bình sai truy hồi vào quy trình vận hành Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình:

• Phạm vi dữ liệu thực nghiệm bình sai ghép nối và mở rộng mạng lưới mới được kiểm chứng trên Mạng lưới cơ sở các điểm địa động lực khu vực Miền Bắc và 25 - 75 điểm thủy chuẩn hạng I, II có đo GPS.
• Luận án chưa đi sâu giải quyết các bài toán đo động thời gian thực NRTK/VRS phục vụ người dùng dân dụng, chưa mở rộng phân tích chi tiết trường hơi nước đối lưu phục vụ khí tượng từ trạm CORS.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng tính toán bình sai ghép nối trên mạng lưới trạm GNSS CORS quốc gia và mạng lưới GNSS phủ trùm trên quy mô toàn bộ lãnh thổ đất liền và hải đảo Việt Nam.
• Nghiên cứu mô hình quasigeoid động lực học kết hợp xác định trường vận tốc chuyển dịch vỏ Trái Đất 3D theo chu kỳ thời gian.

Giá trị tham khảo

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

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa vật lý và Địa tin học tại các cơ sở đào tạo đại học và viện nghiên cứu.
• Các nhà quản lý, cán bộ kỹ thuật tại Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam, Cục Bản đồ (Bộ Tổng tham mưu), Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ trong việc xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về hệ quy chiếu không gian và thiết kế mạng lưới trắc địa hiện đại.
• Phần có giá trị tham khảo cao nhất: Khung lý thuyết và công thức bình sai ghép nối 7 tham số Bursa - Wolf trong Chương 3; thuật toán bình sai truy hồi biến đổi xoay và các bảng số liệu thực nghiệm đánh giá mô hình VIGAC2014, VIGAC2017 trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ tọa độ VN2000 chưa đáp ứng đầy đủ tiêu chí của một Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia? Hệ VN2000 được định nghĩa là hệ tọa độ hai chiều (2D tĩnh), tách rời giữa tọa độ mặt bằng $(B, L)$ và độ cao chuẩn $H_\gamma$ (HP72). Mô hình geoid VNGeo-96R có sai số lớn ($\pm 1,4\text{ m}$), mạng lưới GPS cấp 0 chưa đạt độ chính xác tương đối $10^{-9}$ và 7 tham số chuyển đổi tọa độ ban hành năm 2007 chưa bảo đảm độ chính xác cao khi liên kết với khung quy chiếu quốc tế ITRF.

2. Tiêu chuẩn kỹ thuật của mô hình quasigeoid phục vụ xây dựng HQCTĐKGQG là gì? Theo luận điểm của luận án, mô hình quasigeoid quốc gia phục vụ xây dựng HQCTĐKGQG phải đạt độ chính xác sai số trung phương không thấp hơn $\pm 4\text{ cm}$ trên toàn lãnh thổ và được định vị sát nhất với mực nước biển trung bình tại trạm nghiệm triều Hòn Dấu.

3. Điểm trắc địa thuộc mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm cần đáp ứng các điều kiện nào? Các điểm được lựa chọn từ mạng lưới thiên văn - trắc địa và độ cao hạng I, II phải thỏa mãn 3 tiêu chí: (1) Đảm bảo thu nhận tín hiệu của không ít hơn 05 vệ tinh GNSS; (2) Được xây dựng tại vị trí có nền địa chất ổn định, bảo quản lâu dài; (3) Thuận tiện cho công tác tìm kiếm, tiếp cận đo đạc. Mật độ trung bình bố trí từ $20\text{ - }100\text{ km/điểm}$.

4. Ưu điểm của thuật toán bình sai truy hồi kết hợp phép biến đổi xoay trong phát triển HQCTĐKGQG là gì? Thuật toán cho phép cập nhật trực tiếp các trị đo mới hoặc các điểm trắc địa mới bổ sung vào mạng lưới thông qua việc sử dụng kết quả bình sai và ma trận hiệp phương sai của giai đoạn trước được lưu giữ trong CSDL, cho kết quả sai lệch so với bình sai tổng thể chỉ từ $0,1\text{ - }0,3\text{ mm}$ mà không phải tổ chức tính toán bình sai lại toàn bộ mạng lưới gốc.

5. Độ chính xác của các mô hình quasigeoid VIGAC2014 và VIGAC2017 trong thực nghiệm đạt mức nào? Thực nghiệm trên 75 điểm độ cao hạng II cho thấy mô hình VIGAC2014 sau khi khử sai số hệ thống đạt sai số trung phương ngẫu nhiên $\pm 4,3\text{ cm}$. Mô hình VIGAC2017 kiểm tra trên 25 điểm độ cao hạng I đạt sai số trung phương $\pm 6,3\text{ cm}$, bao phủ toàn bộ đất liền, biển đảo và vùng biển lân cận.

Kết luận

Luận án của tác giả Lương Thanh Thạch đã giải quyết trọn vẹn các cơ sở khoa học, tiêu chí kỹ thuật và phương pháp toán học phục vụ xây dựng và phát triển Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia tại Việt Nam. Công trình đã hoàn thiện mô hình bình sai ghép nối mạng lưới GNSS phủ trùm với ITRF và thiết lập thuật toán bình sai truy hồi với phép biến đổi xoay để cập nhật mạng lưới trên nền CSDL trắc địa. Các kết quả thực nghiệm trên mô hình VIGAC2014, VIGAC2017 và mạng lưới địa động lực Miền Bắc cung cấp luận cứ kỹ thuật phục vụ hiện đại hóa hạ tầng đo đạc và bản đồ quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia (HQCTĐKGQG) đƣợc sử dụng để xác định vị trí của các đối tƣợng nằm trền bề mặt vật lý Trái Đất và trên mặt địa hình đáy biển. Do sự ràng buộc chặt chẽ về mặt toán học giữa tọa độ không gian (X, Y, Z) và tọa độ trắc địa (B, L, H) tại mỗi vị trí nên khi nói đến HQCTĐKGQG chúng ta bao hàm cả tọa độ trắc địa quốc gia (B, L) và độ cao trắc địa quốc gia H của điểm cần xác định. Mặt khác, do độ cao trắc địa bằng tổng của độ cao chuẩn quốc gia và dị thƣờng độ cao quốc gia, nên HQCTĐKGQG đƣợc xây dựng để thống nhất hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và hệ độ cao quốc gia trong một hệ thống quy chiếu tọa độ không gian quốc gia thống nhất khi đã xây dựng đƣợc mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao.

Việc thống nhất này sẽ bảo đảm cho các mục đích nâng cao độ chính xác tọa độ mặt bằng của các điểm trắc địa quốc gia trong VN2000 và xây dựng mô hình quasigeoid độ chính xác cao trên cơ sở sử dụng đồng bộ dữ liệu độ cao chuẩn quốc gia, trọng lực và vệ tinh, đồng thời tạo cơ sở cho việc ứng dụng triệt để các ƣu thế của công nghệ GNSS phục vụ mục đích chuyên ngành. Nhƣ vậy, xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG phù hợp với yêu cầu và xu thế phát triển của kỷ nguyên ứng dụng công nghệ GNSS trên cơ sở sử dụng các thành tựu khoa học - công nghệ mới nhất của ITRF; các mô hình trọng trƣờng Trái Đất EGM và mô hình địa hình động lực trung bình MDT;.v Tiền đề then chốt để xây dựng HQCTĐKGQG là xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao trên toàn bộ lãnh thổ quốc gia nhằm nhận đƣợc độ cao trắc địa quốc gia H  H    độ chính xác cao của điểm cần quan tâm, ở đây H  - độ cao chuẩn quốc gia của điểm,  - độ cao quasigeoid quốc gia (dị thƣờng độ cao) của điểm. Khi đã xây dựng đƣợc mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao, tại điểm có các tọa độ trắc địa (B, L) trong hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN2000 và độ cao chuẩn H  , chúng ta sẽ xác định đƣợc các tọa độ trắc địa (B, L, H) hoặc các tọa độ không gian (X, Y, Z) của điểm trong HQCTĐKGQG. Ngƣợc lại, tại điểm đã biết các tọa độ trắc địa (B, L, H) trong HQCTĐKGQG, thêm vào đó các tọa độ trắc địa (B, L, H) thƣờng đƣợc xác định bằng công nghệ GNSS sau khi chuyển từ ITRF về VN2000 nhờ 07 tham số chuyển tọa độ theo mô hình Bursa – Wolf, chúng ta đơn giản xác định độ cao chuẩn quốc gia H  của điểm.

Đây là xu hƣớng hiện đại đang đƣợc phát triển nhằm thay thế phƣơng pháp đo đạc thủy chuẩn truyền thống. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ GNSS và việc xây dựng các mô hình geoid/quasigeoid độ chính xác cao, các quốc gia đã và đang xây dựng cho mình các HQCTĐKGQG. 1 Kỷ nguyên mới của công nghệ GNSS đƣợc mở ra vào tháng 8/1989 tại Edinburgh (Vƣơng quốc Anh) với sự ra đời của tổ chức dịch vụ GNSS cho địa động lực (IGS).