Ảnh hưởng của địa hình cục bộ đến độ cao Geoid của một số mô hình trọng trường trái đất

Nội dung text: Ảnh hưởng của địa hình cục bộ đến độ cao Geoid của một số mô hình trọng trường trái đất

1. T¹p chÝ KTKT Má - §Þa chÊt, sè 38/4-2012, tr.38-43 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH CỤC BỘ ĐẾN ĐỘ CAO GEOID CỦA MỘT SỐ MÔ HÌNH TRỌNG TRƯỜNG TRÁI ĐẤT ĐẶNG NAM CHINH, NGUYỄN XUÂN TÙNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Sử dụng mô hình trọng trường trái đất và tính thêm số hiệu chỉnh địa hình cục bộ vào độ cao Geoid (hoặc dị thường độ cao) là một phương pháp nhằm nâng cao độ chính xác đo cao GPS. Mối quan hệ giữa bề mặt địa hình với độ cao Geoid của các mô hình trọng trường trái đất DMA10, OSU91A, EGM96, EGM2008 là những thông tin hữu ích để xác định các số hiệu chỉnh địa hình cục bộ. 1. Đặt vấn đề [8]. Chính vì vậy, khi nghiên cứu ảnh hưởng Cho đến nay phương pháp đo cao GPS vẫn của địa hình cục bộ để tính thêm số hiệu chỉnh đang được nhiều người quan tâm nghiên cứu. vào độ cao Geoid xác định từ mô hình trọng Điều hấp dẫn của vấn đề này không chỉ là trường toàn cầu, cũng cần làm rõ về mô hình nghiên cứu ứng dụng một công nghệ hiện đại trọng trường toàn cầu đó đã “phản ảnh” được vào công tác đo cao mà là nghiên cứu một giải yếu tố địa hình đến mức nào ? Có như vậy, việc pháp mới, hữu ích, trong đó bao hàm nhiều nội tính toán hiệu chỉnh tiếp theo mới có cơ sở khoa dung khoa học phải giải quyết. học và hướng tới một đáp án đúng. Để nâng cao độ chính xác đo cao GPS, có 2. Phương pháp khảo sát khá nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài Các mô hình trọng trường trái đất như nước hướng vào xây dựng các mô hình Geoid DMA10, OSU91A, EGM96, EGM2008 được cục bộ độ chính xác cao dựa trên mô hình Geoid cho ở dạng số với định dạng GGF (Geoid Geoid trọng lực hoặc mô hình trọng trường toàn cầu Files). Bằng các phần mềm xử lý số liệu GPS được làm khớp với số liệu GPS – thủy chuẩn như GPSurvey, TGO vv có thể trích cắt các (GPS-TC) trên khu vực [5]vv Có thể nhận thấy mô hình này thành các phần mô hình cục bộ rằng, để nâng cấp (chính xác hóa) mô hình trong một hình chữ nhật giới hạn bởi các giá trị Geoid theo phương pháp đo song trùng GPS-TC độ vĩ và độ kinh (Bmin,Bmax,Lmin,Lmax) của khu là khá tốn kém do khối lượng đo đạc lớn, đặc vực nghiên cứu (khảo sát). Với các phần mô biệt là ở vùng núi cao, nơi cần tăng dầy mật độ hình cục bộ này có thể biểu thị trên mô hình 2D điểm song trùng để nắm bắt được quy luật biến hoặc 3D nhờ phần mềm Surfer. Các mô hình đổi có dạng “sóng ngắn” của Geoid/Quasigeoid này sẽ được đối chiếu so sánh trực tiếp với mô do ảnh hưởng địa hình cục bộ. hình số địa hình (2D,3D) của khu vực nghiên Một số công trình nghiên cứu khác đã đề cứu. Ngoài ra có thể sử dụng phương pháp làm cập tới vấn đề xét ảnh hưởng của địa hình đến trơn mô hình địa hình (còn gọi là phương pháp dị thường độ cao nhằm nâng cao độ chính xác khái quát hóa địa hình hay trung bình hóa địa các giá trị dị thường độ cao (hoặc độ cao Geoid) hình) để so sánh với các mô hình cần khảo sát. phục vụ trực tiếp cho tính độ cao thủy chuẩn từ Phương pháp khái quát hóa mô hình được độ cao trắc địa [1,2,4,5,6,7]. thực hiện theo cách tính độ cao trung bình của Gần đây, khi xây dựng mô hình trọng địa hình cho các điểm xét, tập hợp các điểm có trường trái đất, ngoài các số liệu trọng lực, số độ cao trung bình sẽ hình thành nên một mặt địa liệu đo cao vệ tinh (altimetry), người ta đã phối hình được trung bình hóa, gọi là bề mặt địa hình hợp sử dụng thêm mô hình số địa hình toàn cầu được “làm trơn”. Bề nặt này rất có ý nghĩa
2. trong tính toán số hiệu chỉnh do ảnh hưởng địa Cũng cần nghiên cứu tiêu chí xác định mặt địa hình cục bộ gây nên “sóng ngắn” trong dị hình trung bình, để từ đó có thể lựa chọn công thường độ cao. thức tính trọng số và bán kính R hợp lý. Độ cao trung bình địa hình tại điểm xét k có 3. Kết quả khảo sát thể tính bằng công thức trung bình trọng số theo Trên khu vực vùng núi Tây Bắc Việt Nam, độ cao của các điểm lân cận điểm xét. Điểm lân giới hạn bởi các vĩ tuyến và kinh tuyến như sau: o o cận là những điểm nằm trong vòng tròn bán Bmin= 21 13’ 47” ; Bmax= 22 11’ 17” o o kính R có tâm là điểm xét. Lmin=103 15’00” ; Lmax=104 52’ 30” Ký hiệu n là số lượng điểm lân cận, độ cao Đây là khu vực thuộc các tỉnh Sơn La, một trung bình tại điểm xét k sẽ là: phần tỉnh Điện Biên, Lai Châu và Yên Bái. Khu n vực khảo sát có dạng hình chữ nhật, diện tích Pi .h i khoảng 17730 km2. TB i 1 h k n , (1) Đặc điểm của khu vực khảo sát là có nhiều Pi đỉnh núi cao trên 1500m, đặc biệt là chuỗi địa i 1 hình nhô cao gồm các đỉnh núi cao trên 2000m trong đó Pi là trọng số của điểm lân cận thứ i. nằm dọc theo ranh giới giữa Yên Bái và Sơn Trọng số Pi có thể tính theo một vài công La, theo hướng tây bắc-đông nam. Trong chuỗi thức khác nhau [1,2]: địa hình này có những đỉnh núi có độ cao khá 1 lớn như Tà Chí Nhù cao 2979m, đỉnh Tà Y Chơ Pi ; (2) cao 2671m thuộc huyện Mù Cang Chải tỉnhYên D i Bái. hi Dựa trên mô hình số địa hình của khu vực hoặc Pi , (3) Di này, chúng tôi thể hiện trực quan dáng địa hình trong đó D là khoảng cách từ điểm xét k đến trên sơ đồ đường đồng mức (2D) và mô hình i không gian (3D). Trên hình 1 là sơ đồ 2D và mô điểm lân cận i. hình 3D của mặt địa hình khu vực khảo sát, trên Dạng của công thức tính trọng số P và bán hình 2 là sơ đồ 2D và 3D bề mặt địa hình đã kính R để chọn điểm lân cận có ảnh hưởng đáng được trung bình hóa (mặt đã làm trơn). kể đến việc xác định mặt địa hình trung bình. 39
3. Trong khu vực nghiên cứu, độ cao địa hình nhỏ nhất là 39m và độ cao lớn nhất là 2559m. Để trung bình hóa địa hình, chúng tôi lấy bán kính chọn điểm lân cận R=25km và sử dụng công thức (3) để tính trọng số. Địa hình trung bình hóa có giá trị nhỏ nhất là 238m và lớn nhất 1775m. Trên hình 3 là một mặt cắt địa hình mặt đất và địa hình trung bình. Hình 3. Một mặt cắt địa hình và địa hình trung bình (hướng Đông –Tây) Từ 4 mô hình Geoid toàn cầu, sau khi trích cắt theo khu vực khảo sát, dáng của 4 mặt Geoid trên khu vực này được thể hiện trên hình 4. Số lượng điểm có độ cao Geoid là 960 điểm, khoảng cao đều các đường đồng mức trên hình vẽ là 0,1m. Hình 4. Bề mặt của 4 mô hình Geoid trên khu vực khảo sát 40
4. Về định tính, có thể nhận thấy rằng, giữa (G D) trong đó: Ni là độ cao Geoid đã loại bỏ mô hình EGM2008 với mặt địa hình trung bình sóng dài DMA10 có mối liên hệ khá rõ nét. Điều đó có nghĩa là NG là độ cao Geoid của mô hình khảo sát trong mô hình trọng trường EGM2008 đã phản i D ánh khá rõ ảnh hưởng của độ cao địa hình đến N i là độ cao Geoid của mô hình DMA10. độ cao Geoid. Tuy nhiên mối liên hệ đó cũng Sau khi loại bỏ “sóng dài” chúng tôi sử dụng (G D) mới chỉ được thể hiện ở mức trung bình, chưa các giá trị Ni để thể hiện trên nền 2D với thật chi tiết. khoảng cao đều 0,1m và mô hình 3D (hình 5). Trong mô hình DMA10 hoàn toàn phẳng Quan sát hình 5 có thể thấy rằng, sau khi trên khu vực khảo sát, như vậy là không hề có bóc tách độ nghiêng của sóng dài (nhờ “hiệu ứng địa hình” trên mặt Geoid. Mặt DMA10), sẽ lộ rõ hơn ảnh hưởng của địa hình nghiêng của DMA10 thể hiện quy luật bước mặt đất đến các mặt Geoid OSU91A,EGM96 và sóng dài của Geoid trên diện rộng.Trong mô EGM2008. Tuy nhiên ở 2 mô hình OSU91A, hình OSU91A và EGM96, ảnh hưởng của địa EGM96, ảnh hưởng của địa hình vẫn là mờ nhạt hình thể hiện mờ nhạt, dáng Geoid chỉ hơi gợn và có chiều nghiêng trái ngược nhau, còn trên lên một chút tại vùng núi cao. EGM2008 là khá rõ nét và tương đồng với mặt Tiếp theo, chúng tôi sử dụng DMA10 để loại địa hình trung bình trên hình 2. Nếu so sánh bỏ sóng dài (không có thông tin địa hình) trong 3 OSU91A và EGM96 thì OSU91A gần với dạng mô hình OSU91A, EGM96 và EGM2008 theo của EGM2008 hơn, có thể coi EGM2008 là mặt công thức: chi tiết hóa của OSU91A. (G D) G D Ni Ni Ni (4) Hình 5. Các mô hình sau khi loại bỏ độ nghiêng của sóng dài
5. Để có số liệu định lượng, chúng tôi tiến hành tính hệ số tương quan (HSTQ) giữa độ cao địa hình và độ cao Geoid cho 4 mô hình theo 4 phương án sau: Phương án 1. Tính hệ số tương quan giữa độ cao địa hình với độ cao Geoid của 4 mô hình DMA10, OSU91A, EGM96 và EGM2008. Phương án 2. Tính hệ số tương quan giữa độ cao địa hình trung bình với độ cao Geoid của 4 mô hình DMA10, OSU91A, EGM96 và EGM2008. Phương án 3. Tính hệ số tương quan giữa độ cao địa hình với độ cao Geoid của 3 mô hình OSU91A, EGM96 và EGM2008 tính theo công thức (4) (đã loại bỏ ảnh hưởng nghiêng của sóng dài). Phương án 4. Tính hệ số tương quan giữa độ cao địa hình trung bình với độ cao Geoid của 3 mô hình OSU91A, EGM96 và EGM2008 tính theo (4). Hệ số tương quan giữa độ cao Geoid (N) và độ cao địa hình (h) được tính theo công thức đã biết [1,3]. n (Ni N)(h i h) K i 1 (4) n n 2 2 (Ni N) . (h i h) i 1 i 1 1 n 1 n trong đó N và h là trị trung bình: N Ni và h h i n i 1 n i 1 Bảng 1. Hệ số tương quan giữa độ cao Geoid với địa hình và địa hình trung bình Mô hình DMA10 OSU91A EGM96 EGM2008 HSTQ: K Geoid và địa hình -0.2010 0.0194 -0.0239 0.2609 Geoid và địa hình TB -0.2192 0.1046 0.0654 0.3344 Bảng 2. Hệ số TQ giữa độ cao Geoid* (loại bỏ DMA10) với địa hình và địa hình TB Mô hình OSU91A* EGM96* EGM2008* HSTQ: K* Geoid và địa hình 0.4993 0.3314 0.7796 Geoid và địa hình TB 0.7166 0.4763 0.9375 4. Kết luận giữa độ cao Geoid với độ cao địa hình và địa Với các kết quả khảo sát định tính và định hình trung bình tăng lên đáng kể. lượng trên đây, có thể rút ra một số kết luận như 3. Mô hình OSU91A thể hiện ảnh hưởng sau: của địa hình tốt (phù hợp) hơn mô hình 1. Trong 4 mô hình trọng trường trái đất EGM96. Tuy nhiên cả 2 mô hình này, yếu tố DMA10, OSU91A, EGM96, EGM2008, mô ảnh hưởng của địa hình mặt đất tuy đã có nhưng hình DMA10 không được xét tới ảnh hưởng của vẫn là mờ nhạt. địa hình mặt đất, chỉ thể hiện hướng nghiêng 4. Mô hình EGM2008 là mô hình đã được của bước sóng dài, vì vậy độ cao Geoid của mô xét tới ảnh hưởng của địa hình khá rõ so với hình này có thể sử dụng để bóc tách ảnh hưởng OSU91A và EGM96, đặc biệt là hệ số tương của sóng dài khi nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng quan giữa độ cao địa hình trung bình và độ cao của địa hình ở bước sóng trung và sóng ngắn. Geoid EGM2008 sau khi loại bỏ xu thế nghiêng 2. Sau khi bóc tách quy luật sóng dài, ảnh của sóng dài đã đạt tới giá trị 0,9375, như vậy hưởng của địa hình đến các mặt Geoid được thể giữa chúng có mối liên hệ gần như tuyến tính hiện rõ nét hơn. Các giá trị hệ số tương quan [3]. Tuy vậy, cũng chỉ có thể coi mặt Geoid 42
6. EGM2008 đã phản ảnh quy luật ảnh hưởng của [4]. Phạm Hoàng Lân. Phùng Trung Thanh, địa hình khái quát, ở mức bước sóng trung. 2009. Ảnh hưởng của địa hình trong dị thường 5. Cần sử dụng độ cao trung bình được khái độ cao ở một số vùng đồi núi đặc trưng của quát theo mô hình Geoid EGM2008 để tiếp tục nước ta. Tạp chí Khoa học đo đạc và Bản đồ. tính số hiệu chỉnh của địa hình cục bộ ở bước Viện KH ĐĐ& BĐ- Bộ TN-MT. Số 1-8/2009. sóng ngắn, với bán kính vùng xét nhỏ hơn [5]. Lê Minh. Một số kết quả xây dựng mô hình 25km. Geoid địa phương ở Việt Nam. Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học Đo đạc và bản đồ Việt Nam vì sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ TÀI LIỆU THAM KHẢO quốc”. Hà Nội tháng 12/2009. [6]. Nguyễn Xuân Tùng, 2002. Nội suy độ cao [1]. Đặng Nam Chinh, 2007. Khả năng ứng thuỷ chuẩn theo trị đo GPS và số liệu địa hình dụng phương pháp đo cao GPS ở vùng mỏ trong phạm vi cục bộ. Tuyển tập Báo cáo Hội Quảng Ninh. Tạp chí Công nghiệp mỏ- Số 3 nghị khoa học lần thứ 15-ĐH Mỏ-Địa chất- năm 2007. Quyển 5. 11/2002. [2]. Đặng Nam Chinh, Nguyễn Duy Đô, Lê Văn [7]. Sujan Bajracharya, 2003. Terrain Effects on Thủ, 2008. Xác định số hiệu chỉnh địa hình Geoid Determination. Department of Geomatics trong đo cao GPS ở vùng núi có sử dụng mô Engineering. CALGARY ALBERTA. hình Geoid toàn cầu. Tuyển tập báo cáo hội September 2003. nghị khoa học lần thứ 18- trường Đại học Mỏ- [8]. Mehdi Eshagh, 2009. Least squares Địa chất. Hà Nội, tháng 11/2008. modification of Stokes’ formula with EGM08. [3]. Dương Ngọc Hảo. Giáo trình Xác suất Geodesy and Cartography; Division of thống kê. Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP Hồ Geodesy, Royal Institute of Technology, Chí Minh. Stokholm, Sweden. SUMMARY Local terrain effects on the geoid undulation of some earth gravitational models Dang Nam Chinh, Nguyen Xuan Tung University of Mining and Geology Using Earth Gravitational Models and computation of the additional local terrain corrections to geoid undulations (or height anomaly) is a method for improvement of the GPS levelling accuracy. The relations between topographic surface and geoid undulation of the earth gravitational models DMA10, OSU91A, EGM96, EGM2008 are useful information for determination of local terrain corrections. 43