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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN TUYÊN 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN TUYÊN 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật trắc địa- bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học 1. PGS.TS Nguyễn Văn Sáng 2. TS Vũ Văn Trí Hà Nội - 2023 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Văn Tuyên -ii- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... xi DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ ................................................................................. xiv DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ ..................................................................................... xvi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 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 ..................................................................................................... 7 1.1. Tổng quan về vấn đề đo trọng lực ở Việt Nam .................................................... 7 1.1.1. Khái niệm về dị thường trọng lực .................................................................... 7 1.1.2. Tổng quan về vấn đề đo trọng lực ở Việt Nam ............................................... 9 1.2. 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 .................................................... 15 1.2.1. Tổng quan về các công trình nghiên cứu trên thế giới ................................... 15 1.2.2. Tổng quan về các công trình nghiên cứu trong nước ..................................... 20 1.3. Hướng nghiên cứu của luận án ........................................................................... 23 1.4. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 24 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC BIỂN BẰNG SỐ LIỆU ĐO CAO VỆ TINH ...................................................................... 25 2.1. Kỹ thuật đo cao vệ tinh ....................................................................................... 25 -iii- 2.1.1. Nguyên lý đo cao vệ tinh................................................................................ 25 2.1.2. Phương pháp xác định độ cao mặt nước biển bằng số liệu đo cao vệ tinh..26 2.1.3. Các số hiệu chỉnh trong kết quả đo cao vệ tinh.............................................. 28 2.1.4. Chương trình đo cao vệ tinh và dữ liệu đo cao vệ tinh .................................. 36 2.2. Phương pháp xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh 40 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp..................................................................... 40 2.2.2. Sơ đồ quy trình phương pháp xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh. ................................................................................................................. 42 2.2.3. Phương pháp xác định độ cao geoid và dị thường trọng lực từ các hệ số hàm điều hòa cầu của mô hình thế trọng trường toàn cầu ........................................................... 43 2.2.4. Độ cao địa hình mặt biển trung bình động học ................................................. 50 2.2.5. Phương pháp bình sai mạng lưới điểm giao cắt để loại bỏ độ cao địa hình mặt biển biến đổi theo thời gian ht ..................................................................................... 53 2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 57 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC BIỂN BẰNG SỐ LIỆU ĐO CAO VỆ TINH .................................... 58 3.1. Cơ sở lý thuyết về các giải pháp nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh .......................................................................... 58 3.1.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................... 58 3.1.2. Sơ đồ quy trình nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh ................................................................................................. 59 3.2. Giải pháp 1 - kết hợp các loại số liệu đo cao vệ tinh có độ chính xác cao ở chế độ GM để nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực .................................... 60 3.2.1. Lựa chọn số liệu của các vệ tinh thực hiện nhiệm vụ trắc địa ....................... 60 3.2.2. Kết hợp số liệu vệ tinh mới có độ chính xác cao với nhau ............................ 65 -iv- 3.3. Giải pháp 2 - lựa chọn mô hình thế trọng trường toàn cầu phù hợp với Việt Nam...67 3.3.1. Kết quả đánh giá độ chính xác của các mô hình thế trọng trường toàn cầu.. ....................................................................................................... 67 3.3.2. Xây dựng chương trình tính độ cao geoid, dị thường độ cao và dị thường trọng lực từ các hệ số điều hòa cầu của mô hình thế trọng trường toàn cầu.. .................... 67 3.3.3. Đánh giá độ chính xác các mô hình thế trọng trường toàn cầu EGM2008, GECO, EIGEN-6C4 và SGG-UGM-1 ở khu vực Việt Nam .................................... 69 3.4. Giải pháp 3- lựa chọn mô hình mặt biển trung bình động học MDT phù hợp với vùng biển của Việt Nam ............................................................................................ 75 3.4.1. Phương pháp nội suy độ cao mặt biển trung bình động học hMDT ................. 75 3.4.2. Đánh giá độ chính xác của các mô hình MDT trên vùng biển Việt Nam .. 75 3.5. Giải pháp 4 - lựa chọn phương pháp chuyển đổi phần dư độ cao geoid sang phần dư dị thường trọng lực ............................................................................................... 79 3.5.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất ................. 79 3.5.2. Áp dụng phương pháp Collocation bình phương nhỏ nhất để xác định phần dư dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh ................................................ 83 3.6. Giải pháp 5 – làm khớp phần dư dị thường trọng lực biển nhận được bằng số liệu đo cao vệ tinh với phần dư dị thường trọng lực đo trực tiếp .................................... 88 3.7. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 92 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 ................................................ 93 4.1. Khu vực nghiên cứu và số liệu thực nghiệm ...................................................... 94 4.1.1. Khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 94 4.1.2. Số liệu thực nghiệm ........................................................................................ 95 -v- 4.2. Kết quả thực nghiệm của các phương án. ........................................................... 99 4.2.1. Thực nghiệm xác định phần dư độ cao geoid. ............................................... 99 4.2.2. Xác định phần dư dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh. .......................................................................................................... 100 4.2.3. Làm khớp phần dư dị thường trọng lực biển nhận được bằng số liệu đo cao vệ tinh với phần dư dị thường trọng lực đo trực tiếp bằng phương pháp collocation bình phương nhỏ nhất. ..................................................................................................... 109 4.3. Đánh giá độ chính xác của các kết quả tính dị thường trọng lực bằng số liệu đo cao vệ tinh đã có trên vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam..................................... 120 4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................................ 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .................... 125 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 134 -vi- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Việt nam AVISO Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Trung tâm phân phối dữ liệu đo cao vệ tinh CNES Centre National d'Etudes Spatiales Trung tâm nghiên cứu không gian quốc gia Pháp CNSA China National Space Administration Cơ quan vũ trụ quốc gia Trung Quốc DNSC Danish National Space Centre Trung tâm Vũ trụ quốc gia Đan Mạch DORIS Doppler Orbitography and Radiopositiong Integrated by Satellite Thiết bị xác định quỹ đạo và định vị bằng sóng radio theo nguyên lý Doppler tích hợp trên vệ tinh DTU Technical University of Denmark Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch EIGEN European Improved Gravity model of the Earth by New techniques Mô hình trường trọng lực Trái Đất được cải tiến bằng kỹ thuật mới bởi Châu Âu EGM Earth Gravity Model Mô hình trường trọng lực Trái Đất ERM Exact Repeat Mission Nhiệm vụ lặp lại chính xác ERS European Remote-sensing Satellite Vệ tinh viễn thám Châu Âu ESA European Space Agency Cơ quan vũ trụ Châu Âu FFT Fourier Technique Biến đổi Fourier nhanh GM Geodetic Mission Nhiệm vụ trắc địa GIM Global Ionospheric Modeling Mô hình tầng điện ly toàn cầu -vii- Chữ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Việt nam GGM Global Geopotential Model Mô hình thế trọng trường toàn cầu GOCE Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer Quan trắc trường trọng lực và trạng thái ổn định trên đại dương GNSS Global Navigation Satellite Systems Hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu GRAVSOFT Gravity prediction Software Phần mềm dự đoán trọng lực HUMG Hanoi University of Mining and Geology Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội ICGEM International Center for Global Earth Models Trung tâm quốc tế của các mô hình Trái Đất toàn cầu ISRO Indian Space Research Organisation Cơ quan nghiên cứu vũ trụ Ấn Độ LSC Least Squares Collocation Phương pháp collocation bình phương nhỏ nhất MDT Mean Dynamic Topography Mặt biển trung bình động học MSS Mean Sea Surface Mặt biển trung bình MSL Mean Sea Level Mực nước biển trung bình NASA National Aeronautics and Space Administration Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ NGA National Geospatial-Intelligence Agency Cục Thông tin Địa lý Quốc gia thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ NGDC The US National Geophysical Data Center Trung tâm dữ liệu Địa vật lý Quốc gia Hoa kỳ NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration Cơ quan quản lý Khí quyển và Đại Dương Hoa Kỳ -viii- Chữ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Việt nam PO. DAAC Physical Oceanography Distributed Active Archive Center Trung tâm lưu trữ, phân phối dữ liệu Hải dương. RADS Radar Altimeter Database System Hệ thống cơ sở dữ liệu đo cao vệ tinh Radar RMS Root Mean Square Sai số trung phương PRARE Precise Range and Range Rate Equipment Thiết bị đo khoảng cách và vận tốc xuyên tâm chính xác. SRAL/SIRAL Satellite with ARgos and ALtika /Syntetic Interferometric Radar Altimeter Vệ tinh Pháp - Ấn Độ với thiết bị đo cao Radar Altika và nghiên cứu môi trường Argos. SLA Sea Level Anomaly Dị thường mực nước biển SLR Satellite Laser Ranging stations Trạm đo khoảng cách đến vệ tinh bằng Laser SST Sea Surface Temperature Nhiệt độ bề mặt biển SSH Sea Surface Height Độ cao mặt nước biển SSHcorr Corrected Sea Suface Height Độ cao mặt nước biển đã được hiệu chỉnh TEC Total Electron Content Tổng lượng điện tử US NAVY United States Navy Hải quân Hoa Kỳ UKSA UK Space Agency Cơ quan vũ trụ Vương Quốc Anh VLBI Very Long Baseline Interferometry Kỹ thuật giao thoa với đường cơ sở rất dài -ix- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Bảng thống kê các thông tin của các thế hệ vệ tinh đã ngừng hoạt động [54], [58], [62]. .......................................................................................................... 37 Bảng 2.2. Bảng thống kê các thông tin của các thế hệ vệ tinh đang hoạt động [54], [58], [62].................................................................................................................... 38 Bảng 2.3. Bảng thống kê các mô hình MDT do DTU xây dựng .............................. 51 Bảng 3.1. Bảng thống kê các thế hệ vệ tinh khi thực hiện chế độ đo ERM [54], [58], [62] ............................................................................................................................ 62 Bảng 3.2. Bảng thống kê các thế hệ vệ tinh có chế độ đo GM [54], [58], [62] ........ 65 Bảng 3.3. Bảng thống kê sai số xác định độ cao mặt nước biển của các vệ tinh thực hiện chế độ đo GM [36], [35], [69]. .......................................................................... 65 Bảng 3.4. Bảng thống kê các tham số hình học và vật lý của ellipsoid quốc tế WGS84 và GRS80. ................................................................................................................. 69 Bảng 3.5. Tóm tắt kết quả so sánh dị thường độ cao tính từ các hệ số hàm điều hòa cầu của các mô hình thế trọng trường toàn cầu EGM2008, GECO, EIGEN-6C4, SGG- UGM-1 với dị thường độ cao được tính từ số liệu GPS - Thủy chuẩn. .................... 71 Bảng 3.6. Bảng thống kê kết quả đánh giá độ chính xác các mô hình MDT trên lãnh thổ Việt Nam. ............................................................................................................ 77 Bảng 4.1. Thống kê tọa độ địa lý của 21 điểm phân định lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa giữa hai nước Việt Nam và Trung Quốc trong Vịnh Bắc Bộ ................................................................................................................................... 95 Bảng 4.2. Bảng tổng hợp các loại số liệu được sử dụng trong luận án. .................... 98 Bảng 4.3. Bảng tổng hợp kết quả tính phần dư độ cao geoid của các phương án .. 100 Bảng 4.4. Kết quả tính các giá trị hiệp phương sai thực nghiệm và hiệp phương sai lý thuyết của phần dư độ cao geoid của các phương án. ............................................. 102 -x- Bảng 4. 5. Kết quả tính các tham số của hàm hiệp phương sai lý thuyết của các phương án ............................................................................................................................. 105 Bảng 4.6. Thống kê vắn tắt về kết quả phần dư dị thường trọng lực biển (g) được xác định bằng số liệu đo cao vệ tinh theo các phương án ........................................ 106 Bảng 4.7. Tóm tắt kết quả so sánh phần dư dị thường trọng lực biển tính được bằng số liệu đo cao vệ tinh của 3 phương án tính với phần dư dị thường trọng lực biển đo trực tiếp trên khu vực Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam ........................................................ 107 Bảng 4.8. Kết quả tính giá trị hiệp phương sai thực nghiệm và hiệp phương sai lý thuyết ....................................................................................................................... 113 Bảng 4.9. Kết quả tính các tham số của hàm hiệp phương sai lý thuyết ................ 116 Bảng 4.10. Thống kê vắn tắt về kết quả phần dư dị thường trọng lực biển được xác định bằng số liệu đo cao vệ tinh sau khi được làm khớp với số liệu đo trực tiếp. .. 116 Bảng 4.11. Kết quả đánh giá độ chính xác của các phương án tính sau khi đã làm khớp với số liệu dị thường trọng lực biển đo trực tiếp trên khu vực Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam. ........................................................................................................................ 117 Bảng 4.12. Tổng hợp kết quả đánh giá độ chính xác của các mô hình trường trọng lực toàn cầu DTU10GRA, DTU13GRA, DTU15GRA, DTU17GRA và kết quả của luận án trên phạm vi vùng biển Vịnh Bắc Bộ - Việt Nam .............................................. 120 -xi- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1. Nguyên lý của đo cao vệ tinh (nguồn [62]) .............................................. 25 Hình 2.2. Mối quan hệ giữa độ cao mặt nước biển và trị đo cao vệ tinh (nguồn: Internet) ..................................................................................................................... 27 Hình 2.3. Sơ đồ phân bố các trạm theo dõi quỹ đạo của các vệ tinh đo cao trên toàn cầu (nguồn: [51]) ....................................................................................................... 27 Hình 2.4. Mô phỏng các số hiệu chỉnh trong đo cao vệ tinh (nguồn [51]). .............. 29 Hình 2.5. Số hiệu chỉnh tầng điện ly được tính theo mô hình GIM cho vệ tinh Cryosat – 2/GM (nguồn: [51]) ................................................................................................ 31 Hình 2.6. Số hiệu chỉnh tầng đối lưu khô được tính theo mô hình áp suất khí quyển ECMWF cho vệ tinh Cryosat – 2/GM (nguồn:[51]) ................................................. 32 Hình 2.7. Số hiệu chỉnh tầng đối lưu ướt được tính theo mô hình áp suất khí quyển ECMWF cho vệ tinh Cryosat – 2/GM (nguồn: [51]) ................................................ 33 Hình 2.8. Tổng quan về các chương trình đo cao vệ tinh (nguồn: https://podaac.jpl.nasa.gov/Altimetric_Data_Information). ..................................... 36 Hình 2.9. Giao diện của chương trình chuyển định dạng dữ liệu ............................. 39 Hình 2.10. Mối quan hệ giữa các mặt: Topography, Quasi-geoid, Geoid và Ellipsoid [62] ............................................................................................................................ 43 Hình 2.11. Hệ tọa độ vuông góc không gian ............................................................ 47 Hình 2.12. Biểu diễn sự biến dạng của Trái Đất do sức hút Mặt Trăng và Mặt Trời (nguồn: [62]). ............................................................................................................ 49 Hình 2.13. Mô phỏng cung thăng, cung giáng và chênh lệch độ cao tại điểm giao cắt. ................................................................................................................................... 53 Hình 3.1. Sự phân bố các vết số liệu của vệ tinh SARAL/AltiKa đo chế độ ERM chu kỳ 2 (a) và chu kỳ 28 (b) trên khu vực Vịnh Bắc Bộ. ............................................... 61 -xii- Hình 3.2. Sự kết hợp các vết