Tiến Sĩ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết cho việc hiện đại hóa lưới khống chế trắc địa quốc gia ở Việt Nam bằng hệ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2014

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TIẾNG ANH iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. ĐÁNH GIÁ TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG VIỆC XÂY DỰNG HỆ THỐNG LƯỚI TỌA ĐỘ 9
1.1. Ứng dụng công nghệ GNSS trong việc xây dựng lưới trắc địa trên thế giới 9
1.1.1. Xây dựng lưới tọa độ thay thế các dạng lưới truyền thống đo góc, cạnh 9
1.1.2. Xây dựng lưới tọa độ mang tính toàn cầu . 16
1.1.3. Hệ quy chiếu trắc địa 17
1.1.4. Hoạt động của tổ chức IGS . 19
1.1.5. Dự báo sự phát triển tương lai 21
1.2. Ứng dụng công nghệ GNSS vào xây dựng lưới trắc địa ở Việt Nam 23
1.2.1. Giai đoạn ứng dụng công nghệ GNSS vào hoàn thiện lưới tọa độ
quốc gia (1991 - 1994) 23
1.2.2. Giai đoạn ứng dụng công nghệ GNSS xây dựng lưới cấp "0", tính
toán bình sai lưới trắc địa hỗn hợp và xây dựng hệ quy chiếu tọa độ quốc
gia (1995 - 2000) 24
1.2.3. Những ứng dụng công nghệ GNSS trong giai đoạn 2001 - 2008 . 25
1.2.4. Những dự tính hiện đại hóa lưới tọa độ trắc địa quốc gia trong giai
đoạn sau 2009 . 27

Chương 2. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS NHẰM THAY ĐỔI HỆ THỐNG LƯỚI TỌA ĐỘ QUỐC GIA Ở VIỆT NAM 29
2.1. Những vấn đề chung 29
2.1.1. Sự thay đổi quan niệm về hình thái, cấu trúc, độ chính xác lưới
khống chế tọa độ kể từ khi có công nghệ GNSS 29
2.1.2. Phương pháp xây dựng lưới GNSS CORS đóng vai lưới tọa độ trắc
địa cơ bản trên thế giới và khu vực Đông Nam Á 37
2.1.3. Một số đặc điểm khi xây dựng lưới GNSS CORS 40
2.2. Khả năng thay đổi lưới khống chế tọa độ ở Việt Nam theo phương thức
xây dựng lưới GNSS CORS . 43
2.3. Xây dựng lưới GNSS CORS trong hoàn cảnh Việt Nam 49
2.3.1. Ý tưởng về các loại (tier) lưới GNSS CORS quốc gia, cấu trúc, mật
độ điểm và độ chính xác . 49
2.3.2. Nguyên tắc về tổ chức xây dựng và vận hành lưới GNSS CORS 62

Chương 3. LƯỚI TỌA ĐỘ QUỐC GIA PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CHUYỂN DỊCH HIỆN ĐẠI VỎ TRÁI ĐẤT 78

3.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc nghiên cứu chuyển dịch hiện đại
vỏ Trái đất trên phạm vi liên lục địa và toàn cầu 78
3.1.1. Trong lĩnh vực địa chất . 78
3.1.2. Phòng ngừa thiệt hại của tai biến địa chất 80
3.1.3. Cơ sở để hình thành khái niệm trắc địa động 82
3.2. Lưới quan trắc chuyển dịch hiện đại vỏ Trái đất và những thành tựu đạt được khi áp dụng công nghệ GNSS 84
3.2.1. Lưới quan trắc chuyển dịch hiện đại vỏ Trái đất 84
3.2.2. Những thành tựu đạt được 85
3.3. Vấn đề quan trắc chuyển dịch hiện đại vỏ Trái đất ở Việt Nam 88
3.3.1. Những dự án, đề tài đã thực hiện 88
3.3.2. Lưới tọa độ quốc gia Việt Nam phục vụ nghiên cứu chuyển dịch hiện đại vỏ Trái đất 91
3.4. Bình sai lưới DGPS/CORS trên hệ quy chiếu quốc tế . 92
3.4.1. Số liệu đo 93
3.4.2. Khai thác số liệu và dữ liệu hỗ trợ quốc tế . 94
3.4.3. Phần mềm xử lý 99
3.4.4. Các bước thực hiện . 100

Chương 4. XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ QUỐC GIA THEO QUAN ĐIỂM HỆ QUY CHIẾU ĐỘNG 103
4.1. Quá trình hình thành hệ quy chiếu trắc địa động trên thế giới 103
4.1.1. Quá trình hình thành và phát triển của IERS và ITRF . 103
4.1.2. Vấn đề kết nối hệ quy chiếu quốc gia và hệ quy chiếu động quốc tế 106
4.2. Sự cần thiết của việc xây dựng hệ quy chiếu động ở Việt Nam 106
4.2.1. Khái quát về hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN - 2000 106
4.2.2. Sự cần thiết của việc xây dựng hệ quy chiếu động ở Việt Nam . 109
4.3. Xây dựng hệ quy chiếu động ở Việt Nam . 112
4.4. Phương án sử dụng hệ quy chiếu trắc địa động trong thực tế 113
4.4.1. Hệ thống công thức chuyển đổi 115
4.4.2. Xây dựng quy trình tính chuyển tọa độ và vận tốc của các điểm
GNSS giữa hai hệ tọa độ động 119
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 135
PHỤ LỤC .

MỞ ĐẦU
Xã hội loài người kể từ khi bắt đầu phát triển, việc xác định vị trí đã trở thành một nhu cầu cấp thiết, hoạt động của con người càng rộng thì nhu cầu này càng lớn. Đây cũng là nhu cầu chính của quá trình hình thành nên ngành trắc địa và bản đồ. Con người cần xác định vị trí của mình, của địa hình, địa vật để ghi nhận trên bản đồ. Trước hết là để đáp ứng nhu cầu nhận thức tự nhiên và sau đó là nhu
cầu tác động vào thiên nhiên để phục vụ cho con người. Bài toán xác định vị trí đã trở thành bài toán trung tâm của quá trình phát triển ngành trắc địa và bản đồ. Từ những phương tiện đo đạc thô sơ nhất như sào, thước dây, con người đã tạo nên những máy đo góc, đo cạnh độ chính xác cao cũng chỉ để giải quyết bài toán xác định vị trí. Bài toán xác định vị trí được giải quyết dựa trên nguyên tắc tìm vị trí tương đối của một vật so với một vị trí được chọn làm gốc. Trên phạm vi rộng hơn quá xa vị trí được chọn làm gốc thì việc xác định vị trí trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Người ta đã phải lựa chọn giải pháp là tìm các vị trí gốc mới sao cho biết được vị trí tương đối của chúng so với vị trí được chọn làm gốc trước đây. Đồng thời, người ta đã phải tìm cách thể hiện vị trí trong một hệ thống tọa độ chung thống nhất. Các vị trí được chọn làm gốc ban đầu và các vị trí được chọn làm gốc mới sau này gắn với một hệ thống tọa độ nhất định đã từng bước hình thành khái niệm lưới trắc địa và hệ thống quy chiếu tọa độ trắc địa. Nói cách khác, lưới trắc địa và hệ thống quy chiếu tọa độ trắc địa cũng chỉ là những giải pháp để thỏa mãn nhu cầu xác định vị trí của con người khi phạm vi hoạt động ngày càng rộng và nhu cầu chính xác ngày càng cao.
Các hình thức lưới trắc địa được hình thành dựa trên quá trình phát triển các công cụ, máy móc đo đạc. Khi có máy kinh vỹ để đo góc thì người ta đã tạo lập hình thức lưới tam giác đo góc. Khi có máy đo cạnh thì người ta đã tạo lập hình thức lưới tam giác đo cạnh hoặc kết hợp với máy kinh vỹ để tạo lập lưới đa giác đo cả góc và cạnh. Các hình thức lưới như vậy được con người sử dụng trong suốt quá
trình phát triển đã qua, được tổ chức dưới dạng lưới trắc địa trên phạm vi một quốc gia hoặc liên kết nhiều quốc gia trên phạm vi một châu lục. Hình thức lưới trắc địa nhiều cấp gắn với hệ thống điểm trắc địa dầy đặc xác định bằng các mốc kiên cố trên mặt đất đã trở thành một giải pháp truyền thống, quy định bằng một hệ thống quy trình, quy phạm khá chuẩn mực. Đối với mỗi quốc gia, người ta có một hệ quy chiếu tọa độ thống nhất. Hệ quy chiếu tọa độ với các hình thức lưới trắc địa như vậy cũng đã với tới tầm châu lục hoặc liên lục địa.
Kể từ khi con người bắt đầu có thành tựu trong sự nghiệp chinh phục vũ trụ, ngành trắc địa đã có hy vọng tạo ra công nghệ đo đạc mới, loại hình lưới trắc địa mới nhờ các vệ tinh nhân tạo. Bắt đầu bằng các phương pháp quan trắc quang học tới các vệ tinh, các thử nghiệm tiếp theo với công nghệ đo laser tới vệ tinh, rồi công nghệ sử dụng hiệu ứng doppler từ vệ tinh. Đến thập kỷ 80 của thế kỷ trước, công
nghệ định vị toàn cầu GPS của Mỹ đã mang lại thành quả định vị vượt quá sự mong đợi của con người. Khoảng cách đo được giữa các điểm trên mặt đất rất xa (vài nghìn kilômét), thời gian đo tối thiểu không nhiều (khoảng 3 giờ), đo được trong mọi thời tiết, thiết bị đo khá nhẹ (khoảng hai tới ba cân), giá thành không cao (khoảng trên 10.000 USD), độ chính xác kết quả đo rất cao (cỡ cm tới mm) và đo
được cả các đối tượng động. Những thành tựu công nghệ định vị mới này đã cho phép con người nghĩ tới các hình thức lưới trắc địa đơn giản hơn, mật độ thưa hơn, tầm với xa hơn và thi công nhanh hơn. Các lưới trắc địa toàn cầu và hệ quy chiếu tọa độ toàn cầu được hình thành. Từ đó, nhiều nước có tiềm lực công nghệ đã bắt đầu xây dựng hệ thống định vị vệ tinh riêng cho mình như hệ thống GLONASS của Nga, GALILEO của Liên minh Châu Âu và Bắc Đẩu của Trung Quốc. Các công nghệ định vị và dẫn đường bằng vệ tinh như vậy mang một tên chung là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) hay còn gọi là công nghệ GNSS. Công nghệ định vị và dẫn đường bằng vệ tinh không chỉ làm thay đổi hình thức lưới trắc địa mà còn tạo ra nhiều khả năng công nghệ mới. Lưới điểm trắc địa lúc này không chỉ đảm nhận chức năng làm gốc để xác định vị trí của địa hình, địa vật, mà còn tạo ra khả năng bao phủ toàn cầu, đạt độ chính xác đo đạc cao cỡ ilimét đủ để quan trắc dịch chuyển vỏ Trái đất hàng năm và tạo nên một hệ thống tọa độ trắc địa 4 chiều gồm cả thời gian. Về hình thức lưới trắc địa, cũng đã có ý kiến dự báo của một giai đoạn mới với khái niệm trắc địa không lưới. Lưới các vệ tinh định vị và dẫn đường sẽ đóng vai trò lưới trắc địa vì từ đó người ta có thể xác định tọa độ của mọi điểm trên mặt đất với một độ chính xác nhất định. Hiện nay, nếu chỉ đặt vấn đề cần độ chính xác tọa độ cỡ mét thì thực sự không cần tới các lưới trắc địa. Trên thực tế, người ta vẫn cần tới độ chính xác tọa độ cao hơn nhiều nên các lưới trắc địa độ chính xác cao vẫn đang hoạt động tích cực. Đề tài của Luận án này là nghiên cứu cơ sở khoa học và công nghệ của việc thay đổi hình thức lưới tọa độ trắc địa khi áp dụng công nghệ GNSS tại Việt Nam.
Chắc chắn, công nghệ GNSS sẽ loại bỏ được hình thức lưới trắc địa nhiều cấp với mật độ điểm dầy đặc gắn với các mốc kiên cố trên mặt đất. Nhưng câu hỏi được đặt ra là hình thức lưới trắc địa hợp lý theo công nghệ GNSS tại Việt Nam sẽ như thế nào. Tất nhiên, với nhu cầu hiện tại, ngoài việc lưới trắc địa phải thỏa mãn yêu cầu về độ chính xác cho việc lập hệ thống bản đồ cơ bản thống nhất trên phạm vi cả
nước còn phải đáp ứng được về độ chính xác và phân bố điểm tọa độ phục vụ các nhiệm vụ cụ thể bao gồm:
- Hội nhập với lưới trắc địa cơ bản toàn cầu;
- Xác định hệ quy chiếu quốc gia theo quan điểm động (phụ thuộc thời gian);
- Quan trắc được độ biến dạng vỏ Trái đất chịu ảnh hưởng của các hoạt động tân kiến tạo.
Nói cách khác, đề tài của luận án tập trung vào việc tổng kết thực tiễn và nghiên cứu để đưa ra các luận cứ khoa học cho việc xác định hệ thống lưới trắc địa cơ bản quốc gia trên cơ sở áp dụng công nghệ GNSS sao cho thỏa mãn mọi yêu cầu về tọa độ trong giai đoạn hiện nay tại Việt Nam.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ khi ra đời, hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu đã mở ra kỷ nguyên mới cho khoa học, công nghệ nói chung cũng như ngành trắc địa - bản đồ nói riêng. Với ưu thế về công nghệ như đã nói trên, GNSS đã làm thay đổi một cách căn bản về quan niệm cũng như phương thức giải quyết các bài toán xác định tọa độ vị trí các điểm trên mặt đất. Liên quan tới lưới cơ sở tọa độ quốc gia, ứng dụng GNSS có thể
chia làm hai giai đoạn:
- Chính xác hóa, tăng dày điểm, hoàn thiện lưới tọa độ truyền thống;
- Thiết lập lưới tọa độ quốc gia hoàn toàn tuân theo quan niệm mới dựa trên khả năng công nghệ của GNSS.
Hiện nay trên thế giới, lưới cơ sở tọa độ quốc gia thường được xây dựng dưới dạng lưới các trạm GNSS quan trắc liên tục (trạm GNSS CORS), có mật độ phù hợp, đảm bảo độ chính xác, tin cậy, an toàn và phục vụ đa mục đích, người ta thường gọi dạng lưới này là lưới GNSS CORS. Tên gọi này chỉ mang tính mô tả công nghệ "quan trắc liên tục để kết nối các điểm của lưới trong một hệ thống mạng trực tuyến". Đối với từng nước, mật độ điểm và phân bố điểm có thể rất khác nhau. Ở Việt Nam trong thời gian qua, công nghệ GNSS đã giúp cho việc nâng cấp độ chính xác, hoàn thiện, hiện đại hóa lưới tọa độ đã được thiết lập theo quan niệm truyền thống thành Hệ quy chiếu và hệ lưới điểm tọa độ quốc gia VN - 2000. Đây là thành tựu đã được công nhận, đánh dấu một giai đoạn của khoa học trắc địa và bản
đồ nước ta. Trước thành tựu phát triển vượt trội của công nghệ GNSS trên thế giới, việc tiếp tục xây dựng lưới tọa độ trắc địa thuần túy bằng công nghệ GNSS thay thế lưới
trắc địa truyền thống nhằm thỏa mãn mọi nhu cầu hiện đại về tọa độ cần được đặt ra. Ứng dụng công nghệ GNSS mang tính toàn cầu, là thành phần cơ bản nhất của
hạ tầng thông tin địa lý như một xu hướng đã được hình thành trên thế giới, bởi vậy chúng ta phải hòa nhập mà không có lựa chọn nào khác.
Ở nước ta hiện nay, dựa trên công nghệ GNSS, Bộ Quốc Phòng đang trong giai đoạn hoàn thiện dự án xây dựng hệ quy chiếu và hệ tọa độ quân sự bằng việc xây dựng lưới GNSS CORS (đã hoàn thành trên 1/2 khối lượng công việc), Bộ Tài nguyên và Môi trường đang xây dựng và triển khai Chiến lược phát triển đo đạc và bản đồ, trong đó việc hiện đại hóa hệ thống lưới tọa độ và độ cao quốc gia là một
trọng điểm (đang xem xét phê duyệt). Mặc dù đã có nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn để áp dụng nhưng chưa có đề tài nghiên cứu một cách có hệ thống về các vấn đề xây dựng lưới tọa độ trắc địa hiện đại, đa mục tiêu nhằm bảo đảm mọi nhu cầu đặt ra hiện nay, phù hợp với sự phát triển thông tin địa lý trên thế giới. Với tiêu đề “Nghiên cứu cơ sở lý thuyết cho việc hiện đại hóa lưới khống chế trắc địa quốc gia ở Việt Nam bằng hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS” đề tài có cơ hội nghiên cứu về vấn đề này.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Cung cấp luận cứ khoa học và thực tiễn cho việc hiện đại hóa lưới khống chế trắc địa cho Việt Nam, phục vụ đa mục đích (trắc địa - bản đồ, dẫn đường, nghiên cứu chuyển dịch hiện đại của vỏ Trái đất, hội nhập thông tin quốc tế, ) dựa trên công nghệ GNSS.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là lưới khống chế tọa độ quốc gia ở Việt Nam và ứng
dụng công nghệ GNSS.
4. Phạm vi nghiên cứu
Về khoa học: Khả năng công nghệ (tính toàn cầu, liên tục theo thời gian, phương pháp đo, độ chính xác, độ tin cậy, thành tựu và kinh nghiệm quốc tế, ) của GNSS. Xử lý số liệu thực tế của các trạm đo liên tục minh chứng cho việc kết nối tọa độ, xác định và tính chuyển tọa độ, vận tốc chuyển dịch trong hệ tọa độ động quốc tế ITRF. Các giải pháp, phương án xây dựng lưới tọa độ trắc địa nhằm thiết
lập cơ sở tọa độ thống nhất trong trắc địa và bản đồ, giải quyết các bài toán định vị hệ quy chiếu và các nhiệm vụ nghiên cứu khoa học về Trái đất.
Về không gian: Lưới tọa độ trắc địa quốc gia trên phạm vi cả nước có kết nối với lưới tọa độ IGS quốc tế.
Về thời gian: Kể từ khi Việt Nam xây dựng lưới tọa độ trắc địa truyền thống cho tới nay.