Đề tài Hợp tác quốc tế về khoa học công nghệ và môi trường: “phối hợp nghiên cứu để xây dựng và hoàn thiện hệ thống trọng lực phục vụ công tác nghiên cứu lãnh thổ và khai thác tài nguyên, bảo vệ môi trường ở Việt Nam”

BTNMT VNCĐC Bộ tài nguyên và môi tr−ờng viện nghiên cứu địa chính Đ−ờng Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài hợp tác quốc tế về khoa học công nghệ và môi tr−ờng: “Phối hợp nghiên cứu để xây dựng và hoàn thiện hệ thống trọng lực phục vụ công tác nghiên cứu lãnh thổ và khai thác tài nguyên, bảo vệ môi tr−ờng ở Việt nam” Chủ nhiệm: TS. Lê Minh 6736 12/2/2008 Hà Nội, 12-2007 Bản quyền thuộc VNCĐC Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện tr−ởng VNCĐC trừ tr−ờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu. BTNMT VNCĐC Bộ tài nguyên và môi tr−ờng viện nghiên cứu địa chính Đ−ờng Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài hợp tác quốc tế về khoa học công nghệ và môi tr−ờng: “Phối hợp nghiên cứu để xây dựng và hoàn thiện hệ thống trọng lực phục vụ công tác nghiên cứu lãnh thổ và khai thác tài nguyên, bảo vệ môi tr−ờng ở Việt nam” Hà Nội, ngày tháng năm 2007 Hà Nội, ngày tháng năm 2007 Chủ nhiệm Đề tài Cơ quan chủ trì Đề tài Q.Viện tr−ởng Viện Nghiên cứu Địa chính TS. Lê Minh TS. Nguyễn Dũng Tiến Hà Nội, 12-2007 1 danh sách những ng−ời thực hiện STT Họ và tên Cơ quan 1. TS. Lê Minh Trung tâm Viễn thám 2. KS. Nguyễn Tuấn Anh Trung tâm Viễn thám 3. KS. Điều Văn Vân Viện Nghiên cứu Địa chính 4. KS. Trần Đình ấu Viện Nghiên cứu Địa chính 5. KS. Lê Thanh Hải Cục Địa chất và Khoáng sản 6. KS. Phan Xuân Hậu Viện Nghiên cứu Địa chính 7. TS. Trần Đình Lữ Viện Nghiên cứu Địa chính 8. TS. Maiorov MA Viện Nghiên cứu Trắc địa Bản đồ Liên bang Nga 9. TS. Kopachevski Xí nghiệp Trắc địa ảnh Mátcơva - Liên bang Nga 10. TS. Nhiverov Xí nghiệp Trắc địa ảnh Mátcơva - Liên bang Nga 2 Bài tóm tắt Đề tài Hợp tác Quốc tế về Khoa học công nghệ và Môi tr−ờng “Phối hợp nghiên cứu để xây dựng và hoàn thiện hệ thống trọng lực phục vụ công tác nghiên cứu l∙nh thổ và khai thác tài nguyên, bảo vệ môi tr−ờng ở Việt Nam” là đề tài hợp tác với Liên hiệp Trắc địa Bản đồ ảnh của Liên bang Nga nhằm mục đích xây dựng và hoàn thiện hệ thống trọng lực quốc gia ở n−ớc ta. Mục tiêu cơ bản của đề tài là phối hợp và hợp tác với cơ quan đo đạc và bản đồ của Liên bang Nga nhằm thực hiện dự án “Xây dựng và hoàn thiện hệ thống trọng lực quốc gia ở Việt Nam” đã đ−ợc Bộ Tài nguyên và Môi tr−ờng phê duyệt và đ−a vào thực hiện từ năm 2003. Ngoài ra, còn xây dựng cơ sở khoa học cho việc thống nhất hệ thống độ cao khu vực thông qua việc ứng dụng ph−ơng pháp đo cao vệ tinh. Đề tài đã giải quyết đ−ợc các nội dung chính sau: - Xây dựng các yêu cầu cơ bản cho việc xây dựng hệ thống trọng lực nhà n−ớc bao gồm l−ới trọng lực cơ sở và l−ới trọng lực hạng I. Đ−a ra các yêu cầu về độ chính xác của các l−ới trọng lực phục vụ cho việc xác định sự thay đổi của trọng lực với đại l−ợng thay đổi hàng năm từ 0,01 - 0,03 mGal cần phải xác địh độ chính xác của giá trị trọng lực tuyệt đối là ± 0,005 mGal. Ngoài ra, còn xem xét đến độ chính xác trung bình của dị th−ờng trọng lực theo các ô chuẩn 3’ x 3’ phục vụ xây dựng mô hình Geoid độ chính xác cao ở Việt Nam. Các yêu cầu về tọa độ và độ cao cần phải xác định cho các mốc trọng lực cơ sở và trọng lực hạng I đ−ợc nghiên cứu có căn cứ khoa học. • Đối với l−ới trọng lực cơ sở: MX,Y≤ 0,5 m, Mh ≤ 2,0 cm • Đối với l−ới trọng lực hạng I: MX,Y≤ 2,0 m, Mh ≤ 5,0 cm - Trong báo cáo đã đề cập đến việc thu thập và đánh giá tổng quan về hệ thống trọng lực hiện có ở n−ớc ta và ở CHDCND Lào. Trên cơ sở các đánh giá trên đã đ−a ra các yêu cầu kỹ thuật trong việc xây dựng hệ thống trọng lực nhà n−ớc bao gồm: • Yêu cầu kỹ thuật xây dựng l−ới trọng lực cơ sở; • Yêu cầu kỹ thuật xây dựng l−ới trọng lực hạng I. Trong phần này đã xây dựng quy trình đo và xử lý kết quả đo trọng lực (đo trọng lực tuyệt đối và đo trọng lực t−ơng đối), đã xây dựng phần mềm tính toán bình sai trọng lực tuyệt đối và l−ới trọng lực (ch−ơng trình bình sai l−ới trọng lực 3 đã đ−ợc áp dụng cho l−ới trọng lực điểm tựa). Trên cơ sở những nghiên cứu trên đã đề xuất ph−ơng án xây dựng l−ới trọng lực nhà n−ớc ở Việt Nam bao gồm: • L−ới trọng lực cơ sở: có 12 điểm • L−ới trọng lực hạng I: có 28 điểm L−ới trọng lực cơ sở sử dụng máy trọng lực tuyệt đối GBL của Nga để đo. L−ới trọng lực hạng I sử dụng bộ máy con lắc t−ơng đối AGAT (Nga) để đo. Các l−ới trọng lực nhà n−ớc có sự hợp tác với Liên bang Nga để thực hiện. Trong thời gian thực hiện Đề tài đã phối hợp với Xí nghiệp Trắc địa ảnh Matscơva đo đ−ợc 4 điểm trọng lực tuyệt đối và 1 điểm trọng lực hạng I. Đề tài đã xây dựng ph−ơng án thống nhất hệ thống độ cao khu vực thông qua việc nghiên cứu ph−ơng pháp xác định độ chênh δh giữa mặt n−ớc biển trung bình và mặt Geoid ở điểm khởi tính độ cao (ở n−ớc ta ở điểm Hòn Dấu độ chính xác đó khoảng 0,9 m). Đã xây dựng ph−ơng pháp thống nhất hệ thống độ cao thông qua việc xử lý hỗn hợp dữ liệu GPS - TC và độ cao Geoid trên cơ sở xây dựng l−ới GPS trên các mốc độ cao quốc gia. Đề tài đã đề xuất ph−ơng pháp bình ph−ơng tối thiểu Collocation trong việc xử lý các dữ liệu trên. Các kết quả của đề tài đã đ−ợc Viện Nghiên cứu Địa chính đ−a vào áp dụng trong việc thực hiện dự án “Xây dựng và hoàn thiện hệ thống trọng lực nhà n−ớc”. 4 Mục lục Đặt vấn đề............................................................................................................... 7 1. Các yêu cầu cho l−ới trọng lực quốc gia ........................................ 10 1.1 Các yêu cầu cơ bản cho l−ới trọng lực quốc gia...................................10 1.2 Yêu cầu về độ chính xác của l−ới trọng lực quốc gia ...........................11 2. Hiện trạng của hệ thống trọng lực ở Việt Nam và khả năng sử dụng vào mục đích trắc địa ..................................................................... 15 2.1 Hiện trạng về hệ thống trọng lực ở Việt Nam .......................................15 2.2 Điểm gốc trọng lực ...............................................................................16 2.3 Đ−ờng đáy trọng lực .............................................................................16 2.4 L−ới trọng lực cơ sở ..............................................................................17 2.5 L−ới trọng lực hạng I.............................................................................17 2.6 L−ới trọng lực hạng II............................................................................18 2.7 L−ới trọng lực hạng III và trọng lực chi tiết............................................18 2.8 Các dữ liệu trọng lực biển và trọng lực vũ trụ.......................................19 2.9 Các dữ liệu trọng lực ở Lào ..................................................................20 3. Xây dựng L−ới trọng lực quốc gia........................................................ 23 3.1 Các yêu cầu và giải pháp kỹ thuật xây dựng l−ới trọng lực hạng cao..24 3.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của l−ới trọng lực cơ bản quốc gia.................24 3.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của l−ới trọng lực hạng I ................................25 4. Ph−ơng án đo trọng lực độ chính xác cao ....................................... 27 4.1 Đo trọng lực tuyệt đối ...........................................................................27 4.1.1 Nguyên tắc chung ........................................................................27 4.1.2 Một số máy trọng lực tuyệt đối ....................................................28 4.1.3 Đo trọng lực tuyệt đối bằng máy Lazer GBL (Nga)....................30 4.1.4 Trình tự đo trọng lực bằng máy GBL..........................................33 4.2 Đo trọng lực t−ơng đối ..........................................................................34 4.2.1 Nguyên tắc chung ........................................................................34 5. Tính toán giá trị trọng lực và đánh giá độ chính xác................... 37 5.1 Tính toán giá trị trọng lực tuyệt đối .......................................................37 5.2 Tính giá trị trọng lực t−ơng đối..............................................................40 5.2.1 Tính giá trị trọng lực từ các kết quả đo bằng máy trọng lực con lắc t−ơng đối .................................................................................40 5.2.2 Đánh giá độ chính xác kết quả đo bằng máy trọng lực con lắc t−ơng đối.......................................................................................41 5.2.3 Tính giá trị trọng lực từ kết quả đo bằng các máy trọng lực tĩnh .......................................................................................................43 5.2.4 Số hiệu chỉnh các kết quả đo về tâm mốc...................................47 5 6. Bình sai l−ới trọng lực .............................................................................. 47 6.1 Nguyên tắc chung ................................................................................47 7. Ph−ơng án xây dựng l−ới trọng lực quốc gia ở Việt nam............ 48 7.1 Thiết kế l−ới trọng lực cơ sở. ................................................................48 7.2 Thiết kế l−ới trọng lực hạng I ................................................................50 7.3 Đo trọng lực hạng I bằng máy “Agat” ...................................................51 7.4 Kiểm tra kết quả đo ngoại nghiệp ........................................................53 7.5 Đo các điểm trọng lực vệ tinh...............................................................53 8. Kết quả đo trọng lực tuyệt đối............................................................. 54 8.1 Khái quát chung ...................................................................................54 8.2 Kết quả đo trọng lực tuyệt đối ..............................................................55 9. Ph−ơng án đo và thống nhất hệ thống độ cao................................ 56 9.1 Giới thiệu chung ...................................................................................56 9.2 Cơ sở khoa học của hệ thống độ cao...................................................56 9.3 Ph−ơng pháp thống nhất hệ độ cao.....................................................63 10. Kết luận và Kiến nghị .................................................................................. 67 10.1 Kết luận................................................................................................67 10.2 Kiến nghị..............................................................................................68 Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 70 Phụ lục 6 Đặt vấn đề Trọng lực là ngành khoa học về trái đất nghiên cứu xác định tr−ờng trọng lực của trái đất và xác định hình dạng của trái đất. Trọng lực là ngành khoa học chung của trái đất nh−ng nó là một phần không thể tách biệt đ−ợc của Trắc địa. Trọng lực trong Trắc địa đóng vai trò to lớn, nó giải quyết nhiều bài toán của Trắc địa nh− xác định độ lệch dây dọi và dị th−ờng độ cao trọng lực để chỉnh lý các trị đo góc và các trị đo cạnh về mặt ellipsoid quy chiếu. Dị th−ờng độ cao trọng lực đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mô hình Geoid cục bộ và toàn cầu. Dị th−ờng trọng lực còn phục vụ cho việc xác định các số cải chính trọng lực cho việc thành lập hệ độ cao chuẩn. Nhờ có các giá trị trọng lực trong thời kỳ những năm 70 và 80 của thế kỷ tr−ớc chúng ta đã xác định đ−ợc độ chính xác của độ lệch dây dọi 0’’,5 và dị th−ờng độ cao đạt độ chính xác 3,0m đáp ứng đ−ợc việc chỉnh lý hệ thống trắc địa bằng công nghệ cổ truyền. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học trắc địa trong phạm vi toàn cầu, nhiều bài toán trắc địa đ−ợc giải quyết với sự tham gia của nhiều n−ớc đã cho kết quả có độ chính xác hơn và khả năng ứng dụng cao hơn vào nhiều nhiệm vụ nghiên cứu khoa học và phát triển kinh tế của mỗi n−ớc. Hệ thống các số liệu trọng lực toàn cầu đã đ−ợc thiết lập với độ chính xác cao bằng nhiều công nghệ và ph−ơng pháp khác nhau. Tr−ớc hết, công nghệ trọng lực mặt đất ngày nay các thiết bị đo trọng lực trên đất liền và trên biển đã có những cải tiến đáng kể. Với các thiết bị đo mặt đất, hệ thống các máy trọng lực tuyệt đối thế hệ mới ra đời có kết hợp công nghệ điện tử và tin học cho phép xác định độ chính xác giá trị trọng lực tuyệt đối tới ± 2àKGal đối với máy trọng lực tuyệt đối FG-5 (Mỹ) hoặc ± 5àKGal với các máy trọng lực tuyệt đối GBL (Nga). Độ chính xác trên mở ra những ứng dụng hết sức quan trọng của trọng lực cho nghiên cứu xây dựng mô hình Geoid độ chính xác cao tới 1cm, xác định sự thay đổi của giá trị trọng lực do sự biến đổi thất th−ờng của vật chất cũng nh− sự chuyển động của vỏ trái đất là cơ sở để phát hiện động đất. Sự biến đổi của khí hậu thời tiết, sự chuyển động của vật chất trong lòng đại d−ơng ... cũng có thể thấy đ−ợc qua việc xác định sự biến đổi của trọng lực. Hệ thống trọng lực t−ơng đối cũng có những cải tiến và phát triển đáng kể. Thế hệ máy trọng lực t−ơng đối Lacoste Rombert (G) (Mỹ) có biên độ đo tới 7000 mGal và độ chính xác đạt 0,01 mGal, các máy Ascania (Tây Đức) có biên 7 độ tới 5000 mGal, độ chính xác đạt tới ± 0,01 mGal cho phép thiết lập các mạng l−ới trọng lực trong phạm vi từng quốc gia, từng khu vực với độ chính xác rất cao và với mật độ điểm tuỳ ý. Cũng cần l−u ý rằng sự dao động (xê dịch) của điểm “0” của các máy này rất nhỏ, trong vòng 24h chỉ đạt 0,1 - 0,2 mGal. Hệ thống máy đo trọng lực biển đã đ−ợc cải tiến đáng kể, nếu tr−ớc đây các máy đo trọng lực biển đặt trên tàu do hiệu ứng EVOST chỉ có thể đạt độ chính xác từ 3-5 mGal thì ngày nay các máy trọng lực có thể đo đ−ợc cả trên biển và trên không đạt độ chính xác nhỏ hơn 1 mGal, đó là các loại máy của hãng Lacoste Rombert (Sea air Gravity). Độ chính xác đo trọng lực trên biển đ−ợc nâng lên phần nhiều phụ thuộc vào việc tự động hoá hoàn toàn quá trình đo và xử lý các số liệu đo. Hệ thống giám sát và kiểm soát các dữ liệu cũng đ−ợc tự động hoá cao, hiệu ứng EVOST đã đ−ợc xử lý tính toán đạt độ chính xác tới phần m−ời mGal. Ngoài ra, việc định vị tàu bằng công nghệ GPS có độ chính xác tới 1 - 2m cũng làm tăng đáng kể độ chính xác của dị th−ờng trọng lực. Hệ thống trọng lực toàn cầu đ−ợc thiết lập không chỉ nhờ vào việc đo trọng lực trên đất liền và trên biển mà còn nhờ vào công nghệ vũ trụ. Nhờ vào kết quả đo liên tục khoảng cách từ vệ tinh tới mặt n−ớc biển ng−ời ta có thể xác định đ−ợc độ cao Geoid trên biển với độ chính xác tới decimeter và xác định dị th−ờng trọng lực với độ chính xác nhỏ hơn 10 mGal. Trong giai đoạn hiện nay, các mô hình trọng tr−ờng trái đất đã đ−ợc thiết lập nh− mô hình EGM-96 (Mỹ) hoặc GAO-97 (Nga) xác định đ−ợc nhờ các hệ số điều hoà cầu có bậc n = m =360, đồng thời nhờ các hệ số điều hoà này có thể xác định dị th−ờng trọng lực toàn cầu với độ chính xác cho vùng đất liền từ 20 - 30 mGal, cho vùng biển từ 6 - 10mGal. Với độ chính xác của dị th−ờng trọng lực trên cho phép xác định độ cao Geoid với độ chính xác từ 0,5 - 1,5m trong phạm vi toàn cầu. Từ năm 2004, Mỹ đã đ−a vào hoạt đông hệ thống trọng l−c vệ tinh Grace cho phép xác định giá trị trọng lực trong phạm vi toàn cầu với độ chính xác cao gấp nhiều lần so với mô hình trọng tr−ờng EGM-96. Độ chính xác trọng lực đạt tới 5-10 mgal. Ngoài ra, ngày nay với việc sử dụng các thiết bị đo trọng lực vũ trụ nh− gradiometer có thể xác định giá trị trọng lực với độ chính xác tới 1 - 2 mGal. ở Việt Nam, từ năm 1998 đã tiến hành nghiên cứu sử dụng các dữ liệu trọng lực đo đ−ợc trên đất liền, trên biển và các dữ liệu từ các mô hình trọng tr−ờng trái đất phục vụ cho việc xây dựng mô hình Geoid đáp ứng cho nhiệm vụ chỉnh lý hệ thống l−ới toạ độ ở Việt Nam. 8 Hệ thống trọng lực Việt Nam đ−ợc xây dựng từ năm 70 của thế kỷ tr−ớc, có điểm gốc trọng lực ở Hà Nội đ−ợc đo nối với hệ thống trọng lực quốc tế thông qua điểm PoCoVo (Nga) với độ chính xác đo t−ơng đối ± 0,04 mGal. Hệ thống trọng lực trên đã đ−ợc truyền tới các điểm trọng lực hạng I, hạng II phủ trùm cả n−ớc. Năm 1998, hệ thống trọng lực Việt Nam đã đ−ợc hiện đại hoá, tuy nhiên độ chính xác cũng không đ−ợc tăng lên. Hiện nay, hệ thống trọng lực cũ đã có nhiều thay đổi tới 70% số mốc trọng lực hạng I và hạng II đã bị mất ở thực địa. Các giá trị trọng lực, nhất là về toạ độ và độ cao ch−a đ−ợc xác định với độ chính xác cần thiết. Yêu cầu đòi hỏi phải xây dựng hệ thống trọng lực với độ chính xác cao theo các tiêu chuẩn quốc tế đã đ−ợc đặt ra cho công tác trắc địa ở Việt Nam để giải quyết các bài toán về xây dựng mô hình Geoid độ chính xác cao cỡ vài centimeter, thậm chí là 1cm; vấn đề nghiên cứu sự chuyển dịch của vỏ trái đất, phát hiện sớm các nguyên nhân động đất; vấn đề biến đổi của vật chất, sự chuyển động của thềm lục địa và biến đổi của môi tr−ờng cũng nh− các bài toán về thăm dò dầu khí, khoáng sản, tài nguyên thiên nhiên đòi hỏi phải xây dựng một hệ thống trọng lực có độ chính xác tới phần trăm mGal hoặc phần nghìn mGal mới đáp ứng thoả mãn đ−ợc các nhiệm vụ nghiên cứu lãnh thổ và phát triển kinh tế, phòng tránh thiên tai trong thời gian hiện nay và các năm tiếp theo. Hệ thống trọng lực quốc gia ở n−ớc ta đ−ợc xây dựng và sẽ hoàn thành trong thời gian 2003- 2007. Trong dự án này chúng tôi sẽ trình bày các chuyên mục chính sau: − Yêu cầu cho l−ới trọng lực quốc gia; − Hiện trạng hệ thống trọng lực ở Việt Nam và khả năng sử dụng trong trắc địa; − Các giải pháp kỹ thuật công nghệ đo trọng lực hạng cao: • Đo trọng lực tuyệt đối • Đo trọng lực t−ơng đối − Xây dựng ph−ơng án xử lý toán học các số liệu trọng lực hạng cao; − Xây dựng ph−ơng án đo trọng lực độ chính xác cao; − Xây dựng quy trình công nghệ đo và xử lý kết quả đọ trọng lực hạng cao; − Ch−ơng trình xử lý, tính toán các kết quả đo trọng lực; − Xây dựng ph−ơng án đo và xử lý thống nhất hệ thống độ cao. 9 − Thực hiện các chuyên mục trên có sự tham gia của các chuyên gia trong n−ớc và các chuyên gia Nga từ Viện Nghiên cứu Trắc địa Bản đồ Liên Bang Nga và Xí nghiệp Đo vẽ ảnh Địa hình Moskva - Liên Bang Nga. 1. Các yêu cầu cho l−ới trọng lực quốc gia 1.1 Các yêu cầu cơ bản cho l−ới trọng lực quốc gia L−ới trọng lực quốc gia là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống trắc địa quốc gia. L−ới trọng l−c quốc gia có vai trò quan trọng cho việc nghiên cứu tr−ờng trọng lực, xác định kích th−ớc hình dạng của trái đất trong phạm vi toàn cầu và trong từng khu vực (phần lãnh thổ của mỗi quốc gia) và nghiên cứu sự biến thiên của trọng tr−ờng theo thời gian, đồng thời còn phuc vụ cho việc giải quyết các nhiệm vụ khoa học về trái đất, các nhiệm vụ khảo sát thăm dò khoáng sản. Hệ thống trọng lực quốc gia còn phục vụ cho việc thiết lập trong cả n−ớc mạng l−ới trọng lực thống nhất có độ chính xác cao. Nh− vậy, để đảm bảo các yêu cầu của các nhiệm vụ trên hệ thống trọng lực ngày nay cần đ−ợc xây dựng phải thoả mãn các yêu cầu sau : − L−ới trọng lực quốc gia đ−ợc xây dựng phủ chùm lãnh thổ, các điểm của l−ới đ−ợc xây bằng các mốc bê tông vững chắc, trên mỗi điểm đ−ợc đo trọng lực tuyệt đối (xác định giá trị g) hoặc giữa các điểm đo trọng lực t−ơng đối (xác định ∆g ). − L−ới trọng lực quốc gia đ−ơc phân thành hai cấp: • L−ới trọng lực cơ sở, nhiệm vụ cơ bản của l−ới trọng lực cơ sở để nghiên cứu sự biến thiên của trọng l−c theo thời gian; • L−ới trọng lực hạng I để thiết lập hệ thống trọng lực thống nhất độ chính xác cao phủ chùm trong cả n−ớc. − L−ới trọng lực quốc gia cần đ−ợc xây dựng với độ chính xác cao đảm bảo cho việc nghiên cứu xác định sự biến thiên của trọng lực theo chu kì hàng năm với đại l−ợng thay đổi trung bình khoảng t