ii

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP
CHUYỂN ĐỔI HỆ THỐNG TOẠ ĐỘ, ĐỘ CAO HẢI ĐỒ VỀ
HỆ THỐNG TOẠ ĐỘ, ĐỘ CAO QUỐC GIA ĐỂ THỐNG
NHẤT TƯ LIỆU BẢN ĐỒ SỬ DỤNG TRONG QUÂN ĐỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

TRẦN VĂN HẢI

HÀ NỘI, NĂM 2018


iii

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN
ĐỔI HỆ THỐNG TOẠ ĐỘ, ĐỘ CAO HẢI ĐỒ VỀ HỆ THỐNG TOẠ
ĐỘ, ĐỘ CAO QUỐC GIA ĐỂ THỐNG NHẤT TƯ LIỆU BẢN ĐỒ
SỬ DỤNG TRONG QUÂN ĐỘI
TRẦN VĂN HẢI
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ: 60520503


TÁC GIẢ LUẬN VĂN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Văn Hải


2

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Xuân Bắc,
giảng viên Khoa Trắc địa và Bản đồ, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà
Nội. Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ,
hướng dẫn và động viên của Thầy trong suốt thời gian tác giả làm luận văn.
Trong quá trình học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội, được sự giúp đỡ và nhiệt tình giảng dạy của các thầy, các cô trong
trường nói chung và trong Khoa Trắc địa Bản đồ nói riêng, tác giả đã trang bị cho mình
những kiến thức cơ bản về chuyên môn cũng như lối sống, tạo hành trang vững chắc
cho công tác sau này. Kính chúc các thầy, các cô luôn luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và
thu được nhiều thành công trong sự nghiệp giảng dạy, đào tạo và trong cuộc sống.
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực cố gắng của bản thân,
tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám đốc Xí nghiệp Trắc địa, Công ty
Trắc địa Bản đồ đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả được theo học và hoàn thành luận
văn Thạc sỹ. Xin trân trọng cảm ơn PGS. TSKH Hà Minh Hòa, nguyên Viện trưởng
Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ đã cho phép sử dụng các kết quả nghiên cứu của
Thầy trong luận văn. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Đại tá, TS. Nguyễn Đình
Thành, Cục Bản đồ, BTTM và Thầy giáo Lương Thanh Thạch, giảng viên Khoa Trắc
địa và Bản đồ, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về các định hướng
nghiên cứu khoa học. Xin cảm ơn về sự hợp tác hiệu quả trong nghiên cứu với Đại tá
Khương Văn Long, Phó Chỉ huy trưởng Đoàn Đo đạc Biên vẽ hải đồ và Nghiên cứu

1.2.2. Mô hình quasigeoid toàn cầu (EGM2008) ...............................................19
1.2.3. Mô hình mặt biển trung bình (MSS) .........................................................21
1.2.4. Mô hình địa hình động lực trên biển (DTU10 MDT) ...............................23
1.2.5. Mối quan hệ giữa một số mô hình bề mặt cơ bản trên biển .....................24
1.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu........................................................27
CHƯƠNG 2. CHUYỂN ĐỔI HỆ THỐNG TỌA ĐỘ, ĐỘ CAO HẢI ĐỒ VỀ
HỆ THỐNG TỌA ĐỘ, ĐỘ CAO QUỐC GIA .....................................................28
2.1. Cơ sở toán học của bản đồ địa hình và hải đồ sử dụng trong quân đội ..28
2.1.1. Cơ sở toán học của bản đồ địa hình.........................................................28
2.1.2. Cơ sở toán học của hải đồ ........................................................................32
2.1.3. Cơ sở toán học của bản đồ địa hình đáy biển ..........................................34
2.2. Một số phương pháp tính quy chuyển độ cao hải đồ về độ cao quốc gia 34
2.3. Lý thuyết về xây dựng một số mô hình bề mặt cơ bản cục bộ..................38


4

2.3.1. Ellipsoid quy chiếu quốc gia ....................................................................40
2.3.2. Xây dựng mô hình quasigeoid cục bộ ......................................................42
2.3.3. Xây dựng mô hình mặt nước biển trung bình cục bộ ...............................49
2.3.4. Xây dựng mô hình mặt nước biển thấp nhất cục bộ .................................52
2.4. Chuyển đổi hệ thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao
quốc gia dựa trên các mô hình bề mặt cơ bản trên biển ..................................54
2.4.1. Chuyển đổi hệ tọa độ hải đồ về hệ tọa độ quốc gia .................................54
2.4.2. Chuyển độ cao hải đồ về độ cao quốc gia................................................58
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM......................................................61
3.1. Khái quát về khu vực thực nghiệm .............................................................61
3.2. Thu thập, tập hợp và xử lý số liệu ...............................................................64
3.3. Thực nghiệm xây dựng mô hình mặt biển trung bình và mặt biển thấp
nhất trên vùng biển Việt Nam ............................................................................68


CTP

Conventional Terrestrial Pole

Cực quy ước Trái đất

D
DEM

Mô hình số độ cao

Digital Elevation Model
E

EGM

Earth Gravitational Model

EGM96

Earth Gravitational Model 1996

EGM2008

Earth Gravitational Model 2008

IAG
IGS
ITRF

bình
Mặt nước biển trung bình

MDTTBKV

Mặt biển trung bình khu vực

MBTNKV

Mặt biển thấp nhất khu vực

MDTVN2015

Mặt biển trung bình cục bộ

LSS2015

Mặt biển thấp nhất cục bộ


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các thời kỳ nâng cấp khung quy chiếu WGS84. .....................................18
Bảng 3.1. Độ cao mặt biển trên các trạm nghiệm triều (Nguồn [10])…………….….64
Bảng 3.2. Độ cao các mặt trên biển các trạm nghiệm triều (Nguồn Đoàn 6 [6]) .....65
Bảng 3.3. Kết quả đánh giá độ chính xác chênh cao giữa mô hình MDTTBKV và
mô hình MBTNKV36 ...............................................................................................77
Bảng 3.4. Tọa độ mắt lưới của hải đồ và bản đồ địa hình ........................................82
Bảng 3.5. Kết quả tính chuyển toạ độ các điểm đo độ sâu trên hải đồ từ hệ toạ độ

Hình 3.6. Sử dụng công cụ Spline để xây dựng mô hình MDTTBKV ....................71
Hình 3.7. Sử dụng công cụ Contour để vẽ các đường đẳng trị độ cao MDTTBKV 72
Hình 3.8. Thể hiện thang tầng màu độ cao MDTTBKV ...........................................72
Hình 3.9. Mô hình MDTTBKV trên vùng biển Việt Nam ........................................73
Hình 3.10. Mô tả công cụ Spline để xây dựng mô hình MBTNKV36 ....................74
Hình 3.11. Mô tả công cụ Contour để vẽ các đường đẳng trị độ cao MBTNKV36 75
Hình 3.12. Mô tả thang tầng màu độ cao mặt biển thấp nhất khu vực.....................76


8

Hình 3.13. Mô hình MBTNKV36 trên vùng biển Việt Nam ...................................76
Hình 3.14. Mô hình MBTNKV65 trên vùng biển Việt Nam ...................................81
Hình 3.15. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 trong Hệ tọa độ VN2000, phép chiếu
UTM, múi chiếu 60, hệ độ cao HP72 được chuyển từ hải đồ tỷ lệ 1:100.000, phép
chiếu Mercator, độ sâu tính theo số "0" hải đồ khu vực ...........................................87
Hình 16a. Hình ảnh phóng to một khu vực hải đồ……………...…………………88
Hình 16b. Hình ảnh phóng to một khu vực bản đồ địa hình .................................... 88


9

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên: Trần Văn Hải
Lớp: CH2B.TĐ

Khóa: 2

Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Bắc
Tên đề tài: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp chuyển đổi hệ thống

biển; đo đạc, thành lập các loại bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu biển được đầu tư
toàn diện, từ máy móc phương tiện tiên tiến, các phần mềm hiện đại đến việc đào
tạo nguồn nhân lực chất lượng cao. Nhiệm vụ đo đạc, biên vẽ hải đồ được giao cho
Đoàn Đo đạc và Biên vẽ hải đồ và Nghiên cứu biển (Đoàn 6), Bộ Tư lệnh Hải quân
và một số cơ quan chuyên ngành của Bộ Tài nguyên và Môi trường thực hiện. Công
tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển do Trung tâm Trắc địa Bản đồ biển/ Tổng cục
Biển và Hải đảo Việt Nam thực hiện. Với sự nỗ lực của toàn Ngành trong gần 30 năm
qua, đến nay các loại bản đồ biển cơ bản đã phủ kín toàn bộ vùng biển Việt Nam.
Trong các hình thức tác chiến hiện đại của Quân đội nhân dân Việt Nam với
sự tham gia của nhiều quân, binh chủng trên phạm vi không gian rộng lớn, cần phải
sử dụng tư liệu địa hình (cả đất liền và vùng biển) thống nhất trong một cơ sở toán
học. Do bản đồ địa hình đáy biển chưa phủ kín vùng biển Việt Nam, đặc biệt là các
khu vực thềm lục địa và các đảo, quần đảo xa bờ, nên cần thiết phải chuyển đổi hệ
thống tọa độ, độ cao hải đồ về hệ thống tọa độ, độ cao quốc gia để thống nhất tư
liệu địa hình sử dụng trong Quân đội.


11

Vấn đề chuyển đổi tọa độ, độ cao của các mặt biển (trung bình, thấp nhất) tại
các trạm nghiệm triều về hệ độ cao quốc gia, sử dụng phương pháp đo thủy chuẩn là
chính xác nhất. Tuy nhiên, trong thực tế thì nhiều trường hợp không thể thực hiện vì
lý do kinh phí. Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu xây dựng mặt biển
trung bình và mặt biển thấp nhất dựa trên số liệu đo mực nước biển của một số trạm
nghiệm triều ven bờ bằng phương pháp hải văn [12, 17], tuy nhiên sử dụng mặt biển
trung bình cục bộ được xây dựng theo số liệu đo mực nước tại các trạm nghiệm
triều dọc bờ biển Việt Nam không cho phép xác định được bề mặt tự nhiên biển
(mặt biển trung bình) trên toàn bộ Biển Đông [10]. Ngoài ra, sử dụng mặt biển
trung bình khu vực và mặt biển thấp nhất khu vực thống nhất trên toàn bộ vùng biển
để quy chiếu các trị đo sâu địa hình đáy biển (sau khi đã hiệu chỉnh sóng, thủy triều)

- Thu thập số liệu phục vụ tính toán thực nghiệm;
- Nghiên cứu các vấn đề về chuyển đổi tọa độ, độ cao giữa hải đồ và bản đồ
địa hình;
- Nghiên cứu phương pháp xây dựng và mối quan hệ giữa các mô hình bề mặt
cơ bản trên biển;
+ Nghiên cứu một số phương pháp tính quy chuyển độ cao hải đồ về độ cao
quốc gia;
+ Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi tọa độ, độ cao giữa các hệ thống tọa
độ, độ cao khác nhau dựa trên các mô hình bề mặt cơ bản trên biển;
+ Thực nghiệm chuyển đổi tọa độ, độ cao hải đồ về tọa độ, độ cao quốc gia,
đánh giá kết quả và rút ra kết luận.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:
- Phương pháp hồi cứu: Tìm kiếm, thu thập các tài liệu và cập nhật các thông
tin trên mạng Internet và thư viện.
- Phương pháp phân tích: Phân tích tính hợp lý của kết quả thực nghiệm, tính
logic trong lựa chọn phương pháp xử lý số liệu,...


13

- Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, phương pháp, công thức, kết
luận đã được chứng minh để xây dựng các mô hình mặt biển cơ bản cho bài toán
chuyển đổi hệ thống toạ độ và độ cao.
- Phương pháp so sánh: So sánh đánh giá phương pháp chuyển đổi theo mô hình
bề mặt cơ bản trên biển với quy định về độ chính xác theo phương pháp hải văn.
- Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên các kết quả thực nghiệm để làm sáng tỏ
ưu thế của việc sử dụng mô hình bề mặt cơ bản trên biển trong chuyển đổi tọa độ,
độ cao hải đồ về tọa độ, độ cao quốc gia.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

sát sẽ có vai trò khác nhau. Như vậy, cơ sở dữ liệu và bản đồ trong các hệ thống tọa
độ khác nhau sẽ giữ các vai trò khác nhau. Mặt khác, do đặc thù riêng của công tác
định vị dẫn đường trên biển, trong nhiều trường hợp có sử dụng các tư liệu quốc tế
nên vấn đề tính chuyển qua lại giữa hệ tọa độ quốc tế WGS84 và Hệ tọa độ quốc gia
VN2000 được thực hiện thường xuyên với yêu cầu độ chính xác phù hợp.
Trong các hoạt động của Quân đội, lực lượng không quân sử dụng bản đồ địa
hình ở tỷ lệ 1:250.000, 1:500.000 và nhỏ hơn cho khu vực đất liền và hải đồ tỷ lệ
1:300.000, 1:400.000, 1:500.000 và nhỏ hơn đối với các khu vực biển; lực lượng bộ
binh sử dụng bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000, 1:25.000, 1:50.000, 1:100.000 và nhỏ
hơn; lực lượng hải quân sử dụng hải đồ tỷ lệ 1:25.000, 1:50.000, 1:100.000 và nhỏ
hơn. Tùy thuộc vào quy mô và tính chất của chiến trường để xác định các hình thái
tác chiến với sự phối hợp của nhiều quân, binh chủng. Sử dụng nhiều loại tư liệu địa
hình sẽ gây ra rất nhiều khó khăn cho việc chỉ huy và hợp đồng tác chiến giữa các
quân binh chủng. Đối với vũ khí phương tiện hiện đại của quân đội hoạt động trên
phạm vi không gian rộng, hình thức tác chiến nhanh như máy bay, tên lửa đất đối
hạm, tên lửa bờ,... cần phải có cơ sở dữ liệu (CSDL) địa hình (cả phần đất liền và
phần biển) thống nhất trong một cơ sở toán học xác định,... CSDL và hệ thống bản
đồ cơ bản quốc phòng được quy định thống nhất với cơ sở toán học của CSDL và
hệ thống bản đồ cơ bản quốc gia. Tuy nhiên, bản đồ địa hình (phần đất liền) được
Cục Bản đồ, Bộ Tổng Tham mưu (BTTM) thành lập dựa trên hệ tọa độ VN2000,
phép chiếu UTM, hệ độ cao Hải phòng 1972 (HP72) cho dãy tỷ lệ 1:10.000,
1:25.000, 1:50.000; 1:100.000; 1:250.000, 1:500.000 và 1:1.000.000; hải đồ được


15

Đoàn 6 thành lập dựa trên hệ tọa độ WGS84 quốc tế, phép chiếu Mercator, hệ độ
cao tính theo mực nước thấp nhất lý luận 0 cho các dãy tỷ lệ; 1:1.000, 1:2.000,
1:5.000 và 1:10.000 cho các khu vực cảng, đảo/đá; 1:25.000, 1:50.000,
1:100.000,

nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình mặt biển trung bình khu vực và mặt
biển thấp nhất khu vực trên cơ sở sử dụng các thành quả khoa học tiên tiến của
thế giới phục vụ nhiệm vụ chuyển đổi độ cao hải đồ về độ cao quốc gia.


16

1.2. Tình hình nghiên cứu xây dựng các mô hình bề mặt cơ bản trên biển
1.2.1.Ellipsoid quy chiếu toàn cầu (WGS84)
Từ những năm 1950, khi bắt đầu sử dụng vệ tinh nhân tạo của Trái đất người ta
đã đưa ra hệ trắc địa toàn cầu WGS. Hệ quy chiếu WGS60 được coi là hệ trắc địa
toàn cầu đầu tiên, do Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD) thiết lập. Tiếp theo đó là các hệ
WGS66 và WGS72 được đưa ra nhằm nâng cao độ chính xác của hệ trắc địa toàn cầu
đáp ứng các yêu cầu của DoD. Hệ WGS72 phục vụ cho hệ thống TRANSIT.
Từ năm 1970, trên cơ sở quan trắc vệ tinh mà chủ yếu là trị đo Doppler từ
khoảng 1500 điểm, Liên đoàn Địa vật lý và Trắc địa quốc tế đã định nghĩa Hệ quy
chiếu GRS80 (Geodetic Reference System). GRS là Hệ quy chiếu không gian địa
tâm có Ellipsoid xấp xỉ gần đúng nhất với Trái Đất, được định nghĩa bằng các
thông số hình học và vật lý. Hệ thống trắc địa toàn cầu được thiết lập bởi Bộ Quốc
phòng Mỹ và được xác định dựa trên việc tính chuyển tọa độ của các vệ tinh
Doppler. Trong quá trình bình sai lưới, chỉ sử dụng các tập hợp số liệu của các
trạm quan trắc vệ tinh Doppler khác nhau mà không cần dùng tới các kết quả quan
trắc giao thoa cạnh đáy dài VLBI (Very Long Baseline Interferometry) và đo laze
đến vệ tinh SLR (Satellite Laser Ranging). Do hạn chế của kỹ thuật Doppler nên
độ tin cậy của lưới chỉ cỡ 1-2m, vận tốc của các trạm được coi là không đáng kể.
Từ khi công nghệ GPS phát triển, một số phần của lưới được đo bằng công
nghệ GPS và được đưa vào xử lý kết quả. Hệ quy chiếu WGS84 được xây dựng
dựa trên tọa độ của 10 trạm đo GPS của Bộ Quốc phòng Mỹ. Sau đó, tọa độ
WGS84 được xác định lại bằng việc sử dụng trị đo trong vài tuần từ một lưới toàn
cầu gồm 32 điểm, trong đó 10 điểm cũ của Bộ Quốc phòng Mỹ và 22 điểm của Tổ

Trong hệ quy chiếu WGS84 người ta sử dụng ellipsoid tham chiếu có các
tham số kích thước và hình dạng như sau :
- Bán trục lớn a = 6378137.0 m; độ dẹt f = 1:298.257223563
- Hệ thời gian: GPST (GPS Time)
Mô hình vật lý chuẩn của Trái đất sử dụng trong các ứng dụng GPS là hệ tọa
độ trắc địa WGS84 của Bộ Quốc phòng Mỹ. Một phần của WGS84 là mô hình chi
tiết của sự bất thường lực hấp dẫn của Trái đất. Các thông tin này là cơ sở để đạt


18

được độ chính xác của lịch vệ tinh, từ đó đạt được độ chính xác trong tính toán
vị trí của máy thu GPS80 được hiệp hội Trắc địa và Địa vật lý thế giới chấp nhận
năm 1979 và được đánh giá tiệm cận tốt nhất với mặt geoid toàn cầu. Các tham
số vật lý như sau:
- Hằng số trọng trường: GM=3986004,418.108m3/s2
- Tham số hình dạng động học của Trái đất: J2= 108263.10-8
- Tốc độ quay của Trái đất: ω=7292115.10-11rad/s
- Thế trọng trường chuẩn trên Ellipsoid U0 = 62 636 851,7146m2/s2
- Trọng lực chuẩn trên xích đạo γE = 9,7803253359m/s2
- Trọng lực chuẩn tại cực γP = 9,8321849378m/s2
Trong hệ tọa độ WGS84 chúng ta có thể biểu diễn vị trí của bất kỳ một
điểm nào trên mặt đất hoặc không gian ngoài Trái đất nhờ 3 thành phần toạ độ
vuông góc không gian địa tâm là X,Y,Z hay toạ độ trắc địa B,L,H.
Khung quy chiếu WGS84 đã được nâng cấp vào các năm 1997 và 2002 (Bảng 1.1).
Dựa trên hệ tọa độ WGS84 người ta đã xây dựng mô hình geoid toàn cầu
như DMA-10, OSU91A, EGM96, EGM-2008,... Hiện nay, sự khác biệt giữa
WGS84 và ITRF2005 là rất nhỏ, cỡ một vài cm.
Bảng 1.1. Các thời kỳ nâng cấp khung quy chiếu WGS84.
TT


4

WGS84(G1674)

1/2005


2. Đánh giá sai số trung phương của dị thường độ cao được xác định theo EGM2008:
- Đại dương: 6,1m
- Đất liền: 10,3m
- Nam Mỹ, Mỹ và Canada: 4,8m


21

- Toàn cầu: 11,1m
3. So sánh các dị thường độ cao được xác định theo kết quả GPS/thủy chuẩn
và theo EGM2008.
Sai số trung phương của các độ chênh:
- Toàn cầu: 13cm
- Trung Mỹ: 7,1cm
- Australia (phần đất liền): 26,6cm
Như vậy khi xác định độ cao geoid từ các hệ số điều hòa khai triển hàm cầu
của mô hình EGM2008 không cần thiết phải xác định số cải chính địa hình dựa trên
mô hình số độ cao quốc gia, bởi vì các dị thường trọng lực được xác định từ mô
hình EGM2008 đã được hiệu chỉnh bởi Mô hình mặt đất còn dư RTM.
Hiện nay mô hình EGM2008 được coi là mô hình tổng hợp nhất về trọng
trường Trái đất. Khi so sánh dị thường độ cao GNSS/thủy chuẩn và dị thường độ
cao trọng lực chúng ta sẽ xác định được độ chênh hệ thống giữa chúng. Việc xác
định độ chênh hệ thống giữa dị thường độ cao GNSS/thủy chuẩn và dị thường độ cao
trọng lực là cơ sở khoa học để giải quyết bài toán đồng bộ dị thường độ cao
GNSS/thủy chuẩn và dị thường độ cao trọng lực được xác định từ mô hình EGM2008
trong việc giải quyết bài toán xác định mô hình quasigeoid độ chính xác cao trên lãnh
thổ quốc gia.
1.2.3. Mô hình mặt biển trung bình (MSS)
Mô hình mặt biển trung bình (MSS) là một tham chiếu quan trọng trong việc
nghiên cứu biểu đồ biến đổi mực nước biển và mực nước biển. Mặt nước biển trung