Phương pháp tính chuyển dữ liệu độ sâu đáy biển từ hệ quy chiếu quốc tế sang hệ quy chiếu tọa độ, độ cao quốc gia

Phương pháp tính chuyển dữ liệu độ sâu đáy biển từ hệ quy chiếu quốc tế sang hệ quy chiếu tọa độ, độ cao quốc gia

Nguyễn Văn Sáng

Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, Việt Nam

Email tác giả liên hệ: nguyenvansang@humg.edu.vn

DOI: 10.5281/zenodo.15205483

Tóm tắt:

Mục đích của nghiên cứu này là đưa ra phương pháp tính chuyển dữ liệu độ sâu đáy biển từ hệ quy chiếu quốc tế sang hệ quy chiếu tọa độ, độ cao quốc gia Việt Nam. Các mô hình độ sâu đáy biển toàn cầu có độ vĩ (B), độ kinh (L) của điểm trong hệ WGS-84 và độ sâu so với mặt biển trung bình quốc tế (D_QT). Để tính chuyển sang hệ tọa độ VN2000 và độ sâu quốc gia thì cần phải xác định được độ cao trắc địa (H) của điểm trong WGS-84 và chênh lệch giữa mặt biển trung bình của Việt Nam và mặt biển trung bình quốc tế. Độ cao trắc địa này được xác định dựa vào độ cao geoid quốc tế từ mô hình EIGEN6C4; độ cao mặt biển trung bình quốc tế DTU15MDT và độ sâu quốc tế của điểm. Chênh lệch giữa hai mặt biển trung bình quốc gia và quốc tế được xác định dựa vào số liệu tại 31 trạm nghiệm triều của Việt Nam. Sau khi có được đầy đủ các thành phần tọa độ trong WGS84, tọa độ được tính chuyển bằng công thức Bursa-Wolf với 7 tham số chuyển đổi tọa độ giữa WGS-84 và VN2000. Thực nghiệm được tính toán đối với mô hình độ sâu GEBCO2022 trên khu vực giữa Biển Đông.

Từ khóa:Mô hình GEBCO2022, Độ sâu đáy biển, Mặt biển trung bình, Chuyển dữ liệu độ sâu đáy biển.

The method of tranfomation of seabed depth data from the international reference system to the national reference system

Nguyen Van Sang

¹Hanoi University of Mining and Geology, Ha Noi, Viet Nam

Corresponding Author Email: nguyenvansang@humg.edu.vn

Abstract:

The purpose of this study is to propose a method for tranformation of seabed depth data from the international reference system to the Vietnamese national reference system.Global seafloor bathymetric models have the latitude (B), longitude (L) of the points in the WGS-84 and the depth to the international mean dynamic topography (D_QT).For tranformation of these coordinates and depths to the VN2000 and the national vertical system, it is necessary to determine the ellipsoid height (H) of the points in the WGS-84 and the difference between the mean dynamic topography of Vietnam and the international mean dynamic topography.These ellipsoid heights are determined based on geoid height from the global Earth Gravity Model (EIGEN6C4); the international mean dynamic topography (DTU15MDT) and the international depth of the points.The difference between the national and international mean dynamic topography is determined based on data at 31 tidal gauge stations in Vietnam.After obtaining all coordinate components in the WGS84, the coordinates are tranformated using the Bursa-Wolf formula with 7 coordinate tranformation parameters between WGS-84 and VN2000.The experiments were calculated for the GEBCO2020 bathymetric model over the central East Sea.

Keywords:GEBCO2020 model, Seabed depth, Mean dynamic topography, Tranformation of the seabed depth data.

1. Giới thiệu

Việt Nam là một quốc gia có đường bờ biển dài. Diện tích vùng lãnh hải nước ta rộng lớn, vùng đặc quyền kinh tế rộng gần 1 triệu km². Biển - đảo đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế đất nước, trong công tác an ninh quốc phòng và giao lưu quốc tế.Bản đồ  địa hình đáy biển là dữ liệu điều tra cơ bản quan trọng về biển, mang nhiều giá trị khác nhau như: sử dụng cho mục đích hàng hải; hoạt động bảo vệ chủ quyền an ninh trên biển; các lĩnh vực quản lý, khai thác tài nguyên biển và các hoạt động nghiên cứu khoa học khác về biển... Trên các vùng biển, yếu tố chính của địa hình chính là độ sâu đáy biển. Độ sâu đáy biển càng được khảo sát và thể hiện một cách chính xác, chi tiết thì ý nghĩa phục vụ cho các hoạt động nghiên cứu, khảo sát, thể hiện các thông tin nghiên cứu khoa học khác càng có tính đắc dụng và hiệu quả cao. Nghiên cứu Biển Đông, khai thác tiềm năng biển để phục vụ phát triển kinh tế, bảo đảm an ninh quốc phòng, gìn giữ chủ quyền biển, đảo là chủ trương lớn của Đảng và Nhà Nước ta đã được khẳng định trong các nghị quyết của Ban Chấp hành Trung ương Đảng như:Nghị quyết 09-NQ/TW khóa X, Nghị quyết số 36-NQ/TW khóa XII vv…

Ở Việt Nam, công tác trắc địa biển được quan tâm phát triển từ những năm 1976, sau khi đất nước thống nhất. Chúng ta cũng đã thành lập được một số bản đồ đáy biển tỷ lệ lớn nhưng chủ yếu là ở các vùng ven bờ để phục vục các công trình xây dựng [1]. Còn khu vực ngoài khơi chỉ có một vài đơn vị đo bản đồ địa hình đáy biển để phục vụ chủ yếu nhu cầu xây dựng công trình biển, hải quân nhưng còn chưa phủ chùm được tất cả khu vực lãnh hải của Việt Nam và Biển Đông [2]. Theo Bộ Tài nguyên và Môi trong Hội nghị tổng kết bước đầu “Đề án tổng thể về điều tra cơ bản và quản lý tài nguyên, môi trường biển đến năm 2010, tầm nhìn đến 2020” (Đề án 47), đến hết năm 2018, Việt Nam đã thành lập hải đồ tỷ lệ 1:200.000 với khoảng 53% diện tích các vùng biển Việt Nam; hoàn thành điều tra địa hình đáy biển khoảng 24,5% diện tích vùng biển Việt Nam ở các tỷ lệ từ 1:500.000 đến 1:50.000. Như vậy, còn rất nhiều diện tích biển Việt Nam chưa được đo đo sâu đáy biển, đặc biệt là những vùng biển xa, biển sâu.

Trên thế giới những năm gần đây đã công bố một số mô hình độ sâu toàn cầu như: Mô hình độ sâu toàn cầu GEBCO2020 [3]; Mô hình độ sâu toàn cầu DTU18BAT [4]... Các mô hình này có tọa độ trắc địa B, L trong hệ tọa độ quốc tế WGS-84, độ sâu so với mặt biển trung bình quốc tế. Như vậy, có thể sử dụng các số liệu độ sâu từ các mô hình trên cho những vùng biển chưa có số liệu đo sâu trực tiếp. Tuy nhiên, cần phải chuyển đổi tọa độ sang VN2000 và độ sâu so với mặt biển trung bình của Việt nam.

Bài báo này tập trung nghiên cứu phương pháp xác định độ cao trắc địa của điểm độ sâu trong WGS-84 để phục vụ tính chuyển bộ dữ liệu độ sâu đáy biển từ hệ toạ độ quốc tế WGS-84 sang hệ toạ độ VN2000; và xác định chênh lệch giữa mặt biển trung bình của Việt Nam và quốc tế, từ đó tính chuyển độ sâu sang hệ quy chiếu độ cao của Việt Nam.

2. Khu vực và số liệu nghiên cứu

2.1. Khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu là khu vực giữa Biển Đông, có diện tích khoảng 363,000 km², giới hạn độ vĩ B: 8ºN - 14ºN; độ kinh: 110ºE - 115ºE (xem Hình 1). Đây là khu vực nằm trong phạm vi biển rìa có cấu kiến trúc đa dạng và phức tạp, đã trải qua một quá trình phát triển địa chất đặc biệt, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học địa chất-địa vật lý trong và ngoài nước [5, 6].

Địa hình đáy biển khu vực nghiên cứu rất đa dạng và phức tạp, mang tính đặc trưng của một biển rìa. Địa hình đáy biển với đặc thù là có trung tâm sụt sâu hơn 4000m được bao quanh bởi các đồng bằng bình nguyên biển thẳm xen lẫn các khối sót lục địa cổ (quần đảo Trường Sa), các máng trũng nước sâu - dấu vết của đới hút chìm cổ. Đặc điểm địa hình được chia thành các yếu tố như sau: thềm lục địa, sườn lục địa bao quanh thềm lục địa (sâu đến 2500 - 3000m) và trũng sâu (đáy biển thẳm - sâu trên 4000m) [5, 6].

Hình 1. Khu vực nghiên cứu và số liệu nghiên cứu

2.2. Số liệu nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, số liệu của mô hình độ sâu quốc tế GEBCO2020 được sử dụng. Lưới GEBCO_2020 cung cấp trên phạm vi toàn cầu về dữ liệu độ sâu với kích thước mắt lưới 15”x15”. Nó bao gồm 43200 hàng x 86400 cột, tương ứng 3.732.480.000 điểm dữ liệu. GEBCO2020 có tọa độ trong hệ tọa độ WGS84. Độ sâu so với mặt biển trung bình quốc tế [3]. Ở đây, chúng tôi sử dụng số liệu đã làm thưa với kích thước mắt lưới là 1’x1’. Vì bộ dữ liệu độ sâu đáy biển của GEBCO2020 trên khu vực giữa Biển Đông rất lớn (202501 điểm). Do đó, trong Bảng 1 dưới đây, chúng tôi trích giới thiệu một số điểm trong bộ dữ liệu.

Bảng 1. Trích giới thiệu một số điểm trong bộ dữ liệu độ sâu trên khu vực giữa Biển Đông [3]

Để xác định chênh lệch giữa mặt biển trung bình quốc gia và quốc tế, số liệu 31 trạm nghiệm triều đã được sử dụng. Số liệu các trạm nghiệm triều được tham khảo trong tài liệu [7]. Vị trí các trạm nghiệm triều được thể hiện trên Hình 1.

Ngoài ra, nghiên cứu này cũng sử dụng số liệu mô hình mặt biển trung bình quốc tế DTU15MDT, là mô hình được xây dựng từ số liệu đo cao vệ tinh bởi các nhà khoa học thuộc Trung tâm vũ trụ Đan Mạch thuộc Trường Đại học tổng hợp Kỹ thuật Đan Mạch [8] và mô hình thế trọng trường Trái đất EIGEN6C4 [9, 10].

3. Phương pháp nghiên cứu

3.1. Xác định độ cao trắc địa của điểm trong WGS-84 phục vụ công tác tính chuyển tọa độ

Mô hình độ sâu quốc tế chỉ có độ sâu (D_QT) so với mặt biển trung bình quốc tế (MDT_QT), và tọa độ B, L trong hệ tọa độ quốc tế WGS-84. Để có thể chuyển tọa độ về hệ VN2000 thì cần biết độ cao trắc địa (H) của các điểm so với mặt Ellipsoid WGS-84. Mối quan hệ giữa độ sâu và độ cao trắc địa được thể hiện trên Hình 2.

Hình 2. Mối quan hệ giữa độ sâu và độ cao trắc địa

Trong đó: D_QT là độ sâu (có giá trị âm), tính từ mặt biển trung bình quốc tế xuống đáy biển; ABS(D_QT) là giá trị tuyệt đối của độ sâu; δ_MDT là chênh lệch giữa mặt biển trung bình Việt Nam và mặt biển trung bình quốc tế, trong nghiên cứu này, là mặt DTU15MDT; h_MDT là độ cao mặt biển trung bình quốc tế (tính từ geoid quốc tế, tương ứng với DTU15MDT là geoid EIGEN6C4); N là độ cao geoid so với WGS-84; H là độ cao trắc địa trong hệ WGS-84 của điểm ở đáy biển.

Từ Hình 2, độ cao trắc địa được tính từ độ sâu theo công thức sau (lưu ý: độ sâu có giá trị âm):

Như vậy, để tính được độ cao trắc địa của các điểm đáy biển cần phải xác định độ cao geoid quốc tế, độ cao mặt biển trung bình quốc tế. Để chuyển độ sâu về hệ quy chiếu độ cao của Việt Nam thì cần biết chênh lệch giữa mặt biển trung bình toàn cầu và mặt biển trung bình của Việt Nam. Những vấn đề này sẽ được giải quyết trong những nội dung tiếp theo.

3.2. Xác định độ cao geoid quốc tế

Mô hình EIGEN-6C4 có bán kính bán trục lớn a= 6378136.46 m, hằng số trọng trường địa tâm: GM= 3986004.415x108 m³/s² được xây dựng bởi cơ tổ chức GFZ Potsdam và GRGS Toulouse vào năm 2014 [9]. Các nguồn dữ liệu để xây dựng mô hình EIGEN-6C4 bao gồm: Số liệu đo cao vệ tinh; số liệu đo trọng lực; số liệu trọng lực vệ tinh: Goce, Grace và Lageos [11] (xem Hình 3).

Hình 3. Các nguồn dữ liệu phục vụ xây dựng mô hình EIGEN-6C4 [11]

Độ cao geoid quốc tế EIGEN6C4 của các điểm được tính toán theo công thức [12]:

trong đó: GM là hằng số hấp dẫn của Trái đất; r là khoảng cách từ điểm xét tới tâm Trái Đất; a là bán trục lớn của ellipsoid tham chiếu; n, m là cấp và bậc tương ứng của hàm điều hòa cầu; N_max là bậc cực đại của hàm điều hòa cầu (N_max = 2190 đối với mô hình EIGEN6C4); φ là vĩ độ địa tâm; λ là kinh độ địa tâm; Cn,m,Sn,m là hệ số hàm điều hòa cầu chuẩn hóa; Pnmsinφ là hàm Legendre đã được chuẩn hóa. Các hệ số hàm điều hòa cầu Cn,m,Sn,m của mô hình trường trọng lực trái đất quốc tế (EIGEN6C4) có tại Trung tâm quốc tế về mô hình trái đất toàn cầu [10].

3.3. Xác định độ cao mặt biển trung bình quốc tế từ mô hình DTU15MDT

DTU15MDT là mô hình mặt biển trung bình quốc tế có dạng lưới ô vuông với kích thước mắt lưới 1’x1’, được Trung tâm Vũ trụ quốc gia Đan Mạch thuộc Trường Đại học tổng hợp Kỹ thuật Đan Mạch xây dựng từ số liệu đo cao vệ tinh [8].

Để nội suy được các giá trịh_MDTtừ mô hình DTU15MDT quốc tế, chúng ta có thể sử dụngcác phương pháp nội suy như: Kriging, Collocation, trọng số nghịch đảo khoảng cách, Spline, bi-linear v.v…Khi mô hình MDT được xây dựng ở dạng mắt lưới thì sử dụng phương pháp nội suy song tuyến (bi-linear) dựa vào bốn điểm mắt lưới để nội suyđộ cao địa hình mặt biển trung bình sẽ là phương án tối ưu nhất (xem Hình 4).

Theo phương pháp này, giá trị h_MDT của điểm i bất kỳ được biểu diễn bởi công thức [13]:

Hình 4. Nội suy h_MDT từ các điểm mắt lưới ô vuông

3.4. Xác định chênh lệch độ cao giữa mặt biển trung bình quốc tế và mặt biển trung bình Việt Nam

Việc xác định chênh lệch độ cao giữa độ cao mặt biển trung bình toàn cầu và mặt biển trung bình của Việt Nam được thực hiện dựa vào số liệu của 31 trạm nghiệm triều (nằm trong phạm vi có tọa độ địa lý: 8.5⁰< B < 21.5⁰N; 103.5⁰< L < 109.5⁰E). Số liệu các trạm nghiệm triều được tham khảo trong tài liệu [7]. Vị trí các trạm nghiệm triều được thể hiện trên Hình 1. Tại các trạm nghiệm triều, từ giá trị độ cao mặt biển trung bình Việt Nam (h_{MDT_VN}) và độ cao mặt biển trung bình quốc tế (MDT_QT) sẽ tính được chênh lệch giữa mặt biển trung bình quốc tế và mặt biển trung bình của Việt Nam theo công thức:

            Lấy trung bình các giá trị δMDT tại 31 điểm nghiệm triều sẽ xác định được chênh lệch độ cao giữa mặt biển trung bình quốc tế và mặt biển trung bình của Việt Nam.

            3.5. Tính chuyển tọa độ và độ sâu từ hệ quy chiếu quốc tế sang hệ quy chiếu của Việt Nam

            Sau khi có độ cao trắc địa H của các điểm độ sâu, tọa độ vuông góc không gian trong WGS-84 (X, Y, Z) được tính từ tọa độ trắc địa (B, L, H) theo công thức sau [14]:

trong đó: a là bán trục lớn của Ellipsoid; e là tâm sai thứ nhất của Ellipsoid; N là bán kính vòng thẳng đứng thứ nhất, tính theo công thức [14]:

Tọa độ vuông góc không gian trong hệ tọa độ VN2000 được tính từ hệ tọa độ quốc tế WGS-84 theo công thức Bursa-Wolf [15]:

trong đó: dX₀, dY₀, dZ₀ là lệch gốc giữa hai hệ toạ độ; e_x, e_y, e_z là các góc xoay Ơle; m là tỷ lệ chiều dài giữa hai hệ toạ độ. 7 tham số này lấy theo tài liệu [16].

Tọa độ trắc địa trong hệ tọa độ VN2000 được tính từ tọa độ vuông góc không gian theo công thức [14]:

            Độ sâu của điểm đáy biển trong hệ quy chiếu độ cao Việt Nam (D_VN) được tính từ hệ quy chiếu độ cao quốc tế (D_QT) theo công thức:

4. Kết quả tính toán và thảo luận

4.1. Kết quả tính độ cao geoid quốc tế EIGEN6C4 cho các điểm độ sâu

Do số lượng các điểm tính toán rất nhiều (202501 điểm) nên kết quả tính độ cao geoid quốc tế EIGEN6C4 của các điểm của mô hình độ sâu được trích trình bày một số điểm minh họa trong Bảng 2.

Bảng 2. Kết quả tính độ cao geoid quốc tế EIGEN6C4

Nhận xét: Trên khu vực nghiên cứu, độ cao geoid của mô hình EIGEN6C4 có giá trị dương, biến thiên từ 15,721 m đến 30,889 m.

4.2. Kết quả tính MDT cho các điểm của mô hình độ sâu

Kết quả nội suy h_MDT quốc tế cho các điểm của mô hình độ sâu được trích trình bày trong Bảng 3. Từ kết quả này, kết hợp với kết quả tính độ cao geoid (Bảng 2) và độ sâu của điểm (Bảng 1), độ cao trắc địa của điểm trong hệ WGS-84 được tính toán và trình bày trên cột 5, Bảng 3.

Bảng 3. Kết quả tính h_MDT  và độ cao trắc địa cho các điểm của mô hình độ sâu

Nhận xét: Giá trị độ cao mặt biển trung bình h_MDT quốc tế trên khu vực nghiên cứu khoảng 1,17 m, ít biến đổi, chứng tỏ mặt biển trung bình ở đây tương đối bằng phẳng.

4.3. Kết quả xác định chênh lệch độ cao giữa độ cao mặt biển trung bình quốc tế và mặt biển trung bình của Việt Nam

Kết quả tính chênh lệch giữa mặt biển trung bình quốc tế và mặt biển trung bình của Việt Nam dựa vào số liệu các trạm nghiệm triều được trình bày trong Bảng 4.

Bảng 4. Chênh lệch giữa mặt biển trung bình quốc tế và mặt biển trung bình của Việt Nam [7]

Nhận xét: Từ kết quả ở Bảng 4 cho thấy mặt biển trung bình của Việt Nam thấp hơn mặt biển trung bình toàn cầu 1,052 m. Nghĩa là δMDT = -1,052 m.

4.4. Kết quả tính đổi toạ độ trắc địa sang toạ độ vuông góc không gian trong hệ tọa độ WGS-84

            Kết quả tính đổi sang tọa độ vuông góc không gian trong hệ tọa độ WGS-84 được trích trình bày trong Bảng 5.

Bảng 5. Kết quả tính đổi sang tọa độ vuông góc không gian trong hệ tọa độ WGS-84

4.5. Kết quả tính chuyển toạ độ vuông góc không gian từ hệ toạ độ WGS-84 sang hệ toạ độ VN-2000

Kết quả tính chuyển toạ độ vuông góc không gian từ hệ toạ độ WGS-84 sang hệ toạ độ VN-2000 được trích trình bày trong Bảng 6. Để kiểm tra kết quả tính toán, chênh lệch tọa độ trước và sau tính chuyển được tính và trình bày ở 3 cột cuối của Bảng 6.

Bảng 6. Kết quả tính chuyển toạ độ vuông góc không gian từ hệ WGS-84 sang hệ VN-2000