Tại sao cao độ RTK trên Hypack khác với cao độ ở sổ tay điều khiển máy GNSS RTK?

Sự khác giữa cao độ RTK trên phần mềm Hypack và cao độ trên sổ tay điều khiển máy GNSS RTK đã tạo ra sự nhầm lẫn cho người dùng trong quá trình khảo sát thủy đạc. Sự nhầm lẫn này xảy ra phổ biến khi sử dụng thiết bị GNSS RTK để xác định cao độ mực nước với dữ liệu hiệu chỉnh RTK Tide. Bài viết này sẽ giải thích đôi nét về sự khác nhau giữa 2 thông số này.

Những nội dung được đề cập dưới dây có thể liên quan đến sự thay đổi của thủy triều đối với mốc cao độ hải đồ để khảo sát ven biển. Việc khảo sát này nhằm mục đích để cập nhật hải đồ hàng hải, hoặc không liên quan gì đến thủy triều.

Ví dụ: Khảo sát một con sông với nhu cầu thể hiện kết quả đo độ sâu dưới dạng độ cao đáy trên mốc cao độ thủy chuẩn – không đơn giản là kết quả “độ sâu”. Cho dù nó có liên quan đến thủy triều hay không thì thuật ngữ “RTK Tide” rất phổ biến trong công việc khảo sát thủy đạc để đề cập đến các hiệu chỉnh về cao độ đối với dữ liệu đo sâu hồi âm kết hợp với thiết bị GNSS RTK.

Mặc dù có một số thuật ngữ khó hiểu, nhưng đó là cách đơn giản nhất nên chúng ta hãy cố gắng giữ nguyên như vậy.

Độ cao trên bề mặt tham chiếu Ellipsoid và Độ cao trên mực nước biển trung bình

Đối với bất kì máy thu GNSS nào cũng sẽ cung cấp cho người sử dụng 2 giá trị cao độ trong chuỗi GGA: Độ cao trên bề mặt tham chiếu Ellipsoid và Độ cao trên mực nước biển trung bình (MSL – Mean Sea Level) ở bất kì vị trí nào trên trái đất.

Ví dụ: $GPGGA, 172814.0, 3723.46587704, N, 12202.26957864 ,W, 2, 6, 1.2, 18.8, M, -25.6, M, 2.0.

MSL – Mực nước biển trung bình được định nghĩa bằng 1 bề mặt Geoid , là bản đồ phân bố cường độ của trọng lực, tác nhân chính kiểm soát độ cao của mực nước biển, và điều này sẽ dẫn đến chiều cao MSL tương đương với chiều cao Geoid và ngược lại. Sử dụng các kỹ thuật RTK để lấy thông tin thủy triều là hợp lý dựa trên nguyên tắc cơ bản này. Chúng ta đang đo cao độ của thiết bị GNSS so với mặt Geoid.

Đa số người dùng và các bản đồ đều dựa trên cao độ mực nước biển (MSL). MSL phụ thuộc vào trường trọng lực tại vị trí của người sử dụng thiết bị GNSS. Trường trọng lực này thay đổi xung quanh trái đất tùy thuộc vào mật độ của vỏ trái đất.

Một mô hình về sự thay đổi của lực hấp dẫn xung quanh trái đất được gọi là mô hình Geoid. Trong ngành khảo sát, người ta thường đề cập đến một mô hình Geoid cụ thể hơn là MSL. Và để thuận tiện cho việc khảo sát, chúng ta có thể định nghĩa mô hình Geoid bằng một bảng các vị trí địa lý với các giá trị Geoid được chỉ định nằm xung quanh trái đất dựa trên các kết quả đo trường trọng lực, quan sát mực nước biển và phép ngoại suy.

Các mô hình Geoid này sẽ khác nhau về chất lượng, một số có giá trị Geoid theo lưới 10 dặm/1 giá trị, một số khác có mật độ điểm dày hơn. Tất cả các máy thu GNSS đều được cài đặt sẵn 1 mô hình Geoid bên trong Firmware của thiết bị, để cho phép thiết bị xuất ra các giá trị cao độ tương đối gần đúng ở bất kì vị trí nào trên trái đất – ví dụ như mô hình EGM96.

Geoid tỉ lệ lớn này không phù hợp cho mục đích khảo sát, vì vậy Geoid cục bộ có độ phân giải cao hơn luôn được sử dụng trong quá trình khảo sát và thay vào đó được áp dụng cho đầu ra của thiết bị thu GNSS. Điều này có thể được áp dụng ở phần mềm thu thập số liệu khảo sát thủy đạc (HYPACK) hoặc phần mềm điều khiển thiết bị thu GNSS. Nếu không có một mô hình Geoid tốt, kết quả khảo sát sẽ có thể sai lệch đôi khi là dòng sông có thể chảy ngược so với thực tế.

Bề mặt tham chiếu cơ bản

Bề mặt của Trái Đất được mô tả gần giống với một hình cầu, tức là hình dạng 3D.

Đối với tất cả các ý định và mục đích này là để giải thích việc sử dụng phương pháp RTK để điều chỉnh thủy triều, chúng ta xem như chỉ có 1 hình Elip (1 kinh tuyến) trên bề mặt trái đất nơi có người dùng thiết bị thu GNSS. Hình Elip này là 1 vòng duy nhất trong khi hình cầu là hình dạng 3D.

Cả hình cầu và các mặt Ellipsoid được tính toán và có thể được sử dụng để tính toán. Khi độ dày của lớp vỏ trái đất thay đổi, cường độ trường hấp dẫn thay đổi đáng kể và không đều, do đó mặt Geoid không phù hợp làm bề mặt tham chiếu toán học đơn giản như mặt Ellipsoid.

Mặt Ellipsoid WGS84 là bề mặt tham chiếu cơ bản cho máy thu GNSS.

Nếu thiết bị thu GNSS được đặt cố định trên đất liền, vị trí 3D không thay đổi quá nhiều. Tuy nhiên, khi nổi trên mặt nước trong khu vực chịu sự tác động của thủy triều, vị trí 3D sẽ thay đổi. Giả sử con tàu được cố định với cầu tàu, con tàu sẽ lên xuống theo thủy triều, và do đó chiều cao so với mặt Ellipsoid sẽ thay đổi theo chuyển động của thủy triều. Việc liên quan giữa sự thay đổi của giá trị cao độ so với cao độ tham chiếu cục bộ đôi khi khó khăn với sự hiệu chỉnh RTK Tide.

Dữ liệu xuất từ thiết bị GNSS

2 điều mà người khảo sát phải biết để sử dụng phương pháp RTK để hiệu chỉnh thủy triều và thu được giá trị cao độ RTK là:

• Độ cao của ăng-ten thiết bị thu GNSS so với mực nước.
• Giá trị Geoid cục bộ.

Máy thu GNSS đo chiều cao ăng ten so với mặt Ellipsoid. Chiều cao này được thể hiện cho người khảo sát dưới 2 dạng giá trị. Hai giá trị này được thể hiện ở 2 trường số 9 và số 11 của chuỗi dữ liệu NMEA GGA, đây là chuỗi dữ liệu xuất ra từ thiết bị thu GNSS phổ biến nhất chứa thông tin về vĩ độ, kinh độ, số vệ tinh và chất lượng, và cao độ.

Ví dụ: $GPGGA, 172814.0,3723.46587704, N, 12202.26957864, W, 2, 6,1.2, 18.8, M, -25.6, M, 2.0

Trong đó, trường số 9 (màu đỏ) cung cấp giá trị cao độ trực giao trên mô hình Geoid được nạp sẵn vào máy thu GNSS tại vị trí địa lý cụ thể của thiết bị (ăng-ten). Giá trị này là giá trị gần đúng nhất với MSL (mặt nước biển) được đưa ra bởi mô hình Geoid trong máy thu GNSS. Trường số 9 được tính từ độ cao đo được từ mặt tham chiếu Ellipsoid bằng cách áp dụng khoảng cách giữa mặt Ellipsoid và mặt Geoid (MSL) tại vị trí được đo. Giá trị chênh lệch này được thể hiện ở trường 11 (màu xanh).

Vì thế:

Cao độ so với mặt Ellipsoid (không hiển thị ở chuỗi GGA) = MSL (trường số 9) + chênh lệch (trường số 11)

Do đó, chiều cao so với mặt Ellipsoid có thể được tính ngược từ chuỗi GGA bằng cách cộng giữa khoảng chênh lệch và cao độ MSL.

Tại điểm này, hãy nhớ rằng thiết bị thu GNSS sẽ xuất ra độ cao của ăng ten nên phải chú ý phần Offset giữa ăng-ten và mặt nước. Thông thường, những gì chúng ta cần từ thiết bị thu GNSS là cao độ so với mặt Ellipsoid và không quan tâm đến giá trị MSL. Đó là vì chúng ta sẽ áp dụng một mặt Geoid tốt hơn để có được giá trị MSL chính xác.

Vậy tại sao chúng ta cần dùng phương pháp RTK để xác định thủy triều?

Tất cả các thiết bị thu GNSS hoạt động mà không có hiệu chỉnh RTK không thể tạo ra độ cao đủ chính xác để đáp ứng các thông số kỹ thuật áp dụng cho việc hiệu chỉnh thủy triều hoặc trong khảo sát nói chung. Sẽ không hiệu quả khi sử dụng máy đo sâu hồi âm có độ chính xác 1cm kết hợp với cao độ được hiệu chỉnh với sai số 0.5m .

Thông thường, cao độ phải có độ chính xác thấp hơn 10cm hoặc hơn được áp dụng trong việc điều chỉnh giá trị thủy triều. Vì vậy, để tiến hành các phép đo sâu trong đó độ cao mặt nước thay đổi trong quá trình khảo sát, đối với giải pháp không sử dụng máy đo thủy triều hoặc đọc mia nước, bắt buộc phải sử dụng thiết bị thu GNSS với phương pháp hiệu chỉnh RTK.

Vì vậy, làm thế nào để người khảo sát sử dụng thông tin chiều cao được cung cấp bởi máy thu GNSS? Đầu tiên cần phải xác định lại rằng mô hình Geoid được nạp sẵn trong máy thu GNSS sẽ có độ phân giải thấp và không rõ độ chính xác. Nhiều quốc gia, cơ quan chuyên ngành đã tạo ra các mô hình Geoid của riêng họ với chất lượng cao hơn nhiều, có giá trị đối với các khu vực địa lý hạn chế nhất định. Các mô hình Geoid cải tiến này thường được áp dụng.

Nói một cách rõ ràng, sau khi đo chính xác chiều cao của ăng ten trên mặt nước và sử dụng phương pháp RTK để đo chính xác chiều cao của ăng ten trên mặt Ellipsoid, chúng ta phải chấp nhận rằng chất lượng (độ chính xác) của dữ liệu thủy triều của chúng ta phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng của mô hình Geoid đang được sử dụng (nạp sẵn trong thiết bị thu GNSS).

Hầu hết các đơn vị khảo sát chuyên nghiệp sẽ có quyền truy cập các thông tin về dữ liệu cao độ cục bộ (và các thông tin liên quan) và sẽ sử dụng các gói phần mềm khảo sát thủy đạc chứa các công cục phần mềm khác nhau cũng như có các mô hình Geoid cần thiết. Nếu có sẵn, người khảo sát chọn mô hình Geoid phù hợp nhất với khu vực khảo sát. Phần mềm thay thế mô hình Geoid này cho mô hình trong máy thu GNSS (Geoid này được áp dụng cho chiều cao ellipsoid được tính từ đầu ra của máy thu GNSS). Sự khác biệt giữa Ellipsoid và Geoid là sự phân tách và thường được ký hiệu là “N”. Sự khác biệt giữa dữ liệu Geoid và cao độ hải đồ thường được chỉ định là giá trị “K”

Người khảo sát có thể được yêu cầu thay đổi cao độ dựa trên một mốc cao độ khác so với mặt Geoid đang sử dụng. Họ sẽ được cung cấp sự chênh lệch giữa cao độ hải đồ và mặt Geoid, tức là giá trị “K”. Nói cách khác, cao độ khảo sát sẽ được thay đổi theo một mốc cao độ khác so với mặt Geoid. Thủy triều thiên văn thấp nhất (LAT) là mốc thông thường được sử dụng cho biểu đồ thủy văn. Nếu khảo sát trên hồ hoặc sông thì không cần lo lắng về giá trị LAT này, thì cao độ RTK (RTK Tide) sẽ bằng với độ cao Geoid mới được tính toán.

Một ví dụ về các cơ quan sử dụng phần mềm khảo sát thủy văn chất lượng cao, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm Hypack. Để minh họa rõ nhất nguyên tắc tính toán dữ liệu thủy triều, Hypack cung cấp các tùy chọn sau:

Đối với các khảo sát không liên quan đến mốc cao độ hải đồ (giá trị LAT) , các tùy chọn về cao độ RTK (RTK Tide) sẽ thường được chọn như trên.

Mô hình Geoid Egm2008_VN sẽ được Hypack áp dụng thay cho mô hình được sử dụng để tạo độ cao MSL bên trong máy thu. Độ cao Geoid có thể được dịch chuyển lên hoặc xuống như nhau trên toàn bộ khu vực khảo sát bằng cách sử dụng hiệu chỉnh độ cao trực giao. Độ chênh cao giữa mặt Geoid và cao độ hải đồ trong trường hợp này sẽ bằng 0.

Lưu ý rằng Hypack (rất hợp lý) cung cấp một trường nhập giá trị để hiệu chỉnh cao độ hình học. Điều này cho phép hiệu chỉnh thủy triều được tính toán tham chiếu thêm đến mốc cao độ cục bộ (có sự chênh lệch cao độ giữa các mốc).

Khi khảo sát với thiết bị thu GNSS RTK, có thể gặp một số khó khăn do chất lượng của mô hình Geoid và do sự phụ thuộc vào chất lượng hiệu chỉnh từ các trạm RTK. Ngoài ra sóng biển có thể gây ra những thay đổi ngắn hạn về độ cao không phải do thủy triều. Do đó, cao độ RTK được tính trung bình trong khoảng thời gian 2-3 phút là bình thường (công cụ này có sẵn ở phần mềm Hypack).

Với những chia sẻ trên, hy vọng rằng bạn đã có lời giải đáp cho câu hỏi: “Tại sao cao độ RTK trên Hypack khác với cao độ ở sổ tay điều khiển máy GNSS RTK?”. Nếu còn bất kỳ thắc mắc nào, hãy liên hệ ngay đến HOTLINE 0903 925 125, chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ quý khách hàng!

>>> Xem thêm: Hướng dẫn thiết lập các thông số trong phần mềm Hypack để đo sâu không cần nghiệm triều với RTK