Phương pháp mới trong đo địa hình đáy biển

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 
54 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 
PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG ĐO ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 
NEW METHOD IN SEABED TOPOGRAPHIC SURVEYING 
NGUYỄN VĂN SÁNG1, TRẦN KHÁNH TOÀN2, NGUYỄN THỊ HỒNG2 
1Khoa Trắc địa - bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội 
2Khoa Công trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
Email liên hệ: hongnt.ctt@vimaru.edu.vn 
Tóm tắt 
Hiện nay, để đo địa hình đáy biển, chúng ta tiến hành xác định vị trí mặt bằng bằng công 
nghệ GPS, đo sâu bằng máy đo sâu hồi âm, kết hợp với quan trắc thủy triều, từ đó xác định 
ra tọa độ và độ sâu của điểm cần đo. Phương pháp này bộc lộ một số nhược điểm là: thứ 
nhất, khi đo đạc xa các trạm nghiệm triều thì độ chính xác xác định độ sâu sẽ kém do độ 
cao triều tại trạm nghiệm triều và tại điểm đo khác nhau nhiều; thứ 2, không liên kết được 
độ cao giữa lục địa và biển dẫn đến khó khăn khi cần đo đạc trên khu vực bao gồm cả lục 
địa và biển. Trong báo cáo này sẽ trình bày phương pháp đo mới có thể khắc phục các 
nhược điểm nêu trên. Phương pháp này cũng đã được một số nước trên thế giới sử dụng 
trong những năm gần đây. 
Từ khóa: Địa hình đáy biển, độ chính xác đo sâu, đo cao vệ tinh, thủy triều. 
Abstract 
Nowdays, in order to measure seabed topographic, we determine the coordinates of points 
by GPS technology, the depth by using echo sounder, combine with tidal monitoring, and 
then the coordinates and elevation of the points to be determined. This method reveals a 
number of disadvantages: Firstly, When the survey area is far from the tidal stations, the 
accuracy of the depth determination will be low due to the high tide at the tide station and at 
surveying points are different; Secondly, it does not link the height between the land and the 
sea, which makes it difficult to measure the area including the land and the sea. This report 
will show a new measurement method that can overcome the disadvantages mentioned 
above. This method has also been used by some countries in the world in recent years. 
Keywords: Seabed topographic, accuracy of the depth, altimetry, tide. 
1. Nguyên tắc đo địa hình đáy biển theo phương pháp mới 
Hình 1. Nguyên tắc xác định độ sâu đáy biển 
Theo phương pháp này, giả sử tại điểm M trên mặt biển, ta đo được độ sâu đến đáy biển là 
Hđ. Bằng công nghệ GPS ta đo được vị trí và độ cao trắc địa của điểm M so với Ellipsoid là H. Với 
điều kiện là mô hình mặt “0” độ sâu (hay còn gọi là số “0” Hải đồ) đã biết. Khoảng cách từ mặt “0” 
độ sâu đến Ellipsoid tại điểm M là H0 (xem Hình 1). Như vậy độ sâu của địa hình đáy biển so với 
mặt “0” độ sâu được xác định bằng công thức: 
0HHHH đS (1) 
Hđ 
H0 
H 
hM 
Mặt “0” độ sâu 
Ellipsoid 
Đáy biển 
M0 
δH 
HS 
MSL ≡ MDT 
Quasigeoid 
Lục địa 
M hA 
A 
Mặt biển 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 55 
Như vậy điều kiện để xác định độ sâu địa hình đáy biển theo phương pháp này là phải biết 
được mô hình mặt “0” độ sâu. Việc xác định mặt “0” độ sâu được thực hiện bằng cách xác định mặt 
biển trung bình (Mean Sea Level - MSL, xem hình 1); xác định số “0” độ sâu tại các trạm nghiệm 
triều quốc gia rồi gắn mặt biển trung bình vào số “0” độ sâu. Mặt biển trung bình nếu so với Ellipsoid 
thì gọi là mô hình MSS (Mean Sea Surface), nếu so với geoid (quasigeoid) thì gọi là mô hình mặt 
biển trung bình động lực (Mean Dynamic Topography - MDT). Các mô hình này được xác định bằng 
số liệu đo cao vệ tinh (Altimetry). Trong phần 3 nhóm tác giả sẽ giới thiệu về cách xác định MDT. 
Độ chính xác xác định độ sâu địa hình đáy biển phụ thuộc vào độ chính xác đo sâu, độ chính 
xác đo độ cao trắc địa và mô hình mặt “0” độ sâu. 
2. Liên kết độ cao trên biển và trên lục địa 
Tại điểm A trên lục địa, độ cao chuẩn (hA) của điểm A là khoảng cách từ điểm đó đến mặt 
quasigeoid (Mặt chuẩn độ cao Nhà nước). Tại điểm M trên biển, độ sâu của địa hình đáy biển tương 
ứng lại tính đến mặt “0” độ sâu (HS). Giữa mặt “0” độ sâu và mặt quasigeoid lệch nhau một đại lượng 
δH (xem Hình 1). Độ cao của điểm M0 được quy về độ cao chuẩn theo công thức: 
 HHh SM  (2) 
Như vậy để thống nhất độ cao trên biển và lục địa thì cần phải có mô hình mặt “0” độ sâu và 
mô hình quasigeoid thống nhất trên biển và trên lục địa. 
3. Xác định mô hình MDT bằng số liệu đo cao vệ tinh 
3.1. Khái quát về vấn đề xác định độ cao địa hình mặt biển trung bình động lực từ số liệu đo 
cao vệ tinh 
Các vệ tinh đo cao bay trên mặt biển, phát tín hiệu sóng rada xuống mặt biển. Tín hiệu này 
phản xạ trở lại vệ tinh. Bằng cách đo thời gian lan truyền tín hiệu hai chiều sẽ xác định được khoảng 
cách (h) từ vệ tinh đến mặt biển. Vị trí của vệ tinh trên quĩ đạo được xác định bằng hệ thống định vị 
toàn cầu GPS (Global Positioning System) hoặc các phương pháp khác như DORIS (Doppler 
Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), SLR (Satellite Laser Ranging), nghĩa là 
xác định được độ cao (H) của vệ tinh so với ellipsoid qui chiếu (xem Hình 2). Độ cao của mặt biển 
(SSH - Sea Surface Height) được xác định bằng công thức [12]: 
corrhhHSSH (3) 
trong đó: hcorr - các số hiệu chỉnh. 
Độ cao mặt biển xác định được biểu diễn thông qua độ cao geoid (N) và độ cao địa hình mặt 
biển động lực (hd) theo công thức (4) (xem Hình 2): 
dhNSSH (4) 
Hình 2. Biểu diễn độ cao mặt biển 
Độ cao địa hình mặt biển động lực được chia thành 2 phần là: địa hình mặt biển trung bình 
động lực (Mean Dynamic Topography - hMDT) và địa hình mặt biển động lực biến đổi theo thời gian 
ht (còn gọi là địa hình động lực) [3]. Khi đó độ cao mặt biển được biểu diễn bằng công thức: 
tMDT hhNSSH (5) 
Từ công thức (5) ta thấy: để xác định được độ cao địa hình mặt biển trung bình động lực hMDT 
bằng số liệu đo cao vệ tinh thì phải loại bỏ được độ cao geoid và thành phần địa hình mặt biển động 
lực biến đổi theo thời gian ht ra khỏi độ cao mặt biển (SSH). Độ cao geoid sẽ được xác định từ các 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 
56 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 
hệ số điều hòa cầu Cnm và Snm của mô hình trường trọng lực toàn cầu EGM. Thành phần địa hình 
mặt biển động lực biến đổi theo thời gian sẽ được loại bỏ bằng kỹ thuật bình sai giao cắt (crossover 
adjustment). 
Như vậy, sơ đồ quy trình phương pháp xác định độ cao địa hình mặt biển trung bình động lực 
từ số liệu đo cao vệ tinh SSH như Hình 3: 
Hình 3. Sơ đồ quy trình phương pháp xác định độ cao địa hình mặt biển trung bình động lực 
3.2. Kết quả thực nghiệm xác định mô hình MDT trên Biển Đông bằng số liệu đo cao vệ tinh 
3.2.1. Số liệu đo cao vệ tinh 
Để phục vụ mục đích nghiên cứu, chúng tôi thu thập số liệu của 4 loại vệ tinh đo cao ERS-1, 
T/P, ENVISAT và JASON-2. Các số liệu được cung cấp bởi AVISO [4], [5]. 
Bảng 1. Thống kê số liệu các loại vệ tinh thu thập được 
STT Vệ tinh Số chu kỳ Thời gian đo Tổng thời gian đo (tháng) 
1 ERS-1 12 09/4/1995 ÷ 02/6/1996 14 
2 T/P 56 24/3/2004 ÷ 04/10/2005 19 
3 ENVISAT 33 20/7/2009 ÷ 08/4/2012 33 
4 JASON-2 73 28/7/2012 ÷ 22/7/2014 24 
TỔNG 197 90 
3.2.2. Lựa chọn số liệu đo cao vệ tinh trên Biển Đông 
Các số liệu đo cao vệ tinh được sử dụng ở đây thuộc loại số liệu lặp lại chính xác (Exact 
Repeat Mission - ERM), đã được tính các số hiệu chỉnh và nằm trong hệ tọa độ quốc tế WGS-84. 
Hình 4 là phân bố các vết đo và điểm đo của 4 loại vệ tinh sử dụng. 
Hình 4 . Sự phân bố của các điểm đo của 4 loại 
vệ tinh ERS-1, T/P, ENVISAT và JASON-2 trên 
Biển Đông với các màu sắc tương ứng 
Hình 5. Kết quả tính MDT từ số liệu tổng hợp 4 
loại vệ tinh 
Đường 
giới hạn 
vùng tính 
Đường 
giới hạn 
vùng lấy 
số liệu 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 57 
Với mật độ như vậy có thể xây dựng mô hình MDT với kích thước mắt lưới là 5’x5’. Giới hạn 
khu vực tính MDT là (vĩ độ: từ 80 đến 220, kinh độ; từ 1050 đến 1140). Để đảm bảo độ chính xác thì 
số liệu được dùng để tính toán có giới hạn rộng lớn hơn, phủ trùm khu vực cần tính, cụ thể là (vĩ độ: 
từ 70 đến 230, kinh độ; từ 1040 đến 1150). 
3.2.3. Kết quả xây dựng mô hình MDT từ số liệu tổng hợp của 4 loại vệ tinh 
Kết quả xác định MDT ở dạng lưới ô vuông kích thước 5’x 5’. Các thống kê về mô hình MDT 
này như sau: 
- Giá trị MDT lớn nhất: 1,194 m; 
- Giá trị MDT nhỏ nhất: 0,549 m; 
- Giá trị MDT trung bình: 0,891 m. 
Trên Hình 5 biểu diễn kết quả tính MDT ở dạng đường bình độ và màu sắc. 
3.2.4. So sánh kết quả xác định MDT từ số liệu đo cao vệ tinh với số liệu của các trạm nghiệm triều 
+) Giới thiệu về số liệu MDT xác định từ các trạm nghiệm triều 
Chúng tôi sử dụng số liệu quan trắc của 9 trạm nghiệm triều là Cô Tô, Hòn Dấu, Hòn Ngư, 
Tiên Sa, Quy Nhơn, Nha Trang, Vũng Tàu, Côn Đảo và Phú Quốc. Đây là các trạm đều có thời gian 
quan trắc trên 18,6 năm (từ năm 1994 đến 2014). Số liệu này được tham khảo từ đề tài cấp Nhà 
nước của PGS. TSKH. Hà Minh Hòa [1]. Các số liệu MDT quan trắc nghiệm triều nằm trong hệ tọa 
độ VN2000, hệ triều zero (hệ triều không) và so với quasigeoid cục bộ Việt Nam. Để so sánh với số 
liệu MDT xác định bằng số liệu đo cao vệ tinh, chúng ta phải chuyển các số liệu trên về hệ tọa độ 
quốc tế WGS-84, hệ không phụ thuộc triều và so với quasigeoid quốc tế. 
+) So sánh kết quả xác định MDT từ số liệu kết hợp 4 loại vệ tinh với số liệu của các trạm 
nghiệm triều 
Để so sánh MDT tính từ số liệu kết hợp 4 loại vệ tinh với số liệu MDT tính từ các trạm nghiệm 
triều, chúng tôi tiến hành nội suy MDT cho các trạm nghiệm triều từ mô hình MDT được xác định kết 
hợp 4 loại vệ tinh, sau đó lấy giá trị này so sánh với số liệu của các trạm nghiệm triều. 
Trên Bảng 2 là kết quả so sánh MDT tính từ số liệu tổng hợp của 4 loại vệ tinh với số liệu 
nghiệm triều. 
Bảng 2. Kết quả so sánh MDT tính từ số liệu tổng hợp của 4 loại vệ tinh với số liệu nghiệm triều 
TT Tên trạm MDT_TH 
Chênh lệch 
(m) 
V 
(m) 
vv 
(m2) 
1 Cô Tô 0,703 0,341 0,333 0,110874 
2 Hòn Dấu 0,696 0,173 0,165 0,027284 
3 Hòn Ngư 0,968 -0,016 -0,024 0,000567 
4 Tiên Sa 0,912 0,056 0,048 0,002321 
5 Quy Nhơn 1,031 -0,092 -0,099 0,009885 
6 Nha Trang 0,977 -0,065 -0,073 0,005303 
7 Vũng Tàu 1,024 -0,193 -0,201 0,040209 
8 Côn Đảo 0,908 -0,005 -0,013 0,000157 
9 Phú Quốc 0,891 -0,129 -0,137 0,018830 
 0,008 0,215430 
Kết quả tính sai số trung phương theo độ lệch chuẩn đạt m = ±0,164 m. 
4. Kết luận 
Điều kiện để xác định độ sâu địa hình đáy biển theo phương pháp không sử dụng số liệu 
nghiệm triều là phải biết được mô hình mặt “0” độ sâu. Để thống nhất độ cao trên biển và lục địa thì 
cần phải có mô hình mặt “0” độ sâu và mô hình quasigeoid thống nhất trên biển và trên lục địa. 
Từ số liệu đo cao vệ tinh nhóm chúng tôi đã xây dựng được mô hình địa hình mặt biển trung 
bình động lực (MDT) trên biển Đông. Mô hình này kết hợp với số liệu quan trắc nghiệm triều cố 
định sẽ xây dựng được mô hình mặt “0” độ sâu cho toàn bộ lãnh hải Việt Nam. Đây là ứng dụng 
mới tại Việt Nam và sẽ khắc phục được những nhược điểm do quan trắc thủy triều gây ra trong 
khảo sát đo sâu. 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 
58 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 
Từ mô hình MDT và mô hình mặt “0” độ sâu sẽ nội suy được giá trị H tương ứng với vị trí 
cần xác định. Độ chính xác của mô hình đáp ứng được yêu cầu khảo sát đo sâu hạng 2 và hạng 3. 
Một số khu vực đạt độ chính xác cho khảo sát đo sâu hạng 1. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Hà Minh Hòa. Nghiên cứu đánh giá các mặt chuẩn mực nước biển (mặt “0” độ sâu, trung 
bình và cao nhất) theo các phương pháp trắc địa, hải văn và kiến tạo hiện đại phục vụ xây 
dựng các công trình và quy hoạch đới bờ Việt Nam trong xu thế biến đổi khí hậu, mã số: 
KC.09.19/11-15. Viện Khoa học - Đo đạc và Bản đồ, Hà Nội, 2015. 
[2] Dương Chí Công. Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài cấp bộ: nghiên cứu đánh giá và đề 
xuất sử dụng mô hình mặt biển tự nhiên MDT ở Việt Nam. Viện Khoa học Đo đạc và Bản 
đồ. Hà Nội, 2015. 
[3] Andersen O.B. Marine Gravity and Geoid from Satellite Altimetry. Geodetic Department, 
DTU - Space, Juliane Maries Vej 30, DK - 2100, Denmark, 2010. 
[4] AVISO. DT CorSSH and DT SLA Product Handbook, Toulouse - France, 2010. 
[5] AVISO. Altimetry Mission, 2014. 
[6] Bernhard Hofmann-Wellendof, Helmut Moritz. Physical Geodesy. SpringerWien NewYork, 2005. 
[7] Gunter Seeber. Satellite Geodesy, Walter de Gruyter - Berlin - New York, 2003. 
[8]  
[9] Lee-Lueng Fu, Anny Cazenave. Satellite Altimetry and Earth Sciences. ACADEMIC PRESS, 
San Diego - San Francisco - New York - Boston - London - Sydney -Tokyo, 2001. 
[10] Nguyễn Văn Sáng. Xác định vị trí điểm giao cắt trong xử lý số liệu đo cao vệ tinh bằng cách 
mô phỏng đa thức bậc hai. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa Chất (số 41, tr. 43 - 47), 
Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội. ISSN: 1859 - 1469, 2013. 
[11] Rene Forsberg, C.C. Tscherning. Geodetic Gravity Field Modelling Programs. National 
Space Institute and Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark, 2008. 
[12] Rosmorduc V,. Basic Radar Altimetry Toolbook practical. Bergen, Norway, 2009. 
[13] Nguyễn Văn Sáng. Tính toán độ cao mặt biển từ số liệu đo cao vệ tinh ENVISAT trên vùng 
biển Việt Nam, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa Chất (số 35, tr. 81-85), Trường Đại học 
Mỏ - Địa Chất, Hà Nội, 2011. 
Ngày nhận bài: 24/12/2018 
Ngày nhận bản sửa: 13/01/2019 
Ngày duyệt đăng: 17/01/2019