Độ cao là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về độ cao

Độ cao là đại lượng biểu thị khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa một điểm cụ thể và một mốc tham chiếu xác định, phổ biến nhất là mực nước biển trung bình (Mean Sea Level – MSL). Đây là thông số thiết yếu trong địa lý, trắc địa, hàng không, đo đạc, và nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác. Tính chính xác của độ cao ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mô phỏng và xây dựng bản đồ địa hình, định vị vệ tinh, cũng như an toàn trong điều hướng hàng không.

Trong thực tế, chúng ta thường gặp các giá trị độ cao trên bản đồ địa hình, ứng dụng bản đồ số như Google Earth hoặc các thiết bị GPS cá nhân. Tuy nhiên, không phải mọi độ cao đều giống nhau về mặt bản chất đo lường. Độ cao có thể được đo so với các mặt tham chiếu khác nhau, từ mực nước biển trung bình, mặt ellipsoid chuẩn trong hệ GPS, cho đến mặt geoid – một mô hình toán học mô phỏng hình dạng trọng lực trung bình của Trái Đất. Việc hiểu đúng bản chất và nguồn gốc của thông tin độ cao là rất quan trọng để sử dụng dữ liệu một cách chính xác.

Định nghĩa chính thức về độ cao

Trong địa lý học và trắc địa học, độ cao được định nghĩa là tọa độ thẳng đứng của một điểm so với một mặt chuẩn đã được quy định. Mặt chuẩn thường dùng nhất là mực nước biển trung bình toàn cầu, được tính toán dựa trên quan sát thủy triều dài hạn. Có ba loại độ cao chính trong trắc địa: độ cao trắc địa, độ cao thủy chuẩn, và độ cao geoid. Mỗi loại sử dụng một mốc tham chiếu khác nhau, dẫn đến sự khác biệt nhỏ trong số đo.

Mối liên hệ giữa ba loại độ cao này được mô tả bởi công thức:

$h = H + N$

Trong đó:

• h: Độ cao trắc địa (so với ellipsoid tham chiếu WGS84).
• H: Độ cao thủy chuẩn (so với mặt geoid).
• N: Độ cao geoid (khoảng cách giữa ellipsoid và geoid).

Ví dụ, nếu một điểm có độ cao trắc địa là 100 m và độ cao geoid tại điểm đó là –30 m, thì độ cao thủy chuẩn (tức độ cao địa hình hiển thị trên bản đồ) là 70 m. Đây là lý do tại sao độ cao GPS (trắc địa) đôi khi không khớp với độ cao hiển thị trên bản đồ địa hình.

Các loại độ cao phổ biến

Tùy vào lĩnh vực ứng dụng, các loại độ cao có thể được xác định theo những phương pháp khác nhau. Dưới đây là các dạng độ cao phổ biến nhất:

• Độ cao trắc địa (Geodetic height, h): Được tính từ điểm đo đến mặt ellipsoid tham chiếu, thường là WGS84 hoặc GRS80. Dữ liệu GPS trả về loại độ cao này.
• Độ cao thủy chuẩn (Orthometric height, H): Là độ cao so với mặt geoid – đại diện cho mực nước biển trung bình, đây là loại độ cao phổ biến trên bản đồ địa hình.
• Độ cao geoid (Geoid undulation, N): Chênh lệch giữa mặt ellipsoid và mặt geoid, giúp chuyển đổi giữa độ cao trắc địa và độ cao thủy chuẩn.
• Độ cao khí quyển (Flight level): Được dùng trong hàng không, tính theo mức áp suất khí quyển chuẩn (1013.25 hPa), không phụ thuộc vào mực nước biển thực tế.

Mỗi loại độ cao có mục đích riêng. Trong xây dựng và địa chất, độ cao thủy chuẩn được dùng để thiết kế hệ thống thoát nước hoặc đo độ dốc địa hình. Trong định vị GPS, người dùng thường nhận được độ cao trắc địa, cần chuyển đổi sang độ cao thủy chuẩn nếu so sánh với dữ liệu bản đồ.

Hệ thống đo độ cao

Có nhiều phương pháp để đo và tính toán độ cao, tùy thuộc vào độ chính xác và phạm vi ứng dụng. Dưới đây là bảng so sánh một số phương pháp phổ biến:

Phương pháp	Nguyên lý	Độ chính xác	Ứng dụng chính
Thủy chuẩn (Levelling)	So sánh chiều cao tương đối qua ống ngắm quang học	Cao (mm - cm)	Xây dựng, khảo sát địa hình chính xác
GPS/GNSS	Định vị vệ tinh toàn cầu dựa trên thời gian tín hiệu	Trung bình (±3–10m) nếu không hiệu chỉnh	Bản đồ số, hàng không, định vị cá nhân
Đo áp suất khí quyển	Suy luận độ cao từ sự thay đổi áp suất	Thấp (±10–100m)	Hàng không, thiết bị leo núi, drone dân dụng
Radar hoặc Lidar	Phản xạ sóng vô tuyến hoặc laser từ bề mặt đất	Cao (cm - m)	Bản đồ số độ phân giải cao, phân tích địa hình

Dữ liệu từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS) không trực tiếp cung cấp độ cao thủy chuẩn, mà cần có mô hình geoid để hiệu chỉnh. Một số thiết bị hiện đại đã tích hợp mô hình geoid như EGM96 hoặc EGM2008, giúp cải thiện độ chính xác. Các cơ quan như National Geodetic Survey (NOAA) cung cấp công cụ và dữ liệu để chuyển đổi độ cao GPS sang độ cao thực tế.

Ngoài ra, vệ tinh viễn thám như SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) hoặc dữ liệu từ các cảm biến laser LIDAR cung cấp mô hình số độ cao (DEM – Digital Elevation Model) với độ phân giải cao, được ứng dụng rộng rãi trong lập bản đồ, phân tích lưu vực sông, mô phỏng ngập lụt, và nghiên cứu môi trường.

Vai trò của geoid trong tính toán độ cao

Geoid là bề mặt đẳng thế trọng lực lý tưởng, mô phỏng hình dạng trung bình của mực nước biển toàn cầu nếu không có dòng chảy, sóng, hay ảnh hưởng của gió. Đây là mặt chuẩn tự nhiên gần nhất với mực nước biển thực tế, được sử dụng làm cơ sở để đo độ cao thủy chuẩn. Geoid có hình dạng không đều do phân bố khối lượng không đồng nhất trong lòng Trái Đất, dẫn đến sự biến đổi của trường trọng lực.

Các mô hình geoid hiện đại như EGM96 hoặc EGM2008 được xây dựng từ dữ liệu trọng lực đo trên mặt đất, từ máy bay và từ vệ tinh như GRACE và GOCE. Mỗi điểm trên bề mặt Trái Đất sẽ có một giá trị độ cao geoid cụ thể, thể hiện sự chênh lệch giữa mặt geoid và mặt ellipsoid WGS84. Chênh lệch này có thể dao động từ -100 m đến +100 m tùy vị trí.

Bằng cách sử dụng giá trị độ cao geoid, người dùng có thể chuyển đổi giữa độ cao GPS (trắc địa) và độ cao thủy chuẩn theo công thức:

$H = h - N$

Việc này rất quan trọng trong xây dựng, thủy lợi và các ứng dụng kỹ thuật, nơi yêu cầu độ cao chính xác so với mặt đất hoặc mực nước biển. Các phần mềm như QGIS, Global Mapper hoặc công cụ GeoidEval có thể thực hiện chuyển đổi này tự động nếu cung cấp mô hình geoid phù hợp.

Ứng dụng thực tế của độ cao

Độ cao là một yếu tố cơ bản nhưng có ảnh hưởng lớn trong nhiều lĩnh vực thực tiễn. Trong hàng không, độ cao không chỉ giúp phi công tránh địa hình mà còn phân chia các tầng bay để tránh va chạm. Mỗi máy bay phải giữ một mức độ cao nhất định (gọi là "flight level") theo quy định kiểm soát không lưu, đặc biệt khi bay trên các tuyến đường cao.

Trong địa lý, độ cao giúp xây dựng bản đồ địa hình, xác định vùng đồi núi, đồng bằng, và ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố khí hậu. Các vùng cao thường có khí hậu lạnh hơn, độ ẩm thấp hơn và có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người như gây ra say độ cao (altitude sickness) ở độ cao trên 2500 m.

• Trong thủy lợi: Độ cao quyết định hướng dòng chảy tự nhiên của nước, rất quan trọng trong thiết kế kênh rạch và đê điều.
• Trong nông nghiệp: Một số loại cây trồng như chè, cà phê, nho chỉ phát triển ở vùng có độ cao thích hợp.
• Trong du lịch: Các địa danh như đỉnh Fansipan (3147m), Everest (8848m) hay cao nguyên Đà Lạt có độ cao được dùng làm điểm nhấn đặc trưng.

Sai số và hiệu chỉnh khi đo độ cao

Dù có nhiều phương pháp đo, không có phương pháp nào hoàn toàn chính xác nếu không hiệu chỉnh. GPS có thể trả về độ cao sai lệch đến ±15 mét nếu không sử dụng mô hình geoid hoặc hiệu chỉnh sai số khí quyển. Ngay cả khi dùng thiết bị chuyên nghiệp, các yếu tố sau vẫn ảnh hưởng đến kết quả:

• Sai số do tầng ion và tầng đối lưu gây ra lệch thời gian tín hiệu vệ tinh.
• Hiệu ứng đa đường (multipath): tín hiệu GPS phản xạ từ vật thể cứng trước khi đến ăng-ten gây trễ tín hiệu.
• Sai số thiết bị đo như máy thu GPS kém chất lượng hoặc lệch chuẩn quang học trong thủy chuẩn.

Trong hàng không, máy đo độ cao khí áp (altimeter) dựa trên áp suất khí quyển có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết. Vì vậy, phi công phải thường xuyên điều chỉnh "altimeter setting" theo dữ liệu từ trạm mặt đất. Sự khác biệt 1 hPa trong áp suất tương đương khoảng 8.5 mét sai số độ cao.

Để giảm thiểu sai số, các phương pháp hiệu chỉnh như DGPS (Differential GPS), RTK (Real-Time Kinematic) hoặc sử dụng mô hình geoid địa phương luôn được khuyến nghị trong đo đạc kỹ thuật.

Sự khác biệt giữa độ cao và độ sâu

Độ cao (elevation/altitude) và độ sâu (depth) đều là các đại lượng đo lường theo phương thẳng đứng, nhưng theo hướng ngược nhau so với mốc chuẩn. Độ cao là khoảng cách từ điểm cần đo lên phía trên mực nước biển trung bình, trong khi độ sâu là khoảng cách xuống phía dưới mặt nước biển hoặc mặt đất.

Ví dụ, một đỉnh núi có độ cao 3200 m nghĩa là nó cao hơn mực nước biển trung bình 3200 m. Ngược lại, đáy biển Mariana có độ sâu khoảng 10.984 m nghĩa là nó thấp hơn mực nước biển đến gần 11 km. Trong kỹ thuật, cả hai giá trị này đều quan trọng và được đo lường bằng các phương pháp tương tự nhưng đảo ngược.

Các bảng dữ liệu hàng hải sử dụng độ sâu để giúp tàu tránh va chạm với đáy biển, trong khi bản đồ địa hình sử dụng độ cao để xác định độ dốc, vùng trũng, hay tính toán thoát nước.

Sự thay đổi độ cao do chuyển động địa chất

Độ cao không phải là giá trị bất biến. Các quá trình địa chất có thể làm thay đổi bề mặt Trái Đất và kéo theo sự thay đổi độ cao. Hiện tượng nâng kiến tạo, như dãy Himalaya đang tiếp tục nâng lên do va chạm mảng Á – Ấn, khiến một số vùng mỗi năm cao thêm vài mm.

Ngược lại, hiện tượng lún đất do khai thác nước ngầm, khai thác khoáng sản hoặc do nền đất yếu có thể làm tụt giảm độ cao ở các đô thị lớn như Jakarta, Bangkok, hay khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Đo đạc GNSS định kỳ kết hợp với radar viễn thám (InSAR) cho phép phát hiện biến động độ cao theo thời gian.

Các biến đổi này có ý nghĩa đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu, nơi mực nước biển dâng kết hợp với sụt lún đất có thể đe dọa đến hàng triệu người dân vùng ven biển.

Tài liệu tham khảo

1. National Geodetic Survey – NOAA
2. U.S. Government GPS Information
3. NGA Geospatial Intelligence
4. GeographicLib – Geoid Conversion
5. Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., & Collins, J. (2001). GPS: Theory and Practice. Springer.
6. Vaníček, P., & Krakiwsky, E.J. (1986). Geodesy: The Concepts. Elsevier.
7. Seeber, G. (2003). Satellite Geodesy: Foundations, Methods, and Applications. Walter de Gruyter.
8. Torge, W., & Müller, J. (2012). Geodesy. De Gruyter.