Mở đầu
Dữ liệu trọng lực là một trong những số liệu điều tra cơ bản, quan trọng không chỉ của ngành Đo đạc - bản đồ, địa chất – khoáng sản mà còn cho nhiều ngành, lĩnh vực khác. Việt Nam đã có một hệ thống trọng lực các cấp hạng đầy đủ, hiện đại, đáp ứng các hoạt động nghiên cứu cơ bản về trái đất, hệ thống điểm trọng lực đã phủ kín lãnh thổ và một số đảo. Tuy nhiên số liệu trọng lực chi tiết (trọng lực điểm thường) đến nay mới phủ kín gần 2/3 lãnh thổ đất liền, còn lại hơn 1/3 lãnh thổ đất liền (129.643km2) chưa được đo vẽ bao gồm vùng núi cao và biên giới. Các khu vực này không thể áp dụng phương pháp đo trực tiếp trên mặt đất như đối với vùng đồng bằng, trung du mà phải dung phương pháp đo trọng lực hang không theo như thông lệ quốc tế. Từ năm 2014, Viện khoa học Đo đạc và bản đồ đã có sự chuẩn bị đầy đủ về thiết bị, công nghệ, con người và các điều kiện khác đảm bảo sẵn sàng để thực hiện nhiệm vụ quan trọng này. Đây cũng là một nhiệm vụ chính của lĩnh vực Đo đạc và Bản đồ đã đặt ra trong Chiến lược phát triển ngành đo đạc và bản đồ Việt Nam đến năm 2020.
Đo vẽ trọng lực là nhiệm vụ quan trọng của Đo đạc – bản đồ.
     Trọng lực là một lĩnh vực khoa học chuyên sâu về trái đất, nghiên cứu xác định lực hút của trái đất và sự biến thiên của nó theo thời gian. Các số liệu trọng lực thường được xác định trên một khu vực rộng lớn ở mỗi quốc gia, nhiều quốc gia và ở trên phạm vi thế giới, tạo thành trường trọng lực cục bộ và toàn cầu. Trường trọng lực có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn, áp dụng cho những ngành khoa học cơ bản như: Trắc địa bản đồ, Địa chất khoáng sản, Hải dương học, Thiên văn học, Hàng không, Địa lý, Vật lý trái đất, Quốc phòng...
     Trường trọng lực trái đất sinh ra do sự hấp dẫn của khối vật chất nằm ở tâm của trái đất. Sự không đồng nhất của cấu tạo vật chất bên trong trái đất dẫn đến sự khác nhau của gia tốc lực trọng trường ở mỗi điểm trên bề mặt đất, tạo nên nhiều vùng dị thường địa vật lý vỏ trái đất. Đây là cơ sở để nghiên cứu thiết lập bề mặt thực của trái đất trong các bài toán về không gian mặt đất của ngành Đo đạc và bản đồ, trong thăm dò, tìm kiếm khoáng sản và nghiên cứu cấu trúc của các lớp sâu trong lớp vỏ trái đất của ngành Địa chất - khoáng sản. Trong nhiều năm qua cả lĩnh vực Đo đạc bản đồ và lĩnh vực Địa chất khoáng sản đã thực hiện nhiều công trình đo đạc trọng lực các cấp hạng, qua các thời kỳ khác nhau, cho đến nay cơ bản số liệu đã phủ kín đồng bằng, trung du Việt Nam. Đối với trắc địa bản đồ cần phải có được số liệu trọng lực trên toàn lãnh thổ, mới đảm bảo cho việc giải quyết các bài toán về hệ quy chiếu, hệ tọa độ động quốc gia... 
     Ngành Đo đạc bản đồ có nhiệm vụ cơ bản là xác định các yếu tố hình học của trái đất và trường trọng lực của nó và thể hiện chúng trên các bản đồ khác nhau. Đối với công tác đo đạc trọng lực, việc thu nhận và xử lý thông tin về trường trọng lực, đặc biệt ở khu vực trường trọng lực biến đổi phức tạp như ở vùng núi là vùng có địa hình khó khăn trở ngại cho việc triển khai công tác đo trọng lực trên mặt đất. Chính với lý do này mà cho đến nay toàn bộ vùng núi chiếm gần 1/3 diện tích lãnh thổ còn thiếu vắng dữ liệu trọng lực cần thiết (trong khi công tác trọng lực đã triển khai quy mô vùng ở nước ta từ cách đây trên 50 năm). Đã đến lúc cần khắc phục tình trạng này để có thể sớm có được bộ số liệu trọng lực đầy đủ và hoàn chỉnh cho toàn bộ lãnh thổ nhằm đáp ứng các nhu cầu xây dựng và bảo vệ đất nước ở trình độ cao trong thời gian trước mắt và các năm tiếp theo. Cách giải quyết hợp lý và khả thi đối với vùng núi chính là đo trọng lực hàng không.
     Công tác đo đạc thuỷ chuẩn hình học được thực hiện qua các mặt đẳng thế khác nhau. Do sự phân bố không đồng đều vật chất bên trong vỏ trái đất, hướng của lực hấp dẫn luôn thay đổi, vì lý do này các mặt đẳng thế của trường trọng lực trái đất trở nên phức tạp và không đều về mặt hình học. Mặt đẳng thế cơ bản trùng với mặt đại dương không nhiễu và không thể biểu diễn được dưới dạng các công thức toán học được gọi là mặt Geoid. Trong lý thuyết hệ độ cao hiện đại, mặt Geoid là mặt khởi tính cho hệ độ cao quốc gia. Việc xác định các số cải chính vào các chênh cao đo thủy chuẩn và xác định mặt Geoid dựa trên các số liệu đo đạc trọng lực cả trên đất liền lẫn trên biển là nhiệm vụ khoa học - kỹ thuật cơ bản của ngành Đo đạc bản đồ [Hà Minh Hòa.2013]. 
     Nhiệm vụ tính toán xác định mặt Geoid trên lãnh thổ Việt Nam, xuất phát từ việc xác định mối liên hệ giữa mô hình toán học của trái đất và mô hình thực của trái đất (mô hình vật lý) đặt ra cho các nhà khoa học về trái đất nói chung và khoa học về trắc địa nói riêng bài toán về việc xác định mô hình dị thường trọng lực trái đất (trọng lực thực trừ đi trọng lực do mô hình toán học của trái đất sinh ra) hoặc mô hình độ cao Geoid của trái đất (độ cao mặt đẳng thế trọng lực trái đất ở mức "0"). Để xác định mô hình dị thường trọng lực và mô hình độ cao Geoid, các nhà khoa học đã sử dụng tất cả các loại trị đo hình học, vật lý ở mọi tầng không gian để tính toán công thức dưới dạng chuỗi điều hoà cầu (chuỗi Fourier 3 chiều). Năm 2008 mô hình EGM-2008 do Cục Thông tin Địa lý Quốc gia (National Geospatial-Intelligence Agency - NGA) thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ thực hiện đã được công bố. Đây là mô hình Geoid toàn cầu có độ chính xác cao trên phạm vi toàn cầu, phản ảnh được các chi tiết địa phương của mô hình, được biểu diễn bằng chuỗi Fourier tới bậc 2160. Trong nhiều nghiên cứu ứng dụng ở các nước, trên cơ sở mô hình EGM-2008 Việt Nam cần phải có một hệ thống điểm GPS - thủy chuẩn với mật độ phù hợp, có một mạng lưới điểm trọng lực đủ chi tiết, khi đó việc xác định mô hình Geoid với độ chính xác về độ cao có thể đạt tới 0,02m. Điều này có nghĩa là vai trò của lưới độ cao thủy chuẩn đã thay đổi, không cần tới như một điểm độ cao cụ thể mà chỉ đóng vai trò như một dữ liệu cơ bản để tính toán mối liên hệ giữa mô hình toán học và mô hình vật lý của trái đất. Việc sử dụng kết hợp các trị đo thiên văn, trọng lực mặt đất với các số liệu đo GPS, thủy chuẩn và các số liệu đo đạc trọng lực vệ tinh sẽ đưa ra các kết quả có độ chính xác rất cao về mặt Geoid [Hà Minh Hòa.2013].
     Từ năm 2002, Viện Nghiên cứu Địa chính nay là Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường giao xây dựng và thực hiện dự án “Xây dựng và hoàn chỉnh hệ thống trọng lực Nhà nước” theo quyết định số 208/QĐ-BTNMT ngày 25/2/2003. Đây là một trong những dự án quan trọng của công tác điều tra cơ bản ở nước ta song song với các dự án điều tra cơ bản khác. Dự án trọng lực góp phần vào việc hoàn thiện các số liệu cơ bản của quốc gia mà các số liệu này sẽ phục vụ nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, nhiều mục đích..., từ đó đến nay, công tác trọng lực ở Việt nam đã được quan tâm đúng mức. Sau gần 10 năm thực hiện dự án hoàn chỉnh hệ thống trọng lực quốc gia, tháng 10/2012, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ đã xây dựng Báo cáo tổng kết đánh giá toàn bộ quá trình thực hiện dự án “Xây dựng và hoàn chỉnh hệ thống trọng lực Nhà nước” và đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường đánh giá cao kết quả thực hiện. 
     Năm 2008 Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt Chiến lược phát triển ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam đến năm 2020, tại Quyết định số 33/2008/QĐ-TTg ngày 27/2/2008, trong đó đã đặt ra nhiệu nhiệm vụ cụ thể, bên cạnh các nhiệm vụ như: Dự án “Xây dựng Luật Đo đạc và Bản đồ”; Dự án “Xây dựng hệ thống chuẩn thông tin địa lý quốc gia”; Đề án “Xây dựng hệ thống địa danh Việt Nam và Quốc tế phục vụ công tác lập bản đồ”; Dự án “Hoàn chỉnh hệ quy chiếu quốc gia”; Dự án “Xây dựng mạng lưới GPS cố định trên lãnh thổ Việt Nam”; Dự án “Hoàn chỉnh lưới điểm độ cao quốc gia”…thì Dự án “Hoàn chỉnh lưới trọng lực quốc gia” đã giao cho Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ chủ trì thực hiện, với nội dung chủ yếu: xây dựng hệ thống lưới cơ sở trọng lực quốc gia các cấp hạng, đo đạc các điểm trọng lực chi tiết, tính toán hiệu chỉnh cho lưới độ cao, xây dựng cơ sở dữ liệu trọng lực quốc gia. Năm 2009, Bộ Tài nguyên và Môi trường tiếp tục giao cho Viện thực hiện dự án “Đo trọng lực chi tiết phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu trọng lực phần đất liền trên lãnh thổ Việt Nam”, kết hợp với số liệu trọng lực chi tiết của Tổng cục Địa chất (cũ), Tổng cục Dầu mỏ - Khí đốt Việt Nam (cũ) và của Viện Nghiên cứu Địa chính (cũ) thì dữ liệu trọng lực chi tiết của Việt nam đã lấp đầy toàn bộ vùng đồng bằng, trung du trên đất liền của nước ta. 
     Trọng lực hàng không đã từng được giải quyết từ những năm 50 của thế kỷ trước ở một số nước trên thế giới trong đó hầu hết là các nước phát triển, vì nó đòi hỏi trình độ khoa học - công nghệ cao, chi phí lớn và tổ chức thực hiện phức tạp. Hiện nay, các thành tựu khoa học - kỹ thuật đã cho phép triển khai công việc này với chi phí có thể chấp nhận đối với nhiều quốc gia và độ chính xác đạt được hoàn toàn có thể đáp ứng hàng loạt mục đích thực tế. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo các thiết bị đo đạc trọng lực, từ các thiết bị đo trọng lực trên đất liền bằng các máy đo mặt đất, đến các thiết bị đo trọng lực trên biển, đo trọng lực trên máy bay đã được nhiều nước phát triển ứng dụng để thu nhận toàn bộ dữ liệu trọng lực quốc gia của mỗi nước phục vụ các nhu cầu cấp thiết của các nhiệm vụ khoa học kỹ thuật về trái đất. Đối với lĩnh vực Trắc địa bản đồ, hệ thống dữ liệu trọng lực quốc gia được xây dựng nhằm đảm bảo việc cung cấp các tài liệu điều tra cơ bản về trọng trường trên lãnh thổ Việt Nam, nhằm thực hiện các nhiệm vụ khoa học kỹ thuật như: Tính toán xác định mặt Geoid độ chính xác cao và xây dựng hệ độ cao quốc gia hiện đại; Xác định các số cải chính vào các chênh cao đo, các trị đo hướng v.v... để đưa các trị đo trên mặt vật lý của trái đất về trường trọng lực chuẩn tương ứng với Ellipsoid quy chiếu phục vụ việc xử lý toán học các mạng lưới trắc địa quốc gia; Nghiên cứu xác định sự biến thiên cục bộ của trường trọng lực nhằm làm rõ quy mô của các tác nhân gây ra sự biến thiên đó (động đất, nước biển dâng v...v) phục vụ công tác dự báo tai biến tự nhiên; Nghiên cứu cấu trúc của lớp vỏ sâu của trái đất phục vụ thăm dò tìm kiếm khoáng sản.
Sự chuẩn bị về thiết bị, công nghệ, con người và các điều kiện khác phục vụ triển khai công tác đo trọng lực toàn bộ vùng núi bằng máy bay
     Trong trắc địa, thường cần các số liệu trọng lực ở quy mô lớn, bao gồm cả lãnh thổ quốc gia hay khu vực. Đối với khu vực đất liền ở các vùng đồng bằng, trung du các giá trị trọng lực thường được đo bằng phương pháp truyền thống trên mặt đất. Đối với những khu vực không thể tiếp cận như miền núi, thì không thể lựa chọn phương pháp nào ngoài đo bằng máy bay. Ngoài ra đo bằng máy bay sẽ đảm bảo cho việc đo chờm tại các khu vực tiếp biên dữ liệu giữa vùng núi và đồng bằng hay giữa đồng bằng và trên biển, từ đó cho phép xây dựng mô hình geoid một cách chính xác. Phương pháp đo trọng lực hàng không đòi hỏi thiết bị và công nghệ phải đồng bộ và kỹ thuật viên phải có trình độ và kinh nghiệm. Các thao tác vận hành và tổ chức bay đo phải hết sức khoa học, đòi hỏi không có sự sai sót giữa mặt đất và trên không. Do sự chuyển động của máy bay nên ảnh hưởng của lực quán tính và độ nghiêng của máy bay đến các số đọc của máy trọng lực hang không đòi hỏi độ nhạy rất cao so với yêu cầu độ chính xác xác định giá trị trọng lực mặt đất. Do đó, phải áp dụng tất cả các biện pháp có thể để loại trừ ảnh hưởng của các yếu tố nêu trên. Hiện nay các phần mềm kiểm soát vận tốc bay, độ cao bay, định vị GPS, các chỉ số môi trường… được tích hợp đồng bộ theo thông số thu nhận dữ liệu đảm bảo cho việc xử lý cuối cùng đạt độ chính xác theo yêu cầu.
 

 Hình 1. Tổ nhận chuyển giao công nghệ tại sân bay Nội Bài

     Với chức năng của một đơn vị nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực trắc địa - bản đồ Viện khoa học đo đạc và bản đồ đã được giao chủ trì thực hiện toàn bộ Dự án “Xây dựng và hoàn chỉnh hệ thống trọng lực Nhà nước”, trong hơn 10 năm qua đã hoàn thành xây dựng hệ thống các điểm trọng lực tuyệt đối (điểm trọng lực cơ sở), các điểm trọng lực vệ tinh của điểm cơ sở, hai đường đáy trọng lực, các điểm trọng lực hạng I và các điểm vệ tinh của điểm trọng lực hạng I, các điểm trọng lực hạng III (trọng lực tựa) dọc theo các tuyến thủy chuẩn hạng I, II nhà nước. v.v... Công tác hoàn thiện hệ thống trọng lực Việt Nam trong những năm qua với sự hợp tác của LB Nga. Trên cơ sở chức năng được giao và kinh nghiệm tích luỹ được thông qua việc thực hiện hàng loạt công việc quan trọng kể trên trong những năm vừa qua, Viện khoa học đo đạc và bản đồ hoàn toàn có đủ điều kiện để tiếp tục chủ trì phần việc khá phức tạp còn lại của công tác đo trọng hàng không ở vùng núi nước ta.
     Đối với lĩnh vực đo đạc và bản đồ việc bay đo trọng lực chi tiết từ trước đến nay chưa thực hiện, nếu thuê nước ngoài vào bay đo với kinh phí rất lớn và hơn nữa không thể đào tạo được cán bộ, không làm chủ được công nghệ. Chính vì vậy, Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường đầu tư một hệ thống đo trọng lực hàng không TAGS AIR 6 GRAVITY METER của Hoa Kỳ. Ngay sau đó viện đã tiến hành công tác chuyển giao công nghệ và bay đo thử nghiệm ở vùng núi Việt Nam. Trong khoảng thời gian từ 20/3 đến 2/4/2014, các chuyên gia đến từ công ty Micro-g Lacoste – Scintrex Ltd (Hoa Kỳ), đã chuyển giao công nghệ và lắp đặt máy trọng lực hàng không số hiệu S-183 lên máy bay để bay đo thử nghiệm. Trong thời gian chuyển giao công nghệ ở Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, các chuyên gia đã hướng dẫn vận hành cho 12 cán bộ của Viện. Công tác bay đo thử nghiệm đã được tiến hành trên tàu bay PAC P-750 XSTOL của Australia, phạm vi bay thuộc địa phận tỉnh Phú Thọ với 2 ca bay thử nghiệm từ sân bay Nội Bài.

                                                           Hình 2. Lắp đặt hệ thống máy đo trọng lực TAGS6 trên máy bay

     Kết quả chuyển giao đã đào tạo được các cán bộ kỹ thuật mặt đất, xử lý dữ liệu bay đo và đặc biệt là các ca bay với sự tham gia của 02 cán bộ Việt Nam. Nắm được thao tác vận hành hệ thống TAGS-6, xử lý các tình huống và làm chủ được công nghệ, là sự chuẩn bị cần thiết cho thực hiện công tác bay đo trọng lực toàn bộ vùng núi Việt Nam.
Bên cạnh đó, để đảm bảo tính khả thi cho triển khai dự án, Viện khoa học đo đạc và bản đồ đã ký biên bản thỏa thuận hợp tác với Cục Bản đồ - Bộ Tổng tham mưu ngày 26/11/2013 về việc phối hợp bay đo trọng lực hàng không trên đất liền thuộc lãnh thổ Việt Nam, theo đó Cục Bản đồ - Bộ Tổng tham mưu sẽ tham gia hỗ trợ các hạng mục công việc liên quan đến cấp phép và giám sát bay.
Khối lượng đo trọng lực hàng không
     Diện tích đo đạc trọng lực chi tiết khu vực rừng núi cao, biên giới của Việt Nam nơi chưa có số liệu trọng lực là 129.643 km2 (tương ứng với số lượng 5191 ô chuẩn trọng lực 5km x 5km) chiến hơn 1/3 diện tích cả nước. Trong một ô chuẩn trọng lực 3’ x 3’ (tương ứng 5km x 5km) đối với vùng núi cao, với chênh cao địa hình thay đổi lớn, cần đo và xác định 9 giá trị trọng lực phân bố trong ô chuẩn. Nhằm đảm bảo mật độ điểm chi tiết trên thực địa là 3,4km/điểm theo chiều ngang và 1,1 km/điểm theo chiều dọc. Toàn bộ 5191 ô chuẩn còn lại trên các khu vực rừng núi cao ở vùng Đông Bắc, Tây Bắc và dọc dãy Trường Sơn, không có đường giao thông đi lại, như các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Điện Biên, Yên Bái, Hà Giang, Đăk Lăk, Đăk Nông, Gia Lai, Lâm Đồng, Bình Phước v.v... là các khu vực có nhiều dị trường trong cấu trúc của vỏ trái đất. Dựa trên điều kiện về khu vực đo trọng lực và điều kiện của các sân bay của Việt Nam, toàn bộ vùng núi được thiết kế chia thành 12 phân khu bay đo. 
     Ngoài ra với dải đo của máy đo trọng lực hàng không TAGS AIR III GRAVITY METER là 20,000mGal có thể bay đo trọng lực chi tiết ở vùng núi bằng máy bay với độ cao đến 6,7km. Điều này hoàn toàn cho phép thực hiện đo đạc trọng lực chi tiết ở vùng Tây Bắc Việt Nam khi tính đến độ cao của đỉnh Phan Xi Păng.  
     Là một nhiệm vụ khó khăn, phức tạp trong quá trình triển khai thực hiện. Công tác bay đo trọng lực hàng không còn phụ thuộc các thủ tục cấp phép bay, sự sẵn sàng của tàu bay, yếu tố thời tiết, không lưu, chuyển trường, dẫn đường, cấp phép ở các vùng biên giới và việc đáp ứng tại các sân bay (vị trí đỗ cố định, đường cất hạ cánh…), đồng bộ thiết bị - công nghệ, kinh phí lớn, chính vì vậy việc phối hợp giữa các đơn vị có liên quan là rất quan trọng (điều này đã được rút kinh nghiệm từ bay đo thẻ nghiệm năm 2014). 
Kết luận
     Hoàn thành được công tác đo đạc trọng lực vùng núi Việt Nam sẽ cung cấp hệ thống dữ liệu trọng lực phủ trùm trên toàn bộ lãnh thổ nước ta, đây là một trong những tài liệu quan trọng phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, phát triển kinh tế - xã hội, anh ninh quốc phòng, được nhiều ngành khai thác sử dụng. Với hệ thống thiết bị đo trọng lực hàng không hiện đại như TAGS AIR 6 GRAVITY METER ngoài mục đích bay đo vùng núi còn có thể tham gia đo trọng lực biển (với hơn 1 triệu km2 vùng biển Việt Nam). Với tầm quan trọng của dữ liệu trọng lực phủ kín lãnh thổ, lãnh hải trong xây dựng mô hình Geoid chính xác cao của Việt Nam đã được nhìn nhận trong chiến lược phát triển của ngành đến năm 2020, với sự chuẩn bị đầy đủ về thiết bị, công nghệ và con người, Viện khoa học đo đạc và bản đồ chắc chắn sẽ hoàn thành nhiệm vụ đầy khó khăn này.