Ứng dụng mô hình tin trong công tác kiểm tra số liệu đo sâu hồi âm bằng phương pháp đơn tia

Lưới tam giác không quy chuẩn - Triangular Irrigular Network (TIN) từ lâu được biết đến như một công cụ hữu hiệu trong việc lập mô hình số địa hình bởi tính chất linh hoạt và sự mô phỏng rất tốt của nó với những địa hình bị chia cắt mạnh. Bài viết khoa học này giới thiệu một trong những ứng dụng như vậy. Các kết quả nghiên cứu của bài báo này là một cơ sở quan trọng cho việc mở rộng phạm vi ứng dụng của mô hình TIN.

Trao đổi - Ý kiến ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TIN TRONG CÔNG TÁC KIỂM TRA SỐ LIỆU ĐO SÂU HỒI ÂM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐƠN TIA ThS NGUYỄN CÔNG SƠN(1), TS TRẦN THÙY DƯƠNG(2), KS VŨ HỒNG TẬP(3) Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ (2) Trường Đại học Mỏ Địa chất (3) Trung tâm Trắc địa Bản đồ Biển (1) ưới tam giác không quy chuẩn Triangular Irrigular Network (TIN) từ lâu biết đến công cụ hữu hiệu việc lập mơ hình số địa hình tính chất linh hoạt mơ tốt với địa hình bị chia cắt mạnh Qua nghiên cứu triển khai thực tế, nhóm tác giả phát ứng dụng hữu ích mơ hình TIN việc mơ hình hố tổ chức tìm kiếm Bài báo khoa học giới thiệu ứng dụng Các kết nghiên cứu báo sở quan trọng cho việc mở rộng phạm vi ứng dụng mơ hình TIN L Đặt vấn đề Ở nước ta nay, phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia phương pháp phổ biến để đo vẽ thành lập đồ địa hình đáy biển Số liệu đo sâu thu quan trọng, để đánh giá độ xác kết đo sâu sau đo xong tuyến đo tiến hành đo tuyến đo kiểm tra Việc kiểm tra thực dựa vào điểm giao cắt đường kiểm tra đường đo sâu [4], vị trí giao cắt xác định tọa độ (X, Y) giá trị độ sâu, là: độ sâu nội suy từ điểm đo sâu gần trước sau giao điểm tuyến đo sâu ( ); độ sâu nội suy từ điểm kiểm tra gần trước sau giao điểm tuyến kiểm tra ( ) Hai giá trị độ sâu nội suy sở để so sánh, đánh giá kết đo sâu Do liệu đo sâu địa hình đáy biển lớn từ hàng trăm nghìn đến vài triệu điểm nên cơng tác kiểm tra nhiều thời gian; việc tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp để kiểm tra, đánh giá số liệu đo sâu hồi âm cách nhanh chóng cho độ xác cao cần thiết Bài báo đưa kết việc nghiên cứu ứng dụng mơ hình TIN để giải vấn đề Giải vấn đề 2.1 Phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia Phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia SBES (Single Beam EchoSounder) phương pháp xác định độ sâu dựa sở xác định thời gian lan truyền sóng âm phát từ đầu biến âm (Transducer) môi trường nước sau gặp đáy biển phản hồi lại đầu biến âm, (hình 1) Khi thời gian tốc độ truyền sóng âm cột nước biết độ sâu tính cơng thức sau: (1) đó: v - Vận tốc truyền sóng âm cột nước; τ - Thời gian truyền tín hiệu sóng âm từ lúc phát tín hiệu đầu biến âm xuống đáy biển quay trở lại; D - Độ sâu điểm đo 2.2 Công tác đo sâu hồi âm đơn tia Công tác đo đạc, thành lập đồ a tạp chí khoa học đo đạc đồ sè 17-9/2013 43 Trao đổi - Ý kiến hình đáy biển tỷ lệ 1:50.000 hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia thực theo quy định [4] Trong cơng tác đo sâu việc Fix số liệu phải đảm bảo yêu cầu sau: - Khoảng cách tuyến đo sâu liên tiếp 500m; - Các tuyến đo song song với theo chiều dốc địa hình; - Tọa độ (X,Y,D) hai điểm liên tiếp tuyến đo sâu xác định (Fix) với khoảng cách nhỏ 100m; Tuyến đo sâu thiết kế hình 2.3 Công tác kiểm tra số liệu đo sâu hồi âm đơn tia Số liệu đo sâu quan trọng cơng tác kiểm tra thực suốt q trình thi cơng Để đánh giá kết đo sâu sau đo xong tuyến đo tiến hành đo tuyến đo kiểm tra, tuyến kiểm tra đo theo hướng vuông góc với tuyến đo Các tuyến kiểm tra tuân thủ theo quy định kỹ thuật thành lập đồ địa hình đáy biển (theo tỷ lệ tương ứng) Đối với đồ 1/50.000 khoảng cách hai tuyến đo Hình 1: Phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia Hình 2: Sơ đồ tuyến đo sâu 44 t¹p chí khoa học đo đạc đồ số 17-9/2013 Trao đổi - Ý kiến kiểm tra 4000m, Tọa độ (X,Y,D) hai điểm liên tiếp tuyến đo kiểm tra xác định (Fix) với khoảng cách nhỏ 20m Tuyến đo kiểm tra thiết kế hình (2) Trong đó: Khi có số liệu đo sâu số liệu đo kiểm tra, tiến hành kiểm tra độ xác kết đo sâu; quy trình kiểm tra sau: - Tìm giao điểm đường đo sâu đường kiểm tra (hình 4) Xác định góc cắt đường đo sâu đường kiểm tra, góc cắt khơng nhỏ 450 khơng lớn 1350 thực bước (Xem hình 4) - Xác định tọa độ điểm giao Tọa độ điểm giao (P) xác định cơng thức Tính độ dốc hai điểm đo sâu liên Hình 3: Sơ đồ tuyến đo kiểm tra Hình 4: Giao điểm đường đo sâu đường kiểm tra t¹p chÝ khoa häc đo đạc đồ số 17-9/2013 45 Trao i - Ý kiến tiếp hai điểm kiểm tra liên tiếp có điểm giao: với (3) với (4) Khi độ dốc iđs ikt nhỏ hớn 50 thực bước 4 - Xác định độ sâu điểm giao Độ sâu giao điểm có giá trị, là: độ sâu nội suy từ điểm đo sâu gần trước sau giao điểm tuyến đo sâu ( ); độ sâu nội suy từ điểm kiểm tra gần trước sau giao điểm tuyến kiểm tra ( ) Hai độ sâu nội suy giá trị để kiểm tra độ xác kết đo sâu Độ sâu điểm giao (P) nội suy sau: Nội suy theo điểm đo sâu: (5) Nội suy theo điểm kiểm tra: (6) - Xác định giá trị chênh độ sâu nội suy độ sâu suy : Giá trị chênh độ sâu (DD) kiểm tra, đánh giá dựa tiêu chuẩn sau: a Sai số trung phương điểm đo sâu xác định cơng thức: 46 (7) Trong là số chênh độ sâu tuyến đo sâu tuyến đo kiểm tra giao điểm tuyến đo; độ sâu giao điểm nội suy từ điểm đo sâu gần trước sau giao điểm tuyến đo; n số lượng giao điểm b Sai số trung phương độ sâu điểm ghi độ sâu sau quy đổi hệ độ cao nhà nước điểm (được tính theo cơng thức (7)) không vượt hạn sai sau: ± 0,30 m độ sâu đến 30m; 1% độ sâu độ sâu 30m c Chênh lệch độ sâu điểm đo sâu điểm kiểm tra không vượt 1,5 lần so với tiêu chuẩn (b) khơng mang tính hệ thống d Trị giá số chênh cao giới hạn điểm đo sâu điểm kiểm tra không vượt lần so với tiêu chuẩn (b) tổng số điểm kiểm tra có số chênh từ 1,7 đến lần so với quy định không vượt 10% tổng số điểm kiểm tra Vấn đề phức tạp việc kiểm tra độ xác đo sâu khơng nằm việc tính tốn mà đến từ việc tìm giao điểm tuyến kiểm tra tuyến đo Trên thực tế số phương pháp tìm kiếm thơng thường dẫn đến độ phức tạp thuật toán lớn Gọi số điểm đo N1, số điểm kiểm tra N2, ta tính độ phức tạp thuật tốn tìm kiếm thơng thường bao gồm cơng đoạn: - Tìm kiếm hai điểm đo liền kề: O(N12) - Tìm kiếm hai điểm kiểm tra liền kề giao cắt với hai điểm đo tìm được: O(N22) t¹p chí khoa học đo đạc đồ số 17-9/2013 Trao đổi - Ý kiến Do hai cơng đoạn tìm kiếm phụ thuộc nên độ phức tạp toàn thuật toán O(N12 * N22) 2.4 Ứng dụng mơ hình TIN cơng tác kiểm tra số liệu đo sâu Như trình bày trên, liệu đo sâu địa hình đáy biển lớn từ hàng trăm nghìn đến vài triệu điểm nên khó khăn lớn công tác kiểm tra việc tìm giao điểm đường đo sâu đường kiểm tra Với thuật tốn thơng thường thời gian tìm kiếm xác định giao điểm vài chục phút chí đến hàng Qua nghiên cứu, tìm hiểu mơ hình TIN; nhóm tác giả thấy rõ ưu điểm ứng dụng mơ hình TIN để tối ưu hóa việc kiểm tra độ xác sau: Từ liệu đo sâu kiểm tra (X,Y,D) xây dựng mơ hình tam giác sau (hình 5, 6): Hình 6: Mơ hình tam giác hóa điểm giao cắt Trong [1] nêu cụ thể phương pháp giải thuật để xây dựng mơ hình TIN theo phương pháp tăng dần Lưu ý rằng, sở liệu điểm phải bố trí thêm thuộc tính xác định điểm đo hay điểm kiểm tra Sử dung ngôn ngữ Visual Basic, cấu trúc điểm mô tả sau: Type TPoint Code As Byte {Thuộc tính xác định điểm đo hay điểm kiểm tra} iT As Long X As Double Y As Double Z As Double End Type Cấu trúc tam giác mô tả sau: Type TTriangle Hình 5: Mơ hình tam giác hóa điểm đo sâu điểm kiểm tra Trên thực tế có nhiều phương pháp thành lập mơ hình TIN với tính khác phương pháp tăng dần, phương pháp quét mặt phẳng, phương pháp chia để trị… Trong đó, phương pháp tăng dần lựa chọn ngồi việc xây dựng mơ hình TIN, phương pháp trang bị sẵn tìm kiếm với thuộc tính topology liên kết các tam giác mơ hình Điều làm cho việc tìm kiếm điểm giao trở nên dễ dàng nhiều TNext As Long TCount As Byte ID (1 To 3) As Long iT (1 To 3) As Long End Type Theo đó, sau xây dựng xong mơ hình, ta có sở liệu tam giác có thuộc tính: Số hiệu đỉnh (liên kết với sở liệu điểm) Số hiệu tam giác liền kề (liên kết với sở liệu tam giác) t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 17-9/2013 47 Trao đổi - Ý kiến thuật toán thành phần nêu Gọi tổng số điểm đo điểm kiểm tra N ta tính độ phức tạp thuật tốn tìm kiếm sử dụng mơ hình TIN bao gồm cơng đoạn: - Lập mơ hình: O(NlogN) - Tìm kiếm tam giác thỏa mãn điều kiện có điểm giao: O(NlogN) Hình 7: Mơ hình cấu trúc liệu tam giác Các thuộc tính tam giác khơng đảm bảo tính chất riêng tam giác, cịn có ưu điểm vượt trội khả liên kết topology lưới tam giác Khi kiểm tra tam giác ta dễ dàng tìm tam giác liền kề nhờ thuộc tính iT tam giác Do vậy, việc tìm kiếm điểm giao đơn tìm cặp tam giác thỏa mãn điều kiện cạnh chung tạo hai điểm có kiểu (hoặc điểm kiểm tra điểm đo) hai điểm lại kiểu khác kiểu với kiểu hai điểm cạnh chung (Xem hình 8) Do hai cơng đoạn độc lập nên độ phức tạp thuật toán O(NlogN + NlogN) Để đánh giá tính ưu việt thuật tốn nhóm tác giả khảo sát tốc độ tính tốn phương pháp ứng dụng mơ hình TIN phương pháp duyệt thông thường, kết sau: (Xem bảng 1) Nhận xét: So sánh độ phức tạp hai thuật tốn: tìm kiếm thơng thường với độ phức tạp O(N12 * N22) ứng dụng mơ hình TIN với độ phức tạp O(NlogN + NlogN) ta rút số nhận xét sau: - Với tốc độ tính tốn máy tính khối lượng liệu đầu vào nhỏ (tổng số điểm đo kiểm tra 2.000 điểm) phương pháp sử dụng mơ hình TIN chưa phát huy tính ưu việt - Khi liệu đầu vào lớn 2.000 điểm phương pháp bắt đầu phát huy tốc độ tính tốn đặc biệt thể rõ ưu số lượng điểm từ 5.000 điểm trở lên Hình 8: Cặp tam giác có cạnh chung tạo hai điểm có kiểu Lưu ý hai công đoạn xây dựng mô hình tam giác cơng đoạn tìm kiếm điểm giao thực độc lập nhau, tức thành lập xong mơ hình bắt đầu tìm kiếm điểm giao Như vậy, độ phức tạp thuật tốn tồn q trình tính tổng độ phức tạp hai 48 Kết luận Mơ hình TIN ngồi khả mơ hình hóa bề mặt cịn có ưu lớn việc xếp tìm kiếm Các kết báo ứng dụng có ý nghĩa, đặc biệt giai đoạn nay, cơng nghệ đo đạc đại hóa, khối lượng liệu đo ngày lớn, đòi hỏi phải có kỹ thuật xử lý số liệu đại tạp chí khoa học đo đạc đồ số 17-9/2013 Trao đổi - Ý kiến Thời gian tìm kiếm Số lượng điểm Phương pháp duyệt thông thường Phương pháp mơ hình TIN 2.5 phút 1.640 giây 16.4 phút 8.926 giây 42.1 phút 15.219 giây 107.8 phút 49.047 giây Điểm đo sâu: 2.526 Điểm kiểm tra: 1.430 Điểm đo sâu: Điểm kiểm tra: Điểm đo sâu: Điểm kiểm tra: Điểm đo sâu: Điểm kiểm tra: 9.816 6.050 21.571 11.876 43.127 20.898 Bảng Bài báo đề cập đến việc ứng dụng mơ hình TIN cơng tác kiểm tra số liệu đo sâu phương pháp đo hồi âm đơn tia, nhiên, mục tiêu xa ứng dụng mơ hình TIN để kiểm tra số liệu đo sâu theo phương pháp hồi âm đa tia thành lập mơ hình số địa hình đáy biển Việc địi hỏi phải có nghiên cứu để hoàn thiện sở khoa học triển khai thực tiễn.m Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Công Sơn, Nghiên cứu số biện pháp tối ưu hoá thành lập mơ hình số địa hình, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, 2008 [2] Đỗ Xuân Lôi, Cấu trúc liệu giải thuật, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà Nội, 2006 [3] Robert Sedgewick, Cẩm nang thuật toán 1-2, NXB Khoa học kỹ thuật (bản dịch), Thành phố Hồ Chí Minh, 1995 [4] Quy định kỹ thuật thành lập đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:50 000 (Ban hành kèm theo Quyết định số 03/2007/QĐBTNMT ngày 12 tháng năm 2007 Bộ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường [5] Manual on Hydrography Publication M-13, 1st Edition, May 2005, Published by the international Hydrographic Bureau.m Summary Applying TIN to testing resounding deep measurement data by single beam method MSc Nguyen Cong Son Vietnam Institute of Geodesy and Cartography Dr Tran Thuy Duong University of Mining and Geology Eng Vu Hong Tap Center for Sea Survey and Mapping Triangular Irrigular Network (TIN) has long been known as an effective tool in setting up the terrain data model for its flexibility and good emulation of the strongly-devided terrains Through research and practical implementation, the group of authors have found out very useful applications of TIN to modeling and organizing the exploration This scientific article aims to introduce one of such applications The research results of this article are a significant basis for expanding the area of application of TIN.m Ngày nhận bài: 30/5/2013 t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 17-9/2013 49 ... việc ứng dụng mơ hình TIN cơng tác kiểm tra số liệu đo sâu phương pháp đo hồi âm đơn tia, nhiên, mục tiêu xa ứng dụng mơ hình TIN để kiểm tra số liệu đo sâu theo phương pháp hồi âm đa tia thành... đo kiểm tra thiết kế hình (2) Trong đó: Khi có số liệu đo sâu số liệu đo kiểm tra, tiến hành kiểm tra độ xác kết đo sâu; quy trình kiểm tra sau: - Tìm giao điểm đường đo sâu đường kiểm tra (hình. .. liệu đo sâu hồi âm đơn tia Số liệu đo sâu quan trọng cơng tác kiểm tra thực suốt trình thi công Để đánh giá kết đo sâu sau đo xong tuyến đo tiến hành đo tuyến đo kiểm tra, tuyến kiểm tra đo theo