Bài viết Ứng dụng dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia trong nâng cao hiệu quả thành lập bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển trình bày khai thác, sử dụng có hiệu quả các dữ liệu trên trong việc xác định trầm tích bề mặt, nâng cao hiệu quả trong công tác biên tập hải đồ, phục vụ nhiệm vụ bảo đảm sẵn sàng chiến đấu của đơn vị.
ỨNG DỤNG DỮ LIỆU TÁN XẠ NGƯỢC ĐA CHÙM TIA TRONG NÂNG CAO HIỆU QUẢ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ TRẦM TÍCH BỀ MẶT ĐÁY BIỂN Cao Hồng Trưởng1, Mai Văn Duy1, Trịnh Lê Hùng2, Trịnh Thị Thắm3 Đoàn Đo đạc biên vẽ hải đồ Nghiên cứu biển Học viện Kỹ thuật quân Trường Đại học Tài ngun Mơi trường Hà Nội Tóm tắt Cơng nghệ đo sâu đa tia cho phép xác định chi tiết địa hình đáy biển, giúp giảm bớt gánh nặng cơng tác khảo sát ngồi thực địa Các hệ thống thu thập liệu độ sâu địa hình đáy biển, chúng cịn thu thập liệu tán xạ ngược (backscatter) cho biết trầm tích bề mặt đáy biển, liệu hình ảnh mặt cắt tầng nước theo dải quét (Water Column Imaging) cho biết dạng vật chất môi trường nước Nghiên cứu tác giả nhằm khai thác, sử dụng có hiệu liệu việc xác định trầm tích bề mặt, nâng cao hiệu cơng tác biên tập hải đồ, phục vụ nhiệm vụ bảo đảm sẵn sàng chiến đấu đơn vị Từ khóa: Trầm tích bề mặt; Tán xạ ngược; Chùm đa tia Abstract Application of multi-beam sonar backscatter data in improving the efficiency of mapping surface sediment of the ocean floor Multi-beam depth measurement technology allows precise determination of the seabed topography, helping to reduce the financial burden in field surveys Both seabed topographic depth data and backscatter data were collected from these systems have given information about surface sediments of the sea bottom and the forms of matter in the water through water column imaging The author’s research aims to exploit and effectively use the above data in determining surface sediments, improving the efficiency of chart editing, and ensuring the country’s combat readiness Keywords: Surface sediment; Backscatter; Multi-beam Mở đầu Việt Nam quốc gia có tiềm lớn biển Với diện tích mặt biển triệu km2, có bờ biển trải dài 3.260 km, với 3.000 đảo lớn nhỏ hai quần đảo Hoàng Sa, Trường Sa Vì vậy, yêu cầu quản lý khái thác bền vững tài nguyên biển đặt nhiệm vụ vơ đặc biệt Bên cạnh đó, đo đạc biển sản xuất hải đồ (thủy đạc) có vai trị quan trọng phục vụ nhiệm vụ quốc phòng an ninh, bảo đảm cho ngành kinh tế quốc dân nghiên cứu dân biển đảo Việt Nam Việc hiểu địa hình trầm tích đáy biển giúp ích cho hoạt động hàng hải, neo đậu tàu thuyền, đánh bắt thủy hải sản Trong lĩnh vực quân sự, lớp trầm tích bề mặt biển có ý nghĩa hoạt động thiết đặt bom, mìn, đỗ đậu tàu ngầm Khoa học công nghệ ngày phát triển làm thay đổi nhiều phương pháp để người khám phá đại dương Sự phát triển nhanh chóng ngành nghề liên quan đến biển đặt yêu cầu lớn công nghệ thành lập đồ biển, khơng để khai thác mà cịn để bảo vệ môi trường lập kế hoạch phát triển bền vững Bằng cách sử dụng loại hệ thống sonar khác lập đồ trầm tích bề mặt đáy biển với độ phân giải cao Hệ thống đa tia công cụ mạnh mẽ để lập đồ biển Nó phát với số lượng lớn xung âm thu hàng trăm điểm độ sâu mặt phẳng vng góc với 368 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững đường tàu khảo sát Dữ liệu đa tia thu thập bao gồm cường độ tán xạ ngược âm phản xạ trở lại Dữ liệu dùng để xác định loại trầm tích đáy biển Nói đơn giản hơn: Tín hiệu phản hồi yếu (cường độ âm thấp) cho biết chất đáy mềm tín hiệu phản hồi mạnh (cường độ âm cao) cho biết chất cứng [1] Nhiều nước trên giới sử dụng liệu cường độ tán xạ ngược cơng cụ cơng tác thành thập đồ trầm tích bề mặt đáy biển Tuy nhiên, qua tìm hiểu tác giả, việc nghiên cứu, ứng dụng liệu nước ta chưa phổ biến rộng rãi có hiệu Có thể thấy số ưu điểm lớn nghiên cứu Bảng đây: Bảng So sánh phương pháp xác định chất đáy truyền thống phương pháp sử dụng liệu tán xạ ngược chùm đa tia Sử dụng liệu tán xạ ngược đa tia Thời gian thu thập Nhanh kết hợp liệu đo sâu địa hình đáy biển Phạm vi thu thập rộng lớn, mật độ Phạm vi, mật độ điểm cao Phụ thuộc vào liệu phương Độ tin cậy pháp xử lý Phương pháp truyền thống (dùng gầu, lặn) Tốn kém, nhiều thời gian Phạm vi nhỏ, rời rạc Phụ thuộc vào người quan sát, kinh nghiệm phân tích mẫu thu thập Dữ liệu sử dụng nghiên cứu thu thập khu vực ven biển Vũng Tàu hệ thống đo sâu đa tia Altlas Fansweep 20 tần số 200 kHz, chuyên dùng cho khảo sát vùng nước nơng có độ phân giải cao Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu 2.1 Cơ sở lý thuyết Thiết bị đo vẽ đồ biển lâu đời ghi lại dây dọi Dây rọi bao gồm nặng chì gắn vào phần cuối sợi dây dài với khoảng đánh dấu để hiển thị độ sâu Phương pháp thực lần người Ai Cập cổ đại (theo Văn phòng Thủy văn Australia 2007) Sau đó, nhà thám hiểm đại dương sử dụng phương pháp này, thay nặng gầu múc để thu thập mẫu trầm tích Tàu khảo sát thực việc lập đồ đại dương HMS Challenger vào năm 1872 Cùng thời gian đó, William Thomson phát minh dây tạo xung âm thanh, sau Charles D Sigsbee phát triển thành máy Sigsbee Sounding Vào năm 1912, sau thảm họa Titanic, nhà vật lý người Đức tên Alexander Behm nghiên cứu cách phát băng trôi công nghệ âm Tuy nhiên, ơng khơng tìm phương pháp phát tảng băng trơi mà thay vào khám phá kỹ thuật đo sâu hồi âm để xác định độ sâu đáy biển, cấp sáng chế vào năm 1913 (Wikepedia 2007) Vào năm 1950, kỹ thuật thiết bị đo sâu đa tia phát triển hải quân Hoa Kỳ Sự phát triển máy đo sâu đa tia cải thiện nhanh chóng năm 1980 - 1990 Ngày nay, hệ thống đo sâu đa tia tiên tiến, sử dụng định vị vệ tinh xác để giúp tạo đồ độ sâu với độ xác đến vài cm [2] a) Hệ thống đo sâu đơn tia đa tia Các thiết bị đo sâu hồi âm phát xung âm qua phát biến (tranducer) Các tín hiệu âm xuống phản xạ đáy biển quay trở lại phần thu phát biến Độ sâu tính dựa theo thời gian di chuyển âm môi trường nước (~1.500 m/s) Khi tàu di chuyển, máy đo đơn tia liên tục phát xung âm xuống bề mặt đáy biển nhận lại theo Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 369 vị trí Máy đo đơn tia thu độ sâu vị trí phát xung, nên cần phải nội suy độ sâu tuyến khảo sát để tạo hải đồ Nhiều hải đồ ngày dựa loại liệu Hệ thống đo sâu đa tia bao gồm nhiều phát biến, phát nhiều xung âm bao phủ vùng rộng bên tàu khảo sát Hệ thống bao phủ 100 % khu vực khảo sát mà không cần phải nội suy tuyến đo Mỗi hệ thống đo đa tia khác có số lượng chùm tia, góc mở góc tới khác Góc tới độ (gọi góc tới thường) xung âm truyền vng góc xuống đáy biển Việc sử dụng chùm tia có góc tới lớn yêu cầu hiệu chỉnh xác giá trị góc xoay, dao động cảm biến chuyển động (motion sensor) vận tốc âm theo độ sâu b) Dữ liệu backscatter Backscatter hiểu liệu cường độ âm phản xạ trở lại hướng mà chúng xuất phát Bằng cách phân tích mức cường độ âm phản xạ trở lại, trích xuất thông tin cấu trúc độ cứng đáy biển, cho phép xác định loại trầm tích Hệ số phản xạ phụ thuộc vào độ cứng độ nhám bề mặt đáy biển Nói cách đơn giản tín hiệu trở lại mạnh cho biết bề mặt cứng (như đá, sỏi) tín hiệu trở lại yếu cho biết bề mặt mềm (như phù sa, bùn) Tán xạ ngược đơn tia: Hệ thống đơn tia có ưu điểm góc tới khơng đổi lượng liệu tương đối nhỏ cho phép phân tích chi tiết tín hiệu phản hồi Nhược điểm phạm vi bao phủ đáy biển bị giới hạn chùm tia độ phân giải tương đối thấp Tán xạ ngược đa tia: Tán xạ ngược đa tia có độ bao phủ mức độ chi tiết tốt nhiều so với đơn tia phức tạp cho việc xử lý Cường độ tán xạ ngược thay đổi theo dạng hình học chùm tia, độ sâu thành phần loại trầm tích bề mặt đáy biển Một tín hiệu tán xạ ngược phụ thuộc độ dốc độ nhám đáy, tần số thiết bị đo [2] Các âm xuống bề mặt đáy theo nhiều hướng khác nhau, số âm bị phản xạ phản xạ trở lại Tín hiệu tán xạ ngược góc tới nhỏ (ϕ) thường mạnh tín hiệu từ góc tới lớn phát lại Hình Hình 1: Mơ tả hệ thống đa tia, cho thấy góc tới chùm tia cách tín hiệu tán xạ xung âm chạm đáy biển Hệ thống đa tia thu nhận số lượng lớn tín hiệu ping phản xạ lại từ đơn vị diện tích bề mặt đáy biển, khó để phân tích tín hiệu cách chi tiết với liệu đơn 370 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững tia Thay vào đó, sử dụng phương pháp so sánh thống kê ping riêng lẻ, tạo bảng thống kê, đồ thị để xác định loại trầm tích khác c) Kỹ thuật xác định chất đáy phương pháp phân tích phản hồi góc tới ARA Kỹ thuật phân tích ARA (Angular Response Analysis) kỹ thuật phân tích liệu backscatter để xác định trầm tích bề mặt giới thiệu lần đầu Jackson vào năm 1986 phát triển thành phương pháp Geocoder Fonseca Calder đưa năm 2009 [3] Hiện nay, Geocoder tích hợp vào phần mềm thu thập, xử lý liệu thủy đạc Hypack Caris Hips Sips Cơ sở tính tốn liệu tán xạ ngược: giá trị cường độ âm tán xạ ngược nhận đầu thu sonar tổng cường độ âm tán xạ bề mặt đáy cường độ âm tán xạ mơi trường Cơng thức tính cường độ âm tán xạ bề mặt (Surface backscattering) [3] là: σr(θ,f) = F(θ,f; ξ, ρ(ξ), ν (ξ), δ(ξ), ω2, λ) Với: θ: lượng tán xạ bề mặt đơn vị góc tới, f: tần số xung âm thanh, ρ: trọng lượng riêng chất đáy môi trường nước, ν: tỷ lệ vận tốc âm truyền chất đáy với cột nước, δ: thông số giả định sóng âm truyền chất đáy, ω2: độ dốc địa hình đáy biển, λ: phổ nước đáy biển, ξ: thể tích khí gas/tổng thể tích chất đáy Cơng thức tính cường độ âm tán xạ môi trường (Volume backscattering) là: σv = ( (ξ ∑ h + σ 2α (ξ ) ) cW − R (θ ) sin (θ ) ) 40π f p (θ ) lm p (θ ) Với: Ʃh: mức tán xạ bọt nước mơi trường, σ2: thể tích tán xạ, R(θ): hệ số phản xạ, P(θ): hàm lượng bị mất, σ2: hệ số suy giảm theo khoảng cách, cW: Vận tốc âm truyền chất đáy Giả định đáy biển hồn tồn phẳng đồng chất cường độ tín hiệu nhận xung âm phản hồi vng góc với đáy biển mạnh với xung âm phát biên Mỗi loại chất đáy có đặc tính phản hồi cường độ tán xạ ngược theo góc tới khác Tiến hành xây dựng nên đồ thị phản ánh cường độ tán xạ theo góc tới chất đáy, với gọi beam pattern Kết đo đạc khảo sát từ liệu đa tia sau xử lý đối chiếu so sánh với mẫu đồ thị tiêu chuẩn để xác định loại chất đáy cần tìm Người ta quy ước có tất 20 loại mẫu chất đáy bề mặt, từ loại chất đáy mềm nhất, phản xạ sét (clay) loại cứng phản xạ tốt sỏi đá (gravel) Hình 2: Đồ thị tán xạ ngược loại chất đáy sỏi, cát, phù sa Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 371 Để áp dụng sở lý thuyết trên, tác giả sử dụng công cụ Geocoder phần mềm Hypack 2020 nghiên cứu để tiến hành tính tốn, xử lý liệu tán xạ ngược từ số liệu đa tia để phân loại chất đáy 2.2 Khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu ven biển Vũng Tàu, cách khoảng 150 km phía Đơng Bắc đảo Cơn Sơn Khu khảo sát có diện tích km2 tàu Trần Đại Nghĩa (HQ888) đơn vị thực vào tháng năm 2019 Hình 3: Khu vực nghiên cứu khảo sát (phạm vi ô vuông màu đỏ) 2.3 Trang thiết bị phương pháp thu thập liệu Dữ liệu khảo sát thu thập từ hệ thống đo sâu đa tia nước nông Atlas Fansweep 20/200 lắp đặt xuồng đo đạc Hệ thống hoạt động tần số 200 kHz, phát biến dạng V-shape, góc quyét tối đa 1600 cho phép dải quyét có rộng gấp 12 lần độ sâu Hệ thống điều khiển thông qua chương trình Atlas Hydrographic Control để thu thập liệu cách nhanh chóng, xác Dữ liệu thu thập gồm: tuyến đo sâu đa tia, 01 điểm đo vận tốc âm số liệu thủy triều dự báo Vũng Tàu để hiệu chỉnh độ sâu Các mẫu chất đáy sử dụng gầu để thu thập, chủ yếu thành phần cát nhỏ sét 2.4 Xử lý số liệu Quy trình xử lý phần mềm Hypack 2020 gồm bước: - Xử lý số liệu đo sâu đa tia (hiệu chỉnh thủy triều, vận tốc âm, lọc nhiễu), xây dựng bề mặt địa hình đáy biển công cụ MBMAX64 - Tạo mosaic cường độ tán xạ ngược trung bình từ số liệu xử lý cơng cụ Geocoder Phân tích phản hồi góc tới ARA, trích xuất liệu chất đáy - Biên tập đồ chất đáy khu vực nghiên cứu Kết nghiên cứu Số liệu độ sâu đa tia sau xử lý, địa hình phẳng, độ sâu từ 40 - 55 m, nhận định có dạng sóng cát theo hướng Tây Bắc - Đơng Nam (Hình 4) Độ sâu lớp nước khu vực đo đạc từ 42 m đến 54 m 372 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững Hình 4: Dữ liệu 3D địa hình đáy biển khu vực nghiên cứu Kết phân loại chất đáy từ liệu tán xạ ngược đa chùm tia, thành lập đồ trầm tích đáy cho thấy thành phần hạt trầm tích khu vực nghiên cứu (Hình 5) Thành phần bề mặt đáy biển khu vực chủ yếu cát pha sét cát mịn (chiếm khoảng 70 % diện tích khu vực khảo sát) Kết phân tích từ liệu tán xạ ngược phù hợp với đặc tính địa hình đáy biển phẳng Hình 5: Bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển khu vực nghiên cứu Theo kết nghiên cứu Hoàng Văn Long cộng sự, đặc điểm trầm tích phân bố dọc theo bờ biển kéo dài từ Vũng Tàu đến Phan Thiết chủ yếu hạt thô Khi chuyển tiếp vùng nước sâu có tăng tỷ lệ trầm tích bột Như vậy, kết nghiên cứu thành phần hạt trầm tích nghiên cứu tương đối phù hợp với cơng bố trước Đồng thời, đối chiếu với mẫu chất đáy thu thu thập có xác vị trí tính chất mẫu trầm tích Kết luận Bài báo trình bày kết ứng dụng liệu tán xạ ngược đa tia phát hiện, phân loại để thành lập đồ trầm tích bề mặt đáy biển, biên tập hải đồ, nghiên cứu biển Phương pháp phân tích liệu tán xạ ngược với tính hiệu độ tin cậy cao, giúp giảm thời gian, chi Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ mơi trường phát triển bền vững 373 phí điều tra, thăm dị ngồi thực địa so với phương pháp truyền thống dùng gầu, ống phóng trọng lực hay lặn quan sát Kết bước đầu nghiên cứu động lực để tác giả tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng cho hệ thống đa tia phần mềm xử lý liệu thủy đạc khác Ngày nay, nhu cầu quản lý khai thác tài nguyên biển bền vững góp phần vào việc phát triển kinh tế nhu cầu cấp thiết Trong việc thu thập, đánh giá tài nguyên biển công việc cần thiết Việc hiểu địa hình trầm tích đáy biển giúp ích cho hoạt động hàng hải, neo đậu tàu thuyền, đánh bắt thủy hải sản Trong lĩnh vực quân sự, lớp trầm tích bề mặt biển có ý nghĩa hoạt động thiết đặt bom, mìn, đỗ đậu tàu ngầm, TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Craig J Brown, Jonathan Beaudoin, Mike Brissette and Vicki Gazzola (2019) Multispectral multibeam echo sounder backscatter as a tool for improved seafloor characterization [2] Gustav Kågesten (2008) Geological seafloor mapping with backscatter data from a multibeam echo sounder [3] Fahrulian, Henry M Manik, Indra Jaya, and Udrekh (2016) Angular range analysis (ARA) and K-means clustering of multibeam echosounder data for determining sediment type Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021 Người phản biện: PGS.TS Lê Thị Trinh 374 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững ... tính tốn liệu tán xạ ngược: giá trị cường độ âm tán xạ ngược nhận đầu thu sonar tổng cường độ âm tán xạ bề mặt đáy cường độ âm tán xạ mơi trường Cơng thức tính cường độ âm tán xạ bề mặt (Surface... ngược đa chùm tia, thành lập đồ trầm tích đáy cho thấy thành phần hạt trầm tích khu vực nghiên cứu (Hình 5) Thành phần bề mặt đáy biển khu vực chủ yếu cát pha sét cát mịn (chiếm khoảng 70 % diện tích. .. chất đáy mềm tín hiệu phản hồi mạnh (cường độ âm cao) cho biết chất cứng [1] Nhiều nước trên giới sử dụng liệu cường độ tán xạ ngược cơng cụ cơng tác thành thập đồ trầm tích bề mặt đáy biển Tuy