luận án tiến sĩ nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3d địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển việt nam

Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm: - Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Thu thập các tài liệu, số liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu, cập nhật

NGUYỄN ĐÌNH HẢI

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG

MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM TRÊN VÙNG BIỂN

VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA- BẢN ĐỒ

Hà Nội - Năm 2024

NGUYỄN ĐÌNH HẢI

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG

MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM TRÊN VÙNG BIỂN

VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ

Mã số: 9520503

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS DƯƠNG VÂN PHONG

2 TS DƯƠNG THÀNH TRUNG

Hà Nội - 2024

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Trắc địa Cao cấp - Khoa Trắc địa Bản

đồ và quản lý đất đai - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Dương Vân Phong, TS Dương Thành Trung Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên

cứu và thực hiện Luận án

Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:

Các Thầy cô khoa Trắc địa Bản đồ và Quản lý đất đai đặc biệt các thầy cô Bộ môn Trắc đia Cao cấp, Hội đồng khoa học đã có những ý kiến đóng góp về khoa học, chuyên môn rất sâu sắc đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong

quá trình thực hiện Luận án

Thủ trưởng Bộ Tư lệnh, Thủ trưởng Bộ Tham mưu quân chủng Hải quân, Thủ trưởng Đoàn Đo đạc biên vẽ hải đồ Và Nghiên cứu biển - Bộ Tham mưu Hải quân, lãnh đạo chỉ huy Lữ đoàn tàu ngầm 189 - Vùng 4 Quân chủng Hải quân đã tạo mọi điều kiện,

giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành Luận án của mình

Cũng nhân dịp này, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành viên trong gia đình, đồng chí đồng đội cũng như các đồng nghiệp, những người đã không quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời

gian qua để nghiên cứu sinh có được cơ hội hoàn thành tốt Luận án của mình

Tác giả luận án

Nguyễn Đình Hải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là chính xác, trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

Tác giả luận án

Nguyễn Đình Hải

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Các luận điểm bảo vệ 4

6 Các điểm mới của luận án 4

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

8 Cơ sở tài liệu, số liệu 5

9 Cấu trúc của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 6

1.1 Mô hình 3D địa hình đáy biển 6

1.2 Một vài nét về tàu ngầm và hoạt động của tàu ngầm 9

1.2.1 Tàu ngầm và vai trò của tàu ngầm 9

1.2.2 Các phương pháp dẫn đường cho tàu ngầm 10

1.3 Yêu cầu về dữ liệu trắc địa, hải văn đảm bảo hoạt động cho tàu ngầm 14

1.3.1 Yêu cầu đối với dữ liệu trắc địa 14

1.3.2 Yêu cầu đối với dữ liệu hải văn 15

1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển trên thế giới 19

1.5 Tình hình nghiên cứu, phân loại trầm tích bề mặt đáy biển trên thế giới 26

1.6 Tình hình công tác thu thập dữ liệu địa hình đáy biển, nghiên cứu xây dựng mô hình 3D và phân loại trầm tích ở Việt Nam 27

1.7 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 32

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 34

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 35

2.1 Lựa chọn cơ sở toán học trong thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển 35

2.1.1 Hệ tọa độ 35

2.1.2 Phép chiếu tọa độ phẳng 35

2.1.3 Hệ quy chiếu độ cao 35

2.2 Các phương pháp thu thập dữ liệu địa hình đáy biển 36

2.2.1 Thu thập dữ liệu địa hình đáy biển từ nguồn dữ liệu có sẵn 36

2.2.2 Thu thập bằng phương pháp đo sâu trực tiếp bằng sào, quả rọi kết hợp máy kinh vĩ, toàn đạc điện tử 38

2.2.3 Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia 39

2.2.4 Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đa tia 40

2.2.5 Thu thập bằng phương pháp quét sườn 41

2.2.6 Thu thập bằng phương pháp xác định độ sâu đáy biển từ dị thường trọng lực 42

2.3 Yêu cầu về dữ liệu sử dụng để thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển 44

2.3.1 Một số đặc điểm thu thập dữ liệu độ sâu của máy đo sâu đa tia 44

2.3.2 Mức độ chi tiết của điểm đo sâu trong thành lập mô hình 3D 47

2.3.3 Đặc điểm về hình ảnh của máy thủy âm quét sườn 48

2.3.4 Yêu cầu biểu diễn đối với các đối tượng địa lý 50

2.4 Phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển 51

2.4.1 Một số thuật toán nội suy 51

2.4.2 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải 61

2.4.3 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới tứ giác không gian với các cạnh là đường cong tham số 68

2.5 Yêu cầu về độ chính xác mô hình sau khi thành lập 73

2.5.1 Đánh giá độ chính xác mô hình 73

2.5.2 Tính toán tỷ lệ mô hình cần thành lập 78

2.6 Phương pháp trực quan hóa mô hình 3D địa hình đáy biển 79

2.6.1 Trầm tích và phương pháp phân loại trầm tích 79

2.6.2 Dữ liệu tán xạ ngược 83

2.6.3 Dữ liệu thủy âm quét sườn 86

2.6.4 Phương pháp phân loại trầm tích 87

2.6.5 Giải pháp kết hợp các loại dữ liệu xây dựng mô hình 3D lớp phủ 98

2.6.6 Giải pháp thể hiện trầm tích và các đối tượng địa lý trong mô hình 3D 100

2.7 Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm 106

2.7.1 Thu thập dữ liệu ngoại nghiệp 107

2.7.2 Xử lý dữ liệu đầu vào 108

2.7.3 Phân tích yêu cầu đối với mô hình 3D cho tàu ngầm 108

2.7.4 Xây dựng CSDL 3D địa hình đáy biển 108

2.7.5 Xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển 109

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 110

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM 111

3.1 Khu vực và dữ liệu thực nghiệm 111

3.1.1 Giới thiệu về khu vực thực nghiệm 111

3.1.2 Giới thiệu về phương pháp thu nhận 114

3.2 Thực nghiệm xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển 115

3.2.1 Xử lý dữ liệu đầu vào 115

3.2.2 Xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải 123

3.2.3 Xây dựng mô hình lưới tứ giác với các cạnh là đường cong tham số 126

3.2.4 Xử lý và hiển thị kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu thủy âm quét sườn, dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia 126

3.2.5 Hiển thị trực quan mô hình 3D địa hình đáy biển 129

3.2.6 Đánh giá độ chính xác 130

3.3 Xây dựng phần mềm thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển 136

3.3.1 Thiết kế hệ thống 136

3.3.2 Mô tả hệ thống 136

3.3.3 Mô tả chức năng 137

3.3.4 Sơ đồ quy trình thành lập 137

3.3.5 Thiết kế giao diện 138

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 141

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 142

1 Kết luận 142

2 Kiến nghị 143

CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 144

TÀI LIỆU THAM KHẢO 146

PHỤ LỤC 156

Phụ lục 1 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực đảo Song Tử-Trường Sa 156

Phụ lục 2 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực Nha Trang-Khánh Hoà 158

Phụ lục 3 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực Ninh Thuận 160

Phụ lục 4 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Song Tử-Trường Sa 162

Phụ lục 5 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Nha Trang - Khánh Hoà 164

Phụ lục 6 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Ninh Thuận 166

Phụ lục 7 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Song Tử-Trường Sa 168

Phụ lục 8 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Nha Trang-Khánh Hoà 170

Phụ lục 9 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Ninh Thuận 172 Phụ lục 10 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Song Tử-Trường Sa 174

Phụ lục 11 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Nha Trang-Khánh Hoà 176

Phụ lục 12 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Ninh Thuận 178

Phụ lục 13 - Kết quả tính toán sai số nội tại mô hình lưới đa độ phân giải 180

Phụ lục 14 - Kết quả tính toán sai số nội tại mô hình lưới tứ giác không gian 184

Phụ lục 15 - Giả mã chương trình 188

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

BLUE Best Linear Unbiased

Estimator

Ước lượng tuyến tính không chệch tốt nhất

DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao

ENC Electronic Navigation Chart Hải đồ điện tử

MDT Mean Dynamic Topography Mặt biển trung bình động

lực

LAT Lowest Astronomical Tide Triều thiên văn thấp nhất

SONAR Sound Navigation And

IHO International Hydrographic

Organization Tổ chức thủy đạc quốc tế

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Yêu cầu kỹ thuật trong điều tra, khảo sát hải văn, môi trường biển và lấy mẫu

chất đáy 15

Bảng 1 2 Yêu cầu kỹ thuật yếu tố hải văn với phương pháp định vị thủy âm 18

Bảng 2 1 Mật độ điểm độ sâu của hệ thống đo sâu đa tia Seabeam 3030 46

Bảng 2 2 Đặc tính kỹ thuật của một số hệ thống đo sâu đa tia 46

Bảng 2 3 Bảng yêu cầu về mật độ điểm độ sâu chi tiết trước khi thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển 47

Bảng 2 4 Phân vùng theo độ dốc (Nguồn: Spatial Hydrology) 63

Bảng 2 5 Tiêu chuẩn phân loại trầm tích của Nga 80

Bảng 2 6 Tiêu chuẩn phân loại trầm tích tại Hoa Kỳ 81

Bảng 2 7 Tiêu chuẩn ISO 14688-1:2002 về phân loại trầm tích 82

Bảng 2 8 Phân loại trầm tích theo tiêu chuẩn của Tổ chức Thủy đạc quốc tế 82

Bảng 2 9 So sánh xử lý phân loại trầm tích giữa Hypack và Hips & Sips 89

Bảng 2 10 Bảng số liệu cường độ tán xạ ngược của cát mịn theo góc tới (bên trái) 91

Bảng 2 11 Bảng số liệu cường độ tán xạ ngược của cát mịn theo góc tới (bên phải) 92 Bảng 2 12 Thang phân loại trầm tích trong ngành Thủy đạc 92

Bảng 3 1 Phân loại dữ liệu đầu vào 116

Bảng 3 2 Kết quả tính sai số trung phương các mô hình được thành lập (đơn vị: m)130 Bảng 3 3 Kết quả tính sai số nội tại các mô hình được thành lập (đơn vị: m) 130

Bảng 3 4 Ma trận nhầm lẫn kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Song Tử 134

Bảng 3 5 Ma trận độ chính xác kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Song Tử 134

Bảng 3 6 Ma trận nhầm lẫn kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Ninh Thuận 135

Bảng 3 7 Ma trận độ chính xác kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Ninh Thuận 136

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2 1 Sơ đồ chuẩn độ sâu hải đồ [17] 36

Hình 2 2 Quy trình thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu sẵn có 37

Hình 2 3 Đo sâu bằng quả rọi 38

Hình 2 4 Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia 39

Hình 2 5 Nguyên lý chung của phương pháp đo sâu đa tia 40

Hình 2 6 Hiện tượng khúc xạ âm thanh khi đi qua các lớp nước khác nhau 40

Hình 2 7 Dữ liệu cột nước và tán xạ ngược đa tia 41

Hình 2 8 Quá trình thu thập hình ảnh đáy biển của thiết bị sonar quét sườn 42

Hình 2 9 Sơ đồ thu nhận điểm độ sâu từ hệ thống đo sâu đa tia 45

Hình 2 10 Mô tả độ phân giải ảnh quét sườn theo phương ngang 48

Hình 2 11 Mô tả độ phân giải ảnh quét sườn theo phương dọc 49

Hình 2 12 Ảnh hưởng của tốc độ kéo đến hình dáng vật thể 49

Hình 2 13 Tàu ngầm hoạt động trong khu vực có vách đá ngầm (Nguồn: www.alamy.com) 50

Hình 2 14 Thủy sinh vật dưới đáy biển (Nguồn: www.craiyon.com) 51

Hình 2 15 a) Cáp ngầm và b) xác tàu đắm dưới đáy biển 51

Hình 2 16 Đường cong Cubic Spline 59

Hình 2 17 Một số dạng đường cong tham số [51] 60

Hình 2 18 Sự phân bố các điểm độ sâu thực đo trong 1 khu vực 61

Hình 2 19 Mô tả độ dốc giữa hai điểm độ sâu 62

Hình 2 20 Lưới 3 x 3 các điểm độ sâu 62

Hình 2 21 Mô tả tính toán độ dốc bằng thuật toán lân cận 63

Hình 2 22 Mô tả độ dốc ở dạng raster 63

Hình 2 23 Mô hình số DEM và phân vùng độ dốc 64

Hình 2 24 Phân vùng theo độ sâu 64

Hình 2 25 Xây dựng lưới grid với kích thước ô lưới tại mỗi vùng phụ thuộc vào độ sâu 65

Hình 2 26 Phân bố dữ liệu đo sâu và điểm nội suy trong phương pháp IDW 65

Hình 2 27 Kết quả nội suy các điểm mắt lưới theo phương pháp IDW 66

Hình 2 28 Cấu trúc lưới đa độ phân giải được xây dựng 66

Hình 2 29 Mô hình số bề mặt được xây dựng 67

Hình 2 30 Xác định tuyến tàu di chuyển trên nền các điểm độ sâu 68

Hình 2 31 Xác định các vùng lựa chọn điểm gần tuyến tàu đi 69

Hình 2 32 Xác định điểm gần nhất và tuyến liền kề 69

Hình 2 33 Xác định các tuyến liền kề tuyến tàu và đi qua các điểm độ sâu thực đo 70

Hình 2 34 Xây dựng đường cong cubic-spline từ các điểm trị đo sâu 70

Hình 2 35 Các đường cong cubic-spline đi qua các điểm tuyến liền kề 71

Hình 2 36 Mặt vuông góc với tuyến hành trình 71

Hình 2 37 Các điểm nút của lưới tứ giác không gian 72

Hình 2 38 Lưới tứ giác không gian và mặt cong tứ giác không gian 72

Hình 2 39 Nguyên tắc lựa chọn điểm để đánh giá 75

Hình 2 40 Công cụ ArcScene trong ArcGIS 3D Analyst 76

Hình 2 41 Lưới đa độ phân giải và lưới đều 77

Hình 2 42 Sai lệch giữa đường cong cubic-spline và đường nối các điểm độ sâu 78

Hình 2 43 Tỷ lệ mô hình cần thành lập 78

Hình 2 44 Một số loại trầm tích a) sỏi, b) cát và c) bùn 79

Hình 2 45 Dữ liệu backscatter từ đo sâu đa tia 84

Hình 2 46 Mô tả hệ thống đa tia và tín hiệu phản xạ xung âm thanh tới đáy biển 85

Hình 2 47 Địa hình đáy biển thu được từ thủy âm quét sườn 86

Hình 2 48 Đồ thị tán xạ ngược của một số loại trầm tích 88

Hình 2 49 Quy trình phân loại trầm tích dựa vào dữ liệu tán xạ ngược 90

Hình 2 50 Đồ thị cường độ tán xạ ngược theo góc tới tại tần số 100 kHz của cát mịn91 Hình 2 51 Đồ thị cường độ tán xạ ngược 92

Hình 2 52 Khu vực có nhiều cát mịn trên ảnh thủy âm quét sườn 94

Hình 2 53 Hình ảnh trích chọn và thay đổi độ tương phản của mẫu 94

Hình 2 54 Khu vực đá trên ảnh thủy âm quét sườn 94

Hình 2 55 Hình ảnh trích chọn và thay đổi độ tương phản mẫu 95

Hình 2 56 Phân loại trầm tích với thuật toán cây quyết định 96

Hình 2 57 Hình ảnh trước và sau phân loại trên ảnh 97

Hình 2 58 Kết quả nhận được 97

Hình 2 59 Các phép phủ raster 99

Hình 2 60 Lớp phủ ảnh quét sườn và địa hình đáy biển 100

Hình 2 61 Phương pháp chú thích 101

Hình 2 62 Phương pháp phân vùng theo bảng màu 101

Hình 2 63 Phương pháp phân vùng kết cấu đặc trưng 102

Hình 2 64 Các hạt kết cấu trầm tích được tạo ra bằng phép đo ảnh: ( a ) Đá lớn, sỏi; (b) Bùn; (c) Cát; (d) Thực vật bề mặt 103

Hình 2 65 Hình ảnh mô phỏng đáy biển khu vực có đá hộc; a) Hiện tượng bị kéo ảnh tại mặt dốc đứng; b) Các kết cầu được định vị bằng kỹ thuật ánh xạ 3 chiều 104

Hình 2 66 Hình ảnh mô phỏng đáy biển khu vực có đá tảng; a) Hiện tượng trùng lặp kết cấu; b) Loại bỏ hiện tượng trùng lặp kết cấu 104

Hình 2 67 Hình ảnh mô phỏng đáy biển: a) Không có đối tượng bề mặt; b) Có đối tượng trên bề mặt 105

Hình 2 68 Hình ảnh mô phỏng đáy biển; a-c) Chưa có môi trường nước biển; b-d) Thêm ảnh hưởng môi trường nước biển 105

Hình 2 69 Quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển 107

Hình 3 1 Khu vực thực nghiệm thuộc biển Nha Trang - Khánh Hòa 111

Hình 3 2 Khu vực thực nghiệm thuộc biển Ninh Thuận 112

Hình 3 3 Khu vực thực nghiệm gần đảo Song Tử thuộc quần đảo Trường Sa 113

Hình 3 4 Quy trình xác định các thành thần tọa độ 3 chiều của điểm đo sâu 116

Hình 3 5 Lựa chọn thông số cường độ âm thanh đối với trầm tích là đá 117

Hình 3 6 Thông tin về trầm tích sau phân loại 118

Hình 3 7 Bản đồ trầm tích của khu vực thực nghiệm 118

Hình 3 8 Hình ảnh thu nhận được bằng thủy âm quét sườn khi hiển thị trên QGIS 119 Hình 3 9 Hình ảnh khu vực đáy có nhiều cát mịn 120

Hình 3 10 Các mẫu cát được chọn để phân loại 120

Hình 3 11 Trầm tích đá được hiển thị trên ảnh 121

Hình 3 12 Mẫu đá được trích để phân loại 121

Hình 3 13 Chọn mẫu để nhận dạng đối tượng 121

Hình 3 14 Hình ảnh thu nhận được từ thủy âm quét sườn trước và sau phân loại 122

Hình 3 15 Bản đồ trầm tích thu nhận được bằng công nghệ thủy âm quét sườn 122

Hình 3 16 Mô hình lưới 3D khu vực biển Song Tử-Trường Sa 123

Hình 3 17 Sự thay đổi độ phân giải theo độ sâu trên lưới 3D tại biển Song Tử 123

Hình 3 18 Mô hình 3D bề mặt khu vực biển Song Tử-Trường Sa 124

Hình 3 19 Lưới 3D đa độ phân giải cho khu vực biển Nha Trang - Khánh Hòa 124

Hình 3 20 Mô hình 3D bề mặt khu vực biển Nha Trang - Khánh Hòa 125

Hình 3 21 Mô hình 3D khu vực biển Ninh Thuận 125

Hình 3 22 Mô hình 3D bề mặt với các tứ giác cong khu vực Nha Trang - Khánh Hòa 126

Hình 3 23 Mô hình 3D bề mặt với các tứ giác cong khu vực Song Tử 126

Hình 3 24 Hình ảnh 3D thu nhận được từ dữ liệu thủy âm quét sườn trên 1 tuyến đo 127

Hình 3 25 Hình ảnh đáy biển gộp các tuyến khảo sát bằng công nghệ quét sườn 127

Hình 3 26 Kết quả phân loại trầm tích khu vực đảo Song Tử từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn 128

Hình 3 27 Kết quả phân loại trầm tích khu vực từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn 128

Hình 3 28 Hình ảnh 3D lớp phủ trầm tích khu vực đảo Song Tử 129

Hình 3 29 Hình ảnh 3D lớp phủ trầm tích đã được trực quan hóa tại khu vực biển Ninh Thuận 129

Hình 3 30 Hình ảnh 1 số mẫu trầm tích thu thập tại khu vực biển Song Tử 131

Hình 3 31 So sánh các mẫu trầm tích thu thập ngoài thực địa với kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn 132

Hình 3 32 Hình ảnh so sánh lớp phủ tại khu vực đảo Song Tử 133

Hình 3 33 a) Mô hình 3D địa hình đáy biển ven cụm đảo Song Tử; b) Ảnh quét sườn; c) Ảnh vệ tinh tại đảo Song Tử 133

Hình 3 34 So sánh mẫu thực địa với phân loại từ dữ liệu tán xạ ngược tại biển Ninh Thuận 135

Hình 3 35 Quy trình xây dựng phần mềm 138

Hình 3 36 Giao diện chính của chương trình 139 Hình 3 37 Hiển thị mô hình lưới tứ giác không gian với cạnh là đường cong tham số 140 Hình 3 38 Hiển thị 3D địa hình đáy biển với lớp phủ hải đồ 140 Hình 3 39 Hiển thị 3D địa hình đáy biển với lớp phủ thu được từ thủy âm quét sườn 140

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Biển Đông đóng vai trò quan trọng trong nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc,

là cửa ngõ để Việt Nam gia thương với các nước trong khu vực và quốc tế Các đảo và quần đảo trên Biển Đông, đặc biệt là quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa, không chỉ có ý nghĩa trong việc kiểm soát các tuyến đường biển qua lại, mà còn có ý nghĩa phòng thủ chiến lược quan trọng từ xa đối với Việt Nam

Bảo vệ vững chắc chủ quyền và quyền tài phán trên các vùng biển là mục tiêu chiến lược của Đảng và Nhà nước ta trong giai đoan hiện nay và tương lai phát triển của đất nước Trong đó, lực lượng Hải quân đóng vai trò là lực lượng nòng cốt trong nhiệm

vụ bảo vệ biển Để thực hiện nhiệm vụ này, Hải quân nhân dân Việt Nam đã được ưu tiên mua sắm và phát triển nhiều vũ khí chiến lược mới trong đó có lực lượng tàu ngầm hiện đại Từ năm 2014 đến nay đã có 02 lữ đoàn tàu ngầm hiện đại đã được đưa vào biên chế với nhiều tàu được trang bị đầy đủ các thiết bị tiên tiến Tàu ngầm là lực lượng mới của Hải quân, là phương tiện hiện đại góp phần nâng cao năng lực chiến đấu bảo

vệ vững chắc chủ quyền biển, đảo và thềm lục địa của Tổ quốc

Để phát huy hết sức mạnh của lực lượng này cả trong chiến đấu và huấn luyện sẵn sàng chiến đấu đang là yêu cầu cấp thiết đối với lực lượng Hải quân Như đã biết, tàu ngầm yêu cầu rất cao về độ chính xác thông tin trong quá trình hoạt động, nếu không

có sự đảm bảo về thông tin đầy đủ, tàu ngầm rất dễ xảy ra tai nạn mà điển hình như: năm 2005, tàu ngầm hạt nhân San Francisco của Mỹ đang di chuyển từ căn cứ Guam tới cảng Brisbane của Australia đến khu vực biển cách Guam khoảng 560km về phía Nam thì bất ngờ đâm vào rạn san hô dưới đáy Thái Bình Dương Nguyên nhân được chỉ ra là

do khu vực nằm trên tuyến hành trình của tàu chưa được tiến hành khảo sát độ sâu, mặt đáy, dẫn đến tại khu vực tai nạn chưa có hải đồ, không có cảnh báo nguy hiểm hàng hải, tàu ngầm va phải chướng ngại vật bị thiệt hại rất lớn Ngoài ra, tai nạn của tàu ngầm Kursk của Nga năm 2000 làm hơn 100 binh sĩ Nga thiệt mạng do tàu ngầm đâm phải núi ngầm cũng xuất phát từ nguyên nhân trên

Từ sự việc nêu trên đã đặt ra yêu cầu phải xây dựng riêng cho lực lượng tàu ngầm

một dữ liệu dạng mô hình số địa hình riêng, đảm bảo cho hoạt động tác chiến của tàu ngầm trên biển với mức độ chi tiết và phân hóa cao, tương ứng với từng loại nhiệm vụ

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, mô hình 3D hiện nay rất phổ biến cả trong nước và trên thế giới Nhiều các cơ quan, đơn vị trong và ngoài quân đội đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D cho các nhiệm vụ khác nhau và mang lại hiệu quả rất lớn cả về kinh tế và an ninh quốc phòng Tuy nhiên các giải pháp 3D trên chưa phù hợp với hoạt động đặc thù của tàu ngầm khi hoạt động hay nằm đáy tại các khu chờ đợi thời cơ

Nhiệm vụ bảo vệ chủ quyền biển đảo ngày càng phức tạp, ẩn chứa nhiều khó khăn cùng với việc các quốc gia trong khu vực không ngừng tăng cường mua sắm trang thiết bị và sử dụng các phương thức tác chiến hiện đại thì việc bảo đảm thông tin về địa hình tác chiến đang là vấn đề cấp thiết cần phải nghiên cứu Hiện nay, dữ liệu địa hình đáy biển tại nước ta được thành lập phục vụ cho hoạt động của các tàu mặt nước ở dạng bản đồ 2D truyền thống như hải đồ giấy và hải đồ điện tử theo các tiêu chuẩn kỹ thuật của Việt Nam và IHO Tàu mặt nước thường hoạt động trên các hải trình cố định, nên

dữ liệu địa hình được khảo sát bổ sung, cập nhật thường xuyên và các thủy thủy của tàu

ít nhiều đã quen với hành trình Còn tàu ngầm (chủ yếu phục vụ cho các mục đích quân sự) hoạt động trong lòng nước (tàu ngầm của Việt Nam thường hoạt động ở độ sâu từ

60 – 300m) với tầm nhìn quang học gần như bằng 0 Do tính chất nhiệm vụ nên thường phải hoạt động trong các vùng biển chưa quen thuộc, hải trình có thể thay đổi đột xuất tùy thuộc vào tình hình nhiệm vụ,… Vì vậy, dữ liệu bản đồ 2D truyền thống chưa đáp ứng yêu cầu dẫn đường an toàn cho tàu ngầm

Hệ thống dẫn đường và hỗ trợ tác chiến cho tàu ngầm và tàu chiến WarShip ECDIS đang được BTL Hải quân nghiên cứu và triển khai sử dụng trong thời gian tới Hệ thống này yêu cầu cơ sở dữ liệu 3D địa hình đáy biển trong công tác tham mưu tác chiến cho người chỉ huy Ưu điểm của mô hình 3D địa hình đáy biển so với các bản đồ địa hình đáy biển truyền thống đó là cung cấp thông tin về hình dáng địa hình, cùng với thực phủ, chất đáy, các đối tượng địa lý dưới đáy biển một cách trực quan, chính xác Do đó, nếu xây dựng được mô hình 3D địa hình đáy biển sẽ góp

phần nâng cao hiệu quả tác chiến của lực lượng tàu ngầm

Từ các lý do nêu trên, luận án “Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình

3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam”

nhằm bảo đảm an toàn cho hoạt động tác chiến của tàu ngầm, đồng thời góp phần khẳng định và bảo vệ chủ quyền biển đảo Việt Nam và xây dựng phát triển kinh tế đất nước

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác lập cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam

- Xây dựng được mô hình 3D địa hình đáy biển cho khu vực thực nghiệm trên cơ

sở khoa học đã được xây dựng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Các loại dữ liệu phục vụ xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển như dữ liệu

đo sâu đa tia, dữ liệu thủy âm quét sườn, dữ liệu tán xạ ngược

- Mô hình 3D và phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển

4 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm:

- Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Thu thập các tài liệu, số liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu, cập nhật các thông tin trên mạng Internet nhằm có kiến thức tổng quan về nhiệm vụ nghiên cứu;

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, phân tích kết quả của các công trình đã nghiên cứu về xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển từ

đó đưa ra nhận định, các vấn đề còn tồn tại cần phải giải quyết

- Phương pháp so sánh: So sánh kết quả thực nghiệm với số liệu trắc địa gốc và

số liệu hải văn thu thập được làm cơ sở đánh giá mức độ tin cậy của việc nghiên cứu

- Phương pháp tin học: Lập các chương trình cần thiết theo thuật toán được phát triển và sử dụng các phần mềm thông dụng

- Phương pháp mô hình hóa (modeling): Sử dụng phép loại suy xây dựng mô hình địa hình đáy biển nhằm đưa ra những thông tin (về thuộc tính, cấu trúc, hình dáng

….) tương tự với địa hình thực

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm trên phạm vi nghiên cứu của luận án

5 Các luận điểm bảo vệ

- Mô hình 3D địa hình đáy biển được xây dựng theo phương pháp mô hình lưới

đa độ phân giải và mô hình lưới tứ giác không gian với cạnh là các đường cong tham

số, trên cơ sở sử dụng kết hợp dữ liệu đo sâu hồi âm đa tia và dữ liệu Side Scan Sonar

mô tả chân thực nhất bề mặt thực địa hình đáy biển

- Phương pháp phân loại trầm tích từ các nguồn dữ liệu thủy đạc đạt được độ chính xác tốt, nâng cao tính trực quan của mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam

6 Các điểm mới của luận án

- Đề xuất phương pháp và thuật toán xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm: Phương pháp tối ưu hóa mô hình 3D bằng lưới đa

độ phân giải và phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới tứ giác với các cạnh là đường cong tham số

- Đề xuất phương pháp phân loại trầm tích để xây dựng mô hình 3D lớp phủ trầm tích, thể hiện trực quan bề mặt địa hình đáy biển

- Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

7.1 Ý nghĩa khoa học

- Đề xuất cơ sở khoa học và nghiên cứu các phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình, phương pháp trực quan hoá mô hình 3D đáy biển

- Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển, phục vụ dẫn đường cho tàu ngầm trong vùng biển Việt Nam

7.2 Ý nghĩa thực tiễn

Cơ sở khoa học và phương pháp luận đề xuất trong luận án có thể ứng dụng để xây dựng mô hình 3D cho vùng biển Việt Nam phục vụ hiệu quả hoạt động huấn luyện,

diễn tập và sẵn sàng chiến đấu của tàu ngầm

8 Cơ sở tài liệu, số liệu

- Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan

- Số liệu thu thập thực địa của Đoàn Đo đạc biên vẽ Hải đồ và Nghiên cứu biển khu vực biển Nha Trang-Khánh Hòa, biển Ninh Thuận, biển Song Tử-Trường Sa

9 Cấu trúc của luận án

Cấu trúc của Luận án bao gồm 3 phần:

Phần 1: Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên

cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểm bảo

vệ và những điểm mới của luận án

Phần 2: Phần nội dung bao gồm 3 chương

Chương 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển

Chương 2 Cơ sở khoa học của phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển Chương 3 Xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm

Phần 3: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ

HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 1.1 Mô hình 3D địa hình đáy biển

Mô hình 3D địa hình là một một kỹ thuật đồ họa máy tính hiện đại và mạnh

mẽ, mang lại khả năng biểu diễn không gian ba chiều của bề mặt đất với độ chính xác và chi tiết cao Phương pháp này sử dụng dữ liệu địa lý và kỹ thuật tiên tiến để tạo ra mô hình chân thực, phản ánh đúng về đặc điểm vật lý và địa hình của một khu vực cụ thể

Trong mô hình 3D địa hình, dữ liệu về độ cao, bề mặt đất, và các đặc trưng khác của địa hình được tích hợp và chuyển đổi thành một biểu diễn 3D động và tương tác Công nghệ này vượt ra khỏi phạm vi của bản đồ hai chiều truyền thống, mang đến trải nghiệm thực tế hóa và tương tác cho người sử dụng

Mô hình 3D địa hình không chỉ giúp quan sát một cách trực quan và phân tích địa hình một cách chính xác hơn, mà còn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau Nó được sử dụng trong quy hoạch đô thị để đánh giá tác động của các dự án xây dựng, trong ngành công nghiệp trò chơi điện tử để tạo ra môi trường ảo sống động, và trong nghiên cứu khoa học để hiểu rõ hơn về địa hình và môi trường tự nhiên

Qua mô hình 3D địa hình, người ta có thể thăm dò không gian từ nhiều góc độ khác nhau, giúp tạo ra một cách nhìn toàn diện về môi trường xung quanh Điều này không chỉ hỗ trợ người quản lý, chỉ huy ra các quyết định trong quản lý đô thị và quản

lý tài nguyên mà còn mở ra những trải nghiệm mới và sáng tạo trong lĩnh vực thị trường

- Mô hình số độ cao (DEM):

DEMs là dạng dữ liệu số hóa về độ cao của mặt đất Các DEMs thường được tạo

ra từ dữ liệu LiDAR, hình ảnh vệ tinh hoặc phương pháp khảo sát địa chất Chúng cung cấp thông tin về độ cao tại từng điểm trên bề mặt đất

Hệ thống định vị toàn cầu (GNSS), như GPS, cung cấp thông tin về vị trí địa lý

và độ chính xác độ cao, giúp cải thiện độ chính xác của mô hình 3D

Công nghệ thu nhận dữ liệu để xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển có sự khác biệt so với công nghệ thu nhận dữ liệu xây dựng mô hình 3D lục địa Các công nghệ thu nhận dữ liệu trong trường hợp này bao gồm:

- Đo sâu hồi âm đơn tia:

Phương pháp đo sâu đơn tia là một kỹ thuật sử dụng nguyên lý sóng âm thanh, nơi âm thanh được phát ra từ một thiết bị phát sóng (tranducer-phát biến) Các tín hiệu

âm thanh sẽ truyền xuống và sau đó phản xạ từ đáy biển, trở về phần thu của thiết bị phát sóng Để đo độ sâu, thời gian mà âm thanh di chuyển trong môi trường nước (~1500m/s) được sử dụng để tính toán Khi tàu di chuyển, đầu phát biến liên tục phát các xung âm thanh xuống bề mặt đáy biển và thu lại chúng từ từ theo từng vị trí Tại mỗi vị trí phát xung, thiết bị đo đơn tia chỉ ghi nhận một độ sâu, do đó, cần phải nội suy

để xây dựng một hình ảnh toàn cảnh của độ sâu dọc theo các tuyến khảo sát Nhiều bản

đồ đại dương hiện đại vẫn sử dụng dữ liệu từ phương pháp đo sâu đơn tia này

- Đo sâu hồi âm đa tia:

Khác với máy đo sâu đơn tia, máy đo sâu đa tia phát đi dưới dạng tia thẳng đứng

mà phát đi dưới dạng chùm tia Độ rộng của chùm tia tùy thuộc vào chủng loại máy nhưng thường nằm trong dải từ 600 đến 1500 theo chiều ngang thân tàu do đó sẽ quét được một dải rất lớn theo hướng di chuyển của tàu

- Công nghệ thủy âm quét sườn:

Side-scan sonar là một công nghệ thủy âm được sử dụng để tạo hình ảnh dưới nước của đáy biển hoặc các cấu trúc dưới nước bằng cách sử dụng sóng âm

Thiết bị side-scan sonar phát ra các sóng âm ra hai bên từ một hoặc nhiều cảm biến Sóng âm sau đó tương tác với các đối tượng dưới nước như đáy biển, vật thất lạc, hoặc cấu trúc dưới nước khác

Khi sóng âm chạm vào các đối tượng, chúng sẽ phản xạ lại và được thu bởi các hydrophone Các dữ liệu về phản xạ này qua phân tích chuyển đổi sang hình ảnh chi tiết

về đáy biển hoặc các đối tượng dưới nước

- Tán xạ ngược:

Ngoài dữ liệu về độ sâu (bathymetry), hệ thống đa tia thu thập 2 loại dữ liệu khác

đó là: dữ liệu tán xạ ngược (backscatter) và hình ảnh cột nước (water column image) Dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia cho chúng ta thông tin về loại trầm tích bề mặt đáy biển Trong khi đó, dữ liệu hình ảnh cột nước là sự phản xạ sóng âm trong môi trường nước từ các bong bóng nước hoặc các loại sinh - động vật biển sống trong vùng nước khảo sát

- Các thiết bị lặn tự động:

ROVs và AUVs là các thiết bị chuyên dùng trong thu thập, khảo sát ở các khu vực khó tiếp cận bởi con người hoặc gây nguy hiểm dưới nước Chúng có thể trang bị các cảm biến đo đạc hải dương, máy ảnh và các loại đầu dò sonar để thu thập dữ liệu một cách đa dạng nhất có thể

- Viễn thám biển:

Mặc dù không thể nhìn thấy trực tiếp qua đáy biển, nhưng công nghệ cảm biến

từ vệ tinh có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu về môi trường biển, như nhiệt độ và dòng chảy, giúp hiểu rõ hơn về địa hình đáy biển

Từ dữ liệu thu nhận được, có thể sử dụng các kỹ thuật / công nghệ để xây dựng

mô hình / bản đồ 3D như:

Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) là một công nghệ quan trọng để quản lý và phân tích dữ liệu địa lý GIS giúp tích hợp và xử lý các lớp dữ liệu đa dạng như độ cao, địa chất, và mạng lưới đường

Công nghệ này chuyên xử lý và phân tích dữ liệu đám mây điểm, một dạng dữ liệu 3D được tạo ra từ các phương pháp như LiDAR Các công cụ xử lý đám mây điểm giúp tạo ra mô hình 3D chi tiết và chính xác

Hiện nay, rất nhiều nền tảng web hỗ trợ lập trình để xây dựng nên các mô hình/ bản đồ 3D thuận tiện cho người sử dụng

1.2 Một vài nét về tàu ngầm và hoạt động của tàu ngầm

1.2.1 Tàu ngầm và vai trò của tàu ngầm

Vai trò của tàu ngầm rất đa dạng và trải rộng trong các lĩnh vực như quân sự, khoa học và thương mại Tàu ngầm được trang bị cho tác chiến chống tàu ngầm, có khả năng phát hiện và tấn công tàu ngầm đối phương Chúng góp phần duy trì, thiết lập các quyền kiểm soát tuyến đường chiến lược, trọng yếu trên biển

Tàu ngầm đóng vai trò là một lực lượng quan trọng của hải quân, góp phần răn

đe chiến lược bằng cách hiện diện hoặc tàng hình dưới bề mặt đại dương một cách bất ngờ, nhanh chóng

Tàu ngầm được sử dụng với chức năng như thu thập thông tin tình báo, trinh sát, theo dõi kẻ thù, cho phép giám sát bí mật các hoạt động trên biển và các mối đe dọa tiềm ẩn mà không dễ bị phát hiện Hiện nay, với việc được trang bị tên lửa đạn đạo, có đầu đạn hạt nhân (SSBN), lực lượng này sẽ tạo ra sức răn đe chiến lược rất lớn cho đối phương

Là một thành phần quan trọng trong hệ thống các phương tiện, vũ khí chiến lược của quá trình phát triển hải quân các quốc gia, tàu ngầm ngày nay rất đa dạng về chức năng và có thể linh hoạt trong nhiều tình huống tác chiến như chống thâm nhập, đánh chặn, thu thập thông tin tình báo Khu vực Tây Thái Bình Dương đang duy trì và phát triển các hạm đội tàu ngầm quy mô lớn như Mỹ, Trung Quốc và Nga Đây là những cường quốc quân sự hàng đầu trong triển khai tàu ngầm hạt nhân Ngoài ra, một số quốc gia khác như Ôxtrâylia, Nhật Bản và Hàn Quốc cũng duy trì những đội tàu ngầm lớn và

có sự hiện diện đáng kể trong hệ thống hải quân

Các tàu ngầm lớp Kilo là một phần của loạt Dự án 877 Paltus (tên ký hiệu của NATO: lớp Kilo), ban đầu được thiết kế ở Liên Xô và sau đó được các nhà thiết kế Nga

cải tiến Dự án Kilo 636 là phiên bản nâng cấp của các tàu ngầm lớp Kilo ban đầu, kết hợp các cải tiến qua nhiều lần thử nghiệm, bao gồm tính năng tàng hình âm thanh, khả năng dẫn đường và vũ khí hoả lực tân tiến

Tàu ngầm Kilo 636 được biết đến với đặc tính âm thanh thấp, khiến chúng khó

bị hệ thống sonar phát hiện Đặc điểm này nâng cao khả năng tàng hình của chúng, cho phép chúng hoạt động bí mật Những tàu ngầm này sử dụng hệ thống động cơ diesel-điện, mang lại sự cân bằng giữa khả năng chịu đựng dưới nước và hoạt động im lặng Khi chìm dưới nước, chúng dựa vào động cơ điện chạy bằng pin

Các tàu ngầm Kilo 636 được trang bị các loại ngư lôi và trong một số trường hợp

là cả tên lửa chống hạm Loại vũ khí này được thiết kế cho cả tác chiến chống tàu ngầm

và chống tàu mặt nước Các tàu ngầm này được thiết kế cho nhiều nhiệm vụ khác nhau, bao gồm tác chiến chống tàu ngầm, trinh sát và tuần tra Chúng có thể hoạt động ở vùng nước ven biển cũng như môi trường đại dương sâu hơn

Các tàu ngầm lớp Kilo đã được xuất khẩu rộng rãi sang một số nước, càng củng

cố thêm vị thế của Nga trên thị trường tàu ngầm toàn cầu Các quốc gia khách hàng thường ca ngợi lớp Kilo về hiệu quả chi phí và hiệu suất Dự án Kilo 636 có những cải tiến so với dự án trước đó, giải quyết những hạn chế tiềm ẩn và kết hợp các công nghệ hiện đại Những nâng cấp này có thể bao gồm cải tiến thiết bị điện tử, cải thiện khả năng giảm âm và các cải tiến khác

1.2.2 Các phương pháp dẫn đường cho tàu ngầm

Các phương pháp điều hướng tàu ngầm bao gồm một loạt các kỹ thuật và hệ thống được sử dụng để hướng dẫn và điều động tàu ngầm dưới nước Những phương pháp này rất quan trọng để đảm bảo việc di chuyển an toàn và hiệu quả của tàu ngầm qua độ sâu của đại dương Nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm hệ thống sonar, hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định vị dựa trên vệ tinh, được sử dụng để xác định vị trí, lộ trình và độ sâu của tàu ngầm Ngoài ra, các chiến lược điều hướng nâng cao có thể liên quan đến việc tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn và sử dụng các thuật toán tính toán để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy Các phương pháp điều hướng tàu ngầm

đóng một vai trò quan trọng trong các hoạt động của tàu ngầm, bao gồm tuần tra chiến lược, nghiên cứu khoa học và thăm dò dưới đáy biển

Năm 1974, Hệ thống Điều khiển Gyro được Hỗ trợ Tĩnh điện (ESGM) được triển khai như một "bộ giám sát" cho Hệ thống Điều hướng Tuyến tính (SINS) Công nghệ ESG cho phép đưa điều hướng chiến lược của tàu ngầm lên một bước quan trọng với sự ổn định cải thiện về dài hạn của ESGM Mặc dù Hệ thống Điều khiển Gyro được Hỗ trợ Tĩnh điện (ESGM) vẫn cần các điểm đặt ngoại vi, nhưng thời gian hoạt động liên tục của nó tăng đáng kể so với SINS đơn lẻ Cấu hình giám sát này vẫn được triển khai trong tàu ngầm TRIDENT I [71]

TRIDENT II sau đó đã được phát triển trong những năm 1980 để qua giai đoạn cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990, Transit cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống vũ khí chiến lược Transit đã được loại bỏ để ủng hộ GPS Quan trọng nhấ

là hệ thống Điều hướng Tuyến tính (SINS) đã bị loại bỏ khỏi cấu hình này, và ESGM sau đó được cấu hình lại như là bộ dẫn đường chính và đổi tên thành ESGN Việc cải thiện độ chính xác được thực hiện bằng cách triển khai ba khái niệm khác nhau cũng đóng góp vào độ chính xác của ESGN:

- Giới thiệu bản đồ trọng lực chính xác Bản đồ nghiêng dọc của đại dương được xây dựng bằng cách sử dụng sự kết hợp giữa các cuộc khảo sát trọng lực bằng gravimeter và đo độ cao radar bằng vệ tinh (Độ lệch dọc là các đại lượng trọng lực ảnh hưởng nhiều nhất đến lỗi INS và, khi được ánh xạ, giúp giảm lỗi vận tốc Schuler.) Bản đồ độ lệch trọng lực và độ cao địa hình biển cũng là sản phẩm phụ của cuộc khảo sát đại dương và dữ liệu vệ tinh

- Triển khai Hệ thống Cảm biến Trọng lực (GSS) trên tàu ngầm GSS bao gồm một nền tảng có thể quay chứa ba Bộ dụng cụ đo độ lệch trọng lực (GGIs) và hai gravimeter Việc đo lường chính xác và thời gian thực về độ lệch trọng lực và độ dốc trên một nền tảng di động được coi là một thành tựu công nghệ thực sự, và sẽ tiếp tục phục vụ như nền tảng cho các nỗ lực khoa học trong tương lai Đối với TRIDENT II, mục tiêu của GSS là cung cấp ước lượng thời gian thực về độ lệch dọc như một sự bù đắp cho lỗi INS

- Triển khai một hệ thống sonar đo tốc độ, Hệ thống Sonar Điều hướng (NSS) NSS cung cấp dữ liệu vận tốc tàu ngầm cải thiện bằng cách tương quan các sóng phát truyền có độ trễ thời gian được phản xạ từ đáy đại dương thông qua một mảng của các hydrophone [71]

Một trong những nhiệm vụ hết sức quan trọng của công tác dẫn đường cho tàu ngầm đó là cung cấp thông tin định vị chính xác để khởi tạo hệ thống điều khiển của tên lửa đạn đạo ngay trước khi chúng được phóng từ tàu ngầm Các công cụ cảm biến quán tính cơ bản của hệ thống Điều hướng Tuyến tính (INS) bao gồm giro và cảm biến gia tốc Các công cụ cảm biến trọng lực cũng có thể được xem xét như là cảm biến quán tính

ESGN đã là cốt lõi của hệ thống điều hướng chiến lược từ những năm 1970 khi được giới thiệu trên tàu ngầm POSEIDON, và sau đó trên các tàu ngầm TRIDENT Sự xuất hiện của ESGN đã thay thế Hệ thống Điều hướng Tuyến tính trên tàu (SINS) và đại diện cho một cột mốc quan trọng với sự cải thiện độ chính xác đáng kể của hệ thống FBM Ngày nay, nó tiếp tục cung cấp dịch vụ điều hướng rất chính xác và đáng tin cậy, đáp ứng tất cả các mục tiêu hiệu suất hiện tại

Ở lõi của ESGN là Gyro được Hỗ trợ Tĩnh điện (ESG) và Cảm biến gia tốc Điện

từ (EMA) ESG ổn định và đáng tin cậy được phát triển từ những năm 1960 và đã có dây chuyền sản xuất được thiết lập hơn 25 năm trước để sử dụng trong chương trình FBM Mặc dù có những tiến triển đột phá khác trong công nghệ quán tính trong thời kỳ giữa, ESGN vẫn tiếp tục đáp ứng các yêu cầu độ chính xác nghiêm ngặt cũng như các mục tiêu về độ tin cậy và khả năng bảo trì

Công nghệ RLGN phổ biến trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm tàu ngầm tấn công, nhưng không dự kiến là phương án phù hợp cho tàu ngầm chiến lược Sự nhận thức rằng công nghệ FOG có tiềm năng lớn hơn để đạt được độ chính xác và kích thước cần thiết giảm đi sự hấp dẫn của công nghệ này trong điều hướng tàu ngầm chiến lược [71]

Một nỗ lực hợp tác giữa Boeing, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Ứng dụng (ARL) của Đại học Pennsylvania State và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân (NRL) tập trung vào việc phát triển Máy Điều hướng Giro quang cảm biến như là một sự thay thế

có chi phí thấp hơn cho ESGN Nỗ lực hiện tại được tập trung vào việc phát triển một

hệ thống giro có giá cả phải chăng và có thể hỗ trợ, sẽ thay thế ESG theo cách hình thức

và chức năng trong hệ thống ESGN hiện tại

Bắt đầu từ cuối những năm 1970, đã có một chuỗi các sáng kiến để giới thiệu cảm biến trọng lực vào bộ điều hướng của tàu ngầm chiến lược Đến năm 1982, các máy

đo độ lệch trọng lực và cảm biến độ gradiomet đã được triển khai trên tàu thử nghiệm

và sau đó trên các tàu ngầm TRIDENT Các ứng dụng đề xuất của thiết bị đo trọng lực cho nhiệm vụ của tàu ngầm chiến lược bao gồm các mục sau:

- Ước lượng thời gian thực về độ lệch dọc, được sử dụng để giảm lỗi Schuler của INS

- Ước lượng thời gian thực về độ lệch trọng lực, để sử dụng trong việc khởi tạo

hệ thống hướng dẫn tên lửa

- Xác định vị trí bằng cách so khớp với một bản đồ trọng lực, sử dụng máy đo độ lệch trọng lực và/hoặc cảm biến độ gradiomet trọng lực

- Tạo bản đồ về độ lệch dọc và độ lệch trọng lực bởi các tàu trên bề mặt như một phần của chương trình khảo sát đại dương

Tương tự như khi nổi lên để cố định vị trí GPS, tính bí mật bị đánh đổi khi có các truyền phát sonar hoạt động Tuy nhiên, thông tin điều hướng quan trọng được thu thập bằng cách quan sát địa hình bên dưới thông qua các sóng sonar trả lại Hệ thống Sonar Điều hướng (NSS) được triển khai vào đầu những năm 1980 và vẫn là cảm biến điều hướng tàu ngầm chiến lược hiện tại để so khớp bản đồ địa hình biển

và cố định vận tốc tương quan [71]

Mô phỏng các hành động hải quân ước lượng hiệu suất vận hành của tàu chiến hoặc tàu ngầm trong một kịch bản cụ thể Trong các mô hình phổ biến, các phản ứng của người điều khiển được xác định trước Điều này không thực tế: quyết định của người điều khiển có thể tạo ra các phản ứng không mong đợi Các tác giả [55] đã trình bày một phương pháp để mô phỏng quyết định của người điều khiển trong các mô phỏng Phương pháp này cho phép suy luận về thông tin không đầy đủ, có thể xem xét lại và không chắc chắn: một người điều khiển chỉ có thông tin một phần về môi trường của mình và phải

xem xét lại quyết định của mình Phương pháp của chúng tôi sử dụng một logic không giảm: các quy tắc hành vi được hình thức hóa bằng logic mặc định, mà chúng tôi đã thêm vào một yếu tố thời gian Phương pháp của chúng tôi sử dụng sự ưa thích để quản

lý sự lựa chọn giữa các quy tắc khác nhau, với các kỹ thuật xác suất đơn giản Phương pháp này đã được triển khai trong Prolog, được kết nối với khung mô phỏng của DCNS

và áp dụng vào một kịch bản liên quan đến hai tàu ngầm đối nghịch

1.3 Yêu cầu về dữ liệu trắc địa, hải văn đảm bảo hoạt động cho tàu ngầm

1.3.1 Yêu cầu đối với dữ liệu trắc địa

Công tác đo đạc khảo sát thành lập bản đồ địa hình đáy biển được thực hiện nhằm bảo đảm an toàn hàng hải cũng như các hoạt động khác của các phương tiện nổi cũng như các phương tiện ngầm Công tác đo đạc khảo sát được thực hiện theo tiêu chuẩn S44 của

tổ chức thủy đạc Quốc tế IHO Tùy thuộc nhiệm vụ khảo sát đo đạc phục vụ cho các phương tiện của Hải quân mà áp dụng thêm các tiêu chuẩn khác nhau Nguy hiểm hàng hải là trở ngại dưới nước tự nhiên hoặc nhân tạo (đáy nhô lên hoặc có đối tượng nguồn gốc nhân tạo nằm ở đáy) ở độ sâu nguy hiểm đối với tàu

Việc phân loại yêu cầu và mức độ khảo sát địa hình đáy biển dựa trên các yếu tố sau đây: Mức độ yêu cầu cho các nhiệm vụ cụ thể (như huấn luyện, đợi cơ, và hành trình), Mức độ quan trọng của công trình, dự án hoặc khu vực nước (bao gồm mật độ hàng hải

và mục đích sử dụng) Đồng thời, cũng xem xét độ sâu của vùng nước và độ phức tạp của địa hình đáy, từ đó xác định các yêu cầu liên quan đến độ chính xác của việc xác định tọa

độ và độ sâu, yêu cầu về độ bao phủ tối thiểu của mặt đáy, cũng như các yêu cầu về phương pháp và thiết bị đo Trong quá trình này, cũng quan trọng là xác định trình độ chuyên môn và năng lực tối thiểu mà thủy đạc viên cần phải đáp ứng để thực hiện công việc một cách hiệu quả

Căn cứ vào yêu cầu nhiệm vụ và kỹ thuật cho hoạt động của phương tiện, trang thiết bị kỹ thuật của Hải quân, căn cứ vào kết quả đo đạc, khảo sát thực địa phân chia bản đồ sử dụng cho tàu ngầm thành 3 mức như sau: Bản đồ khu vực nằm đáy; Bản đồ khu vực huấn luyện, khu vực đợi cơ; Bản đồ hành trình, tác chiến Với mỗi loại bản đồ, tùy thuộc vào mục tiêu sử dụng mà chia thành 3 mức đó là mức 1, mức 2 và mức 3 [17]

1.3.2 Yêu cầu đối với dữ liệu hải văn

Hiện nay, chưa có quy định kỹ thuật trong nước về độ chính xác của các yếu tố hải văn đến dẫn đường cho tàu ngầm, vì vậy, luận án sẽ căn cứ vào các yêu cầu độ chính xác của các yếu tố hải văn cho các công tác khảo sát biển thực tế của đơn vị để từ đó sẽ tính

ra yêu cầu kỹ thuật về các yếu tố hải văn cho dẫn đường cho tàu ngầm như bảng 1.1:

Bảng 1 1 Yêu cầu kỹ thuật trong điều tra, khảo sát hải văn, môi trường biển và lấy mẫu

chất đáy

Hạng mục

KSĐĐ

Yêu cầu kỹ thuật

Điều tra, khảo sát

hải văn

Áp suất Không lớn hơn 600 bar ± 0,01 mBar Vận tốc dòng chảy Từ 0 cm/s đến 200 cm/s ± 2 cm/s Hướng dòng chảy Từ 00 đến 3600 ± 20Thủy triều Từ 0,0 m đến 4,5 m ± 2 cm

Độ cao sóng Từ 0 m đến 20 m ± 0,1 m Hướng sóng Từ 00 đến 3600 ± 20

Điều tra, khảo sát

môi trường biển

Áp suất Không lớn hơn 100 bar ± 0,01 mBar Nhiệt độ Từ 0°C đến 35 °C ± 0,1 °C

Độ dẫn Từ 0 mS/cm đến 70 mS/cm ± 0,1 mS/cm

Độ đục Từ 0 FTU đến 1 000 FTU ± 2 %

Vận tốc âm Từ 1 400m/s đến 1 600 m/s ± 0,5 m/s Oxy hòa tan Từ 0 mg/l đến 15 mg/l ± 0,2 mg/l Lấy mẫu chất đáy Lấy mẫu bằng gầu

lấy mẫu Không lớn hơn 50 m

Hạng mục

KSĐĐ

Yêu cầu kỹ thuật

Lấy mẫu bằng ống phóng trọng lực Không lớn hơn 200 m Đối với công tác dẫn đường cho tầu ngầm, yêu cầu độ chính xác cho định vị hoàn toàn khác (do tàu di chuyển dưới mặt nước), cho nên yêu cầu độ chính xác định vị sẽ tùy thuộc vào phương pháp dẫn đường (khoảng 180m/h đối với phương pháp dẫn đường bằng quán tính và khoảng từ 1-10m đối với dẫn đường bằng thủy âm) Do đó, chỉ tiêu

kỹ thuật các yếu tố hải văn phục vụ dẫn đường cho tầu ngầm sẽ khác hơn rất nhiều so với các chỉ tiêu hải văn phục vụ khảo sát biển

Các yếu tố hải văn tác động đến công tác định vị và dẫn đường cho tàu ngầm gồm

có các yếu tố:

- Các yếu tố nhiệt độ, độ muối và độ sâu ảnh hưởng đến vận tốc âm;

- Địa hình đáy biển ( mô hình số địa hình 3D);

- Các yếu tố dòng chảy ( mô hình số trường dòng chảy);

- Các yếu tố từ trường và dị thường từ (mô hình trường từ trường);

- Các yếu tố về vùng tối âm ( mô hình vùng tối âm);

Ngoài ra, còn một số yếu tố khác, song nó ảnh hưởng rất nhỏ nên không đề cập đến Trong số 5 nguồn hải văn ảnh hưởng chính như trên đây, nguồn do nhiệt độ, độ muối và độ sâu (áp suất), chúng ta có thể ước tính độ chính xác của công tác đo đạc các yếu tố đó để loại trừ ảnh hưởng của các yếu tố này Các nguồn hải văn còn lại (địa hình, dòng chảy, từ trường và vùng tối), chúng ta không thể loại trừ trong khi đo, song có thể tính được ảnh hưởng của nó và đưa ra giải pháp tránh được ảnh hưởng của chúng

Trong luận án “Nghiên cứu xác định các yêu cầu kỹ thuật đối với dữ liệu trắc địa, hải văn bảo đảm định vị dẫn đường cho tàu ngầm trong vùng biển Việt Nam” của tiến sĩ Khương Văn Long đã ước tính được các tham số về sai số hướng đi, khoảng cách, vận tốc, thời gian

- Đối với dẫn đường theo phương pháp quán tính, yêu cầu công tác dẫn hướng và xác định khoảng cách phải đạt tiêu chuẩn sau [17]:

Sai số trung phương của hướng đi: Mht ≤ ±6,8’ (1.1) Sai số trung phương với khoảng cách 1km: MS(t;t+1) ≤ ±109 m (1.2)

- Đối với dẫn đường bằng phương pháp thủy âm, yêu cầu độ chính xác xác định thời gian và vận tốc phải đạt [17]:

Sai số trung phương của thời gian: Mt ≤ 0,0034 s (1.3) Sai số trung phương của vận tốc: MV ≤ 2,57 m/s (1.4) Như vậy, các yếu tố nhiệt độ, độ muối và áp suất không ảnh hưởng trực tiếp đến công tác dẫn đường bằng định vị quán tính; song nó có ảnh hưởng rất đáng kể đến định

vị thủy âm, bởi vì định vị thủy âm sẽ liên quan trực tiếp đến vận tốc âm

Do đó, nghiên cứu sinh chỉ ước tính độ chính xác của việc đo nhiệt độ, độ muối

ở đây, nhiệt độ T( o C), độ muối S (‰), độ sâu D(m) và tốc độ âm c(m/s)

Phương trình trên áp dụng với 0oC ≤ T ≤ 35oC; 0‰ ≤ S ≤ 45‰ và 0m ≤ D ≤ 1000m Vi phân công thức trên theo các đối số là nhiệt độ, độ muối và đô sâu ta được:

Chuyển sang sai số trung phương sẽ được:

m2c = (4,6)2m2T + (0,11T)2m2T+(1,34)2m2S +(0,017)2m2D (1.7) Nếu chọn T= Ttb= 250, khi đó sẽ có:

m2c = 21,16 m2T + 7,56 m2T+ 1,80 m2S + 0,0003 m2D (1.8) Nếu D tính theo đơn vị 100m thì:

m2c = 28,72 m2T + 1,80 m2S + 0,03 m2D (1.9) Nếu chọn tương quan 3 nguồn ảnh hưởng trên như như nhau, ta có:

m2c = (28,72 + 1,80 + 0,03) m2D = 30,55 m2D (1.10) Suy ra:

Bảng 1 2 Yêu cầu kỹ thuật yếu tố hải văn với phương pháp định vị thủy âm

1 Xử lý dữ liệu cần

được cập nhật

Dữ liệu đo đạc các yếu tố hải dương được kiểm tra, xử

lý và loại bỏ các sai số bằng các phần mềm như Datalog Express, Microsoft Excel, … Xuất các tệp dữ liệu theo định dạng *.csv và cập nhật vào hệ thống cơ sở dữ liệu trên máy chủ

2 Đánh giá sai số

Đối với các file dữ liệu đã được xử lý; trước khi cập nhật đều được đối chiếu với CSDL gốc có vị trí và thời điểm gần trùng nhất với file dữ liệu cập nhật tương ứng để tiến hành đánh giá theo giá trị sai số trung phương các trạm đo Sai số trung phương lớn nhất của các yếu tố vận tốc âm, nhiệt độ và độ muối tại các trạm đo so với CSDL như sau:

TT CHỈ TIÊU YÊU CẦU

1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển trên thế giới

Chủ đề xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển được các tác giả tiến hành nghiên cứu với nhiều hướng khác nhau Tác giả [72] đã giới thiệu tổng quát về công nghệ thu nhận dữ liệu, một số quy ước quốc tế cũng như công nghệ sử dụng để xây dựng và hiển thị bản đồ địa hình đáy biển

Nhược điểm của phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia đó là giới hạn về độ sâu, độ phân giải không gian không cao … dẫn đến độ chính xác của mô hình nhận được khi xây dựng dựa trên dữ liệu loại này thấp Tác giả [43] đã nghiên cứu các phương pháp nội suy để xây dựng mô hình 3D từ dữ liệu đo sâu đơn tia Trong nghiên cứu này, đã sử dụng 15 thuật toán nội suy khác nhau Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên cơ sở

sử dụng ArcGIS 10.3 và phần mở rộng Geostatistical Analyst của ESRI Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm cơ sở xuyên tâm và kriging chứng tỏ là phương pháp nội suy tốt nhất cho tập dữ liệu được xem xét Seda Karadeniz Kartal và cộng sự [69] đã phát triển cấu hình của phương tiện nổi để thành lập bản đồ địa hình đáy biển sử dụng phương pháp đo sâu đơn tia với chi phí thấp Trong nghiên cứu này, các góc dốc dưới đáy biển

là thông tin có hiệu quả trong việc thay đổi dữ liệu độ sâu, đã được ước tính và hiệu chỉnh liên quan đến các góc ước tính trong một khu vực được lập bản đồ cụ thể để lập bản đồ dưới nước chính xác hơn Kết quả thực nghiệm cho thấy, bản đồ địa hình đáy biển đã lập được có độ chính xác cao hơn so với đo sâu đơn tia truyền thống trước đó

Thiết bị thủy âm quét sườn đa tia với ưu điểm là cung cấp dữ liệu cho phép định

vị rõ ràng và hiển thị hình ảnh 3D của các mục tiêu khác nhau bao gồm cả xác tàu, mìn

và các vật thể chìm dưới nước khác Các tác giả [36] đã nghiên cứu giải pháp xử lý dữ liệu thu nhận được từ thiết bị thủy âm quét sườn đa tia để tái tạo hình ảnh 3D địa hình đáy biển Nghiên cứu này đã đề xuất hai phương pháp tiếp cận mới bao gồm: (1) Sử dụng các mô hình tán xạ ngược chính xác hơn, bao gồm sự khác biệt về dấu hiệu của một số loại đối tượng và (2) dựa trên định nghĩa và nghiên cứu một số mô tả định lượng của các đặc điểm hình học dự kiến sẽ được tìm thấy trong hình ảnh của các vật thể cục

bộ có nguồn gốc nhân tạo Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ tính ưu việt của các thuật toán mà tác giả đã đề xuất

Trên cơ sở dữ liệu đo sâu đa tia, các tác giả [74] đã đề xuất phương pháp thành lập địa hình đáy biển bằng hình thái địa hình và nhận dạng mẫu Đầu tiên, thuật toán biến đổi sóng rời rạc hai chiều (DWT) và ngưỡng tự thích ứng được áp dụng để trích xuất các điểm đặc trưng địa hình đáy biển từ DDM Sau đó, phương pháp lập bản đồ và phân loại phần tử địa hình tự thích ứng được triển khai dựa trên nhận dạng mẫu Phương pháp này được áp dụng trên dữ liệu đo độ sâu đa tia được thu thập ở giữa Biển Đông và

tự động tạo ra bản đồ phân loại đáy biển với độ chính xác tổng thể là 98,3% và Kappa

là 97,6%

Các tác giả [79] đã nghiên cứu sâu về xử lý tín hiệu điện từ thu nhận được của các thiết bị đo sâu với phương pháp mô hình hóa phần tử hữu hạn thích ứng Trong

những thập kỷ qua, phương pháp CSEM biển đã đóng một vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc điện của lớp phủ trên và lớp vỏ đại dương Phương pháp CSEM biển cũng đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc mô tả đặc điểm hydrat dầu và khí trong trầm tích nông sử dụng tần số cao (> 10 Hz) và phạm vi ngắn Dữ liệu CSEM biển bị ảnh hưởng mạnh bởi phép đo độ sâu cần được mô phỏng chính xác để tránh hiểu sai các bộ dữ liệu CSEM biển Do đó, việc cải thiện độ chính xác của các công cụ giải thích cho bộ dữ liệu CSEM hàng hải là rất quan trọng [79] Nhóm nghiên cứu đã triển khai thuật toán sàng lọc lưới thích ứng theo công cụ ước tính lỗi hậu nghiệm dựa trên toán tử phục hồi độ dốc của điện thế EM thứ cấp Để tăng chất lượng của lưới tại các vị trí máy thu, các phần tử chứa vị trí máy thu bị hạn chế bằng cách gán cho chúng một khối lượng tối đa cho lưới ban đầu Lưới tứ diện không có cấu trúc được sử dụng trong phương pháp mà các tác giả đề xuất có thể cung cấp mô tả chính xác về các cấu trúc phức tạp như các lớp nhúng và địa hình gồ ghề không được trang

bị chính xác bằng lưới có cấu trúc Mô hình đo độ sâu cho thấy thuật toán rất phù hợp

để xử lý địa hình đáy biển phức tạp, cần được mô phỏng chính xác để tránh hiểu sai

về bộ dữ liệu CSEM biển

Sử dụng mô hình DEM địa hình đáy biển, các tác giả [58] đã xây dựng mô hình 3D hình thái địa hình của Bắc Băng Dương Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phát triển một hệ thống cho phép cung cấp khả năng lưu trữ DEM lớn cho đáy đại dương; dẫn xuất các mô hình hình thái học từ DEM; trực quan hóa đa chiều 3D tương tác của các mô hình thu được; và truy cập miễn phí thông tin này qua Internet, với khả năng hiển thị trực tuyến thời gian thực 3D Đây là một công cụ thông tin trực tuyến tương tác mới được tạo ra để hỗ trợ các nghiên cứu thủy văn, địa mạo biển, địa chất, địa vật lý và đại dương học của Vùng Bắc Cực, đặc biệt là để xác định giới hạn bên ngoài của thềm lục địa Nga ở Bắc Cực

Đối với các vùng nước nông, vùng nước có độ đục thấp thì sử dụng ảnh viễn thám để xác định độ sâu có ý nghĩa lớn vì đây là loại dữ liệu được thu nhận trên phạm

vi rộng và sẵn có Các tác giả [70] đã phát triển và thử nghiệm một phương pháp tự động tính chu kỳ sóng đối với sóng trương nở trong ảnh SAR để xác định độ sâu Kết quả

thực nghiệm cho thấy, sử dụng dữ liệu chu kỳ sóng cực đại thu được bởi vệ tinh TerraSAR-X là 11,3 giây rất phù hợp với dữ liệu đo sâu trực tiếp cho khu vực thực nghiệm tại quần đảo Channel Các tác giả [34] đã đánh giá công nghệ hiện có và lịch sử của việc lập bản đồ độ sâu và hồ sơ độ sâu LiDAR dưới nước để xác định các cơ hội tiềm năng cho sự phát triển trong tương lai Tác giả [53] đã sử dụng dữ liệu của vệ tinh WorldView-2 và dữ liệu thu được của UAV trong cùng thời điểm để đánh giá về khả năng cũng như độ chính xác của dữ liệu thu được từ UAV để thành lập bản đồ địa hình đáy biển Khu vực nghiên cứu có diện tích khoảng 0,5 km2 và nằm ở Tuscany (Ý) Kết quả thực nghiệm cho thấy, độ sâu thu được từ UAV cho phép đạt được độ chính xác khoảng 20 cm khi lập bản đồ độ sâu ở vùng nước nông, giảm thiểu chi phí vận hành và mang lại khả năng lập trình hoạt động khảo sát giám sát ven biển

Tác giả [48] đã công bố nghiên cứu về phương pháp đo độ sâu hoàn toàn mới đã bắt đầu với việc sử dụng Máy đo tiếng vang Multibeam (MB) và phần mềm thủy văn hiện đại Các công cụ phần mềm để xử lý và phân tích độ sâu và gần đây là mô tả đặc điểm đáy biển từ tán xạ ngược đều có sẵn trong phần lớn các hệ thống sonar hiện đại Bên cạnh dữ liệu đo độ sâu và sóng siêu âm, MB hiện đại có thể tạo ra hình ảnh cột nước Những công nghệ thủy văn này mang lại khả năng đạt được địa hình đáy biển ở mức độ cao

Một nghiên cứu hoàn toàn khác về lập bản đồ địa hình đáy biển sử dụng phương pháp địa chất-trọng lực thích ứng đã được trình bày trong [68] Một dạng lưới thích ứng của phương pháp trọng lực-địa chất, được gọi là Phương pháp địa chất-trọng lực cải tiến (iGGM), đã được triển khai trên các dị thường trọng lực trong không khí tự do và độ sâu tàu thuyền để thu được mô hình độ sâu 1′ × 1′ cải tiến của Vịnh Guinea ( 15°T–5°Đ, 4°N–4°B) Độ tương phản mật độ tối ưu 8000 kg/m3 đã được sử dụng cho toàn bộ khu vực Mô hình iGGM được so sánh tốt với các mô hình NGDC, ETOPO1 và SIO; với độ lệch chuẩn và hệ số tương quan chênh lệch lần lượt là 180,20 m, 0,9248, 184,34 m, 0,9551 và 179,84 m, 0,8886 Kết quả cho thấy, so với các khu vực miền núi, độ chính xác đảo ngược cao hơn (độ lệch chuẩn của chênh lệch thử nghiệm nhỏ hơn 50 m) có thể đạt được ở vùng trũng sử dụng độ sâu tàu ít hơn Với 75% độ sâu tàu được sử dụng cho

toàn bộ mô hình, độ lệch chuẩn của chênh lệch giữa iGGM và độ sâu tàu tại các điểm thử nghiệm là 184,74 m Tác giả [65] đã sử dụng phép lọc Kalman mở rộng (EKF) để thành lập bản đồ địa hình đáy biển sử dụng dữ liệu trọng lực mà không cần đến thông tin điều hướng tàu Trong nghiên cứu của mình, các tác giả đã tích hợp các toán tử Newton phi tuyến tính với khoảng cách hướng tâm và góc (và các đạo hàm bậc thấp của nó) cho phép quá trình ước tính tăng tốc và chỉ cần một vài lần lặp, thay vì tính tổng chuỗi đa thức Legendre hoặc sử dụng phân tách 2D-FFT giảm nhiễu Cách tiếp cận này

có thể nâng cao kiến thức về địa hình đáy biển ở những khu vực có ít hoặc không có dữ liệu đo sâu hồi âm trực tiếp

Đo đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển là một công việc tốn kém cả về thời gian và kinh tế, đôi khi không thể thực hiện hết được trên một phạm vi rộng lớn Tác giả [63] đã thành lập bản đồ địa hình đáy biển dựa trên các sản phẩm đã có Đầu tiên, các tác giả tiến hành phân tích tính đồng nhất của địa hình đáy biển trên các mô hình và tính trọng số cho dữ liệu của từng mô hình cụ thể Kết quả dữ liệu độ sâu sau đó được làm mịn để được mô hình địa hình đáy biển cuối cùng với độ chính xác 99,6 m Độ chính xác của mô hình nhận được được cải thiện cao nhất lên tới 40% so với mô hình nguyên thủy được sử dụng ban đầu

Các tác giả [63] đã dựa vào công nghệ phân chia mức độ thông tin (LOD) để mô phỏng 3D địa hình đáy biển Các phương pháp mô phỏng 3D thông thường trước đó đòi hỏi rất nhiều tài nguyên máy tính khi phân tích trực quan DEM bên cạnh một số nhược điểm khác Nghiên cứu này đề xuất một thuật toán phân chia địa hình hiệu quả dựa trên OpenGL và Visual C++ Hệ thống mô phỏng 3D được phát triển dựa trên công nghệ LOD phụ thuộc vào chế độ xem, kết hợp với quản lý dữ liệu hiệu quả Hệ thống này hiện thực hóa các cảnh chuyển vùng theo thời gian thực và phân tích không gian tương tác của địa hình đáy biển rộng lớn, đồng thời cung cấp nền tảng hiệu quả để lập bản đồ địa hình đại dương và hiển thị ba chiều địa hình đáy biển Hơn nữa, hiệu quả lập bản đồ địa hình đáy biển và việc sử dụng dữ liệu DEM đều được cải thiện

Tianyun Su [40] và nhiều người khác đã nghiên cứu nền tảng mô hình hóa và hiển thị 3D cho đáy biển Kết quả của nghiên cứu này đó là xây dựng được một 'thế giới

ảo' của đáy biển trong thế giới thực để phân tích trực quan Để hiển thị kết quả nghiên cứu trên, hai ứng dụng tiên tiến trên website explorer và điện thoại thông minh đã được xây dựng và đã chứng minh được tính hiệu quả của kết quả nghiên cứu Các tác giả [40]

đã nghiên cứu thiết kế và triển khai công cụ hiển thị thực tế ảo 3D đại dương Kết quả của nghiên cứu này đã xây dựng được công cụ trực quan và thực tế ảo 3D có tên VV-Ocean bao gồm năm mô-đun, đó là mô-đun quản lý bộ nhớ, mô-đun quản lý tài nguyên, mô-đun quản lý cảnh, mô-đun quản lý quy trình kết xuất và mô-đun quản lý tương tác Tác giả [38] đã sử dụng hình ảnh thu nhận được từ BioCam để trực quan hóa địa hình đáy biển BioCam là một hệ thống hình ảnh ba chiều (3D) độ cao sử dụng một cặp âm thanh nổi của máy ảnh bán dẫn oxit kim loại bổ sung (sCMOS) khoa học có dải động cao, mỗi máy có độ phân giải 2.560 × 2.160 pixel Khoảng cách lớn giữa các nguồn chiếu sáng này và camera đảm bảo hình ảnh chất lượng cao và dữ liệu đo độ sâu có độ phân giải cao có thể được thu thập từ độ cao mục tiêu từ 6 m đến 10 m Mặc dù việc tái tạo 3D rất hữu ích cho việc nghiên cứu thông tin chi tiết về đáy biển nhưng việc khám phá chúng vừa tốn thời gian vừa mang tính chủ quan Để giúp lập kế hoạch thu thập dữ liệu hiệu quả hơn trong các chuyến thám hiểm nghiên cứu, việc có thể nhanh chóng hiểu được các tập dữ liệu hình ảnh tham chiếu địa lý lớn trong các khung thời gian liên quan đến chuyến thám hiểm là rất có giá trị Các tác giả đã phát triển các phương pháp học máy không giám sát theo hướng vị trí có thể tự động tìm hiểu các tính năng mô tả hình ảnh tốt nhất trong tập dữ liệu tham chiếu địa lý mà không cần bất kỳ thông tin đầu vào nào của con người để giải thích [38]

Trong vài thập kỷ qua, các phương tiện dưới nước hoạt động từ xa (ROV) đã được sử dụng như một công cụ hiệu quả cho hoạt động thăm dò sinh học biển Nó cho phép người điều khiển trên mặt đất khám phá và thu thập các mẫu mong muốn trong môi trường biển sâu bằng cách sử dụng các phương tiện dưới nước được điều khiển từ

xa Bên cạnh hoạt động thăm dò sinh học biển, ROV đã được sử dụng và có những đóng góp đáng kể trong các ứng dụng rộng lớn dưới nước như phát triển dầu khí, thăm dò khoáng sản, thu thập dữ liệu dưới nước và các nhiệm vụ tìm kiếm cứu nạn [80] Youngeun Song và cộng sự [80] đã đề xuất thuật toán tái tạo 3D để tạo điều kiện hiển