Ứng dụng công nghệ đo sâu đa tia trong công tác đo bản đồ địa hình đáy biển phục vụ đưa cáp điện ngầm ra huyện đảo Phúc Quốc

0. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 4 1.1.Nội dung và các yêu cầu chủ yếu trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển. 4 1.2.Giới thiệu về qui trình công nghệ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tại Việt Nam. 5 1.2.1.Quá trình hình thành và phát triển. 5 1.2.2.Quy trình công nghệ 6 1.2.3.Công nghệ định vị 9 1.2.4.Công nghệ đo sâu 11 1.2.5.Công nghệ quan trắc thủy triều 12 1.2.6.Tàu đo 16 1.2.7.Xử lý số liệu và biên tập bản đồ 16 1.2.8.Những sản phẩm bản đồ biển đã sản xuất đến nay. 17 CHƯƠNG 2: ĐO ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN BẰNG MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM ĐA TIA 21 2.1.Đo sâu bằng máy đo sâu hồi âm đa tia 21 2.1.1.Nguyên lý 21 2.1.2.Xác định độ sâu 22 2.1.3.Định vị điểm đo 27 2.1.4.Cải chính thủy triều 28 2.2.Các nguồn sai số 29 2.2.1.Sai số do tốc độ truyền âm 30 2.2.2.Sai số do các chuyển động của tàu đo 31 2.2.3.Sai số do mớn nước tàu 36 2.2.4.Sai số do quan trắc thủy triều 36 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 38 3.1.Tổng quan về khu thực nghiệm 38 3.2.Các yêu cầu cơ bản về kỹ thuậtđối với bản đồ địa hình đáy biển khu thực nghiệm 40 3.2.1.Hệ tọa độ sử dụng 40 3.2.2.Thiết bị, phần mềm 40 3.3.Thu thập dữ liệu đo 44 3.3.1.Khảo sát địa hình bằng máy đo sâu hồi âm đatia. 46 3.3.2.Công tác nghiệm triều 47 3.3.3.Công tác khảo sát tại điểm tiếp bờ 47 3.4.Công tác xử lý số liệu 48 3.5.Thành lập và mô tả địa hình đáy biển trên MGE 51 3.6.Kiểm tra sản phẩm 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65

1. MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

3.MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta có đường bờ biển dài khoảng 3.260 km, diện tích vùng biển chủquyền rộng hơn 1.000.000 km2 Biển nước ta chứa đựng một nguồn tài nguyên vôcùng quý giá, một tiềm năng kinh tế có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển kinh

tế đất nước Mặt khác, vùng biển rộng lớn tiếp giáp với nhiều quốc gia vì vậy cónhiều vấn đề phức tạp về phân chia lãnh hải, thềm lục địa, vùng đặc quyền kinh tế giữa các quốc gia

Xác định được vai trò, vị trí, tầm quan trọng của biển, Hội nghị Ban Chấphành Trung ương khoá X ra Nghị quyết về “Chiến lược biển Việt Nam đến năm2020”

Những thuận lợi về nguồn tài nguyên thiên nhiên và những khó khăn về bảo

vệ môi trường biển đòi hỏi một quy hoạch tổng thể về khai thác và bảo vệ biểnmang tính quốc gia Quy hoạch này chỉ có thể thực hiện được khi có đủ tài liệu vềđiều tra cơ bản trên hệ thống tư liệu bản đồ biển thống nhất, đầy đủ và chính xác

Đo đạc là lĩnh vực khoa học kỹ thuật sử dụng các thiết bị thu nhận thông tin và

xử lý thông tin nhằm xác định các đặc trưng hình học và các thông tin có liên quancủa các đối tượng ở mặt đất, lòng đất, mặt nước, lòng nước, đáy nước, khoảngkhông ở dạng tĩnh hoặc biến động theo thời gian Bản đồ là lĩnh vực hoạt động khoahọc kỹ thuật thu nhận và xử lý các thông tin, dữ liệu từ quá trình đo đạc, khảo sátthực địa để biểu thị bề mặt trái đất dưới dạng thu nhỏ, các yếu tố theo các chuyênngành bằng hệ thống ký hiệu và màu sắc theo các quy tắc toán học nhất định Nhưvậy công tác đo đạc thành lập bản đồ biển là công tác đo đạc, thu nhận và xử lý cácthông tin về biển, về nền địa hình đáy biển, về các mặt tự nhiên, xã hội, kinh tế, kỹthuật…trên biển, lòng nước, đáy biển, lòng đất dưới đáy biển, khoảng không trênbiển và thể hiện các thông tin dưới dạng bản đồ

Công tác đo đạc thành lập bản đồ biển nhằm cung cấp tư liệu điều tra cơ bảncho sự nghiệp phát triển kinh tế biển, bảo vệ môi trường biển và đảm bảo an ninh

làm theo yêu cầu đơn đặt hàng của Nhà nước hoặc của khách hàng và làm theo tỷ lệbản đồ yêu cầu Công nghệ đo sâu hồi âm đơn tia là công nghệ cũ, độ chính xác vàtiến độ thực hiện vẫn còn nhiều bất cập, tính hữu dụng về cơ sở dữ liệu còn hạn hẹp,

và quan trọng hơn là sản phẩm thu được vẫn chưa đáp ứng được các tiêu chuẩnquốc tế nên chưa có tính hội nhập

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ

đo sâu hồi âm đơn tia dần đã được thay thế bằng các công nghệ mới hơn như:LIDAR, sonar, đo sâu hồi âm đa tia… Các công nghệ này đã dần thay thế cho côngnghệ đo sâu hồi âm đơn tia bởi tính ưu việt về năng suất, độ chính xác và kinh tế

Xác định rõ điều đó, để hiện đại hóa và nâng cao năng lực sản xuất, Trung tâmTrắc địa bản đồ biển, một trong những đơn vị hàng đầu về đo vẽ bản đồ địa hìnhđáy biển của Việt Nam, đã chính thức đặt vấn đề đưa công nghệ đo sâu đa tia vào

áp dụng thay cho công nghệ cũ Đây là một công nghệ mới đối với Việt Nam Tuynhiên đội ngũ kỹ thuật của Trung tâm Biển đã đưa được công nghệ này vào phục vụsản xuất và đã thành công trong nhiều dự án,

Trong đó có dự án rất quan trọng đã được thực hiện năm 2013 là khảo sát địahình đáy biển để đưa cáp điện ngầm ra huyện đảo Phú Quốc

Công nghệ đo sâu đa tia rất phức tạp, đòi hỏi thiết bị, phần mềm và con ngườikhá cao Với tinh thần cầu thị, mong muốn được tìm hiểu một phần về công nghệmới được ứng dụng trong sản xuất tại Việt Nam, trên cơ sở sự giúp đỡ nhiệt tìnhcủa các cán bộ kỹ thuật Trung tâm Trắc địa và Bản đồ biển và dữ liệu thực tế, tácgiả chọn đề tài “Ứng dụng công nghệ đo sâu đa tia trong công tác đo bản đồ địahình đáy biển phục vụ đưa cáp điện ngầm ra huyện đảo Phúc Quốc” là mộ thướng

đi đúng, phù hợp với trình độ cũng như thực tiễn cho sinh viên

2 Mục tiêu của đề tài

Thu thập thông tin, tìm hiểu về công tác đo bản đồ địa hình đáy biển bằngcông nghệ đo sâu đa tia

Trên cơ sở lý thuyết và số liệu thực tế thu thập được, lập bản đồ địa hình đáybiển phục vụ đưa cáp điện ngầm ra huyện đảo Phú Quốc

3 Nội dung nghiên cứu

Nêu được những nội dung cơ bản về công tác đo bản đồ địa hình đáy biển

Tìm hiểu về công nghệ đo bản đồ địa hình đáy biển bằng máy đo sâu hồi âm

đa tia

Thành lập bản đồ địa hình đáy biển từ số liệu thực tế của khu nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệuliên quan

- Phương pháp thực nghiệm: trên cơ sở lý thuyết có được từ thông tin liênquan đã được thu thập, thống kê, sử dụng số liệu thực tế để đưa ra được sản phẩmnhư yêu cầu thực tế của sản xuất

5 Cơ sở dữ liệu

- Thông tin về công nghệ đo bản đồ địa hình đáy biển

- Số liệu đã có của khu nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chu đáo, nhiệt tình củaThS.Dương Minh Cường – Phòng kế hoạch & quản lý dịch vụ - Trung tâmTrắc địa và Bản đồ biển cùng chú Nguyễn Hồng Việt – giám đốc Trungtâm xử lý số liệu và Biên tập bản đồ đã giúp tôi hoàn thành bản đồ án tốtnghiệp này

4.CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA

HÌNH ĐÁY BIỂN1.1. Nội dung và các yêu cầu chủ yếu trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy

biển.

Bản đồ địa hình đáy biển là loại bản đồ thể hiện chính xác bề mặt địa hình đáybiển Địa hình đáy biển là phần kéo dài ra phía biển của địa hình lục địa Như vậytheo cách hiểu chung nhất bản đồ địa hình đáy biển là sự kéo dài của bản đồ địahình trên đất liền ra phía biển

Đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển với mục đích thể hiện các thông tin về địa hình

bề mặt đáy biển và các đối tượng ở bề mặt đáy biển Các thông tin này được thểhiện dưới dạng bản đồ số, bản đồ giấy (tùy theo tỷ lệ) hay dưới dạng mô hình số.Như vậy có thể nói rằng nội dung và yêu cầu chủ yếu của công tác đo vẽ bản đồ địahình đáy biển là xác định các yếu tố để thể hiện được các thông tin yêu cầu nhưtrên Các yếu tố đó chính là tọa độ, độ cao của các điểm đặc trưng của bề mặt đáybiển và dạng chất đáy của lớp bề mặt đáy biển

Đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển chia là 2 công tác chính: công tác ngoại nghiệp

và công tác nội nghiệp

Công tác ngoại nghiệp (đo sâu, lấy mẫu chất đáy) sẽ xác định các yếu tố đồng thời như sau:

- Tọa độ điểm đo (Có thể xác định bằng máy đo kinh vĩ, máy toàn đạc điện

- Tọa độ điểm lấy mẫu (xác định như công tác đo sâu);

- Lấy mẫu chất đáy và mô tả bằng ký kiệu qui định (bằng gầu lấy mẫu)

Công tác nội nghiệp được tiến hành sau khi đã có đầy đủ số liệu ngoại nghiệp và bao gồm các bước chính sau:

- Xây dựng cơ sở toán học của mảnh bản đồ;

- Nhập số liệu và kiểm tra số liệu;

- Xây dựng mô hình hoặc đường đồng mức;

- Biên tập theo qui định

Như vậy ta có thể nói rằng công nghệ đo sâu hồi âm phục vụ cho công tác đo

vẽ bản đồ địa hình đáy biển là sự kết hợp hoàn hảo của các công nghệ sau:

- Công nghệ định vị;

- Công nghệ đo sâu;

- Công nghệ quan trắc thủy triều (hay sự biến động của mực nước);

- Giai đoạn từ năm 1975 đến năm 1992: Giai đoạn chủ yếu do Quân chủngHải quân làm công tác biên tập lại từ các hải đồ do nước ngoài lập Ngoài ra có một

số đơn vị thuộc các bộ ngành khác nhau như Bộ Giao thông Vận tải, Nông nghiệp,Công nghiệp, Xây dựng, Thủy Lợi, Thủy sản cũng đã thực hiện việc đo đạc thànhlập bản đồ đáy biển chuyên ngành phục vụ cho nhu cầu sử dụng riêng, qui mô nhỏvới công nghệ chủ yếu là đo tọa độ giao hội bằng máy kinh vĩ hoặc sóng radio, độsâu đo bằng quả dọi hoặc máy đo sâu hồi âm thế hệ đầu sử dụng băng giấy

- Giai đoạn từ năm 1993 đến nay: Thời gian này các công nghệ đo đạc của

+ Trung tâm trắc địa bản đồ biển thuộc Viện khoa học và công nghệ địachính;

+ Xí nghiệp trắc địa 304 thuộc Công ty trắc địa bản đồ số 3;

+ Trung tâm ứng dụng công nghệ mới thuộc Công ty trắc địa bản đồ số 1;

+ Đoàn đo đạc biển và biên vẽ hải đồ thuộc quân chủng Hải quân – Quânđộinhân dân Việt Nam;

+ Ngoài ra còn một số đơn vị thuộc các bộ ngành khác Tuy nhiên các đơn vịnày chủ yếu chỉ thực hiện công tác đo sâu hải đồ, bình đồ luồng lạch, sông, hồ, bếncảng…với phạm vi hẹp

Năm 1999 Tổng cục địa chính sáp nhập các đơn vị trong ngành nòng cốt làTrung tâm Trắc địa Bản đồ biển thuộc Viện khoa học Địa chính và Xí nghiệp Trắcđịa 304 thuộc Công ty Trắc địa bản đồ số 3 thành Trung tâm Trắc địa Bản đồ biển.Đây là đơn vị có chức năng nhiệm vụ thực hiện công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáybiển trong phạm vi cả nước Như vậy từ năm 1999 đến nay ở nước ta có 2 đơn vịchuyên đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển là Trung tâm trắc địa bản đồ biển (nay thuộcTổng cục Biển và hải đảo Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường) và Đoàn Đođạc biển và Biên vẽ hải đồ thuộc Quân chủng Hải quân - Quân đội nhân dân ViệtNam Về thiết bị, công nghệ của hai cơ quan này tương đối giống nhau, Trung tâmtrắc địa bản đồ biển thực hiện đo đạc chủ yếu là các loại bản đồ tỷ lệ 1:10.000 và1:50.000 khu vực gần bờ, Đoàn đo đạc biển và biên vẽ hải đồ đo đạc chủ yếu là cácloại hải đồ tỷ lệ 1:200.000 và 1:250.000 khu vực xa bờ

1.2.2. Quy trình công nghệ

Quy trình công nghệ đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển hiện nay tạiViệt Nam có thể nói rằng đã được thể hiện tại Quy định kỹ thuật thành lập bản đồđịa hình đáy biển tỷ lệ 1:50.000 ban hành theo Quyết định số 03/2007/QĐ-BTNMTngày 12 tháng 02 năm 2007 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường Tóm tắttrích lược qui trình công nghệ như sau:

1.Thu thập tư, tài liệu, khảo sát khu đo; Lập thiết kế kỹ thuật – dự toán

2.Thi công ngoại nghiệp:

- Xây dựng các điểm nghiệm triều (ven bờ hoặc ngoài khơi), xây dựnghệthống lưới cơ sở trên bờ (nếu cần), đo nối tọa độ, độ cao.

- Thiết kế và kiểm tra thiết kế đo sâu, đo kiểm tra, lấy mẫu chất đáy

- Đo vẽ đường bờ (nếu có)

- Tiến hành đo sâu, đo kiểm tra, đo rà soát hải văn (nếu có) đồng thời vớiviệc quan trắc nghiệm triều; Lấy mẫu chất đáy

- Xử lý số liệu ngoại nghiệp Kiểm tra, đo bù, đo lại

- Kiểm tra nghiệm thu ngoại nghiệp

3.Công tác nội nghiệp:

- Kiểm tra kết quả đo đạc và xử lý ngoại nghiệp

- Xây dựng cơ sở dữ liệu; Thành lập và biên tập bản đồ gốc số địa hìnhđáybiển; In phun bản đồ gốc

Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ thành lập bản đồ địa hình đáy biển

1.2.3. Công nghệ định vị

Hiện tại công tác đo đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển ở BTNMT đang

áp dụng các công nghệ với các trang thiết bị sau đây trong thực tế sản xuất:

1. Công nghệ định vị khoảng cách xa để xây dựng hệ thống điểm tọa độ - độ cao trênvùng biển

2. Có nhiều thiết bị định vị GPS 2 tần số với các phần mềm xử lý bảo đảm cho việcxác định tọa độ điểm cơ sở ở khoảng cách xa với độ chính xác 2-3 cm

3. Đã thu thập các tài liệu và đang triển khai Dự án “Xây dựng và hoàn chỉnh hệ thốngtrọng lực Nhà nước”, đã hoàn thành việc nghiên cứu đo trọng lực biển tại Việt Nam.Như vậy với việc đo đạc trọng lực chi tiết trên biển để xác định mặt Kvazigeoid trênvùng biển Việt Nam cho phép tính chuyển độ cao bằng công nghệ GPS từ đất liền

ra biển với độ chính xác thủy chuẩn nhà nước hạng IV nâng cao chất lượng sảnphẩm bản đồ biển

4. Công nghệ định vị đối tượng động để định vị tức thời tàu đo:

5. Công nghệ này sử dụng để dẫn đường cho các tàu đo đạc hoạt động trên biển và xácđịnh tọa độ các điểm đo sâu trên mặt địa hình đáy biển, xác định tọa độ các địa vậttrên biển và dưới mặt nước biển

6. Để định vị tức thời vị trí tàu đo đã áp dụng các kỹ thuật – công nghệ sau đây:

- Công nghệ DGPS Realtime với các thiết bị RadioLink sóng ngắn (VHF, UHF) để

đo vùng biển ven bờ (cách xa bờ dưới 60 km);

- Công nghệ DGPS Realtime với các trạm cố định phát số hiệu cải chính phân saitrên tần số radio trong giải tần sóng trung bình với tầm hoạt động từ 500 – 700 km

Hình 3.2: Máy định vị Trimble 4000SSi và máy DSM 212H

Với việc đã có các trạm định vị GPS cố định ở Đồ Sơn (Hải Phòng), VũngTàu, Quảng Nam, trạm định vị tại Phú Quốc, Trường Sa… (do Bộ Quốc phòngquản lý), tầm phủ sóng cải chính phân sai DGPS của các trạm này đã gần như phủtrùm toàn vùng biển phía đông Việt Nam Các trạm định vị cố định GPS trên đều sửdụng công nghệ Beacon với kỹ thuật MSK, đảm bảo độ chính xác cải chính phânsai nhỏ hơn ±5 m Như vậy hệ thống này đảm bảo định vị dẫn đường cho công tác

đo đạc thành lập bản đồ biển trên toàn vùng biển Việt Nam từ tỷ lệ 1/10.000 và nhỏhơn

Các loại thiết bị thu tín hiệu được trang bị có áp dụng công nghệ này ở trên tàu

đo như: DSM 212H, DGPSProBeacon, DGPS GBX CSI, DGPS MiniMax

- Công nghệ DGPS Realtime diện rộng (Wide Area DGPS) với việc thu số hiệu chỉnhphân sai từ vệ tinh địa tĩnh Inmarsat trên toàn vùng biển Việt Nam Đã trang bịnhiều máy thu cho công nghệ này như SeaStar, OmniStar…, tín hiệu cải chính chủyếu được thuê từ công ty FUGRO;

Hình 3.3: Máy định vị SeaStar HP-8200 của FUGRO

Hình 3.4:Hệ thống DGPS Realtime diện rộng OmniSTAR – FUGRO Group

1.2.4. Công nghệ đo sâu

Công nghệ phổ biến là sử dụng các máy đo sâu hồi âm đơn tia Công nghệ nàyđòi hỏi phải có các phần mềm đo biển chuyên dụng (chủ yếu là của nước ngoài), cókhả năng tích hợp các kết quả đo sâu và xác định tọa độ các điểm đo sâu, xử lý kếtquả đo đạc tại thực địa và thành lập bản đồ đo sâu (bản đồ địa hình đáy biển chưađược biên tập)

Hiện nay, việc đo sâu hồi âm đơn tia này mới chỉ được hỗ trợ xác định tốc độ

âm thanh bằng máy đo tốc độ âm SVP15 Các ảnh hưởng của sóng tới kết quả đocòn chưa được cải chính bằng các thiết bị phụ trợ

Tàu đo nhỏ nên đầu phát biến âm luôn được đặt cùng trục đứng với ăng tenGPS nên hầu như không sử dụng la bàn để xác định hướng tàu

Phần mềm phục vụ đo đạc trên biển hiện nay đang sử dụng là phần mềmHydro không sử dụng được với các máy đo sâu hồi âm đa tia Thực chất phần mềmHydro được viết chủ yếu phục vụ công tác đo đạc các công trình trên biển, chưaphải là phần mềm đo đạc thành lập bản đồ biển chuyên dụng

Hình 3.6: Phần mềm Hydro

Như vậy công nghệ đo sâu cần phải đầu tư thay đổi về trang thiết bị côngnghệ, đặc biệt là đầu tư các máy đo sâu hồi âm đa tia, các thiết bị cải chính ảnhhưởng của sóng, công nghệ cải chính thuỷ triều ngoài khơi

1.2.5. Công nghệ quan trắc thủy triều

Hiện tại ảnh hưởng của thủy triều mới chỉ được cải chính qua số liệu quan trắcmực nước tại các trạm quan trắc thủy triều tạm thời ven bờ ở khu đo

Hình 3-7: Thước quan trắc mực

nước ven bờ

Việc bố trí các trạm quan trắc vẫn chưa được nghiên cứu cụ thể theo tính chất

và mô hình thủy triều mà chỉ ước lược theo khoảng cách dọc theo khu thi công Cáctrạm quan trắc được bố trí theo khoảng cách trung bình khoảng 50 km/1 trạm Vớibản đồ tỷ lệ 1:50.000 thì bố trí 2 trạm, 1 trạm đối với các bản đồ tỷ lệ lớn hơn

Độ cao điểm “0” thước nước được xác định bằng bằng phương pháp đo nối độcao thủy chuẩn hình học hoặc GPS (đối với các điểm không thể đo nối băng thủychuẩn hình học như các điểm ngoài đảo…) từ các điểm độ cao nhà nước

Việc cải chính số liệu thủy triều vào số liệu đo sâu sử dụng phương pháp nộisuy theo thời gian

Hình 3.8: Nguyên lý xác định độ cao mực nước để cải chính cho số liệu đo

sâu.

Thông thường số liệu thủy triều được nhập vào từ tệp số liệu quan trắc theođịnh dạng của phần mềm xử lý và việc cải chính được tiến hành tự động trong quátrình xử lý số liệu khi người dùng chấp nhận có cải chính số liệu thủy triều vào sốliệu đo sâu

Về nguyên lý, việc cải chính thủy triều vào độ sâu điểm đo được tính như sau:

- Đối với số liệu sử dụng 1 trạm quan trắc ven bờ:

Dko: Độ sâu sau cải chính (độ cao của điểm đo sâu).

H:Độ cao mực nước tại thời điểm đo

Des: Độ sâu đo được tính từ đầu phát tín hiệu âm

d: Draft (còn được gọi là draught) – Mớn nước tàu hay khoảng cách theophương thẳng đứng từ mặt nước tới mặt bộ phát biến

Giá trị H được xác định theo công thức nội suy như sau:

t2 (t2 ≥ t1) là thời điểm xác định H2 bằng quan trắc

t là thời điểm của điểm đo sâu cần cải chính và t1 ≤ t ≤ t2H1 là độ cao mực nước xác định được tại thời điểm t1H2 là độ cao mực nước xác định được tại thời điểm t2

- Đối với số liệu sử dụng 2 trạm quan trắc ven bờ:

Khi sử dụng số liệu 2 trạm, việc tính giá trị độ cao của mực nước tại thời điểmcần tính tại vị trí của trạm cho từng trạm vẫn tương tự (nội suy theo thời gian) Tuynhiên, lúc này ta phải sử dụng cả tọa độ của 2 trạm quan trắc và của điểm đo để tính(tọa độ của 3 điểm đều cùng cơ sở toán học)

Tại thời điểm đo điểm đo sâu, chúng ta sẽ có một mặt phẳng thỏa mãn 2 điềukiện:

- Chứa 2 vị trí độ cao mực nước của 2 trạm

- Đường giao của mặt phẳng này với mặt “0” vuông góc với đường qua 2 trạm

Như vậy, có bao nhiêu điểm đo thì có bấy nhiêu mặt phẳng nội suy

Hình 3.9: Nội suy độ cao điểm đo khi sử dụng 2 trạm nghiệm triều

Từ hình 1-9:

1. H1: độ cao thước nước trạm 1

2. ht1: độ cao mực nước tính được ở vị trí trạm 1 tại thời điểm tính:

3. H2: độ cao thước nước trạm 2

4. ht2: độ cao mực nước tính được ở vị trí trạm 2 tại thời điểm tính:

Như vậy tất cả các điểm nằm trên cùng một đường thẳng vuông góc với đườngnối TD1-TD2 trên mặt nội suy thì có cùng giá trị độ cao

Độ cao của điểm đo được tính như sau:

- Tính độ cao mực nước tại thời điểm đo điểm đo sâu của 2 trạm quan trắc vàdựng được mặt phẳng nội suy

- Chiếu điểm đo xuống đường nối qua 2 trạm quan trắc trên mặt phẳng nội suy(điểm A trên hình)

Tính độ cao của điểm chiếu

Tầu Nghiên cứu biển do Trung tâm Hải văn – Tổng cục Biển và Hải đảo ViệtNam quản lý có trọng tải khoảng 1.000 tấn Tàu Nghiên cứu biển phục vụ chủ yếucho việc triển khai các hoạt động nghiên cứu, điều tra về biển Có thể sử dụng tàunày để đo đạc thành lập bản đồ biển ở vùng biển xa bờ và ngoài đại dương.

Hình 3.10: Tầu Đo đạc biển 01

1.2.7. Xử lý số liệu và biên tập bản đồ

Hiện nay công tác xử lý số liệu và biên tập bản đồ vẫn sử dụng các phần mềm

cũ đã có từ thập kỷ 90

Với các phần mềm hiện đang sử dụng (MGE, MicroStation….của hãngIntergraph) và hệ thống phần cứng hiện có đã lạc hậu và thực chất không phải cácphần mềm chuyên dùng cho công tác quản trị dữ liệu, biên tập thành lập bản đồbiển Ngoài ra, các phần mềm này đều không được phát triển, do đó nó không còn

là phần mềm thực sự đáp ứng được với sự phát triển của các công nghệ tiên tiếnhiện nay

Do vậy cần đầu tư các phần mềm hiện đại hơn vừa phục vụ cho công tác đođạc ngoại nghiệp (với việc sử dụng máy đo sâu hồi âm đa tia) vừa đảm bảo công tácnội nghiệp cho các mục tiêu:

- Xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin đo đạc bản đồ biển

- Biên tập được các loại bản đồ biển theo các chuẩn quốc tế

- Biên tập và sản xuất được các loại bản đồ điện tử biển

1.2.8. Những sản phẩm bản đồ biển đã sản xuất đến nay.

Phần lớn sản phẩm bản đồ biển của ta được biên tập, tái bản từ nhiều tài liệukhác nhau, độ chính xác không đủ tin cậy bởi số liệu đã quá cũ Số bản đồ biển đomới còn rất ít Đến cuối năm 2007 Quân chủng Hải quân đã hoàn thành đo đạc bản

đồ biển tỷ lệ 1:100.000 khu vực ven bờ biển Việt Nam, một số mảnh bản đồ tỷ lệ1:25.000 và 1:50.000 thuộc các cửa sông, cảng quân sự, vịnh và đảo, tỷ lệ 1:50.000

và 1:200.000 khu vực Quần đảo Trường Sa, khu vực DK-1

Đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:50.000 phủ trùm theo quy hoạch: Năm

2001, Tổng cục Địa chính (cũ) đã phê duyệt dự án tổng thể “Thành lập bản đồ địahình đáy biển phủ trùm toàn vùng biển Việt Nam” kèm theo quyết định số 111/QĐ-TCĐC ngày 20 tháng 4 năm 2001 Từ 2007 đến hết năm 2010 triển khai thực hiện

Dự án “Thành lập hệ thống bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1/50.000 vùng lãnh hải và

tỷ lệ 1/10.000 các khu vực cửa sông, cảng biển quan trọng phục vụ nhiệm vụ quản

lý biển của các Bộ, ngành, địa phương liên quan” thuộc Đề án 47 Tính đến hết năm

2010, Trung tâm Trắc địa Bản đồ biển đã đo vẽ được tổng cộng 195 mảnh tỷ lệ1/50.000 và 56 mảnh tỷ lệ 1/10.000 với diện tích khoảng 146.000km2 Phạm vi đo

vẽ của các bản đồ này tính từ bờ ra đến hết vùng lãnh hải kéo dài từ Móng Cái(Quảng Ninh) đến hết tỉnh Bình Thuận.

Công tác đo đạc bản đồ biển chuyên dụng phục vụ cho những nhiệm vụ đặcthù được các Bộ, ngành khác ngoài Quân chủng Hải quân và Bộ Tài nguyên và Môitrường thực hiện như: Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nôngthôn, Bộ Xây dựng, Tổng Công ty dầu khí Việt Nam, Tổng Công ty Bảo đảm Hànghải….và các Viện nghiên cứu, các Trung tâm khoa học, các địa phương có biển nhưHải Phòng, Quảng Ninh, Đà Nẵng, Thành phố Hồ Chí Minh, Bà Rịa – Vũng Tàu…Công tác đo đạc, bản đồ biển do các bộ, ngành, địa phương thực hiện chỉ đơn thuầnphục vụ mục đích chuyên môn, chuyên ngành ở không gian tương đối hẹp, không

- Quy hoạch và thiết kế các công trình giao thông trên biển;

- Quy hoạch, nuôi trồng và khai thác thủy sản trên biển;

- Quy hoạch, xây dựng và khai thác các loại hình dịch vụ di lịch trên biển;

- Xây dựng các công trình biển, thăm dò và khai thác khoáng sản biển;

- Cùng với bản đồ địa hình trên đất liền tỷ lệ 1/50.000 tạo thành bộ bản đồ địahình tỷ lệ 1/50.000 phủ trùm lãnh thổ để làm bản đồ nền cho các hệ thống thông tinđịa lý (GIS) và hệ thống thông tin biển (SIS);

- Phục vụ công tác phát triển kinh tế một cách bền vững, củng cố an ninh, quốcphòng và giữ vững chủ quyền vùng biển của đất nước

Tuy nhiên, như đã nói ở trên, do trình độ công nghệ, kỹ thuật đo đạc còn hạnchế nên nội dung của bản đồ địa hình đáy biển ở đây còn chưa được đầy đủ cácthông tin về địa hình, địa mạo, địa vật và các thông tin quan trọng khác về biển.Ngoài ra, bản đồ của chúng ta còn chưa phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế Cácloại bản đồ biển chuyên dụng phục vụ cho những nhiệm vụ đặc thù được các Bộ,ngành khác ngoài Quân chủng Hải quân và Bộ Tài nguyên và Môi trường thực hiện

chỉ đơn thuần phục vụ mục đích chuyên môn, chuyên ngành ở không gian tương đốihẹp, không có đặc điểm phủ trùm và phục vụ đa ngành.

Hình 3.11: Sơ đồ các bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1/50.000 do Trung tâm Trắc địa Bản đồ biển (Bộ Tài nguyên và Môi trường) thi công đến hết năm 2010.

Hình 3.12: Khu vực dự kiến đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ

1:200.000 thuộc Đề án 47.

5.CHƯƠNG 2: ĐO ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN BẰNG MÁY ĐO SÂU HỒI

ÂM ĐA TIA2.1. Đo sâu bằng máy đo sâu hồi âm đa tia

2.1.1. Nguyên lý

Công nghệ đo sâu đơn tia sử dụng khoảng thời gian lưu truyền của sóng âm đểtính ra độ sâu của đáy biển Đầu phát biến của máy đo sâu đơn tia phát ra sóng âmthanh có tần số, sau đó sóng này được truyền đi trong môi trường nước biển, sau khigặp đáy biển sẽ phản hồi lại đầu phát biến Đầu phát biến máy đo sâu hồi âm đơn tia

sẽ nhận tín hiệu và máy có chức năng tính toán độ sâu thông qua khoảng thời gian

và theo tốc độ âm thanh trong nước Các sóng phát ra của hệ thống đơn tia thườngchỉ là sóng thẳng đứng từ đầu phát biến

Máy đo sâu hồi âm đa tia được hình thành và phát triển dựa trên nguyên lýnày Thay vì chỉ phát ra một sóng âm như máy đơn tia, máy đo sâu hồi âm đa tia cóthể phát cả chùm tia bao gồm rất nhiều tia đơn với số liệu tia tùy theo cấu hình củamáy Các tia này sẽ được phát ra theo các hình khác nhau như: hình dải quạt, hìnhkhối vòng … Tùy theo cấu tạo phức tạp của đầu phát biến mà chùm tia phát có sốlượng nhiều hay ít Tuy nhiên không đơn giản như đơn tia, do số lượng tia được sảnsinh nhiều hơn và các góc tia phát cũng phức tạp hơn, nên các kỹ thuật lái tía, hiệuchỉnh tần số … đã được đưa vào máy hồi sâu đa tia nhằm đảm bảo tính chính xáctrong công tác đo dạc Điểm đáng chú ý của công tác đo sâu đa tia là các dải phátsóng sẽ cung cấp độ sâu của toàn bộ khu vực được phủ sóng phát, hay cung cấp mộtcác tối đa độ sâu của toàn bộ khu đo

Hình 4.13: Đo sâu đơn tia (trái) và đo sâu đa tia

Các sóng phát ra được thu lại bởi bộ phận thu sóng lắp trong đầu phát biếnmáy đo sâu đa tia, bộ phận này được lắp tích hợp với đầu phát biến hoặc độc lập tùytheo độ phức tạp của thiết kế Với các máy có khả năng đo rất sâu (lớn hơn 1.000m)thì thiết bị này được lắp tách biệt và có khả năng thu tín hiệu rất nhạy.

Để đảm bảo tính chính xác các tia phát, kỹ thuật lái tia và hiệu chỉnh tia đượcđưa vào máy đo sâu hồi âm đa tia Do hạn chế của môi trường nước biển, do độđậm đặc, sự khác biệt trong dòng chảy và tính chất các lớp nước tại cột nước tính từ

bề mặt đến đáy nên môi trường nước được chia làm 3 lớp: lớp bề mặt, lớp giữa(trung bình) và lớp sát với đáy biển Chính vì sự khác nhau của các lớp nước nênsóng âm của máy hồi âm đa tia sẽ bị biến đổi trong quá trình di chuyển Để nângcao tính chính xác trong đo đạc, hệ thống đo sâu đa tia thường được lắp máy thu tốc

độ âm SVP (Sound Velocity Profiles) gần đầu phát biến để xác định chính xác tốc

độ âm lớp bề mặt và hiệu chỉnh trực tiếp vào hệ thống ngay trong quá trình đo Cáclớp nước còn lại được tiếp tục tính toán và hiệu chỉnh qua các số liệu đo kiểmnghiệm sau khi triển khai đo tốc độ âm tại khu vực để đưa số liệu chính xác cho hệthống đa tia hoạt động

Nói chung công tác đo sâu đa tia được khẳng định vẫn dựa trên nguyên lý đosâu hồi âm đơn tia nhưng có tính phức tạp cao hơn rất nhiều trong công nghệ

2.1.2. Xác định độ sâu

Độ sâu đo là giá trị quan trọng và phức tạp của hệ thống MBES, nó bao gồmnhiều thành phần Độ sâu được tính ra từ khoảnh cách nghiêng với góc của chùmtia Muốn vậy, chúng ta phải biết khoảng thời gian hành trình của xung âm thanhvới vận tốc của nó và góc chùm tia trong điều kiện tàu di chuyển và trạng thái củatàu luôn thay đổi (lắc ngang, lắc dọc, nâng hạ bởi sóng, lệch hướng.v.v.), điều nàycũng đồng nghĩa với việc phải đo các yếu tố kể trên Độ sâu đo được xác định bởicông thức (2-1):

)cos(

sen

0 0

(4-0)Trong đó: ci - vận tốc âm thanh;

i

θ

- góc tới liên quan tới phương thẳng đứng tại điểm có độ sâu zi;κ

- tham số của tia sóng hoặc hằng số Snell

Vận tốc sóng âm được xác định riêng rẽ theo từng lớp, điều đó có thể thừanhận rằng gradient vận tốc sóng âm theo lớp và giữa hai lần đo thì gradient vận tốcsóng âm là hằng số Do đó, vận tốc sóng âm được miêu tả như sau:

()

i i i

z z

c c g

(4-0)

Hình 4.15: Chiều đi của tia sóng âm

Sai số xác định độ sâu (dzc) tùy thuộc sự thay đổi của gradient (dg) và sựdao động của vận tốc sóng âm (dc0) ta tính như sau:

0 0

2

0

2

))(tan1(

z dg c

z

(4-0)Trong đó β

và c0 là góc đi ra tại mỗi điểm của nguồn phát và vận tốc sóng

âm thanh tại bề mặt bộ phát sóng Trong công thức (2-13) ở vế đầu ta coi như cả độsâu và góc tia đều sai số tùy thuộc vào gradient của nước biển, ngược lại ở vế sau làsai số xác định vận tốc sóng âm Kết quả ta có sai số xác định độ sâu phụ thuộc vàosai số xác định vận tốc sóng âm như (2-14):

2 2

2 2 2

0

2 2

profile zc

c

z c

Sai số xác định vận tốc sóng âm trong thực tế khó mà xác định đúng và vấn

đề là sự thay đổi của vận tốc sóng âm theo không gian và thời gian Giải pháp tốtnhất đưa ra là giới hạn góc mở của chùm tia phát

Có một loại thành phần sai số khác tùy thuộc vào sai số vận tốc sóng âmhoặc sự thay đổi của mặt phẳng của bộ phát sóng, yếu tố này sinh ra sai số với vị tríphát sóng của chùm tia, do đó nó cũng sinh ra sai số đo độ sâu và vị trí

Với việc ổn định và phát các chùm tia cần thiết phải đưa vào độ trễ thờigian trong yếu tố chuyển đổi tín hiệu Để tính độ trễ cần phải biết vận tốc sóng âmtại bộ phát sóng, nó thường được thu bởi cảm biến vận tốc được lắp sát với bộ phátsóng Bất kỳ sai số vận tốc sóng âm tại nguồn phát sẽ được dẫn tới như một nguồnsai số của góc chùm tia (hình 2-4)

Hình 4.16: Sai số chùm tia phụ thuộc vào sự thay đổi vận tốc sóng âm

Thời gian trễ để điều chỉnh góc chùm tia một góc β

, tính được bởi:

( )βsin0

dc c

(4-0)Sai số lan truyền từ sai số chùm tia tới sai số xác định độ sâu được tính:

0 2 0

)(tan

2 4 2

0

2

0 ) (

- sai số trung phương của vận tốc sóng âm, thường giá trị nàyđược lấy từ bộ cảm biến âm thanh

Như vậy tổng hợp sai số xác định độ sâu phụ thuộc vào vận tốc sóng âmđược tính bởi công thức:

2 2

_

2

β

σσ

σzc = zc profile+ z

(4-0)Sai số đề cập ở trên có thể được loại bỏ bởi việc xem xét kỹ số liệu đo và cốgắng loại bỏ những đường cong bất thường của tia sóng âm

2. Xác định các góc lệch bằng cảm biến động

Độ sâu đo phụ thuộc vào sai số xác định pitch và roll, tổng hợp ta có côngthức sau:

R R

R dz

dz

θ = sin( ).cos( − )

(4-0)Sai số trung phương độ sâu được tính như sau:

Và

2 2

2P ( sin( P)) P

σ =

(4-0)Tổng hợp sai số trung phương tùy thuộc vào trạng thái của tàu và giao độngthẳng đứng của tàu là :

2 2

2 2

h z

z zmotion σ R σ P σ

(4-0)Trong đó :

2

h

σ

- sai số trung phương dao động của tàu theo phương thẳng đứng

3. Mật độ điểm đo sâu

Mật độ của điểm đo sâu đo được tùy thuộc vào cấu hình máy đo sâu, vào cấuhình thiết lập của người vận hành, tùy thuộc vào độ sâu đo và tốc độ chạy tàu

2.1.3. Định vị điểm đo

Việc định vị điểm đo sâu không khác nhiều đối với công nghệ đo sâu đơn tia

là vẫn dựa trên nền tảng công nghệ định vị GPS Tuy nhiên do yêu cầu độ chính xáccao hơn trong việc xác định vị trí của điểm đo nên hầu hết các hệ thống đo sâu đatia đều phải sử dụng các thiết bị định vị có độ chính xác cao và có tính ổn định cao.Ngoài những thiết bị định vị thông thường, hiện đã có những thiết bị chuyên dụngcho công tác đo sâu mà phần định vị là 1 phần trong một hệ thống tích hợp các thiết

bị với nhau bao gồm như: định vị, nhận và truyền các tín hiệu cải chính theo dõi(monitor) chuyển động của tàu (Roll, Pitch, Heave, Yaw), và thay thế luôn cho cảcác Gyro thông thường khác

Hình dưới đây là hệ thống “Seatex Seapath” tích hợp nằm trong hệ thống đồng

bộ đo sâu đa tia của hãng Kongsberg – Nauy:

Hình 4.17: Hệ thống Seatex Seapat

“Seatex Seapath” là bộ phận xử lý số liệu chính trong hệ thống đo sâu đa tia

Hệ thống tích hợp gồm: định vị, hướng (sử dụng 2 ăng ten), nhận và xử lý các sốliệu chuyển động của tầu, phần mềm thu thập số liệu (SIS – Seafloor InformationSystem)…

Ngoài ra, để nâng cao độ chính xác của điểm đo, vị trí các điểm đo còn đượctính toán lại thông qua phần mềm TerraPos với việc sử dụng các số liệu cải chính

2.1.4. Cải chính thủy triều

Các số liệu thủy triều được thu thập từ:

- Các trạm quan trắc ven bờ (quan trắc thủ công, quan trắc tự động)

- Các trạm tự động ngoài khơi (quan trắc tự động và được trút số liệu theo chukỳ)

- Sử dụng Mô hình thủy triều (đã được nghiên cứu vàđưa vào dựán nhưng chưa

có số liệu phục vụ các dựán đo bản đồđịa hình đáy biển thực tế)

Cũng tương tự như đo sâu đơn tia, các số liệu này có thể được cải chính trựctiếp hoặc sau khi công tác đo đạc hoàn tất

Nhưđã đề cập ở trên, để cải chính vào số liệu đo sâu, hiện nay trên thế giới đãđưa ra giải pháp dùng độ cao đo GPS (độ cao ellipsoid) và mô hình geoid để cảichính cho số liệu đo sâu

Nguyên lý sử dụng độ cao ellipsoid được thể hiện tại hình 2-6

Hình 4.18: Sử dụng độ cao ellipsoid và mô hình geoid để tính độ cao điểm

đo sâu.

Các thành phần trong hình 2-6:

Des: độ sâu tức thời của điểm đo

A:khoảng chênh giữa ăng ten với bề mặt nước tại thời điểm đo

d: độ ngập đầu phát biến

E: độ chênh giữa ellipsoid và mặt qui chiếu “0”

D:độ cao ellipsoid của điểm đo

Dko: độ cao của điểm đo với mặt qui chiếu “0”

Như vậy ta có thể tính được Dko theo công thức:

Khi sử dụng phương pháp này, chúng ta không còn phải sử dụng đến số liệuquan trắc thủy triều, hay nói cách khác là khi thi công, chúng ta không phải xâydựng các trạm nghiệm triều Đây chính là ưu điểm chính của phương pháp này

Với phát triển của công nghệ hiện nay, việc xác định thành phần H đã ngàycàng được cải thiện và độ chính xác đã đạt tới cm Như vậy độ chính xác củaphương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác xác định mặt qui chiếu haychính là độ chính xác của mô hình geoid Hiện nay ở Việt Nam, mô hình geoid vẫnchưa đạt được độ chính xác như mong muốn, nhất là khu vực biển Chính vì lý do

đó nên hiện phương pháp này vẫn chưa được ứng dụng rộng tại Việt Nam

sử dụng giảm thiểu được cao nhất các ảnh hưởng làm giảm độ chính xác trong quátrình hoạt động của hệ thống.Ngoài các sai số giới hạn của thiết bị, các nguồn sai sốchính sẽ được xác định và hiệu chỉnh vào hệ thống thông qua quá trình kiểm tra,kiểm nghiệm.Các nguồn sai số dưới đây được trình bày theo theo từng sai số thành

phương thức chính thống… chình vì lí do đó các ký hiệu này không phải lúc nàocũng đúng

2.2.1. Sai số do tốc độ truyền âm

Sai số do tốc độ truyền âm trong nước biển sẽ gây ra sai số cho cả độ sâu vàtọa độ đo được

Việc dò tia dựa theo định luật Snell, theo đó quan hệ giữa hướng của tia vớitốc độ lan truyền sóng âm được phát biểu như sau:

κθ

sen

0 0

(4-0)Trong đó: θi là góc nghiêng của tia so với phương thẳng đứng đối với độ sâu

zi, ci là tốc độ âm thanh, κ là hằng số Snell

Trên thực tế, sai số của tốc độ truyền âm trong nước biển rất khó xác định bởi

nó thay đổi theo thời gian và không gian Để giảm thiểu sai số chỉ còn cách giản gócquét của các máy đo sâu đa tia

Ngoài ra sai số của tốc độ truyền âm tại bề mặt của bộ phận phát còn gây nênsai số đối với góc phát của tia âm và do vậy nó cũng gây ra sai số đối với độ sâu và

Hình 4.19: Sai số lái tia do tốc độ truyền âm gây ra

Thời gian trễ của tia phát với góc β được tính bằng công thức

) sin(

) tan(

dc c

d β = β

(4-0)

Từ đó sai số của độ sâu do sai số của góc phát được tính như sau

0 2

0

) ( tan

2 4

âm này được đo bằng thiết bị đo vận tốc âm thanh

Như vậy sai số của độ sâu gây ra bởi tốc độ truyền âm được tính bằng côngthức

2 2

_

2

β

δ δ

δzc = zc profile+ z

(4-0)

2.2.2. Sai số do các chuyển động của tàu đo

Do hoạt động trên biển nên tàu đo ở trạng thái không ổn định dưới tác độngcủa các điều kiện khí tượng hải văn như sóng biển, gió, dòng chảy Tàu đo luôn

trục y vuông góc với trục x và 2 mạn tàu, trục z qua điểm giao x-y va vuông góc vớimặt phẳng tạo bới trục x và y thì có thể mô tả sự giao động của tàu đo bằng cácthành phần như sau:

- Lắc ngang (Roll): là thành phần gây ra do tàu giao động quanh trục x

- Lắc dọc (Pitch): là thành phần gây ra do tàu giao động quanh trục y

- Xoay (Yaw): là thành phân gây ra do tàu giao động quanh trục z

Hình 4.20: Các thành phần giao động của tàu đo

Độ sâu đo được phụ thuộc vào các sai số xác định độ lắc của tàu Có thể biểudiễn sai số của độ sâu do các sai số xác định độ lắc gây ra như sau

dzθ R = RCos(θP).Sin(β -θR).dθR (4-0)

và dzθ P = RSin(θP).Cos(β -θR).dθP

(4-0)Sai số của độ sâu tương ứng sẽ là: