Toàn văn Nghiên cứu kết hợp công nghệ GPS và thủy âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn phục vụ thiết kế các công trình ven biển

Ở nước ta, đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn phần trên cạn đã cơ bản đáp ứng được yêu cầu của công tác thiết kế đã thành lập bản đồ đến tỷ lệ 1/500, tuy nhiên với bản đồ địa hình đáy biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

PHẠM VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP CÔNG NGHỆ GPS VÀ THỦY ÂM TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN TỶ LỆ LỚN PHỤC VỤ THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

PHẠM VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP CÔNG NGHỆ GPS VÀ THỦY ÂM TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN TỶ LỆ LỚN PHỤC VỤ THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ

MÃ SỐ : 62.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS TRẦN VIẾT TUẤN

2 PGS.TS NGUYỄN QUANG THẮNG

HÀ NỘI – 2017

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 10 tháng 02 năm 2017 Tác giả luận án

Phạm Văn Quang

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

MỞ ĐẦU 1

Chương 1-TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ KHẢO SÁT THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

8 1.1 Các dạng công trình xây dựng ven biển 8

1.2 Khái quát về công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế công trình ven biển

11 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng công nghệ GPS và máy đo sâu hồi âm trong khảo sát thiết kế các công trình ven biển 14

Chương 2- YÊU CẦU KỸ THUẬT THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN VEN BỜ TỶ LỆ LỚN 18

2.1 Nội dung công tác thành lập BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn 18

2.2 Một số quy định về yêu cầu độ chính xác thành lập BĐĐHĐB 22

2.3 Xây dựng luận cứ khoa học xác định yêu cầu độ chính xác của BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn ở Việt Nam 30

Chương 3 - NGHIÊN CỨU KẾT HỢP CÔNG NGHỆ GPS VÀ THỦY ÂM TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN TỶ LỆ LỚN 41

3.1 Hệ thống định vị GPS trên biển 41

3.2 Ứng dụng máy đo sâu hồi âm trong đo vẽ thành lập BĐĐHĐB 53

3.3 Phần mềm thường dùng trong đo sâu ở Việt Nam 72

3.4 Nghiên cứu giải pháp kết nối hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm 76

3.5 Nghiên cứu phương pháp kiểm định hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm 86

Chương 4 - NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO CAO GPS TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN VEN BỜ TỶ LỆ LỚN 94

4.1 Khái niệm về thủy triều ven bờ 94

4.2 Công tác quan trắc thủy triều phục vụ thành lập BĐĐHĐB ven bờ 97

4.3 Công tác thành lập BĐĐHĐB ven bờ khi sử dụng kết quả đo thủy triều 101

4.4 Ứng dụng công nghệ đo cao GPS - RTK trong đo sâu để thay thế số hiệu chỉnh thủy triều 105

4.5 Giải pháp thu tín hiệu GPS - RTK trên tầu đo 108

4.6 Quy trình thành lập BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn 110

Chương 5 PHẦN THỰC NGHIỆM 119

5.1 Thực nghiệm khảo sát độ chính xác định vị mặt bằng của thiết bị thu GPS 119

5.2.Thực nghiệm kết nối hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm 121

5.3 Thực nghiệm ứng dụng công nghệ đo cao GPS-RTK trong đo sâu để thay thế số hiệu chỉnh thủy triều 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137

PHẦN PHỤ LỤC 141

PHỤ LỤC 1: Kết quả tính độ cao đáy biển theo kết quả quan trắc thủy triều 142

PHỤ LỤC 2: Bảng so sánh kết quả tính độ cao đáy biển theo hai phương pháp: quan trắc thủy triều và đo bằng phương pháp RTK 145

PHỤ LỤC 3: Bảng số liệu mực nước đỉnh và chân triều tại Trạm Hải văn Vũng Tàu 150

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1 BĐĐHĐB Bản đồ địa hình đáy biển

2 IHO International Hydrographic Organization

4 USACE US Army Corps Engineers

5 LINZ Land Information New Zealand

6 GPS Global Positioning System

7 DGPS Differential Global positioning system

8 WGS-84 World Geodetic System-1984

10 LiDAR Light Detecting and Ranging

11 RTK Real Time Kinematic

12 PPK Post processing Kinematic

13 SSTP Sai số trung phương

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1 Một số chỉ tiêu độ chính xác định vị trên biển 11

2.1 Quy phạm S-44 của tổ chức thủy đạc quốc tế IHO 23

2.5 Quy phạm đo sâu của Hải quân nhân dân Việt Nam 29

2.6 Độ chính xác về vị trí mặt bằng của điểm đo sâu hiện có 30

2.7 Độ chính xác định vị trên biển của một số công nghệ đo GPS 31

2.8 Khoảng cách S với các loại BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn 33

2.10 Thông số kỹ thuật một số hệ thống MBES 34

2.11 Kết quả xác định vận tốc chạy tầu với các độ sâu khác nhau 36

2.12 Độ chính xác về vị trí mặt bằng của điểm đo sâu 37

2.13 Độ chính xác yêu cầu của các điểm đo sâu 37

3.1 Tần số sóng âm sử dụng tương ứng với độ sâu 71

3.4 Quy trình đo chỉnh và tính toán (Patch test) 90

4.1 Khoảng cách giữa các tuyến chạy tầu đo bằng máy đơn tia 115

5.1 Kết quả đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav tại Vũng Áng 120

5.2 Kết quả đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav tại cảng Sihanouk Ville 120

5.3 Kết quả đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav tại cảng Dung Quất 121

5.4 Số liệu gốc để tính toán đo đạc thực nghiệm 130

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn 2 – Vũng Tàu 8

1.2 Tổ hợp các Turbine điện gió biển Bạc Liêu – Việt Nam 9

1.3 Cảng biển và đê chắn sóng cảng nước sâu Sơn Dương –

Hà Tĩnh

9

2.2 Phân loại máy đo sâu đơn tia và đa tia 22

2.3 Mối tương quan giữa tần xuất phát xung, độ sâu và góc kẹp 35

3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp đo GPS - RTK 42

3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống OmniSTAR 48

3.5 Sơ đồ tầm hoạt động của hệ thống OmniSTAR-HP 49

3.6 Hình ảnh máy thu OmniSTAR-HP của FUGRU 50

3.7 Sơ đồ bố trí không gian của hệ thống Starfire 52

3.8 Nguyên lý đo đạc của máy đo sâu hồi âm 53

3.9 Hình ảnh hiển thị trên màn hình của máy đo sâu 54

3.11 Một số dạng lắp đặt bộ phát và thu tín hiệu 59

3.12 Hình ảnh một số bộ thu phát tín hiệu đang sử dụng 60

3.14 Trạng thái của tàu khi đo 62 3.15 Tín hiệu âm thanh sử dụng trong các máy đo sâu hồi âm 64

3.16 Xác định khoảng cách thời gian lan truyền trong đo sâu đơn tia 64

3.17 Thuật toán xác định biên độ trong công nghệ đo sâu đa tia 65

3.18 Thuật toán xác định pha trong công nghệ đo sâu 66

3.26 Sơ đồ kết nối hệ thống đo sâu đơn tia hoặc đa tia 78

3.30 Sơ đồ kết nối hình ảnh 82 3.31 Lắp đặt hoàn thiện 83

3.33 Sơ đồ phương pháp xác định độ lệch phương vị 84

3.34 Hệ tọa độ của tầu đo 84 3.35 Nhập vào phần mềm 7 tham số tính chuyển 85

3.36 Nhập vào phần mềm giá trị mớn nước của tầu đo 85

3.37 Mô đun tính các độ lệch Pitch, Roll, Heading của phần

mềm QINSy

86

3.38 Sơ đồ kiểm tra độ trễ định vị 87

3.39 Sơ đồ kiểm tra độ trễ định vị với địa vật 87

3.40 Sơ đồ kiểm tra độ lắc dọc 88

3.41 Sơ đồ kiểm tra độ lệch phương vị 89

3.42 Sơ đồ kiểm tra độ lắc dọc 90

4.2 Mối quan hệ giữa kết quả đo sâu và số liệu quan trắc thủy triều 102

4.3 Quan trắc thủy triều bằng thước đo mực nước biển 103

4.4 Quan trắc thủy triều bằng thiết bị đo triều kí 103

4.5 Đo vẽ BĐ ĐHĐB ven bờ bằng công nghệ GPS-RTK và

máy đo sâu hồi âm

105

4.6 Mô hình Geoid EGM 2008 khu vực ven biển Vũng Tàu 107

4.10 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình đáy biển 111

4.11 Bố trí tuyến đo sâu tại cảng Phú Quốc 112

4.12 Bố trí tuyến đo sâu tại Cam Ranh – Khánh Hòa 113

4.15 Quan hệ giữa độ sâu và độ rộng dải quét 115

5.1 Đo đạc bằng hệ thống C-Nav tại Vũng Áng 119

5.3 Lắp đặt vị trí ăng ten không trùng cần phát triển 122

5.4 Lắp đặt vị trí ăng ten trùng cần phát triển 123

5.5 Lắp đặt hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm 123

5.6 Đo thực nghiệm máy đo sâu hồi âm đơn tia 124

5.7 Hình ảnh tầu đo sâu tại cảng Hải Phòng 124

5.8 Lắp đặt cần phát biến máy đo sâu trên tầu đo 125

5.9 Lắp đặt ăng ten định vị trên tầu đo 125

5.10 Kiểm định hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm 125

5.11 Ghép nối máy thu GC-GPS với máy đa tia Sonic 126

5.12 Kết nối hệ thống GPS và máy đo sâu đa tia 126

5.13 Kết quả kiểm định độ lắc dọc của tầu đo sâu (Roll) 127

5.14 Kết quả kiểm định độ lắc ngang của tầu đo sâu (Pitch) 127

5.15 Kết quả kiểm định độ nâng hạ của tầu đo sâu (Heading) 128

5.16 Kiểm tra barcheck trước khi đo 128 5.17 Vị trí khu đo thực nghiệm 129

5.21 Trạm Base số 2 tại điểm tuyến cáp tiếp bờ 132

5.22 Vị trí đặt ăng ten máy thu trên tầu 132

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Việt Nam có diện tích hơn 330000 km² bao gồm khoảng 327480 km² đất liền và hơn 4200 km² biển nội thuỷ, với hơn 4000 hòn đảo, bãi đá ngầm lớn nhỏ gần và xa bờ Cả vùng nội thuỷ, lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa có diện tích gấp gần ba lần diện tích đất liền, khoảng trên một triệu km²; 28 trong tổng số 64 tỉnh thành phố nước ta nằm ven biển, diện tích các huyện ven biển chiếm 17% tổng diện tích và là nơi sinh sống của hơn 1/5 dân số cả nước Việt Nam là quốc gia có hai mặt giáp biển, đặc biệt trong đó Biển Đông là một trong 6 biển lớn nhất của thế giới, nối hai đại dương là Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương; với 9 quốc gia bao bọc: Việt Nam, Trung Quốc, Philippines, Indonesia, Brunei, Malaysia, Singapore, Thái Lan và Campuchia Đây cũng là con đường chiến lược của giao thương quốc tế, có 5/10 tuyến đường hàng hải lớn nhất của hành tinh đi qua

Trong đề cương chiến lược phát triển kinh tế biển Việt Nam đến năm

2020 nêu rõ: Phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế - xã hội với đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả nước Phấn đấu đến năm 2020, kinh tế biển đóng góp khoảng 53 - 55% GDP,

55 - 60% kim ngạch xuất khẩu của cả nước, giải quyết tốt các vấn đề xã hội, cải thiện một bước đáng kể đời sống của nhân dân vùng biển và ven biển

Để thực hiện chiến lược này việc đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng để phục

vụ cho việc khai thác các nguồn lợi từ biển là rất cần thiết và khẩn trương trong

đó phải kể đến như tổ hợp các công trình cảng biển, luồng tàu, đê chắn sóng,

cầu cảng, bến cảng, kho chứa; xây dựng các nhà máy sửa chữa và đóng mới tàu biển có công suất lớn; khai thác thế mạnh các khu kinh tế ven biển, cảng nội thủy; mở mới các tuyến giao thông đường thủy để giảm áp lực trung chuyển hàng hóa cho giao thông đường bộ, nâng cấp cơ sở hạ tầng cho vịnh Cam Ranh phục vụ cho mục đích quốc phòng… Bên cạnh đó cần xúc tiến các dự án trọng điểm nhằm khai thác tài nguyên vốn có trên biển như dầu, khí đốt, lắp đặt các turbine để khai thác năng lượng gió biển, các tuyến cáp ngầm trên biển … Như vậy vai trò và nhiệm vụ của công tác trắc địa trong khảo sát phục vụ thiết kế các công trình ven biển là rất quan trọng, cần có một bước phát triển mới về công nghệ để đáp ứng được nhu cầu phát triển thực tế hiện nay về tiến độ, số lượng, chất lượng, độ chính xác và hiệu quả kinh tế

Ở nước ta, đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn phần trên cạn đã cơ bản đáp ứng được yêu cầu của công tác thiết kế (đã thành lập bản đồ đến tỷ lệ 1/500), tuy nhiên với bản đồ địa hình đáy biển nói chung mới tiến hành đo đạc ở tỷ lệ bản đồ lớn nhất là 1/10 000 nên chưa đáp ứng được các yêu cầu cần thiết của công tác khảo sát thiết kế xây dựng các công trình biển ven bờ Với các bản

vẽ thiết kế chi tiết các hạng mục công trình để phục vụ cho bước lập dự án, thiết kế kỹ thuật - thi công theo tiêu chuẩn ngành cần có bản đồ địa hình tỷ lệ lớn từ 1/5000÷1/500 [30]

Hiện nay có rất nhiều dự án liên quan đến biển đang được triển khai và

đã được đưa vào sử dụng như: Khu kinh tế biển Nghi Sơn, cảng Vũng Áng, cảng Chân Mây, cảng Lạch Huyện, nhà máy đóng tàu Hạ Long, nhà máy đóng tàu Phà Rừng - Nam Triệu, cảng Sài Gòn, cảng Cát Lái, cảng Đồng Nai, cảng Hải Phòng và gần đây nhất là dự án đường ống dẫn khí Lô B - Ô Môn thành phố Cần Thơ… Nhưng hầu hết công tác đo vẽ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn ven bờ dùng để phục vụ công tác khảo sát, thiết kế các công trình trọng điểm này chúng ta đều thuê các công ty nước ngoài bởi họ có phương tiện, máy móc và chuyên gia kỹ thuật

Vì vậy mà việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ và thiết bị hiện đại dùng cho đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn phù hợp với điều kiện và tiêu chuẩn kỹ thuật của Việt Nam là rất cần thiết Đó cũng chính là mục tiêu nghiên cứu của đề tài mà chúng tôi thực hiện

Ở Việt Nam cũng có rất nhiều nghiên cứu về công tác đo đạc trên biển nhưng mới chỉ dừng lại ở từng thiết bị cụ thể: Công nghệ định vị GPS hoặc các thiết bị thủy âm, máy đo sâu hồi âm… Chưa có một đề tài nghiên cứu về ứng dụng kết hợp các công nghệ tiên tiến, thành lập quy trình để đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn

Các công ty đo đạc biển ở Việt Nam do không có tàu đo sâu chuyên dụng nên khi đo thường phải thuê thuyền đo, công việc bắt đầu là ghép nối các thiết bị, tích hợp công nghệ, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh thiết bị đo với mục đích đảm bảo độ chính xác theo tỷ lệ bản đồ cần thành lập

Khi đo đạc trên biển sử dụng các thiết bị khác so với đo vẽ trên đất liền,

vì khi đo sâu thường sử dụng các thiết bị đo đạc có nguyên lý và cấu tạo hoàn toàn khác, vấn đề phải kết nối ra sao để đảm bảo độ chính xác khi đo vẽ bản

đồ địa hình đáy biển

Cũng giống như các nội dung nghiên cứu đo đạc trên đất liền, việc hoàn thiện ghép nối tích hợp các công nghệ đo đạc tiên tiến trên biển dùng cho mục đích thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn có độ chính xác cao

về mặt bằng và độ cao vẫn còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết, cần được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng, để đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của sản phẩm đo đạc

Từ những nhu cầu thực tế trên ở nước ta, trong luận án tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu kết hợp công nghệ GPS và thủy âm trong đo

vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn phục vụ khảo sát thiết kế các công trình ven biển”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu ứng dụng công nghệ

và thiết bị đo đạc tiến tiến hiện nay nhằm nâng cao hiệu quả công tác đo đạc, thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu kết hợp công nghệ GPS và thủy âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn

- Phạm vi nghiên cứu của luận án: Các thiết bị thủy âm ứng dụng trong

đo vẽ thành lập BĐĐHĐB rất đa dạng như hệ thống thu phát thủy âm dưới đáy biển, thiết bị quét hình bằng sóng siêu âm SSS (Side Scan Sonar)… Trong giới hạn phạm vi luận án nghiên cứu là ứng dụng công nghệ GPS và máy đo sâu hồi âm phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ

lệ lớn ở Việt Nam (phần địa hình đáy biển ven bờ cách đất liền ≤ 10 km)

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu yêu cầu độ chính xác và nội dung đo đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ phục vụ khảo sát thiết kế các công trình xây dựng ven biển

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh GPS và đo sâu hồi âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ

- Nghiên cứu mô hình kết hợp công nghệ định vị vệ tinh GPS và đo sâu hồi âm, phương pháp kiểm định hệ thống thiết bị nêu trên dùng trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ ở nước ta

- Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu liên quan, cập nhật thông tin trên mạng Internet và các thư viện

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ định vị vệ tinh GPS và máy đo sâu hồi âm, vấn đề tích hợp công nghệ làm cơ sở lý luận cho việc xử lý số liệu

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm để chứng minh

lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác hoặc các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp với vấn đề nghiên cứu

- Phương pháp ứng dụng tin học: Dùng các phần mềm phù hợp để xây dựng các chương trình tính toán xử lý số liệu đo đạc

- Phương pháp chuyên gia: Tiếp thu ý kiến của người hướng dẫn, tham khảo ý kiến các nhà khoa học, đồng nghiệp về các vấn đề trong nội dung của luận án

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Các kết quả nghiên cứu trong luận án góp phần hoàn thiện và nâng cao hiệu quả công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn ở Việt Nam

Giải pháp ứng dụng công nghệ đo cao GPS - RTK trong công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn cho phép xác định trực tiếp độ cao đáy biển mà không phải đo thủy triều

Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu trong luận án vào các lĩnh vực chuyển giao công nghệ mới, đào tạo cán bộ chuyên ngành, giảng dạy và nghiên cứu khoa học

6 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Để đảm bảo chất lượng công tác khảo sát thiết kế các

công trình ven biển cần xây dựng các chỉ tiêu kỹ thuật hợp lý, phù hợp với

đặc điểm thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn ở Việt Nam

Luận điểm 2: Cần tiến hành ghép nối và kiểm định hệ thống GPS và

máy đo sâu hồi âm theo quy trình kỹ thuật phù hợp nhằm đảm bảo độ chính

xác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn

Luận điểm 3: Có thể sử dụng công nghệ GPS-RTK kết hợp với máy đo

sâu hồi âm để nâng cao hiệu quả công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven

bờ tỷ lệ lớn

7 Các điểm mới của luận án

- Đã nghiên cứu xây dựng luận cứ khoa học và đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật trong đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn ở Việt Nam phục vụ khảo sát thiết kế các công trình ven biển

- Xây dựng được mô hình, quy trình phù hợp để ghép nối và kiểm định

hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm

- Đã nghiên cứu ứng dụng thành công công nghệ GPS - RTK kết hợp với máy đo sâu hồi âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn không cần đo nghiệm triều Nghiên cứu này cho phép nâng cao hiệu quả công tác khảo sát thiết kế trong thi công xây dựng các công trình ven biển ở Việt Nam

8 Cấu trúc và nội dung luận án

Cấu trúc luận án gồm ba phần:

1 Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục

đích, ý nghĩa, nêu các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án, trình bày tóm tắt cấu trúc và nội dung luận án

2 Phần nội dung nghiên cứu được trình bày trong 5 chương

Chương 1: Tổng quan về công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy

biển phục vụ khảo sát thiết kế công trình ven biển

Chương 2: Yêu cầu kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ

tỷ lệ lớn

Chương 3: Nghiên cứu kết hợp công nghệ GPS và thuỷ âm trong đo vẽ

bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo cao GPS trong đo vẽ

bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn

Chương 5: Phần thực nghiệm

3 Phần kết luận: Tổng hợp lại những vấn đề nghiên cứu trong luận án,

đưa ra những nhận xét, đánh giá khả năng ứng dụng và giải pháp nâng cao hiệu quả của công tác đo đạc trong thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ

tỷ lệ lớn ở Việt Nam

9 Lời cảm ơn

Trước hết, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến tiểu ban hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Viết Tuấn và PGS.TS Nguyễn Quang Thắng đã luôn động viên, tận tình góp ý và định hướng cho tác giả thực hiện các nghiên cứu khoa học, hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng Đào tạo sau đại học, các thầy cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ

và Quản lý đất đai và đặc biệt là bộ môn Trắc địa công trình đã giúp đỡ và có nhiều ý kiến quý báu để tác giả hoàn thiện nội dung của luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn động viên tinh thần, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ KHẢO SÁT THIẾT KẾ

CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

1.1 CÁC DẠNG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VEN BIỂN

1.1.1 Khái niệm về các công trình biển và công tác trắc địa công trình biển

Công trình biển là các công trình được xây dựng trên biển và ven bờ với mục đích sử dụng và khai thác các nguồn lợi tài nguyên thiên nhiên của biển Công trình biển có thể được chia làm ba dạng chủ yếu [21]:

- Các công trình sử dụng không gian biển: Tầu thuyền giao thông, vận tải, các đường cáp quang, cáp điện, đường ống dẫn khí (hình 1.1) hay các công trình ngầm xuyên biển

Hình 1.1 - Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn 2 – Vũng Tàu

- Các công trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, năng lượng biển: Các công trình khai thác dầu khí, dàn khoan, khai thác khoáng vật, các công trình nuôi trồng thủy hải sản, các công trình khai thác năng lượng thủy triều, năng lượng gió (hình 1.2)

Hình 1.2 - Tổ hợp các turbine điện gió biển Bạc Liêu – Việt Nam

- Các công trình khai thác biển ven bờ: Đó là hệ thống các công trình cảng biển, hệ thống đê chắn sóng (hình 1.3)

Hình 1.3 - Cảng biển và đê chắn sóng cảng nước sâu Sơn Dương, Hà Tĩnh Công tác trắc địa công trình trên biển cũng có nhiệm vụ tương tự như công tác trắc địa công trình trên đất liền Tuy nhiên do môi trường làm việc có

sự khác biệt như: Làm việc trên biển là chủ yếu, môi trường làm việc luôn biến động, ít vật định hướng, chịu tác động của thủy triều nên công tác trắc địa trên biển cũng có nhiều điểm khác biệt Tuỳ thuộc vào đặc điểm, phạm vi,

vị trí và giai đoạn xây dựng của từng công trình mà có các nhiệm vụ trắc địa

khác nhau Một cách tổng quát có thể phân loại công tác trắc địa công trình biển theo các giai đoạn khảo sát thiết kế, thi công xây dựng và khai thác sử dụng công trình

1.1.2 Nhiệm vụ công tác định vị trong trắc địa công trình biển

Đặc điểm nổi bật của công tác trắc địa công trình biển là phải tiến hành

đo đạc trong điều kiện đặc biệt khó khăn (sóng to và gió mạnh), xa đất liền, vì vậy các phương pháp đo đạc định vị trên biển có ý nghĩa rất quan trọng khi thực hiện các dạng công tác trong khảo sát thiết kế và thi công xây dựng công trình biển Ngoài ra công tác định vị trên biển còn phải đáp ứng các yêu cầu dẫn đường trên biển, tìm kiếm, trục vớt tầu đắm, định vị lắp đặt các công trình biển (giàn khoan, cầu cảng) [21]

- Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình biển thì nhiệm vụ của trắc địa là cung cấp tài liệu địa hình đáy biển hoặc một phần trên đất liền và một phần đáy biển ven bờ phục vụ cho công tác thiết kế công trình Để đo vẽ địa hình đáy biển, cần phải lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng và độ cao bằng các công nghệ truyền thống hoặc công nghệ GPS Trong giai đoạn này công tác định vị trên biển cần thiết cho công tác dẫn đường tầu đo sâu và định vị các điểm đo sâu trên biển

- Trong giai đoạn thi công xây dựng công trình thì nhiệm vụ của trắc địa là tiến hành đo đạc, bố trí công trình để đảm bảo công trình được xây dựng đúng với vị trí, độ cao, hình dạng và kích thước như đã thiết kế [21]

1.1.3 Yêu cầu độ chính xác của công tác định vị trên biển

Yêu cầu độ chính xác định vị trên biển phụ thuộc vào dạng các công trình biển và giai đoạn khảo sát thiết kế và thi công khai thác sử dụng công trình biển

Để phục vụ cho công tác khảo sát địa vật lý trên biển, thì công tác định

vị tầu chỉ cần độ chính xác cỡ 2500 m, trong công tác khảo sát thăm dò yêu

cầu độ chính xác tới 100 ÷ 150 m, và khi khảo sát chi tiết lại cần tới độ chính xác 20 ÷ 50 m Có những dạng công tác yêu cầu định vị điểm với độ chính xác khá cao, như khi định vị giàn khoan sai số định vị không được vượt quá 3

m Đặc biệt là vùng nước sâu yêu cầu về vị trí điểm ở đáy biển so với vị trí điểm trên mặt biển rất cao Để phục vụ cho công tác lắp đặt các đường ống dẫn dầu, khí hoặc cáp (cáp điện, cáp quang ) dưới biển cần định vị với sai số

cỡ 3 m Có thể thống kê một số yêu cầu độ chính xác định vị trên biển theo dạng các công tác trắc địa biển như bảng 1.1 [21]

Bảng 1.1 - Một số chỉ tiêu độ chính xác định vị trên biển

SSTP xác định toạ độ (m)

- Các điểm khống chế trắc địa

- Các tiêu mốc thủy âm

- Khảo sát địa vật lý và thủy đạc

- Khảo sát địa vật lý và thủy đạc chi tiết

10

10

- 1.0-10 20-100

1

10 50-100 15-25 1-5 1-10 2-10 1.0 10-20

1.2 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG GIAI ĐOẠN

KHẢO SÁT THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

Trong giai đoạn khảo sát thiết kế, tùy vào đặc điểm từng công trình mà

cần phải tiến hành những nội dung công việc sau:

Đối với những công trình ven bờ như: công trình cầu cảng, đê chắn sóng… vị trí của các công trình này thường được chọn ở cửa sông hoặc trong

vịnh Vì vậy để quy hoạch tổng thể, bố trí mặt bằng và thiết kế kỹ thuật công trình cảng cần có bản đồ địa hình cả ở trên đất liền và một phần dưới nước với các tỷ lệ khác nhau

Trong giai đoạn quy hoạch, chọn vị trí các công trình cần có bản đồ tỷ

lệ 1:5000 ÷ 1:1000 [30] Các công trình cảng thường chiếm diện tích không lớn, do đó bản đồ địa hình trên phần đất liền cũng như dưới nước đều được đo

vẽ trực tiếp trên thực địa

Với bản đồ địa hình phần trên đất liền, trên khu vực cần đo vẽ các bản

đồ tỷ lệ 1:2000; 1:1000; 1:500 thì cứ 5 ÷ 15 km2 cần có một điểm khống chế mặt bằng và 5 ÷ 7 km2 cần có một điểm khống chế độ cao Nếu trên các khu vực hẹp có dạng kéo dài thì cứ 5 km2 cần có 1 điểm khống chế mặt bằng Nếu trên khu vực đo vẽ chưa có đủ mật độ điểm khống chế nhà nước quy định thì cần phải tiến hành tăng dày mạng lưới Đối với khu vực xây dựng sau khi chêm dày phải đạt 4 điểm/km2, với khu vực chưa xây dựng cần đạt 1 điểm/km2 Công tác đo đạc khảo sát cũng như tất cả các công tác khảo sát các công trình trên đất liền với trình tự và nội dung như trong quy phạm

Để thành lập bản đồ địa hình dưới nước ven bờ, thường dùng phương pháp mặt cắt (với máy đo sâu hồi âm đơn tia) Khoảng cách giữa các mặt cắt và khoảng cách giữa các điểm đo sâu (khoảng fix) được quy định như bảng 1.2 [4]

Bảng 1.2 - Khoảng cách giữa các điểm đo sâu

Tỷ lệ bản đồ Khoảng cách giữa các mặt

cắt (m)

Khoảng cách giữa các điểm đo sâu (m)

Để đo vẽ mặt cắt thường dùng các phương pháp đo sâu sau:

Đối với những vùng nước sâu không quá 5 m thường dùng sào đo sâu với độ chính xác đo cỡ 0,1 m Sào đo có thể làm bằng tre, gỗ, chiều dài sào không quá 6 m, đường kính sào không quá 6 cm, có đế sắt ở một đầu

Đối với những vùng nước có độ sâu từ 2 ÷ 20 m có thể dùng dọi đo sâu Dọi được đúc bằng gang hay chì, có dạng tháp hoặc dạng quả cầu, dây dọi có thể là dây xích hoặc dây cáp

Với những vùng nước sâu hơn 5 m có thể dùng phương pháp hiện đại

là phương pháp dùng máy đo sâu hồi âm

Để xác định được vị trí mặt bằng của điểm đo sâu có thể dùng phương pháp giao hội góc, giao hội cạnh từ các điểm khống chế trên bờ, tọa độ cực bằng máy toàn đạc điện tử có khả năng đo xa, các phương pháp định vị vô tuyến, định vị bằng GPS

Các công trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, năng lượng biển và không gian biển gồm công trình khai thác dầu khí, công trình lắp đặt đường ống, cáp điện ở đáy biển… Công tác trắc địa khi xây dựng các công trình này được thực hiện cả trên mặt nước và cả dưới nước Công việc trắc địa dưới nước phải kết hợp với máy lặn, tầu lặn và phải sử dụng các thiết bị đặc biệt chuyên dụng chủ yếu là các hệ thống đo bằng âm thanh, máy thu hình, máy ảnh… Trên mặt nước, tại các khu vực có giàn khoan, lỗ khoan hay điểm đổ

bộ cần đo vẽ bản đồ địa hình với tỷ lệ 1:1000 ÷ 1:2000 Ngoài ra còn phải đo thêm tốc độ của dòng chảy, hướng dòng chảy tại các tầng trên, tầng giữa và tầng đáy của nước

Với các công trình lắp đặt đường cáp quang, đường ống hay công trình ngầm xuyên biển phải đo sâu dọc tuyến với tỷ lệ đo vẽ bản đồ từ 1:50000 ÷ 1:20000 Đối với tuyến ven biển thì tỷ lệ đo vẽ lớn hơn, tuyến từ lục địa ra đảo hay nối giữa các đảo thì tỷ lệ đo vẽ nhỏ hơn và thường đo sâu theo ba

tuyến với khoảng cách giữa các tuyến là 10 cm trên bản đồ, tuyến giữa trùng với đường ống hoặc đường dây cáp điện Tại những nơi có địa hình phức tạp

có thể tăng tuyến đo lên thành năm tuyến hoặc nhiều hơn Sai số trung phương định vị điểm đo sâu không được lớn hơn 3 mm trên bản đồ, mật độ điểm đo sâu mỗi tuyến là 0,5 cm trên bản đồ

Đo đạc trên biển là dạng công tác phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu, thời tiết do vậy công tác thu thập tài liệu hải văn rất cần thiết cho công tác khảo sát thiết kế của khu vực đo Để có được tài liệu chính xác người làm công tác trắc địa phải tiến hành quan trắc độ cao, chu kỳ sóng, hướng sóng, sự lên xuống của thủy triều…

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM TRONG KHẢO

SÁT THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu trong phạm vi của đề tài đã có nhiều tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến, tuy nhiên ở mỗi thời điểm thì mức độ nghiên cứu, ứng dụng công nghệ này có sự khác nhau về nội dung, mục đích nghiên cứu và cách tiếp cận, bởi công nghệ ngày một đổi mới, không ngừng được nâng cao về chất lượng, độ chính xác, khả năng ứng dụng những thành tựu tiên tiến nhất của khoa học kỹ thuật

1.3.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Khi đo đạc trên biển để xác định vị trí của tàu đo ở thời điểm tức thời

có thể ứng dụng công nghệ định vị DGPS, Gc-GPS [34], [44] Về lĩnh vực định vị, công nghệ GPS đã đem đến bước đột phá mới cho công tác đo đạc trên biển cả về kinh tế, kỹ thuật và độ chính xác

Công nghệ đo sâu bắt đầu từ cách đây hơn 200 năm, khi con người biết khai thác và xây dựng các công trình lớn trên sông nước và biển cả Từ việc phải đo đạc thủ công bằng dọi đo sâu (từ năm 1837 [1]), thước dây rồi ứng

dụng các thiết bị thủy âm, máy đo sâu đơn tia, đa tia Có thể nói công nghệ đo sâu cũng rất phát triển, ngày càng hoàn thiện cả về kỹ thuật công nghệ, độ chính xác và tính hiệu quả

Trong [32] giới thiệu chi tiết về công nghệ định vị hiệu chỉnh toàn cầu

Gc-GPS (Globally corrected GPS) như: Các nguồn sai số của hệ thống định

vị GPS, các nguyên nhân gây mất tín hiệu vệ tinh, cách cài đặt hệ thống, cấu hình hoạt động, chế độ hoạt động …, hay trong [34] giới thiệu về khả năng thích ứng cùng độ chính xác của công nghệ Gc-GPS khi thực nghiệm đo đạc

ở Bắc Băng Dương khi nhiệt độ xuống tới -50°C Các tài liệu đã giới thiệu chi tiết về công nghệ và các ứng dụng thực tiễn của công nghệ GPS trong các lĩnh vực của đời sống xã hội nói chung và trong lĩnh vực đo đạc, xác định vị trí nói riêng

Trong [44] giới thiệu về công nghệ và các thiết bị xác định độ sâu bao gồm độ chính xác, tầm hoạt động và khả năng thích ứng với các môi trường đo đạc của từng vùng nước khác nhau: Trên sông, biển hay vùng đầm lầy

Trong các tài liệu [33], [38], [39], [42] và [43] giới thiệu chi tiết về các loại máy đo sâu hồi âm đa tia bao gồm đặc tính kỹ thuật, các tính năng của máy, độ sâu tối đa và các thiết bị đi kèm trong quá trình đo sâu trên biển

1.3.2 Các công trình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về vấn đề đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ở nước ta đã có nhiều công trình nghiên cứu [1], [4], [5], [20] ; giáo trình đã và đang được giảng dạy tại một số trường đại học: [3], [10], [13], [19], [21], [23] Đọc và tham khảo các tài liệu này chúng tôi có một số nhận xét sau đây:

1 Tài liệu báo cáo (1997) [20], trong nội dung chưa cập nhật được khả năng ứng dụng của các thiết bị, công nghệ đo đạc trên biển hiện đại và tiên tiến đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới ở thời điểm hiện nay Tài liệu

này đã giới thiệu về công tác chuẩn bị, phương án kỹ thuật, cách thức tiến hành nội nghiệp, ngoại nghiệp cho việc đo đạc trên biển phối hợp giữa phương pháp truyền thống và hiện đại (công nghệ tại thời điểm năm 1995) để thu thập được số liệu độ sâu phục vụ cho việc thành lập bản đồ biển Tuy nhiên bản đồ được thành lập chủ yếu ở tỷ lệ trung bình (10.000 ÷ 25.000)[3]

2 Trong một số tài liệu mới đây đã trình bày các kết quả nghiên cứu

về trắc địa biển nhưng lại tập trung vào một số vấn đề chuyên sâu: nghiên cứu về thiết bị đo đạc trên biển [1], hoặc kết quả nghiên cứu cho từng thiết

bị, công nghệ cụ thể [5], [12], [15], còn vấn đề thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn phục vụ khảo sát thiết kế các công trình ven biển chưa được đề cập một cách chi tiết về các nội dung tỷ lệ thành lập, quy trình đo đạc và xử

4 Hiện nay trên thế giới thiết bị và công nghệ đo đạc trên biển đang được cải tiến và hoàn thiện như công nghệ GPS hiệu chỉnh toàn cầu (Gc-GPS), công nghệ đo sâu hồi âm đa tia [1], [18], [22], [24] Các công nghệ đo đạc tiên tiến này cho phép thay đổi quy trình đo đạc trên biển, đem lại hiệu quả công việc và nâng cao độ chính xác thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ

lệ lớn Những vấn đề ghép nối các thiết bị và phương pháp kiểm định chưa được cập nhật một cách hoàn chỉnh trong lĩnh vực đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn ở Việt Nam

5 Trong nhiệm vụ khảo sát địa hình đáy biển phục vụ thi công các công trình ven biển còn bao hàm nội dung của công tác trắc địa phục vụ thăm

dò địa chất, địa vật lý, lấy mẫu đất, định vị các giàn khoan thăm dò… Các nội dung này hiện nay mới chỉ có những thông báo ngắn gọn [16], chưa được nghiên cứu và hoàn thiện về quy trình và phương pháp ghép nối nhằm nâng cao hiệu quả trong thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn

1.3.3 Những vấn đề còn tồn tại và định hướng nghiên cứu của luận án

Các tài liệu ở trong nước và nước ngoài mới chỉ đề cập đến nguyên lý,

độ chính xác của thiết bị, tầm hoạt động … mà chưa có tài liệu nào đi sâu vào phân tích, kết nối các thiết bị tiên tiến với nhau và phương pháp kiểm định hệ thống đồng bộ để đảm bảo độ chính xác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven

bờ tỷ lệ lớn

Chưa có các qui định về đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven

bờ tỷ lệ lớn khi sử dụng công nghệ đo đạc tiên tiến, các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả của công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ

lệ lớn

Do đó định hướng nghiên cứu của luận án là xây dựng các chỉ tiêu kỹ thuật hợp lý, phù hợp với đặc điểm thành lập bản đồ đồ địa hình đáy biển ven bờ; nghiên cứu ghép nối và kiểm định hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm theo quy trình kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả công tác đo vẽ thành lập bản

đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn phục vụ thiết kế các công trình ven biển

ở Việt Nam

Chương 2 YÊU CẦU KỸ THUẬT THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN

VEN BỜ TỶ LỆ LỚN

2.1 NỘI DUNG CÔNG TÁC THÀNH LẬP BĐĐHĐB VEN BỜ TỶ LỆ LỚN

Khác với công tác đo đạc để thành lập bản đồ trên đất liền, đo đạc để thành lập bản đồ địa hình đáy biển có đặc thù và mức độ khó khăn lớn hơn Trong đó phải kể đến môi trường tác nghiệp, công tác đo đạc chủ yếu thực hiện trên tàu, thuyền luôn chịu sự tác động của sóng, gió ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo Trên đất liền có thể nhận thức trực quan được mức độ phức tạp của địa hình, dáng đất còn khi đo đạc trên biển không nhận thức được trực tiếp bằng các giác quan, hướng đo được thiết kế trước và phải có thiết bị dẫn đường để thu nhận dữ liệu theo luận chứng kỹ thuật Trên đất liền các điểm chi tiết được xác định đồng thời cả về mặt bằng và độ cao, trên biển để xác định được mặt bằng và độ cao cần ghép nối tối thiểu 2 thiết bị riêng biệt, số liệu đo được lại phải hiệu chỉnh, đồng bộ thời gian, loại bỏ các sai số thô, nhiễu Số liệu mặt bằng và độ sâu được xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng để cuối cùng đưa ra sản phẩm đáng tin cậy nhất, làm dữ liệu đầu vào để thành lập BĐĐHĐB Do vậy cần nghiên cứu các phương pháp xác định mặt bằng và độ cao để đảm bảo tính kinh tế, phù hợp yêu cầu nhiệm vụ và tiêu chuẩn về độ chính xác khi thành lập BĐĐHĐB

2.1.1 Các phương pháp xác định vị trí mặt bằng điểm đo trên biển

Hiện nay trên thế giới để xác định vị trí mặt bằng các điểm đo trên biển trong việc đo vẽ BĐĐHĐB ven bờ có thể sử dụng các phương pháp sau:

+ Phương pháp quang học

+ Phương pháp định vị vô tuyến (kỹ thuật radio)

+ Phương pháp định vị thủy âm

+ Phương pháp định vị vệ tinh

Trong đó phương pháp định vị vệ tinh được ứng dụng rất phổ biến Hiện nay có rất nhiều Quốc gia phát triển về lĩnh vực định vị vệ tinh như:

1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global positioning system) do Mỹ sản xuất

2 Galileo - Hệ thống định vị toàn cầu do EU và các quốc gia đối tác khác phát triển

3 Beidou (Bắc đẩu) - Hệ thống riêng của Trung Quốc phát triển, phủ ở châu Á và tây Thái Bình Dương

4 GLONASS - Hệ thống định vị toàn cầu của Nga

5 IRNSS - Hệ thống định vị khu vực của Ấn Độ, bao phủ Ấn Độ và bắc

Ở nước ta để xác định vị trí mặt bằng các điểm đo trên biển trong việc đo vẽ BĐĐHĐB ven bờ hiện nay thường sử dụng phương pháp DGPS và Gc-GPS

2.1.2 Các phương pháp xác định độ sâu trong đo vẽ BĐĐHĐB bằng máy

đo sâu hồi âm

Nguyên lý hoạt động của máy đo sâu hồi âm: Máy đo sâu hồi âm dựa trên cơ sở xác định thời gian lan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước

và vận tốc lan truyền sóng âm để xác định khoảng cách từ nguồn phát sóng

âm đến đối tượng phản xạ sóng âm

Để xác định độ sâu lớp nước, cần phải xác định khoảng thời gian tín hiệu

âm thanh lan truyền trong nước từ thời điểm phát đến thời điểm nhận tín hiệu âm thanh phản hồi, khi đó độ sâu Z được tính theo công thức [5]:

Z V.t

2

1

Trong đó: V là vận tốc âm thanh thực tế trong môi trường nước,

t là khoảng thời gian tín hiệu âm thanh lan truyền trong nước

từ thời điểm phát đến thời điểm nhận tín hiệu âm thanh phản hồi

Các máy đo sâu hồi âm bao gồm các bộ phận chính sau (hình 2.1):

1 Bộ phát tín hiệu: Tạo các xung điện để tạo ra các xung âm thanh

2 Công tắc chuyển (phát/thu): Cho phép năng lượng điện được trao đổi với cần phát biến Công tắc chuyển được sử dụng để tạo ra các xung điện với

độ dài xung được ấn định

3 Cần phát biến: Được gắn dưới thân tầu đo, cho phép chuyển điện năng thành âm thanh và phát vào môi trường nước, đồng thời có thể chuyển tín hiệu âm thanh phản hồi từ đáy thành năng lượng điện để đến bộ phận thu tín hiệu phản hồi

4 Bộ thu tín hiệu: Khuyếch đại tín hiệu điện phản hồi và chuyển tới hệ thống ghi để so thời gian

5 Bộ ghi kết quả: Ghi nhận các tín hiệu, so sánh thời điểm phát và thời điểm thu để tính khoảng thời gian lan truyền tín hiệu t Lưu giữ số liệu và

chuyển khoảng thời gian t thành độ sâu Z theo công thức (2.1)

Hình 2.1 - Nguyên lý máy đo sâu hồi âm

Trong bộ phát tín hiệu, sử dụng đồng hồ thạch anh để tạo ra tần số trong khoảng 1 đến 10 MHz, từ tần số này sẽ tạo ra các tần số thấp hơn để được tần số sử dụng của đầu phát biến Đồng hồ thạch anh còn được dùng để xác định khoảng thời gian từ thời điểm phát xung âm thanh đến thời điểm nhận tín hiệu âm phản hồi phục vụ cho xác định độ sâu Các máy đo sâu hiện đại thường sử dụng 2 tần số phát như sau:

- Tần số thấp: Sử dụng cho đo độ sâu lớn vì ở tần số thấp sự tổn thất âm năng trong nước ít hơn, nhưng kích thước đầu phát biến lại lớn hơn

- Tần số cao: Kích thước đầu phát biến được rút nhỏ, song độ sâu đo lại

bị hạn chế do hệ số hấp thụ âm lớn hơn (tổn thất âm năng lớn)

Trong máy đo sâu hồi âm, thông thường người ta phát xung âm thanh

có độ dài trong khoảng 0,1 đến 50 ms (mili giây) Ở lớp nước nông, thường

sử dụng các xung đơn, ngắn cỡ 0,2 ms và nhận tín hiệu phản hồi trước khi phát xung kế tiếp Đối với lớp nước sâu, thường sử dụng nhiều xung có độ dài thay đổi trong khoảng 1 ms đến 40 ms một cách đều đặn Sự khác nhau của

độ dài xung giúp khắc phục được hiện tượng mất tín hiệu do sự hấp thụ

Bộ thu tín hiệu phản hồi có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu phản hồi và chuyển đến hệ thống ghi nhận Bộ thu nhận được trang bị bộ hỗ trợ biến đổi thời gian ngắn (TVG- A time varying gain) được sử dụng để giảm tác động vào bộ thu ngay sau lúc phát tín hiệu theo nguyên tắc lọc (loại bỏ) sự dội âm

từ bên ngoài Dải tần thu nhận cũng phải đủ rộng để có thể chấp nhận hiện tượng dịch tần Doppler nếu như cần phát biến không thẳng đứng Cần phát biến được lắp đặt dưới thân tàu và phải ngập trong nước Xung điện từ bộ phát tạo ra sự rung động đĩa phát âm thanh (diaphragm) của cần phát biến Đĩa phát âm thanh rung động trong môi trường nước sẽ tạo ra sóng âm với tần

số phụ thuộc vào tần số giao động của đĩa phát Quá trình ngược lại sẽ xẩy ra khi đầu phát biến nhận được tín hiệu âm thanh phản hồi, khi đó đĩa phát âm thanh bị rung động lại tạo ra dòng điện và được chuyển đến bộ thu

Cần phát biến có thể sử dụng một số nguyên tắc tạo sóng âm khác nhau Có 3 loại cần phát biến đang được sử dụng là:

- Đầu phát biến sử dụng vật liệu từ giảo (magnetostrictive material)

- Đầu phát biến áp điện (piezoelectric)

- Đầu phát biến điện giảo (electrostrictive)

Nếu dựa trên nguyên tắc phát tia âm thanh, các máy đo sâu hồi âm được chia thành hai loại là máy đo sâu hồi âm đơn tia và máy đo sâu hồi âm

đa tia (hình 2.2)

Hình 2.2 - Phân loại máy đo sâu đơn tia và đa tia 2.2 MỘT SỐ QUY ĐỊNH VỀ YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC THÀNH LẬP

BĐĐHĐB

Độ chính xác thành lập BĐĐHĐB tùy thuộc vào mục đích sử dụng, tỷ

lệ bản đồ cần thành lập Hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam có một số tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác thành lập BĐĐHĐB sau:

2.2.1 Tiêu chuẩn của Tổ chức Thủy đạc quốc tế (IHO)

Tổ chức thủy đạc quốc tế IHO (International Hydrographic Organization) được thành lập vào năm 1921, có trụ sở chính tại Vương quốc Mônacô Nhiệm vụ quan trọng của tổ chức này là lựa chọn các phương pháp

tin cậy và hiệu quả để thực hiện công tác đo vẽ địa hình đáy biển và cải tiến

về khoa học trong lĩnh vực khảo sát biển và đại dương

IHO đã xây dựng và công bố các tiêu chuẩn về công tác khảo sát trên

biển được trên 100 quốc gia sử dụng Trong bảng 2.1 giới thiệu nội dung tiêu

chuẩn đo đạc trên biển (S-44) của tổ chức này [1]:

Bảng 2.1 – Tiêu chuẩn S-44 của tổ chức thủy đạc quốc tế IHO

Loại đo đạc Loại đặc

a=0,5 m b=0,013 m

a=1,0 m b=0,023 m

a=1,0 m b=0,023 m Mức độ phủ

trùm đáy biển 100%

Khảo sát 100% ở khu vực cần thiết

Tùy thuộc vào từng khu vực

Không khảo sát đáy

đo lớn nhất

Phải khảo sát 100%

3 lần độ sâu trung bình khu

đo hoặc 25 m

3 đến 4 lần độ sâu trung bình khu đo hoặc 200 m

4 lần độ sâu trung bình khu đo

Công thức tính sai số trung phương xác định độ sâu theo a và b như

trên bảng 2.1 là:

m Z =± a2 +( Z b )2

Trong đó: a - sai số cố định, b - sai số tỷ lệ và Z - độ sâu

Trong tiêu chuẩn này, khảo sát địa hình đáy nước được chia làm 4 loại như sau:

a Loại đặc biệt (Special Order): Được áp dụng cho những khu vực cần

phải phát hiện đầy đủ đáy biển, đặc biệt với các chướng ngại vật dưới đáy có thể

là nguy cơ ảnh hưởng đến sự đi lại của tầu thuyền Tuyến đo phải đủ để đảm bảo

khi đo không bỏ sót địa vật Phương tiện để khảo sát thường sử dụng máy đo sâu hồi âm đa tia (MBES-Multibeam Echosounder), hệ thống máy đo sâu hồi âm đơn tia với nhiều ăng ten (Sweep system) hoặc kết hợp máy đo sâu hồi âm đơn tia với hệ thống máy quét biên (SSS-Side Scan Sonar) để đảm bảo đo được 100% đáy nước và xác định được các đối tượng dưới nước có kích thước từ 1 m trở lên Ở những khu vực có chướng ngại vật nhỏ và nguy hiểm phải sử dụng hệ thống máy quét biên SSS kết hợp hệ thống đo sâu đa tia MBES

b Loại 1 (Order 1): Các khu bến cảng, luồng lạch vào cảng, các tuyến

đường trên biển, kênh đào trong đất liền, vùng bờ biển có lưu lượng tàu thuyền qua lại cao hoặc những khu vực địa hình đáy nước ít có khả năng gây nguy hiểm cho tầu thuyền (ví dụ chất đáy mềm hoặc cát) Loại 1 chỉ được thực hiện ở những khu vực có độ sâu nhỏ hơn 100 m Mặc dù việc khảo sát không yêu cầu khắt khe như đối với loại đặc biệt nhưng đối với các khu vực

có bề mặt đáy nước có thể gây nguy hiểm đến sự di chuyển của tầu thuyền thì cần phải đo toàn bộ 100% đáy nước và phải phát hiện được địa vật từ 2 m trở lên với độ sâu nhỏ hơn 40 m hoặc 10% độ sâu với độ sâu lớn hơn 40 m bằng thiết bị đo sâu

c Loại 2 (Order 2): Là những khu vực không liệt kê trong loại đặc biệt

và loại 1, có độ sâu nhỏ hơn 200 m nhưng không thuộc các dạng đo đặc biệt và loại 1 hoặc nơi cần phải đo sâu để khẳng định không có nguy hiểm cho tầu thuyền neo đậu hoặc làm việc Đối với những khu vực có chướng ngại vật nguy hiểm cho hoạt động tầu thuyền cần phải khảo sát phủ trùm 100% đáy nước

d Loại 3 (Order 3): Đối với những khu vực không thuộc các dạng nêu

trên và khu vực có độ sâu lớn hơn 200 m

2.2.2 Quy phạm của quân đội Hoa Kỳ (USACE)

Theo Quy phạm của quân đội Hoa Kỳ (USACE- US Army Corps Engineers) các dạng đo đạc, khảo sát địa hình dưới nước được chia thành hai loại chính gồm có: Đo đạc, khảo sát địa hình đáy biển phục vụ công tác bảo

đảm an toàn hàng hải; đo sâu phục vụ nạo vét luồng lạch và xây dựng công

trình trên biển, đo đạc phục vụ các mục đích khác

Trong đo đạc khảo sát phục vụ công tác bảo đảm an toàn hàng hải và nạo vét luồng lạch lại chia ra thành hai loại khác nhau dựa vào chất đáy cứng hoặc mềm Độ chính xác giới hạn của các loại đo đạc, khảo sát nêu trên được trình bày trong bảng 2.2 [1]

Bảng 2.2 - Yêu cầu kỹ thuật của USACE

Bảo đảm an toàn hàng hải

Sai số quan trắc mực nước < ½ lần sai số độ sâu

Kiểm tra đảm bảo chất lượng

Kiểm tra số liệu đo vận tốc âm > 2 lần/ ngày > 2 lần/ ngày > 1 lần/ ngày

Kiểm tra vị trí mặt bằng > 1 lần/ ngày > 1 lần/dự án > 1 lần/dự án

Sai số hệ thống tối đa cho phép ±0,03 m ±0,06 m ±0,15 m

2.2.3 Quy phạm của NewZealand

Theo Cơ quan thông tin đất New Zealand LINZ (Land Information New Zealand) của New Zealand, chia các hoạt động đo sâu theo 4 loại giống

như sự phân loại trong quy phạm của tổ chức thủy đạc quốc tế (IHO) Tuy

nhiên, một số chỉ tiêu về độ chính xác cao hơn, ngoài ra quy phạm này còn

quy định cụ thể trong trường hợp sử dụng hệ thống đo sâu hồi âm đa tia Các

yêu cầu cụ thể được thể hiện ở bảng 2.3 [1]

Bảng 2.3 - Quy phạm đo sâu của LINZ

vực cần thiết Bắt buộc khi sử dụng MBES

Tùy thuộc vào từng khu vực Bắt buộc khi sử dụng MBES

Không khảo sát đáy

Các đối tượng trên

10%Z với Z> 40 m

> 2 m3

ở khu vực Z<40 m;

10%Z với

Z > 40 m

Không phát hiện

chướng ngại vật

Dãn cách tuyến đo sâu (Z: độ sâu đo)

Z = 0 ÷ 200 m Dãn cách tuyến đo sâu bằng 0,5 cm trên bản đồ

Z = 200 ÷ 1000 m Dãn cách tuyến đo sâu bằng 1,0cm trên bản đồ nhưng

không lớn hơn 800m trên thực địa

Z > 1000 m Dãn cách tuyến đo sâu bằng 1km trên thực địa

Sai số giới hạn của độ sâu tính theo công thức (2.2)

Khi sử dụng hệ thống đo sâu hồi âm đa tia phải tuân thủ các tiêu chuẩn

độ chính xác nêu trong bảng 2.4 [1]:

Bảng 2.4 - Quy phạm đo sâu MBES của LINZ

Loại đo đạc Đặc biệt Loại 1 Loại 2 Loại 3

Độ chính xác vị trí mặt bằng 2 m 5m +5%Z 10m +5%Z 100m+5%Z

Độ chính xác của độ sâu

trong dải quét

1,0 x IHO SO

Sai số độ sâu giữa tuyến đo

chính và tuyến đo kiểm tra 2,5%Z 5,0%Z 10%Z 20%Z

Độ chồng phủ của dải quét 200% 100% 100% 100%

2.2.4 Quy phạm của Việt Nam

Yêu cầu độ chính xác của bản đồ sẽ quyết định độ chính xác đo đạc, trên cơ sở đó lựa chọn kỹ thuật định vị, kỹ thuật đo sâu, phương pháp quan

trắc và tính toán thuỷ triều

2.2.4.1 Quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường

Quyết định số 180/1998/QĐ-ĐC của Tổng cục Địa chính ban hành Quy định độ chính xác bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10 000 có nêu (tại mục II):

1 Điểm chuẩn tọa độ trên bờ là điểm có độ chính xác tọa độ hạng IV nhà nước trở lên

2 Sai số trung phương độ cao của điểm nghiệm triều so với độ cao của điểm thuỷ chuẩn Nhà nước gần nhất không được vượt quá 1/10 khoảng cao đều cơ bản của đường đẳng sâu

3 Sai số trung phương độ sâu của điểm ghi chú độ sâu so với độ cao của điểm chuẩn độ cao không được vượt quá:

±0,30 m khi độ sâu đến 50 m

±0,45 m khi độ sâu từ 50 m đến 100 m

±0,70 m khi độ sâu trên 100 m

4 Sai số trung phương độ sâu đường đẳng sâu so với độ cao của điểm chuẩn

độ cao không được vượt quá:

±0,40 m khi độ sâu đến 50 m

±0,60 m khi độ sâu từ 50 m đến 100m

±0,90 m khi độ sâu trên 100 m

5 Sai số trung phương vị trí mặt phẳng của điểm ghi chú độ sâu so với điểm

cơ sở (điểm định vị trên bờ) không được vượt quá ±1,0 mm theo tỷ lệ bản đồ (với tỷ lệ 1/10000 là ±10 m)

6 Sai số trung phương điểm địa vật cố định nổi trên mặt nước so với điểm trắc địa gần nhất hoặc điểm chuẩn gần nhất không được vượt quá 0,7 mm, các địa vật khác không quá 1,0 mm theo tỷ lệ bản đồ

7 Số chênh độ sâu giữa đo kiểm tra và đo độ sâu trong vòng 2 mm tính theo

tỷ lệ bản đồ (bằng 20 m) không được vượt quá 1,5 lần giá trị sai số nêu ở trên điểm 3 và điểm 4 của mục II

8 Khoảng cách trung bình giữa các tuyến đo sâu không vượt quá 100 mét (tối đa không quá 130 m) Sai lệch tuyến đo với tuyến thiết kế không vượt quá 30% theo cùng một hướng Trường hợp thiết bị đo không bảo đảm được quy định này thì phải trình bày cụ thể trong luận chứng kinh tế - kỹ thuật

- Khoảng cách đọc số liên tiếp trên một tuyến đo không lớn hơn 0,5 cm trên bản đồ Nếu địa hình phức tạp thì phải tăng thêm tuyến đo và đọc mật độ điểm dày hơn đủ để nội suy đường đẳng sâu với độ chính xác theo yêu cầu (mức độ tăng thêm được trình bầy cụ thể trong luận chứng kinh tế - kỹ thuật)

- Tổng chiều dài tuyến đo sâu kiểm tra không ít hơn 10% tổng chiều dài tuyến đo, góc giao nhau giữa tuyến đo và tuyến kiểm tra không nhỏ hơn 60°

và lớn hơn 120° Điểm đọc độ sâu giữa tuyến đo và tuyến kiểm tra tại chỗ cắt nhau không lệch quá 2 mm tính theo tỷ lệ bản đồ theo hướng vuông góc với tuyến đo

2.2.4.2 Quy phạm đo sâu của Hải quân nhân dân Việt Nam

Quy phạm đo sâu được sử dụng trong Hải quân nhân dân Việt Nam được biên dịch từ quy phạm của Cục hải quân Trung Quốc xuất bản năm

1962 Áp dụng quy phạm này trong công tác đo sâu để thành lập hải đồ phục

vụ an toàn hàng hải Hiện tại vẫn chưa có quy phạm nào thay thế nên đây vẫn

là quy phạm hiện hành Một số quy định về độ chính xác của quy phạm này được trính dẫn như trong bảng 2.5 [1]:

Bảng 2.5 - Quy phạm đo sâu của Hải quân nhân dân Việt Nam

Độ sâu (Z) Z ≤ 20 m 20m > Z ≥50m 50m >Z ≥100 m 100m>Z ≥250m

Độ chính xác

Độ chính xác vị trí điểm độ sâu: ±0,15 mm x M

Dãn cách tuyến đo sâu: 1,0 cm x M

Sai lệch độ sâu giữa tuyến đo chính và tuyến đo kiểm tra: 2 lần độ chính xác của độ sâu

M: Mẫu số tỷ lệ bản đồ