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

i 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 ii 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: PGS.TS TRẦN VIẾT TUẤN PGS.TS NGUYỄN QUANG THẮNG HÀ NỘI – 2017 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, kết nghiên cứu trình bày luận án xác, trung thực, khách quan chưa công bố công trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng 02 năm 2017 Tác giả luận án Phạm Văn Quang iv 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 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 1.2 Khái quát công tác trắc địa giai đoạn khảo sát thiết kế công trình 11 ven biển 1.3 Tình hình nghiên cứu nước ứng dụng công nghệ GPS máy đo sâu hồi âm khảo sát thiết kế 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 yêu cầu độ xác thành lập BĐĐHĐB 22 2.3 Xây dựng luận khoa học xác định yêu cầu độ xác BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn Việt Nam 30 Chương - 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 biển 41 3.2 Ứng dụng máy đo sâu hồi âm đo vẽ thành lập BĐĐHĐB 53 3.3 Phần mềm thường dùng đo sâu Việt Nam 72 3.4 Nghiên cứu giải pháp kết nối hệ thống GPS máy đo sâu hồi âm 76 3.5 Nghiên cứu phương pháp kiểm định hệ thống GPS máy đo sâu hồi âm 86 Chương - 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 thủy triều ven bờ 94 v 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 sử dụng kết đo thủy triều 101 4.4 Ứng dụng công nghệ đo cao GPS - RTK đo sâu để thay số hiệu chỉnh thủy triều 105 4.5 Giải pháp thu tín hiệu GPS - RTK tầu đo 108 4.6 Quy trình thành lập BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn 110 Chương PHẦN THỰC NGHIỆM 119 5.1 Thực nghiệm khảo sát độ xác định vị mặt thiết bị thu GPS 119 5.2.Thực nghiệm kết nối hệ thống GPS máy đo sâu hồi âm 121 5.3 Thực nghiệm ứng dụng công nghệ đo cao GPS-RTK đo sâu để thay 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 tính độ cao đáy biển theo kết quan trắc thủy triều 142 PHỤ LỤC 2: Bảng so sánh kết tính độ cao đáy biển theo hai phương pháp: quan trắc thủy triều đo phương pháp RTK 145 PHỤ LỤC 3: Bảng số liệu mực nước đỉnh chân triều Trạm Hải văn Vũng Tàu 150 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Chữ viết tắt Ý nghĩa BĐĐHĐB IHO MBES Multibeam Echosounder USACE US Army Corps Engineers LINZ Land Information New Zealand GPS Global Positioning System DGPS WGS-84 World Geodetic System-1984 Gc-DGPS Global corrected-DGPS 10 LiDAR 11 RTK Real Time Kinematic 12 PPK Post processing Kinematic 13 SSTP Bản đồ địa hình đáy biển International Hydrographic Organization Differential Global positioning system Light Detecting and Ranging Sai số trung phương vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang 1.1 Một số tiêu độ xác định vị biển 11 1.2 Khoảng cách điểm đo sâu 12 2.1 Quy phạm S-44 tổ chức thủy đạc quốc tế IHO 23 2.2 Yêu cầu kỹ thuật USACE 25 2.3 Quy phạm đo sâu LINZ 26 2.4 Quy phạm đo sâu MBES LINZ 27 2.5 Quy phạm đo sâu Hải quân nhân dân Việt Nam 29 2.6 Độ xác vị trí mặt điểm đo sâu có 30 2.7 Độ xác định vị biển số công nghệ đo GPS 31 2.8 Khoảng cách S với loại BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn 33 2.9 Sai số vị trí tầu theo tỷ lệ đồ 33 2.10 Thông số kỹ thuật số hệ thống MBES 34 2.11 Kết xác định vận tốc chạy tầu với độ sâu khác 36 2.12 Độ xác vị trí mặt điểm đo sâu 37 2.13 Độ xác yêu cầu điểm đo sâu 37 2.14 Độ xác yêu cầu đo sâu 40 3.1 Tần số sóng âm sử dụng tương ứng với độ sâu 71 3.2 Một số máy đa tia hãng Simrad 71 3.3 Danh mục thiết bị kết nối 83 3.4 Quy trình đo chỉnh tính toán (Patch test) 90 4.1 Khoảng cách tuyến chạy tầu đo máy đơn tia 115 5.1 Kết đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav Vũng Áng 120 5.2 Kết đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav cảng Sihanouk Ville 120 5.3 Kết đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav cảng Dung Quất 121 5.4 Số liệu gốc để tính toán đo đạc thực nghiệm 130 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn – Vũng Tàu 1.2 Tổ hợp Turbine điện gió biển Bạc Liêu – Việt Nam 1.3 Cảng biển đê chắn sóng cảng nước sâu Sơn Dương – Hà Tĩnh 2.1 Nguyên lý máy đo sâu hồi âm 20 2.2 Phân loại máy đo sâu đơn tia đa tia 22 2.3 Mối tương quan tần xuất phát xung, độ sâu góc kẹp 35 3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động phương pháp đo GPS - RTK 42 3.2 Sơ đồ nguyên lý định vị GPS vi phân 44 3.3 Sơ đồ trạm Beacon Control 47 3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống OmniSTAR 48 3.5 Sơ đồ tầm hoạt động hệ thống OmniSTAR-HP 49 3.6 Hình ảnh máy thu OmniSTAR-HP FUGRU 50 3.7 Sơ đồ bố trí không gian hệ thống Starfire 52 3.8 Nguyên lý đo đạc máy đo sâu hồi âm 53 3.9 Hình ảnh hiển thị hình máy đo sâu 54 3.10 Cách hiệu chỉnh mớn nước cạnh đáy 55 3.11 Một số dạng lắp đặt phát thu tín hiệu 59 3.12 Hình ảnh số thu phát tín hiệu sử dụng 60 3.13 Hệ qui chiếu cục tàu khảo sát 61 3.14 Trạng thái tàu đo 62 3.15 Tín hiệu âm sử dụng máy đo sâu hồi âm 64 3.16 Xác định khoảng cách thời gian lan truyền đo sâu đơn tia 64 3.17 Thuật toán xác định biên độ công nghệ đo sâu đa tia 65 ix 3.18 Thuật toán xác định pha công nghệ đo sâu 66 3.19a Tia âm phát từ hai mảng phụ 67 3.19b Xác định thời gian từ hiệu pha 67 3.20 Quá trình xử lý theo thuật toán FFT 67 3.21 Chồng phủ hệ thống MBES 69 3.22 Bố trí góc tia quét 70 3.23 Bố trí khoảng cách tia quét 70 3.24 Giao diện phần mềm QINSy 75 3.25 Qui ước trục tọa độ X,Y,Z 76 3.26 Sơ đồ kết nối hệ thống đo sâu đơn tia đa tia 78 3.27 Sơ đồ kết nối máy đo sâu đơn tia 79 3.28 Màn hình hiển thị tình trạng kết nối 80 3.29 Menu kiểm nghiệm máy đo sâu đơn tia 81 3.30 Sơ đồ kết nối hình ảnh 82 3.31 Lắp đặt hoàn thiện 83 3.32 Lắp đặt giá 83 3.33 Sơ đồ phương pháp xác định độ lệch phương vị 84 3.34 Hệ tọa độ tầu đo 84 3.35 Nhập vào phần mềm tham số tính chuyển 85 3.36 Nhập vào phần mềm giá trị mớn nước tầu đo 85 3.37 Mô đun tính độ lệch Pitch, Roll, Heading phần 86 mềm QINSy 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 x 3.42 Sơ đồ kiểm tra độ lắc dọc 90 4.1 Đồ thị biểu diễn số liệu quan trắc triều 100 4.2 Mối quan hệ kết đo sâu số liệu quan trắc thủy triều 102 4.3 Quan trắc thủy triều thước đo mực nước biển 103 4.4 Quan trắc thủy triều thiết bị đo triều kí 103 4.5 Đo vẽ BĐ ĐHĐB ven bờ công nghệ GPS-RTK 105 máy đo sâu hồi âm 4.6 Mô hình Geoid EGM 2008 khu vực ven biển Vũng Tàu 107 4.7 Kết nối phần mềm HcLoader với RoverGPS 109 4.8 Lựa chọn định dạng liệu NMEA 109 4.9 Kết thúc thiết đặt chương trình 110 4.10 Quy trình công nghệ thành lập đồ địa hình đáy biển 111 4.11 Bố trí tuyến đo sâu cảng Phú Quốc 112 4.12 Bố trí tuyến đo sâu Cam Ranh – Khánh Hòa 113 4.13 Bố trí tuyến đo dạng tia 114 4.14 Bố trí tuyến tăng dày 114 4.15 Quan hệ độ sâu độ rộng dải quét 115 5.1 Đo đạc hệ thống C-Nav Vũng Áng 119 5.2 Trạm Base đo RTK 122 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 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 cảng Hải Phòng 124 5.8 Lắp đặt cần phát biến máy đo sâu tầu đo 125 5.9 Lắp đặt ăng ten định vị tầu đo 125 138 11 Phan Văn Hiến, Nguyễn Duy Đô (2013), Giáo trình sở trắc địa công trình, Nxb Khoa học kỹ thuật Hà Nội 12 Nguyễn Văn Hiệp (2009), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trắc địa công trình biển Việt nam, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Mỏ-Địa chất,Hà Nội 13 Phạm Hoàng Lân (1998), Cơ sở Trắc địa biển, Bài giảng cho học viên cao học Trắc địa, Đại học Mỏ -Địa chất Hà Nội 14 Dương Quốc Lương, Ứng dụng công nghệ đo đạc thành lập đồ địa hình đáy biển, Tạp chí Trắc địa-Bản đồ, Hội Trắc địaBản đồ-Viễn thám Việt Nam - số 1-2008 15 Hoàng Trần Phương (2008), Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật máy đo sâu hồi âm đa tia ATLAS HYDROSWEEP MD-2 khả ứng dụng công tác đo vẽ đồ địa hình đáy biển, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Mỏ-Địa chất,Hà Nội 16 Đào Xuân Quang (2007 ),Công nghệ khảo sát dự án công trình biển, ( EGS Việt Nam, Hà Nội) 17 Phạm Văn Quang (2008), Nghiên cứu ứng dụng GPS động bố trí công trình dạng tuyến, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Mỏ-Địa chất,Hà Nội 18 Phạm Văn Quang (2014), “ Nghiên cứu đánh giá khả ứng dụng số phương pháp định vị biển công nghệ GPS việc thành lập đồ địa hình đáy biển ven bờ Việt Nam”, Tạp chí khoa học đo đạc Bản đồ, (số 24 – 6/2015), tr 24 – 29 19 Phạm Vọng Thành (1995), Đo vẽ địa hình đáy biển, Bài giảng cho học viên cao học Trắc địa, Trường Đại học Mỏ -Địa chất Hà Nội 20 Lương Ngọc Thanh nnk (1997), Nghiên cứu quy trình công nghệ tự động hoá công tác đo vẽ đồ địa hình đáy biển, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH, Viện Khoa học công nghệ Địa chính, Hà Nội 21 Nguyễn Quang Thắng, Trần Viết Tuấn (2009), Trắc địa công trình biển, Bài giảng cho học viên cao học Trắc địa, Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội 139 22 Trần Viết Tuấn, Nguyễn Văn Hiệp (2009), “Nghiên cứu khả ứng dụng công nghệ GPS hiệu chỉnh toàn cầu (Gc-GPS) trắc địa công trình biển Việt Nam”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (số 27), Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội 23 Trần Viết Tuấn, Phạm Doãn Mậu (2011), Giáo trình trắc địa biển, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật 24 Trần Viết Tuấn (2013), Nghiên cứu số giải pháp công nghệ đo vẽ đồ địa hình đáy biển ven bờ phục vụ khảo sát thiết kế công trình cảng biển Việt Nam, Tạp chí Khoa học Đo đạc Bản đồ, số 16 năm 2013 25 Trần Viết Tuấn, Phạm Văn Quang, Hoàng Ngọc Thê (2015), “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ RTK thành lập đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn”, Tạp chí Tài nguyên Môi trường, số 21 năm 2015 26 Trần Viết Tuấn, Phạm Văn Quang, Nguyễn Minh Thể (2016), “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo cao GPS để thành lập đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn”, Tạp chí Khoa học Đo đạc Bản đồ, số 27 năm 2016 27 Quy định kỹ thuật thành lập đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:50000, Bộ Tài nguyên Môi trường – tháng 2-2007 28 Quy định sở toán học, độ xác nội dung ký hiệu đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10000 Tổng cục Địa – 1998 29 Thông tư số 24/2010/TT-BTNMT Bộ tài nguyên Môi trường, “Quy định đo đạc, thành lập đồ địa hình đáy biển máy đo sâu hồi âm đa tia” 30 TCXDVN 309-2004, TCVN9398-2012, Công tác trắc địa xây dựng công trình – yêu cầu chung 31 96 TCN 43-90, Quy phạm đo vẽ địa hình Tiếng Anh: 32 A Division of C&C Technologies (2003), C-Nav GPS System Operations Manual, Washington DC 33 A.E Ingham, Hydrography for the surveyor and engineer 140 34 Alex Osborne, Lam Kai Wing GcGPS for offshore tide measurement, Geomatics World 35 David T Sand Well, Bathymetric Estimation, University of California, San Diego-1999 36 Edwin Dason, Understanding Lidar bathymetry for shallow waters and coastal mapping, XXIII FIG Congress – Munich, Germany, October 813,2006 37 Jamie MacMahan, Hydrographic surveying from personal watercraft, Journal of Surveying Engineering, February 2001 38 Kongsberg maritime AS (2010), Reference for SIS with EM 3002 39 Neptune training course, Kongsberg 2010 40 Reha Metin Alkan, GPS-single point positioning without selective availability, Department of Geodesy and photogrammetry Eng, Istanbul Technical University, Turrkey 2001 41 Trimble R7 GNSS, USA 42 Sis & EM 710 training course, Kongsberg 2010 43 Sonic(2010), Sonic2024/2022 Broadband – Multibeam Ecnosounders Operation manual V2.0 44 U.S Army Corps Engineers (2004), Engineering and Design Hydrographic surveying, Department of the Army, Washington DC Tiếng Nga: 45 Нинитеико Ю.п., Семенов В.И., Каморный В.М Топографо – геодезические работьі на шельфа далнеґо востока ГиК 1978 Ν.1 Trang Web: 46 www.cwbdiving.com 47 www.Eye4software.com 48 www.Kongsbergmaritime.com 49 www.Seamap.com 50 www.thsoa.org/hy99 51 www.Trimble.com 141 PHẦN PHỤ LỤC 142 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TÍNH ĐỘ CAO ĐÁY BIỂN THEO KẾT QUẢ QUAN TRẮC THỦY TRIỀU 143 144 145 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 146 147 148 149 150 PHỤ LỤC 3: 151 152