Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 1:5000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 15000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia (Luận văn thạc sĩ)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊAHÌNH ĐÁY BIỂN VÙNG VEN BỜ

TỶ LỆ 1:5000BẰNGCÔNG NGHỆ GNSSVÀ MÁY ĐO SÂU

HỒI ÂM ĐƠN TIA

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

NGUYỄN THANH TÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN VÙNG VEN BỜ

TỶ LỆ 1:5000BẰNGCÔNG NGHỆ GNSS VÀ MÁY ĐO SÂU

HỒI ÂM ĐƠN TIA

NGUYỄN THANH TÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 60520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐINH XUÂN VINH

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Đinh Xuân Vinh

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Ngô Văn Hợi

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS Trần Viết Tuấn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC

TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 30 tháng 12 năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoanđây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và khách quan, chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác Các số liệu, tài liệu được thu thập hoàn toàn từ thực tế sản xuất và trong các tài liệu bản thân đã sưu tầm

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thanh Tùng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được nhiều sự quan tâm, ủng hộ về mặt chuyên môn, học thuật và tinh thần từ các nhà khoa học,thầy cô giáo, các đồng nghiệp

Tác giả đặc biệt cảm ơn Tiến sĩ Đinh Xuân Vinh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả, củng cố và phát triển kiến thức về lĩnh vực nghiên cứu, khảo sát địa hình đáy biển, tích hợp các công nghệ mới, phân tích, tổng hợp số liệu một cách tối ưu để hoàn thành luận văn

Tác giả chân thành cảm ơn Ban giám đốc Đoàn đo đạc biển Miền Bắc, Lãnh đạo Trung tâm Trắc địa biển - Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam (SEAMAP), đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả triển khai tham quan, thực nghiệm,vận hành các thiết bị trên tàu đo đạc biển và trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

THÔNG TIN LUẬN VĂN vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 5

1.1 Khái quát về công tác thành lập BĐĐH đáy biển 5

1.1.1 Khái niệm bản đồ địa hình đáy biển 5

1.1.2 Mục đích của việc thành lập bản đồ địa hình đáy biển 5

1.1.3 Phân loại BĐĐH đáy biển… 6

1.2 Tổng quan về công nghệ định vị mặt bằng và độ cao trên biển… 8

1.2.1 Công nghệ định vị mặt bằng trên biển… 8

1.2.2 Công nghệ xác định độ cao trên biển 14

1.2.3.Tích hợp công nghệ định vị mặt bằng và xác định độ cao trên biển 34

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm trong công tác đo vẽ thành lập BĐĐH đáy biển38 1.3.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước 38

1.3.2 Các công trình nghiên cứu trong nước 39

1.4 Thực trạng công tác thành lập BĐĐH đáy biển ở nước ta hiện nay40 1.4.1 Bản đồ do Bộ Tài nguyên và Môi trường xuất bản 41

1.4.2 Bản đồ do Hải quân nhân dân Việt Nam xuất bản 41

1.4.3 Bản đồ chuyên dụng do các Bộ, ngành, địa phương xuất bản 42

1.4.4 Công tác thành lập BĐĐH đáy biển tỷ lệ 1: 5000 vùng ven bờ ở nước ta hiện nay 43

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐO GPS VÀ

ĐO SÂU HỒI ÂM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN TỶ LỆ

1:5000 VÙNG VEN BỜ 46

2.1 Ứng dụng công nghệ GPS và máy đo sâu hồi âm, đo vẽ BĐĐH đáy biển vùng ven bờ 46

2.1.1 Hệ thống định vị GPS trên biển 46

2.1.2 Ứng dụng máy đo sâu hồi âm đo vẽ địa hình đáy biển vùng ven bờ 51

2.1.3 Giới thiệu phần mềm QINSy 58

2.2 Giải pháp kỹ thuật đối với địa hình đáy biển vùng ven bờ 61

2.2.1 Sơ đồ kết nối hệ thống đo sâu hồi âm 61

2.2.2 Kết nối hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm đơn tia 63

2.2.3 Quy trình thành BĐĐH đáy biển bằng công nghệ DGPS và máy đo sâu hồi âm đơn tia 64

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐO VẼ THÀNH LẬP BĐĐH ĐÁY BIỂN VÙNG VEN BỜ TỶ LỆ 1:5000 BẰNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM ĐƠN TIA TẠI VÙNG BIỂN VÂN ĐỒN-QUẢNG NINH 66

3.1 Giới thiệu khu vực thực nghiệm 66

3.1.1 Đặc điểm tự nhiên 66

3.1.2 Đặc điểm Kinh tế - xã hội 68

3.2 Thiết kế kỹ thuật 72

3.2.1 Các hạng mục công việc chủ yếu của thiết kế kỹ thuật 72

3.2.2 Các văn bản pháp lý sử dụng trong thiết kế, thi công 72

3.2.3 Các tài liệu tham khảo trong quá trình thiết kế 74

3.2.4 Cơ sở toán học, độ chính xác của BĐĐH đáy biển tỷ lệ 1:5000 75

3.2.5 Nội dung của bản đồ 78

3.2.6 Thiết kế kỹ thuật 79

3.3 Triển khai công tác thực nghiệm 92

3.3.1 Mục đích thực nghiệm 92

3.3.2 Chuẩn bị số liệu gốc 92

3.3.3 Công tác đo đạc trên biển 98

3.4 Xử lý kết quả đo 105

3.4.1 Tiền xử lý 105

3.4.2 Xử lý trên QINSy 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118

1 Kết luận 118

2 Kiến nghị 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên:Nguyễn Thanh Tùng

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Đinh Xuân Vinh

Tên đề tài:Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 1:5000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia

Để hoàn thành luận văn, tác giả đã nghiên cứu tìm hiểu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ lớn và tiến hành thực nghiệm đo

vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1: 5000 tại vùng biển ven bờ Huyện Vân Đồn, Tỉnh Quảng Ninh

Trong quá trình thực nghiệm, tác giảđề xuất một số giải pháp phù hợp với vùng biển ven bờ tại Vân Đồn, Quảng Ninh Các giải pháp đó bao gồm kỹ thuật định vị vi phân DGNSS kết hợp với đo sâu hồi âm đơn tia, kỹ thuật RTK GNSS với đo sâu bằng sào tại vùng nước nông hoặc khu nuôi trồng thủy hải sản Tuy nhiên đối với mỗi giải phápcần áp dụng riêng vớitừng trường hợp cụ thể mới đem lại độ chính xác theo yêu cầu

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 GNSS - Global Navigation Satellite

System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

3 DGPS - Difference Global Positioning

System

Hệ thống định vị vi phân toàn cầu

đường đáy dài

đường đáy ngắn

đường đáy đáy cực ngắn

thực

11 WGS-84 - World Geodetic System-1984 Hệ thống trắc địa thế giới

1984

12 Laser - Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation

Tăng cường ánh sáng bằng kích thích phát xạ bức xạ

13 LIDAR - Light Detection And Ranging Phát xạ ánh sáng laser

tốc âm thanh

System

Hệ thống vệ tinh tăng cường

21 QPS - Quality Positioning Services Dịnh vụ chất lượng định vị

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Số liệu tọa độ điểm gốc.……….……….93

Bảng 3.2.Kết quả tính chuyển về múi chiếu 30… ………93

Bảng 3.3 Số liệu độ cao điểm gốc ………94

Bảng 3.4 Thành quả tọa độ phẳng, độ cao sau bình sai……… 95

Bảng 3.5 Thông số máy thu GPS và antenna……….96

Bảng 3.6 Thành quả tọa độ và độ cao điểm trạm Base sau bình sai……… 97

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phương pháp giao hội góc thuận……… 9

Hình 1.2.Phương pháp giao hội góc nghịch……….9

Hình 1.3.Phương pháp tọa độ cực……… 10

Hình 1.4.Thiết bị định vị thủy âm……… 13

Hình 1.5.Đo sâu thu công bằng sào………15

Hình 1.6.Máy đo tốc độ sóng âm MiniSVP ……… 18

Hình 1.7.Độ rộng giải tần truyền ……… 21

Hình 1.8 Độ phân giải phụ thuộc vào độ rộng xung ………22

Hình 1.9.Máy đo sâu hồi âm ODOM-HYDROTRAC ……… 24

Hình 1.10.Đầu dò tần số 200KHz sử dụng cho máy đo sâu hồi âm đơn tia của hãng ODOM (USA)………24

Hình 1.11.Đo sâu hồi âm đa tia……… 25

Hình 1.12 Nguyên lý đo sâu hồi âm……… 26

Hình 1.13.Đo sâu bằng máy quét địa hình đáy biển……… 27

Hình 1.14.Ghi sóng âm phản xạ từ địa vật lồi lên……… 28

Hình 1.15.Ghi sóng âm phản xạ từ phần lõm……….29

Hình 1.16.Phương pháp đo sâu laser……… 31

Hình 1.17.Nguyên lý xác định độ sâu trong kỹ thuật đo sâu xử lý sau…… 35

Hình 1.18.Sơ đồ mô tả nguyên tắc xác định độ cao đáy biển bằng kỹ thuật RTK GPS……….36

Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống DGPS……….47

Hình 2.2 Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia……….51

Hình 2.3.Hình ảnh hiển thị trên màn hình của máy đo sâu CEE CHO…… 52

Hình 2.4 Hiệu chỉnh mớn nước và cạnh đáy……… 53

Hình 2.5.Các trạng thái của tàu……… 57

Hình 2.6.Màn hình máy tính trên tàu tích hợp phần mềm dẫn đường QINSy theo tuyến đo đã thiết kế……… 60

Hình 2.7.Sơ đồ kết nối hệ thống đo hồi âm đơn tia, đa tia……….62

Hình 2.8.Sơ đồ kết nối máy đo sâu đơn tia………63

Hình 2.9.Sơ đồ quy trình thành lập BĐĐH đáy biển……….64

Hình 3.1 Bản đồ hành chính huyện Vân Đồn……….67

Hình 3.2 Toàn cảnh cầu cảng Vân Đồn……… 70

Hình 3.3 Toàn cảnh trạm DGPS Đồ Sơn - Hải Phòng……… 77

Hình 3.4 Thực nghiệm đo sâu tại vùng biển Vân Đồn……… 80

Hình 3.5 Máy đo sâu hồi âm CEE ECHO ghép nối với máy định vị Trimble SPS 351và phần mềm QINSy, lắp đặt trên tàu đo……… 81

Hình 3.6 Thước đo mực nước và máy triều kí tự động Valeport………… 84

Hình 3.7 Thiết bị thu và phát tín hiệu cải chính DGPS tại trạm Đồ Sơn… 86

Hình 3.8 Trạm Base, thực nghiệm đo vẽ vùng tiếp bờ bằng công nghệ RTK GPS…89 Hình 3.9 Biên tập BĐĐH đáy biển bằng phần mềm Microstation SE…… 92

Hình 3.10 Thiết kế vị trí đặt mốc TP1TĐB3 và TP1TĐB4……… 95

Hình 3.11 Sơ đồ lưới kiểm tra thiết bị đo biển……… 96

Hình 3.12 Sơ đồ lưới trạm Base đo RTK GPS……… 97

Hình 3.13 Lắp đặt antenna máy thu GPS trùng với tâm của đầu dò……… 98

Hình 3.14 Giao diện cơ bản của QINSy……… 107

Hình 3.15 Giao diện cài đặt tham số ban đầu……… 108

Hình 3.16 Giao diện chương trình xử lý sau của QINSy……….108

Hình 3.17.Giao diện nhập dữ liệu thủy triều………109

Hình 3.18 Giao diện chương trình cải chính thủy triều………109

Hình 3.19 Tùy chọn về dữ liệu thủy triều………110

Hình 3.20 Độ sâu đáy biển thể hiện lại trên giao diện phần mềm…………110

Hình 3.21 Thực hiện cải chính thủy triều cập nhật cơ sở dữ liệu đo sâu….111 Hình 3.22 Đồ thị độ sâu đường KT-32 sau hiệu chỉnh thủy triều…………112

Hình 3.23 Xuất dữ liệu định dạng ASCII……….113

Hình 3.24 Xuất dữ liệu theo các tham số tùy chọn……… 113

Hình 3.25 Tuyến đo sâu khảo sát đáy biển tỷ lệ 1:5000……… 113

Hình 3.26 Biên tập BĐĐH đáy biển ven bờ Vân Đồn……….117

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta có diện tích hơn 330.000km² bao gồm khoảng 327.480km² đất liền và hơn 4.200km² biển nội thuỷ, với hơn 4000 hòn đảo, bãi đá ngầm lớn nhỏ gần và xa bờ Có 28 trong tổng số 63tỉnh 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 Theo số liệu công bố của Bộ Khoa học - Công nghệ thì chiều dài bờ biển Việt Nam là 3.350km; và xếp hạng thứ 32 về chiều dài đường bờ biển trong tổng số 156 quốc gia có biển trên Thế giới Hiện nay, trước sức ép của tốc độ gia tăng dân số ngày càng nhanh, nhu cầu phát triển kinh tế ngày càng cao, trong bối cảnh các nguồn tài nguyên đất liền ngày càng cạn kiệt, nhiều quốc gia ven biển đã có những chiến lược dài hạn, đẩy mạnh khuynh hướng tiến ra biển, khai thác biển, làm giàu từ biển

Để tiếp tục phát huy các tiềm năng của biển trong thế kỷ XXI, Hội nghị lần thứ tư ban Chấp hành Trung ương Đảng (khoá X) đã thông qua Nghị quyết

số 09-NQ/TW ngày 9/2/2007 “Về chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020”, trong đó nhấn mạnh “Thế kỷ XXI được thế giới xem là thế kỷ của đại dương” Việc khai thác biển, dù đối tượng là loại tài nguyên gì (kể cả việc đánh bắt hải sản gần bờ), để bảo đảm tính bền vững, luôn đòi hỏi một trình độ công nghệ cao, và thường là công nghệ khác với các loại công nghệ sử dụng trên đất liền

Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, điều tra và khảo sát trên biển, đòi hỏi tất yếu đối với nước ta là phải tiếp cận ứng dụng các công nghệ khoa học kỹ thuật hiện đại trong công tác trắc địa, thành lập bản đồ biển khu vực cửa sông, cảng biển để phục vụ nhiệm vụ quản lý biển của các Bộ, Ngành và Địa

phương liên quan, góp phần quan trọng phục vụ quy hoạch phát triển kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền lãnh hải

Sự phát triển mạnh mẽ và ngày càng hoàn thiện của công nghệ GNSS đã giúp cho việc xác định vị trí dựa vào công nghệ này trở nên chính xác và thuận tiện hơn Ngày nay việc ứng dụng công nghệ GNSS kết hợp với máy đo sâu hồi âm để thành lập bản đồ địa hình đáy biển ở nước ta đã trở nên phổ biến Tuy vậy 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, chúng ta đều sử dụng thiết bị, máy móc của nước ngoài, với quy trình đo vẽ do hãng chế tạo quy định

Thực tiễn cho thấy, nghiên cứu kỹ lưỡng việc ghép nối, tích hợp thiết bị, công nghệ, kỹ thuật kiểm nghiệm và hiệu chỉnh thiết bị đo trong đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn sao cho phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất của Việt Nam là rất cần thiết Với mục đích là đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác kết quả đo sâu, phù hợp điều kiện thi công tại hiện trường, giá thành và tiến độ thi công hiệu quả, tận dụng khả năng của các thiết bị, kết hợp nhiều kỹ thuật đo khác nhau, đây là một bài toán kinh tế - kỹ thuật khó

Từ những lý do trên luận văn tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 1:5000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia”

2 Mục tiêu nghiên cứucủađề tài

Mục tiêu của luận văn là:Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ tỷ lệ 1:5000 bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi

âm đơn tia

3 Phương pháp nghiên cứu

3.1 Phương pháp tổng hợp kế thừa

Thu thập các tài liệu đã có, các tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có liên quan đã được công bố, cập nhật các thông tin mới trên mạng, kế thừa các thành quả có liên quan đến nội dung của luận văn

Phân tích nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó lựa chọn sử dụng thông tin phù hợp

3.2 Phương pháp đánh giá và khai thác công nghệ

Khai thác các công nghệ đo sâu và công nghệ định vị trên biển Chọn lọc các phương pháp phù hợp với điều kiện vùng biển ven bờ

Phân tích thực trạng công tác đo đạc và đề xuất giải pháp phù hợp thành lập bản đồ địa hình đáy biển vùng ven bờ

3.3 Phương pháp chuyên gia

Xin ý kiến góp ý của giáo viên hướng dẫn, các nhà khoa học, các đồng nghiệp về các nội dung trong luận văn

4 Nội dung nghiên cứu

-Nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh GPS phù hợp điều kiện thi công trên biển vùng ven bờ

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo sâu hồi âm đơn tiaxác định độ sâu đáy biển vùng ven bờ

- Nghiên cứu tìm hiểu về quy trình thành lậpBĐĐHđáy biển tỷ lệ 1:5000 vùng ven bờ bằng công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm đơn tia Đem lại hiệu quả về giá thành, nhân lực và độ chính xác yêu cầu

Chương 3: Thực nghiệm đo vẽ thành lập BĐĐH đáy biển vùng ven bờ tỷ

lệ 1:5000 bằng công nghệ GPS và máy đo sâu hồi âm đơn tia tại vùng biển Vân Đồn - Quảng Ninh

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ THÀNH LẬP

BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 1.1 Khái quát về công tác thành lập BĐĐH đáy biển

1.1.1 Khái niệm bản đồ địa hình đáy biển

Bản đồ địa hình đáy biển là sự kéo dài tự nhiên của bản đồ địa hình lục địa về phía biển, vì vậy nó có nội dung và cách trình bày tương tự như BĐĐH lục địa Như vậy BĐĐH đáy biển là một loại BĐĐH, trên đó phải thể hiện đầy đủcác yếu tố địa hình dưới đáy biển, các địa vật có trên vùng biển, trong cùng một hệ thống tọa độ, độ cao thống nhất với BĐĐH trên đất liền của Quốc gia đó[1]

Các yếu tố địa hình trong bản đồ biển liên quan tới đường mép nước hay còn gọi là đường coastlining Vì thế nó liên quan tới thủy triều và mực nước với sự dao động từ thấp tới cao Việc thành lập BĐĐH đáy biển yêu cầu nâng cấp mạng lưới khống chế trắc địa ven biển, bằng cách chêm dày và nâng cao

độ chính xác vị trí mốc, kết hợp khống chế mặt bằng và khống chế độ cao Cần phải có giải pháp xác định độ lệch dị thường độ cao hoặc độ cao Geoid khu vực ven biển và biển cả Đó là điều kiện cần thiết để truyền độ cao ra các đảo bằng công nghệ định vị vệ tinh[2]

1.1.2 Mục đích của việc thành lập bản đồ địa hình đáy biển

Bản đồ địa hình đáy biển phục vụ nhiệm vụ quản lý biển của các Bộ, Ngành và Địa phương, góp phần quan trọng phục vụ quy hoạch phát triển kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền lãnh hải Cụ thể là cung cấp phương án cho các tàu cập bến cảng hoặc các cuộc đổ bộ đường biển của quân đội.Bản đồ địa hình đáy biển còn được sử dụng nhằm mục đích: xác định đường cơ sở dùng

để tính chiều rộng lãnh hải; xác định ranh giới các vùng biển nội thủy, xác

định lãnh hải, xác định vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa; xác định vị trí các đảo nhân tạo, các công trình trên biển, tuyến cáp hoặc dây dẫn ngầm, thể hiện các tuyến đường và cách bố trí phân chia luồng giao thông trong lãnh hải; các khu vực an toàn, các khu bảo tồn biển; sử dụng cho các hoạt động biển (khai thác, bảo vệ tài nguyên, giao thông hàng hải; nghiên cứu khoa học biển; bảo vệ môi trường biển); là cơ sở để thiết kế xây dựng các công trình thủy, phát triển ngư trường, qui hoạch tuyến vận tải biển, nghiên cứu môi trường, thăm dò và khai thác dầu khí,…là cơ sở đàm phán, phân định các đường ranh giới biển, giải quyết các tranh chấp biển

1.1.3 Phân loại BĐĐH đáy biển

Dựa vào tỷ lệ để phân loại thì BĐĐH đáy biển được chia làm ba nhóm lớn sau:

- BĐĐH đáy biển tỷ lệ lớn

Bao gồm các loại bản đồ tỷ lệ như 1:1000, 1:2000 và 1:5000 Tuỳ thuộc vào mục đích cụ thể mà ta chọn tỷ lệ đo vẽ cho phù hợp Ví dụ: Để thiết kế cảng biển thường dùng bản đồ tỷ lệ 1:1000 và 1:2000; để khảo sát và thiết kế giàn khoan dùng bản đồ tỷ lệ 1:2000; để khảo sát khu vực đánh bắt hải sản hay thăm dò khoáng sản dùng bản đồ tỷ lệ 1:5000

- BĐĐH đáy biển tỷ lệ trung bình

Bao gồm các loại bản đồ tỷ lệ từ 1:10.000, 1:200.000 Đây là hệ thống bản đồ tỷ lệ cơ bản vì nó phục vụ cho nhiều ngành, nhiều đối tượng, nhiều mục đích khác nhau

- BĐĐH đáy biển tỷ lệ nhỏ

Bao gồm các loại bản đồ tỷ lệ 1:500.000 và nhỏ hơn Dựa vào yêu cầu mức độ khái quát địa hình đối với vùng biển mà ta có thể xác định tỷ lệ thành

lập là 1:500.000, 1:1000.000,…các bản đồ này sẽ được thành lập bằng cách biên vẽ từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn

Phân loại theo độ sâu khu vực đo vẽ

- Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000: Bao trùm những vùng quan trọng ven bờ, nơi có các hoạt động kinh tế mạnh như Cẩm Phả, Hải Phòng, Cửa Lò, Sông Gianh, Đà Nẵng, Qui Nhơn, Nha Trang và các cửa sông lớn Các bản đồ này có khoảng sâu đều đường bình độ là 1 m

- Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:25.000: Được thành lập dọc theo bờ biển Việt Nam và một số đảo như Bạch Long Vĩ, Phú Quốc,…Các bản đồ này

có khoảng sâu đều đường bình độ là 2m

- Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:100.000: Bao trùm thềm lục địa Việt Nam, khoảng sâu đều đường bình độ là 10m

- Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:200.000: Bao trùm vùng đặc quyền kinh tế biển với độ sâu tới 200m, khoảng sâu đều đường bình độ là 20m Xuất phát từ mục đích, yêu cầu sử dụng bản đồ và do mức độ phức tạp, khó khăn của công tác đo vẽ BĐĐH đáy biển, người ta thường đo vẽ bản đồ

tỷ lệ nhỏ hơn so với bản đồ đo vẽ trên đất liền Tỷ lệ 1:250.000 hoặc 1:200.000 thường lấy là tỷ lệ cơ bản cho BĐĐH đáy biển Loại bản đồ này được đo vẽ trên toàn bộ diện tích của lãnh hải và vùng đặc quyền kinh tế Đối với vùng thềm lục địa, những nơi có độ sâu nhỏ và trung bình có thể đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:50.000 và 1:100.000[1]

Ở những khu vực cần tiến hành khảo sát chi tiết phục vụ lập luận chứng kinh tế, thiết kế, khai thác, xây dựng các công trình ven biển, người ta sẽ tiến hành đo vẽ BĐĐH đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và lớn hơn

1.2 Tổng quan về công nghệ định vị mặt bằng và độ cao trên biển

1.2.1 Công nghệ định vị mặt bằng trên biển

a Khái niệm về công tác định vị trên biển

Trên mặt đất hay trên biển, thì nhiệm vụ của công tác trắc địa đều liên quan đến vấn đề đo đạc để tìm ra vị trí điểm cần xác định Hiện nay do sự phát triển của ngành kinh tế biển trong sự tăng trưởng của nền kinh tế quốc dân, nên yêu cầu độ chính xác xác định vị trí trên biển ngày càng cao, nhằm đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật cho các ngành khoa học liên quan đến công khảo sát, thăm dò và khai thác tài nguyên biển Chính vì vậy công tác định vị trên biển có một vai trò quan trọng trong lĩnh vực trắc địa biển ở nước ta

Để đo vẽ địa hình đáy biển trước hết phải lập lưới khống chế cơ sở, mặt bằng và độ cao, trong đó ngoài các phương pháp truyền thống, hiện nay phần nhiều đã ứng dụng công nghệ GNSS Trong quy trình đo vẽ địa hình đáy biển phải tiến hành công tác định vị trên biển để dẫn đường cho tàu đo sâu đi theo tuyến đo đã thiết kế, và định vị các điểm đo sâu, vì vậy mà các phương pháp đo đạc định vị trên biển có ý nghĩa rất quan trọng khi thực hiện

đo vẽ BĐĐH đáy biển

b Các phương pháp định vị trên biển

*Phương pháp giao hội góc thuận

Phương pháp giao hội góc thuận là phương pháp xác định vị trí điểm áp dụng cho khu vực gần bờ mà trên đó đã có lưới khống chế dày đặc hoặc các điểm định hướng vị trí của tàu hay mục tiêu được xác định bằng 3 máy kinh

vĩ đặt trên ba điểm đã biết tọa độ nằm trên đất liền Do tính biến động của môi trường biển nên công tác xác định cần phải thực hiện một cách đồng bộ nhờ

cờ hiệu và bộ đàm Phương pháp chỉ tác dụng trong phạm vi cách bờ từ 25km với độ chính xác đạt từ 5-15m

20-Hình 1.1:Phương pháp giao hội góc thuận

* Phương pháp giao hội góc nghịch

Hình 1.2:Phương pháp giao hội góc nghịch

Để tiến hành ít nhất trên hai hướng, giữa các điểm định hướng hay điểm khoảng cách nằm trên bờ, thiết bị sử dụng là máy sekstan, thường được xác

(Các tuyến đo sâu)

(Điểm trắc địa)

(Các tuyến đo sâu)

(Điểm trắc địa)

định đồng thời với hai người quan sát Phương pháp này chỉ thực hiện ở phạm

vi cách bờ từ 20- 25km và độ chính xác đạt được từ 10-15m

Thông thường mỗi tuyến đo sâu xác định bằng 3 điểm: điểm đầu, điểm giữa và điểm cuối Trong trường hợp đường đo quá dài số lượng điểm có thể nhiều hơn

Trong phương pháp này, độ chính xác phụ thuộc vào các góc kẹp Giá trị này càng lớn thì mô hình càng chính xác Người ta cố gắng thiết kế sao cho các góc kẹp lớn hơn 300

Trong phương pháp này, độ chính xác điểm P phụ thuộc vào sai số góc

đo góc 𝛽và sai số đo cạnh S

* Phươngpháp thiên văn

Khi tiến hành công tác ngoài khơi còn sử dụng phương pháp thiên văn và phương pháp tính toán đường đi để xác định vị trí của tàu Phương pháp tính toán dựa trên cơ sở góc và vận tốc của tàu

(Trạm máy)

𝛽

𝑆

𝑃

Ưu điểm: dùng được ngoài khơi

Nhược điểm: độ chính xác thấp 4-5km với khoảng hai giờ đo

* Phương pháp định vị Radio

Dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ, người ta có thể xác định được khoảng cách từ trạm phát tín hiệu radio đến trạm đặt máy thu Nguyên tắc chung của hệ thống đạo hàng vô tuyến là dự vào một số trạm phát sóng (tín hiệu radio) đặt trên đất liền có vị trí đã xác định (trong hệ tọa độ), có thể xác định được vị trí của các đối tượng (tàu, thuyền, máy bay) trên các đối tượng

đó gắn các đối tượng thu tín hiệu nói trên

* Phương pháp định vị bằng hệ thống thủy âm

Hiện nay việc xác định vị trí theo các phao tiêu thủy âm được đặt ở đáy biển được coi là chính xác ở ngoài khơi không thấy bờ Các phao tiêu thủy âm được đặt tạm thời trong giai đoạn triển khai công tác cụ thể Tuy vậy người ta đang nghiên cứu làm các phao tiêu cố định dài hạn đóng vai trò các tiêu mốc trắc địa dưới đáy biển

Các thiết bị thủy âm đặt trên tàu nhằm mục đích xác định vị trí tàu so với các phao tiêu đặt ở đáy biển Tùy theo cấu tạo các thiết bị thủy âm này, cho phép đo khoảng cách từ tàu tới các phao tiêu, hiệu khoảng cách từ tàu tới hai phao tiêu, đo khoảng cách dịch chuyển Dopler của tần số tín hiệu do phao tiêu phát đi

Các hệ công nghệ định vị thủy âm:

- Hệ thống định vị thủy âm đường đáy dài - LBL

Cung cấp khả năng định vị điểm chính xác trên một khu vực rộng lớn, thông qua các bộ máy thu phát đặt dưới đáy biển hoặc trên tàu biển Bộ phát được kiểm soát bởi một đầu dò (đầu phát biến) lắp trên tàu biển Các kết nối

giữa các trạm thu phát dưới đáy biển được gọi là cạnh đáy (baseline) Các cạnh đáy có thể từ 50m đến 6000m, tùy thuộc vào độ sâu đáy biển, tần số âm thanh được sử dụng và môi trường biển

Kỹ thuật LBL cung cấp khả năng định vị điểm độ chính xác cao Nếu có nhiều hơn ba trạm LBL dưới đáy biển, phương pháp bình phương nhỏ nhất được sử dụng để tìm ra vị trí tối ưu

- Hệ thống định vị thủy âm đường đáy ngắn - SBL

Kỹ thuật SBL được hình thành dựa trên hai điểm cơ sở ở đầu tàu và cuối tàu tạo thành một cạnh đáy Cạnh đáy này liên kết với các bộ thu phát thủy

âm đặt tại đáy biển để tạo thành các tam giác không gian Tại thân tàu, người

ta bố trí từ ba đến bốn đầu dò thủy âm cách nhau thừ 10m đến 100m Các đầu

dò thủy âm này kết nối với bộ xử lý âm thanh mà tàu đã sản xuất ra

Các bộ thu phát thủy âm đặt dưới đáy biển còn được gọi là các mục tiêu định vị thủy âm (beacon) Các mục tiêu định vị này phát tín hiệu tới các đầu

dò gắn trên thân tàu Thông qua tín hiệu phản hồi, người ta biết được vận tốc

âm thanh trong cột nước dưới thân tàu, đồng thời bộ xử lý trung tâm cũng xác định được khoảng cách bù (offset) giữa thân tàu với điểm định vị thủy âm dưới đáy biển

- Hệ thống định vị thủy âm đường đáy cực ngắn - USBL

Hệ thống USBL bao gồm 3 hoặc 4 đầu dò được tích hợp trong một đầu

dò duy nhất Kỹ thuật so sánh pha được sử dụng để đo góc tới của tín hiệu thủy âm, bao gồm cả góc bằng và góc cao Do đó, tiêu định vị thủy âm cố định hoặc di động dưới đáy biển có thể được xác định bởi phép đo khoảng cách tương quan giữa vị trí của tàu với mục tiêu đó.Kỹ thuật USBL cung cấp

vị trí tham khảo đầu vào cho trạng thái vị trí động của thân tàu, đồng thời cũng thuận tiện cho việc theo dõi hướng đi của con tàu

Hình 1.4: Thiết bị định vị thủy âm 1- Định vị thủy âm đường đáy dài.

2- Định vị thủy âm đường đáy ngắn.

3- Định vị thủy âm đườngđáy cực ngắn.

4- Bộ tiếp âm

* Định vị trên biển bằng công nghệ GNSS

Tại Việt Nam, Bộ Tài Nguyên và Môi Trường đang áp dụng các công nghệ với các trang thiết bị định vị trên biển như:

Công nghệ định vị khoảng cách xa để xây dựng hệ thống điểm tọa độ, độ cao trên vùng biển

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

Công nghệ định vị đối tượng động để định vị tức thời tàu khảo sát: Công nghệ này sử dụng để dẫn đường cho các tàu đo đạc hoạt động trên biển và xác

định tọa độ các điểm đo sâu trên mặt địa hình đáy biển, xác định tọa độ các địa vật trên biển và dưới mặt nước biển

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

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

để đo vùng biển ven bờ (cách xa bờ dưới 60km); Công nghệ DGPS với các trạm cố định phát số hiệu cải chính sai phân trên tần số radio trong giải tần sóng trung bình với tầm hoạt động từ 500 - 700km Với việc đã có hai trạm định vị GPS cố định ở Đồ Sơn (Hải Phòng) và Vũng Tàu, và cùng với trạm định vị GPS cố định ở Quảng Nam đang đi vào hoạt động, tầm phủ sóng cải chính sai phân DGPS của ba trạm này đã gần như phủ trùm toàn vùng biển phía đông Việt Nam

- Công nghệ RTK GNSS dùng để định vị độ chính xác cao cỡ cm Đã trang bị các loại máy thu GNSS hai tần số có cài đặt chức năng RTK cùng các thiết bị radiolink với tầm hoạt động đến 20km

1.2.2 Công nghệ xác định độ cao trên biển

a Mục đích đo sâu trong đo vẽ địa hình đáy biển

Mục đích của công tác đo sâu là xác định độ cao địa hình đáy biển Công tác đo sâu được thực hiện khi đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển, trong khảo sát thăm dò tài nguyên trên biển, trong khảo sát thiết kế và thi công các công trình trên biển và trong nhiều chuyên ngành khoa học biển khác

Khi thành lập BĐĐH trên đất liền, có thể đo chi tiết đúng vào các điểm đặc trưng địa hình, song khi đo địa hình đáy biển do không thể quan sát được dáng địa hình đáy biển bằng mắt nên không thể thực hiện điều này Chính vì vậy, khi đo sâu người ta phải đo với mật độ tương đối đồng đều trên một khu vực nhất định Hiện nay ở nước ta, đã có các thiết bị đo sâu hồi âm đơn tia, đa

tia, cho phép xác định được toàn bộ bề mặt địa hình đáy biển một các rất chi tiết với tập hợp rất nhiều trị đo trên một diện tích nhỏ

Công nghệ đo sâu đơn tia, đa tia, máy quyét địa hình đáy biển; hệ thống đo sâu hàng không; hệ thống đo sâu laser, Những công nghệ tiên tiến này cho phép xác định địa hình đáy biển về mặt hình học và các tính chất vật lý của biển một cách nhanh chóng, chính xác đem lại hiệu quả về thời gian và kinh tế

b Giới thiệu các phương pháp đo sâu trong đo vẽ địa hình đáy biển

* Phương pháp đo sâu thủ công

Đây là phương pháp đo sâu rất đơn giảnvà xuất hiện từ rất lâu Thiết bị

và cách sử dụng rất đơn giảncó thể phân làm làm hai loại sau:

- Dây dọi: Làm bằng dây không co giãn,trên đó khắc vạch chia đơn vị đo chiều dài và một đầu có buộc vật nặng

- Sào đo sâu: Là những sào gỗ hoặc nhôm trên đó có khắc vạch chia đơn

vị đo chiều dài, một đầu có tay cầm

Hình 1.5: Đo sâu thủ công bằng sào

Phương pháp đo sâu thủ công được áp dụng trong những tình huống

mà khu đo không thể thực hiện bằng phương pháp đo sâu hồi âm Phương pháp này đặc biệt thích hợp khi dưới mặt nước khảo sát là đá hay bê tông, trên mái dốc của các con đê, cập mạn tàu khảo sát (gần bờ) Vì trong những trường hợp kể trên phương pháp đo sâu hồi âm có thể cho kết quả không chính xác Hiện nay phương pháp đo sâu thủ công vẫn được dùng kết hợp với phương pháp đo sâu hồi âm như là một cách thức kiểm nghiệm máy hay là một phương pháp hỗ trợ tích cực

* Công nghệ đo sâu hồi âm trong đo vẽ thành lập bản đồ địa hình khu vực ven biển

-Sóng âm và các đặc tính của sóng âm truyền trong môi trường nước

Như ta đã biết sóng điện từ với bản chất là sóng ngang, nó có thể lan truyền trong môi trường không khí với vận tốc rất nhanh và đi được rất xa, nhưng nó lại không thể truyền đi xa trong môi trường nước Ngược lại sóng

âm là sóng dọc nên nó có thể truyền trong mọi môi trường rắn, lỏng, khí Vì vậy sóng âm là tín hiệu phù hợp nhất để có thể sử dụng trong các thiết bị khảo sát dưới nước

Sóng âm tạo ra do sự dao động của áp lực trong môi trường nước Sóng biển thông thường di chuyển theo phương dọc, từ sau đến trước trong hướng truyền đi của sóng, nó gây ra cho các vùng xung quanh sự nén lại hoặc giãn ra

Cường độ của sóng âm I, là tổng năng lượng trên một đơn vị diện tích trong một giây

Cường độ sóng âm được tính bởi:

p là hiệu suất âm thanh, giá trị này được tính bởi sai số trung

phương của biên độ áp suất lớn nhất P là:

+ Máy đo vận tốc sóng âm

Là một thiết bị sử dụng phổ biến để đo vận tốc sóng âm truyền trong nước (Hình 1.6) Dụng cụ này có một thiết bị cảm biến về áp suất để đo độ sâu, một thiết bị phát và thiết bị phản xạ trên một khoảng cách xác định trước

d Vận tốc sóng âm được tính bởi công thức c = 2𝑑

∆𝑡 , trong đó ∆𝑡là hai lần thời gian mà sóng âm truyền giữa bộ phát và bộ phản xạ

+ Thước đo nhiệt độ

Thước đo nhiệt độ là thiết bị mà điện trở suất của nó phụ thuộc vào nhiệt

độ (phụ thuộc vào tổng lượng nhiệt bức xạ vào bên trong từ nước biển) Thước đo nhiệt độ được sử dụng để đo nhiệt độ tại nhiều độ sâu khác nhau ở một vị trí trên biển Thước này thường được thả xuống biển, nó bao gồm

nhiều thiết bị được đặt cách nhau trong cùng một dây cáp Mẫu số liệu được lấy liên tiếp và ghi lại nhiệt độ giống như một hàm của thời gian

Hình 1.6:Máy đo tốc độ sóng âm MiniSVP

+ Hoạt động của thiết bị

Vấn đề quan trọng khi sử dụng máy đo vận tốc sóng âm là cần hiệu chỉnh các yếu tố đầu vào, cài đặt các thông số và hiệu chỉnh áp suất với độ sâu

đo đạc thực tế

Cần phải nhấn mạnh rằng, trong việc hiệu chỉnh áp suất, thiết bị đo vận tốc sóng âm không nên đặt trong ngăn điều áp hoặc hiệu chỉnh với một đại lượng sai lệch sẽ gây ra sai về độ sâu

Trước khi hoạt động, thiết bị cần được đặt trong nước khoảng 15 phút cho cân bằng nhiệt độ, đó cũng là yêu cầu bắt buộc để việc xác định vận tốc sóng âm được bảo đảm

+ Ghi và xử lý dữ liệu

Dữ liệu về vận tốc âm thanh phải được kiểm tra cẩn thận và hiệu chỉnh ở những nơi có độ sâu bất thường khi phát hiện thấy

Nói chung, thiết bị ghi được cả chiều sâu đáy nước và cả vận tốc truyền âm theo hai chiều lên, xuống Các dữ liệu này phải được đối chiếu

và so sánh, nhằm xác định chính xác các tham số Sau dó mới tổng hợp thành hồ sơ cuối cùng

Đối với các tín hiệu truyền theo chiều thẳng đứng (ví dụ0 = 00), vận tốc truyền âm (ch ) cho độ sâu Zn thu được bởi công thức:

n n

h

c

c g

z z

c

ln 1 )

i i i

z z

c c

- Sự truyền sóng âm trong nước biển

+ Sự suy giảm sóng âm

Sự suy giảm sóng âm là sự mất năng lượng do quá trình truyền sóng Tùy thuộc vào sự thu hút, sự lan tỏa của âm thanh và sự phân tán bởi các phần tử trong nước

Sự lan truyền sóng phụ thuộc vào dạng hình học của chùm sóng, năng lượng sóng âm lan truyền trên một diện tích rộng hơn thì nguồn năng lượng phát sẽ tăng lên Ví dụ: khoảng cách phát từ tàu tới đáy biển tăng, do dạng hình học của sóng là hình nón nên diện tích đáy nón sẽ tăng

Tuy nhiên, sự mất năng lượng từ sự phân tán lại phụ thuộc vào một phần hoặc tổng thể của vật chất trong nước biển Sự phân tán chủ yếu phụ thuộc vào sinh vật biển, tương ứng là lớp độ sâu phân tán

+ Tham số của sóng âm

Đặc tính của hồi âm được xác định bởi bộ phát, cụ thể là hướng truyền

và độ rộng của chùm tia,

Tần số:

Tần số sóng âm thanh trong đo sâu hồi âm để xác định độ sâu và độ dày của lớp trầm tích ở đáy biển Sự suy giảm của tín hiệu âm thanh trong nước tỉ

lệ với tần số sóng âm Tần số càng cao thì sự suy giảm càng lớn, vì vậy độ sâu

đo được sẽ giảm

Độ rộng của chùm tia phụ thuộc vào bước sóng và kích thước của bộ phát sóng Với độ rộng không đổi, tần số thấp hơn sẽ cần một bộ phát sóng có kích thước lớn hơn Tần số thông dụng của thiết bị đo sâu hồi âm như sau:

Độ sâu nhỏ hơn 100m: Tần số lớn hơn 200 kHz;

Độ sâu nhỏ hơn 1500m: Tần số từ 50kHz đến 200 kHz;

Độ sâu lớn hơn 1500m: Tần số từ 12 kHz đến 50 kHz;

Tần số dùng để đo lớp trầm tích đáy biển nhỏ hơn 8 kHz

số có giá trị gần với tần số cộng hưởng và do đó nó là một dải tần số hẹp

Quá trình thu nhận phải thu được các tín hiệu một cách rõ ràng mặc dù dải tần số phát hạn chế Độ rộng của dải tần số truyền nên thỏa mãn W  1 /, trong đó 𝜏 là độ rộng của xung

Hình 1.7: Độ rộng giải tần truyền

(-3 dB)

f 1 f 2 f 3 Tần số

Độ lớn của xung:

Độ lớn của xung xác định năng lượng truyền trong môi trường nước, với cùng một nguồn năng lượng, độ rộng xung càng lớn thì năng lượng cung cấp càng cao và độ sâu đo được càng lớn

Để thuận lợi cho một bộ phát sóng với tần số cộng hưởng của nó, độ lớn của xung bé nhất nên bằng một nửa chu kỳ tự nhiên của nó Sự bất lợi của xung lớn là độ phân giải theo trục đứng bị giảm khi xác định hai đối tượng liềnkề

Hình 1.8: Độ phân giải phụ thuộc vào độ rộng xung

* Nguyên lý chung 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

Khi tàu đo đi trên mặt nước sẽ đo được một đường độ sâu liên tục, các tuyến đo sâu thường được thiết kế song song với nhau, do đó mà chúng ta thu được một tập hợp các điểm độ sâu ở khu vực khảo sát Thông qua sự biến đổi của độ sâu đo được có thể xác định địa hình đáy biển

Cấu trúc của máy đo sâu hồi âm: Các máy đo sâu hồi âm bao gồm các

bộ phận chính sau:

- Đồng hồ: Đồng hồ trong máy đo sâu hồi âm là đồng hồ chính xác, dựa trên dao động điện rất ổn định của tinh thể thạch anh khi chịu tác động của điện áp kích thích

- Nguồn phát xung: Nguồn phát xung là nguồn điện, nguồn này phát ra các xung điện dạng răng cưa với dãn cách ổn định cao

- Bộ biến đổi: Bộ biến đổi (đầu dò) có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành âm năng khi phát tín hiệu và biến đổi âm năng thành điện năng khi thu tín hiệu Tín hiệu âm thanh được lan truyền theo chùm tia hình nón từ bộ phận gọi là cần phát biến.Do bộ phận biến đổi rất nhạy với các dao động cơ học do

đó để tránh ảnh hưởng của các dao động khác, người ta bố trí bộ phận biến đổi ở vị trí tĩnh của tàu, không gần động cơ tàu, xa vị trí sóng va đập vào thành tàu,…Thường người ta bố trí bộ phận biến đổi phía ngoài tàu Bộ phát vàbộ thu đượcbố trí cách nhau một khoảng nhất định, có thể bố trí ở hai bên thành tàu

- Hệ thống hiển thị và ghi nhận kết quả: Kết quả đo sâu được tự động ghi trên băng giấy, băng giấy được chuyển động tỉ lệ với thời gian đối với thế hệ máy đo sâu loại cũ Với các thế hệ máy đo sâu hiện đại, ngoài kết quả đo sâu thể hiện trên bằng đo sâu hoặc hiển thị kết quả dạng số trên màn hình tinh thểlỏng nó còn cho phép ghi ở dạng tệp số liệu Sử dụng tệp số liệu có ưu điểm là độ chính xác cao hơn việc nội suy băng đo sâu, đồng thời dễ tự động hóa quá trình xử lý số liệu trên máy tính

* Các phương pháp đo sâu hồi âm

- Phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia

Hình 1.9: Máy đo sâu hồi âm

ODOM-HYDROTRAC

dụng cho máy đo sâu hồi âm đơn tia

Đo sâu hồi âm đơn tia SBES (SingleBeam EchoSounder) được sử dụng trên các tàu thuyền cần đến xác định độ sâu đáy nước ở vùng nước nông như sông hồ, biển ven bờ, ven đảo hay rạn san hô, Chúng phục vụ trong quân sự, trong nghiên cứu thủy văn, nghiên cứu biển hay sông hồ, và cả mục đích dân

sự đơn thuần là tìm luồng lạch để di chuyển

Nguyên lý đo sâu đơn tia là sử dụng thiết bị hồi âm đơn tia, phát sóng theo chiều thẳng đứng xuống dưới đáy biển và nhận tín hiệu phản hồi Thông qua môi trường nước biển và khoảng thời gian phản hồi tín hiệu, người ta tính được độ sâu từ mặt nước đến đáy biển

Máy đo sâu hồi âm đơn tia hiện nay đang được sử dụng cho những vùng biển gần bờ Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, bằng kỹ thuật số với độ chính xác cao hơn, độ sâu lớn hơn Việc sử dụng kết hợp các máy hồi

âm đơn tia, cảm biến dịch động, công nghệ định vị vệ tinh GNSS và các phần mềm hỗ trợ thu thập dữ liệu, đã tối ưu hóa năng suất lao động rất nhiều, giảm giá thành và chi phí nhân công

Khi sử dụng máy đo sâu hồi âm đơn tia thì các tuyến đo thường được thiết kế theo hướng vuông góc với các đường bình độ và được xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng (phần mềm cho thu nhận và xử lý dữ liệu)

-Phương pháp đo sâu hồi âm đa tia

Công nghệ đo sâu hồi âm đa tia MBES (Multibeam Echo Sounder) được phát minh khoảng những năm 1970 trên cơ sở của máy đo sâu hồi

âm đơn tia Hệ thống này cho phép xác định chi tiết bề mặt đáy biển từ nhiều tia đơn, kết quả một lần đo xác định được hàng trăm điểm độ sâu trên một mặt phẳng vuông góc với đường đi của tàu hoặc cả một dải độ sâu có độ rộng nhất định (mặt cắt), tổng số các mặt cắt dọc của các kênh tín hiệu có thể tạo ra nhiều lần trên một giây Độ rộng dải quét thường gấp

từ 2 đến 7 lần độ sâu, góc mở của chùm tia có thể đạt đến trên 150 độ (tùy từng loại máy và hãng sản suất) và góc kẹp của các tia đơn kề nhau có thể nhỏ hơn 1 độ[3]

Đến nay công nghệ đo sâu hồi âm đa tia là công nghệ có hiệu quả và đáng tin cậy nhất để đo độ sâu đáy biển sử dụng tàu nước mặt

Hình 1.11: Đo sâu hồi âm đa tia

Máy đo sâu hồi âm đa tia thường có từ 60 đến 150 tia Sau khi các tia

âm thanh phản xạ từ đáy biển trở về cần phát biến sẽ được xử lý là một trị

đo sâu Các tia nghiêng được cải chính thành độ sâu thẳng đứng, tọa độ các điểm tiếp đáy của các tia này cũng được tính toán từ tọa độ tâm cần phát biến

Hình 1.12: Nguyên lý đo sâu hồi âm[17]

* Phương pháp quét địa hình đáy biển

Máy quét địa hình đáy biển còn gọi là máy Sona quét theo dải SSS (Side

Scan Sonar) Nó có thể hiển thị địa hình đáy biển, xác định vị trí và độ cao

gần đúng của mục tiêu Máy quét địa hình đáy biển có 2 loại: máy quét 1 bên

và máy quét 2 bên Hiện nay phần lớn dùng máy quét 2 bên

Hiển thị File, CPU, đồ họa

Đáy biển

Bộ tạo dao động

Bộ tạo xung

Bộ phát sóng Biến điện năng → cơ năng → sóng

âm

Bộ khuếch đại

Bộ thu sóng Biến sóng âm → điện năng

Bộ chuyển đổiADC

Bộ xử lý

Hệ thống này bao gồm: tàu đo, cáp điện, thiết bị quét (con cá) Tàu đo

kéo theo “con cá” bởi cáp điện ở độ sâu và khoảng cách nhất định

Hình 1.13: Đo sâu bằng máy quét địa hình đáy biển

Hoạt động của hệ thống quét đáy biển được miêu tả như sau: Thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý của phương pháp đo sâu hồi âm, các tín hiệu sóng âm được “con cá” phát xuống bề mặt đáy biển và sau đó thu nhận các tín hiệu phản xạ này Do thời điểm thiết bị nhận được tín hiệu hồi âm từ các điểm đáy biển có thứ tự lần lượt trước sau, cho nên khi thiết bị ghi lại các xung phản xạ của sóng âm cũng biểu diễn thành những vạch trên trục hoành theo thứ tự trước sau Trong hình 1.13, vạch 0 là vị trí xuất phát, vạch m là mặt biển, đây là vạch ghi lại các sóng âm phản xạ lên mặt biển, OM là độ mớn nước của thiết bị biến đổi năng lượng, a là vạch ghi tín hiệu sóng phản xạ từ đáy biển, OA là độ sâu tính từ thiết bị biến đổi năng lượng đến đáy biển, C là

đỉnh của địa vật ngầm dưới đáy biển

Cường độ của tín hiệu sóng âm phản xạ không những có quan hệ với độ lồi lõm của địa hình đáy biển, tính chất đáy biển mà còn có quan hệ với độ dài đường đicủa sóng âm Nơi đáy biển bằng phẳng, cường độ của sóng âm phản