Nhiên cứu các đặc tính kỹ thuật của máy đo sâu hồi âm đa tia atlas hydrosweep md 2 và khả năng ứng dụng trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ - địa chất *************************** Hoàng trần phơng Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật máy đo sâu hồi âm đa tia Atlas HydroSweep MDMD-2 khả ứng dụng công công tác đo vẽ đồ địa hình đáy biển luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà nội - 2008 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Hoàng Trần Phơng ứng 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mà số: 60.52.85 luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngời hớng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Nam Chinh Hà nội - 2008 blank page Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết luận văn trung thực cha đợc công bố công trình khác Hà nội, ngày 10 tháng năm 2008 Ngời cam đoan Hoàng Trần Phơng mục lục Trang Trang phụ bìa Lời cam ®oan Môc lôc Danh mục ký hiệu chữ viÕt t¾t Danh mục bảng Danh mục hình vÏ mở đầu .5 Ch−¬ng - KháI quát đo vẽ địa hình đáy biĨn .12 1.1 Mơc ®Ých cđa ®o vẽ địa hình đáy biển 12 1.2 Các yêu cầu kỹ thuật công tác đo địa hình đáy biển 14 1.3 Lập kế hoạch đo đạc 22 1.4 Đo đạc thực địa 25 1.5 Xö lý sè liÖu 26 1.6 Quản lý chất lợng số liÖu 27 1.7 Biên tập đồ địa hình đáy biÓn 30 Chơng - Cơ sở lý thuyết đo sâu đa tia 35 2.1 Sãng ©m đặc tính sóng âm môi trờng n−íc 35 2.2 Sù lan trun sãng ©m n−íc biĨn 41 2.3 Các thông số sóng âm 43 2.4 Nguyên lý đo sâu đơn tia 44 2.5 Nguyªn lý ®o s©u ®a tia 48 2.6 C¸c nguån sai sè MBES 57 Chơng - cấu tạo tính kỹ thuật hệ thống máy đo sâu đa tia atlas hydrosweep md-2 69 3.1 Các đặc tÝnh kü tht cđa hƯ thèng atlas hydrosweep md-2 69 3.2 Hệ thống tích hợp đo sâu đa tia atlas hydrosweep md-2 85 3.3 KiÓm nghiệm hệ thống máy đo sâu đa tia 91 Ch−¬ng - thùc nghiệm đo địa hình đáy biển hệ thống máy ®o s©u ®a tia Atlas HydroSweep MD-2 100 4.1 Giíi thiƯu tun ®o 100 4.2 KiĨm nghiƯm hƯ thèng 101 4.3 Đo thực địa 106 4.4.Xö lý sè liƯu ®o 110 4.5 KÕt qu¶ xư lý sè liÖu 119 Kết luận kiến nghị .120 Tµi liƯu tham kh¶o 122 danh mục chữ viết tắ Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CTD Conductivity, Temperature and Depth Thiết bị đo vận tốc âm nớc DNC Digital Navigation Chart Hải đồ số ECDIS Electronic Chart Display Information System Hệ thống hiển thị thông tin hàng hải điện tử ENC Electronic Navigational Chart Hải đồ điện tử IMO International Marinetime Organization Tổ chức Hàng hải quốc tế IHO International Hydrographic Organization Tổ chức Thủy đạc quốc tế New Zealand Land Inforamtions Tiêu chuẩn kỹ thuật đo sâu New Zealand Multibeam Echo Sounder Máy đo sâu ®a tia LINZ MBES Pitch L¾c däc Roll L¾c ngang IHO Special Publication N0 44 Qui phạm đo sâu Tổ chức Thủy đạc quốc tế System Electronic Chart Hệ thống hải đồ điện tử Sonar Navigation And Ranging Hệ thống định vị siêu âm SSS Side Scan Sonar Hệ thống siêu âm quét biển SVP Sound Velocity Probe Thiết bị đo vân tốc âm nớc trực tiếp TVG Time Varying Gain Bï tÝn hiÖu theo thêi gian US.Army Corps Engineers Tiêu chuẩn kỹ thuật Công binh hợp chñng quèc Hoa kú S-44 SENC SONAR USACE Footprint VÕt đo Yaw ZOC Nhấp nhô Zone Of Confidence Phân loại chất lợng đo sâu IHO Danh mục bảng Bảng 1.1 Các yêu cầu kỹ thuật đo sâu cđa IHO 16 B¶ng 1.2 Độ xác vị trí điểm IHO 17 Bảng 1.3 Yêu cÇu kü tht cđa USACE 19 Bảng 1.4 Qui phạm đo sâu LINZ 20 Bảng 1.5 Qui phạm đo sâu MBES LINZ 21 Bảng 1.6 Phân loại chÊt l−ỵng sè liƯu 29 Bảng 2.1 Các tần số máy đo sâu đa tia 56 Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật hƯ thèng MD-2/ 50kHz 73 B¶ng 3.2 Các thông số kỹ thuật hệ thống MD-2/30kHz .76 Bảng 4.1 Các thông số tàu đo đạc .101 Bảng 4.2 số hiệu chỉnh Roll, Pitch, Yaw Time Latency 104 B¶ng 4.3 Gãc tia quét sai số độ sâu tơng ứng .106 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Các loại đồ số 32 H×nh 2.1 Suy giảm phân bố gây hình dạng hình học 37 Hình 2.2 Hệ sè hÊp thơ sãng ©m n−íc biĨn .42 Hình 2.3 Nguyên lý đo sâu hồi âm máy đo sâu đơn tia .45 Hình 2.4 Vết đo tia âm 46 Hình 2.5 Nguyên lý đo sâu đa tia 48 Hình 2.6 Phơng pháp xác định pha 50 Hình 2.7 Độ chồng phủ diện tích quét máy đo sâu đa tia Simrad EM1002 chế độ đẳng góc quét 53 Hình 2.8 Độ chồng phủ diện tích quét máy đo sâu đa tia Simrad EM1002 chế độ đẳng khoảng cách tia quét 54 H×nh 2.9 Quan hệ độ sâu, d n cách phát xung tốc độ tàu đo 55 Hình 2.10 Sai số lái tia tốc độ truyền âm gây 60 Hình 2.11 Các thành phần giao động tàu đo 62 Hình 2.12 Sai số độ sâu tọa độ lắc ngang gây 63 Hình 2.13 Quan hệ độ rộng tia quét lắc ngang với sai số độ sâu đạt đợc 0.5% độ sâu đo 64 H×nh 2.14 Sai số lắc dọc độ sâu 64 H×nh 2.15 Quan hệ D x với lắc dọc tàu đo .65 Hình 2.16 Sai số xoay tàu đo gây 65 H×nh 2.17 Quan hƯ độ xác độ sâu độ rộng dải quét 66 Hình 3.1 Phần cứng hệ thèng cđa ATLAS HYDROSWEEP MD-2 69 H×nh 3.2 Cấu hình phần cứng hệ tần số 50kHz 73 Hình 3.3 Cấu hình phần cøng hƯ tÇn sè 30kHz 76 Hình 3.4 Một cánh mảng thu phát tín hiệu lắp dới đáy tàu 80 Hình 3.5 Nguyên lý thu phát tín hiệu ATLAS HYDROSWEEP MD-2 .81 Hình 3.6 Độ rộng dải quét độ sâu đo đợc 82 Hình 3.7 Giao tiếp Atlas Hydromap Control máy đo sâu .84 Hình 3.8 Các thành phần hệ thống máy đo sâu đa tia ATLAS HYDROSWEEP MD-2 30/50 86 Hình 3.9 Đo xác định thời gian trễ số liệu định vị độ sâu 92 Hình 3.10 Kiểm nghiệm xác định Pitch Offset 942 H×nh 3.11 KiĨm nghiƯm xác định Azimuthal Offset 94 Hình 3.12 Kiểm nghiệm xác định Roll offset .95 Hình 3.13 Quan hệ độ xác góc quét .96 Hình 3.14 Sơ đồ tuyến đo kiểm nghiệm 98 H×nh 4.1 Sơ đồ tuyến đo kiểm nghiệm 102 Hình 4.2 Đồ thị biến thiên tốc độ âm khu vực kiểm nghiệm .103 Hình 4.3 Sơ đồ tuyến đo kiểm nghiệm độ xác 105 Hình 4.4 Trạng thái hoạt động hệ thống MD-2 107 Hình 4.5 Màn hình điều khiển thu thËp sè liÖu .109 Hình 4.6 Qui trình xử lý số liệu phần mỊm Hysweep Editor 111 H×nh 4.7 Më sè liƯu ®o 112 Hình 4.8 Cài đặt tham số cho chơng trình xử lý .113 Hình 4.9 Biểu đồ liệu đo nhấp nhô tàu đo .114 Hình 4.10 Toạ độ nhiễu thể dới dạng đồ họa 115 Hình 4.11 Đặt ®iỊu kiƯn ®Ĩ xư lý sè liƯu ®o s©u 116 Hình 4.12 Đặt tuỳ chọn Matrix Gridding 117 Hình 4.13 Khai báo điều kiện thống kê 118 Hình 4.14 Thông tin thèng kª cđa cell 118 108 ã Khởi động phần mềm HYPACK Hardware cài đặt thông số cho máy thu GPS, tạo thiết bị với tên DSM132 có thuộc tính GPS with NMEA0183 output với thông số: Functions position, speed Connection: COM 13, 9600, bits 8, stop bits 1, parity none, flow control none Options: record raw messages ã Không khai báo vị trí lắp đặt angten GPS giá trị thời gian trễ ã Kiểm tra lựa chän alarm options mơc Setup • KiĨm tra sè liệu tọa độ truyền từ máy ã Xác nhận đồng thiết bị ã Cài đặt thông số cho máy đo sâu: thêm thiết bị, chọn Hysweep Interface đặt tên MD2 với thông sô: Functions: Depth, Heave Connection: Network Port, Protocol: UDP, Role: Client, Host: 127.0.0.1, Port: 23000, Write: Options: none ã Khởi động HYSWEEP Hardware thiết lập cấu hình cho máy thu GPS với thông số Enabled cửa sổ Connection đặt Timeout interval 15ms, nhập vị trí ăng ten GPS với giá trị: Starboard=1.50m; Forward=0.00m; Vertical=9.70m Với la bµn sè chän “NMEA 0183 Gyro” cưa sỉ Manufacturer đặt thông số: Enable sổ Connect; chän Port:COM14, Baud Rate 4800, Parity None, Data bits 8, Stop bits vµ kiĨm tra kÕt nèi cửa sổ Communication Test Đặt tọa độ vị trí đặt la bàn số 0m Với máy đo sâu đa tia chän Atlas Hydrosweep MD2 cưa sỉ Bá lùa chän Use Inbound Server mơc Setup Trong cđa sỉ Connect đánh dấu Enabled Cài đặt cấu hình kết nối với giá trị : Port =23000; 109 Internet Address 127.0.0.1.Nhập vị trí lắp đặt mảng thu phát cửa sổ Offsets với thông số ã Sonar Head 1- Hệ tần30 kHz: Starboard=0.00m; Forward= 13.98m; Vertical = 3.30m ã Sonar Head2- Hệ tần50 kHz; Starboard=0.00m; Forward=15.98m;Vertical=3.30m ã Nhập vị trí lắp đặt thiết bị đo giao động tàu cưa sỉ Offsets víi Starboard= 3.00m; Forward =14.48m; Vertical=1.50m Trong trình đo thực địa hệ thống hoạt động hầu nh tự động Ngời phụ trách đo đạc không cần thao tác nhiều Số liệu đo đợc lu vào tập tin số liệu đợc gán tên tự động Màn hình đo hệ thống nh thể hình 4.5 Hình 4.5 Màn hình điều khiển thu thập số liệu 110 Việc đo đạc thực địa đồng thời với việc quan trắc thủy triều đo vận tốc âm nớc biển tầng độ sâu khác Trong trình đo thực nghiệm này, tiến hành đo lấy mẫu tốc độ truyền âm nớc vị trí phân bố tuyến đo Việc đo tốc độ truyền âm đợc thực SVP độ sâu tối đa khoảng 250m Do tuyến đo trải dài số liệu thủy triều đợc lấy theo dự báo thủy triều cảng, chỉnh theo dự báo thủy triều năm 2007 Hải quân nhân dân Việt Nam xuất Độ xác số liệu thủy triều khoảng 20cm khu vực độ sâu lớn 200m không hiệu chỉnh thủy triỊu Sư dơng tÝn hiƯu hiƯu chØnh DGPS diƯn réng h ng Thales suốt trình đo 4.3.2 Kết đo đạc thực địa Kết đo sâu gồm 20Gb liệu đợc lu trữ dới dạng tập tin *.SHX Số liệu đo vận tốc độ điểm đo dọc theo tuyến đo sâu Các số liệu đợc tiến hành xử lý phần mềm Hysweep Editor Qui trình xử lý số liệu đợc trình bày mơc 4.4 4.4.Xư lý sè liƯu ®o 4.4.1.Giíi thiƯu qui trình xử lý số liệu đo Có nhiều phần mềm để xử lý số liệu đo máy đo sâu đa tia, nay, có phần mềm phổ biến phần mềm Hysweep Editor h ng Hypack, Mỹ phần mềm HIPS&SIPS h ng CARIS, Canada Trong luận văn trình bày qui trình xử lý số liệu phần mềm Hysweep Editor Hình vẽ 4.6 mô tả qui trình xử lý số liệu phần mềm Hysweep Editor 111 Hình 4.6 Qui trình xử lý số liệu phần mềm Hysweep editor Trong phần mềm xử lý số liệu đo đạc ngoại nghiƯp Hysweep Editor (MB Max) cã ba b−íc xư lý Xử lý bớc (Phase 1) nhằm bảo đảm chất lợng số liệu đo giao động số liệu vị trí tọa độ tàu đo Xử lý bớc trình xử lý số liệu độ sâu toàn dải quét Xử lý bớc (Phase 3) công đoạn cuối nhằm đánh giá đa số liệu độ sâu bảo đảm độ tin cậy Đây công đoạn cần quan tâm trình xử lý số liệu Dới trình bày lần lợt qui trình ã Nhập liƯu PhÇn mỊm cho phÐp ng−êi sư dơng lùa chän mở tập tin liệu đơn mở tất tập tin liệu công trình ca đo để xử lý Trong trình đo đạc ngoại nghiệp tất tập tin liệu đợc ghi lại dới dạng log file Để xư lý sè liƯu mét ca ®o ng−êi dïng chọn log file để mở tập tin liệu để xử lý 112 Hình 4.7 Mở số liệu đo Trong trình nhập liệu vào nhớ, phần mềm cho phép ngời dùng chọn phơng pháp xử lý, xử lý tự động ngời sử dụng chọn phơng án xử lý cho riêng Trong giai đoạn này, phần mềm yêu cầu ngời dïng nhËp sè liƯu quan tr¾c thđy triỊu, sè liƯu vận tốc âm vào để phần mềm tính toán hiƯu chØnh Sè liƯu quan tr¾c thđy triỊu cã thĨ dới dạng số dới dạng sổ đo Nếu sè liƯu thđy triỊu d−íi d¹ng sỉ ghi ng−êi dïng phải tiến hành số hóa vào tập tin theo khuôn dạng thống để nhập vào phần mềm Bớc lựa chọn thiết bị cửa sổ Read Parameters để chơng trình tự động tải tập tin số liệu, thời gian tải tập tin số liệu phụ thuộc vào dung lợng tập tin số liệu cần xử lý 113 Hình 4.8 Cài đặt tham số cho chơng trình xử lý ã Xư lý b−íc 1(Edit Phase 1) Trong Edit Phase1 chØ xử lý số liệu thiết bị ngoại vi bao gåm sè liƯu ®o h−íng, sè liƯu täa ®é vµ sè liƯu ®o ®é giao ®éng cđa tµu ®o KiĨm tra sè liƯu ®o sù nhÊp nh« cđa tàu đo (heave data): số liệu đo hớng đợc thể theo thời gian dới dạng biểu đồ, dựa vào biểu đồ xác định gói liệu nhiễu Tùy thuộc vào số liệu đo, ngời dùng chọn chức chỉnh sửa chơng trình để biên tập liệu cho phù hợp Các chức chỉnh sửa bao gồm: Lấy trung bình, xóa thay đổi giá trị gói liệu Ngời dùng duyệt chỉnh sửa liệu theo khoảng thời gian phút cho đờng đo.Trên hình 4.9 thể biểu đồ liệu heave 114 Hình 4.19 Biểu đồ liệu đo nhấp nhô tàu đo Kiểm tra số liệu định vị: số liệu định vị đợc hiển thị dới dạng đồ thị theo thời gian Thông qua đồ thị này, ngời xử lý xác định đợc điểm toạ độ bị nhiễu nh thể hình vẽ 4.10 Trong trình đo đạc thực địa số liệu định vị bị nhiễu nhiều nguyên nhân, điểm tọa độ không bảo đảm độ xác đợc loại khỏi trình xử lý Chơng trình cho phép loại bỏ điểm loại bỏ nhóm điểm Để loại bỏ điểm một, ngời dùng chọn điểm ấn phím Del bàn phím Để loại bá nhiỊu ®iĨm hay mét nhãm ®iĨm sư dơng chøc Block công cụ dùng chuột khoanh điểm có toạ độ sai sau sử dụng chức xoá 115 Hình 4.10 Toạ độ nhiễu thể dới dạng đồ họa Kiểm tra số liệu cđa Motion Sensor: sè liƯu ®o cđa Motion Sensor cịng đợc kiểm tra để loại bỏ gói liệu không bảo đảm độ tin cậy khỏi trình xử lý Đây công đoạn cuối Edit Phase l Việc kiểm tra phải đợc thực cho tất tập tin số liệu ã Xử lý b−íc (Edit Phase 2) Xư lý b−íc nhằm mục đích kiểm tra số liệu độ sâu Trong bớc chơng trình kiểm tra toàn số liệu độ sâu thu thập đợc loại bỏ giá trị độ sâu không hợp lệ sở liệu Quá trình kiểm tra đợc thực tự động thông qua điều kiện ngời xử lý đa vào Các điều kiện bao gồm, độ sâu nhỏ nhất, độ sâu lớn nhất, Giới hạn góc quét hệ thống Các điều kiện đợc nhập vào chơng trình thông qua giao diện đồ họa 116 Hình 4.11 Đặt điều kiện để xử lý số liệu đo sâu Khi đặt giới hạn góc quét hệ thống có lu ý đến yêu cầu độ xác công trình đo Để đạt đợc độ xác cao góc quét phải nhỏ, nghĩa sử dung số liệu đo sâu tia phía bên dải quét (các tia có góc nghiêng nhỏ) Trong trình xử lý số liệu thực nghiệm sử dụng tia có góc quét