Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:215

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam" được hoàn thành với mục tiêu nhằm bảo đảm an toàn cho hoạt động tác chiến của tàu ngầm, đồng thời góp phần khẳng định và bảo vệ chủ quyền biển đảo Việt Nam và xây dựng phát triển kinh tế đất nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM TRÊN VÙNG BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA- BẢN ĐỒ Hà Nội - Năm 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM TRÊN VÙNG BIỂN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. DƯƠNG VÂN PHONG 2. TS. DƯƠNG THÀNH TRUNG Hà Nội - 2024
LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Trắc địa Cao cấp - Khoa Trắc địa Bản đồ và quản lý đất đai - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Dương Vân Phong, TS. Dương Thành Trung. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Các Thầy cô khoa Trắc địa Bản đồ và Quản lý đất đai đặc biệt các thầy cô Bộ môn Trắc đia Cao cấp, Hội đồng khoa học đã có những ý kiến đóng góp về khoa học, chuyên môn rất sâu sắc đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án. Thủ trưởng Bộ Tư lệnh, Thủ trưởng Bộ Tham mưu quân chủng Hải quân, Thủ trưởng Đoàn Đo đạc biên vẽ hải đồ Và Nghiên cứu biển - Bộ Tham mưu Hải quân, lãnh đạo chỉ huy Lữ đoàn tàu ngầm 189 - Vùng 4 Quân chủng Hải quân đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành Luận án của mình. Cũng nhân dịp này, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành viên trong gia đình, đồng chí đồng đội cũng như các đồng nghiệp, những người đã không quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có được cơ hội hoàn thành tốt Luận án của mình. Tác giả luận án Nguyễn Đình Hải
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 tháng năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Đình Hải
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................................... x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................. 3 5. Các luận điểm bảo vệ .................................................................................................. 4 6. Các điểm mới của luận án ........................................................................................... 4 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................................... 4 8. Cơ sở tài liệu, số liệu ................................................................................................... 5 9. Cấu trúc của luận án .................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN .................................................................................. 6 1.1 Mô hình 3D địa hình đáy biển................................................................................... 6 1.2 Một vài nét về tàu ngầm và hoạt động của tàu ngầm................................................ 9 1.2.1 Tàu ngầm và vai trò của tàu ngầm ........................................................................ 9 1.2.2 Các phương pháp dẫn đường cho tàu ngầm ........................................................ 10 1.3 Yêu cầu về dữ liệu trắc địa, hải văn đảm bảo hoạt động cho tàu ngầm .................. 14
iv 1.3.1 Yêu cầu đối với dữ liệu trắc địa ........................................................................... 14 1.3.2 Yêu cầu đối với dữ liệu hải văn ............................................................................ 15 1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển trên thế giới ........ 19 1.5 Tình hình nghiên cứu, phân loại trầm tích bề mặt đáy biển trên thế giới ............... 26 1.6 Tình hình công tác thu thập dữ liệu địa hình đáy biển, nghiên cứu xây dựng mô hình 3D và phân loại trầm tích ở Việt Nam .................................................................. 27 1.7 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ......................................................................... 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.............................................................................................. 34 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN ........................................................................................... 35 2.1 Lựa chọn cơ sở toán học trong thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển ............... 35 2.1.1 Hệ tọa độ .............................................................................................................. 35 2.1.2 Phép chiếu tọa độ phẳng ...................................................................................... 35 2.1.3 Hệ quy chiếu độ cao ............................................................................................. 35 2.2 Các phương pháp thu thập dữ liệu địa hình đáy biển.............................................. 36 2.2.1 Thu thập dữ liệu địa hình đáy biển từ nguồn dữ liệu có sẵn ............................... 36 2.2.2 Thu thập bằng phương pháp đo sâu trực tiếp bằng sào, quả rọi kết hợp máy kinh vĩ, toàn đạc điện tử. ....................................................................................................... 38 2.2.3 Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia ............................................ 39 2.2.4 Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đa tia .............................................. 40 2.2.5 Thu thập bằng phương pháp quét sườn ............................................................... 41 2.2.6 Thu thập bằng phương pháp xác định độ sâu đáy biển từ dị thường trọng lực .. 42 2.3 Yêu cầu về dữ liệu sử dụng để thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển ............... 44 2.3.1 Một số đặc điểm thu thập dữ liệu độ sâu của máy đo sâu đa tia ......................... 44 2.3.2 Mức độ chi tiết của điểm đo sâu trong thành lập mô hình 3D............................. 47 2.3.3 Đặc điểm về hình ảnh của máy thủy âm quét sườn.............................................. 48
v 2.3.4 Yêu cầu biểu diễn đối với các đối tượng địa lý .................................................... 50 2.4 Phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển........................................... 51 2.4.1 Một số thuật toán nội suy ..................................................................................... 51 2.4.2 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải ......................... 61 2.4.3 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới tứ giác không gian với các cạnh là đường cong tham số ...................................................................................................... 68 2.5 Yêu cầu về độ chính xác mô hình sau khi thành lập ............................................... 73 2.5.1 Đánh giá độ chính xác mô hình ........................................................................... 73 2.5.2 Tính toán tỷ lệ mô hình cần thành lập ................................................................. 78 2.6 Phương pháp trực quan hóa mô hình 3D địa hình đáy biển.................................... 79 2.6.1 Trầm tích và phương pháp phân loại trầm tích ................................................... 79 2.6.2 Dữ liệu tán xạ ngược ............................................................................................ 83 2.6.3 Dữ liệu thủy âm quét sườn ................................................................................... 86 2.6.4 Phương pháp phân loại trầm tích ........................................................................ 87 2.6.5 Giải pháp kết hợp các loại dữ liệu xây dựng mô hình 3D lớp phủ ...................... 98 2.6.6 Giải pháp thể hiện trầm tích và các đối tượng địa lý trong mô hình 3D ........... 100 2.7 Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm ...................................................................................................................... 106 2.7.1 Thu thập dữ liệu ngoại nghiệp ........................................................................... 107 2.7.2 Xử lý dữ liệu đầu vào ......................................................................................... 108 2.7.3 Phân tích yêu cầu đối với mô hình 3D cho tàu ngầm ........................................ 108 2.7.4 Xây dựng CSDL 3D địa hình đáy biển ............................................................... 108 2.7.5 Xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển ........................................................... 109 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2............................................................................................ 110 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM ............................................................................. 111
vi 3.1 Khu vực và dữ liệu thực nghiệm ........................................................................... 111 3.1.1 Giới thiệu về khu vực thực nghiệm......................................................................111 3.1.2 Giới thiệu về phương pháp thu nhận ................................................................. 114 3.2 Thực nghiệm xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển......................................... 115 3.2.1 Xử lý dữ liệu đầu vào ......................................................................................... 115 3.2.2 Xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải.............................................. 123 3.2.3 Xây dựng mô hình lưới tứ giác với các cạnh là đường cong tham số ............... 126 3.2.4 Xử lý và hiển thị kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu thủy âm quét sườn, dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia. .................................................................................... 126 3.2.5 Hiển thị trực quan mô hình 3D địa hình đáy biển ............................................. 129 3.2.6 Đánh giá độ chính xác ....................................................................................... 130 3.3 Xây dựng phần mềm thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển ............................ 136 3.3.1 Thiết kế hệ thống ................................................................................................ 136 3.3.2 Mô tả hệ thống ................................................................................................... 136 3.3.3 Mô tả chức năng ................................................................................................. 137 3.3.4. Sơ đồ quy trình thành lập .................................................................................. 137 3.3.5 Thiết kế giao diện ............................................................................................... 138 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3............................................................................................ 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 142 1. Kết luận ................................................................................................................... 142 2. Kiến nghị ................................................................................................................. 143 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 146 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 156 Phụ lục 1 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực đảo Song Tử-Trường Sa ........ 156
vii Phụ lục 2 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực Nha Trang-Khánh Hoà........... 158 Phụ lục 3 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực Ninh Thuận ............................ 160 Phụ lục 4 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Song Tử-Trường Sa .. 162 Phụ lục 5 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Nha Trang - Khánh Hoà .............................................................................................................................. 164 Phụ lục 6 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Ninh Thuận .......... 166 Phụ lục 7 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Song Tử- Trường Sa .................................................................................................................... 168 Phụ lục 8 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Nha Trang- Khánh Hoà................................................................................................................... 170 Phụ lục 9 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Ninh Thuận 172 Phụ lục 10 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Song Tử-Trường Sa .............................................................................................................. 174 Phụ lục 11 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Nha Trang-Khánh Hoà ........................................................................................................ 176 Phụ lục 12 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Ninh Thuận ........................................................................................................................... 178 Phụ lục 13 - Kết quả tính toán sai số nội tại mô hình lưới đa độ phân giải ................ 180 Phụ lục 14 - Kết quả tính toán sai số nội tại mô hình lưới tứ giác không gian ........... 184 Phụ lục 15 - Giả mã chương trình ............................................................................... 188
viii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ Nghĩa đầy đủ 3D Three dimensions Ba chiều Best Linear Unbiased Ước lượng tuyến tính BLUE Estimator không chệch tốt nhất CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao ENC Electronic Navigation Chart Hải đồ điện tử Mặt biển trung bình động MDT Mean Dynamic Topography lực MSL Mean Sea Level Mặt nước biển trung bình LAT Lowest Astronomical Tide Triều thiên văn thấp nhất Sound Navigation And Kỹ thuật lan truyền âm SONAR Ranging thanh Công nghệ sonar quét SSS Side Scan Sonar sườn Sai số bình phương trung RMSE Root Mean Squared Error bình Trọng số nghịch đảo IDW Invert Distance Weight khoảng cách International Hydrographic IHO Tổ chức thủy đạc quốc tế Organization Quantum Geographic Hệ thống thông tin địa lý QGIS Informmation System lượng tử Mạng tam giác không TIN Triangular irregular networks đều
ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Yêu cầu kỹ thuật trong điều tra, khảo sát hải văn, môi trường biển và lấy mẫu chất đáy ......................................................................................................................... 15 Bảng 1. 2 Yêu cầu kỹ thuật yếu tố hải văn với phương pháp định vị thủy âm ............. 18 Bảng 2. 1 Mật độ điểm độ sâu của hệ thống đo sâu đa tia Seabeam 3030 ................... 46 Bảng 2. 2 Đặc tính kỹ thuật của một số hệ thống đo sâu đa tia .................................... 46 Bảng 2. 3 Bảng yêu cầu về mật độ điểm độ sâu chi tiết trước khi thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển ........................................................................................................... 47 Bảng 2. 4 Phân vùng theo độ dốc (Nguồn: Spatial Hydrology) ................................... 63 Bảng 2. 5 Tiêu chuẩn phân loại trầm tích của Nga ....................................................... 80 Bảng 2. 6 Tiêu chuẩn phân loại trầm tích tại Hoa Kỳ ................................................... 81 Bảng 2. 7 Tiêu chuẩn ISO 14688-1:2002 về phân loại trầm tích ................................. 82 Bảng 2. 8 Phân loại trầm tích theo tiêu chuẩn của Tổ chức Thủy đạc quốc tế ............. 82 Bảng 2. 9 So sánh xử lý phân loại trầm tích giữa Hypack và Hips & Sips .................. 89 Bảng 2. 10 Bảng số liệu cường độ tán xạ ngược của cát mịn theo góc tới (bên trái) ... 91 Bảng 2. 11 Bảng số liệu cường độ tán xạ ngược của cát mịn theo góc tới (bên phải) . 92 Bảng 2. 12 Thang phân loại trầm tích trong ngành Thủy đạc ....................................... 92 Bảng 3. 1 Phân loại dữ liệu đầu vào............................................................................ 116 Bảng 3. 2 Kết quả tính sai số trung phương các mô hình được thành lập (đơn vị: m)130 Bảng 3. 3 Kết quả tính sai số nội tại các mô hình được thành lập (đơn vị: m) ........... 130 Bảng 3. 4 Ma trận nhầm lẫn kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Song Tử ....................................................... 134 Bảng 3. 5 Ma trận độ chính xác kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Song Tử ................................................ 134 Bảng 3. 6 Ma trận nhầm lẫn kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Ninh Thuận .................................................. 135 Bảng 3. 7 Ma trận độ chính xác kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Ninh Thuận ........................................... 136
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2. 1 Sơ đồ chuẩn độ sâu hải đồ [17] ..................................................................... 36 Hình 2. 2 Quy trình thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu sẵn có .......................................... 37 Hình 2. 3 Đo sâu bằng quả rọi....................................................................................... 38 Hình 2. 4 Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia .................................................................. 39 Hình 2. 5 Nguyên lý chung của phương pháp đo sâu đa tia ......................................... 40 Hình 2. 6 Hiện tượng khúc xạ âm thanh khi đi qua các lớp nước khác nhau ............... 40 Hình 2. 7 Dữ liệu cột nước và tán xạ ngược đa tia ....................................................... 41 Hình 2. 8 Quá trình thu thập hình ảnh đáy biển của thiết bị sonar quét sườn ............... 42 Hình 2. 9 Sơ đồ thu nhận điểm độ sâu từ hệ thống đo sâu đa tia .................................. 45 Hình 2. 10 Mô tả độ phân giải ảnh quét sườn theo phương ngang ............................... 48 Hình 2. 11 Mô tả độ phân giải ảnh quét sườn theo phương dọc ................................... 49 Hình 2. 12 Ảnh hưởng của tốc độ kéo đến hình dáng vật thể ....................................... 49 Hình 2. 13 Tàu ngầm hoạt động trong khu vực có vách đá ngầm (Nguồn: www.alamy.com) .......................................................................................................... 50 Hình 2. 14 Thủy sinh vật dưới đáy biển (Nguồn: www.craiyon.com) ......................... 51 Hình 2. 15 a) Cáp ngầm và b) xác tàu đắm dưới đáy biển ............................................ 51 Hình 2. 16 Đường cong Cubic Spline ........................................................................... 59 Hình 2. 17 Một số dạng đường cong tham số [51] ....................................................... 60 Hình 2. 18 Sự phân bố các điểm độ sâu thực đo trong 1 khu vực ................................ 61 Hình 2. 19 Mô tả độ dốc giữa hai điểm độ sâu ............................................................. 62 Hình 2. 20 Lưới 3 x 3 các điểm độ sâu ......................................................................... 62 Hình 2. 21 Mô tả tính toán độ dốc bằng thuật toán lân cận .......................................... 63 Hình 2. 22 Mô tả độ dốc ở dạng raster .......................................................................... 63 Hình 2. 23 Mô hình số DEM và phân vùng độ dốc ...................................................... 64 Hình 2. 24 Phân vùng theo độ sâu................................................................................. 64 Hình 2. 25 Xây dựng lưới grid với kích thước ô lưới tại mỗi vùng phụ thuộc vào độ sâu ....................................................................................................................................... 65 Hình 2. 26 Phân bố dữ liệu đo sâu và điểm nội suy trong phương pháp IDW ............. 65 Hình 2. 27 Kết quả nội suy các điểm mắt lưới theo phương pháp IDW....................... 66
xi Hình 2. 28 Cấu trúc lưới đa độ phân giải được xây dựng ............................................. 66 Hình 2. 29 Mô hình số bề mặt được xây dựng .............................................................. 67 Hình 2. 30 Xác định tuyến tàu di chuyển trên nền các điểm độ sâu ............................. 68 Hình 2. 31 Xác định các vùng lựa chọn điểm gần tuyến tàu đi .................................... 69 Hình 2. 32 Xác định điểm gần nhất và tuyến liền kề .................................................... 69 Hình 2. 33 Xác định các tuyến liền kề tuyến tàu và đi qua các điểm độ sâu thực đo ... 70 Hình 2. 34 Xây dựng đường cong cubic-spline từ các điểm trị đo sâu ......................... 70 Hình 2. 35 Các đường cong cubic-spline đi qua các điểm tuyến liền kề ...................... 71 Hình 2. 36 Mặt vuông góc với tuyến hành trình ........................................................... 71 Hình 2. 37 Các điểm nút của lưới tứ giác không gian .................................................. 72 Hình 2. 38 Lưới tứ giác không gian và mặt cong tứ giác không gian........................... 72 Hình 2. 39 Nguyên tắc lựa chọn điểm để đánh giá ....................................................... 75 Hình 2. 40 Công cụ ArcScene trong ArcGIS 3D Analyst ............................................ 76 Hình 2. 41 Lưới đa độ phân giải và lưới đều ................................................................ 77 Hình 2. 42 Sai lệch giữa đường cong cubic-spline và đường nối các điểm độ sâu ...... 78 Hình 2. 43 Tỷ lệ mô hình cần thành lập ........................................................................ 78 Hình 2. 44 Một số loại trầm tích a) sỏi, b) cát và c) bùn .............................................. 79 Hình 2. 45 Dữ liệu backscatter từ đo sâu đa tia ............................................................ 84 Hình 2. 46 Mô tả hệ thống đa tia và tín hiệu phản xạ xung âm thanh tới đáy biển ...... 85 Hình 2. 47 Địa hình đáy biển thu được từ thủy âm quét sườn ...................................... 86 Hình 2. 48 Đồ thị tán xạ ngược của một số loại trầm tích ............................................ 88 Hình 2. 49 Quy trình phân loại trầm tích dựa vào dữ liệu tán xạ ngược ...................... 90 Hình 2. 50 Đồ thị cường độ tán xạ ngược theo góc tới tại tần số 100 kHz của cát mịn91 Hình 2. 51 Đồ thị cường độ tán xạ ngược ..................................................................... 92 Hình 2. 52 Khu vực có nhiều cát mịn trên ảnh thủy âm quét sườn .............................. 94 Hình 2. 53 Hình ảnh trích chọn và thay đổi độ tương phản của mẫu ........................... 94 Hình 2. 54 Khu vực đá trên ảnh thủy âm quét sườn ..................................................... 94 Hình 2. 55 Hình ảnh trích chọn và thay đổi độ tương phản mẫu .................................. 95 Hình 2. 56 Phân loại trầm tích với thuật toán cây quyết định ....................................... 96 Hình 2. 57 Hình ảnh trước và sau phân loại trên ảnh ................................................... 97
xii Hình 2. 58 Kết quả nhận được ...................................................................................... 97 Hình 2. 59 Các phép phủ raster ..................................................................................... 99 Hình 2. 60 Lớp phủ ảnh quét sườn và địa hình đáy biển ............................................ 100 Hình 2. 61 Phương pháp chú thích .............................................................................. 101 Hình 2. 62 Phương pháp phân vùng theo bảng màu ................................................... 101 Hình 2. 63 Phương pháp phân vùng kết cấu đặc trưng ............................................... 102 Hình 2. 64 Các hạt kết cấu trầm tích được tạo ra bằng phép đo ảnh: ( a ) Đá lớn, sỏi; (b) Bùn; (c) Cát; (d) Thực vật bề mặt ................................................................................. 103 Hình 2. 65 Hình ảnh mô phỏng đáy biển khu vực có đá hộc; a) Hiện tượng bị kéo ảnh tại mặt dốc đứng; b) Các kết cầu được định vị bằng kỹ thuật ánh xạ 3 chiều ............ 104 Hình 2. 66 Hình ảnh mô phỏng đáy biển khu vực có đá tảng; a) Hiện tượng trùng lặp kết cấu; b) Loại bỏ hiện tượng trùng lặp kết cấu .............................................................. 104 Hình 2. 67 Hình ảnh mô phỏng đáy biển: a) Không có đối tượng bề mặt; b) Có đối tượng trên bề mặt ................................................................................................................... 105 Hình 2. 68 Hình ảnh mô phỏng đáy biển; a-c) Chưa có môi trường nước biển; b-d) Thêm ảnh hưởng môi trường nước biển ................................................................................ 105 Hình 2. 69 Quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển .................................. 107 Hình 3. 1 Khu vực thực nghiệm thuộc biển Nha Trang - Khánh Hòa ........................ 111 Hình 3. 2 Khu vực thực nghiệm thuộc biển Ninh Thuận ............................................ 112 Hình 3. 3 Khu vực thực nghiệm gần đảo Song Tử thuộc quần đảo Trường Sa .......... 113 Hình 3. 4 Quy trình xác định các thành thần tọa độ 3 chiều của điểm đo sâu ............ 116 Hình 3. 5 Lựa chọn thông số cường độ âm thanh đối với trầm tích là đá................... 117 Hình 3. 6 Thông tin về trầm tích sau phân loại ........................................................... 118 Hình 3. 7 Bản đồ trầm tích của khu vực thực nghiệm ................................................ 118 Hình 3. 8 Hình ảnh thu nhận được bằng thủy âm quét sườn khi hiển thị trên QGIS . 119 Hình 3. 9 Hình ảnh khu vực đáy có nhiều cát mịn ...................................................... 120 Hình 3. 10 Các mẫu cát được chọn để phân loại ........................................................ 120 Hình 3. 11 Trầm tích đá được hiển thị trên ảnh .......................................................... 121 Hình 3. 12 Mẫu đá được trích để phân loại ................................................................. 121 Hình 3. 13 Chọn mẫu để nhận dạng đối tượng ........................................................... 121
xiii Hình 3. 14 Hình ảnh thu nhận được từ thủy âm quét sườn trước và sau phân loại .... 122 Hình 3. 15 Bản đồ trầm tích thu nhận được bằng công nghệ thủy âm quét sườn ....... 122 Hình 3. 16 Mô hình lưới 3D khu vực biển Song Tử-Trường Sa ................................ 123 Hình 3. 17 Sự thay đổi độ phân giải theo độ sâu trên lưới 3D tại biển Song Tử ........ 123 Hình 3. 18 Mô hình 3D bề mặt khu vực biển Song Tử-Trường Sa ............................ 124 Hình 3. 19 Lưới 3D đa độ phân giải cho khu vực biển Nha Trang - Khánh Hòa ....... 124 Hình 3. 20 Mô hình 3D bề mặt khu vực biển Nha Trang - Khánh Hòa...................... 125 Hình 3. 21 Mô hình 3D khu vực biển Ninh Thuận ..................................................... 125 Hình 3. 22 Mô hình 3D bề mặt với các tứ giác cong khu vực Nha Trang - Khánh Hòa ..................................................................................................................................... 126 Hình 3. 23 Mô hình 3D bề mặt với các tứ giác cong khu vực Song Tử ..................... 126 Hình 3. 24 Hình ảnh 3D thu nhận được từ dữ liệu thủy âm quét sườn trên 1 tuyến đo ..................................................................................................................................... 127 Hình 3. 25 Hình ảnh đáy biển gộp các tuyến khảo sát bằng công nghệ quét sườn ..... 127 Hình 3. 26 Kết quả phân loại trầm tích khu vực đảo Song Tử từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn .............................................................................................................. 128 Hình 3. 27 Kết quả phân loại trầm tích khu vực từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn ..................................................................................................................................... 128 Hình 3. 28 Hình ảnh 3D lớp phủ trầm tích khu vực đảo Song Tử .............................. 129 Hình 3. 29 Hình ảnh 3D lớp phủ trầm tích đã được trực quan hóa tại khu vực biển Ninh Thuận ........................................................................................................................... 129 Hình 3. 30 Hình ảnh 1 số mẫu trầm tích thu thập tại khu vực biển Song Tử ............. 131 Hình 3. 31 So sánh các mẫu trầm tích thu thập ngoài thực địa với kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn ............................................................ 132 Hình 3. 32 Hình ảnh so sánh lớp phủ tại khu vực đảo Song Tử ................................. 133 Hình 3. 33 a) Mô hình 3D địa hình đáy biển ven cụm đảo Song Tử; b) Ảnh quét sườn; c) Ảnh vệ tinh tại đảo Song Tử ................................................................................... 133 Hình 3. 34 So sánh mẫu thực địa với phân loại từ dữ liệu tán xạ ngược tại biển Ninh Thuận ..................................................................................................................................... 135 Hình 3. 35 Quy trình xây dựng phần mềm.................................................................. 138
xiv Hình 3. 36 Giao diện chính của chương trình ............................................................. 139 Hình 3. 37 Hiển thị mô hình lưới tứ giác không gian với cạnh là đường cong tham số ... 140 Hình 3. 38 Hiển thị 3D địa hình đáy biển với lớp phủ hải đồ ..................................... 140 Hình 3. 39 Hiển thị 3D địa hình đáy biển với lớp phủ thu được từ thủy âm quét sườn ..................................................................................................................................... 140
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Biển Đông đóng vai trò quan trọng trong nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, là cửa ngõ để Việt Nam gia thương với các nước trong khu vực và quốc tế. Các đảo và quần đảo trên Biển Đông, đặc biệt là quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa, không chỉ có ý nghĩa trong việc kiểm soát các tuyến đường biển qua lại, mà còn có ý nghĩa phòng thủ chiến lược quan trọng từ xa đối với Việt Nam. Bảo vệ vững chắc chủ quyền và quyền tài phán trên các vùng biển là mục tiêu chiến lược của Đảng và Nhà nước ta trong giai đoan hiện nay và tương lai phát triển của đất nước. Trong đó, lực lượng Hải quân đóng vai trò là lực lượng nòng cốt trong nhiệm vụ bảo vệ biển. Để thực hiện nhiệm vụ này, Hải quân nhân dân Việt Nam đã được ưu tiên mua sắm và phát triển nhiều vũ khí chiến lược mới trong đó có lực lượng tàu ngầm hiện đại. Từ năm 2014 đến nay đã có 02 lữ đoàn tàu ngầm hiện đại đã được đưa vào biên chế với nhiều tàu được trang bị đầy đủ các thiết bị tiên tiến. Tàu ngầm là lực lượng mới của Hải quân, là phương tiện hiện đại góp phần nâng cao năng lực chiến đấu bảo vệ vững chắc chủ quyền biển, đảo và thềm lục địa của Tổ quốc. Để phát huy hết sức mạnh của lực lượng này cả trong chiến đấu và huấn luyện sẵn sàng chiến đấu đang là yêu cầu cấp thiết đối với lực lượng Hải quân. Như đã biết, tàu ngầm yêu cầu rất cao về độ chính xác thông tin trong quá trình hoạt động, nếu không có sự đảm bảo về thông tin đầy đủ, tàu ngầm rất dễ xảy ra tai nạn mà điển hình như: năm 2005, tàu ngầm hạt nhân San Francisco của Mỹ đang di chuyển từ căn cứ Guam tới cảng Brisbane của Australia đến khu vực biển cách Guam khoảng 560km về phía Nam thì bất ngờ đâm vào rạn san hô dưới đáy Thái Bình Dương. Nguyên nhân được chỉ ra là do khu vực nằm trên tuyến hành trình của tàu chưa được tiến hành khảo sát độ sâu, mặt đáy, dẫn đến tại khu vực tai nạn chưa có hải đồ, không có cảnh báo nguy hiểm hàng hải, tàu ngầm va phải chướng ngại vật bị thiệt hại rất lớn. Ngoài ra, tai nạn của tàu ngầm Kursk của Nga năm 2000 làm hơn 100 binh sĩ Nga thiệt mạng do tàu ngầm đâm phải núi ngầm cũng xuất phát từ nguyên nhân trên. Từ sự việc nêu trên đã đặt ra yêu cầu phải xây dựng riêng cho lực lượng tàu ngầm
2 một dữ liệu dạng mô hình số địa hình riêng, đảm bảo cho hoạt động tác chiến của tàu ngầm trên biển với mức độ chi tiết và phân hóa cao, tương ứng với từng loại nhiệm vụ. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, mô hình 3D hiện nay rất phổ biến cả trong nước và trên thế giới. Nhiều các cơ quan, đơn vị trong và ngoài quân đội đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D cho các nhiệm vụ khác nhau và mang lại hiệu quả rất lớn cả về kinh tế và an ninh quốc phòng. Tuy nhiên các giải pháp 3D trên chưa phù hợp với hoạt động đặc thù của tàu ngầm khi hoạt động hay nằm đáy tại các khu chờ đợi thời cơ. Nhiệm vụ bảo vệ chủ quyền biển đảo ngày càng phức tạp, ẩn chứa nhiều khó khăn cùng với việc các quốc gia trong khu vực không ngừng tăng cường mua sắm trang thiết bị và sử dụng các phương thức tác chiến hiện đại thì việc bảo đảm thông tin về địa hình tác chiến đang là vấn đề cấp thiết cần phải nghiên cứu. Hiện nay, dữ liệu địa hình đáy biển tại nước ta được thành lập phục vụ cho hoạt động của các tàu mặt nước ở dạng bản đồ 2D truyền thống như hải đồ giấy và hải đồ điện tử theo các tiêu chuẩn kỹ thuật của Việt Nam và IHO. Tàu mặt nước thường hoạt động trên các hải trình cố định, nên dữ liệu địa hình được khảo sát bổ sung, cập nhật thường xuyên và các thủy thủy của tàu ít nhiều đã quen với hành trình. Còn tàu ngầm (chủ yếu phục vụ cho các mục đích quân sự) hoạt động trong lòng nước (tàu ngầm của Việt Nam thường hoạt động ở độ sâu từ 60 – 300m) với tầm nhìn quang học gần như bằng 0. Do tính chất nhiệm vụ nên thường phải hoạt động trong các vùng biển chưa quen thuộc, hải trình có thể thay đổi đột xuất tùy thuộc vào tình hình nhiệm vụ,… Vì vậy, dữ liệu bản đồ 2D truyền thống chưa đáp ứng yêu cầu dẫn đường an toàn cho tàu ngầm. Hệ thống dẫn đường và hỗ trợ tác chiến cho tàu ngầm và tàu chiến WarShip ECDIS đang được BTL Hải quân nghiên cứu và triển khai sử dụng trong thời gian tới. Hệ thống này yêu cầu cơ sở dữ liệu 3D địa hình đáy biển trong công tác tham mưu tác chiến cho người chỉ huy. Ưu điểm của mô hình 3D địa hình đáy biển so với các bản đồ địa hình đáy biển truyền thống đó là cung cấp thông tin về hình dáng địa hình, cùng với thực phủ, chất đáy, các đối tượng địa lý dưới đáy biển một cách trực quan, chính xác. Do đó, nếu xây dựng được mô hình 3D địa hình đáy biển sẽ góp
3 phần nâng cao hiệu quả tác chiến của lực lượng tàu ngầm. Từ các lý do nêu trên, luận án “Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam” nhằm bảo đảm an toàn cho hoạt động tác chiến của tàu ngầm, đồng thời góp phần khẳng định và bảo vệ chủ quyền biển đảo Việt Nam và xây dựng phát triển kinh tế đất nước. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác lập cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam. - Xây dựng được mô hình 3D địa hình đáy biển cho khu vực thực nghiệm trên cơ sở khoa học đã được xây dựng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Các loại dữ liệu phục vụ xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển như dữ liệu đo sâu đa tia, dữ liệu thủy âm quét sườn, dữ liệu tán xạ ngược. - Mô hình 3D và phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển. 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm Việt Nam. - Xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển cho một vài khu vực thực nghiệm trong vùng biển của Việt Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm: - Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Thu thập các tài liệu, số liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu, cập nhật các thông tin trên mạng Internet nhằm có kiến thức tổng quan về nhiệm vụ nghiên cứu; - Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, phân tích kết quả của các công trình đã nghiên cứu về xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển từ đó đưa ra nhận định, các vấn đề còn tồn tại cần phải giải quyết. - Phương pháp so sánh: So sánh kết quả thực nghiệm với số liệu trắc địa gốc và
4 số liệu hải văn thu thập được làm cơ sở đánh giá mức độ tin cậy của việc nghiên cứu. - Phương pháp tin học: Lập các chương trình cần thiết theo thuật toán được phát triển và sử dụng các phần mềm thông dụng. - Phương pháp mô hình hóa (modeling): Sử dụng phép loại suy xây dựng mô hình địa hình đáy biển nhằm đưa ra những thông tin (về thuộc tính, cấu trúc, hình dáng ….) tương tự với địa hình thực. - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm trên phạm vi nghiên cứu của luận án. 5. Các luận điểm bảo vệ - Mô hình 3D địa hình đáy biển được xây dựng theo phương pháp mô hình lưới đa độ phân giải và mô hình lưới tứ giác không gian với cạnh là các đường cong tham số, trên cơ sở sử dụng kết hợp dữ liệu đo sâu hồi âm đa tia và dữ liệu Side Scan Sonar mô tả chân thực nhất bề mặt thực địa hình đáy biển. - Phương pháp phân loại trầm tích từ các nguồn dữ liệu thủy đạc đạt được độ chính xác tốt, nâng cao tính trực quan của mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam. 6. Các điểm mới của luận án - Đề xuất phương pháp và thuật toán xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm: Phương pháp tối ưu hóa mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải và phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới tứ giác với các cạnh là đường cong tham số. - Đề xuất phương pháp phân loại trầm tích để xây dựng mô hình 3D lớp phủ trầm tích, thể hiện trực quan bề mặt địa hình đáy biển. - Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7.1 Ý nghĩa khoa học - Đề xuất cơ sở khoa học và nghiên cứu các phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình, phương pháp trực quan hoá mô hình 3D đáy biển.