Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS động thời gian thực trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Buctranhdo Buctranhdo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu tổng quát của luận án là xác lập cơ sở khoa học và phương pháp tích hợp công nghệ GNSS động thời gian thực (sử dụng hệ thống trạm GNSS CORS) với công nghệ đo sâu hồi âm và quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển khu vực biển ven bờ dựa trên các mô hình mặt biển trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trong điều kiện Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS động thời gian thực trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG CÔNG TÁC THỦY ĐẠC PHỤC VỤ BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG CÔNG TÁC THỦY ĐẠC PHỤC VỤ BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật trắc địa – bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH 2. PGS.TS TRẦN KHÁNH TOÀN Hà Nội- 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, 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 nghiên cứu nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... xi MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TÁC THỦY ĐẠC PHỤC VỤ BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI ..............................................9 1.1. Công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải .......................................10 1.1.1. Nhiệm vụ công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải ....................10 1.1.2. Một số tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng áp dụng trong công tác thủy đạc phục vụ BĐATHH .............................................................................................................11 1.1.3. Cơ sở toán học áp dụng trong công tác thủy đạc phục vụ BĐATHH .............22 1.2. Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên đến công tác thủy đạc trên các vùng ven biển Việt Nam ...................................................................................................................25 1.2.1. Thủy triều ........................................................................................................26 1.2.2. Sóng, gió, dòng chảy .......................................................................................28 1.2.3. Địa hình ...........................................................................................................31 1.3. Tổng quan về công nghệ GNSS động thời gian thực trong công tác thủy đạc ..31 1.3.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài ..........................................................................32 1.3.2. Các nghiên cứu ở trong nước ..........................................................................34 1.4. Tổng quan về quy chiếu trị đo sâu ĐHĐB dựa trên mô hình mặt biển .............36 1.4.1. Kết quả xây dựng một số mô hình mặt biển toàn cầu trên thế giới ................37 1.4.2. Kết quả nghiên cứu xây dựng một số mô hình mặt biển ở Việt Nam.............38 1.5. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ...............................................................42
iii CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS CORS RTK TRONG CÔNG TÁC THỦY ĐẠC PHỤC VỤ BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI TRÊN VÙNG BIỂN VEN Bờ VIỆT NAM ..............................................................44 2.1. Công nghệ GNSS động thời gian thực ...............................................................45 2.1.1. Nguyên lý đo GNSS Base RTK ......................................................................46 2.1.2. Nguyên lý đo GNSS CORS RTK ...................................................................51 2.1.3. Khả năng ứng dụng GNSS CORS RTK trong công tác khảo sát thủy đạc phục vụ BĐATHH cho vùng biển ven bờ Việt Nam .........................................................54 2.2. Tích hợp GNSS CORS RTK với công nghệ đo sâu hồi âm khảo sát địa hình dưới nước phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải ..........................................................66 CHƯƠNG 3. XỬ LÝ TOÁN HỌC SỐ LIỆU ĐO SÂU ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN ...71 TRONG CÔNG TÁC THỦY ĐẠC BẢO ĐẢM AN TOÀN HÀNG HẢI...............71 3.1. Sử dụng một số mô hình mặt biển trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải .............................................................................................................72 3.1.1. Mô hình mặt biển trung bình và mô hình mặt biển thấp nhất .........................73 3.1.2. Sử dụng mô hình MIKE 21 Flow Model FM để xác định độ cao mực nước .80 3.2. Quy chiếu trị quan trắc mực nước ......................................................................85 3.2.1. Quy chiếu trị quan trắc mực nước dựa trên mặt biển trung bình và mặt biển thấp nhất tại trạm quan trắc mực nước ven bờ ..........................................................87 3.2.2. Quy chiếu trị quan trắc mực nước dựa trên các mô hình mặt biển .................88 3.2.3. Quy chiếu độ cao mực nước của mô hình MIKE 21 FM ................................90 3.3. Quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển ...............................................................92 3.3.1. Quy chiếu độ sâu địa hình đáy biển dựa trên mặt biển thấp nhất tại trạm quan trắc mực nước ven bờ ................................................................................................92 3.3.2. Quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình MBTNKV170 .......93 3.3.3. Quy chiếu trị đo độ sâu ĐHĐB dựa trên MBTN và mô hình MBTNKH170 theo số liệu mực nước của mô hình MIKE 21 FM ...........................................................94 CHƯƠNG 4 ĐO THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ....................................97 4.1. Nội dung thực nghiệm ........................................................................................97
iv 4.1.1. Nội dung thực nghiệm .....................................................................................97 4.1.2. Khu vực thực nghiệm ......................................................................................97 4.2. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác đo GNSS CORS RTK và GNSS Base RTK phục vụ công tác đo đạc thành lập hải đồ, bình đồ khu vực biển ven bờ và luồng hàng hải .....................................................................................................................98 4.2.1. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác đo GNSS CORS RTK và GNSS Base RTK trên đất liền .......................................................................................................98 4.2.2. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác đo GNSS CORS RTK và GNSS Base RTK khi tích hợp với máy đo sâu hồi âm. .......................................................................108 4.3. Xây dựng mô hình MIKE 21 Flow Model FM cho khu vực thực nghiệm ......119 4.3.1. Số liệu phục vụ xây dựng mô hình: ..............................................................119 4.3.2. Xây dựng bài toán tính mực nước tại khu vực biển Hải Phòng ....................119 4.4. Tính toán thực nghiệm quy chiếu trị đo mực nước dựa trên MBTB tại trạm QTMN và dựa trên các mô hình MBTBKV98 và MBTNKV170 ..........................123 4.4.1. Số liệu phục vụ tính toán thực nghiệm..........................................................123 4.4.2. Tính toán thực nghiệm ..................................................................................123 4.5. Tính toán thực nghiệm quy chiếu trị đo sâu ĐHĐB ........................................124 4.5.1. Tính toán thực nghiệm quy chiếu trị đo sâu ĐHĐB dựa trên MBTB tại trạm quan trắc mực nước và dựa trên mô hình MBTNKV170 .......................................124 4.5.2. Đánh giá độ chính xác ...................................................................................124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................134 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ....................136 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................138 PHỤ LỤC ................................................................................................................148
v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa 1 BĐATHH Bảo đảm an toàn hàng hải BeiDou Navigation Satellite Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh 2 BDS System toàn cầu của Trung Quốc 3 BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động Continuously Operating 4 CORS Trạm tham chiếu hoạt động liên tục Reference Station 5 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm 6 DGPS Differential GPS Định vị GPS vi phân 7 ĐHĐB Địa hình đáy biển 8 DTM Digital Terrain Model Mô hình số địa hình Denmark’s Technical Trường Đại học Tổng hợp kỹ thuật 9 DTU University Đan Mạch Mô hình địa hình động lực trung bình 10 DTU10 MDT toàn cầu do Đan Mạch xây dựng Đơn vị đo năng lực vận tải an toàn 11 DWT Dead Weight Tonnage của tàu thủy tính bằng tấn Electronic Chart Display Hệ thống hiển thị thông tin và bình 12 ECDIS and Information System đồ luồng hàng hải điện tử 13 EGM Earth Gravitational Model Mô hình trọng trường trái đất 14 ENC Electronic Navigation Chart Hải đồ điện tử Flanchen Korrektur 15 FKP Kỹ thuật thông số hiệu chỉnh khu vực parameter 16 FTP File Transfer Protocol Giao thức chuyển nhượng tập tin Giải pháp kết nối cáp quang trực tiếp 17 FTTH Fiber to the Home từ nhà mạng đến người dùng
vi STT Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh 18 GALILEO toàn cầu của Liên minh Châu Âu Định vị GPS vi phân cải chính toàn 19 GcDGPS Globally Corrected DGPS cầu Geographic information 20 GIS Hệ thống thông tin địa lý system Global Navigation Satellite Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh 21 GLONASS System toàn cầu của Nga Global Navigation Satellite 22 GNSS Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu System 23 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu International Earth Rotation Tổ chức dịch vụ quốc tế về chuyển 24 IERS and Reference Systems động quay trái đất và hệ quy chiếu Service 25 IGS International GNSS Service Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tế International Hydrographic 26 IHO Tổ chức thuỷ đạc quốc tế Organization Dịch vụ cải chính sử dụng giải pháp Individual Master Auxiliary 27 iMAX công nghệ trạm chính - phụ có điều Corrections chỉnh International Maritime 28 IMO Tổ chức hàng hải quốc tế Organization 29 INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính Quy định của IHO về chữ viết tắt và 30 INT1 số hiệu hải đồ quốc tế International Terrestrial 31 ITRF Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế Reference Frame 32 KHCN Khoa học công nghệ 33 MAC Master Auxiliary Concept Công nghệ trạm chính -phụ
vii STT Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa Master Auxiliary Dịch vụ cải chính sử dụng giải pháp 34 MAX Corrections công nghệ trạm chính - phụ 35 MBES MultiBeam EchoSounder Đo sâu hồi âm đa tia 36 MBTB Mặt biển trung bình 37 MBTBKV Mặt biển trung bình khu vực 38 MBTN Mặt biển thấp nhất 39 MBTNKV Mặt biển thấp nhất khu vực Mô đun mô phỏng, tính toán 40 MIKE 21 FM MIKE 21 Flow Model FM các quá trình thủy động lực 2 chiều. 41 MDT Mean Dynamic Topography Mô hình địa hình động lực trung bình Mean Dynamic Topography Mô hình địa hình động lực trung bình 42 MDTVN Viet Nam Việt Nam 43 MSS Mean Sea Surface Mô hình mặt biển trung bình 44 NGS National Geodetic Survey Cơ quan Trắc đạc Hoa Kỳ National Marine Electronic Chuẩn dữ liệu do Hiệp hội điện tử 45 NMEA Association hàng hải quốc gia Mỹ thiết lập Network Real-Time Mạng lưới định vị động thời gian 46 NRTK Kinematic thực Networked Transport of Truyền tải cấu trúc dữ liệu RTCM 47 NTRIP RTCM via Internet Protocol qua mạng Internet 48 PPP Precise Point Positioning Định vị điểm chính xác 49 QTMN Quan trắc mực nước 50 RACON Radar Beacon Tiêu Radar Receiver Independent Định dạng dữ liệu độc lập với máy 51 RINEX Exchange format thu 52 RTCM Radio Technical Chuẩn cấu trúc dữ liệu để truyền cải
viii STT Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa Commission for Maritime chính phân sai được phát triển bởi services Ủy ban kỹ thuật vô tuyến cho các dịch vụ hàng hải 53 RTE Radar Target Enhancers Phản xạ ra đa chủ động Phương pháp đo động thời gian thực 54 RTK Real-Time Kinematic (đo động tức thời) 55 SBES SingleBeam EchoSounder Máy đo sâu hồi âm đơn tia International Convention for Công ước của hội nghị quốc tế về an 56 SOLAS the Safety of Life at Sea toàn sinh mạng trên biển 57 TNHH Trách nhiệm hữu hạn 58 UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao 59 USACE US Army Corps Engineers Cơ quan Công binh của quân đội Mỹ Universal Transverse 60 UTM Lưới chiếu hình trụ ngang đồng góc Mercator 61 VHF Very High Frequency Tần số cực thấp Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam VN- 62 VN-2000 2000 63 VRS Virtual Reference Station Trạm tham chiếu ảo Hệ thống giám sát và điều phối giao 64 VTS Vessel traffic service thông hàng hải World Geodetic System- 65 WGS-84 Hệ tọa độ trắc địa quốc tế 1984 1984
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1- Phân hạng khảo sát và các tiêu chuẩn của IHO........................................14 Bảng 1.2- Một số quy định thủy đạc của USACE ....................................................15 Bảng 1.3-Tiêu chuẩn kỹ thuật khảo sát đo đạc-bản đồ biển (Hải quân Việt Nam) ..16 Bảng 1.4- Tiêu chuẩn xác định báo hiệu hàng hải ...................................................17 Bảng 1.5- Phân hạng và các tiêu chuẩn khảo sát độ sâu (TCVN 10336:2015) .......18 Bảng 1.6- Tiêu chuẩn độ chính xác định vị các công trình báo hiệu hàng hải ........20 Bảng 1.7- Khoảng cách giữa các tuyến đo ................................................................21 Bảng 1.8- Mật độ điểm trên mỗi tuyến đo ...............................................................21 Bảng 1.9- Lựa chọn chỉ tiêu kỹ thuật công tác thủy đạc phục vụ BĐATHH ...........21 Bảng 1.10- Tỷ lệ bình đồ tương ứng với các đối tượng khảo sát .............................25 Bảng 1.11- Đặc điểm thủy triều ven biển Việt Nam .................................................27 Bảng 2.1- Độ chính xác khi sử dụng dịch vụ đo động thời gian thực ......................57 được cung cấp bởi mạng lưới GNSS CORS quốc gia ..............................................57 Bảng 2.2- Khoảng cách từ phao “0” đến trạm CORS và trạm viễn thông BTS .......64 Bảng 3.1- Mức độ phù hợp của mô hình tương ứng với chỉ số Nash .......................85 Bảng 4.1- Tọa độ đo GNSS RTK tại ĐH Hàng hải Việt Nam và cảng Đình Vũ ...102 Bảng 4.2- Kết quả so sánh tọa độ đo GNSS RTK tại Trường ĐH Hàng hải Việt Nam và cảng Đình Vũ ......................................................................................................104 Bảng 4.3- Tọa độ đo GNSS RTK tại cảng Lạch Huyện .........................................106 Bảng 4.4- So sánh kết quả đo GNSS RTK tại cảng Lạch Huyện ...........................107 Bảng 4.5- Bảng thống kê các thiết bị sử dụng khảo sát ..........................................110 Bảng 4.6- Kết quả kiểm tra mốc đo bằng phương án đo GNSS Base RTK ...........111 Bảng 4.7- Kết quả kiểm tra mốc đo bằng phương án đo GNSS CORS RTK .........111 Bảng 4.8- Bảng tọa độ điểm đo sâu của phương án đo GNSS CORS RTK và GNSS Base RTK luồng hàng hải Lạch Huyện ..................................................................114 Bảng 4.9- Kết quả đánh giá độ chính xác độ lệch tọa độ giữa phương án đo GNSS CORS RTK và GNSS Base RTK luồng hàng hải Lạch Huyện ..............................117
x Bảng 4.10- Đánh giá mức độ phù hợp của mô hình với số liệu QTMN luồng Lạch Huyện ......................................................................................................................122 Bảng 4.11- Quy chiếu trị quan trắc mực nước và số liệu mực nước của mô hình tính toán mực nước MIKE 21 FM ..................................................................................128
xi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1- Đặc điểm thủy triều vùng biển ven bờ Việt Nam ....................................26 Hình 1.2- Ảnh hưởng của Heave, Pitch, Roll đến độ sâu .........................................30 Hình 2.1- Phương pháp đo GNSS Base RTK ...........................................................50 Hình 2.2- Sơ đồ khái quát hệ thống trạm GNSS CORS ...........................................52 Hình 2.3- Sơ đồ vị trí trạm GNSS CORS và phạm vi cung cấp dịch vụ đo RTK ....55 Hình 2.4- Phạm vi phủ trùm mô hình Geoid trên lãnh thổ Việt Nam do Bộ Tài nguyên và Môi trường xây dựng ...........................................................................................58 Hình 2.5- Hệ thống trạm GNSS CORS ven biển Việt Nam .....................................60 Hình 2.6- Sơ đồ phân bố vị trí hệ thống trạm viễn thông BTS ven biển Việt Nam..62 Hình 2.7- Trạm GNSS CORS ven biển và vị trí phao “0” luồng hàng hải ...............63 Hình 2.8- Sơ đồ kết nối các thiết bị đo sâu hồi âm ...................................................66 Hình 2.9- Hệ tọa độ tàu .............................................................................................68 Hình 2.10- Nguyên lý đo sâu hồi âm kết hợp với công nghệ GNSS CORS RTK ....69 Hình 3.1- Mô hình MBTBKV98 trên vùng biển Việt Nam .....................................78 Hình 3.2- Mô hình MBTNKV170 trên vùng biển Việt Nam ..................................79 Hình 3.3- Tổng hợp các phương pháp quy chiếu trị quan trắc mực nước ................86 Hình 3.4- Quy chiếu trị QTMN dựa trên MBTB, MBTN tại trạm QTMN ..............88 Hình 3.5- Quy chiếu trị QTMN dựa trên mô hình mặt biển MBTBKV98 ...............88 Hình 3.6- Quy chiếu trị QTMN dựa trên mô hình mặt biển MBTNKV170 .............89 Hình 3.7- Quy chiếu trị QTMN dựa trên mô hình MBTBKV98 và MBTNKV170 .91 Hình 3.8- Các phương pháp quy chiếu trị đo sâu ĐHĐB .........................................92 Hình 3.9- Quy chiếu trị đo sâu ĐHĐB dựa trên MBTN tại trạm QTMN.................93 Hình 3.10- Quy chiếu trị đo sâu ĐHĐB dựa trên MBTN tại trạm QTMN ...............93 Hình 3.11- Quy chiếu trị đo sâu dựa trên mô hình mặt biển MBTNKV170 ............94 Hình 4.1- Vị trí thực nghiệm tại Trường ĐH Hàng hải Việt Nam và cảng Đình Vũ (Ảnh Google) ............................................................................................................99 Hình 4.2- Máy thu Hi-Target V30 RTK ...................................................................99 Hình 4.3- Vị trí thực nghiệm tại cảng Lạch Huyện- Hải Phòng (Ảnh Google) ......105
xii Hình 4.4- Khu vực thực nghiệm luồng hàng hải Lạch Huyện (Ảnh Google).........109 Hình 4.5- Thiết lập trạm Base tại điểm HP.B-1 ......................................................111 Hình 4.6- Vị trí lắp anten máy thu GNSS trên tàu đo .............................................112 Hình 4.7- Kết nối các thiết bị đo .............................................................................113 Hình 4.8- Lưới tính cho mô hình mực nước khu vực luồng Hải Phòng .................120 Hình 4.9- Lưới tính cho mô hình mực nước khu vực luồng Lạch Huyện ..............120 Hình 4.10-Trường mực nước biển trung bình nhiều năm so với cao độ Nhà nước 121 Hình 4.11- Trường mực nước biển thấp nhất nhiều năm so với cao độ Nhà nước 121 Hình 4.12- Kết quả so sánh mực nước thực đo và tính toán bằng mô hình trong thời gian đo tuyến luồng Lạch Huyện ngày 21 tháng 12 năm 2019 ..............................122 Hình 4.13- Kết quả so sánh mực nước thực đo và tính toán bằng mô hình trong thời gian đo tuyến luồng Lạch Huyện ngày 22 tháng 12 năm 2019 ..............................123
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Việt Nam có đường bờ biển trải dài dọc theo đất nước hơn 3260 km và vùng biển rộng lớn nằm gần kề các tuyến đường biển quốc tế, nên biển Việt Nam có vị trí chiến lược quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế đất nước, bảo vệ an ninh quốc phòng, giữ vững chủ quyền, toàn vẹn lãnh thổ quốc gia. Trong những năm gần đây, phương tiện thuỷ hoạt động trên vùng biển, luồng hàng hải ra vào các cảng biển Việt Nam tăng cả về số lượng và tải trọng. Thực tế đó cho thấy vai trò của công tác đảm bảo an toàn đối với các hoạt động giao thông hàng hải là rất quan trọng. Để thực hiện tốt vai trò này, việc khảo sát và cung cấp dữ liệu thủy đạc một cách kịp thời và chính xác về tọa độ, độ sâu của địa hình, địa vật, chướng ngại vật hàng hải nguy hiểm,… trên các luồng tàu và khu nước tại các vùng biển ven bờ của Việt Nam có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong công tác bảo đảm an toàn hàng hải. Tính đến thời điểm hiện tại, ngoài hệ thống GPS của Mỹ thì một số quốc gia và khu vực đã tự thiết lập thêm các hệ thống định vị vệ tinh khác như GLONASS của Nga, GALILEO của Châu Âu và COMPASS (Bắc Đẩu 2) của Trung Quốc,... đã thu được tất cả các vệ tinh trên. Vì vậy, để phù hợp với xu thế ứng dụng công nghệ hiện nay, trong nội dung nghiên cứu của luận án, nghiên cứu sinh không chỉ đề cập đến hệ thống GPS như tại thời điểm đăng kí tên đề tài luận án tiến sĩ, mà còn đề cập đến ứng dụng của tất cả các hệ thống định vị vệ tinh hiện có. Trên cơ sở đó, các kỹ thuật định vị GPS sẽ được đổi thành kỹ thuật định vị GNSS như: phương pháp GNSS động thời gian thực, phương pháp định vị vi phân DGNSS, phương pháp GNSS Base RTK, hay phương pháp GNSS CORS RTK,… Công nghệ GNSS Base RTK tích hợp với thiết bị đo sâu hồi âm trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải đã được các cơ quan chức năng quy định tại rất nhiều văn bản pháp lý và được ứng dụng trong thực tế gần 20 năm qua. Hiện nay, ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam, một số cơ quan chuyên ngành và doanh nghiệp đã xây dựng được một số lượng rất lớn trạm GNSS CORS phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu chính thức nào được thực
2 hiện liên quan đến việc ứng dụng công nghệ GNSS RTK sử dụng trạm GNSS CORS cho công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải tại các vùng ven biển Việt Nam. Nếu tận dụng được các trạm GNSS CORS đã được xây dựng ở các khu vực gần bờ biển cho công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian, kinh phí xây dựng và đo đạc tại các trạm GNSS Base. Đây là hướng tiếp cận mới và cũng là một nội dung nghiên cứu quan trọng của luận án. Trong công tác đo sâu địa hình đáy biển nói chung và thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải, bắt buộc phải tổ chức quan trắc mực nước trên trạm quan trắc mực nước (QTMN) ven bờ, phục vụ hiệu chỉnh ảnh hưởng của thủy triều cho độ sâu đo và quy chiếu trị đo về mặt tham chiếu xác định. Đây là công việc rất vất vả và tốn nhiều thời gian, công sức, đồng thời không tự động hóa được công tác xử xý dữ liệu ngay trong quá trình đo đạc. Dựa vào sự biến thiên tương đối đều của dị thường độ cao được xác định từ mô hình EGM2008 trên phạm vi khu vực biển nhỏ, một số công trình nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đo độ cao bằng GNSS để xác định mực nước tức thời tại vị trí điểm đo độ sâu so với mặt biển trung bình tại trạm GNSS Base thay cho việc quan trắc mực nước thủy triều [44], [52]. Tuy nhiên, do Việt Nam chưa công bố mô hình quasigeoid quốc gia nên sử dụng dị thường độ cao từ mô hình quasigeoid toàn cầu để hiệu chỉnh vào độ sâu đo là chưa phù hợp. Vì lý do đó, cần phải nghiên cứu phương pháp xác định độ cao mực nước nhằm thay thế cho mực nước quan trắc để hiệu chỉnh vào độ sâu đo. Theo các quy định kỹ thuật, độ sâu hải đồ được quy chiếu dựa trên mực nước triều thiên văn thấp nhất (hay mặt biển thấp nhất) tại trạm quan trắc mực nước (QTMN) ven bờ. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiều yếu tố (địa hình, địa mạo; hải văn; khí hậu, thời tiết; các vận động tự nhiên và các hoạt động nhân tạo;...), mặt biển thấp nhất (MBTN) ở các khu vực biển khác nhau sẽ không như nhau, nên khi coi MBTN tại trạm QTMN ven bờ trùng với MBTN tại vị trí đo sâu địa hình đáy biển (ĐHĐB) ở cách xa bờ để quy chiếu kết quả đo sâu về MBTN cho toàn bộ khu đo là chưa có cơ sở khoa học [16], [36]. Mặt khác, quy chiếu độ sâu ĐHĐB dựa trên MBTN tại trạm QTMN sẽ xảy ra sai số rất lớn tại khu vực tiếp biên của hai vùng triều khác
3 nhau... Vì vậy, cần phải nghiên cứu phương pháp quy chiếu trị đo sâu hải đồ dựa trên cơ sở toán học vững chắc, bảo đảm độ chính xác đồng đều và thống nhất trên toàn vùng biển phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu hải đồ, bình đồ tuyến luồng trên vùng biển ven bờ Việt Nam. Xuất phát từ sự đặc thù về số liệu đo địa hình dưới nước thường được phân thành 2 nhóm: (1) Nhóm số liệu định vị tọa độ mặt bằng tích hợp với số liệu đo độ sâu; (2) Nhóm số liệu quan trắc mực nước. Sự đặc thù về nhóm số liệu đo này cũng gắn liền với sự cần thiết của hai hướng nghiên cứu nói trên. Do đó, trên cơ sở triển khai đồng thời và kết hợp cả hai hướng nghiên cứu này, Nghiên cứu sinh xác định nhiệm vụ nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS CORS RTK trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải; nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng của thủy triều trong độ sâu địa hình đáy biển sử dụng độ cao mực nước tính từ mô hình MIKE 21 FM và quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất nhằm đảm bảo độ chính xác đồng đều và thống nhất của dữ liệu trên vùng biển ven bờ Việt Nam. Vì các lý do nêu trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS động thời gian thực trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trong điều kiện Việt Nam” thể hiện tính cấp thiết, thời sự, có giá trị khoa học và thực tiễn, góp phần nâng cao hiệu quả công tác đo đạc ngoại nghiệp; làm căn cứ để bổ sung hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải và tạo cơ sở khoa học để xây dựng cơ sở dữ liệu hải đồ thống nhất trên vùng biển ven bờ Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp tích hợp công nghệ GNSS động thời gian thực (sử dụng hệ thống trạm GNSS CORS) với công nghệ đo sâu hồi âm và quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển khu vực biển ven bờ dựa trên các mô hình mặt biển trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trong điều kiện Việt Nam.
4 2.2. Mục tiêu cụ thể - Thiết lập cơ sở khoa học tích hợp công nghệ GNSS CORS RTK và công nghệ đo sâu hồi âm trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải. - Đề xuất phương pháp quy chiếu độ cao mực nước tính theo mô hình MIKE 21 FM để hiệu chỉnh cho các trị đo sâu địa hình đáy biển khu vực biển ven bờ ở Việt Nam. - Đề xuất phương pháp quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất khu vực biển ven bờ Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là các vấn đề khoa học liên quan đến việc tích hợp công nghệ GNSS CORS RTK với công nghệ đo sâu hồi âm để xác định tọa độ, độ sâu địa hình đáy biển; xử lý dữ liệu đo sâu và quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất nhằm bảo đảm an toàn hàng hải khu vực biển ven bờ Việt Nam. 4. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS CORS RTK tích hợp với công nghệ đo sâu hồi âm và xử lý toán học dữ liệu đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình MIKE 21 FM và mô hình mặt biển thấp nhất trong công tác đo sâu địa hình đáy biển thành lập hải đồ, bình đồ tuyến luồng phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải khu vực biển ven bờ Việt Nam (phạm vi từ phao số “0” đầu luồng hàng hải trở vào đất liền). 5. Nội dung nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu trên, luận án đã tập trung vào các nội dung nghiên cứu quan trọng sau đây: - Thu thập, phân tích các tài liệu khoa học trong nước và trên thế giới liên quan đến việc ứng dụng công nghệ GNSS động thời gian thực (RTK) trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trong điều kiện Việt Nam. - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS CORS RTK trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải.
5 - Nghiên cứu tích hợp công nghệ GNSS CORS RTK với công nghệ đo sâu hồi âm trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải. - Nghiên cứu phương pháp xác định độ cao mực nước dựa trên mô hình MIKE 21 FM và qui chiếu độ cao mực nước quan trắc dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất. - Nghiên cứu phát triển phương pháp quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất. - Thực nghiệm tích hợp công nghệ GNSS CORS RTK, quy chiếu trị đo mực nước từ số liệu của mô hình tính toán thủy triều và quy chiếu độ sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất khu vực biển ven bờ Việt Nam. 6. Phương pháp nghiên cứu Luận án đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thu thập tài liệu: tìm kiếm, thu thập số liệu, tài liệu liên quan đến nội dung của luận án. - Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về công nghệ định vị GNSS và công nghệ đo sâu hồi âm, vấn đề tích hợp và xử lý dữ liệu đo. - Phương pháp tổng hợp: dựa trên các tài liệu thu thập được, tiến hành tổng hợp kiến thức để tìm được các nội dung kiến thức phù hợp nhất cho luận án. - Phương pháp phân tích: phân tích những gì các tác giả khác đã làm được, những gì cần tiếp tục thực hiện. - Phương pháp so sánh: đối chiếu với kết quả nghiên cứu khác hoặc các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá đưa ra giải pháp phù hợp với vấn đề nghiên cứu. - Phương pháp toán học: tập hợp các quy luật, định lý, công thức, kết luận đã được chứng minh để xử lý số liệu đo. - Phương pháp tin học: Dùng các phần mềm phù hợp để xây dựng chương trình tính toán xử lý số liệu đo. - Phương pháp chuyên gia: Tiếp thu ý kiến của người hướng dẫn, tham khảo ý kiến của các nhà khoa học, đồng nghiệp về các vấn đề trong nội dung luận án. - Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thực nghiệm để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận.
6 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7.1. Ý nghĩa khoa học - Thiết lập cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ GNSS CORS RTK trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trên vùng biển ven bờ Việt Nam. - Đề xuất phương pháp sử dụng độ cao mực nước tính từ mô hình MIKE 21 FM để hiệu chỉnh ảnh hưởng của thủy triều trong trị đo sâu địa hình đáy biển và quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất khu vực. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn - Trong điều kiện ngành Đo đạc và Bản đồ đã xây dựng được một số lượng lớn trạm GNSS CORS trên lãnh thổ Việt Nam, luận án đã nghiên cứu, thiết lập cơ sở khoa học và chứng minh bằng thực nghiệm cho việc ứng dụng công nghệ GNSS CORS RTK trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trên vùng biển ven bờ Việt Nam. - Xây dựng cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng mô hình MIKE 21 FM phục vụ hiệu chỉnh ảnh hưởng của thủy triều trong các trị đo sâu địa hình đáy biển thay cho số liệu quan trắc mực nước tại các trạm quan trắc mực nước ven bờ. - Xây dựng cơ sở khoa học cho việc quy chiếu độ sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất nhằm đảm bảo độ chính xác đồng đều và thống nhất trên vùng biển Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu của luận án có giá trị tham khảo tốt về lý luận và thực tiễn cho các cơ quan quản lý trong việc nghiên cứu, ban hành các quy định kỹ thuật về xử lý toán học dữ liệu đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình mặt biển thấp nhất và xây dựng cơ sở dữ liệu hải đồ thống nhất trên vùng biển ven bờ Việt Nam. 8. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp GNSS CORS RTK tích hợp với thiết bị đo sâu hồi âm trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải trên vùng biển ven bờ Việt Nam. Luận điểm 2: Độ cao mực nước được xác định từ mô hình MIKE 21 FM đáp