Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật trắc địa bản đồ: 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của 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" là thiết 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật trắc địa bản đồ: 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 Ngành: Kỹ thuật trắc địa- bản đồ Mã số: 9520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA- BẢN ĐỒ HÀ NỘI, 2024
Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Dương Vân Phong 2. TS. Dương Thành Trung Phản biện 1: GS.TS Võ Chí Mỹ Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Sáng Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Trường Xuân Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp trường, họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, Thành phố Hà Nội vào hồi …giờ, ngày … tháng … năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia, Hà Nội Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
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 giao 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 nước ta. Lực lượng Hải quân, mà trong đó có lực lượng tàu ngầm đóng vai trò là lực lượng nòng cốt trong thực hiện nhiệm vụ bảo vệ vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển. Vì vậy, yêu cầu cần thiết là phải phát huy hết sức mạnh của lực lượng này cả trong chiến đấu và huấn luyện sẵn sàng chiến đấu. Cần đảm bảo dữ liệu chiến trường, dữ liệu mô hình 3D địa hình riêng, phục vụ cho hoạt động tác chiến trên biển với độ chính xác và chi tiết cao, tương ứng với từng loại nhiệm vụ. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, mô hình 3D trở lên phổ biến 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, mang lại hiệu quả lớn cả về kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, chưa có các giải pháp cho các hoạt động đặc thù của tàu ngầm, nhất là với mô hình 3D địa hình đáy biển. Do vậy đề tài “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” rất cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là thiết lập cơ sở khoa học xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng
2 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 Đối tượng nghiên cứu: 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. 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; phương pháp phân tích, tổng hợp; phương pháp so sánh; phương pháp tin học; phương pháp mô hình hóa; phương pháp thực nghiệm. 5. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: 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. Luận điểm 2: 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
3 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 Góp phần bổ sung cơ sở khoa học về xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển. Xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển với độ chính xác cao, sát với bề mặt thực và thể hiện một cách trực quan nhất, phục vụ cho nhiệm vụ tác chiến của tàu ngầm như huấn luyện, diễn tập sẵn sàng chiến đấu, …đạt hiệu quả cao. 8. Cơ sở tài liệu, số liệu Luận án sử dụng các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan, số liệu thu thập thực địa của Đoàn Đo đạc biên vẽ Hải đồ và Nghiên cứu biển khu vực biển Nha Trang-Khánh Hòa, biển Ninh Thuận, biển Song Tử-Trường Sa. 9. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của Luận án bao gồm 3 chương và minh họa bởi 18 bảng biểu, 108 hình vẽ và đồ thị, 13 phụ lục số liệu tính toán, 8 công trình nghiên cứu đã công bố và danh mục 87 tài liệu tham khảo. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 1.1 Mô hình 3D địa hình đáy biển Mô hình 3D địa hình là một kỹ thuật đồ họa máy tính hiện đại, mang lại khả năng biểu diễn không gian ba chiều của bề mặt đất với độ chính xác và chi tiết cao, tạo ra mô hình chân thực, phản ánh đúng về đặc điểm
4 vật lý và địa hình của một khu vực cụ thể. Qua mô hình 3D địa hình, người ta có thể thăm dò không gian từ nhiều góc độ khác nhau, giúp tạo ra một cách nhìn toàn diện về môi trường xung quanh. 1.2 Một vài nét về tàu ngầm và hoạt động của tàu ngầm Tàu ngầm đóng vai trò là một lực lượng quan trọng của hải quân, góp phần răn đe chiến lược bằng cách hiện diện hoặc tàng hình dưới bề mặt đại dương một cách bất ngờ, nhanh chóng. Tàu ngầm lớp Kilo 636 của Việt Nam là phiên bản nâng cấp của các tàu ngầm lớp Kilo ban đầu, kết hợp các cải tiến về tính năng tàng hình âm thanh, khả năng dẫn đường và vũ khí hoả lực tân tiến. 1.3 Yêu cầu về dữ liệu trắc địa, hải văn đảm bảo hoạt động cho tàu ngầm Công tác đo đạc khảo sát thành lập bản đồ địa hình đáy biển được thực hiện nhằm bảo đảm an toàn hàng hải cũng như các hoạt động khác của các phương tiện nổi cũng như các phương tiện ngầm. Tùy thuộc nhiệm vụ khảo sát đo đạc phục vụ cho các phương tiện của Hải quân mà áp dụng thêm các tiêu chuẩn khác nhau. Việc phân loại yêu cầu và mức độ khảo sát địa hình đáy biển dựa trên các yếu tố sau đây: Mức độ yêu cầu cho các nhiệm vụ cụ thể (như huấn luyện, đợi cơ, và hành trình), Mức độ quan trọng của công trình, dự án hoặc khu vực nước (bao gồm mật độ hàng hải và mục đích sử dụng). Đồng thời, cũng xem xét độ sâu của vùng nước và độ phức tạp của địa hình đáy, từ đó xác định các yêu cầu liên quan đến độ chính xác của việc xác định tọa độ và độ sâu, yêu cầu về độ bao phủ tối thiểu của mặt đáy, cũng như các yêu cầu về phương pháp và thiết bị đo. 1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển, phân loại trầm tích bề mặt đáy biển trên thế giới và tại Việt Nam Trên thế giới, có nhiều công trình nghiên cứu đã ứng dụng các phương pháp khác nhau trong xây dựng mô hình 3D nói chung, cũng
5 như ứng dụng 3D trong dẫn đường cho hàng hải mặt nước. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu đi sâu vào kỹ thuật xây dựng lưới, tạo bề mặt mô hình, nâng cao tính trực quan của mô hình, cũng như phục vụ cho dẫn đường của tàu ngầm. Các công trình nghiên cứu hiện nay chỉ trong khu vực nhỏ mang tính chất nghiên cứu, còn các công trình phục vụ cho tàu ngầm là các tài liệu có độ mật cao nên rất khó tiếp cận. Đối với phân loại trầm tích đáy biển, các nước có ngành thủy đạc tiên tiến đã ứng dụng hiệu quả việc phân loại trầm tích mặt đáy biển từ dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia và ảnh quét sườn. Tuy nhiên, rất ít công trình ứng dụng kết quả phân loại được để nâng cao tính trực quan hóa cho mô hình 3D địa hình đáy biển. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về xây dựng mô hình 3D địa hình diễn ra cũng hết sức phong phú theo các hướng như sử dụng dữ liệu thu được từ các công nghệ thu nhận dữ liệu khác nhau, nghiên cứu nâng cao độ chính xác của mô hình 3D, nghiên cứu các giải pháp công nghệ để xây dựng và hiển thị mô hình 3D. Tuy nhiên, vấn đề xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển, sử dụng công nghệ thủy âm quét sườn nhận dạng các đối tượng phục vụ xây dựng mô hình 3D, công nghệ cũng như kỹ thuật, giải pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển còn ít hoặc chưa được đề cập tới. Việc sử dụng dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia và ảnh quét sườn trong phân tích trầm tích bề mặt đáy biển chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cả trong quân đội và dân sự. 1.5 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Từ các kết quả tổng hợp, phân tích, có thể thấy, các nghiên cứu trên thế giới về xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển đã được triển khai khá sâu rộng, nhưng việc kết hợp với dữ liệu trầm tích để nâng cao tính trực quan mô hình chưa hiệu quả. Ở Việt Nam, có rất ít công trình
6 nghiên cứu xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển và sử dụng dữ liệu thủy đạc để phân loại trầm tích. Luận án tiến hành nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề sau: - Nghiên cứu, đề xuất các phương pháp tối ưu hoá lưới 3D trên cơ sở dữ liệu đo sâu đa tia để xây dựng mô hình sát với bề mặt thực địa hình đáy biển. - Nghiên cứu phương pháp thể hiện bề mặt đáy biển trực quan từ dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia và side scan sonar, kết hợp với thể hiện các đối tượng địa lý. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 2.1 Lựa chọn cơ sở toán học trong thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển Trong xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển, sử dụng hệ tọa độ vuông góc phẳng để biểu diễn các yếu tố. Do đặc thù của các thiết bị công nghệ, đặc điểm tác chiến trên biển của Hải quân, hệ tọa độ được lựa chọn sử dụng trên biển là hệ tọa độ WGS-84. Lựa chọn sử dụng phép chiếu Mercator trong thu thập dữ liệu địa hình đáy biển để đảm bảo tính chất giữ hướng, hệ độ sâu là mặt nước biển thấp nhất khu vực để đảm bảo an toàn các hoạt động hàng hải. 2.2 Các phương pháp thu thập dữ liệu địa hình đáy biển Công tác thu thập dữ liệu địa hình đáy biển hiện đang sử dụng các phương pháp phổ biến sau: sử dụng nguồn dữ liệu có sẵn; đo sâu trực tiếp dùng đo sào, đo rọi; đo sâu đơn tia; đo sâu đa tia; quét sườn; Lidar; công nghệ đo sâu vệ tinh; công nghệ dị thường trọng lực…Trong đó, đo sâu đa tia và quét sườn là hai phương pháp thu thập dữ liệu địa hình phổ biến ở nước ta.
7 2.3 Yêu cầu về dữ liệu sử dụng để thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển 2.3.1 Một số đặc điểm thu thập dữ liệu độ sâu của máy đo sâu đa tia Mật độ độ sâu ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mô hình số địa hình đáy biển được thành lập. Các phương pháp thu nhận dữ liệu địa hình khác nhau cho kết quả về mật độ điểm độ sâu khác nhau. Trong đó, phương pháp đo sâu hồi âm đa tia hiện là một trong những phương pháp thu nhận dữ liệu với mật độ điểm cao nhất hiện nay. 2.3.2 Mức độ chi tiết của điểm đo sâu trong thành lập mô hình 3D Dữ liệu thu thập từ hệ thống đo sâu đa tia với mật độ dày, đảm bảo tốt cho việc thành lập mô hình số địa hình đáy biển. Điểm độ sâu sau thu thập sẽ được xử lý và loại bỏ nếu sai, do vậy sẽ có mật độ thấp hơn tương đối so với điều kiện lý tưởng. Ngoài ra, trong trường hợp dữ thu thập địa hình đáy biển bằng các phương pháp khác như đo đơn tia, mật độ thấp thì cần phải sử dụng đến phương pháp nội suy để tăng mật độ điểm; hoặc trong trường hợp cần tính khái quát địa hình, với mật độ số liệu điểm quá dày, việc tính toán xây dựng mô hình sẽ gặp khó khăn, thì cần phải làm thưa dữ liệu. Sau khi đánh giá mật độ thu thập của nhiều hệ thống đo sâu, luận án đề xuất yêu cầu về mật độ điểm độ sâu trước khi đưa vào thành lập mô hình 3D địa hình như bảng dưới đây: 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 TT Dải độ sâu (m) Mật độ điểm cách điểm (m) 1 0 ÷ -5 0,10 2 -5 ÷ -10 0,20 3 -10 ÷ -20 0,50
8 4 -20 ÷ -50 1,00 5 -50 ÷ -100 2,00 6 -100 ÷ -200 3,00 7 -200 ÷ -300 5,00 8 -300 ÷ -500 10,00 2.3.3 Đặc điểm về hình ảnh của máy thủy âm quét sườn Việc thu thập hình ảnh Sonar quét sườn cần phải xác định được 2 tham số quan trọng nhất là: dải quét (range) và độ phân dải (resolution). Độ phân giải sẽ xác định mức độ chi tiết của ảnh quét, nó được phân làm 2 loại: độ phân giải theo phương dọc (along-track), độ phân giải theo phương ngang (across-track) và độ phân giải tán xạ ngược. Dải quét sẽ xác định phạm vi khảo sát, nó phụ thuộc và tần số hoạt động của thiết bị. Tần số càng cao thì phạm vi quét phủ càng nhỏ và ngược lại. 2.3.4 Yêu cầu thể hiện các đối tượng địa lý trên mô hình số Cũng như tác chiến trên đất liền, tàu ngầm khi triển khai các hoạt động dưới đáy biển cần phải nắm chắc thông tin của các đối tượng địa lý như: các dải đá, san hô, động thực vật, các công trình ngầm dưới đáy biển. Tất cả các đối tượng địa lý cần thể hiện được đầy đủ thông tin về hình dáng, tính chất,.. trên mô hình số. 2.4 Phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển 2.4.1 Một số thuật toán nội suy Một số thuật toán nội suy phổ biến như nghịch đảo khoảng cách có trọng số, nội suy xuyên tâm, nội suy đa thức toàn cầu, nội suy đa thức cục bộ, Kriging, Cubic Spline…Qua nghiên cứu, luận án lựa chọn 2 thuật toán nội suy: nghịch đảo khoảng cách có trọng số (IDW) và Cubic Spline để xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển. Nội suy nghịch đảo khoảng cách có trọng số là phép nội suy rời rạc, thường
9 được áp dụng cho dữ liệu tại các khu vực có phạm vi rộng lớn, tính biến đổi cao, như dữ liệu địa hình đáy biển. Cubic Spline là phép nội suy theo xu thế, được sử dụng để xây dựng đường cong mượt mà và liên tục thông qua một tập hợp các điểm dữ liệu đã biết, biểu diễn được tính chất tự nhiên nhất của dáng địa hình đáy biển nhất. 2.4.2 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải Phương pháp xây dựng lưới đa độ phân giải nhằm mục đích tối ưu dữ liệu đầu vào, tập trung thể hiện chi tiết địa hình ở những khu vực nông, địa hình dốc, chia cắt nhiều, và thể hiện khái quát ở những khu vực sâu hơn, địa hình bằng phẳng hơn, nhằm đạt được sự tối ưu mà vẫn đảm bảo độ chính xác trong tính toán xây dựng mô hình. Quy trình tối ưu hóa mô hình 3D trong trường hợp này trải qua các bước như sau: 1. Phân vùng cho dữ liệu đầu vào theo mức độ phức tạp của địa hình, theo độ dốc hoặc theo độ sâu. 2. Xây dựng lưới ô vuông tại mỗi vùng. Giá trị của kích thước ô lưới tuân theo Bảng 2.3. Hình 2. 25 Xây dựng lưới grid tại mỗi vùng phụ thuộc vào độ sâu 3. Nội suy độ sâu cho các điểm mắt lưới. Sử dụng thuật toán nộ suy nghịch đảo khoảng cách để nội suy các điểm mắt lưới.
10 Hình 2. 26 Phân bố dữ liệu đo sâu và nội suy mắt lưới bằng IDW 4. Xây dựng cấu trúc lưới đa độ phân giải và bề mặt của mô hình Hình 2. 28 Cấu trúc lưới đa độ phân giải được xây dựng * Những ưu điểm của lưới 3D đa độ phân giải: Mô hình liên tục và tốt hơn với các mật độ dữ liệu khác nhau, quy trình xây dựng hiệu quả và quản lý dữ liệu dễ dàng hơn, giá trị độ cao tại các nút lưới có độ chính xác cao hơn so với lưới ô vuông đều. 2.4.3 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới tứ giác không gian với các cạnh là đường cong tham số Mô hình tứ giác không gian là mô hình thể hiện được dáng địa hình đáy biển chân thực nhất do đặc tính bề mặt cong và trơn liên tục. Để xây dựng mô hình tứ giác không gian cần thực hiện theo quy trình sau: 1. Xác định tuyến tàu di chuyển trên nền độ sâu 2. Xác định các tuyến liền kề tuyến tàu đi qua các điểm độ sâu thực đo.
11 Hình 2. 31 Xác định các vùng Hình 2. 33 Xác định các tuyến lựa chọn điểm gần tuyến tàu đi liền kề tuyến tàu đi 3. Xây dựng đường cong cubic-spline đi qua tập điểm tuyến liền kề. Hình 2. 35 Các đường cong cubic-spline đi qua các điểm tuyến liền kề 4. Xác định các mặt vuông góc với tuyến hành trình, cắt các đường cong tham số tại các vị trí mới Hình 2. 37 Các điểm nút của lưới tứ giác cong 5. Xây dựng lưới tứ giác cong và mặt cong tham số
12 Hình 2. 38 Lưới tứ giác không gian và mặt cong tứ giác không gian * Nhận xét, lưới tứ giác không gian có các ưu điểm sau: Mô hình liên tục, thể hiện được xu hướng đúng của dáng địa hình. So với mô hình lưới TIN, thông thường sẽ bị sai về dáng địa hình xung quanh vị trí các đỉnh tam giác. Mô hình vẫn đảm bảo được độ chính xác do các điểm thực đo vẫn được giữ lại trên các đường cong tham số. 2.5 Yêu cầu về độ chính xác mô hình sau khi thành lập Để đánh giá độ chính xác của mô hình được thành lập, nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp trắc địa chọn các điểm trị đo sâu không tham gia xây dựng mô hình để kiểm tra mô hình được thành lập, tính toán sai số trung phương. Ngoài ra, dựa trên kết quả xây dựng từ các phần mềm thương mại về xây dựng mô hình 3D như Golden Software Surfer, Global Mapper, ArcGIS 3D Analyst... tiến hành so sánh kết quả sai số trung phương giữa mô hình thương mại và mô hình theo phương pháp nghiên cứu sinh đề xuất. 2.6 Phương pháp trực quan hóa mô hình 3D địa hình đáy biển Thông tin về địa hình, địa mạo, tính chất trầm tích đáy biển hết sức quan trọng trong các hoạt động tác chiến của tàu ngầm. Do vậy, việc nghiên cứu về trực quan hóa địa hình đáy biển trong xây dựng mô hình 3D là một yêu cầu rất cần thiết, giúp người chỉ huy có được thông tin nhanh, chính xác, sớm đưa ra quyết định.
13 2.6.1 Trầm tích và phương pháp phân loại trầm tích Trầm tích là các hạt lắng đọng, các vật liệu đất, đá sinh ra từ các quá trình địa chất nội sinh, ngoại sinh hoặc do các hiện tượng thiên nhiên khác. Kích thước hạt trầm tích là một trong số các đặc trưng cơ bản của trầm tích. Trầm tích loại hạt keo (clay) là loại có kích thước hạt nhỏ nhất, sau đó tới các loại như sét, bùn, cát, sỏi (cuội) hay đá cuội. Căn cứ theo thành phần, kích thước hạt trầm tích mà người ta tiến hành phân loại, xác định tên trầm tích. Có nhiều thang phân loại trầm tích, trong đó phải kể đến thang phân loại trầm tích của tổ chức thủy đạc quốc tế với tổng 20 loại. 2.6.2 Dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia Dữ liệu tán xạ ngược là một loại dữ liệu thu thập bởi hệ thống đo sâu đa tia, dùng để xác định trầm tích bề mặt đáy biển. Trong dữ liệu tán xạ ngược có thông tin về mức cường độ âm, là mức độ phản xạ của sóng âm tại bề mặt đáy biển. Mỗi lớp trầm tích khác nhau sẽ có mức độ phản xạ khác nhau, sẽ dựa vào mức độ phản xạ của sóng âm để đưa ra thông tin về loại trầm tích bề mặt đáy biển. 2.6.3 Dữ liệu thủy âm quét sườn Các sonars quét sườn được sử dụng để lập bản đồ đáy biển cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm việc tạo ra các bản đồ và phát hiện và nhận dạng các đối tượng dưới nước. Chúng thường được sử dụng để tiến hành khảo sát, khảo cổ học đáy biển. Kết hợp với các mẫu chất đáy, sonar sườn có thể được sử dụng để phân loại trầm tích đáy biển. 2.6.4 Phương pháp phân loại trầm tích a) Phương pháp xử lý dữ liệu trầm tích từ số liệu tán xạ ngược Trước khi có thể sử dụng dữ liệu tán xạ ngược từ dữ liệu thô, cần tiến hành các công đoạn xử lý, bao gồm cả xử lý về dữ liệu độ sâu. Thực hiện một số bước cơ bản như: nhập dữ liệu địa hình, kiểm tra
14 biểu đồ tần suất, tạo ảnh mosaic ban đầu, trích xuất mẫu, phân tích phản hồi góc tới (ARA), tạo ảnh mosaic sau cùng và phân loại. Về nguyên lý như sau: Giả định như bề mặt đáy biển bằng phẳng hoàn toàn, đồng chất thì khi hệ thống đa tia phát xung âm thanh thì cường độ tín hiệu nhận được ở xung âm thanh phản hồi ở vị trí vuông góc với đáy biển sẽ mạnh hơn với những xung âm thanh phát ra hai biên. Mỗi loại trầm tích sẽ có đặc tính phản hồi cường độ tán xạ ngược khác nhau tại các góc tới, tần số âm khác nhau, gọi là bộ giải đoán trầm tích. Dữ liệu đa tia khảo sát tại thực địa sau khi xử lý sẽ được đối chiếu so sánh với các bộ mẫu giải đoán để xác định loại trầm tích cần tìm. b) Phương pháp xử lý dữ liệu trầm tích từ dữ liệu thủy âm quét sườn Để có thể phân loại trầm tích từ dữ liệu thủy âm quét sườn, cần thực hiện qua các bước như sau: 1. Chuẩn bị ảnh; 2. Trích chọn đặc trưng, xây dựng bộ mẫu giải đoán trầm tích; 3. Huấn luyện mô hình: Sử dụng thuật toán Decision Tree là thuật toán máy học để xây dựng mô hình dự đoán và phân loại dữ liệu; 4. Tạo ảnh phân loại: Ảnh phân loại nhận được là ảnh mà các giá trị độ xám của pixcel nằm trong các chỉ số phân loại đã được định sẵn; 5. Véc tơ hóa và biên tập. 2.6.5 Giải pháp thể hiện trầm tích và các đối tượng địa lý trong mô hình 3D Các công trình nghiên cứu liên quan hiện nay thường sử dụng các phương pháp đơn giản như mô hình chiếu sáng đơn giản (ví dụ: đổ bóng), phương pháp chú thích và phương pháp kết cấu đặc trưng (feature textures). Mặc dù các phương pháp này phân biệt các vùng trầm tích khác nhau một cách hiệu quả, nhưng có nhiều hạn chế. Dựa trên các công trình nghiên cứu đã công bố, luận án sử dụng phương pháp kết cấu đặc trưng nâng cao để thể hiện trầm tích trong mô hình 3D địa hình đáy biển, tiến hành như sau: 1. Xây dựng kết cấu các hạt trầm tích: sử dụng các phép đo ảnh, tạo ảnh cân bằng trắng, tái tạo
15 thành các đám mây điểm; 2. Tăng cường hiệu ứng hình ảnh bằng kỹ thuật ánh xạ không gian 3 chiều và loại bỏ hiệu ứng lặp kết cấu; 3. Tạo và pha trộn thực vật thủy sinh: Mỗi vùng trầm tích có 01 ID làm gốc, tương ứng các tính chất bề mặt được xác định từ dữ liệu phân tích, sau đó gán phủ lên tương ứng; 4. Mô phỏng môi trường dưới nước bằng cách điều chỉnh nhiệt độ màu và cân bằng trắng. 2.7 Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm Với các kết quả nghiên cứu đạt được, nghiên cứu sinh tiến hành xây dựng sơ đồ quy trình thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển như sau: THU THẬP DỮ LIỆU NGOẠI NGHIỆP DỮ LIỆU ĐO SÂU DỮ LIỆU QUÉT BIỂN DỮ LIỆU DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN SIDE SCAN SONAR TRẦM TÍCH CÁC ĐỐI TƯỢNG ĐỊA LÝ XỬ LÝ SỐ LIỆU XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐO SÂU XỬ LÝ DỮ LIỆU PHÂN TÍCH THÔNG TIN HOÁ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN QUÉT BIỂN TRẦM TÍCH CÁC ĐỐI TƯỢNG ĐỊA LÝ PHÂN TÍCH CÁC YÊU CẦU VỀ MÔ HÌNH SỐ 3D CHO TÀU NGẦM CÁC NHIỆM VỤ YÊU CẦU VỀ YÊU CẦU VỀ ĐỘ CHI TIẾT DỮ LIỆU CỦA TÀU NGẦM ĐỘ CHÍNH XÁC DỮ LIỆU CÁC YẾU TỐ CẦN TRÌNH BÀY XÂY DỰNG CSDL 3D ĐỊA HÌNH PHÂN LOẠI THEO NHIỆM VỤ XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP ĐỘ CHÍNH XÁC MÔ HÌNH SAU CÁC ĐỐI TƯỢNG LIÊN QUAN XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHI THÀNH LẬP CẦN TRÌNH BÀY BÀN GIAO SỬ DỤNG TRÊN CÁC TÀU Hình 2. 69 Quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển
16 1. Thu thập dữ liệu ngoại nghiệp: thu thập các nguồn dữ liệu có độ chính xác cao như dữ liệu địa hình đáy biển, dữ liệu quét sườn, khí tượng hải văn,… 2. Xử lý dữ liệu đầu vào: Công tác xử lý các nguồn dữ liệu cần được tiến hành theo đúng quy trình, đảm bảo sai số cho phép với từng loại dữ liệu. 3. Phân tích yêu cầu đối với mô hình 3D cho tàu ngầm: Để đảm bảo hiệu quả cho tàu ngầm hoạt động cần đánh giá cụ thể các nhiệm vụ của tàu ngầm, đồng thời chỉ ra yêu cầu đối với mô hình 3D khi thực hiện nhiệm vụ tại các khu vực đợi cơ, nằm đáy, hành trình dưới lòng biển hay bất kì nhiệm vụ huấn luyện chiến đấu và SSCĐ của tàu ngầm. 4. Xây dựng CSDL 3D địa hình đáy biển: Hệ thống CSDL phải bảo đảm theo cơ chế Client - Server có hệ thống phân quyền, bảo mật thông tin và phân loại dữ liệu địa hình đáy biển theo nhiệm vụ tương ứng với nhiệm vụ tác chiến của tàu ngầm. 5. Xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển: Sau khi có CSDL chuẩn hoá theo từng nhiệm vụ, tiến hành lựa chọn phương pháp xây dựng mô hình số. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM 3.1 Khu vực và dữ liệu thực nghiệm 3.1.1 Giới thiệu về khu vực thực nghiệm Trong nội dung này, đã lựa chọn 3 khu vực có vị trí địa lý khác nhau đặc trưng cho khu vực gần bờ, khu vực giữa và ngoài khơi xa: Khu vực thuộc biển Nha Trang - Khánh Hòa (phạm vi 5km x 10km, độ sâu từ 18-70 m), khu vực thuộc biển Ninh Thuận (phạm vi 3.5km x 3.8km, độ sâu từ 17-73m), khu vực biển ven cụm đảo Song Tử thuộc
17 quần đảo Trường Sa (phạm vi 1km x 4km, độ sâu từ 19m-80m). Các khu vực được lựa chọn thực nghiệm đều có tần suất hoạt động của tàu ngầm cao, đại diện cho các nhiệm vụ như đợi cơ, nằm đáy, hành trình tác chiến… 3.1.2 Giới thiệu về phương pháp thu nhận Các dữ liệu thực nghiệm trong luận án được thu thập vào các năm 2014, 2019 và 2021, thực hiện bởi các hệ thống đo sâu đa tia nước nông SeaBeam 1180, hệ thống đa tia nước sâu Atlas Hydrosweep MD30, thiết bị quét sườn Side Scan Sonar Klein 3000, CM2 được trang bị trên các Tàu khảo sát 888, 884 của Đoàn Đo đạc biên vẽ hải đồ và Nghiên cứu biển/Bộ Tham Mưu Hải quân. Ngoài ra sử dụng gầu lấy mẫu Van Veen để thu thập trực tiếp các mẫu trầm tích ngoài thực địa. 3.2 Thực nghiệm xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển 3.2.1 Kết quả xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải a) Song Tử b) Nha Trang c) Ninh Thuận Hình 3. 16, 19, 21 Mô hình lưới 3D đa độ phân giải 3 khu vực thực nghiệm 3.2.2 Xây dựng mô hình lưới tứ giác không gian với các cạnh là đường cong tham số Kết quả xây dựng mô hình 3D bề mặt với các tứ giác không gian:
18 Hình 3. 22, 23 Mô hình 3D bề mặt với các tứ giác không gian 2 khu vực thực nghiệm Nha Trang và Song Tử 3.2.3 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. Kết quả phân loại trầm tích khu vực ven biển cụm đảo Song Tử: a) Song Tử b) Ninh Thuận Hình 3. 26, 27 Kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu thủy đạc