Ứng dụng dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia trong nâng cao hiệu quả thành lập bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Ứng dụng dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia trong nâng cao hiệu quả thành lập bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển trình bày khai thác, sử dụng có hiệu quả các dữ liệu trên trong việc xác định trầm tích bề mặt, nâng cao hiệu quả trong công tác biên tập hải đồ, phục vụ nhiệm vụ bảo đảm sẵn sàng chiến đấu của đơn vị.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia trong nâng cao hiệu quả thành lập bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển

ỨNG DỤNG DỮ LIỆU TÁN XẠ NGƯỢC ĐA CHÙM TIA TRONG NÂNG CAO HIỆU QUẢ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ TRẦM TÍCH BỀ MẶT ĐÁY BIỂN Cao Hoàng Trưởng1, Mai Văn Duy1, Trịnh Lê Hùng2, Trịnh Thị Thắm3 1 Đoàn Đo đạc biên vẽ hải đồ và Nghiên cứu biển 2 Học viện Kỹ thuật quân sự 3 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Tóm tắt Công nghệ đo sâu đa tia cho phép xác định chi tiết địa hình đáy biển, giúp giảm bớt gánh nặng trong công tác khảo sát ngoài thực địa. Các hệ thống này ngoài thu thập dữ liệu độ sâu địa hình đáy biển, chúng còn thu thập các dữ liệu tán xạ ngược (backscatter) cho biết về trầm tích bề mặt đáy biển, dữ liệu hình ảnh mặt cắt tầng nước theo dải quét (Water Column Imaging) cho biết về các dạng vật chất trong môi trường nước. Nghiên cứu của tác giả nhằm khai thác, sử dụng có hiệu quả các dữ liệu trên trong việc xác định trầm tích bề mặt, nâng cao hiệu quả trong công tác biên tập hải đồ, phục vụ nhiệm vụ bảo đảm sẵn sàng chiến đấu của đơn vị. Từ khóa: Trầm tích bề mặt; Tán xạ ngược; Chùm đa tia. Abstract Application of multi-beam sonar backscatter data in improving the efficiency of mapping surface sediment of the ocean floor Multi-beam depth measurement technology allows precise determination of the seabed topography, helping to reduce the financial burden in field surveys. Both seabed topographic depth data and backscatter data were collected from these systems have given information about surface sediments of the sea bottom and the forms of matter in the water through water column imaging. The author’s research aims to exploit and effectively use the above data in determining surface sediments, improving the efficiency of chart editing, and ensuring the country’s combat readiness. Keywords: Surface sediment; Backscatter; Multi-beam. 1. Mở đầu Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về biển. Với diện tích mặt biển trên một triệu km2, có bờ biển trải dài trên 3.260 km, với trên 3.000 đảo lớn nhỏ và hai quần đảo Hoàng Sa, Trường Sa. Vì vậy, các yêu cầu về quản lý và khái thác bền vững tài nguyên biển đặt ra các nhiệm vụ vô cùng đặc biệt. Bên cạnh đó, đo đạc biển và sản xuất hải đồ (thủy đạc) có vai trò quan trọng trong phục vụ nhiệm vụ quốc phòng và an ninh, bảo đảm cho các ngành kinh tế quốc dân và nghiên cứu dân sự về biển đảo của Việt Nam. Việc hiểu được địa hình và trầm tích đáy biển sẽ giúp ích cho các hoạt động hàng hải, neo đậu tàu thuyền, đánh bắt thủy hải sản. Trong lĩnh vực quân sự, lớp trầm tích bề mặt biển có ý nghĩa trong các hoạt động như thiết đặt bom, mìn, sự đỗ đậu của tàu ngầm... Khoa học công nghệ ngày nay phát triển làm thay đổi rất nhiều các phương pháp để con người khám phá đại dương. Sự phát triển nhanh chóng của các ngành nghề liên quan đến biển đặt ra yêu cầu lớn về công nghệ thành lập bản đồ biển, không chỉ để khai thác mà còn để bảo vệ môi trường và lập kế hoạch phát triển bền vững. Bằng cách sử dụng các loại hệ thống sonar khác nhau có thể lập bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển với độ phân giải rất cao. Hệ thống đa tia là một công cụ mạnh mẽ để lập bản đồ biển. Nó sẽ phát đi với một số lượng lớn các xung âm thanh và thu được hàng trăm điểm độ sâu trên một mặt phẳng vuông góc với 368 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
đường đi của tàu khảo sát. Dữ liệu đa tia thu thập được bao gồm cả cường độ tán xạ ngược của âm thanh phản xạ trở lại. Dữ liệu được dùng để xác định loại trầm tích đáy biển. Nói đơn giản hơn: Tín hiệu phản hồi yếu (cường độ âm thấp) cho biết chất nền đáy mềm và tín hiệu phản hồi mạnh (cường độ âm cao) cho biết chất nền cứng [1]. Nhiều nước trên trên thế giới đã sử dụng dữ liệu cường độ tán xạ ngược như một công cụ chính trong công tác thành thập bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển. Tuy nhiên, qua tìm hiểu của tác giả, việc nghiên cứu, ứng dụng dữ liệu này tại nước ta chưa được phổ biến rộng rãi và có hiệu quả. Có thể thấy một số ưu điểm lớn của nghiên cứu trong Bảng 1 dưới đây: Bảng 1. So sánh phương pháp xác định chất đáy truyền thống và phương pháp sử dụng dữ liệu tán xạ ngược chùm đa tia Sử dụng dữ liệu Phương pháp truyền thống tán xạ ngược đa tia (dùng gầu, lặn) Thời gian thu thập Nhanh do kết hợp cùng Tốn kém, nhiều thời gian hơn dữ liệu đo sâu địa hình đáy biển Phạm vi thu thập rộng lớn, mật độ Phạm vi, mật độ Phạm vi nhỏ, rời rạc điểm cao Phụ thuộc vào dữ liệu và phương Phụ thuộc vào người quan sát, kinh Độ tin cậy pháp xử lý nghiệm phân tích mẫu thu thập Dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu này được thu thập tại khu vực ven biển Vũng Tàu bằng hệ thống đo sâu đa tia Altlas Fansweep 20 tần số 200 kHz, chuyên dùng cho khảo sát vùng nước nông có độ phân giải cao. 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 2.1. Cơ sở lý thuyết Thiết bị đo vẽ bản đồ biển lâu đời nhất được ghi lại là dây dọi. Dây rọi bao gồm một quả nặng chì gắn vào phần cuối của sợi dây dài với các khoảng được đánh dấu để hiển thị độ sâu. Phương pháp này được thực hiện lần đầu tiên bởi người Ai Cập cổ đại (theo Văn phòng Thủy văn Australia 2007). Sau đó, các nhà thám hiểm đại dương sử dụng phương pháp này, thay quả nặng bằng gầu múc để thu thập các mẫu trầm tích. Tàu khảo sát đầu tiên thực hiện việc lập bản đồ đại dương là HMS Challenger vào năm 1872. Cùng thời gian đó, William Thomson đã phát minh ra dây tạo xung âm thanh, sau đó được Charles D. Sigsbee phát triển thành máy Sigsbee Sounding. Vào năm 1912, sau thảm họa Titanic, nhà vật lý người Đức tên Alexander Behm đã nghiên cứu cách phát hiện băng trôi bằng công nghệ âm thanh. Tuy nhiên, ông không tìm ra phương pháp phát hiện các tảng băng trôi mà thay vào đó đã khám phá ra kỹ thuật đo sâu hồi âm để xác định độ sâu đáy biển, và được cấp bằng sáng chế vào năm 1913 (Wikepedia 2007). Vào những năm 1950, các kỹ thuật thiết bị đo sâu đa tia đầu tiên được phát triển bởi hải quân Hoa Kỳ. Sự phát triển của máy đo sâu đa tia được cải thiện nhanh chóng trong những năm 1980 - 1990. Ngày nay, các hệ thống đo sâu đa tia rất tiên tiến, sử dụng định vị vệ tinh chính xác để giúp chúng ta tạo các tấm bản đồ độ sâu với độ chính xác đến vài cm [2]. a) Hệ thống đo sâu đơn tia và đa tia Các thiết bị đo sâu hồi âm phát ra các xung âm thanh qua một phát biến (tranducer). Các tín hiệu âm thanh đi xuống và phản xạ dưới đáy biển quay trở lại phần thu của phát biến. Độ sâu được tính dựa theo thời gian di chuyển của âm thanh trong môi trường nước (~1.500 m/s). Khi con tàu di chuyển, máy đo đơn tia liên tục phát các xung âm thanh xuống bề mặt đáy biển và nhận lại theo Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 369 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
từng vị trí. Máy đo đơn tia chỉ thu được 1 độ sâu tại vị trí phát xung, nên cần phải nội suy độ sâu giữa các tuyến khảo sát để có thể tạo ra một tấm hải đồ. Nhiều hải đồ ngày nay vẫn dựa trên loại dữ liệu này. Hệ thống đo sâu đa tia bao gồm nhiều phát biến, phát ra nhiều xung âm thanh bao phủ một vùng rộng bên dưới tàu khảo sát. Hệ thống có thể bao phủ 100 % khu vực khảo sát mà không cần phải nội suy giữa các tuyến đo. Mỗi hệ thống đo đa tia khác nhau sẽ có số lượng chùm tia, góc mở và góc tới khác nhau. Góc tới 0 độ (gọi là góc tới thường) là khi xung âm thanh truyền vuông góc xuống dưới đáy biển. Việc sử dụng các chùm tia có góc tới lớn yêu cầu hiệu chỉnh chính xác các giá trị về góc xoay, sự dao động của cảm biến chuyển động (motion sensor) và vận tốc âm theo độ sâu. b) Dữ liệu backscatter Backscatter được hiểu là dữ liệu về cường độ của các âm thanh phản xạ trở lại hướng mà chúng xuất phát. Bằng cách phân tích mức cường độ âm phản xạ trở lại, có thể trích xuất thông tin về cấu trúc và độ cứng của đáy biển, cho phép xác định các loại trầm tích. Hệ số phản xạ phụ thuộc vào độ cứng và độ nhám của bề mặt đáy biển. Nói một cách đơn giản hơn thì tín hiệu trở lại mạnh cho biết bề mặt cứng (như đá, sỏi) và tín hiệu trở lại yếu cho biết bề mặt mềm (như phù sa, bùn). Tán xạ ngược đơn tia: Hệ thống đơn tia có ưu điểm là góc tới không đổi và lượng dữ liệu tương đối nhỏ cho phép phân tích chi tiết về mỗi tín hiệu phản hồi. Nhược điểm là phạm vi bao phủ đáy biển bị giới hạn bởi một chùm tia và độ phân giải tương đối thấp. Tán xạ ngược đa tia: Tán xạ ngược đa tia có độ bao phủ và mức độ chi tiết tốt hơn rất nhiều so với đơn tia nhưng sẽ phức tạp cho việc xử lý. Cường độ tán xạ ngược sẽ thay đổi theo dạng hình học của chùm tia, độ sâu cũng như thành phần của loại trầm tích bề mặt đáy biển. Một tín hiệu tán xạ ngược sẽ phụ thuộc và độ dốc và độ nhám của đáy, tần số của thiết bị đo [2]. Các âm thanh khi xuống bề mặt đáy sẽ đi theo nhiều hướng khác nhau, một số âm thanh sẽ bị phản xạ ra ngoài và một sẽ phản xạ trở lại. Tín hiệu tán xạ ngược ở góc tới nhỏ (ϕ) thường sẽ mạnh hơn thì tín hiệu từ góc tới lớn hơn phát lại như Hình 1. Hình 1: Mô tả hệ thống đa tia, cho thấy góc tới của chùm tia và cách tín hiệu tán xạ khi các xung âm thanh chạm đáy biển Hệ thống đa tia thu nhận số lượng lớn các tín hiệu ping phản xạ lại từ một đơn vị diện tích dưới bề mặt đáy biển, do vậy khó để phân tích từng tín hiệu một cách chi tiết như với dữ liệu đơn 370 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
tia. Thay vào đó, sử dụng phương pháp so sánh thống kê các ping riêng lẻ, tạo ra bảng thống kê, đồ thị để xác định các loại trầm tích khác nhau. c) Kỹ thuật xác định chất đáy bằng phương pháp phân tích phản hồi góc tới ARA Kỹ thuật phân tích ARA (Angular Response Analysis) là kỹ thuật phân tích dữ liệu backscatter để xác định trầm tích bề mặt được giới thiệu lần đầu bởi Jackson vào năm 1986 và được phát triển thành phương pháp Geocoder do Fonseca và Calder đưa ra năm 2009 [3]. Hiện nay, Geocoder đã được tích hợp vào các phần mềm thu thập, xử lý dữ liệu thủy đạc như Hypack và Caris Hips Sips. Cơ sở tính toán của dữ liệu tán xạ ngược: giá trị cường độ âm tán xạ ngược nhận được tại đầu thu sonar bằng tổng cường độ âm tán xạ tại bề mặt đáy và cường độ âm tán xạ trong môi trường. Công thức tính cường độ âm tán xạ bề mặt (Surface backscattering) [3] là: σr(θ,f) = F(θ,f; ξ, ρ(ξ), ν (ξ), δ(ξ), ω2, λ) Với: θ: lượng tán xạ bề mặt tại 1 đơn vị góc tới, f: tần số xung âm thanh, ρ: trọng lượng riêng của chất đáy trong môi trường nước, ν: tỷ lệ vận tốc âm thanh khi truyền trong chất đáy với cột nước, δ: các thông số giả định của sóng âm khi truyền trong chất đáy, ω2: độ dốc địa hình đáy biển, λ: phổ của nước tại đáy biển, ξ: thể tích khí gas/tổng thể tích chất đáy. Công thức tính cường độ âm tán xạ trong môi trường (Volume backscattering) là: σv = ( 5 (ξ ∑ h + σ 2α (ξ ) ) cW 1 − R 2 (θ ) sin 3 (θ ) 3 ) 2 40π f p (θ ) lm p (θ ) Với: Ʃh: mức tán xạ tại các bọt nước trong môi trường, σ2: thể tích tán xạ, R(θ): hệ số phản xạ, P(θ): hàm của năng lượng bị mất, σ2: hệ số suy giảm theo khoảng cách, cW: Vận tốc âm khi truyền trong chất đáy. Giả định đáy biển hoàn toàn bằng phẳng và đồng chất thì cường độ tín hiệu nhận được ở xung âm thanh phản hồi khi nó vuông góc với đáy biển sẽ mạnh hơn với những xung âm thanh phát ra biên. Mỗi loại chất đáy sẽ có đặc tính phản hồi cường độ tán xạ ngược theo các góc tới khác nhau. Tiến hành xây dựng nên đồ thị phản ánh cường độ tán xạ theo góc tới của từng chất đáy, với gọi là beam pattern. Kết quả đo đạc khảo sát từ dữ liệu đa tia sau khi xử lý sẽ được đối chiếu so sánh với các mẫu đồ thị tiêu chuẩn để xác định loại chất đáy cần tìm. Người ta quy ước có tất cả 20 loại mẫu chất đáy bề mặt, từ loại chất đáy mềm nhất, phản xạ kém nhất là sét (clay) cho đến loại cứng và phản xạ tốt nhất là sỏi đá (gravel). Hình 2: Đồ thị tán xạ ngược của các loại chất đáy sỏi, cát, phù sa Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 371 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
Để áp dụng cơ sở lý thuyết trên, tác giả đã sử dụng công cụ Geocoder trên phần mềm Hypack 2020 trong nghiên cứu của mình để tiến hành tính toán, xử lý dữ liệu tán xạ ngược từ số liệu đa tia để phân loại chất đáy. 2.2. Khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu tại ven biển Vũng Tàu, cách khoảng 150 km về phía Đông Bắc đảo Côn Sơn. Khu khảo sát có diện tích 4 km2 do tàu Trần Đại Nghĩa (HQ888) của đơn vị thực hiện vào tháng 9 năm 2019. Hình 3: Khu vực nghiên cứu khảo sát (phạm vi ô vuông màu đỏ) 2.3. Trang thiết bị và phương pháp thu thập dữ liệu Dữ liệu khảo sát được thu thập từ hệ thống đo sâu đa tia nước nông Atlas Fansweep 20/200 được lắp đặt trên xuồng đo đạc. Hệ thống hoạt động ở tần số 200 kHz, phát biến dạng V-shape, góc quyét tối đa 1600 cho phép dải quyét có rộng gấp 12 lần độ sâu. Hệ thống được điều khiển thông qua chương trình Atlas Hydrographic Control để thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng, chính xác. Dữ liệu thu thập gồm: 8 tuyến đo sâu đa tia, 01 điểm đo vận tốc âm và số liệu thủy triều dự báo tại Vũng Tàu để hiệu chỉnh độ sâu. Các mẫu chất đáy sử dụng gầu để thu thập, chủ yếu thành phần là cát nhỏ và sét. 2.4. Xử lý số liệu Quy trình xử lý trên phần mềm Hypack 2020 gồm các bước: - Xử lý số liệu đo sâu đa tia (hiệu chỉnh thủy triều, vận tốc âm, lọc nhiễu), xây dựng bề mặt địa hình đáy biển trên công cụ MBMAX64. - Tạo mosaic cường độ tán xạ ngược trung bình từ số liệu đã xử lý trên công cụ Geocoder. Phân tích phản hồi góc tới ARA, trích xuất dữ liệu chất đáy. - Biên tập bản đồ chất đáy khu vực nghiên cứu. 3. Kết quả nghiên cứu Số liệu độ sâu đa tia sau khi được xử lý, địa hình khá bằng phẳng, độ sâu từ 40 - 55 m, nhận định có dạng sóng cát theo hướng Tây Bắc - Đông Nam (Hình 4). Độ sâu của lớp nước tại khu vực đo đạc từ 42 m đến 54 m. 372 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
Hình 4: Dữ liệu 3D địa hình đáy biển khu vực nghiên cứu Kết quả phân loại chất đáy từ dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia, và thành lập bản đồ trầm tích đáy cho thấy thành phần các hạt của trầm tích tại khu vực nghiên cứu (Hình 5). Thành phần chính trên bề mặt đáy biển tại khu vực chủ yếu là cát pha sét và cát mịn (chiếm khoảng 70 % diện tích khu vực khảo sát). Kết quả phân tích từ dữ liệu tán xạ ngược phù hợp với đặc tính địa hình đáy biển bằng phẳng. Hình 5: Bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển khu vực nghiên cứu Theo kết quả nghiên cứu của Hoàng Văn Long và cộng sự, đặc điểm trầm tích phân bố dọc theo bờ biển kéo dài từ Vũng Tàu đến Phan Thiết chủ yếu là các hạt thô. Khi chuyển tiếp ra vùng nước sâu thì có sự tăng tỷ lệ trầm tích bột. Như vậy, kết quả nghiên cứu thành phần hạt trầm tích của nghiên cứu này tương đối phù hợp với công bố trước đó. Đồng thời, đối chiếu với các mẫu chất đáy đã thu thu thập có sự chính xác cả về vị trí và tính chất của mẫu trầm tích. 4. Kết luận Bài báo đã trình bày kết quả ứng dụng dữ liệu tán xạ ngược đa tia trong phát hiện, phân loại để thành lập bản đồ trầm tích bề mặt đáy biển, biên tập hải đồ, cũng như nghiên cứu biển. Phương pháp phân tích dữ liệu tán xạ ngược với tính hiệu quả và độ tin cậy cao, giúp giảm thời gian, chi Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 373 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
phí điều tra, thăm dò ngoài thực địa so với các phương pháp truyền thống dùng gầu, ống phóng trọng lực hay lặn quan sát. Kết quả bước đầu trong nghiên cứu là động lực để tác giả tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng cho các hệ thống đa tia cũng như trên các phần mềm xử lý dữ liệu thủy đạc khác. Ngày nay, nhu cầu về quản lý và khai thác tài nguyên biển bền vững góp phần vào việc phát triển kinh tế là một nhu cầu cấp thiết. Trong đó việc thu thập, đánh giá tài nguyên biển là công việc hết sức cần thiết. Việc hiểu được địa hình và trầm tích đáy biển sẽ giúp ích cho các hoạt động hàng hải, neo đậu tàu thuyền, đánh bắt thủy hải sản. Trong lĩnh vực quân sự, lớp trầm tích bề mặt biển có ý nghĩa trong các hoạt động như thiết đặt bom, mìn, sự đỗ đậu của tàu ngầm,... TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Craig J. Brown, Jonathan Beaudoin, Mike Brissette and Vicki Gazzola (2019). Multispectral multibeam echo sounder backscatter as a tool for improved seaﬂoor characterization. [2]. Gustav Kågesten (2008). Geological seafloor mapping with backscatter data from a multibeam echo sounder. [3]. Fahrulian, Henry M Manik, Indra Jaya, and Udrekh (2016). Angular range analysis (ARA) and K-means clustering of multibeam echosounder data for determining sediment type. Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021. Người phản biện: PGS.TS. Lê Thị Trinh 374 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững