Công nghệ đo sâu thành lập bản đồ địa hình đáy biển

Bản đồ địa hình đáy biển có thể được coi là sự kéo dài của bản đồ địa hình phần đất liền về phía biển, vì vậy chúng tạo thành một hệ thống nhất về hệ tọa độ, hệ độ cao, hệ qui chiếu. Bản đồ địa hình đáy biển có nội dung và cách biểu thị tương tự các bản đồ phần đất liền phục vụ các mục đích nghiên cứu khoa học, các hoạt động kinh tế xã hội ở vùng biển. Bản đồ địa hình đáy biển là cơ sở để thiết kế xây dựng các công trình thủy, phát triển ngư trường, qui hoạch tuyến vận tải biển, nghiên cứu môi trường, thăm dò và khai thác dầu khí, .v.v...


 
2. PHÂN LOẠI BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN

Dựa vào tỷ lệ để phân loại thì bản đồ địa hình đáy biển được chia làm ba nhóm lớn sau:

- Các loại bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn :

+ Bao gồm các loại bản đồ tỷ lệ như 1/1000, 1/2000 và 1/5000. Tuỳ thuộc vào mục đích cụ thể mà ta chọn tỷ lệ đo vẽ cho phù hợp. Ví dụ: Để thiết kế cảng biển thường dùng bản đồ tỷ lệ 1/1000 và 1/2000; để khảo sát và thiết kế giàn khoan dùng bản đồ tỷ lệ 1/2000; để khảo sát khu vực đánh bắt hải sản hay thăm dò khống sản dùng bản đồ tỷ lệ 1/5000.

- Các loại bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ trung bình:

+ Bao gồm các loại bản đồ tỷ lệ từ 1/10.000 ¸ 1/200.000. Đây là hệ thống bản đồ tỷ lệ cơ bản vì nó phục vụ cho nhiều ngành, nhiều đối tượng, nhiều mục đích khác nhau. 

- Trong nhóm này, các bản đồ lại phân loại dựa vào độ sâu của khu vực đo vẽ:

+ Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1/10.000: Bao trùm những vùng quan trọng ven bờ, nơi có các hoạt động kinh tế mạnh như Cẩm Phả, Hải Phòng, Cửa Lò, Sông Gianh, Đà Nẵng, Qui Nhơn, Nha Trang, ... và các cửa sông lớn. Các bản đồ này có khoảng sâu đều đường bình độ là 1 m.

+ Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1/25.000: Được thành lập dọc theo bờ biển Việt Nam và một số đảo như Long Vĩ, Phú Quốc, ... Các bản đồ này có khoảng sâu đều đường bình độ là 2 m.
+ Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1/100.000: Bao trùm thềm lục địa Việt Nam, khoảng sâu đều đường bình độ là 10 m.
+ Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1/200.000: Bao trùm vùng đặc quyền kinh tế biển với độ sâu tới 200 m, khoảng sâu đều đường bình độ là 20m.

- Các loại bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ nhỏ :

+ Bao gồm các loại bản đồ tỷ lệ 1/500.000 và nhỏ hơn. Dựa vào yêu cầu mức độ khái quát địa hình đối với vùng biển mà ta có thể xác định tỷ lệ thành lập là 1/500.000, 1/1.000.000, 1/2.000.000 hay 1/3.000.000. Các bản đồ này sẽ được thành lập bằng cách biên vẽ từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn hơn.


3. BẢN ĐỒ GIAO THÔNG THỦY:

Mục đích: Để đảm bảo an tồn cho tàu thuyền đi lại trên sông, biển và tránh bị mắc cạn hoặc vướng vào đá ngầm…người ta tiến hành đo đạc, thu thập các thông tin một cách cụ thể, chi tiết và chính xác để phục vụ cho các nhà hàng hải.

- Đối tượng phục vụ chủ yếu là các nhà hàng hải nhưng bản đồ giao thông thủy cũng là những tài liệu quý phục vụ cho nghiên cứu sa bồi, xói lở và xác định lãnh hải hay nghiên cứu phục vụ nạo vét thi công hay để phục vụ xây dựng các công trình.

Nội dung : Nội dung quan trọng nhất của bản đồ giao thông thủy là ghi rõ độ sâu dọc theo sông, trên biển từ đó cung cấp những thông tin về lộ trình, nơi neo đậu, vùng an tồn, vật, chướng ngại, khu đá ngầm…, các chi tiết khác nhau như địa danh, địa giới, vùng lãnh hải, hải đăng, hải liệu, tính chất địa chất bề mặt đáy.

- Bản đồ giao thông thủy thường được thành lập với nhiều tỷ lệ khác nhau từ 1/20000 đến 1/1000. Ở những vùng thường xuyên có tàu bè qua lại và có độ sâu nông người ta thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, còn ở những vùng tàu bè ít qua lại thường lập bản đồ bản đồ tỷ lệ nhỏ. Bản đồ tỷ lệ càng lớn thì độ chính xác và mức độ mô tả chi tiết càng cao và tỉ mỉ hơn.


4. MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐO SÂU HIỆN NAY:

Kỹ thuật đo sâu kết hợp việc xác định độ cao bằng phương pháp GPS RTK:

Đây là phương pháp đo động thời gian thực, sử dụng máy thu GPS 2 tần số, độ chính xác cao ở mức độ mm - cm về mặt bằng. 
Sơ đồ trên mô tả nguyên tắc xác định độ cao đáy sông bằng kỹ thuật RTK, trong đó:

h: là độ chênh cao giữa hai anten trạm cơ sở và trạm động, được xác định bằng kỹ thuật RTK với độ chính xác cm
a: là chiều cao anten của trạm cơ sở so với mốc đươc đo bằng thước với độ chính xác khoảng 5mm
h0: là độ cao của mốc so với mặt Geoid tham khảo 
f: là chiều cao anten của trạm động so với mực nước tại vị trí của thuyền được đo bằng thước với độ chính xác cm
d: là độ cao của đáy đo được bằng máy đo sâu hồi âm
h: là độ cao đáy sông được tính theo công thức 
 
h = hw - d
hw: là đo cao tức thời của mực nước tại thuyền ở thời điểm đo, được xác định theo công thức
 
hw = h0 + a - dh - f
Như vậy kỹ thuật RTK cung cấp cho ta cả vị trí mặt bằng và độ cao chính xác của anten ở thời điểm đo. Điều này giúp tránh được những khuyết điểm của quá trình xác định độ sâu bằng đo mực nước.

 Kỹ thuật đo sâu kết hợp việc xác định độ cao bằng máy và mia đo cao:

Độ cao đáy sông (biển) được xác định theo phương pháp đo mực nước như hình sau:


Trên hình vẽ, độ cao của mực nước gần bờ được tính theo công thức :
 
hw = h0 - (b - a) - c
Trong đó:
hw: độ cao của mực nước so với mặt Geoid
h0: độ cao của trạm cơ sở (mốc khống chế)
a: số đọc trên mia tại vị trí điểm cơ sở
b: số đọc trên mia tại vị trí đọc mia nước
c: số đọc mực nước tai vị trí đặt mia nước
Nguyên tắc cơ bản của việc xác định độ cao đáy sông bằng đo mực nước là giả sử độ cao mực nước tại điểm gần bờ và độ cao mực nước tại vị trí của thuyền phải bằng nhau. Khi đó độ cao của đáy được tính theo công thức: 
h = hw - d

Công nghệ đo sâu (Bathymetric)

 

KỸ THUẬT DGPS RTK (Real Time Kinematic)

Kỹ thuật đo RTK được thiết kế như ý tưởng ban đầu là nhằm đạt độ chính xác cao nhất và đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực đo sâu hồi âm dùng kỹ thuật DGPS, trị đo pha sóng tải.

Tổng quát, trong kỹ thuật đo này, người dùng cần cài đặt máy thu GPS trên 1 trạm đã biết tọa độ và độ cao (trạm base), và máy thu còn lại được lắp đặt tại trạm di chuyển Rover và cả 2 máy thu này cần phải nhận cùng một tín hiệu GPS tại cùng một thời điểm.

Số nguyên đa trị N (ambiguty interger) được giải bằng cách dùng dữ liệu được gửi từ trạm Base (trạm cơ sở - đã biết tọa độ, độ cao) tới trạm Rover (trạm di động), và việc giải tham số đa trị này được thực hiện ngay trong khi trạm Rover di chuyển.


Trị đo pha sóng tải DGPS RTK có khả năng cung cấp độ chính xác dưới dm (~cm) cho trạm Rover trên tàu khảo sát ở cả hai thành phần mặt bằng và độ cao. Kỹ thuật này có thể cung cấp cao độ của tàu khảo sát ngay thời gian thực.

TRẠM THAM KHẢO TRÊN BỜ

Trạm tham khảo trên bờ cần phải được định vị trên một mốc đã biết tọa độ và cao độ. Tuy nhiên, máy thu tại trạm tham khảo phải có khả năng thu nhận tín hiệu ở cả trị đo pha và trị đo giả cự ly của vệ tinh GPS. Trạm tham khảo sẽ tập hợp trị đo pha, trên cả 2 tần số L1/L2 dùng kỹ thuật tương quan chéo. Bộ xử lý tại trạm tham khảo sẽ tính toán khoảng cách giả và số hiệu chỉnh pha sóng tải, và định dạng dữ liệu theo chuẩn phù hợp với việc truyền tải dữ liệu. Thông thường, các số hiệu chỉnh sẽ được định dạng theo chuẩn RTCM SC-104 v.2.1 để truyền đến trạm Rover ở trên tàu.

THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG

Hệ thống định vị RTK cần phải có thiết bị truyền tín hiệu với tốc độ nhỏ nhất là 4800. Sở dĩ phải cần có tốc độ cao như vậy để khử nhiều hệ thống phát tín hiệu tần số thấp, và giới hạn tầm phủ của các hệ thống phát tín hiệu tần số cao. Thông thường, hệ thống truyền thông UHF và VHF sẽ được dùng cho việc truyền tín hiệu trong kỹ thuật RTK.

THIẾT BỊ NGƯỜI DÙNG

Một máy vi tính để thu nhận và xử lý dữ liệu đo sâu. Hai thiết bị có cài sẵn phần mềm tích hợp để điều khiển máy thu GPS ở trạm base và trạm rover (thông thường ở hệ thống RTK của Topcon dùng thiết bị FC-2000, FC-200, hay FC-1000,… để điều khiển).

Một thiết bị truyền thông để chuyển đổi số hiệu chỉnh tới trạm Rover trên tàu khảo sát.
 
Thực tế, có 3 điều quan trọng cần lưu ý trong kỹ thuật đo này :
+ Cả 2 trạm base và rover phải quan trắc cùng số vệ tinh chung.
+ Trạm base phải gửi số hiệu chỉnh về vị trí và trị đo vệ tinh của nó tới trạm rover.
+ Trạm rover kết hợp các thông số được gửi từ trạm base với trị đo của chính nó để tính ra tọa độ và cao độ của trạm Rover.

Ngoài ra, do đặc tính độc đáo là cho kết quả tọa độ & độ cao ngay thời gian thực mà không cần phải qua một quá trình hậu xử lý nên nó còn được ứng dụng trong đo địa hình trên bờ.


Kỹ thuật RTK cho phép di chuyển máy thu ở trạm Rover trên tàu sau khi trị nhập nhằng (Integer Ambiguity - N) giữa vệ tinh và máy thu được giải thành công. Tuy nhiên, với các hệ thống GPS hiện đại ngày nay (đặc biệt là máy thu 2 tần số), việc giải đa trị thường xảy ra rất nhanh (khoảng vài giây), nên thông thường sau khi cài đặt các thiết bị, và phát tín hiệu thì hầu như lập tức ta có được nghiệm fixed ở trạm Rover. Vì vậy, cao độ an ten luôn luôn có được ngay thời gian thực. Khi đó, ảnh hưởng khi triều lên/ xuống, hay do sóng ảnh hưởng đến cao độ an ten bị thay đổi thì với kỹ thuật RTK đã được khắc phục triệt để.
Thực tế sử dụng kỹ thuật RTK cho nhiều dự án, chúng tôi nhận thấy, với kỹ thuật đo RTK OTK (On-the-fly) tiêu chuẩn với cự ly khoảng 15 km, có thế đạt được trong sai số 1-3 cm thành phần X, Y và 2-5 cm thành phần Z (độ cao).
Hiện nay, để phục vụ cho các dự án đo sâu xa bờ, Địa Hải đã trang bị thêm thiết bị REPEATER TRL-35 Radio.

Đây là một thiết bị dùng để tăng công suất phát của tín hiệu RTK mà vẫn duy trì độ chính xác khi trạm Rover cách xa trạm Base với khoảng cách lớn (>35 km).

Qua dự án Tổ hợp lọc hóa dầu Nghi Sơn (đo tuyến đường ống pipeline cách bờ > 40 km), chúng tôi nhận thấy, thiết bị hoàn toàn đạt được độ chính xác 5cm thành phần X, Y và 10cm thành phần Z (độ cao).

-----> Đây là một kết quả tuyệt vời về độ chính xác định vị cả về thành phần mặt bằng & độ cao mà ĐỊA HẢI đã thực hiện được trong thời gian qua.
Như vậy, với kỹ thuật hiện nay có được, ĐỊA HẢI hoàn toàn có thể thực hiện đo sâu đạt độ chính xác cao trong điều kiện sóng gió (sử dụng kết hợp thiết bị đo độ rung lắc của tàu khảo sát Motion Sensor) và cách xa bờ đến hơn 40 km (sử dụng kết hợp thiết bị khuếch đại công suất phát tín hiệu RTK TRL-35) mà hầu như không có công ty đo đạc nào trong nước hiện nay có thể thực hiện được.
 
Tuy nhiên, hiện nay trong thực tế sản xuất, nhiều đơn vị, nếu chưa trang bị được những trang thiết bị hiện đại như trên, vẫn có thể kết hợp một số phương pháp dưới đây, nhưng đạt độ chính xác thấp hơn:

PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU THỦ CÔNG

Đây là phương pháp đo sâu rất đơn giản và xuất hiện từ rất lâu. Thiết bị và cách sử dụng rất đơn giản có thể phân làm hai loại sau:
- Dây dọi (Lead line): Làm bằng dây không co giãn, trên đó khắc vạch chia đơn vị đo chiều dài và một đầu có buộc vật nặng.
- Sào đo sâu (Sounding pole): Là những sào gỗ hoặc nhôm trên đó có khắc vạch chia đơn vị đo chiều dài, một đầu có tay cầm.

Phương pháp đo sâu thủ công được áp dụng trong những tình huống mà khu đo không thể thực hiện bằng phương pháp đo sâu hồi âm hoặc nếu dùng phương pháp đo sâu hồi âm thì sẽ cho kết quả xấu. Phương pháp này đặc biệt thích hợp khi dưới mặt nước khảo sát là đá hay bê tông, trên mái dốc của các con đê, cập mạn tàu khảo sát (gần bờ). Vì trong những trường hợp kể trên phương pháp đo sâu hồi âm có thể cho kết quả không chính xác. Phương pháp đo sâu thủ công được dùng kết hợp với phương pháp đo sâu hồi âm như là một cách thức kiểm nghiệm máy hay là một phương pháp hỗ trợ tích cực.

 
PHƯƠNG PHÁP GIAO HỘI GÓC THUẬN

Phương pháp xác định vị trí điểm áp dụng cho khu vực gần bờ mà trên đó đã có lưới khống chế dày đặc hoặc các điểm định hướng vị trí của tàu hay mục tiêu được xác định bằng 3 máy kinh vĩ đặt trên ba điểm đã biết tọa độ nằm trên đất liền. Do tính biến động của môi trường biển nên công tác xác định cần phải thực hiện một cách đồng bộ nhờ cờ hiệu và bộ đàm. Phương pháp chỉ tác dụng trong phạm vi cách bờ từ 20-25km với độ chính xác đạt từ 5-15m.
Đặt 3 máy kinh vĩ tại các điểm I, II, III để tiến hành định vị các điểm ngoài thực địa:

- Máy tại điểm I ngắm hướng chuẩn I-II tia ngắm I2
- Máy tại điểm II ngắm hướng chuẩn II-I tia ngắm II2
- Máy tại điểm III ngắm hướng chuẩn III-I tia ngắm III2
Theo hiệu lệnh của người phất cờ đứng trên tàu người đứng máy tại các điểm I, II, III đồng thời đọc các góc a, b, c . Khi đó người phụ trách máy đo sâu trên tàu tiến hành đánh dấu lên băng đo sâu.

Trong phương pháp này, sai số trung phương vị trí điểm P được xác định theo công thức:


  
PHƯƠNG PHÁP GIAO HỘI GÓC NGHỊCH

Để tiến hành ít nhất trên hai hướng, giữa các điểm định hướng hay điểm khoảng cách nằm trên bờ, thiết bị sử dụng là máy sekstan, thường được xác định đồng thời với hai người quan sát. Phương pháp này chỉ thực hiện ở phạm vi cách bờ từ 20-25km và độ chính xác đạt được từ 10-15m.

Để tiến hành xác định điểm 2 (hình trên) đặt máy sextant tại điểm 2 tiến hành ngắm hướng và đọc các góc


  

Thông thường mỗi đường trắc ngang xác định bằng 3 điểm: điểm đầu, điểm giữa và điểm cuối. Trong trường hợp đường đo quá dài số lượng điểm có thể nhiều hơn

Trong quá trình đo máy đo sâu liên tục hoạt động để xác định độ sâu đáy sông, biển
Trong phương pháp này, độ chính xác phụ thuộc vào các góc kẹp . Giá trị này càng lớn thì mô hình càng chính xác. Người ta cố gắng thiết kế sao cho các góc kẹp lớn hơn 300.
 
PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ CỰC

Dùng máy toàn đạc điện tử đặt tại điểm tham chiếu trên bờ. Điểm P được định vị bằng góc nối và cự ly S đo được. Như vậy tại mỗi thời điểm, khi người đứng tại điểm P ra hiệu thì máy ngắm đúng vào P và fix một tín hiệu, đồng thời người tại P cũng ghi nhận độ sâu lúc đó.



Trong phương pháp này, độ chính xác điểm P phụ thuộc vào sai số góc đo góc và sai số đo cạnh S.

 
PHƯƠNG PHÁP THIÊN VĂN & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ

Khi đo vẽ bảo đảm địa hình tỷ lệ như ở vùng gần bờ. Để xác định vị trí vị trí của tàu có thể sử dụng phương pháp tìm phương vị của những điểm trên bờ bằng la bàn con quay đặt trên tàu. Ngoài ra khi tiến hành công tác ngoài khơi còn sử dụng phương pháp thiên văn và phương pháp tính toán đường đi để xác định vị trí của tàu. Phương pháp tính toán dựa trên cơ sở góc và vận tốc của tàu.
Ưu điểm: dùng được ngoài khơi

Nhược điểm: độ chính xác thấp 4-5km với khoảng hai giờ đo
Ngoài ra trong phương pháp quang học còn sử dụng các máy đo dài laser và thiết bị định vị để đo lường khoảng cách trong môi trường nước. Định vị tại mặt nước, nghiên cứu địa hình đáy biển cũng nhờ tính chất hoá lý của nước và tính chất khác.
 
KỸ THUẬT ĐO SÂU KẾT HỢP QUAN TRẮC MỰC NƯỚC

Quan trắc mực nước là xác định độ cao của mực nước kết hợp với kết quả đo sâu ta tính được độ sâu của đáy.


Sơ đồ dưới đây mô tả nguyên tắc xác định độ cao đáy sông (HB) bằng đo GPS động.
Trong đó:

• hA là chiều cao anten của trạm cơ sở so với mốc, được đo bằng thước với độ chính xác khoảng 5mm.
• hB: Độ cao anten của trạm động (Rover) so với mặt Ellipsoid tham khảo.
• f: là chiều cao anten của trạm động so với mặt đáy đầu sensor máy hồi âm tại vị trí của thuyền, được đo bằng thước với độ chính xác cm.
• D: là độ sâu của đáy, đo được bằng máy đo sâu hồi âm.
• HA: là độ cao của mốc so với mặt ellipsoid tham khảo (giả sử không sai số).

• HB: là độ cao của đáy sông, được tính theo công thức:
HB = HC – D

Giả thiết trên chỉ đúng ở vùng nước yên tĩnh không có tác động của sóng, gió, dòng chảy….Trong thực tế nhiều nguyên nhân có thể gây ra sự chênh lệch mực nước giữa trạm đo gần bờ và vị trí đo sâu như: ảnh hưởng của đoạn sông cong, đoạn sông co hẹp hay mở rộng, tác động của gió sóng thủy triều….Những ảnh hưởng này làm cho độ cao mực nước tại thuyền và tại bờ có khi chênh nhau đến m.