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 ngun và Mơi trường Hà Nội
Tóm tắt
Cơng nghệ đo sâu đa tia cho phép xác định chi tiết địa hình đáy biển, giúp giảm bớt gánh nặng
trong cơng tác khảo sát ngoài thực địa. Các hệ thống này ngồi 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 vơ cùng
đặc biệt. Bên cạnh đó, đo đạc biển và sản xuất hải đồ (thủy đạc) có vai trị 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 qn 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, khơng chỉ để khai thác mà cịn 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 vng 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 cơng 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
tán xạ ngược đa tia
Thời gian thu thập Nhanh do kết hợp cùng
dữ liệu
đo sâu địa hình đáy biển
Phạm vi thu thập rộng lớn, mật độ
Phạm vi, mật độ
điểm cao
Phụ thuộc vào dữ liệu và phương
Độ tin cậy
pháp xử lý

Phương pháp truyền thống
(dùng gầu, lặn)
Tốn kém, nhiều thời gian hơn
Phạm vi nhỏ, rời rạc
Phụ thuộc vào người quan sát, kinh
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 nơng 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 phịng 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, ơng khơng tìm ra phương pháp phát hiện các
tảng băng trơi 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,
bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

369


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 vng góc
xuống dưới đáy biển. Việc sử dụng các chùm tia có góc tới lớn u 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 thơng 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 khơng 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: Mơ 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.
Cơng thức tính cường độ âm tán xạ trong mơi 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 mơi 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 vng 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,
bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

371


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 tốn, 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 Đơng Bắc đảo Cơn
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 thơng 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 cơng cụ MBMAX64.
- Tạo mosaic cường độ tán xạ ngược trung bình từ số liệu đã xử lý trên cơng 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 - Đơng 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 cơng 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,
bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

373


phí điều tra, thăm dị ngồi 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