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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.81 MB, 233 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT</b>

<b>NGUYỄN ĐÌNH HẢI</b>

<b>NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHOHOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM TRÊN VÙNG BIỂN</b>

<b>VIỆT NAM</b>

<b>LUẬN ÁN TIẾN SĨ</b>

<b>NGÀNH KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA- BẢN ĐỒ</b>

<b>Hà Nội - Năm 2024</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT</b>

<b>NGUYỄN ĐÌNH HẢI</b>

<b>NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHOHOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM TRÊN VÙNG BIỂN</b>

<b>VIỆT NAM</b>

<b>Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồMã số: 9520503</b>

<b>Người hướng dẫn khoa học:</b>

1. PGS.TS. DƯƠNG VÂN PHONG 2. TS. DƯƠNG THÀNH TRUNG

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Trắc địa Cao cấp - Khoa Trắc địa Bản đồ và quản lý đất đai - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Dương Vân Phong, TS. Dương Thành Trung. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án.

Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:

Các Thầy cô khoa Trắc địa Bản đồ và Quản lý đất đai đặc biệt các thầy cô Bộ môn Trắc đia Cao cấp, Hội đồng khoa học đã có những ý kiến đóng góp về khoa học, chun mơn rất sâu sắc đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án.

Thủ trưởng Bộ Tư lệnh, Thủ trưởng Bộ Tham mưu quân chủng Hải quân, Thủ trưởng Đoàn Đo đạc biên vẽ hải đồ Và Nghiên cứu biển - Bộ Tham mưu Hải quân, lãnh đạo chỉ huy Lữ đoàn tàu ngầm 189 - Vùng 4 Quân chủng Hải quân đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành Luận án của mình.

Cũng nhân dịp này, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành viên trong gia đình, đồng chí đồng đội cũng như các đồng nghiệp, những người đã khơng quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có được cơ hội hồn thành tốt Luận án của mình.

Tác giả luận án

Nguyễn Đình Hải

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là chính xác, trung thực, khách quan và chưa từng được cơng bố trong cơng trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án

Nguyễn Đình Hải

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1.Tính cấp thiết của đề tài ... 1

2.Mục tiêu nghiên cứu ... 3

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ... 3

4.Phương pháp nghiên cứu ... 3

5.Các luận điểm bảo vệ ... 4

6.Các điểm mới của luận án ... 4

7.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ... 4

8.Cơ sở tài liệu, số liệu ... 5

9.Cấu trúc của luận án ... 5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN ... 6

1.1Mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 6

1.2Một vài nét về tàu ngầm và hoạt động của tàu ngầm ... 9

<i>1.2.2Các phương pháp dẫn đường cho tàu ngầm ... 10 </i>

1.3Yêu cầu về dữ liệu trắc địa, hải văn đảm bảo hoạt động cho tàu ngầm ... 14

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

1.4Tình hình nghiên cứu, xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển trên thế giới ... 19

1.5Tình hình nghiên cứu, phân loại trầm tích bề mặt đáy biển trên thế giới ... 26

1.6Tình hình cơng tác thu thập dữ liệu địa hình đáy biển, nghiên cứu xây dựng mơ hình 3D và phân loại trầm tích ở Việt Nam ... 27

1.7Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ... 32

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ... 34

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN ... 35

2.1Lựa chọn cơ sở toán học trong thành lập mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 35

<i>2.1.2Phép chiếu tọa độ phẳng ... 35 </i>

<i>2.1.3Hệ quy chiếu độ cao ... 35 </i>

2.2Các phương pháp thu thập dữ liệu địa hình đáy biển ... 36

<i>2.2.1Thu thập dữ liệu địa hình đáy biển từ nguồn dữ liệu có sẵn ... 36 </i>

<i>2.2.2Thu thập bằng phương pháp đo sâu trực tiếp bằng sào, quả rọi kết hợp máy kinhvĩ,toànđạc điện tử </i>

<i>2.2.3Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia ... 39 </i>

<i>2.2.4Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đa tia ... 40 </i>

<i>2.2.5Thu thập bằng phương pháp quét sườn ... 41 </i>

<i>2.2.6Thu thập bằng phương pháp xác định độ sâu đáy biển từ dị thường trọng lực 42 </i>

2.3Yêu cầu về dữ liệu sử dụng để thành lập mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 44

<i>2.3.2Mức độ chi tiết của điểm đo sâu trong thành lập mô hình 3D ... 47 </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<i>2.3.4Yêu cầu biểu diễn đối với các đối tượng địa lý ... 50 </i>

2.4Phương pháp xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 51

<i>2.4.1Một số thuật toán nội suy ... 51 </i>

<i>2.4.2Phương pháp xây dựng mơ hình 3D bằng lưới đa độ phân giải ... 61 </i>

<i>2.4.3Phương pháp xây dựng mơ hình 3D bằng lưới tứ giác khơng gian với các cạnh</i>

2.6Phương pháp trực quan hóa mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 79

<i>2.6.1Trầm tích và phương pháp phân loại trầm tích ... 79 </i>

<i>2.6.2Dữ liệu tán xạ ngược ... 83 </i>

<i>2.6.4Phương pháp phân loại trầm tích ... 87 </i>

<i>2.6.6Giải pháp thể hiện trầm tích và các đối tượng địa lý trong mơ hình 3D ... 100 </i>

2.7Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm ... 106

<i>2.7.1Thu thập dữ liệu ngoại nghiệp ... 107 </i>

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ... 110

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM ... 111

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

3.1Khu vực và dữ liệu thực nghiệm ... 111

<i>3.1.1Giới thiệu về khu vực thực nghiệm ... 111 </i>

<i>3.1.2Giới thiệu về phương pháp thu nhận ... 114 </i>

3.2Thực nghiệm xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 115

<i>3.2.3Xây dựng mơ hình lưới tứ giác với các cạnh là đường cong tham số ... 126 </i>

<i>3.2.4Xử lý và hiển thị kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu thủy âm quét sườn, dữliệutánxạngượcđa chùm tia. </i>

CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ... 144

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 146

PHỤ LỤC ... 156

Phụ lục 1 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực đảo Song Tử-Trường Sa ... 156

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Phụ lục 2 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực Nha Trang-Khánh Hoà ... 158

Phụ lục 3 - Dữ liệu đo sâu đa tia đầu vào tại khu vực Ninh Thuận ... 160

Phụ lục 4 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Song Tử-Trường Sa 162

Phụ lục 5 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Nha Trang - Khánh Hoà ... 164

Phụ lục 6 - Toạ độ các điểm mắt lưới đa phân giải khu vực biển Ninh Thuận ... 166

Phụ lục 7 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Song Tử-Trường Sa ... 168

Phụ lục 8 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Nha Trang-Khánh Hoà ... 170

Phụ lục 9 - Toạ độ các điểm mắt lưới tứ giác không gian khu vực biển Ninh Thuận 172

Phụ lục 10 - Kết quả tính tốn sai số trung phương các mơ hình số khu vực biển Song

Phụ lục 13 - Kết quả tính tốn sai số nội tại mơ hình lưới đa độ phân giải ... 180

Phụ lục 14 - Kết quả tính tốn sai số nội tại mơ hình lưới tứ giác không gian ... 184

Phụ lục 15 - Giả mã chương trình ... 188

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

BLUE <sup>Best Linear Unbiased</sup> Estimator

Ước lượng tuyến tính khơng chệch tốt nhất

DEM Digital Elevation Model Mơ hình số độ cao ENC Electronic Navigation Chart Hải đồ điện tử

MDT Mean Dynamic Topography <sup>Mặt biển trung bình động</sup> lực

LAT Lowest Astronomical Tide Triều thiên văn thấp nhất SONAR <sup>Sound Navigation And</sup>

IHO <sup>International Hydrographic</sup>

Organization <sup>Tổ chức thủy đạc quốc tế</sup> QGIS <sup>Quantum Geographic</sup>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Bảng 1. 1 Yêu cầu kỹ thuật trong điều tra, khảo sát hải văn, môi trường biển và lấy

mẫu chất đáy ... 15

Bảng 1. 2 Yêu cầu kỹ thuật yếu tố hải văn với phương pháp định vị thủy âm ... 18

Bảng 2. 1 Mật độ điểm độ sâu của hệ thống đo sâu đa tia Seabeam 3030 ... 46

Bảng 2. 2 Đặc tính kỹ thuật của một số hệ thống đo sâu đa tia ... 46

Bảng 2. 3 Bảng yêu cầu về mật độ điểm độ sâu chi tiết trước khi thành lập mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 47

Bảng 2. 4 Phân vùng theo độ dốc (Nguồn: Spatial Hydrology) ... 63

Bảng 2. 5 Tiêu chuẩn phân loại trầm tích của Nga ... 80

Bảng 2. 6 Tiêu chuẩn phân loại trầm tích tại Hoa Kỳ ... 81

Bảng 2. 7 Tiêu chuẩn ISO 14688-1:2002 về phân loại trầm tích ... 82

Bảng 2. 8 Phân loại trầm tích theo tiêu chuẩn của Tổ chức Thủy đạc quốc tế ... 82

Bảng 2. 9 So sánh xử lý phân loại trầm tích giữa Hypack và Hips & Sips ... 89

Bảng 2. 10 Bảng số liệu cường độ tán xạ ngược của cát mịn theo góc tới (bên trái) 91

Bảng 2. 11 Bảng số liệu cường độ tán xạ ngược của cát mịn theo góc tới (bên phải) .

92 Bảng 2. 12 Thang phân loại trầm tích trong ngành Thủy đạc ... 92

Bảng 3. 1 Phân loại dữ liệu đầu vào ... 116

Bảng 3. 2 Kết quả tính sai số trung phương các mơ hình được thành lập (đơn vị: m)130 Bảng 3. 3 Kết quả tính sai số nội tại các mơ hình được thành lập (đơn vị: m) ... 130

Bảng 3. 4 Ma trận nhầm lẫn kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ

liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Song Tử ... 134

Bảng 3. 5 Ma trận độ chính xác kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Song Tử ... 134

Bảng 3. 6 Ma trận nhầm lẫn kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ

liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Ninh Thuận ... 135

Bảng 3. 7 Ma trận độ chính xác kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược, dữ liệu quét sườn với mẫu thực địa tại khu vực Ninh Thuận ... 136

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 2. 1 Sơ đồ chuẩn độ sâu hải đồ [17] ... 36

Hình 2. 2 Quy trình thành lập bản đồ 3D từ dữ liệu sẵn có ... 37

Hình 2. 3 Đo sâu bằng quả rọi ... 38

Hình 2. 4 Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia ... 39

Hình 2. 5 Nguyên lý chung của phương pháp đo sâu đa tia ... 40

Hình 2. 6 Hiện tượng khúc xạ âm thanh khi đi qua các lớp nước khác nhau ... 40

Hình 2. 7 Dữ liệu cột nước và tán xạ ngược đa tia ... 41

Hình 2. 8 Quá trình thu thập hình ảnh đáy biển của thiết bị sonar quét sườn ... 42

Hình 2. 9 Sơ đồ thu nhận điểm độ sâu từ hệ thống đo sâu đa tia ... 45

Hình 2. 10 Mơ tả độ phân giải ảnh quét sườn theo phương ngang ... 48

Hình 2. 11 Mơ tả độ phân giải ảnh qt sườn theo phương dọc ... 49

Hình 2. 12 Ảnh hưởng của tốc độ kéo đến hình dáng vật thể ... 49

Hình 2. 13 Tàu ngầm hoạt động trong khu vực có vách đá ngầm (Nguồn: www.alamy.com) ... 50

Hình 2. 14 Thủy sinh vật dưới đáy biển (Nguồn: www.craiyon.com) ... 51

Hình 2. 15 a) Cáp ngầm và b) xác tàu đắm dưới đáy biển ... 51

Hình 2. 16 Đường cong Cubic Spline ... 59

Hình 2. 17 Một số dạng đường cong tham số [51] ... 60

Hình 2. 18 Sự phân bố các điểm độ sâu thực đo trong 1 khu vực ... 61

Hình 2. 19 Mơ tả độ dốc giữa hai điểm độ sâu ... 62

Hình 2. 20 Lưới 3 x 3 các điểm độ sâu ... 62

Hình 2. 21 Mơ tả tính tốn độ dốc bằng thuật tốn lân cận ... 63

Hình 2. 22 Mô tả độ dốc ở dạng raster ... 63

Hình 2. 23 Mơ hình số DEM và phân vùng độ dốc ... 64

Hình 2. 24 Phân vùng theo độ sâu ... 64

Hình 2. 25 Xây dựng lưới grid với kích thước ơ lưới tại mỗi vùng phụ thuộc vào độ sâu

... 65

Hình 2. 26 Phân bố dữ liệu đo sâu và điểm nội suy trong phương pháp IDW ... 65

Hình 2. 27 Kết quả nội suy các điểm mắt lưới theo phương pháp IDW ... 66

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 2. 28 Cấu trúc lưới đa độ phân giải được xây dựng ... 66

Hình 2. 29 Mơ hình số bề mặt được xây dựng ... 67

Hình 2. 30 Xác định tuyến tàu di chuyển trên nền các điểm độ sâu ... 68

Hình 2. 31 Xác định các vùng lựa chọn điểm gần tuyến tàu đi ... 69

Hình 2. 32 Xác định điểm gần nhất và tuyến liền kề ... 69

Hình 2. 33 Xác định các tuyến liền kề tuyến tàu và đi qua các điểm độ sâu thực đo 70

Hình 2. 34 Xây dựng đường cong cubic-spline từ các điểm trị đo sâu ... 70

Hình 2. 35 Các đường cong cubic-spline đi qua các điểm tuyến liền kề ... 71

Hình 2. 36 Mặt vng góc với tuyến hành trình ... 71

Hình 2. 37 Các điểm nút của lưới tứ giác không gian ... 72

Hình 2. 38 Lưới tứ giác không gian và mặt cong tứ giác không gian ... 72

Hình 2. 39 Nguyên tắc lựa chọn điểm để đánh giá ... 75

Hình 2. 40 Cơng cụ ArcScene trong ArcGIS 3D Analyst ... 76

Hình 2. 41 Lưới đa độ phân giải và lưới đều ... 77

Hình 2. 42 Sai lệch giữa đường cong cubic-spline và đường nối các điểm độ sâu ... 78

Hình 2. 43 Tỷ lệ mơ hình cần thành lập ... 78

Hình 2. 44 Một số loại trầm tích a) sỏi, b) cát và c) bùn ... 79

Hình 2. 45 Dữ liệu backscatter từ đo sâu đa tia ... 84

Hình 2. 46 Mơ tả hệ thống đa tia và tín hiệu phản xạ xung âm thanh tới đáy biển ... 85

Hình 2. 47 Địa hình đáy biển thu được từ thủy âm quét sườn ... 86

Hình 2. 48 Đồ thị tán xạ ngược của một số loại trầm tích ... 88

Hình 2. 49 Quy trình phân loại trầm tích dựa vào dữ liệu tán xạ ngược ... 90

Hình 2. 50 Đồ thị cường độ tán xạ ngược theo góc tới tại tần số 100 kHz của cát mịn91 Hình 2. 51 Đồ thị cường độ tán xạ ngược ... 92

Hình 2. 52 Khu vực có nhiều cát mịn trên ảnh thủy âm quét sườn ... 94

Hình 2. 53 Hình ảnh trích chọn và thay đổi độ tương phản của mẫu ... 94

Hình 2. 54 Khu vực đá trên ảnh thủy âm quét sườn ... 94

Hình 2. 55 Hình ảnh trích chọn và thay đổi độ tương phản mẫu ... 95

Hình 2. 56 Phân loại trầm tích với thuật toán cây quyết định ... 96

Hình 2. 57 Hình ảnh trước và sau phân loại trên ảnh ... 97

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hình 2. 62 Phương pháp phân vùng theo bảng màu ... 101

Hình 2. 63 Phương pháp phân vùng kết cấu đặc trưng ... 102

Hình 2. 64 Các hạt kết cấu trầm tích được tạo ra bằng phép đo ảnh: ( a ) Đá lớn, sỏi;

(b) Bùn; (c) Cát; (d) Thực vật bề mặt ... 103

Hình 2. 65 Hình ảnh mơ phỏng đáy biển khu vực có đá hộc; a) Hiện tượng bị kéo ảnh tại mặt dốc đứng; b) Các kết cầu được định vị bằng kỹ thuật ánh xạ 3 chiều ... 104

Hình 2. 66 Hình ảnh mô phỏng đáy biển khu vực có đá tảng; a) Hiện tượng trùng lặp

kết cấu; b) Loại bỏ hiện tượng trùng lặp kết cấu ... 104

Hình 2. 67 Hình ảnh mô phỏng đáy biển: a) Khơng có đối tượng bề mặt; b) Có đối

tượng trên bề mặt ... 105

Hình 2. 68 Hình ảnh mô phỏng đáy biển; a-c) Chưa có môi trường nước biển; b-d)

Thêm ảnh hưởng môi trường nước biển ... 105

Hình 2. 69 Quy trình xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển ... 107

Hình 3. 1 Khu vực thực nghiệm thuộc biển Nha Trang - Khánh Hòa ... 111

Hình 3. 2 Khu vực thực nghiệm thuộc biển Ninh Thuận ... 112

Hình 3. 3 Khu vực thực nghiệm gần đảo Song Tử thuộc quần đảo Trường Sa ... 113

Hình 3. 4 Quy trình xác định các thành thần tọa độ 3 chiều của điểm đo sâu ... 116

Hình 3. 5 Lựa chọn thơng số cường độ âm thanh đối với trầm tích là đá ... 117

Hình 3. 6 Thơng tin về trầm tích sau phân loại ... 118

Hình 3. 7 Bản đồ trầm tích của khu vực thực nghiệm ... 118

Hình 3. 8 Hình ảnh thu nhận được bằng thủy âm quét sườn khi hiển thị trên QGIS .

119 Hình 3. 9 Hình ảnh khu vực đáy có nhiều cát mịn ... 120

Hình 3. 10 Các mẫu cát được chọn để phân loại ... 120

Hình 3. 11 Trầm tích đá được hiển thị trên ảnh ... 121

Hình 3. 12 Mẫu đá được trích để phân loại ... 121

Hình 3. 13 Chọn mẫu để nhận dạng đối tượng ... 121

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Hình 3. 14 Hình ảnh thu nhận được từ thủy âm quét sườn trước và sau phân loại 122

Hình 3. 15 Bản đồ trầm tích thu nhận được bằng công nghệ thủy âm quét sườn ... 122

Hình 3. 16 Mơ hình lưới 3D khu vực biển Song Tử-Trường Sa ... 123

Hình 3. 17 Sự thay đổi độ phân giải theo độ sâu trên lưới 3D tại biển Song Tử ... 123

Hình 3. 18 Mơ hình 3D bề mặt khu vực biển Song Tử-Trường Sa ... 124

Hình 3. 19 Lưới 3D đa độ phân giải cho khu vực biển Nha Trang - Khánh Hòa ... 124

Hình 3. 20 Mơ hình 3D bề mặt khu vực biển Nha Trang - Khánh Hòa ... 125

Hình 3. 21 Mơ hình 3D khu vực biển Ninh Thuận ... 125

Hình 3. 22 Mơ hình 3D bề mặt với các tứ giác cong khu vực Nha Trang - Khánh Hòa ... 126

Hình 3. 23 Mơ hình 3D bề mặt với các tứ giác cong khu vực Song Tử ... 126

Hình 3. 24 Hình ảnh 3D thu nhận được từ dữ liệu thủy âm quét sườn trên 1 tuyến đo

... 127

Hình 3. 25 Hình ảnh đáy biển gộp các tuyến khảo sát bằng công nghệ quét sườn 127

Hình 3. 26 Kết quả phân loại trầm tích khu vực đảo Song Tử từ dữ liệu tán xạ ngược

và ảnh quét sườn ... 128

Hình 3. 27 Kết quả phân loại trầm tích khu vực từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn ... 128

Hình 3. 28 Hình ảnh 3D lớp phủ trầm tích khu vực đảo Song Tử ... 129

Hình 3. 29 Hình ảnh 3D lớp phủ trầm tích đã được trực quan hóa tại khu vực biển

Ninh Thuận ... 129

Hình 3. 30 Hình ảnh 1 số mẫu trầm tích thu thập tại khu vực biển Song Tử ... 131

Hình 3. 31 So sánh các mẫu trầm tích thu thập ngoài thực địa với kết quả phân loại

trầm tích từ dữ liệu tán xạ ngược và ảnh quét sườn ... 132

Hình 3. 32 Hình ảnh so sánh lớp phủ tại khu vực đảo Song Tử ... 133

Hình 3. 33 a) Mơ hình 3D địa hình đáy biển ven cụm đảo Song Tử; b) Ảnh quét sườn; c) Ảnh vệ tinh tại đảo Song Tử ... 133

Hình 3. 34 So sánh mẫu thực địa với phân loại từ dữ liệu tán xạ ngược tại biển Ninh Thuận

... 135

Hình 3. 35 Quy trình xây dựng phần mềm ... 138

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình 3. 36 Giao diện chính của chương trình ... 139 Hình 3. 37 Hiển thị mơ hình lưới tứ giác không gian với cạnh là đường cong tham số 140 Hình 3. 38 Hiển thị 3D địa hình đáy biển với lớp phủ hải đồ ... 140 Hình 3. 39 Hiển thị 3D địa hình đáy biển với lớp phủ thu được từ thủy âm quét sườn ... 140

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b>MỞ ĐẦU1. Tính cấp thiết của đề tài</b>

Biển Đơng đóng vai trị quan trọng trong nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, là cửa ngõ để Việt Nam gia thương với các nước trong khu vực và quốc tế. Các đảo và quần đảo trên Biển Đông, đặc biệt là quần đảo Hồng Sa và Trường Sa, khơng chỉ có ý nghĩa trong việc kiểm soát các tuyến đường biển qua lại, mà cịn có ý nghĩa phịng thủ chiến lược quan trọng từ xa đối với Việt Nam.

Bảo vệ vững chắc chủ quyền và quyền tài phán trên các vùng biển là mục tiêu chiến lược của Đảng và Nhà nước ta trong giai đoan hiện nay và tương lai phát triển của đất nước. Trong đó, lực lượng Hải quân đóng vai trị là lực lượng nịng cốt trong nhiệm vụ bảo vệ biển. Để thực hiện nhiệm vụ này, Hải quân nhân dân Việt Nam đã được ưu tiên mua sắm và phát triển nhiều vũ khí chiến lược mới trong đó có lực lượng tàu ngầm hiện đại. Từ năm 2014 đến nay đã có 02 lữ đồn tàu ngầm hiện đại đã được đưa vào biên chế với nhiều tàu được trang bị đầy đủ các thiết bị tiên tiến. Tàu ngầm là lực lượng mới của Hải quân, là phương tiện hiện đại góp phần nâng cao năng lực chiến đấu bảo vệ vững chắc chủ quyền biển, đảo và thềm lục địa của Tổ quốc.

Để phát huy hết sức mạnh của lực lượng này cả trong chiến đấu và huấn luyện sẵn sàng chiến đấu đang là yêu cầu cấp thiết đối với lực lượng Hải quân. Như đã biết, tàu ngầm yêu cầu rất cao về độ chính xác thơng tin trong quá trình hoạt động, nếu khơng có sự đảm bảo về thơng tin đầy đủ, tàu ngầm rất dễ xảy ra tai nạn mà điển hình như: năm 2005, tàu ngầm hạt nhân San Francisco của Mỹ đang di chuyển từ căn cứ Guam tới cảng Brisbane của Australia đến khu vực biển cách Guam khoảng 560km về phía Nam thì bất ngờ đâm vào rạn san hơ dưới đáy Thái Bình Dương. Ngun nhân được chỉ ra là do khu vực nằm trên tuyến hành trình của tàu chưa được tiến hành khảo sát độ sâu, mặt đáy, dẫn đến tại khu vực tai nạn chưa có hải đồ, khơng có cảnh báo nguy hiểm hàng hải, tàu ngầm va phải chướng ngại vật bị thiệt hại rất lớn. Ngoài ra, tai nạn của tàu ngầm Kursk của Nga năm 2000 làm hơn 100 binh sĩ Nga thiệt mạng do tàu ngầm đâm phải núi ngầm cũng xuất phát từ nguyên nhân trên.

Từ sự việc nêu trên đã đặt ra yêu cầu phải xây dựng riêng cho lực lượng tàu ngầm

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

một dữ liệu dạng mơ hình số địa hình riêng, đảm bảo cho hoạt động tác chiến của tàu ngầm trên biển với mức độ chi tiết và phân hóa cao, tương ứng với từng loại nhiệm vụ. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, mô hình 3D hiện nay rất phổ biến cả trong nước và trên thế giới. Nhiều các cơ quan, đơn vị trong và ngoài quân đội đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng mơ hình 3D cho các nhiệm vụ khác nhau và mang lại hiệu quả rất lớn cả về kinh tế và an ninh quốc phòng. Tuy nhiên các giải pháp 3D trên chưa phù hợp với hoạt động đặc thù của tàu ngầm khi hoạt động hay nằm đáy tại các khu chờ đợi thời cơ.

Nhiệm vụ bảo vệ chủ quyền biển đảo ngày càng phức tạp, ẩn chứa nhiều khó khăn cùng với việc các quốc gia trong khu vực không ngừng tăng cường mua sắm trang thiết bị và sử dụng các phương thức tác chiến hiện đại thì việc bảo đảm thơng tin về địa hình tác chiến đang là vấn đề cấp thiết cần phải nghiên cứu. Hiện nay, dữ liệu địa hình đáy biển tại nước ta được thành lập phục vụ cho hoạt động của các tàu mặt nước ở dạng bản đồ 2D truyền thống như hải đồ giấy và hải đồ điện tử theo các tiêu chuẩn kỹ thuật của Việt Nam và IHO. Tàu mặt nước thường hoạt động trên các hải trình cố định, nên dữ liệu địa hình được khảo sát bổ sung, cập nhật thường xuyên và các thủy thủy của tàu ít nhiều đã quen với hành trình. Cịn tàu ngầm (chủ yếu phục vụ cho các mục đích quân sự) hoạt động trong lòng nước (tàu ngầm của Việt Nam thường hoạt động ở độ sâu từ 60 – 300m) với tầm nhìn quang học gần như bằng 0. Do tính chất nhiệm vụ nên thường phải hoạt động trong các vùng biển chưa quen thuộc, hải trình có thể thay đổi đột xuất tùy thuộc vào tình hình nhiệm vụ,… Vì vậy, dữ liệu bản đồ 2D truyền thống chưa đáp ứng yêu cầu dẫn đường an toàn cho tàu ngầm.

Hệ thống dẫn đường và hỗ trợ tác chiến cho tàu ngầm và tàu chiến WarShip ECDIS đang được BTL Hải quân nghiên cứu và triển khai sử dụng trong thời gian tới. Hệ thống này yêu cầu cơ sở dữ liệu 3D địa hình đáy biển trong công tác tham mưu tác chiến cho người chỉ huy. Ưu điểm của mơ hình 3D địa hình đáy biển so với các bản đồ địa hình đáy biển truyền thống đó là cung cấp thơng tin về hình dáng địa hình, cùng với thực phủ, chất đáy, các đối tượng địa lý dưới đáy biển một cách trực quan, chính xác. Do đó, nếu xây dựng được mơ hình 3D địa hình đáy biển sẽ góp

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

phần nâng cao hiệu quả tác chiến của lực lượng tàu ngầm.

<i><b>Từ các lý do nêu trên, luận án “Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình</b></i>

<i><b>3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển ViệtNam” nhằm bảo đảm an toàn cho hoạt động tác chiến của tàu ngầm, đồng thời góp</b></i>

phần khẳng định và bảo vệ chủ quyền biển đảo Việt Nam và xây dựng phát triển kinh tế đất nước.

<b>2. Mục tiêu nghiên cứu</b>

- Xác lập cơ sở khoa học xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam.

- Xây dựng được mơ hình 3D địa hình đáy biển cho khu vực thực nghiệm trên cơ sở khoa học đã được xây dựng.

<b>3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu</b>

<i><b>3.1 Đối tượng nghiên cứu</b></i>

- Các loại dữ liệu phục vụ xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển như dữ liệu đo sâu đa tia, dữ liệu thủy âm quét sườn, dữ liệu tán xạ ngược.

- Mơ hình 3D và phương pháp xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển.

<i><b>3.2 Phạm vi nghiên cứu</b></i>

- Nghiên cứu xây dựng mơ 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.

<b>4. Phương pháp nghiên cứu</b>

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm:

- Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu: Thu thập các tài liệu, số liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu, cập nhật các thơng tin trên mạng Internet nhằm có kiến thức tổng quan về nhiệm vụ nghiên cứu;

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tập hợp các kết quả nghiên cứu, phân tích kết quả của các cơng trình đã nghiên cứu về xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển từ đó đưa ra nhận định, các vấn đề cịn tồn tại cần phải giải quyết.

- Phương pháp so sánh: So sánh kết quả thực nghiệm với số liệu trắc địa gốc và

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

số liệu hải văn thu thập được làm cơ sở đánh giá mức độ tin cậy của việc nghiên cứu. - Phương pháp tin học: Lập các chương trình cần thiết theo thuật tốn được phát triển và sử dụng các phần mềm thông dụng.

- Phương pháp mơ hình hóa (modeling): Sử dụng phép loại suy xây dựng mơ hình địa hình đáy biển nhằm đưa ra những thơng tin (về thuộc tính, cấu trúc, hình dáng ….) tương tự với địa hình thực.

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm trên phạm vi nghiên cứu của luận án.

- Mơ hình 3D địa hình đáy biển được xây dựng theo phương pháp mơ hình lưới đa độ phân giải và mơ hình lưới tứ giác khơng 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 mơ tả chân thực nhất bề mặt thực địa hình đáy biển.

- 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 mơ hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng biển Việt Nam.

- Đề xuất phương pháp và thuật toán xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm: Phương pháp tối ưu hóa mơ hình 3D bằng lưới đa độ phân giải và phương pháp xây dựng mơ 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 mơ hình 3D lớp phủ trầm tích, thể hiện trực quan bề mặt địa hình đáy biển.

- Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm.

<b>7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn</b>

<i><b>7.1 Ý nghĩa khoa học</b></i>

- Đề xuất cơ sở khoa học và nghiên cứu các phương pháp xây dựng mơ hình 3D địa hình, phương pháp trực quan hố mơ hình 3D đáy biển.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

- Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển, phục vụ dẫn đường cho tàu ngầm trong vùng biển Việt Nam.

<i><b>7.2 Ý nghĩa thực tiễn</b></i>

Cơ sở khoa học và phương pháp luận đề xuất trong luận án có thể ứng dụng để xây dựng mơ hình 3D cho vùng biển Việt Nam phục vụ hiệu quả hoạt động huấn luyện, diễn tập và sẵn sàng chiến đấu của tàu ngầm.

- Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi 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.

Cấu trúc của Luận án bao gồm 3 phần:

<b>Phần 1: Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên</b>

cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểm bảo vệ và những điểm mới của luận án.

<b>Phần 2: Phần nội dung bao gồm 3 chương</b>

Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu, xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển

Chương 2. Cơ sở khoa học của phương pháp xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển Chương 3. Xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của

tàu ngầm

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠHÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN</b>

Mơ hình 3D địa hình là một một kỹ thuật đồ họa máy tính hiện đại và mạnh mẽ, mang lại khả năng biểu diễn không gian ba chiều của bề mặt đất với độ chính xác và chi tiết cao. Phương pháp này sử dụng dữ liệu địa lý và kỹ thuật tiên tiến để tạo ra mơ hình chân thực, phản ánh đúng về đặc điểm vật lý và địa hình của một khu vực cụ thể.

Trong mơ hình 3D địa hình, dữ liệu về độ cao, bề mặt đất, và các đặc trưng khác của địa hình được tích hợp và chuyển đổi thành một biểu diễn 3D động và tương tác. Công nghệ này vượt ra khỏi phạm vi của bản đồ hai chiều truyền thống, mang đến trải nghiệm thực tế hóa và tương tác cho người sử dụng.

Mơ hình 3D địa hình không chỉ giúp quan sát một cách trực quan và phân tích địa hình một cách chính xác hơn, mà cịn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Nó được sử dụng trong quy hoạch đô thị để đánh giá tác động của các dự án xây dựng, trong ngành cơng nghiệp trị chơi điện tử để tạo ra môi trường ảo sống động, và trong nghiên cứu khoa học để hiểu rõ hơn về địa hình và mơi trường tự nhiên. Qua mơ hình 3D địa hình, người ta có thể thăm dị khơng gian từ nhiều góc độ khác nhau, giúp tạo ra một cách nhìn tồn diện về môi trường xung quanh. Điều này không chỉ hỗ trợ người quản lý, chỉ huy ra các quyết định trong quản lý đô thị và quản lý tài nguyên mà còn mở ra những trải nghiệm mới và sáng tạo trong lĩnh vực thị trường ảo và thực tế ảo.

Đối với mơ hình 3D địa hình lục địa, các cơng nghệ thu nhận dữ liệu đầu vào bao gồm như sau:

- LiDAR:

LiDAR là một công nghệ chủ đạo trong xây dựng mơ hình 3D địa hình. Nó sử dụng laser để đo khoảng cách từ máy bay, thiết bị di động hoặc tàu ngầm đến bề mặt đất. Dữ liệu LiDAR cung cấp điểm 3D có độ chính xác cao, giúp tạo ra mơ hình địa hình chi tiết.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

- Mơ hình số độ cao (DEM):

DEMs là dạng dữ liệu số hóa về độ cao của mặt đất. Các DEMs thường được tạo ra từ dữ liệu LiDAR, hình ảnh vệ tinh hoặc phương pháp khảo sát địa chất. Chúng cung cấp thông tin về độ cao tại từng điểm trên bề mặt đất.

- Ảnh hàng không:

Sử dụng hình ảnh chụp từ máy bay, drone hoặc vệ tinh, photogrammetry là một phương pháp xây dựng mơ hình 3D bằng cách tính tốn độ chênh lệch giữa các điểm ảnh.

- Quét laser 3D mặt đất - Công nghệ GNSS:

Hệ thống định vị toàn cầu (GNSS), như GPS, cung cấp thơng tin về vị trí địa lý và độ chính xác độ cao, giúp cải thiện độ chính xác của mơ hình 3D.

Cơng nghệ thu nhận dữ liệu để xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển có sự khác biệt so với công nghệ thu nhận dữ liệu xây dựng mơ hình 3D lục địa. Các cơng nghệ thu nhận dữ liệu trong trường hợp này bao gồm:

- Đo sâu hồi âm đơn tia:

Phương pháp đo sâu đơn tia là một kỹ thuật sử dụng nguyên lý sóng âm thanh, nơi âm thanh được phát ra từ một thiết bị phát sóng (tranducer-phát biến). Các tín hiệu âm thanh sẽ truyền xuống và sau đó phản xạ từ đáy biển, trở về phần thu của thiết bị phát sóng. Để đo độ sâu, thời gian mà âm thanh di chuyển trong môi trường nước (~1500m/s) được sử dụng để tính tốn. Khi tàu di chuyển, đầu phát biến liên tục phát các xung âm thanh xuống bề mặt đáy biển và thu lại chúng từ từ theo từng vị trí. Tại mỗi vị trí phát xung, thiết bị đo đơn tia chỉ ghi nhận một độ sâu, do đó, cần phải nội suy để xây dựng một hình ảnh toàn cảnh của độ sâu dọc theo các tuyến khảo sát. Nhiều bản đồ đại dương hiện đại vẫn sử dụng dữ liệu từ phương pháp đo sâu đơn tia này.

- Đo sâu hồi âm đa tia:

Khác với máy đo sâu đơn tia, máy đo sâu đa tia phát đi dưới dạng tia thẳng đứng mà phát đi dưới dạng chùm tia. Độ rộng của chùm tia tùy thuộc vào chủng loại máy nhưng thường nằm trong dải từ 60<small>0</small> đến 150<small>0</small> theo chiều ngang thân tàu do đó sẽ quét được một dải rất lớn theo hướng di chuyển của tàu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

- Công nghệ thủy âm quét sườn:

Side-scan sonar là một công nghệ thủy âm được sử dụng để tạo hình ảnh dưới nước của đáy biển hoặc các cấu trúc dưới nước bằng cách sử dụng sóng âm.

Thiết bị side-scan sonar phát ra các sóng âm ra hai bên từ một hoặc nhiều cảm biến. Sóng âm sau đó tương tác với các đối tượng dưới nước như đáy biển, vật thất lạc, hoặc cấu trúc dưới nước khác.

Khi sóng âm chạm vào các đối tượng, chúng sẽ phản xạ lại và được thu bởi các hydrophone. Các dữ liệu về phản xạ này qua phân tích chuyển đổi sang hình ảnh chi tiết về đáy biển hoặc các đối tượng dưới nước.

- Tán xạ ngược:

Ngoài dữ liệu về độ sâu (bathymetry), hệ thống đa tia thu thập 2 loại dữ liệu khác đó là: dữ liệu tán xạ ngược (backscatter) và hình ảnh cột nước (water column image). Dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia cho chúng ta thơng tin về loại trầm tích bề mặt đáy biển. Trong khi đó, dữ liệu hình ảnh cột nước là sự phản xạ sóng âm trong mơi trường nước từ các bong bóng nước hoặc các loại sinh - động vật biển sống trong vùng nước khảo sát.

- Các thiết bị lặn tự động:

ROVs và AUVs là các thiết bị chuyên dùng trong thu thập, khảo sát ở các khu vực khó tiếp cận bởi con người hoặc gây nguy hiểm dưới nước. Chúng có thể trang bị các cảm biến đo đạc hải dương, máy ảnh và các loại đầu dò sonar để thu thập dữ liệu một cách đa dạng nhất có thể.

- Viễn thám biển:

Mặc dù khơng thể nhìn thấy trực tiếp qua đáy biển, nhưng cơng nghệ cảm biến từ vệ tinh có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu về mơi trường biển, như nhiệt độ và dịng chảy, giúp hiểu rõ hơn về địa hình đáy biển.

Từ dữ liệu thu nhận được, có thể sử dụng các kỹ thuật / cơng nghệ để xây dựng mơ hình / bản đồ 3D như:

Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) là một công nghệ quan trọng để quản lý và phân tích dữ liệu địa lý. GIS giúp tích hợp và xử lý các lớp dữ liệu đa dạng như độ cao, địa chất, và mạng lưới đường.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Cơng nghệ này chun xử lý và phân tích dữ liệu đám mây điểm, một dạng dữ liệu 3D được tạo ra từ các phương pháp như LiDAR. Các công cụ xử lý đám mây điểm giúp tạo ra mô hình 3D chi tiết và chính xác.

Hiện nay, rất nhiều nền tảng web hỗ trợ lập trình để xây dựng nên các mơ hình/ bản đồ 3D thuận tiện cho người sử dụng.

1.2.1 Tàu ngầm và vai trò của tàu ngầm

Vai trò của tàu ngầm rất đa dạng và trải rộng trong các lĩnh vực như quân sự, khoa học và thương mại. Tàu ngầm được trang bị cho tác chiến chống tàu ngầm, có khả năng phát hiện và tấn cơng tàu ngầm đối phương. Chúng góp phần duy trì, thiết lập các quyền kiểm sốt tuyến đường chiến lược, trọng yếu trên biển.

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 được sử dụng với chức năng như thu thập thơng tin tình báo, trinh sát, theo dõi kẻ thù, cho phép giám sát bí mật các hoạt động trên biển và các mối đe dọa tiềm ẩn mà không dễ bị phát hiện. Hiện nay, với việc được trang bị tên lửa đạn đạo, có đầu đạn hạt nhân (SSBN), lực lượng này sẽ tạo ra sức răn đe chiến lược rất lớn cho đối phương.

Là một thành phần quan trọng trong hệ thống các phương tiện, vũ khí chiến lược của quá trình phát triển hải quân các quốc gia, tàu ngầm ngày nay rất đa dạng về chức năng và có thể linh hoạt trong nhiều tình huống tác chiến như chống thâm nhập, đánh chặn, thu thập thông tin tình báo... Khu vực Tây Thái Bình Dương đang duy trì và phát triển các hạm đội tàu ngầm quy mô lớn như Mỹ, Trung Quốc và Nga. Đây là những cường quốc quân sự hàng đầu trong triển khai tàu ngầm hạt nhân. Ngoài ra, một số quốc gia khác như Ôxtrâylia, Nhật Bản và Hàn Quốc cũng duy trì những đội tàu ngầm lớn và có sự hiện diện đáng kể trong hệ thống hải quân.

Các tàu ngầm lớp Kilo là một phần của loạt Dự án 877 Paltus (tên ký hiệu của NATO: lớp Kilo), ban đầu được thiết kế ở Liên Xơ và sau đó được các nhà thiết kế Nga

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

cải tiến. Dự án Kilo 636 là phiên bản nâng cấp của các tàu ngầm lớp Kilo ban đầu, kết hợp các cải tiến qua nhiều lần thử nghiệm, bao gồm tính năng tàng hình âm thanh, khả năng dẫn đường và vũ khí hoả lực tân tiến.

Tàu ngầm Kilo 636 được biết đến với đặc tính âm thanh thấp, khiến chúng khó bị hệ thống sonar phát hiện. Đặc điểm này nâng cao khả năng tàng hình của chúng, cho phép chúng hoạt động bí mật. Những tàu ngầm này sử dụng hệ thống động cơ diesel- điện, mang lại sự cân bằng giữa khả năng chịu đựng dưới nước và hoạt động im lặng. Khi chìm dưới nước, chúng dựa vào động cơ điện chạy bằng pin.

Các tàu ngầm Kilo 636 được trang bị các loại ngư lôi và trong một số trường hợp là cả tên lửa chống hạm. Loại vũ khí này được thiết kế cho cả tác chiến chống tàu ngầm và chống tàu mặt nước. Các tàu ngầm này được thiết kế cho nhiều nhiệm vụ khác nhau, bao gồm tác chiến chống tàu ngầm, trinh sát và tuần tra. Chúng có thể hoạt động ở vùng nước ven biển cũng như môi trường đại dương sâu hơn.

Các tàu ngầm lớp Kilo đã được xuất khẩu rộng rãi sang một số nước, càng củng cố thêm vị thế của Nga trên thị trường tàu ngầm toàn cầu. Các quốc gia khách hàng thường ca ngợi lớp Kilo về hiệu quả chi phí và hiệu suất. Dự án Kilo 636 có những cải tiến so với dự án trước đó, giải quyết những hạn chế tiềm ẩn và kết hợp các công nghệ hiện đại. Những nâng cấp này có thể bao gồm cải tiến thiết bị điện tử, cải thiện khả năng giảm âm và các cải tiến khác.

1.2.2 Các phương pháp dẫn đường cho tàu ngầm

Các phương pháp điều hướng tàu ngầm bao gồm một loạt các kỹ thuật và hệ thống được sử dụng để hướng dẫn và điều động tàu ngầm dưới nước. Những phương pháp này rất quan trọng để đảm bảo việc di chuyển an toàn và hiệu quả của tàu ngầm qua độ sâu của đại dương. Nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm hệ thống sonar, hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định vị dựa trên vệ tinh, được sử dụng để xác định vị trí, lộ trình và độ sâu của tàu ngầm. Ngoài ra, các chiến lược điều hướng nâng cao có thể liên quan đến việc tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn và sử dụng các thuật tốn tính tốn để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy. Các phương pháp điều hướng tàu ngầm

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

đóng một vai trị quan trọng trong các hoạt động của tàu ngầm, bao gồm tuần tra chiến lược, nghiên cứu khoa học và thăm dò dưới đáy biển.

Năm 1974, Hệ thống Điều khiển Gyro được Hỗ trợ Tĩnh điện (ESGM) được triển khai như một "bộ giám sát" cho Hệ thống Điều hướng Tuyến tính (SINS). Công nghệ ESG cho phép đưa điều hướng chiến lược của tàu ngầm lên một bước quan trọng với sự ổn định cải thiện về dài hạn của ESGM. Mặc dù Hệ thống Điều khiển Gyro được Hỗ trợ Tĩnh điện (ESGM) vẫn cần các điểm đặt ngoại vi, nhưng thời gian hoạt động liên tục của nó tăng đáng kể so với SINS đơn lẻ. Cấu hình giám sát này vẫn được triển khai trong tàu ngầm TRIDENT I [71].

TRIDENT II sau đó đã được phát triển trong những năm 1980 để qua giai đoạn cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990, Transit cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống vũ khí chiến lược. Transit đã được loại bỏ để ủng hộ GPS. Quan trọng nhấ là hệ thống Điều hướng Tuyến tính (SINS) đã bị loại bỏ khỏi cấu hình này, và ESGM sau đó được cấu hình lại như là bộ dẫn đường chính và đổi tên thành ESGN. Việc cải thiện độ chính xác được thực hiện bằng cách triển khai ba khái niệm khác nhau cũng đóng góp vào độ chính xác của ESGN:

- Giới thiệu bản đồ trọng lực chính xác. Bản đồ nghiêng dọc của đại dương được xây dựng bằng cách sử dụng sự kết hợp giữa các cuộc khảo sát trọng lực bằng gravimeter và đo độ cao radar bằng vệ tinh. (Độ lệch dọc là các đại lượng trọng lực ảnh hưởng nhiều nhất đến lỗi INS và, khi được ánh xạ, giúp giảm lỗi vận tốc Schuler.) Bản đồ độ lệch trọng lực và độ cao địa hình biển cũng là sản phẩm phụ của cuộc khảo sát đại dương và dữ liệu vệ tinh.

- Triển khai Hệ thống Cảm biến Trọng lực (GSS) trên tàu ngầm. GSS bao gồm một nền tảng có thể quay chứa ba Bộ dụng cụ đo độ lệch trọng lực (GGIs) và hai gravimeter. Việc đo lường chính xác và thời gian thực về độ lệch trọng lực và độ dốc trên một nền tảng di động được coi là một thành tựu công nghệ thực sự, và sẽ tiếp tục phục vụ như nền tảng cho các nỗ lực khoa học trong tương lai. Đối với TRIDENT II, mục tiêu của GSS là cung cấp ước lượng thời gian thực về độ lệch dọc như một sự bù đắp cho lỗi INS.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

- Triển khai một hệ thống sonar đo tốc độ, Hệ thống Sonar Điều hướng (NSS). NSS cung cấp dữ liệu vận tốc tàu ngầm cải thiện bằng cách tương quan các sóng phát truyền có độ trễ thời gian được phản xạ từ đáy đại dương thông qua một mảng của các hydrophone [71].

Một trong những nhiệm vụ hết sức quan trọng của công tác dẫn đường cho tàu ngầm đó là cung cấp thơng tin định vị chính xác để khởi tạo hệ thống điều khiển của tên lửa đạn đạo ngay trước khi chúng được phóng từ tàu ngầm. Các cơng cụ cảm biến qn tính cơ bản của hệ thống Điều hướng Tuyến tính (INS) bao gồm giro và cảm biến gia tốc. Các cơng cụ cảm biến trọng lực cũng có thể được xem xét như là cảm biến quán tính.

ESGN đã là cốt lõi của hệ thống điều hướng chiến lược từ những năm 1970 khi được giới thiệu trên tàu ngầm POSEIDON, và sau đó trên các tàu ngầm TRIDENT. Sự xuất hiện của ESGN đã thay thế Hệ thống Điều hướng Tuyến tính trên tàu (SINS) và đại diện cho một cột mốc quan trọng với sự cải thiện độ chính xác đáng kể của hệ thống FBM. Ngày nay, nó tiếp tục cung cấp dịch vụ điều hướng rất chính xác và đáng tin cậy, đáp ứng tất cả các mục tiêu hiệu suất hiện tại.

Ở lõi của ESGN là Gyro được Hỗ trợ Tĩnh điện (ESG) và Cảm biến gia tốc Điện từ (EMA). ESG ổn định và đáng tin cậy được phát triển từ những năm 1960 và đã có dây chuyền sản xuất được thiết lập hơn 25 năm trước để sử dụng trong chương trình FBM. Mặc dù có những tiến triển đột phá khác trong cơng nghệ qn tính trong thời kỳ giữa, ESGN vẫn tiếp tục đáp ứng các yêu cầu độ chính xác nghiêm ngặt cũng như các mục tiêu về độ tin cậy và khả năng bảo trì.

Cơng nghệ RLGN phổ biến trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm tàu ngầm tấn công, nhưng không dự kiến là phương án phù hợp cho tàu ngầm chiến lược. Sự nhận thức rằng cơng nghệ FOG có tiềm năng lớn hơn để đạt được độ chính xác và kích thước cần thiết giảm đi sự hấp dẫn của công nghệ này trong điều hướng tàu ngầm chiến lược [71].

Một nỗ lực hợp tác giữa Boeing, Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Ứng dụng (ARL) của Đại học Pennsylvania State và Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân (NRL) tập trung vào việc phát triển Máy Điều hướng Giro quang cảm biến như là một sự thay thế

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

có chi phí thấp hơn cho ESGN. Nỗ lực hiện tại được tập trung vào việc phát triển một hệ thống giro có giá cả phải chăng và có thể hỗ trợ, sẽ thay thế ESG theo cách hình thức và chức năng trong hệ thống ESGN hiện tại.

Bắt đầu từ cuối những năm 1970, đã có một chuỗi các sáng kiến để giới thiệu cảm biến trọng lực vào bộ điều hướng của tàu ngầm chiến lược. Đến năm 1982, các máy đo độ lệch trọng lực và cảm biến độ gradiomet đã được triển khai trên tàu thử nghiệm và sau đó trên các tàu ngầm TRIDENT. Các ứng dụng đề xuất của thiết bị đo trọng lực cho nhiệm vụ của tàu ngầm chiến lược bao gồm các mục sau:

- Ước lượng thời gian thực về độ lệch dọc, được sử dụng để giảm lỗi Schuler của INS.

- Ước lượng thời gian thực về độ lệch trọng lực, để sử dụng trong việc khởi tạo hệ thống hướng dẫn tên lửa.

- Xác định vị trí bằng cách so khớp với một bản đồ trọng lực, sử dụng máy đo độ lệch trọng lực và/hoặc cảm biến độ gradiomet trọng lực.

- Tạo bản đồ về độ lệch dọc và độ lệch trọng lực bởi các tàu trên bề mặt như một phần của chương trình khảo sát đại dương.

Tương tự như khi nổi lên để cố định vị trí GPS, tính bí mật bị đánh đổi khi có các truyền phát sonar hoạt động. Tuy nhiên, thông tin điều hướng quan trọng được thu thập bằng cách quan sát địa hình bên dưới thơng qua các sóng sonar trả lại. Hệ thống Sonar Điều hướng (NSS) được triển khai vào đầu những năm 1980 và vẫn là cảm biến điều hướng tàu ngầm chiến lược hiện tại để so khớp bản đồ địa hình biển và cố định vận tốc tương quan [71].

Mô phỏng các hành động hải quân ước lượng hiệu suất vận hành của tàu chiến hoặc tàu ngầm trong một kịch bản cụ thể. Trong các mơ hình phổ biến, các phản ứng của người điều khiển được xác định trước. Điều này không thực tế: quyết định của người điều khiển có thể tạo ra các phản ứng không mong đợi. Các tác giả [55] đã trình bày một phương pháp để mô phỏng quyết định của người điều khiển trong các mô phỏng. Phương pháp này cho phép suy luận về thơng tin khơng đầy đủ, có thể xem xét lại và không chắc chắn: một người điều khiển chỉ có thơng tin một phần về mơi trường của mình và phải

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

xem xét lại quyết định của mình. Phương pháp của chúng tơi sử dụng một logic không giảm: các quy tắc hành vi được hình thức hóa bằng logic mặc định, mà chúng tơi đã thêm vào một yếu tố thời gian. Phương pháp của chúng tơi sử dụng sự ưa thích để quản lý sự lựa chọn giữa các quy tắc khác nhau, với các kỹ thuật xác suất đơn giản. Phương pháp này đã được triển khai trong Prolog, được kết nối với khung mô phỏng của DCNS và áp dụng vào một kịch bản liên quan đến hai tàu ngầm đối nghịch.

1.3.1 Yêu cầu đối với dữ liệu trắc địa

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. Công tác đo đạc khảo sát được thực hiện theo tiêu chuẩn S44 của tổ chức thủy đạc Quốc tế IHO. 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. Nguy hiểm hàng hải là trở ngại dưới nước tự nhiên hoặc nhân tạo (đáy nhơ lên hoặc có đối tượng nguồn gốc nhân tạo nằm ở đáy) ở độ sâu nguy hiểm đối với tàu.

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 cơng 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 u 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. Trong quá trình này, cũng quan trọng là xác định trình độ chuyên môn và năng lực tối thiểu mà thủy đạc viên cần phải đáp ứng để thực hiện công việc một cách hiệu quả.

Căn cứ vào yêu cầu nhiệm vụ và kỹ thuật cho hoạt động của phương tiện, trang thiết bị kỹ thuật của Hải quân, căn cứ vào kết quả đo đạc, khảo sát thực địa phân chia bản đồ sử dụng cho tàu ngầm thành 3 mức như sau: Bản đồ khu vực nằm đáy; Bản đồ khu vực huấn luyện, khu vực đợi cơ; Bản đồ hành trình, tác chiến. Với mỗi loại bản đồ, tùy thuộc vào mục tiêu sử dụng mà chia thành 3 mức đó là mức 1, mức 2 và mức 3 [17].

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

1.3.2 Yêu cầu đối với dữ liệu hải văn

Hiện nay, chưa có quy định kỹ thuật trong nước về độ chính xác của các yếu tố hải văn đến dẫn đường cho tàu ngầm, vì vậy, luận án sẽ căn cứ vào các yêu cầu độ chính xác của các yếu tố hải văn cho các công tác khảo sát biển thực tế của đơn vị để từ đó sẽ tính ra u cầu kỹ thuật về các yếu tố hải văn cho dẫn đường cho tàu ngầm

<b>Yêu cầu kỹ thuật</b>

Điều tra, khảo sát

Điều tra, khảo sát môi trường biển

Áp suất Không lớn hơn 100 bar ± 0,01 mBar Oxy hòa tan Từ 0 mg/l đến 15 mg/l ± 0,2 mg/l Lấy mẫu chất đáy <sup>Lấy mẫu bằng gầu</sup>

lấy mẫu <sup>Không lớn hơn 50 m</sup>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<b>Hạng mụcKSĐĐ</b>

<b>Yêu cầu kỹ thuật</b>

Lấy mẫu bằng ống

phóng trọng lực <sup>Khơng lớn hơn 200 m</sup>

Đối với công tác dẫn đường cho tầu ngầm, yêu cầu độ chính xác cho định vị hoàn toàn khác (do tàu di chuyển dưới mặt nước), cho nên yêu cầu độ chính xác định vị sẽ tùy thuộc vào phương pháp dẫn đường (khoảng 180m/h đối với phương pháp dẫn đường bằng quán tính và khoảng từ 1-10m đối với dẫn đường bằng thủy âm). Do đó, chỉ tiêu kỹ thuật các yếu tố hải văn phục vụ dẫn đường cho tầu ngầm sẽ khác hơn rất nhiều so với các chỉ tiêu hải văn phục vụ khảo sát biển.

Các yếu tố hải văn tác động đến công tác định vị và dẫn đường cho tàu ngầm gồm có các yếu tố:

- Các yếu tố nhiệt độ, độ muối và độ sâu ảnh hưởng đến vận tốc âm; - Địa hình đáy biển ( mơ hình số địa hình 3D);

- Các yếu tố dịng chảy ( mơ hình số trường dịng chảy);

- Các yếu tố từ trường và dị thường từ (mơ hình trường từ trường); - Các yếu tố về vùng tối âm ( mơ hình vùng tối âm);

Ngồi ra, cịn một số yếu tố khác, song nó ảnh hưởng rất nhỏ nên khơng đề cập đến. Trong số 5 nguồn hải văn ảnh hưởng chính như trên đây, nguồn do nhiệt độ, độ muối và độ sâu (áp suất), chúng ta có thể ước tính độ chính xác của cơng tác đo đạc các yếu tố đó để loại trừ ảnh hưởng của các yếu tố này. Các nguồn hải văn còn lại (địa hình, dịng chảy, từ trường và vùng tối), chúng ta khơng thể loại trừ trong khi đo, song có thể tính được ảnh hưởng của nó và đưa ra giải pháp tránh được ảnh hưởng của chúng.

Trong luận án “Nghiên cứu xác định các yêu cầu kỹ thuật đối với dữ liệu trắc địa, hải văn bảo đảm định vị dẫn đường cho tàu ngầm trong vùng biển Việt Nam” của tiến sĩ Khương Văn Long đã ước tính được các tham số về sai số hướng đi, khoảng cách, vận tốc, thời gian.

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

- Đối với dẫn đường theo phương pháp quán tính, yêu cầu công tác dẫn hướng và xác định khoảng cách phải đạt tiêu chuẩn sau [17]:

Sai số trung phương của hướng đi: Mht ≤ ±6,8<small>’</small> (1.1) Sai số trung phương với khoảng cách 1km: MS(t;t+1) ≤ ±109 m (1.2) - Đối với dẫn đường bằng phương pháp thủy âm, yêu cầu độ chính xác xác định thời gian và vận tốc phải đạt [17]:

Sai số trung phương của thời gian: Mt ≤ 0,0034 s (1.3) Sai số trung phương của vận tốc: MV ≤ 2,57 m/s (1.4) Như vậy, các yếu tố nhiệt độ, độ muối và áp suất không ảnh hưởng trực tiếp đến công tác dẫn đường bằng định vị qn tính; song nó có ảnh hưởng rất đáng kể đến định vị thủy âm, bởi vì định vị thủy âm sẽ liên quan trực tiếp đến vận tốc âm.

Do đó, nghiên cứu sinh chỉ ước tính độ chính xác của việc đo nhiệt độ, độ muối và áp suất đến độ chính xác xác định vận tốc âm.

Từ công thức thực nghiệm của Wilson:

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<i>ở đây, nhiệt độ T(<small>o</small>C), độ muối S (‰), độ sâu D(m) và tốc độ âm c(m/s).</i>

Phương trình trên áp dụng với 0<small>o</small>C ≤ T ≤ 35<small>o</small>C; 0‰ ≤ S ≤ 45‰ và 0m ≤ D ≤ 1000m. Vi phân công thức trên theo các đối số là nhiệt độ, độ muối và đô sâu ta được:

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

m<small>2</small>D = m<small>2</small>c/30,55 ( mc=2,4m) (1.11)

Từ các kết quả ước tính trên, nghiên cứu sinh xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật cho công tác xác định các yếu tố hải văn phục vụ dẫn đường cho tàu ngầm trong vùng Biển Đông của Việt Nam như bảng 1.2, có thể ước tính giải pháp định vị dẫn đường cho tàu ngầm bằng phương pháp sử dụng tiêu thủy âm.

Bảng 1. 2 Yêu cầu kỹ thuật yếu tố hải văn với phương pháp định vị thủy âm

1 <sup>Xử lý dữ liệu cần </sup> được cập nhật

Dữ liệu đo đạc các yếu tố hải dương được kiểm tra, xử lý và loại bỏ các sai số bằng các phần mềm như Datalog Express, Microsoft Excel, … Xuất các tệp dữ liệu theo định dạng *.csv và cập nhật vào hệ thống cơ sở dữ liệu

trên máy chủ.

2 Đánh giá sai số

Đối với các file dữ liệu đã được xử lý; trước khi cập nhật đều được đối chiếu với CSDL gốc có vị trí và thời điểm gần trùng nhất với file dữ liệu cập nhật tương ứng để tiến hành đánh giá theo giá trị sai số trung phương các trạm đo. Sai số trung phương lớn nhất của các yếu tố vận tốc âm, nhiệt độ và độ muối tại các trạm đo so

- Đối với tầng nước lớn hơn 75 m đến nhỏ hơn hoặc bằng 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 3,5 m.

- Đối với tầng nước lớn hơn 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 7m.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

<b>TTCHỈ TIÊUYÊU CẦU</b>

4 Nhiệt độ

- Đối với tầng nước nhỏ hơn hoặc bằng 75 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 3<small>0</small>C.

- Đối với tầng nước lớn hơn 75 m đến nhỏ hơn hoặc bằng 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 2<small>0</small>C.

- Đối với tầng nước lớn hơn 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 1 <small>0</small>C.

5 Độ muối

- Đối với tầng nước nhỏ hơn hoặc bằng 75 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 1 ‰.

- Đối với tầng nước lớn hơn 75 m đến nhỏ hơn hoặc bằng 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 0,7 ‰.

- Đối với tầng nước lớn hơn 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 ‰.

6 Vận tốc âm

- Đối với tầng nước nhỏ hơn hoặc bằng 75 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 10 m/s.

- Đối với tầng nước từ lớn hơn 75 m đến nhỏ hơn hoặc bằng 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 5 m/s.

- Đối với tầng nước lớn hơn 150 m: sai số nhỏ hơn hoặc bằng 2,5 m/s.

<b>1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển trên thế giới</b>

Chủ đề xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển được các tác giả tiến hành nghiên cứu với nhiều hướng khác nhau. Tác giả [72] đã giới thiệu tổng quát về công nghệ thu nhận dữ liệu, một số quy ước quốc tế cũng như công nghệ sử dụng để xây dựng và hiển thị bản đồ địa hình đáy biển.

Nhược điểm của phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia đó là giới hạn về độ sâu, độ phân giải không gian không cao … dẫn đến độ chính xác của mơ hình nhận được khi xây dựng dựa trên dữ liệu loại này thấp. Tác giả [43] đã nghiên cứu các phương pháp nội suy để xây dựng mơ hình 3D từ dữ liệu đo sâu đơn tia. Trong nghiên cứu này, đã sử dụng 15 thuật tốn nội suy khác nhau. Q trình thực nghiệm được tiến hành trên cơ sở

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

sử dụng ArcGIS 10.3 và phần mở rộng Geostatistical Analyst của ESRI. Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm cơ sở xuyên tâm và kriging chứng tỏ là phương pháp nội suy tốt nhất cho tập dữ liệu được xem xét. Seda Karadeniz Kartal và cộng sự [69] đã phát triển cấu hình của phương tiện nổi để thành lập bản đồ địa hình đáy biển sử dụng phương pháp đo sâu đơn tia với chi phí thấp. Trong nghiên cứu này, các góc dốc dưới đáy biển là thơng tin có hiệu quả trong việc thay đổi dữ liệu độ sâu, đã được ước tính và hiệu chỉnh liên quan đến các góc ước tính trong một khu vực được lập bản đồ cụ thể để lập bản đồ dưới nước chính xác hơn. Kết quả thực nghiệm cho thấy, bản đồ địa hình đáy biển đã lập được có độ chính xác cao hơn so với đo sâu đơn tia truyền thống trước đó.

Thiết bị thủy âm quét sườn đa tia với ưu điểm là cung cấp dữ liệu cho phép định vị rõ ràng và hiển thị hình ảnh 3D của các mục tiêu khác nhau bao gồm cả xác tàu, mìn và các vật thể chìm dưới nước khác. Các tác giả [36] đã nghiên cứu giải pháp xử lý dữ liệu thu nhận được từ thiết bị thủy âm quét sườn đa tia để tái tạo hình ảnh 3D địa hình đáy biển. Nghiên cứu này đã đề xuất hai phương pháp tiếp cận mới bao gồm: (1) Sử dụng các mơ hình tán xạ ngược chính xác hơn, bao gồm sự khác biệt về dấu hiệu của một số loại đối tượng và (2) dựa trên định nghĩa và nghiên cứu một số mô tả định lượng của các đặc điểm hình học dự kiến sẽ được tìm thấy trong hình ảnh của các vật thể cục bộ có nguồn gốc nhân tạo. Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ tính ưu việt của các thuật toán mà tác giả đã đề xuất.

Trên cơ sở dữ liệu đo sâu đa tia, các tác giả [74] đã đề xuất phương pháp thành lập địa hình đáy biển bằng hình thái địa hình và nhận dạng mẫu. Đầu tiên, thuật tốn biến đổi sóng rời rạc hai chiều (DWT) và ngưỡng tự thích ứng được áp dụng để trích xuất các điểm đặc trưng địa hình đáy biển từ DDM. Sau đó, phương pháp lập bản đồ và phân loại phần tử địa hình tự thích ứng được triển khai dựa trên nhận dạng mẫu. Phương pháp này được áp dụng trên dữ liệu đo độ sâu đa tia được thu thập ở giữa Biển Đông và tự động tạo ra bản đồ phân loại đáy biển với độ chính xác tổng thể là 98,3% và Kappa là 97,6%.

Các tác giả [79] đã nghiên cứu sâu về xử lý tín hiệu điện từ thu nhận được của các thiết bị đo sâu với phương pháp mơ hình hóa phần tử hữu hạn thích ứng. Trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

những thập kỷ qua, phương pháp CSEM biển đã đóng một vai trị quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc điện của lớp phủ trên và lớp vỏ đại dương. Phương pháp CSEM biển cũng đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc mơ tả đặc điểm hydrat dầu và khí trong trầm tích nơng sử dụng tần số cao (> 10 Hz) và phạm vi ngắn. Dữ liệu CSEM biển bị ảnh hưởng mạnh bởi phép đo độ sâu cần được mơ phỏng chính xác để tránh hiểu sai các bộ dữ liệu CSEM biển. Do đó, việc cải thiện độ chính xác của các cơng cụ giải thích cho bộ dữ liệu CSEM hàng hải là rất quan trọng [79]. Nhóm nghiên cứu đã triển khai thuật tốn sàng lọc lưới thích ứng theo cơng cụ ước tính lỗi hậu nghiệm dựa trên toán tử phục hồi độ dốc của điện thế EM thứ cấp. Để tăng chất lượng của lưới tại các vị trí máy thu, các phần tử chứa vị trí máy thu bị hạn chế bằng cách gán cho chúng một khối lượng tối đa cho lưới ban đầu. Lưới tứ diện khơng có cấu trúc được sử dụng trong phương pháp mà các tác giả đề xuất có thể cung cấp mơ tả chính xác về các cấu trúc phức tạp như các lớp nhúng và địa hình gồ ghề khơng được trang bị chính xác bằng lưới có cấu trúc. Mơ hình đo độ sâu cho thấy thuật toán rất phù hợp để xử lý địa hình đáy biển phức tạp, cần được mơ phỏng chính xác để tránh hiểu sai về bộ dữ liệu CSEM biển.

Sử dụng mơ hình DEM địa hình đáy biển, các tác giả [58] đã xây dựng mơ hình 3D hình thái địa hình của Bắc Băng Dương. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phát triển một hệ thống cho phép cung cấp khả năng lưu trữ DEM lớn cho đáy đại dương; dẫn xuất các mơ hình hình thái học từ DEM; trực quan hóa đa chiều 3D tương tác của các mơ hình thu được; và truy cập miễn phí thơng tin này qua Internet, với khả năng hiển thị trực tuyến thời gian thực 3D. Đây là một công cụ thông tin trực tuyến tương tác mới được tạo ra để hỗ trợ các nghiên cứu thủy văn, địa mạo biển, địa chất, địa vật lý và đại dương học của Vùng Bắc Cực, đặc biệt là để xác định giới hạn bên ngoài của thềm lục địa Nga ở Bắc Cực.

Đối với các vùng nước nơng, vùng nước có độ đục thấp thì sử dụng ảnh viễn thám để xác định độ sâu có ý nghĩa lớn vì đây là loại dữ liệu được thu nhận trên phạm vi rộng và sẵn có. Các tác giả [70] đã phát triển và thử nghiệm một phương pháp tự động tính chu kỳ sóng đối với sóng trương nở trong ảnh SAR để xác định độ sâu. Kết quả

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

thực nghiệm cho thấy, sử dụng dữ liệu chu kỳ sóng cực đại thu được bởi vệ tinh TerraSAR-X là 11,3 giây rất phù hợp với dữ liệu đo sâu trực tiếp cho khu vực thực nghiệm tại quần đảo Channel. Các tác giả [34] đã đánh giá cơng nghệ hiện có và lịch sử của việc lập bản đồ độ sâu và hồ sơ độ sâu LiDAR dưới nước để xác định các cơ hội tiềm năng cho sự phát triển trong tương lai. Tác giả [53] đã sử dụng dữ liệu của vệ tinh WorldView-2 và dữ liệu thu được của UAV trong cùng thời điểm để đánh giá về khả năng cũng như độ chính xác của dữ liệu thu được từ UAV để thành lập bản đồ địa hình đáy biển. Khu vực nghiên cứu có diện tích khoảng 0,5 km<small>2</small> và nằm ở Tuscany (Ý). Kết quả thực nghiệm cho thấy, độ sâu thu được từ UAV cho phép đạt được độ chính xác khoảng 20 cm khi lập bản đồ độ sâu ở vùng nước nơng, giảm thiểu chi phí vận hành và mang lại khả năng lập trình hoạt động khảo sát giám sát ven biển.

Tác giả [48] đã công bố nghiên cứu về phương pháp đo độ sâu hoàn toàn mới đã bắt đầu với việc sử dụng Máy đo tiếng vang Multibeam (MB) và phần mềm thủy văn hiện đại. Các công cụ phần mềm để xử lý và phân tích độ sâu và gần đây là mơ tả đặc điểm đáy biển từ tán xạ ngược đều có sẵn trong phần lớn các hệ thống sonar hiện đại. Bên cạnh dữ liệu đo độ sâu và sóng siêu âm, MB hiện đại có thể tạo ra hình ảnh cột nước. Những công nghệ thủy văn này mang lại khả năng đạt được địa hình đáy biển ở mức độ cao.

Một nghiên cứu hoàn toàn khác về lập bản đồ địa hình đáy biển sử dụng phương pháp địa chất-trọng lực thích ứng đã được trình bày trong [68]. Một dạng lưới thích ứng của phương pháp trọng lực-địa chất, được gọi là Phương pháp địa chất-trọng lực cải tiến (iGGM), đã được triển khai trên các dị thường trọng lực trong khơng khí tự do và độ sâu tàu thuyền để thu được mơ hình độ sâu 1′ × 1′ cải tiến của Vịnh Guinea ( 15°T–5°Đ, 4°N–4°B). Độ tương phản mật độ tối ưu 8000 kg/m3 đã được sử dụng cho toàn bộ khu vực. Mơ hình iGGM được so sánh tốt với các mô hình NGDC, ETOPO1 và SIO; với độ lệch chuẩn và hệ số tương quan chênh lệch lần lượt là 180,20 m, 0,9248, 184,34 m, 0,9551 và 179,84 m, 0,8886. Kết quả cho thấy, so với các khu vực miền núi, độ chính xác đảo ngược cao hơn (độ lệch chuẩn của chênh lệch thử nghiệm nhỏ hơn 50 m) có thể đạt được ở vùng trũng sử dụng độ sâu tàu ít hơn. Với 75% độ sâu tàu được sử dụng cho

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

toàn bộ mơ hình, độ lệch chuẩn của chênh lệch giữa iGGM và độ sâu tàu tại các điểm thử nghiệm là 184,74 m. Tác giả [65] đã sử dụng phép lọc Kalman mở rộng (EKF) để thành lập bản đồ địa hình đáy biển sử dụng dữ liệu trọng lực mà không cần đến thông tin điều hướng tàu. Trong nghiên cứu của mình, các tác giả đã tích hợp các tốn tử Newton phi tuyến tính với khoảng cách hướng tâm và góc (và các đạo hàm bậc thấp của nó) cho phép q trình ước tính tăng tốc và chỉ cần một vài lần lặp, thay vì tính tổng chuỗi đa thức Legendre hoặc sử dụng phân tách 2D-FFT giảm nhiễu. Cách tiếp cận này có thể nâng cao kiến thức về địa hình đáy biển ở những khu vực có ít hoặc khơng có dữ liệu đo sâu hồi âm trực tiếp.

Đo đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển là một cơng việc tốn kém cả về thời gian và kinh tế, đôi khi không thể thực hiện hết được trên một phạm vi rộng lớn. Tác giả

[63] đã thành lập bản đồ địa hình đáy biển dựa trên các sản phẩm đã có. Đầu tiên, các tác giả tiến hành phân tích tính đồng nhất của địa hình đáy biển trên các mơ hình và tính trọng số cho dữ liệu của từng mơ hình cụ thể. Kết quả dữ liệu độ sâu sau đó được làm mịn để được mơ hình địa hình đáy biển cuối cùng với độ chính xác 99,6 m. Độ chính xác của mơ hình nhận được được cải thiện cao nhất lên tới 40% so với mơ hình ngun thủy được sử dụng ban đầu.

Các tác giả [63] đã dựa vào công nghệ phân chia mức độ thông tin (LOD) để mơ phỏng 3D địa hình đáy biển. Các phương pháp mơ phỏng 3D thơng thường trước đó địi hỏi rất nhiều tài nguyên máy tính khi phân tích trực quan DEM bên cạnh một số nhược điểm khác. Nghiên cứu này đề xuất một thuật toán phân chia địa hình hiệu quả dựa trên OpenGL và Visual C++. Hệ thống mô phỏng 3D được phát triển dựa trên công nghệ LOD phụ thuộc vào chế độ xem, kết hợp với quản lý dữ liệu hiệu quả. Hệ thống này hiện thực hóa các cảnh chuyển vùng theo thời gian thực và phân tích khơng gian tương tác của địa hình đáy biển rộng lớn, đồng thời cung cấp nền tảng hiệu quả để lập bản đồ địa hình đại dương và hiển thị ba chiều địa hình đáy biển. Hơn nữa, hiệu quả lập bản đồ địa hình đáy biển và việc sử dụng dữ liệu DEM đều được cải thiện.

Tianyun Su [40] và nhiều người khác đã nghiên cứu nền tảng mơ hình hóa và hiển thị 3D cho đáy biển. Kết quả của nghiên cứu này đó là xây dựng được một 'thế giới

</div>