Tóm tắt: 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 (1.33 MB, 27 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 MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO </b>

<b>Ngành: Kỹ thuật trắc địa- bản đồ Mã số: 9520503 </b>

<b>TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA- BẢN ĐỒ </b>

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

<b> Cơng trình được hồn thành tại Bộ mơn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất </b>

Người hướng dẫn khoa học:

<b>1. PGS.TS. Dương Vân Phong 2. TS. Dương Thành Trung </b>

Phản biện 1: GS.TS Võ Chí Mỹ

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Sáng

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Trường Xuân

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp trường, họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, Thành phố Hà Nội vào hồi …giờ, ngày … tháng … năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại:

<b>Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất </b>

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

<b>MỞ ĐẦU 1. 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 giao 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 nước ta. Lực lượng Hải quân, mà trong đó có lực lượng tàu ngầm đóng vai trị là lực lượng nòng cốt trong thực hiện nhiệm vụ bảo vệ vững chắc chủ quyền quốc gia trên biển. Vì vậy, yêu cầu cần thiết là phải phát huy hết sức mạnh của lực lượng này cả trong chiến đấu và huấn luyện sẵn sàng chiến đấu. Cần đảm bảo dữ liệu chiến trường, dữ liệu mơ hình 3D địa hình riêng, phục vụ cho hoạt động tác chiến trên biển với độ chính xác và chi tiết cao, tương ứng với từng loại nhiệm vụ.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học cơng nghệ, mơ hình 3D trở lên phổ biến trong nước và trên thế giới. Nhiều các cơ quan, đơn vị trong và ngoài quân đội đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng mơ hình 3D cho các nhiệm vụ khác nhau, mang lại hiệu quả lớn cả về kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, chưa có các giải pháp cho các hoạt động đặc thù của tàu ngầm, nhất là với mô hình 3D địa hình đáy biển.

<i>Do vậy đề tài “Nghiên cứu 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” rất cấp thiết. </i>

<b>2. Mục tiêu nghiên cứu </b>

Mục tiêu của luận án là thiết lập cơ sở khoa học xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm trên vùng

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

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>

Đối tượng nghiên cứu: 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.

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm Việt Nam, xây dựng mơ 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; phương pháp phân tích, tổng hợp; phương pháp so sánh; phương pháp tin học; phương pháp mơ hình hóa; phương pháp thực nghiệm.

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 mô tả chân thực nhất bề mặt thực địa hình đáy biển.

<b>Luận điểm 2: Phương pháp phân loại trầm tích từ các nguồn dữ liệu </b>

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 tốn xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển phục vụ cho hoạt động của tàu ngầm: Phương pháp tối ưu hóa

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

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>

Góp phần bổ sung cơ sở khoa học về xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển.

Xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển với độ chính xác cao, sát với bề mặt thực và thể hiện một cách trực quan nhất, phục vụ cho nhiệm vụ tác chiến của tàu ngầm như huấn luyện, diễn tập sẵn sàng chiến đấu, …đạt hiệu quả cao.

Luận án sử dụng 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 chương và minh họa bởi 18 bảng biểu, 108 hình vẽ và đồ thị, 13 phụ lục số liệu tính tốn, 8 cơng trình nghiên cứu đã công bố và danh mục 87 tài liệu tham khảo.

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN 1.1 Mơ hình 3D địa hình đáy biển </b>

Mơ hình 3D địa hình là một kỹ thuật đồ họa máy tính hiện đại, mang lại khả năng biểu diễn không gian ba chiều của bề mặt đất với độ chính xác và chi tiết cao, tạo ra mơ hình chân thực, phản ánh đúng về đặc điểm

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

vật lý và địa hình của một khu vực cụ thể. 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 mơi trường xung quanh.

Tàu ngầm đóng vai trị là một lực lượng quan trọng của hải quân, góp phần răn đe chiến lược bằng cách hiện diện hoặc tàng hình dưới bề mặt đại dương một cách bất ngờ, nhanh chóng. Tàu ngầm lớp Kilo 636 của Việt Nam là phiên bản nâng cấp của các tàu ngầm lớp Kilo ban đầu, kết hợp các cải tiến về tính năng tàng hình âm thanh, khả năng dẫn đường và vũ khí hoả lực tân tiến.

Công tác đo đạc khảo sát thành lập bản đồ địa hình đáy biển được thực hiện nhằm bảo đảm an toàn hàng hải cũng như các hoạt động khác của các phương tiện nổi cũng như các phương tiện ngầm. Tùy thuộc nhiệm vụ khảo sát đo đạc phục vụ cho các phương tiện của Hải quân mà áp dụng thêm các tiêu chuẩn khác nhau. Việc phân loại yêu cầu và mức độ khảo sát địa hình đáy biển dựa trên các yếu tố sau đây: Mức độ yêu cầu cho các nhiệm vụ cụ thể (như huấn luyện, đợi cơ, và hành trình), Mức độ quan trọng của 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 yêu cầu liên quan đến độ chính xác của việc xác định tọa độ và độ sâu, yêu cầu về độ bao phủ tối thiểu của mặt đáy, cũng như các yêu cầu về phương pháp và thiết bị đo.

<b>1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển, phân loại trầm tích bề mặt đáy biển trên thế giới và tại Việt Nam </b>

Trên thế giới, có nhiều cơng trình nghiên cứu đã ứng dụng các phương pháp khác nhau trong xây dựng mơ hình 3D nói chung, cũng

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

như ứng dụng 3D trong dẫn đường cho hàng hải mặt nước. Tuy nhiên, các cơng trình nghiên cứu đi sâu vào kỹ thuật xây dựng lưới, tạo bề mặt mơ hình, nâng cao tính trực quan của mơ hình, cũng như phục vụ cho dẫn đường của tàu ngầm. Các công trình nghiên cứu hiện nay chỉ trong khu vực nhỏ mang tính chất nghiên cứu, cịn các cơng trình phục vụ cho tàu ngầm là các tài liệu có độ mật cao nên rất khó tiếp cận.

Đối với phân loại trầm tích đáy biển, các nước có ngành thủy đạc tiên tiến đã ứng dụng hiệu quả việc phân loại trầm tích mặt đáy biển từ dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia và ảnh qt sườn. Tuy nhiên, rất ít cơng trình ứng dụng kết quả phân loại được để nâng cao tính trực quan hóa cho mơ hình 3D địa hình đáy biển.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về xây dựng mơ hình 3D địa hình diễn ra cũng hết sức phong phú theo các hướng như sử dụng dữ liệu thu được từ các công nghệ thu nhận dữ liệu khác nhau, nghiên cứu nâng cao độ chính xác của mơ hình 3D, nghiên cứu các giải pháp công nghệ để xây dựng và hiển thị mơ hình 3D. Tuy nhiên, vấn đề xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển, sử dụng công nghệ thủy âm quét sườn nhận dạng các đối tượng phục vụ xây dựng mơ hình 3D, công nghệ cũng như kỹ thuật, giải pháp xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển cịn ít hoặc chưa được đề cập tới.

Việc sử dụng dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia và ảnh quét sườn trong phân tích trầm tích bề mặt đáy biển chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cả trong quân đội và dân sự.

<b>1.5 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu </b>

Từ các kết quả tổng hợp, phân tích, có thể thấy, các nghiên cứu trên thế giới về xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển đã được triển khai khá sâu rộng, nhưng việc kết hợp với dữ liệu trầm tích để nâng cao tính trực quan mơ hình chưa hiệu quả. Ở Việt Nam, có rất ít cơng trình

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

nghiên cứu xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển và sử dụng dữ liệu thủy đạc để phân loại trầm tích. Luận án tiến hành nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề sau:

- Nghiên cứu, đề xuất các phương pháp tối ưu hoá lưới 3D trên cơ sở dữ liệu đo sâu đa tia để xây dựng mơ hình sát với bề mặt thực địa hình đáy biển.

- Nghiên cứu phương pháp thể hiện bề mặt đáy biển trực quan từ dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia và side scan sonar, kết hợp với thể hiện các đối tượng địa lý.

<b>CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN </b>

<b>2.1 Lựa chọn cơ sở tốn học trong thành lập mơ hình 3D địa hình đáy biển </b>

Trong xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển, sử dụng hệ tọa độ vng góc phẳng để biểu diễn các yếu tố. Do đặc thù của các thiết bị công nghệ, đặc điểm tác chiến trên biển của Hải quân, hệ tọa độ được lựa chọn sử dụng trên biển là hệ tọa độ WGS-84. Lựa chọn sử dụng phép chiếu Mercator trong thu thập dữ liệu địa hình đáy biển để đảm bảo tính chất giữ hướng, hệ độ sâu là mặt nước biển thấp nhất khu vực để đảm bảo an toàn các hoạt động hàng hải.

<b>2.2 Các phương pháp thu thập dữ liệu địa hình đáy biển </b>

Cơng tác thu thập dữ liệu địa hình đáy biển hiện đang sử dụng các phương pháp phổ biến sau: sử dụng nguồn dữ liệu có sẵn; đo sâu trực tiếp dùng đo sào, đo rọi; đo sâu đơn tia; đo sâu đa tia; quét sườn; Lidar; công nghệ đo sâu vệ tinh; công nghệ dị thường trọng lực…Trong đó, đo sâu đa tia và quét sườn là hai phương pháp thu thập dữ liệu địa hình phổ biến ở nước ta.

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

<b>2.3 Yêu cầu về dữ liệu sử dụng để thành lập mơ hình 3D địa hình đáy biển </b>

2.3.1 Một số đặc điểm thu thập dữ liệu độ sâu của máy đo sâu đa tia Mật độ độ sâu ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mơ hình số địa hình đáy biển được thành lập. Các phương pháp thu nhận dữ liệu địa hình khác nhau cho kết quả về mật độ điểm độ sâu khác nhau. Trong đó, phương pháp đo sâu hồi âm đa tia hiện là một trong những phương pháp thu nhận dữ liệu với mật độ điểm cao nhất hiện nay.

2.3.2 Mức độ chi tiết của điểm đo sâu trong thành lập mô hình 3D Dữ liệu thu thập từ hệ thống đo sâu đa tia với mật độ dày, đảm bảo tốt cho việc thành lập mơ hình số địa hình đáy biển. Điểm độ sâu sau thu thập sẽ được xử lý và loại bỏ nếu sai, do vậy sẽ có mật độ thấp hơn tương đối so với điều kiện lý tưởng. Ngoài ra, trong trường hợp dữ thu thập địa hình đáy biển bằng các phương pháp khác như đo đơn tia, mật độ thấp thì cần phải sử dụng đến phương pháp nội suy để tăng mật độ điểm; hoặc trong trường hợp cần tính khái qt địa hình, với mật độ số liệu điểm q dày, việc tính tốn xây dựng mơ hình sẽ gặp khó khăn, thì cần phải làm thưa dữ liệu. Sau khi đánh giá mật độ thu thập của nhiều hệ thống đo sâu, luận án đề xuất yêu cầu về mật độ điểm độ sâu trước khi đưa vào thành lập mơ hình 3D địa hình như bảng dưới đây:

<i>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 </i>

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

2.3.3 Đặc điểm về hình ảnh của máy thủy âm quét sườn

Việc thu thập hình ảnh Sonar quét sườn cần phải xác định được 2 tham số quan trọng nhất là: dải quét (range) và độ phân dải (resolution). Độ phân giải sẽ xác định mức độ chi tiết của ảnh quét, nó được phân làm 2 loại: độ phân giải theo phương dọc (along-track), độ phân giải theo phương ngang (across-track) và độ phân giải tán xạ ngược. Dải quét sẽ xác định phạm vi khảo sát, nó phụ thuộc và tần số hoạt động của thiết bị. Tần số càng cao thì phạm vi quét phủ càng nhỏ và ngược lại. 2.3.4 Yêu cầu thể hiện các đối tượng địa lý trên mơ hình số

Cũng như tác chiến trên đất liền, tàu ngầm khi triển khai các hoạt động dưới đáy biển cần phải nắm chắc thông tin của các đối tượng địa lý như: các dải đá, san hơ, động thực vật, các cơng trình ngầm dưới đáy biển. Tất cả các đối tượng địa lý cần thể hiện được đầy đủ thông tin về hình dáng, tính chất,.. trên mơ hình số.

<b>2.4 Phương pháp xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển </b>

2.4.1 Một số thuật toán nội suy

Một số thuật toán nội suy phổ biến như nghịch đảo khoảng cách có trọng số, nội suy xuyên tâm, nội suy đa thức toàn cầu, nội suy đa thức cục bộ, Kriging, Cubic Spline…Qua nghiên cứu, luận án lựa chọn 2 thuật toán nội suy: nghịch đảo khoảng cách có trọng số (IDW) và Cubic Spline để xây dựng mơ hình 3D địa hình đáy biển. Nội suy nghịch đảo khoảng cách có trọng số là phép nội suy rời rạc, thường

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

được áp dụng cho dữ liệu tại các khu vực có phạm vi rộng lớn, tính biến đổi cao, như dữ liệu địa hình đáy biển. Cubic Spline là phép nội suy theo xu thế, được sử dụng để xây dựng đường cong mượt mà và liên tục thông qua một tập hợp các điểm dữ liệu đã biết, biểu diễn được tính chất tự nhiên nhất của dáng địa hình đáy biển nhất.

2.4.2 Phương pháp xây dựng mơ hình 3D bằng lưới đa độ phân giải Phương pháp xây dựng lưới đa độ phân giải nhằm mục đích tối ưu dữ liệu đầu vào, tập trung thể hiện chi tiết địa hình ở những khu vực nơng, địa hình dốc, chia cắt nhiều, và thể hiện khái quát ở những khu vực sâu hơn, địa hình bằng phẳng hơn, nhằm đạt được sự tối ưu mà vẫn đảm bảo độ chính xác trong tính tốn xây dựng mơ hình. Quy trình tối ưu hóa mơ hình 3D trong trường hợp này trải qua các bước như sau:

1. Phân vùng cho dữ liệu đầu vào theo mức độ phức tạp của địa hình, theo độ dốc hoặc theo độ sâu.

2. Xây dựng lưới ô vuông tại mỗi vùng. Giá trị của kích thước ơ

<i>Hình 2. 25 Xây dựng lưới grid tại mỗi vùng phụ thuộc vào độ sâu </i>

3. Nội suy độ sâu cho các điểm mắt lưới. Sử dụng thuật toán nộ suy nghịch đảo khoảng cách để nội suy các điểm mắt lưới.

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

4. Xây dựng cấu trúc lưới đa độ phân giải và bề mặt của mơ hình

* Những ưu điểm của lưới 3D đa độ phân giải: Mơ hình liên tục và tốt hơn với các mật độ dữ liệu khác nhau, quy trình xây dựng hiệu quả và quản lý dữ liệu dễ dàng hơn, giá trị độ cao tại các nút lưới có độ chính xác cao hơn so với lưới ô vuông đều.

2.4.3 Phương pháp xây dựng mơ hình 3D bằng lưới tứ giác khơng gian với các cạnh là đường cong tham số

Mô hình tứ giác khơng gian là mơ hình thể hiện được dáng địa hình đáy biển chân thực nhất do đặc tính bề mặt cong và trơn liên tục. Để xây dựng mơ hình tứ giác khơng gian cần thực hiện theo quy trình sau:

1. Xác định tuyến tàu di chuyển trên nền độ sâu

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

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

<i>Hình 2. 31 Xác định các vùng lựa chọn điểm gần tuyến tàu đi </i>

<i>Hình 2. 33 Xác định các tuyến liền kề tuyến tàu đi </i>

3. Xây dựng đường cong cubic-spline đi qua tập điểm tuyến liền kề.

<i>Hình 2. 35 Các đường cong cubic-spline đi qua các điểm tuyến liền kề </i>

4. Xác định các mặt vng góc với tuyến hành trình, cắt các đường cong tham số tại các vị trí mới

5. Xây dựng lưới tứ giác cong và mặt cong tham số

</div>