Toàn văn Nghiên cứu kết hợp công nghệ GPS và thủy âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn phục vụ thiết kế các công trình ven biển

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

PHẠM VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP CÔNG NGHỆ GPS VÀ THỦY ÂM
TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN TỶ LỆ LỚN
PHỤC VỤ THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2017


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

PHẠM VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP CÔNG NGHỆ GPS VÀ THỦY ÂM
TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN TỶ LỆ LỚN
PHỤC VỤ THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH VEN BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ
MÃ SỐ : 62.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. TRẦN VIẾT TUẤN
2. PGS.TS. NGUYỄN QUANG THẮNG

HÀ NỘI – 2017


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết
quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là chính xác, trung thực, khách
quan và chưa từng được công bố trong công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 10 tháng 02 năm 2017
Tác giả luận án

Phạm Văn Quang


iv

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ v
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Chương 1-TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ
ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ KHẢO SÁT THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH

8

VEN BIỂN..............................................................................................................
1.1. Các dạng công trình xây dựng ven biển .......................................................... 8
1.2. Khái quát về công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế công trình

11

ven biển...................................................................................................................
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng công nghệ GPS và
máy đo sâu hồi âm trong khảo sát thiết kế các công trình ven biển ....................... 14
Chương 2- YÊU CẦU KỸ THUẬT THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY
BIỂN VEN BỜ TỶ LỆ LỚN.................................................................................. 18
2.1. Nội dung công tác thành lập BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn................................ 18
2.2. Một số quy định về yêu cầu độ chính xác thành lập BĐĐHĐB...................... 22
2.3. Xây dựng luận cứ khoa học xác định yêu cầu độ chính xác của BĐĐHĐB
ven bờ tỷ lệ lớn ở Việt Nam ................................................................................... 30
Chương 3 - NGHIÊN CỨU KẾT HỢP CÔNG NGHỆ GPS VÀ THỦY ÂM
TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN TỶ LỆ LỚN ....................... 41
3.1. Hệ thống định vị GPS trên biển....................................................................... 41
3.2. Ứng dụng máy đo sâu hồi âm trong đo vẽ thành lập BĐĐHĐB..................... 53
3.3. Phần mềm thường dùng trong đo sâu ở Việt Nam .......................................... 72
3.4. Nghiên cứu giải pháp kết nối hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm ............... 76
3.5. Nghiên cứu phương pháp kiểm định hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm .... 86
Chương 4 - NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO CAO GPS
TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN VEN BỜ TỶ LỆ LỚN......... 94
4.1. Khái niệm về thủy triều ven bờ ....................................................................... 94


v

4.2. Công tác quan trắc thủy triều phục vụ thành lập BĐĐHĐB ven bờ ............... 97
4.3 . Công tác thành lập BĐĐHĐB ven bờ khi sử dụng kết quả đo thủy triều ...... 101
4.4. Ứng dụng công nghệ đo cao GPS - RTK trong đo sâu để thay thế số hiệu
chỉnh thủy triều ....................................................................................................... 105
4.5. Giải pháp thu tín hiệu GPS - RTK trên tầu đo................................................. 108
4.6. Quy trình thành lập BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn .............................................. 110
Chương 5 . PHẦN THỰC NGHIỆM ..................................................................... 119
5.1. Thực nghiệm khảo sát độ chính xác định vị mặt bằng của thiết bị thu GPS... 119
5.2.Thực nghiệm kết nối hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm.............................. 121
5.3. Thực nghiệm ứng dụng công nghệ đo cao GPS-RTK trong đo sâu để thay
thế số hiệu chỉnh thủy triều..................................................................................... 129
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 135
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................... 136
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 137
PHẦN PHỤ LỤC ................................................................................................... 141
PHỤ LỤC 1: Kết quả tính độ cao đáy biển theo kết quả quan trắc thủy triều ....... 142
PHỤ LỤC 2: Bảng so sánh kết quả tính độ cao đáy biển theo hai phương pháp:
quan trắc thủy triều và đo bằng phương pháp RTK ............................................... 145
PHỤ LỤC 3: Bảng số liệu mực nước đỉnh và chân triều tại Trạm Hải văn
Vũng Tàu ................................................................................................................ 150


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Thứ tự

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

1

BĐĐHĐB

2

IHO

3

MBES

Multibeam Echosounder

4

USACE

US Army Corps Engineers

5

LINZ

Land Information New Zealand

6

GPS

Global Positioning System

7

DGPS

8

WGS-84

World Geodetic System-1984

9

Gc-DGPS

Global corrected-DGPS

10

LiDAR

11

RTK

Real Time Kinematic

12

PPK

Post processing Kinematic

13

SSTP

Bản đồ địa hình đáy biển
International Hydrographic Organization

Differential Global positioning system

Light Detecting and Ranging

Sai số trung phương


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Một số chỉ tiêu độ chính xác định vị trên biển

11

1.2

Khoảng cách giữa các điểm đo sâu

12

2.1

Quy phạm S-44 của tổ chức thủy đạc quốc tế IHO

23

2.2

Yêu cầu kỹ thuật của USACE

25

2.3

Quy phạm đo sâu của LINZ

26

2.4

Quy phạm đo sâu MBES của LINZ

27

2.5

Quy phạm đo sâu của Hải quân nhân dân Việt Nam

29

2.6

Độ chính xác về vị trí mặt bằng của điểm đo sâu hiện có

30

2.7

Độ chính xác định vị trên biển của một số công nghệ đo GPS

31

2.8

Khoảng cách S với các loại BĐĐHĐB ven bờ tỷ lệ lớn

33

2.9

Sai số vị trí tầu theo từng tỷ lệ bản đồ

33

2.10

Thông số kỹ thuật một số hệ thống MBES

34

2.11

Kết quả xác định vận tốc chạy tầu với các độ sâu khác nhau

36

2.12

Độ chính xác về vị trí mặt bằng của điểm đo sâu

37

2.13

Độ chính xác yêu cầu của các điểm đo sâu

37

2.14

Độ chính xác yêu cầu đo sâu

40

3.1

Tần số sóng âm sử dụng tương ứng với độ sâu

71

3.2

Một số máy đa tia của hãng Simrad

71

3.3

Danh mục thiết bị kết nối

83

3.4

Quy trình đo chỉnh và tính toán (Patch test)

90

4.1

Khoảng cách giữa các tuyến chạy tầu đo bằng máy đơn tia

115

5.1

Kết quả đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav tại Vũng Áng

120

5.2

Kết quả đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav tại cảng Sihanouk Ville

120

5.3

Kết quả đo thực nghiệm thiết bị thu C-Nav tại cảng Dung Quất

121

5.4

Số liệu gốc để tính toán đo đạc thực nghiệm

130

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn 2 – Vũng Tàu

8

1.2

Tổ hợp các Turbine điện gió biển Bạc Liêu – Việt Nam

9

1.3

Cảng biển và đê chắn sóng cảng nước sâu Sơn Dương –

9

Hà Tĩnh
2.1

Nguyên lý máy đo sâu hồi âm

20

2.2

Phân loại máy đo sâu đơn tia và đa tia

22

2.3

Mối tương quan giữa tần xuất phát xung, độ sâu và góc kẹp

35

3.1

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp đo GPS - RTK

42

3.2

Sơ đồ nguyên lý định vị GPS vi phân

44

3.3

Sơ đồ trạm Beacon Control

47

3.4

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống OmniSTAR

48

3.5

Sơ đồ tầm hoạt động của hệ thống OmniSTAR-HP

49

3.6

Hình ảnh máy thu OmniSTAR-HP của FUGRU

50

3.7

Sơ đồ bố trí không gian của hệ thống Starfire

52

3.8

Nguyên lý đo đạc của máy đo sâu hồi âm

53

3.9

Hình ảnh hiển thị trên màn hình của máy đo sâu

54

3.10

Cách hiệu chỉnh mớn nước và cạnh đáy

55

3.11

Một số dạng lắp đặt bộ phát và thu tín hiệu

59

3.12

Hình ảnh một số bộ thu phát tín hiệu đang sử dụng

60

3.13

Hệ qui chiếu cục bộ của tàu khảo sát

61

3.14

Trạng thái của tàu khi đo

62

3.15

Tín hiệu âm thanh sử dụng trong các máy đo sâu hồi âm

64

3.16

Xác định khoảng cách thời gian lan truyền trong đo sâu đơn tia

64

3.17

Thuật toán xác định biên độ trong công nghệ đo sâu đa tia

65

ix

3.18

Thuật toán xác định pha trong công nghệ đo sâu

66

3.19a

Tia âm được phát từ hai mảng phụ

67

3.19b

Xác định thời gian từ hiệu pha

67

3.20

Quá trình xử lý theo thuật toán FFT

67

3.21

Chồng phủ trong hệ thống MBES

69

3.22

Bố trí góc tia quét bằng nhau

70

3.23

Bố trí khoảng cách tia quét bằng nhau

70

3.24

Giao diện chính của phần mềm QINSy

75

3.25

Qui ước các trục tọa độ X,Y,Z

76

3.26

Sơ đồ kết nối hệ thống đo sâu đơn tia hoặc đa tia

78

3.27

Sơ đồ kết nối máy đo sâu đơn tia

79

3.28

Màn hình hiển thị tình trạng kết nối

80

3.29

Menu kiểm nghiệm máy đo sâu đơn tia

81

3.30

Sơ đồ kết nối hình ảnh

82

3.31

Lắp đặt hoàn thiện

83

3.32

Lắp đặt trên giá

83

3.33

Sơ đồ phương pháp xác định độ lệch phương vị

84

3.34

Hệ tọa độ của tầu đo

84

3.35

Nhập vào phần mềm 7 tham số tính chuyển

85

3.36

Nhập vào phần mềm giá trị mớn nước của tầu đo

85

3.37

Mô đun tính các độ lệch Pitch, Roll, Heading của phần

86

mềm QINSy
3.38

Sơ đồ kiểm tra độ trễ định vị

87

3.39

Sơ đồ kiểm tra độ trễ định vị với địa vật

87

3.40

Sơ đồ kiểm tra độ lắc dọc

88

3.41

Sơ đồ kiểm tra độ lệch phương vị

89


x

3.42

Sơ đồ kiểm tra độ lắc dọc

90

4.1

Đồ thị biểu diễn số liệu quan trắc triều

100

4.2

Mối quan hệ giữa kết quả đo sâu và số liệu quan trắc thủy triều

102

4.3

Quan trắc thủy triều bằng thước đo mực nước biển

103

4.4

Quan trắc thủy triều bằng thiết bị đo triều kí

103

4.5

Đo vẽ BĐ ĐHĐB ven bờ bằng công nghệ GPS-RTK và

105

máy đo sâu hồi âm
4.6

Mô hình Geoid EGM 2008 khu vực ven biển Vũng Tàu

107

4.7

Kết nối phần mềm HcLoader với RoverGPS

109

4.8

Lựa chọn định dạng dữ liệu NMEA

109

4.9

Kết thúc thiết đặt chương trình

110

4.10

Quy trình công nghệ thành lập bản đồ địa hình đáy biển

111

4.11

Bố trí tuyến đo sâu tại cảng Phú Quốc

112

4.12

Bố trí tuyến đo sâu tại Cam Ranh – Khánh Hòa

113

4.13

Bố trí tuyến đo dạng tia

114

4.14

Bố trí tuyến tăng dày

114

4.15

Quan hệ giữa độ sâu và độ rộng dải quét

115

5.1

Đo đạc bằng hệ thống C-Nav tại Vũng Áng

119

5.2

Trạm Base đo RTK

122

5.3

Lắp đặt vị trí ăng ten không trùng cần phát triển

122

5.4

Lắp đặt vị trí ăng ten trùng cần phát triển

123

5.5

Lắp đặt hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm

123

5.6

Đo thực nghiệm máy đo sâu hồi âm đơn tia

124

5.7

Hình ảnh tầu đo sâu tại cảng Hải Phòng

124

5.8

Lắp đặt cần phát biến máy đo sâu trên tầu đo

125

5.9

Lắp đặt ăng ten định vị trên tầu đo

125


xi

5.10

Kiểm định hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm

125

5.11

Ghép nối máy thu GC-GPS với máy đa tia Sonic

126

5.12

Kết nối hệ thống GPS và máy đo sâu đa tia

126

5.13

Kết quả kiểm định độ lắc dọc của tầu đo sâu (Roll)

127

5.14

Kết quả kiểm định độ lắc ngang của tầu đo sâu (Pitch)

127

5.15

Kết quả kiểm định độ nâng hạ của tầu đo sâu (Heading)

128

5.16

Kiểm tra barcheck trước khi đo

128

5.17

Vị trí khu đo thực nghiệm

129

5.18

Trạm hải văn Vũng Tàu

130

5.19

Máy đo sâu đơn tia ECHOTRAC MKIII

131

5.20

Máy đo sâu R2SONIC -2024

131

5.21

Trạm Base số 2 tại điểm tuyến cáp tiếp bờ

132

5.22

Vị trí đặt ăng ten máy thu trên tầu

132

5.23

Định dạng file dữ liệu đo RTK

133


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Việt Nam có diện tích hơn 330000 km² bao gồm khoảng 327480 km²
đất liền và hơn 4200 km² biển nội thuỷ, với hơn 4000 hòn đảo, bãi đá ngầm
lớn nhỏ gần và xa bờ. Cả vùng nội thuỷ, lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và
thềm lục địa có diện tích gấp gần ba lần diện tích đất liền, khoảng trên một
triệu km²; 28 trong tổng số 64 tỉnh thành phố nước ta nằm ven biển, diện tích
các huyện ven biển chiếm 17% tổng diện tích và là nơi sinh sống của hơn 1/5
dân số cả nước. Việt Nam là quốc gia có hai mặt giáp biển, đặc biệt trong đó
Biển Đông là một trong 6 biển lớn nhất của thế giới, nối hai đại dương là Thái
Bình Dương và Ấn Độ Dương; với 9 quốc gia bao bọc: Việt Nam, Trung
Quốc, Philippines, Indonesia, Brunei, Malaysia, Singapore, Thái Lan và
Campuchia. Đây cũng là con đường chiến lược của giao thương quốc tế, có
5/10 tuyến đường hàng hải lớn nhất của hành tinh đi qua.
Trong đề cương chiến lược phát triển kinh tế biển Việt Nam đến năm
2020 nêu rõ: Phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển,
giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia trên
biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa
phát triển kinh tế - xã hội với đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi
trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển
kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các
hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả
nước. Phấn đấu đến năm 2020, kinh tế biển đóng góp khoảng 53 - 55% GDP,

55 - 60% kim ngạch xuất khẩu của cả nước, giải quyết tốt các vấn đề xã hội,
cải thiện một bước đáng kể đời sống của nhân dân vùng biển và ven biển.
Để thực hiện chiến lược này việc đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng để phục
vụ cho việc khai thác các nguồn lợi từ biển là rất cần thiết và khẩn trương trong
đó phải kể đến như tổ hợp các công trình cảng biển, luồng tàu, đê chắn sóng,


2

cầu cảng, bến cảng, kho chứa; xây dựng các nhà máy sửa chữa và đóng mới tàu
biển có công suất lớn; khai thác thế mạnh các khu kinh tế ven biển, cảng nội
thủy; mở mới các tuyến giao thông đường thủy để giảm áp lực trung chuyển
hàng hóa cho giao thông đường bộ, nâng cấp cơ sở hạ tầng cho vịnh Cam Ranh
phục vụ cho mục đích quốc phòng… Bên cạnh đó cần xúc tiến các dự án trọng
điểm nhằm khai thác tài nguyên vốn có trên biển như dầu, khí đốt, lắp đặt các
turbine để khai thác năng lượng gió biển, các tuyến cáp ngầm trên biển … Như
vậy vai trò và nhiệm vụ của công tác trắc địa trong khảo sát phục vụ thiết kế
các công trình ven biển là rất quan trọng, cần có một bước phát triển mới về
công nghệ để đáp ứng được nhu cầu phát triển thực tế hiện nay về tiến độ, số
lượng, chất lượng, độ chính xác và hiệu quả kinh tế.
Ở nước ta, đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn phần trên cạn đã cơ bản đáp
ứng được yêu cầu của công tác thiết kế (đã thành lập bản đồ đến tỷ lệ 1/500),
tuy nhiên với bản đồ địa hình đáy biển nói chung mới tiến hành đo đạc ở tỷ lệ
bản đồ lớn nhất là 1/10 000 nên chưa đáp ứng được các yêu cầu cần thiết của
công tác khảo sát thiết kế xây dựng các công trình biển ven bờ. Với các bản
vẽ thiết kế chi tiết các hạng mục công trình để phục vụ cho bước lập dự án,
thiết kế kỹ thuật - thi công theo tiêu chuẩn ngành cần có bản đồ địa hình tỷ lệ
lớn từ 1/5000÷1/500 [30].
Hiện nay có rất nhiều dự án liên quan đến biển đang được triển khai và
đã được đưa vào sử dụng như: Khu kinh tế biển Nghi Sơn, cảng Vũng Áng,

cảng Chân Mây, cảng Lạch Huyện, nhà máy đóng tàu Hạ Long, nhà máy
đóng tàu Phà Rừng - Nam Triệu, cảng Sài Gòn, cảng Cát Lái, cảng Đồng Nai,
cảng Hải Phòng và gần đây nhất là dự án đường ống dẫn khí Lô B - Ô Môn
thành phố Cần Thơ… Nhưng hầu hết công tác đo vẽ địa hình đáy biển tỷ lệ
lớn ven bờ dùng để phục vụ công tác khảo sát, thiết kế các công trình trọng
điểm này chúng ta đều thuê các công ty nước ngoài bởi họ có phương tiện,
máy móc và chuyên gia kỹ thuật.


3

Vì vậy mà việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ và thiết bị hiện đại
dùng cho đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn phù hợp với điều kiện và
tiêu chuẩn kỹ thuật của Việt Nam là rất cần thiết. Đó cũng chính là mục tiêu
nghiên cứu của đề tài mà chúng tôi thực hiện.
Ở Việt Nam cũng có rất nhiều nghiên cứu về công tác đo đạc trên biển
nhưng mới chỉ dừng lại ở từng thiết bị cụ thể: Công nghệ định vị GPS hoặc
các thiết bị thủy âm, máy đo sâu hồi âm… Chưa có một đề tài nghiên cứu về
ứng dụng kết hợp các công nghệ tiên tiến, thành lập quy trình để đo vẽ bản đồ
địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn.
Các công ty đo đạc biển ở Việt Nam do không có tàu đo sâu chuyên
dụng nên khi đo thường phải thuê thuyền đo, công việc bắt đầu là ghép nối
các thiết bị, tích hợp công nghệ, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh thiết bị đo với
mục đích đảm bảo độ chính xác theo tỷ lệ bản đồ cần thành lập.
Khi đo đạc trên biển sử dụng các thiết bị khác so với đo vẽ trên đất liền,
vì khi đo sâu thường sử dụng các thiết bị đo đạc có nguyên lý và cấu tạo hoàn
toàn khác, vấn đề phải kết nối ra sao để đảm bảo độ chính xác khi đo vẽ bản
đồ địa hình đáy biển.
Cũng giống như các nội dung nghiên cứu đo đạc trên đất liền, việc
hoàn thiện ghép nối tích hợp các công nghệ đo đạc tiên tiến trên biển dùng

cho mục đích thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn có độ chính xác cao
về mặt bằng và độ cao vẫn còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết, cần được
nghiên cứu một cách kỹ lưỡng, để đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao độ
chính xác và độ tin cậy của sản phẩm đo đạc.
Từ những nhu cầu thực tế trên ở nước ta, trong luận án tiến hành
nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu kết hợp công nghệ GPS và thủy âm trong đo
vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn phục vụ khảo sát thiết kế các công trình
ven biển”.


4

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu ứng dụng công nghệ
và thiết bị đo đạc tiến tiến hiện nay nhằm nâng cao hiệu quả công tác đo đạc,
thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn.
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu kết hợp công nghệ
GPS và thủy âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ lớn.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án: Các thiết bị thủy âm ứng dụng trong
đo vẽ thành lập BĐĐHĐB rất đa dạng như hệ thống thu phát thủy âm dưới
đáy biển, thiết bị quét hình bằng sóng siêu âm SSS (Side Scan Sonar)….
Trong giới hạn phạm vi luận án nghiên cứu là ứng dụng công nghệ GPS và
máy đo sâu hồi âm phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ
lệ lớn ở Việt Nam (phần địa hình đáy biển ven bờ cách đất liền ≤ 10 km).
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu yêu cầu độ chính xác và nội dung đo đạc thành lập bản đồ
địa hình đáy biển ven bờ phục vụ khảo sát thiết kế các công trình xây dựng
ven biển.
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh GPS và đo
sâu hồi âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ.

- Nghiên cứu mô hình kết hợp công nghệ định vị vệ tinh GPS và đo sâu
hồi âm, phương pháp kiểm định hệ thống thiết bị nêu trên dùng trong đo vẽ
bản đồ địa hình đáy biển ven bờ ở nước ta.
- Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả công tác
thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu liên quan, cập nhật
thông tin trên mạng Internet và các thư viện.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về công
nghệ định vị vệ tinh GPS và máy đo sâu hồi âm, vấn đề tích hợp công nghệ
làm cơ sở lý luận cho việc xử lý số liệu.


5

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm để chứng minh
lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận.
- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác
hoặc các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp
với vấn đề nghiên cứu.
- Phương pháp ứng dụng tin học: Dùng các phần mềm phù hợp để xây
dựng các chương trình tính toán xử lý số liệu đo đạc.
- Phương pháp chuyên gia: Tiếp thu ý kiến của người hướng dẫn, tham
khảo ý kiến các nhà khoa học, đồng nghiệp về các vấn đề trong nội dung của
luận án.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Các kết quả nghiên cứu trong luận án góp phần hoàn thiện và nâng
cao hiệu quả công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn ở
Việt Nam.
Giải pháp ứng dụng công nghệ đo cao GPS - RTK trong công tác thành

lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn cho phép xác định trực tiếp độ
cao đáy biển mà không phải đo thủy triều.
Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu trong luận án vào các lĩnh vực
chuyển giao công nghệ mới, đào tạo cán bộ chuyên ngành, giảng dạy và
nghiên cứu khoa học.
6. Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Để đảm bảo chất lượng công tác khảo sát thiết kế các
công trình ven biển cần xây dựng các chỉ tiêu kỹ thuật hợp lý, phù hợp với
đặc điểm thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn ở Việt Nam.
Luận điểm 2: Cần tiến hành ghép nối và kiểm định hệ thống GPS và
máy đo sâu hồi âm theo quy trình kỹ thuật phù hợp nhằm đảm bảo độ chính
xác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn.


6

Luận điểm 3: Có thể sử dụng công nghệ GPS-RTK kết hợp với máy đo
sâu hồi âm để nâng cao hiệu quả công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven
bờ tỷ lệ lớn.
7. Các điểm mới của luận án
- Đã nghiên cứu xây dựng luận cứ khoa học và đề xuất các chỉ tiêu kỹ
thuật trong đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn ở Việt
Nam phục vụ khảo sát thiết kế các công trình ven biển.
- Xây dựng được mô hình, quy trình phù hợp để ghép nối và kiểm định
hệ thống GPS và máy đo sâu hồi âm.
- Đã nghiên cứu ứng dụng thành công công nghệ GPS - RTK kết hợp với
máy đo sâu hồi âm trong đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn không
cần đo nghiệm triều. Nghiên cứu này cho phép nâng cao hiệu quả công tác
khảo sát thiết kế trong thi công xây dựng các công trình ven biển ở Việt Nam.
8. Cấu trúc và nội dung luận án

Cấu trúc luận án gồm ba phần:
1. Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục
đích, ý nghĩa, nêu các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án, trình bày
tóm tắt cấu trúc và nội dung luận án.
2. Phần nội dung nghiên cứu được trình bày trong 5 chương
Chương 1: Tổng quan về công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy
biển phục vụ khảo sát thiết kế công trình ven biển.
Chương 2: Yêu cầu kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ
tỷ lệ lớn.
Chương 3: Nghiên cứu kết hợp công nghệ GPS và thuỷ âm trong đo vẽ
bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn.
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo cao GPS trong đo vẽ
bản đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn.


7

Chương 5: Phần thực nghiệm.
3. Phần kết luận: Tổng hợp lại những vấn đề nghiên cứu trong luận án,
đưa ra những nhận xét, đánh giá khả năng ứng dụng và giải pháp nâng cao
hiệu quả của công tác đo đạc trong thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ
tỷ lệ lớn ở Việt Nam.
9. Lời cảm ơn
Trước hết, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến tiểu ban hướng
dẫn khoa học PGS.TS Trần Viết Tuấn và PGS.TS Nguyễn Quang Thắng đã
luôn động viên, tận tình góp ý và định hướng cho tác giả thực hiện các nghiên
cứu khoa học, hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ Địa chất, Phòng Đào tạo sau đại học, các thầy cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ
và Quản lý đất đai và đặc biệt là bộ môn Trắc địa công trình đã giúp đỡ và có
nhiều ý kiến quý báu để tác giả hoàn thiện nội dung của luận án.

Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn
động viên tinh thần, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình thực
hiện luận án.


8

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐO VẼ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ
ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ KHẢO SÁT THIẾT KẾ
CÔNG TRÌNH VEN BIỂN
1.1. CÁC DẠNG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VEN BIỂN

1.1.1. Khái niệm về các công trình biển và công tác trắc địa công trình biển
Công trình biển là các công trình được xây dựng trên biển và ven bờ
với mục đích sử dụng và khai thác các nguồn lợi tài nguyên thiên nhiên của
biển. Công trình biển có thể được chia làm ba dạng chủ yếu [21]:
- Các công trình sử dụng không gian biển: Tầu thuyền giao thông, vận
tải, các đường cáp quang, cáp điện, đường ống dẫn khí (hình 1.1) hay các
công trình ngầm xuyên biển.

Hình 1.1 - Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn 2 – Vũng Tàu
- Các công trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, năng lượng biển: Các
công trình khai thác dầu khí, dàn khoan, khai thác khoáng vật, các công trình
nuôi trồng thủy hải sản, các công trình khai thác năng lượng thủy triều, năng
lượng gió (hình 1.2).


9

Hình 1.2 - Tổ hợp các turbine điện gió biển Bạc Liêu – Việt Nam
- Các công trình khai thác biển ven bờ: Đó là hệ thống các công trình
cảng biển, hệ thống đê chắn sóng (hình 1.3).

Hình 1.3 - Cảng biển và đê chắn sóng cảng nước sâu Sơn Dương, Hà Tĩnh
Công tác trắc địa công trình trên biển cũng có nhiệm vụ tương tự như
công tác trắc địa công trình trên đất liền. Tuy nhiên do môi trường làm việc có
sự khác biệt như: Làm việc trên biển là chủ yếu, môi trường làm việc luôn
biến động, ít vật định hướng, chịu tác động của thủy triều ... nên công tác trắc
địa trên biển cũng có nhiều điểm khác biệt. Tuỳ thuộc vào đặc điểm, phạm vi,
vị trí và giai đoạn xây dựng của từng công trình mà có các nhiệm vụ trắc địa


10

khác nhau. Một cách tổng quát có thể phân loại công tác trắc địa công trình
biển theo các giai đoạn khảo sát thiết kế, thi công xây dựng và khai thác sử
dụng công trình.

1.1.2. Nhiệm vụ công tác định vị trong trắc địa công trình biển
Đặc điểm nổi bật của công tác trắc địa công trình biển là phải tiến hành
đo đạc trong điều kiện đặc biệt khó khăn (sóng to và gió mạnh), xa đất liền, vì
vậy các phương pháp đo đạc định vị trên biển có ý nghĩa rất quan trọng khi
thực hiện các dạng công tác trong khảo sát thiết kế và thi công xây dựng công
trình biển. Ngoài ra công tác định vị trên biển còn phải đáp ứng các yêu cầu
dẫn đường trên biển, tìm kiếm, trục vớt tầu đắm, định vị lắp đặt các công trình
biển (giàn khoan, cầu cảng) [21].
- Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình biển thì nhiệm vụ của
trắc địa là cung cấp tài liệu địa hình đáy biển hoặc một phần trên đất liền và
một phần đáy biển ven bờ phục vụ cho công tác thiết kế công trình. Để đo vẽ

địa hình đáy biển, cần phải lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng và độ cao bằng
các công nghệ truyền thống hoặc công nghệ GPS. Trong giai đoạn này công
tác định vị trên biển cần thiết cho công tác dẫn đường tầu đo sâu và định vị
các điểm đo sâu trên biển.
- Trong giai đoạn thi công xây dựng công trình thì nhiệm vụ của trắc
địa là tiến hành đo đạc, bố trí công trình để đảm bảo công trình được xây
dựng đúng với vị trí, độ cao, hình dạng và kích thước như đã thiết kế [21].
1.1.3. Yêu cầu độ chính xác của công tác định vị trên biển
Yêu cầu độ chính xác định vị trên biển phụ thuộc vào dạng các công
trình biển và giai đoạn khảo sát thiết kế và thi công khai thác sử dụng công
trình biển.
Để phục vụ cho công tác khảo sát địa vật lý trên biển, thì công tác định
vị tầu chỉ cần độ chính xác cỡ 2500 m, trong công tác khảo sát thăm dò yêu


11

cầu độ chính xác tới 100 ÷ 150 m, và khi khảo sát chi tiết lại cần tới độ chính
xác 20 ÷ 50 m. Có những dạng công tác yêu cầu định vị điểm với độ chính
xác khá cao, như khi định vị giàn khoan sai số định vị không được vượt quá 3
m. Đặc biệt là vùng nước sâu yêu cầu về vị trí điểm ở đáy biển so với vị trí
điểm trên mặt biển rất cao. Để phục vụ cho công tác lắp đặt các đường ống
dẫn dầu, khí hoặc cáp (cáp điện, cáp quang...) dưới biển cần định vị với sai số
cỡ 3 m. Có thể thống kê một số yêu cầu độ chính xác định vị trên biển theo
dạng các công tác trắc địa biển như bảng 1.1 [21].
Bảng 1.1 - Một số chỉ tiêu độ chính xác định vị trên biển
SSTP xác định toạ độ (m)
Dạng công tác

Tuyệt đối

Tương đối

- Các điểm khống chế trắc địa

10

1

- Các tiêu mốc thủy âm

10

10

- Khảo sát địa vật lý và thủy đạc

50-100

50-100

- Khảo sát địa vật lý và thủy đạc chi tiết

50-100

15-25

- Khoan

10

1-5

- Lắp đặt đường ống dây cáp

10

1-10

-

2-10

- Xác định ranh giới

1.0-10

1.0

- Tìm kiếm, trục vớt tầu đắm

20-100

10-20

- Khai thác quặng

1.2. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG GIAI ĐOẠN
KHẢO SÁT THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH VEN BIỂN
Trong giai đoạn khảo sát thiết kế, tùy vào đặc điểm từng công trình mà

cần phải tiến hành những nội dung công việc sau:
Đối với những công trình ven bờ như: công trình cầu cảng, đê chắn
sóng… vị trí của các công trình này thường được chọn ở cửa sông hoặc trong


12

vịnh. Vì vậy để quy hoạch tổng thể, bố trí mặt bằng và thiết kế kỹ thuật công
trình cảng cần có bản đồ địa hình cả ở trên đất liền và một phần dưới nước với
các tỷ lệ khác nhau.
Trong giai đoạn quy hoạch, chọn vị trí các công trình cần có bản đồ tỷ
lệ 1:5000 ÷ 1:1000 [30]. Các công trình cảng thường chiếm diện tích không
lớn, do đó bản đồ địa hình trên phần đất liền cũng như dưới nước đều được đo
vẽ trực tiếp trên thực địa.
Với bản đồ địa hình phần trên đất liền, trên khu vực cần đo vẽ các bản
đồ tỷ lệ 1:2000; 1:1000; 1:500 thì cứ 5 ÷ 15 km2 cần có một điểm khống chế
mặt bằng và 5 ÷ 7 km2 cần có một điểm khống chế độ cao. Nếu trên các khu
vực hẹp có dạng kéo dài thì cứ 5 km2 cần có 1 điểm khống chế mặt bằng. Nếu
trên khu vực đo vẽ chưa có đủ mật độ điểm khống chế nhà nước quy định thì
cần phải tiến hành tăng dày mạng lưới. Đối với khu vực xây dựng sau khi
chêm dày phải đạt 4 điểm/km2, với khu vực chưa xây dựng cần đạt 1
điểm/km2. Công tác đo đạc khảo sát cũng như tất cả các công tác khảo sát các
công trình trên đất liền với trình tự và nội dung như trong quy phạm.
Để thành lập bản đồ địa hình dưới nước ven bờ, thường dùng phương pháp
mặt cắt (với máy đo sâu hồi âm đơn tia). Khoảng cách giữa các mặt cắt và khoảng
cách giữa các điểm đo sâu (khoảng fix) được quy định như bảng 1.2 [4].
Bảng 1.2 - Khoảng cách giữa các điểm đo sâu
Khoảng cách giữa các mặt

Khoảng cách giữa các

cắt (m)

điểm đo sâu (m)

1:1000

15 ÷ 25

10 ÷ 15

1:2000

20 ÷ 50

15 ÷ 20

1:5000

80 ÷ 130

40 ÷ 80

1:10000

200 ÷ 250

60 ÷ 100

Tỷ lệ bản đồ

13

Để đo vẽ mặt cắt thường dùng các phương pháp đo sâu sau:
Đối với những vùng nước sâu không quá 5 m thường dùng sào đo sâu
với độ chính xác đo cỡ 0,1 m. Sào đo có thể làm bằng tre, gỗ, chiều dài sào
không quá 6 m, đường kính sào không quá 6 cm, có đế sắt ở một đầu.
Đối với những vùng nước có độ sâu từ 2 ÷ 20 m có thể dùng dọi đo sâu.
Dọi được đúc bằng gang hay chì, có dạng tháp hoặc dạng quả cầu, dây dọi có
thể là dây xích hoặc dây cáp.
Với những vùng nước sâu hơn 5 m có thể dùng phương pháp hiện đại
là phương pháp dùng máy đo sâu hồi âm.
Để xác định được vị trí mặt bằng của điểm đo sâu có thể dùng phương
pháp giao hội góc, giao hội cạnh từ các điểm khống chế trên bờ, tọa độ cực
bằng máy toàn đạc điện tử có khả năng đo xa, các phương pháp định vị vô
tuyến, định vị bằng GPS.
Các công trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, năng lượng biển và
không gian biển gồm công trình khai thác dầu khí, công trình lắp đặt đường
ống, cáp điện ở đáy biển… Công tác trắc địa khi xây dựng các công trình này
được thực hiện cả trên mặt nước và cả dưới nước. Công việc trắc địa dưới
nước phải kết hợp với máy lặn, tầu lặn và phải sử dụng các thiết bị đặc biệt
chuyên dụng chủ yếu là các hệ thống đo bằng âm thanh, máy thu hình, máy
ảnh… Trên mặt nước, tại các khu vực có giàn khoan, lỗ khoan hay điểm đổ
bộ cần đo vẽ bản đồ địa hình với tỷ lệ 1:1000 ÷ 1:2000. Ngoài ra còn phải đo
thêm tốc độ của dòng chảy, hướng dòng chảy tại các tầng trên, tầng giữa và
tầng đáy của nước.
Với các công trình lắp đặt đường cáp quang, đường ống hay công trình
ngầm xuyên biển phải đo sâu dọc tuyến với tỷ lệ đo vẽ bản đồ từ 1:50000 ÷
1:20000. Đối với tuyến ven biển thì tỷ lệ đo vẽ lớn hơn, tuyến từ lục địa ra

đảo hay nối giữa các đảo thì tỷ lệ đo vẽ nhỏ hơn và thường đo sâu theo ba


14

tuyến với khoảng cách giữa các tuyến là 10 cm trên bản đồ, tuyến giữa trùng
với đường ống hoặc đường dây cáp điện. Tại những nơi có địa hình phức tạp
có thể tăng tuyến đo lên thành năm tuyến hoặc nhiều hơn. Sai số trung
phương định vị điểm đo sâu không được lớn hơn 3 mm trên bản đồ, mật độ
điểm đo sâu mỗi tuyến là 0,5 cm trên bản đồ.
Đo đạc trên biển là dạng công tác phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí
hậu, thời tiết do vậy công tác thu thập tài liệu hải văn rất cần thiết cho công
tác khảo sát thiết kế của khu vực đo. Để có được tài liệu chính xác người làm
công tác trắc địa phải tiến hành quan trắc độ cao, chu kỳ sóng, hướng sóng, sự
lên xuống của thủy triều…
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM TRONG KHẢO
SÁT THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH VEN BIỂN
Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu trong phạm vi của đề tài đã có nhiều
tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến, tuy nhiên ở mỗi thời điểm thì mức độ
nghiên cứu, ứng dụng công nghệ này có sự khác nhau về nội dung, mục đích
nghiên cứu và cách tiếp cận, bởi công nghệ ngày một đổi mới, không ngừng
được nâng cao về chất lượng, độ chính xác, khả năng ứng dụng những thành
tựu tiên tiến nhất của khoa học kỹ thuật.
1.3.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước
Khi đo đạc trên biển để xác định vị trí của tàu đo ở thời điểm tức thời
có thể ứng dụng công nghệ định vị DGPS, Gc-GPS [34], [44]. Về lĩnh vực
định vị, công nghệ GPS đã đem đến bước đột phá mới cho công tác đo đạc
trên biển cả về kinh tế, kỹ thuật và độ chính xác.
Công nghệ đo sâu bắt đầu từ cách đây hơn 200 năm, khi con người biết

khai thác và xây dựng các công trình lớn trên sông nước và biển cả. Từ việc
phải đo đạc thủ công bằng dọi đo sâu (từ năm 1837 [1]), thước dây rồi ứng