Luận án 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN ĐÌNH HẢI 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA- BẢN ĐỒ Hà Nội - Năm 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN ĐÌNH HẢI 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 Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. DƯƠNG VÂN PHONG 2. TS. DƯƠNG THÀNH TRUNG Hà Nội - 2024 LỜI CẢM ƠN 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, chuyên môn 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 không 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 hoàn thành tốt Luận án của mình. Tác giả luận án Nguyễn Đình Hải 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 tháng năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Đình Hải iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................................... x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 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 MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN .................................................................................. 6 1.1 Mô hình 3D địa hình đáy biển................................................................................... 6 1.2 Một vài nét về tàu ngầm và hoạt động của tàu ngầm ................................................ 9 1.2.1 Tàu ngầm và vai trò của tàu ngầm ........................................................................ 9 1.2.2 Các phương pháp dẫn đường cho tàu ngầm ........................................................ 10 1.3 Yêu cầu về dữ liệu trắc địa, hải văn đảm bảo hoạt động cho tàu ngầm .................. 14 iv 1.3.1 Yêu cầu đối với dữ liệu trắc địa ........................................................................... 14 1.3.2 Yêu cầu đối với dữ liệu hải văn ............................................................................ 15 1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển trên thế giới ........ 19 1.5 Tình hình nghiên cứu, phân loại trầm tích bề mặt đáy biển trên thế giới ............... 26 1.6 Tình hình công tác thu thập dữ liệu địa hình đáy biển, nghiên cứu xây dựng mô hình 3D và phân loại trầm tích ở Việt Nam .................................................................. 27 1.7 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ......................................................................... 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .............................................................................................. 34 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN ........................................................................................... 35 2.1 Lựa chọn cơ sở toán học trong thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển ............... 35 2.1.1 Hệ tọa độ .............................................................................................................. 35 2.1.2 Phép chiếu tọa độ phẳng ...................................................................................... 35 2.1.3 Hệ quy chiếu độ cao ............................................................................................. 35 2.2 Các phương pháp thu thập dữ liệu địa hình đáy biển.............................................. 36 2.2.1 Thu thập dữ liệu địa hình đáy biển từ nguồn dữ liệu có sẵn ............................... 36 2.2.2 Thu thập bằng phương pháp đo sâu trực tiếp bằng sào, quả rọi kết hợp máy kinh vĩ, toàn đạc điện tử. ....................................................................................................... 38 2.2.3 Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đơn tia ............................................ 39 2.2.4 Thu thập bằng phương pháp đo sâu hồi âm đa tia .............................................. 40 2.2.5 Thu thập bằng phương pháp quét sườn ............................................................... 41 2.2.6 Thu thập bằng phương pháp xác định độ sâu đáy biển từ dị thường trọng lực .. 42 2.3 Yêu cầu về dữ liệu sử dụng để thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển ............... 44 2.3.1 Một số đặc điểm thu thập dữ liệu độ sâu của máy đo sâu đa tia ......................... 44 2.3.2 Mức độ chi tiết của điểm đo sâu trong thành lập mô hình 3D............................. 47 2.3.3 Đặc điểm về hình ảnh của máy thủy âm quét sườn.............................................. 48 v 2.3.4 Yêu cầu biểu diễn đối với các đối tượng địa lý .................................................... 50 2.4 Phương pháp xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển ........................................... 51 2.4.1 Một số thuật toán nội suy ..................................................................................... 51 2.4.2 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải ......................... 61 2.4.3 Phương pháp xây dựng mô hình 3D bằng lưới tứ giác không gian với các cạnh là đường cong tham số ...................................................................................................... 68 2.5 Yêu cầu về độ chính xác mô hình sau khi thành lập ............................................... 73 2.5.1 Đánh giá độ chính xác mô hình ........................................................................... 73 2.5.2 Tính toán tỷ lệ mô hình cần thành lập ................................................................. 78 2.6 Phương pháp trực quan hóa mô hình 3D địa hình đáy biển .................................... 79 2.6.1 Trầm tích và phương pháp phân loại trầm tích ................................................... 79 2.6.2 Dữ liệu tán xạ ngược ............................................................................................ 83 2.6.3 Dữ liệu thủy âm quét sườn ................................................................................... 86 2.6.4 Phương pháp phân loại trầm tích ........................................................................ 87 2.6.5 Giải pháp kết hợp các loại dữ liệu xây dựng mô hình 3D lớp phủ ...................... 98 2.6.6 Giải pháp thể hiện trầm tích và các đối tượng địa lý trong mô hình 3D ........... 100 2.7 Đề xuất sơ đồ quy trình xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển cho hoạt động của tàu ngầm ...................................................................................................................... 106 2.7.1 Thu thập dữ liệu ngoại nghiệp ........................................................................... 107 2.7.2 Xử lý dữ liệu đầu vào ......................................................................................... 108 2.7.3 Phân tích yêu cầu đối với mô hình 3D cho tàu ngầm ........................................ 108 2.7.4 Xây dựng CSDL 3D địa hình đáy biển ............................................................... 108 2.7.5 Xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển ........................................................... 109 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................................ 110 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM ............................................................................. 111 vi 3.1 Khu vực và dữ liệu thực nghiệm ........................................................................... 111 3.1.1 Giới thiệu về khu vực thực nghiệm...................................................................... 111 3.1.2 Giới thiệu về phương pháp thu nhận ................................................................. 114 3.2 Thực nghiệm xây dựng mô hình 3D địa hình đáy biển......................................... 115 3.2.1 Xử lý dữ liệu đầu vào ......................................................................................... 115 3.2.2 Xây dựng mô hình 3D bằng lưới đa độ phân giải .............................................. 123 3.2.3 Xây dựng mô hình lưới tứ giác với các cạnh là đường cong tham số ............... 126 3.2.4 Xử lý và hiển thị kết quả phân loại trầm tích từ dữ liệu thủy âm quét sườn, dữ liệu tán xạ ngược đa chùm tia. .................................................................................... 126 3.2.5 Hiển thị trực quan mô hình 3D địa hình đáy biển ............................................. 129 3.2.6 Đánh giá độ chính xác ....................................................................................... 130 3.3 Xây dựng phần mềm thành lập mô hình 3D địa hình đáy biển ............................ 136 3.3.1 Thiết kế hệ thống ................................................................................................ 136 3.3.2 Mô tả hệ thống ................................................................................................... 136 3.3.3 Mô tả chức năng ................................................................................................. 137 3.3.4. Sơ đồ quy trình thành lập .................................................................................. 137 3.3.5 Thiết kế giao diện ............................................................................................... 138 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................................ 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 142 1. Kết luận ................................................................................................................... 142 2. Kiến nghị ................................................................................................................. 143 CÔNG 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 vii 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 toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Song Tử-Trường Sa .............................................................................................................. 174 Phụ lục 11 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Nha Trang-Khánh Hoà ........................................................................................................ 176 Phụ lục 12 - Kết quả tính toán sai số trung phương các mô hình số khu vực biển Ninh Thuận ........................................................................................................................... 178 Phụ lục 13 - Kết quả tính toán sai số nội tại mô hình lưới đa độ phân giải ................ 180 Phụ lục 14 - Kết quả tính toán sai số nội tại mô hình lưới tứ giác không gian ........... 184 Phụ lục 15 - Giả mã chương trình ............................................................................... 188 viii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ Nghĩa đầy đủ 3D Three dimensions Ba chiều BLUE Best Linear Unbiased Estimator Ước lượng tuyến tính không chệch tốt nhất CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao ENC Electronic Navigation Chart Hải đồ điện tử MDT Mean Dynamic Topography Mặt biển trung bình động lực MSL Mean Sea Level Mặt nước biển trung bình LAT Lowest Astronomical Tide Triều thiên văn thấp nhất SONAR Sound Navigation And Ranging Kỹ thuật lan truyền âm thanh SSS Side Scan Sonar Công nghệ sonar quét sườn RMSE Root Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình IDW Invert Distance Weight Trọng số nghịch đảo khoảng cách IHO International Hydrographic Organization Tổ chức thủy đạc quốc tế QGIS Quantum Geographic Informmation System Hệ thống thông tin địa lý lượng tử TIN Triangular irregular networks Mạng tam giác không đều ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 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 mô 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 mô hình được thành lập (đơn vị: m)130 Bảng 3. 3 Kết quả tính sai số nội tại các mô 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 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 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 ...