Hiện nay, Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam và nhiều đơn vị, doanh nghiệp đã xây dựng được một số lượng rất lớn trạm GNSS CORS phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Bài báo phân tích về công nghệ, độ chính xác, tính kinh tế của công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm. Bài báo cho thấy sự kết nối, vận dụng các công nghệ đo đạc tiến tiến là rất cần thiết để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, tính kinh tế trong đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển khu vực ven bờ.

Từ khóa: Định vị vệ tinh, đo sâu hồi âm, địa hình đáy biển, GNSS, CORS

Mở đầu

Công nghệ định vị vệ tinh là cuộc cách mạng trong lịch vực đo đạc. Công nghệ GNSS ra đời đã thay đổi mạnh mẽ phương pháp đo đạc so với các phương pháp truyền thống. Công nghệ GNSS được thực hiện với nhiều phương pháp định vị, như: Phương pháp định vị tuyệt đối, phương pháp định vị vi phân (DGNSS), phương pháp định vị điểm đơn chính xác PPP, phương pháp định vị động thời gian thực (GNSS RTK), phương pháp định vị động thời gian thực sử dụng trạm tham chiếu liên tục (GNSS CORS NRTK),… 

Trên thế giới, công nghệ GNSS tích hợp với thiết bị đo sâu hồi âm trong công tác thủy đạc phục vụ xây dựng hải đồ hàng hải đã được nghiên cứu, ứng dụng trong thực tế gần 20 năm qua. Hiện nay, Cục ĐĐ, BĐ&TTĐL VN - Bộ TN&MT và nhiều đơn vị, doanh nghiệp đã xây dựng được một số lượng rất lớn trạm GNSS CORS phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Công nghệ CORS có khả năng mang lại độ chính xác đo GNSS RTK khoảng từ 2 cm đến 4 cm với khoảng cách đến trạm Rover khoảng 35 km đến 40 km. Đặc biệt, nếu sử dụng dịch vụ đo động được cung cấp bởi mạng lưới trạm GNSS CORS (dịch vụ VRS, MAX, iMAX) khoảng cách cách giữa Rover và Base có thể lên tới 50 km đến 100 km, đạt độ chính xác mặt bằng và độ cao đều dưới 10 cm. Nếu ứng dụng được công nghệ GNSS RTK hoặc GNSS CORS NRTK đã được xây dựng ở các khu vực gần bờ biển cho công tác thủy đạc, phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian, kinh phí xây dựng và đo đạc tại các trạm quan trắc mực nước.

Công nghệ đo sâu hồi âm

Công nghệ đo sâu đơn chùm tia (Hình 1): Giải pháp đo sâu đơn tia là hệ thống tích hợp các thiết bị, phần mềm giúp thu thập dữ liệu về độ sâu của sông, hồ, biển,… sử dụng một chùm tia để xác định độ sâu mực nước tại một điểm. Nguyên lý hoạt động của máy đo sâu hồi âm đơn tia là phát xung sóng siêu âm truyền lan qua lớp nước xuống đáy biển rồi phản xạ trở lại, đo thời gian từ thời điểm phát tới thời điểm thu nhận tín hiệu phản hồi. 

Hình 1. Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia

Hình 2. Đo sâu bằng máy đo đa chùm tia Multibeam

Ưu điểm của máy đo sâu đơn tia là giá thành thấp; quá trình khai thác sử dụng, bảo quản và sửa chữa dễ dàng hơn so với loại máy đo sâu hiện đại. Với những đặc tính vượt trội so với hình thức đo sâu thủ công bằng dây dọi/ sào đo sâu, hệ thống đo sâu đơn tia nhỏ gọn, không thấm nước, dễ dàng sử dụng. Sử dụng ít nhân lực, chịu được thời tiết khắc nghiệt, thời gian hoàn thành công việc nhanh. Hạn chế của nó là chỉ đo được độ sâu trên một tuyến mà không thể đo phủ trên một diện tích lớn. Kết quả đo bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: Sóng lớn, chất lượng nước, không thể đo được độ sâu của nước ở những khu vực có đáy nước phức tạp. Từ đó mà độ chính xác của việc xác định bề mặt thực tế của đáy biển không cao; ngoài ra khi thời tiết xấu thì việc đo đạc sẽ khó khăn.

Công nghệ đo sâu đa chùm tia (Hình 2): Nguyên lý hoạt động dựa trên cơ sở kỹ thuật Sonar tạo thành các dải đo vuông góc với hướng chuyển động của tàu. Độ sâu các điểm trong dải quét được xác định theo từng tia phản hồi bằng các phương pháp tính biên độ của các tia sóng âm phản hồi hoặc độ trễ của pha tín hiệu. Ưu điểm: Khả năng đo lường nhanh chóng, hiệu quả và có độ chính xác cao hơn so với phương pháp đo sâu đơn tia; cho phép thu thập thông tin về độ sâu ở nhiều điểm khác nhau trên diện rộng, tạo ra các bản đồ độ sâu chi tiết. Nhược điểm: định dạng đáy không chính xác; có thể gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa các loại đáy khác nhau (đáy mịn, cát hoặc bùn); hạn chế vùng đo đạc: trong môi trường nước sâu hoặc đáy không đều, có thể có những vùng không thể đo được một cách chính xác; yêu cầu kỹ thuật cao hơn trong việc vận hành và xử lý dữ liệu (so với phương pháp đo sâu đơn tia.

Tích hợp định vị vệ tinh và đo sâu hồi âm trong khảo sát địa hình dưới nước

Trong công tác đo sâu địa hình đáy biển bắt buộc phải tổ chức quan trắc mực nước trên trạm quan trắc mực nước ven bờ, phục vụ hiệu chỉnh ảnh hưởng của thủy triều cho độ sâu đo và quy chiếu trị đo về mặt tham chiếu xác định. Xuất phát từ sự đặc thù về số liệu đo địa hình dưới nước thường được phân thành 2 nhóm: nhóm số liệu định vị tọa độ mặt bằng tích hợp với số liệu đo độ sâu; nhóm số liệu quan trắc mực nước. Theo các quy định kỹ thuật hiện hành, độ sâu hải đồ được quy chiếu dựa trên mực nước triều thiên văn thấp nhất tại trạm quan trắc mực nước ven bờ.Vị trí mặt bằng và độ cao là hai dạng dữ liệu riêng biệt phản ánh thông tin của bề mặt địa hình trên bản đồ địa hình đáy biển. Khi đo đạc trên biển hai dữ liệu này được thu nhận bằng các thiết bị máy móc chuyên dụng khác nhau, về mặt bằng là hệ thống máy thu và xử lý dữ liệu GPS, về độ sâu là hệ thống máy đo sâu hồi âm (đơn tia hoặc đa tia) cùng các thiết bị thu nhận thông tin và hiệu chỉnh số liệu khác,...

Hình 3. Sơ đồ kết nối hệ thống đo sâu đơn tia hoặc đa tia

Môi trường đo đạc trên biển luôn biến động, dù các thiết bị đo có độ chính xác cao tới cm thì dữ liệu đo đạc thu nhận được cũng có độ chính xác không cao do tác động của ngoại cảnh và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết thực tế khu đo. Do đó ngoài hai thiết bị chính là thiết bị định vị GPS và máy đo sâu hồi âm còn có các thiết bị đi kèm khác nhằm đảm bảo quá trình thu nhận dữ liệu được liên tục, hiệu chỉnh dữ liệu đo, đồng bộ dữ liệu. Thông thường với một tàu đo sâu hoàn chỉnh với hệ thống đo sâu đơn tia hoặc đa tia gồm các thiết bị được kết nối với nhau theo sơ đồ Hình 3.

Tích hợp kỹ thuật định vị DGPS và đo sâu hồi âm (Hình 4)

Nếu có 2 máy thu GPS và một hệ thống truyền phát thông tin là có thể áp dụng kỹ thuật DGPS. Theo phương pháp này, một máy thu đặt tại điểm đã biết tọa độ gọi là trạm tham chiếu (reference station) còn máy thu khác di chuyển (máy động - rover) và sẽ được xác định tọa độ với điều kiện tại cả hai máy số vệ tinh chung quan sát được không ít hơn 4. Ưu điểm: Sử dụng DGPS cung cấp độ chính xác tương đối cao do được cải thiện bởi hiệu chỉnh sai số vệ tinh; cho phép thu thập thông tin trong nhiều điều kiện khác nhau một cách liên tục (trong khi di chuyển trên mặt nước), từ đó tạo ra bản đồ thủy văn chi tiết và toàn diện hơn; thiết bị DGPS thường nhẹ, dễ di chuyển và sử dụng, giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả trong việc thu thập dữ liệu thủy văn. Nhược điểm: Việc sử dụng DGPS cũng có thể đối mặt với những hạn chế nhất định như cần phải có tầm nhìn tốt đối với các vệ tinh GPS để đảm bảo độ chính xác cao, cũng như ảnh hưởng của các tín hiệu cản trở từ môi trường xung quanh. Độ chính xác xác định vị trí phụ thuộc vào khoảng cách từ trạm tham chiếu tới tàu đo đạc.

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý định vị vi phân DGPS

Hình 5. Tích hợp kỹ thuật đo GNSS RTK và đo sâu hồi âm

Tích hợp kỹ thuật định vị bằng phương pháp GNSS RTK và đo sâu hồi âm (Hình 5)

Trong kỹ thuật đo này, người dùng cần cài đặt máy thu GPS trên 1 trạm đã biết tọa độ và độ cao (trạm base), và máy thu còn lại được lắp đặt tại trạm di chuyển Rover và cả 2 máy thu này cần phải nhận cùng một tín hiệu GPS tại cùng một thời điểm. 

Trạm base trên bờ cần phải được định vị trên một mốc đã biết tọa độ và cao độ. Tuy nhiên, máy thu tại trạm base phải có khả năng thu nhận tín hiệu ở cả trị đo pha và trị đo giả cự ly của vệ tinh GPS. Trạm base sẽ tập hợp trị đo pha, trên cả 2 tần số L1/L2 dùng kỹ thuật tương quan chéo. Bộ xử lý tại trạm base sẽ tính toán khoảng cách giả và số hiệu chỉnh pha sóng tải, và định dạng dữ liệu theo chuẩn phù hợp với việc truyền tải dữ liệu. Một máy vi tính để thu nhận và xử lý dữ liệu đo sâu. Hai thiết bị có cài sẵn phần mềm tích hợp để điều khiển máy thu GPS ở trạm base và trạm rover. Ưu điểm: Kỹ thuật RTK cung cấp cho máy đo sâu vị trí mặt bằng và độ cao độ chính xác cao ở thời điểm đo. Công nghệ đo GNSS có kết qua đo không bị ảnh hưởng bởi yếu tố thời tiết, khoảng cách. Tiết kiệm nhân lực, thời gian và chi phí. Nhược điểm :Khoảng cách sử dụng để đo đạc giới hạn, thường không quá 15km với bộ phát sóng radio ngoài và không quá 2 km với bộ phát sóng trong.

Tích hợp kỹ thuật định vị sử dụng công nghệ GNSS CORS RTK với công nghệ đo sâu hồi âm (Hình 6)

Để khắc phục hạn chế về khoảng cách từ trạm Base đến Rover của công nghệ đo GNSS Base RTK, sử dụng trạm tham chiếu hoạt động liên tục CORS (Continuously Operating Reference Station) tính toán và phát số hiệu chỉnh đến người sử dụng thông qua mạng internet. Thành phần cơ bản của hệ thống trạm CORS gồm: Hệ thống trạm tham chiếu; trạm chủ (trạm điều khiển và xử lý trung tâm) và người sử dụng. Khi sử dụng công nghệ này để thực hiện công tác thủy đạc chỉ cần một máy thu GNSS RTK đặt ở trên tàu. Dữ liệu đo thu được là tọa độ trong hệ WGS84 hoặc hệ tọa độ VN-2000, độ cao trắc địa của mặt nước và giá trị độ sâu đo từ mặt nước biển đến đáy biển của điểm đo sâu. Ưu điểm của công nghệ GNSS CORS RTK kết hợp đo sâu hồi âm giống với những ưu điểm của công nghệ GNSS RTK, nhưng đã khắc phục được hạn chế về giới hạn khoảng cách đo đạc. Tuy nhiên, công nghệ GNSS CORS RTK đòi hỏi việc đầu tư hạ tầng đồng bộ đi kèm với chi phí lớn. 

Hình 6. Nguyên lý đo sâu hồi âm kết hợp với công nghệ GNSS CORS RTK

Kiến nghị, đề xuất

Để thành lập bản đồ địa hình đáy biển ven bờ ở trên thế giới và Việt Nam việc nghiên cứu kết hợp công nghệ đo đạc tiên tiến là rất cần thiết. Qua phân tích về công nghệ, độ chính xác, tính kinh tế của công nghệ GNSS và máy đo sâu hồi âm, nhận thấy việc kết nối, vận dụng các công nghệ đo đạc tiến tiến là rất cần thiết để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, tính kinh tế trong đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển khu vực ven bờ. Đó là sử dụng các tầu, xuồng đo sâu chuyên dụng với việc định vị trên biển bằng công nghệ GNSS (DGPS, RTK, CORS RTK,…) và đo sâu bằng máy đo sâu hồi âm đơn tia hoặc đa tia. Việc ứng dụng các thiết bị và công nghệ đo đạc tiên tiến cho phép nâng cao độ chính xác và hiệu quả công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển nhằm đáp ứng các yêu cầu cần thiết của nền kinh tế quốc dân.

Công nghệ GNSS CORS RTK về mặt lý thuyết hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật để sử dụng trong công tác thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải. Để ứng dụng được cho công tác thủy đạc phục vụ thành lập hải đồ các vùng biển ven bờ Việt Nam, cần phải xét đến các yếu tố: Mật độ trạm GNSS CORS ven biển, cơ sở hạ tầng viễn thông, thiết bị thu GNSS và phạm vi khảo sát thủy đạc phục vụ bảo đảm an toàn hàng hải.

Tài liệu tham khảo

1.    Nguyễn Thị Hồng (2018), Nghiên cứu hiện trạng công nghệ đo đạc biển ở Việt Nam, Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp cơ sở hỗ trợ nghiên cứu sinh;

2.    Nguyễn Thị Hồng, Nguyễn Thanh Trang, Lương Thanh Thạch, Nguyễn An Định, Trần Văn Hải và Đỗ Văn Mong (2020), “Quy chiếu trị đo sâu địa hình đáy biển dựa trên mô hình tính toán thủy triều và các mô hình mặt biển”, Tạp chí Khoa học Đo đạc và Bản đồ, số 44-6/2020, tr.16-24...

NGÔ THỊ MẾN THƯƠNG
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 18 (Kỳ 2 tháng 9) năm 2024