Từ lâu, nói đến thủy đạc chúng ta hay chỉ nghĩ đến việc đo sâu, từ việc lập hải đồ bảo đảm an toàn hàng hải hay lập bản đồ địa hình đáy biển phục vụ việc quản lý và phát triển kinh tế của các ngành kinh tế biển. Tuy nhiên nhiều hoạt động trong ngành kinh tế biển như điện gió ngoài khơi, cáp ngầm dưới biển, quy hoạch không gian biển đòi hỏi nhiều dữ liệu hơn là chỉ độ sâu. Chúng cũng cần biết thành phần cấu tạo của đáy biển và tín hiệu tán xạ ngược được thu thập cùng với dữ liệu độ sâu là câu trả lời cho nhu cầu này. Tuy nhiên hiện nay chúng vẫn chưa được tận dụng triệt để.
Nền kinh tế biển toàn cầu được định giá khoảng 2,5 nghìn tỷ đô la Mỹ mỗi năm và tiếp tục mở rộng nhanh chóng. Riêng công suất điện gió ngoài khơi dự kiến sẽ đạt hàng trăm gigawatt trong thập kỷ tới, trong khi cơ sở hạ tầng dưới biển như cáp viễn thông, cáp kết nối điện và hệ thống thu giữ carbon đang được triển khai với tốc độ chưa từng có. Mỗi sự phát triển này đều phụ thuộc vào việc xác định đặc điểm đáy biển một cách đáng tin cậy. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống như lấy mẫu bằng gầu, khoan mẫu và kiểm tra bằng video vẫn còn những hạn chế cố hữu về phạm vi không gian. Chúng cung cấp dữ liệu điểm có giá trị, nhưng không thể mở rộng quy mô để đáp ứng nhu cầu hiện đại.
Hình ảnh một số loại dụng cụ lấy mẫu
Đo sâu vượt ra ngoài phạm vi chỉ là độ sâu
Đo sâu truyền thống tập trung vào việc đo độ sâu chính xác để đáp ứng các mục tiêu như lập hải đồ kiểm soát an toàn hàng hải… được hướng dẫn bởi các tiêu chuẩn S-44 của Tổ chức Thủy văn Quốc tế (IHO) về khảo sát thủy đạc. Hệ thống đo độ sâu đa tia (MBES) đã đáp ứng mạnh mẽ mục tiêu này, cho phép lập bản đồ địa hình đáy biển với độ phân giải cao. Tuy nhiên, hệ thống MBES thu thập nhiều hơn chỉ độ sâu. chúng ghi lại cả độ sâu và tín hiệu tán xạ ngược cùng một lúc. Trong khi độ sâu xác định hình dạng của đáy biển, tín hiệu tán xạ ngược cung cấp cái nhìn sâu sắc về thành phần và các đặc tính vật lý của nó. Khi thủy đạc phát triển để hỗ trợ các ứng dụng rộng hơn, việc xử lý dữ liệu tán xạ ngược không phải là đầu ra thứ cấp mà là một tập dữ liệu thủy đạc quan trọng và ngày càng trở nên cần thiết.
Tín hiệu tán xạ ngược mang đến một hướng đi khác trong công tác thủy đạc ngày nay. Được thu thập như một phần của công việc thủy đạc thường quy. Dữ liệu này cung cấp thông tin liên tục về đáy biển trên toàn bộ khu vực khảo sát mà không cần thêm thời gian thu thập. Dữ liệu đã có sẵn, thách thức thực sự nằm ở việc xử lý, diễn giải và tích hợp dữ liệu đó vào quy trình ra quyết định một cách hiệu quả như thế nào.
Ảnh tán xạ ngược đã được xử lý hiển thị các biến thể tông màu khác nhau liên quan đến đáy biển
Những gì độ sâu đơn thuần không thể hiện
Tín hiệu tán xạ ngược thể hiện cường độ năng lượng âm thanh phản xạ từ đáy biển sau khi tương tác với đáy biển. Tín hiệu phản hồi bị ảnh hưởng bởi thành phần đáy biển (bùn, cát, sỏi, đá), độ nhám và tính không đồng nhất của bề mặt, tần số âm thanh, góc tới và điều kiện môi trường.
Hướng dẫn từ các tổ chức như Cơ quan Khí tượng và Hải dương học Quốc gia (NOAA) cho thấy rằng các khu vực có độ sâu giống nhau có thể tạo ra các tín hiệu tán xạ ngược khác nhau đáng kể. Trong khi độ sâu mô tả hình dạng hình học, thì tán xạ ngược thể hiện thành phần cấu tạo.
Hình ảnh tán xạ ngược và dữ liệu độ sâu
Từ dữ liệu đến hiểu biết: một góc nhìn thực tiễn về quy trình làm việc
Việc chuyển đổi dữ liệu tán xạ ngược thành một sản phẩm thủy đạc có thể sử dụng được đòi hỏi một quy trình làm việc có cấu trúc và nhất quán. Qua tham khảo một số hoạt động khảo sát, dữ liệu đo sâu được xử lý bằng phần mềm của QPS, CARIS, v.v. Tín hiệu tán xạ ngược được tinh chỉnh bằng các công cụ như QPS-FMGT để tạo ra các ảnh ghép chuẩn hóa. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra bao gồm các thông số thu thập nhất quán, lựa chọn tần số phù hợp, hiệu chỉnh bức xạ và hình học, và các kỹ thuật ghép ảnh mạnh mẽ. Nói cách khác, quá trình chuyển đổi từ cường độ âm thanh thô sang thông tin đáy biển có thể diễn giải được không phải là tự động. Nó đòi hỏi cả chuyên môn kỹ thuật và thiết kế quy trình làm việc có chủ đích.
Hình minh họa khái niệm thể hiện sự thay đổi cường độ tán xạ ngượctheo góc chiếu của chùm tia.
Giá trị và lợi ích mang lại cho nhiều ngành công nghiệp
Về cơ bản, dữ liệu tán xạ ngược là một tập dữ liệu thủy đạc, nhưng giá trị của nó mở rộng ra nhiều lĩnh vực hàng hải, bao gồm:
Năng lượng ngoài khơi: dữ liệu tán xạ ngược hỗ trợ thiết kế nền móng, định tuyến cáp và đánh giá xói mòn bằng cách xác định loại trầm tích và sự biến đổi của đáy biển, trực tiếp giảm thiểu sự không chắc chắn và tối ưu hóa các quyết định kỹ thuật.
- Cảng và hàng hải: nó cho phép xác định chính xác các vật liệu có thể nạo vét và không thể nạo vét, cải thiện hiệu quả và giảm chi phí vận hành.
- Cơ sở hạ tầng dưới biển: dữ liệu tán xạ ngược tiết lộ các mối nguy hiểm như đá lộ thiên, đá tảng và trầm tích di động mà không thể thấy rõ chỉ từ dữ liệu đo độ sâu.
- Quản lý môi trường: nó cung cấp bản đồ môi trường sống có thể mở rộng để hỗ trợ đánh giá môi trường, lập kế hoạch bảo tồn và tuân thủ quy định.
Những ứng dụng này làm nổi bật cách dữ liệu thủy đạc, đặc biệt là dữ liệu tán xạ ngược, hỗ trợ trực tiếp các lĩnh vực kinh tế biển quan trọng, biến thủy văn học từ một ngành tập trung vào hàng hải thành một yếu tố then chốt thúc đẩy phát triển đại dương bền vững.
Trong lịch sử, dữ liệu tán xạ ngược thường được sử dụng như một tập dữ liệu định tính. Tuy nhiên, những tiến bộ trong hiệu chuẩn, phân tích phản hồi góc và quy trình xử lý đang cho phép tạo ra các sản phẩm tán xạ ngược định lượng. Khi được hiệu chuẩn và lưu trữ đúng cách, dữ liệu tán xạ ngược trở thành một tập dữ liệu chuỗi thời gian có khả năng hỗ trợ giám sát dài hạn sự thay đổi đáy biển và phân tích dự đoán. Các kỹ thuật học máy mới nổi đang tiếp tục nâng cao giá trị của nó. Vì các mô hình này yêu cầu các tập dữ liệu lớn, chất lượng cao, các tổ chức đầu tư vào dữ liệu tán xạ ngược ngày nay sẽ có vị thế tốt hơn để tận dụng phân loại đáy biển tự động trong tương lai. Điều này đặc biệt quan trọng ở những khu vực thiếu dữ liệu, nơi thông tin đáy biển được cải thiện có thể trực tiếp hỗ trợ phát triển thủy văn quốc gia và sử dụng đại dương bền vững.
Vì sao dữ liệu tán xạ ngược quan trọng như vậy nhưng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi?
Có nhiều lý do khiến dữ liệu tán xạ ngược hiện đang chưa được sử dụng rộng rãi. Thứ nhất, chất lượng tín hiệu tán xạ ngược phụ thuộc rất nhiều vào cài đặt sonar nhất quán, chuyển động của tàu và thiết kế khảo sát. Sự thay đổi độ nhạy này có nghĩa là sự thay đổi trong các thông số thu thập ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của ảnh ghép cuối cùng. Thứ hai, cường độ tín hiệu phản hồi thay đổi theo góc chiếu của chùm tia. Nếu không có hiệu chỉnh góc thích hợp, các hiện tượng nhiễu có thể làm sai lệch các đặc điểm thực của đáy biển. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là việc xử lý dữ liệu tán xạ ngược rất phức tạp. Không giống như dữ liệu đo độ sâu đơn thuần, quy trình làm việc với dữ liệu tán xạ ngược thiếu sự chuẩn hóa hoàn toàn. Sự khác biệt trong phương pháp xử lý có thể dẫn đến sự không nhất quán giữa các tập dữ liệu, làm phức tạp việc giải thích. Tuy nhiên, những thách thức này không phải là hạn chế của bản thân dữ liệu tán xạ ngược, mà là dấu hiệu cho thấy cần phải cải thiện kỷ luật quy trình làm việc và đào tạo trong thực tiễn thủy đạc.
Nguồn tài liệu tham khảo: Onogateoghene Idoge – một sĩ quan hải quân và là một nhà khảo sát thủy đạc hạng A thuộc Cục Thủy đạc Quốc gia (Nigeria)