Ngày nay, công nghệ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite System - GNSS) được ứng dụng có hiệu quả nhất trong quan trắc trượt lở đất đá theo thời gian thực do có nhiều ưu điểm như có độ chính xác cao, quan trắc được trong mọi điều kiện thời tiết, hoạt động liên tục theo thời gian thực, phát hiện được dịch chuyển trong không gian ba chiều. Tuy nhiên, để quan trắc phát hiện trượt lở đất đá theo thời gian thực cần phải có một hệ thống quan trắc chuyên dụng. Hệ thống quan trắc phải đáp ứng được yêu cầu hoạt động liên tục, ổn định trong thời gian dài, dữ liệu từ trạm quan trắc phải được truyền dẫn, xử lý theo thời gian thực.

ảnh minh hoạ

Quan trắc trượt lở đất đá theo thời gian thực, cần phải có hệ thống quan trắc chuyên dụng

Trượt lở đất đá là một dạng tai biến xảy ra tương đối phổ biến ở các vùng đồi núi có độ dốc lớn, ở các khu vực khai thác khoáng sản. Việc phát hiện dịch chuyển, trượt lở đất đá theo thời gian thực để cảnh báo sớm có một ý nghĩa rất lớn nhằm giảm thiểu những thiệt hại về người và tài sản. Trượt lở đất đá được phát hiện bằng hệ thống quan trắc và phân tích dữ liệu để chiết suất đại lượng chuyển dịch. Có nhiều phương pháp quan trắc trượt lở đất đá, trong đó phương pháp ứng dụng công nghệ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS đã chứng tỏ là một phương pháp hiệu quả nhất. Một trong những chiến lược giảm thiểu rủi ro do trượt lở đất đá gây ra là phải có hệ thống quan trắc theo thời gian thực và cảnh báo tức thời. Có nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất để quan trắc trượt lở đất đá, chẳng hạn như bằng hệ thống các cảm biến gắn vào khối trượt, sử dụng máy toàn đạc điện tử, máy quét lazer mặt đất và kỹ thuật viễn thám cũng đã được sử dụng trong việc quan trắc trượt lở đất đá. Việc ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS để quan trắc trượt lở đất đá và những tai biến địa chất khác cũng đã được công bố trong các công trình nghiên cứu và đã đem lại những hiệu quả nhất định. Mỗi phương pháp nêu ở trên đều có những ưu và nhược điểm cũng như khả năng áp dụng của nó. Tuy nhiên có một đặc điểm chung của các phương pháp này là quan trắc theo từng chu kỳ, vì vậy dữ liệu quan trắc không liên tục nên không thể cảnh báo sớm được hiện tượng trượt lở.

Với công nghệ GNSS, phương thức định vị trên mặt đất được thực hiện bằng việc xây dựng mạng lưới trạm CORS làm cơ sở hạ tầng không gian để đáp ứng cho các mục đích khác nhau, trong đó có quan trắc trượt lở đất đá. Khi đó, phương pháp định vị tương đối động xử lý tức thời RTK được sử dụng rộng rãi trong công tác trắc địa bản đồ. Tuy nhiên, trong quan trắc trượt lở đất đá theo thời gian thực cần phải có hệ thống quan trắc chuyên dụng hoạt động dựa trên nguyên lý định vị GNSS RTK.

Nghiên cứu thiết kế một hệ thống quan trắc trượt lở đất đá trên ứng dụng công nghệ GNSS

Theo TS. Phạm Công Khải (Trường Đại học Mỏ - Địa chất), mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu thiết kế một hệ thống quan trắc trượt lở đất đá theo thời gian thực trên ứng dụng công nghệ GNSS và kỹ thuật định vị tương đối động xử lý tức thời (Real Time Kinematic - RTK) với bộ thu GNSS tự phát triển có độ chính xác cao.

Cũng theo TS. Phạm Công Khải, phương pháp nghiên cứu được thực hiện theo các bước:

Thiết kế hệ thống quan trắc trượt lở đất đá dựa trên công nghệ GNSS: Hệ thống quan trắc chuyển dịch, trượt lở đất đá dựa trên công nghệ GNSS được thiết kế phải đảm bảo hoạt động ổn định, liên tục thu nhận tín hiệu vệ tinh, giải mã về dạng số, truyền dẫn, xử lý và hiển thị theo thời gian thực. Hệ thống gồm có ba phần chính được thể hiện như (Hình 1). Phần thứ nhất là hệ thống trạm tham chiếu hoạt động liên tục (CORS); Phần thứ hai là hệ thống các trạm quan trắc. Phần thứ ba là hệ thống truyền tải dữ liệu.

Hình 1. Sơ đồ hệ thống quan trắc trượt lở đất đá dựa trên công nghệ GNSS

Hệ thống trạm tham chiếu hoạt động liên tục (CORS đơn) có chức năng cung cấp số cải chính vị trí cho trạm quan trắc theo định dạng tiêu chuẩn RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services), xử lý số liệu của mạng lưới đo động xử lý tức thời RTK, hiệu chỉnh số nguyên đa trị của hệ thống trạm CORS, thiết lập mô hình cải chính sai số tầng đối lưu, tầng điện ly và quỹ đạo vệ tinh. Ngoài ra, máy tính chủ của trạm CORS là nơi cài đặt phần mềm xử lý dữ liệu của trạm CORS, phần mềm xử lý dữ liệu quan trắc và lưu trữ dữ liệu.

Hệ thống trạm quan trắc là máy thu tín hiệu vệ tinh GNSS sẽ thực hiện kỹ thuật đo động xử lý tức thời RTK (Real Time Kinematic) theo phương pháp định vị tương đối. Máy thu GNSS được kết nối với máy tính chủ ở trạm CORS thông qua modem wifi 4G và nhận được số cải chính vị trí từ trạm CORS để có tọa độ vị trí trạm quan trắc chính xác. Tọa độ vị trí trạm quan trắc sau cải chính được truyền về máy tính chủ theo định dạng tiêu chuẩn NMEA (National Marine Electronics Association).

Hệ thống truyền dẫn dữ liệu có nhiệm vụ truyền dữ liệu cải chính vị trí từ trạm CORS cho trạm quan trắc và truyền dữ liệu từ trạm quan trắc về máy tính chủ của trạm CORS. Việc truyền dẫn dữ liệu được thực hiện trên nền mạng IP qua giao thức NTRIP (Network Transport of RTCM via Internet Protocol).

Thiết lập hệ thống trạm CORS: Hệ thống phần cứng để thiết lập một trạm CORS gồm có một số thành phần chính như: Ăng ten thu tín hiệu vệ tinh GNSS (1); Cáp truyền tín hiệu (2); Bộ thu GNSS (3); Modem Wifi (4) ; Máy tính chủ (5); bộ lưu điện (6); Thiệt bị chống sét (7). (Hình 2a).

Hình 2.  Các thành phần và hệ thống trạm CORS

Máy tính chủ của trạm CORS được cài đặt một phần mềm chuyên dụng có chức năng tính toán số liệu, phân bổ số liệu trạm thu tĩnh, cung cấp thông tin sai phân cho điểm đo di động, xử lý số liệu của mạng lưới đo động RTK, đồng thời hiệu chỉnh các số nguyên đa trị của toàn mạng, thiết lập mô hình cải chính (gồm cải chính sai số tầng đối lưu, tầng điện ly, quỹ đạo vệ tinh). Một trạm CORS được xây dựng, lắp đặt hoàn chỉnh như ở (Hình 2b).

Thiết kế các thành phần hệ thống trạm quan trắc trượt lở đất đá theo thời gian thực: Hệ thống trạm quan trắc trượt lở đất đá bãi thải theo thời gian thực được thiết kế bao gồm các thành phần như ở (Hình 3a).

          Hình 3. Các thành phần và hệ thống trạm quan trắc trượt lở đất đá theo thời gian thực

Các thành phần bao gồm: Ăng ten GNSS (1); Bộ thu GNSS tự phát triển (2); Modem wifi tích hợp sim 4G (3); Module báo động và báo hiệu (4); Ắcquy điện áp12v (5); Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời (6); Tấm pin năng lượng mặt trời (7). Trong số các thành trên, bộ thu GNSS đã được nghiên cứu phát triển hoàn chỉnh và được kết nối nới nhau tạo thành hệ thống trạm quan trắc như ở (Hình 3b)

Kết quả quan trắc thực nghiệm mô phỏng chuyển dịch theo thời gian thực

Để kiểm chứng tính khả thi, đánh giá hiệu suất và độ chính xác của hệ thống quan trắc trượt lở đất đá đã thiết kế xây dựng, một hệ thống thiết bị mô phỏng chuyển dịch, trượt lở đất đá đã được thiết kế, chế tạo. Hệ thống thiết bị mô phỏng trượt lở đất đá được thiết kế sao cho có thể tạo ra chuyển dịch chủ động theo phương ngang và đứng (hình 4a). Đại lượng dịch chuyển đó được đo trực tiếp bằng thiết bị đo khoảng cách với độ chính xác đến ± 1mm. Đại lượng dịch chuyển này được coi là đại lượng chuyên dịch thực. Thực nghiệm mô phỏng được thực hiện ở khu vực thành phố Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh, ở đó có một trạm CORS có tên là CPCOC6 đã được thiết kế, xây dựng. Vị trí đặt trạm quan trắc thực nghiệm mô phỏng trượt lở đất đá cách trạm CORS CPCOC6 khoảng 3.4 km (hình 4b).

1. a). Hệ thống thiết bị mô phỏng trượt lở đất đá
2. b). Vị trí quan trắc thực nghiệm mô phỏng

Hình 4. Thực nghiệm quan trắc mô phỏng trượt lở đất đá

Trong thực nghiệm này tiến hành quan trắc 6 lần, mỗi lần kéo dài 20 phút với tần suất thu tín hiệu là 5 giây để tạo ra 5 lần dịch chuyển. Sau mỗi lần quan trắc, thay đổi vị trí ăng ten theo phương nằm ngang và thẳng đứng để tạo ra dịch chuyển chủ động và xác định đại lượng dịch chuyển này bằng cách đo trực tiếp bằng máy đo khoảng cách laser. Dữ liệu quan trắc được chiết xuất theo định dạng tiêu chuẩn NMEA. Dữ liệu quan trắc theo sẽ được lọc qua ba bước để loại bỏ các điểm dị thường, sau đó tính chuyển sang hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời. Sử dụng thuật toán cửa sổ trượt để phát hiện thời điểm xảy ra dịch chuyển và giá trị dịch chuyển. Giá trị dịch chuyển này được so sánh với giá trị dịch chuyển thực sẽ xác định được độ chênh lệch chuyển dịch thể hiện theo Bảng kết quả các định chuyển dịch ngang và đứng thông qua thực nghiệm mô phỏng.  

Bảng kết quả xác định chuyển dịch ngang và đứng thông qua thực nghiệm mô phỏng

Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế, phát triển hệ thống quan trắc chuyển dịch, trượt lở đất đá theo thời gian thực dựa trên công nghệ GNSS. Bộ thu GNSS cho trạm quan trắc đã được thiết kế phát triển có độ chính xác cao, thu nhận và truyền dữ liệu theo thời gian thực. Việc đánh giá hiệu suất của hệ thống quan trắc được thực hiện thông qua một thực nghiệm mô phỏng chuyển dịch. Độ chênh lệch lớn nhất giữa đại lượng chuyển dịch ngang và chuyển dịch đứng xác định bằng hệ thống quan trắc so với đại lượng chuyển dịch thực là 4.7mm về dịch chuyển ngang và 5.8 mm về dịch chuyển đứng khi cạnh cơ sở là 3.40 km. Hệ thống quan trắc được thiết kế, phát triển hoàn toàn có thể sử dụng để quan trắc chuyển dịch, trượt lở đất đá để phát hiện chuyển dịch theo thời gian thực.    

Nghiên cứu đã đề xuất mô hình hệ thống quan trắc trượt lở đất đá theo thời gian thực dựa trên công nghệ GNSS/CORS, với khả năng theo dõi dịch chuyển bề mặt liên tục, chính xác và ổn định. Kết quả bước đầu cho thấy tính khả thi trong ứng dụng thực tiễn, đặc biệt tại các khu vực địa hình phức tạp, có nguy cơ trượt lở cao. Trong thời gian tới, việc tích hợp thêm các cảm biến môi trường (mưa, độ ẩm, rung chấn), tối ưu thuật toán xử lý dữ liệu và xây dựng nền tảng cảnh báo sớm tự động sẽ là những hướng nghiên cứu cần thiết nhằm hoàn thiện hệ thống, góp phần nâng cao năng lực giám sát thiên tai và đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

Khải Minh (lược ghi)