Bộ máy thu Geocube (bên trái) và một số cảm biến số liệu bổ sung
gồm cảm biến khí gas (giữa), thiết bị đo gió (phải)
Theo dõi biến dạng (Deformation Monitoring) là ứng dụng hết sức quan trọng trong thực tiễn bởi hầu như tất cả các đối tượng đều bị thay đổi theo thời gian dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Các công trình xây dựng chịu tác động của biến đổi địa chất dẫn tới những dịch chuyển hoặc lún nghiêng, các khu vực khai thác mỏ luôn có nguy cơ sạt lở do các hoạt động khai thác hay mưa lũ, các khối băng tan dưới tác động của ánh nắng mặt trời và sự tăng nhiệt trên trái đất … Những biến đổi này đều ít nhiều hoặc nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của chính chúng ta. Có thể nói những tiến bộ về công nghệ đo đạc, kỹ thuật truyền số liệu, nền tảng công nghệ thông tin, công nghệ truyền thông … đã làm thay đổi rất nhiều công tác theo dõi biến dạng, tuy nhiên một trong những điểm trở ngại lớn nhất khi triển khai nhiệm vụ này chính là giá thành của các trang thiết bị kỹ thuật công nghệ cấu thành giải pháp theo dõi biến dạng thường có giá thành cao, hơn nữa lại phải lắp đặt cố định tại một vị trí và chỉ phục vụ được cho một mục đích duy nhất. Thiết bị thu nhận tín hiệu định vị vệ tinh GPS đã và đang là một hợp phần rất quan trọng trong các giải pháp theo dõi biến dạng trên thế giới, tuy nhiên ở Việt Nam cho tới thời điểm hiện tại, giá thành của mỗi bộ máy thu GPS vẫn lên tới hàng chục nghìn đôla Mỹ, theo đó việc tích hợp GPS vào các hệ thống thiết bị phục vụ cho mục đích theo dõi biến dạng vẫn chưa phổ biến.
Trong hai Bản tin Công nghệ tới đây, chúng tôi sẽ giới thiệu tới Quý Độc giả phương án sử dụng các cảm biến GPS giá rẻ phục vụ cho mục đích theo dõi biến dạng khối băng. Mặc dù tại Việt Nam băng tuyết không tồn tại, tuy nhiên chúng ta vẫn có thể áp dụng được giải pháp giá rẻ này phục vụ cho các ứng dụng theo dõi biến dạng khác như trượt lở đất, khai thác mỏ …
Giám sát biến dạng băng tan là công tác nghiên cứu mang lại giá trị rất lớn cho các nhà khoa học quan tâm tới biến đổi khí hậu. Do những dịch chuyển của băng thường diễn ra rất chậm, sử dụng phương pháp giám sát bán cố định để theo dõi những dịch chuyển nhỏ của băng là giải pháp đặc biệt phù hợp. Hơn thế nữa bằng cách sử dụng các cảm biến số liệu GPS giá rẻ tích hợp vào lưới các cảm biến không dây có khả năng tạo ra một giải pháp theo dõi biến dạng băng vô cùng hợp lý trong thực tiễn.
Các tảng băng thường tồn tại thành những khối có kích thước lớn, chuyển động rất chậm từ khu vực cao xuống khu vực thấp dưới tác động của trọng lực và khí hậu. Trong khi di chuyển xuống khu vực thấp, các khối băng bị biến đổi hình dạng sẽ tạo ra những khe nứt, những khe nứt này làm cho tốc độ tan băng diễn ra nhanh hơn và đồng thời các khối băng cũng di chuyển xuống dưới với tốc độ cao hơn. Giám sát chuyển dịch của những khối băng này được các nhà khoa học rất quan tâm, nhưng do đặc thù chuyển động chậm của các tảng băng cũng như phương pháp theo dõi bán cố định, nên chúng ta cần khá nhiều các điểm quan trắc trong một khu vực, để có thể mô tả lại một cách chi tiết xu hướng dịch chuyển của băng trên toàn khu vực, tuy nhiên việc tăng số lượng trạm quan trắc cũng đồng nghĩa với việc chi phí tăng theo. Sử dụng các cảm biến GPS có giá thành rẻ trên thị trường để xây dựng giải pháp theo dõi biến dạng băng là phương án có khả năng đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật đồng thời đảm bảo được chi phí đầu tư không quá cao.
GPS GIÁ RẺ
Những năm vừa qua, việc mở rộng ứng dụng các hệ thống di động đã dẫn tới việc ra đời hàng loạt các thiết bị GPS giá rẻ tiêu thụ điện năng siêu thấp, bao gồm các cảm biến GPS một tần số (L1) có khả năng xử lý tín hiệu sóng mang (Carrier Phase). Những cảm biến như vậy được cung cấp ra thị trường dưới dạng các modul có giá thành dưới 1.000 đôla Mỹ. Những modul GPS này được sử dụng để cung cấp số liệu tham chiếu địa lý cho các ứng dụng khác. Thông thường những modul GPS này cung cấp độ chính xác tới mét từ các phép xử lý tín hiệu mã GPS (Code Phase), với các ứng dụng cao cấp hơn hoàn toàn có thể áp dụng các nguyên lý đo đạc GPS vào các modul này như sử dụng phép đo sóng mang kết hợp với định vị quan hệ so sánh với các điểm đo khác đã biết chính xác tọa độ để đạt được kết quả tính toán vị trí độ chính xác cao hơn đủ để có thể sử dụng số liệu định vị này phục vụ cho các ứng dụng theo dõi biến dạng. Những modul GPS dạng này có thể được xác lập cấu hình để hoạt động trong cùng một mạng lưới cảm biến quan trắc biến dạng không dây WSN (Wireless Sensor Network).
GEOCUBES
Trong một lưới WSN, có nhiều thiết bị và cảm biến cùng hoạt động để đo và cung cấp các tham số môi trường một cách liên tục. Mỗi hệ thống theo dõi biến dạng trong một khu vực có diện tích khoảng 1 km2 thường bao gồm từ 10 đến 50 trạm cung cấp số liệu. Viện Thông tin Địa lý và Lâm nghiệp Cộng hòa Pháp (IGN-France) đã nghiên cứu và phát triển các thiết bị cho một mạng lưới WSN với tên gọi Geocubes (Hình 1). Mỗi bộ Geocubes được trang bị tất cả các hợp phần chức năng cơ bản gồm pin cấp điện trong, bộ xử lý GPS phục vụ xác định vị trí và cung cấp số liệu thời gian, một máy tính quản lý thu nhận và lưu trữ số liệu, và một bộ thu phát radio phục vụ trao đổi số liệu. Một tấm pin mặt trời cũng được sử dụng để cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống, nguồn điện này đảm bảo cho việc triển khai lắp đặt thiết bị ở bất kỳ vị trí nào trong khu vực nghiên cứu trong suốt thời gian ghi nhận số liệu thực địa. Để có thể xác định chính xác yếu tố thời gian trên toàn bộ lưới đáp ứng yêu cầu đồng nhất thời gian thu nhận số liệu thực địa, đồng hồ của máy tính được kiểm soát bởi máy thu GPS đạt tới độ chính xác 100 micro giây. Ngoài ra Geocube còn được thiết kế để có thể bổ sung thêm các modul cảm biến môi trường khác như các cảm biến khí tượng, thiết bị đo áp suất (Piezometer), địa chấn kế (Seismograph). Geocube giao tiếp với các thiết bị ngoại vi này thông qua các giao thức số liệu chuẩn và một số cổng kết nối nối tiếp (Serial Connection) hoặc kết nối tới mạch trực tiếp qua cổng 64 chân chuẩn.
Geocube có kích thước khá nhỏ với chiều dài mỗi cạnh chỉ 7cm, đặc biệt hơn giá thành của thiết bị chỉ nằm trong giới hạn 1.000 đôla Mỹ, vì thế có khả năng triển khai trên khu vực nghiên cứu với mật độ trạm quan trắc dày hơn nhiều so với các hệ thống đắt tiền khác.
HOẠT ĐỘNG CỦA LƯỚI QUAN TRẮC
Bất kỳ hệ thống WSN nào đều hoạt động dựa trên cùng một mạng lưới. Tất cả các tác vụ phức hợp như tập trung hóa số liệu, xử lý số liệu, lưu trữ trên cơ sở dữ liệu và quản trị mạng đều được thực hiện từ một nút mạng chính, được gọi chung là nút phối hợp (Coordinator) như trong Hình 2. Theo thiết kế hệ thống, mỗi nút Geocube đều có kết nối không dây và truyền số liệu liên tục tới cho nút phối hợp. Chính điểm này làm cho Geocube trở nên mềm dẻo dễ điều khiển hơn, đồng thời cũng giảm được một cách đáng kể điện năng tiêu thụ.
Hình 2 – Mô hình lưới quan trắc biến dạng sử dụng GPS giá rẻ Geocubes
Nút phối hợp thường được xác lập ngay trên thực địa gần với lưới WSN (Hình 3) và cần được lắp đặt kiểm tra một cách cẩn trọng. Bởi nút phối hợp này sẽ hoạt động giống như cơ quan đầu não của toàn bộ hệ thống nên nguồn cấp điện cũng đòi hỏi nhiều hơn, nếu sử dụng năng lượng mặt trời thì các tấm cảm quang cũng cần lớn hơn mới đủ điện năng cho các thiết bị hoạt động. Hơn thế nữa đây là nút rất quan trọng trong toàn bộ lưới, là hợp phần trung tâm nên việc dịch vụ bị gián đoạn là điều không được phép xảy ra khi triển khai. Các hợp phần khác trong lưới sẽ kết nối với nút phối hợp thông qua đường truyền Internet, đường cáp, 3G hoặc kết nối vệ tinh phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện hạ tầng khu vực triển khai cũng như ứng dụng. Người sử dụng từ các trạm xa có thể hỏi đáp vào cơ sở dữ liệu, hiển thị số liệu cũng như thay đổi một số cách xác lập cấu hình cảm biến.
ĐỊNH VỊ
Các vệ tinh định vị trong hệ thống GPS cung cấp hai dạng tín hiệu L1 và L2 trên mỗi tần số khác nhau. Những máy thu có độ chính xác cao (Geodetic Receivers) được sử dụng trong trắc địa cao cấp có khả năng xử lý các phép đo sóng mang trên cả hai tần số L1/L2 cho phép chúng hiệu chỉnh độ trễ khi tín hiệu đi qua tầng điện ly, một trong những nguồn gây sai số lớn nhất trong đo đạc GPS. Các máy thu cao cấp có thể thực hiện được khả năng hiệu chỉnh nàybởi ảnh hưởng của độ trễ tín hiệu qua tầng điện ly khác nhau trên hai tần số L1 và L2. Các máy thu cấp thấp có giá thành rẻ như loại máy sử dụng trong Geocubes chỉ có khả năng xử lý số liệu sóng mang trên tần số L1. Mặc dù vậy, trong phương pháp quan trắc biến dạng không nhất thiết phải tính toán chính xác các vị trí độc lập, quan trọng hơn ở đây là phải xác định được chính xác đường cơ sở (Baseline) tạo bởi hai trạm GPS, đây chính là điểm mấu chốt để xác định biến dạng. Với các đường cơ sở có độ dài dưới 1km, hoàn toàn có thể tính toán chính xác bằng việc chỉ sử dụng số liệu đo trên tần số L1.
Hình 3 – Nút phối hợp trong hệ thống 13 trạm
Geocube nghiên cứu tại Argentiere
Khi số liệu đã được tập trung tại nút phối hợp, phương pháp lọc mở rộng Kalman được sử dụng để tính toán các vị trí lắp đặt Geocubes trong chế độ thời gian thực. Quá trình tính toán xử lý số liệu còn kết hợp với việc quan trắc so sánh phép đo sóng mang giữa hai máy thu và hai vệ tinh. Bằng cách kết hợp hai phương pháp tính toán phân sai này, sai số đồng hồ được loại bỏ đồng thời giảm đáng kể sai số gây ra bởi tầng điện ly và tầng đối lưu. Phương pháp lọc Kalman giúp cải thiện độ chính xác của các phép đo bằng cách giả định chuyển dịch mỗi điểm và tích hợp tất cả số liệu quan trắc trong cùng một khung thời gian. Phần mềm xác định tính toán vị trí được cài đặt để chạy tại nút phối hợp. Nhiệm vụ xử lý lưới được thực thi sử dụng số liệu đo thô sóng mang đơn tần L1 cung cấp bởi tất cả các nút đang hoạt động trên lưới. Kết quả cuối cùng là vị trí dịch chuyển của các điểm trong lưới được xác định bởi một khung tham chiếu cố định tạo bởi tối thiểu 3 bộ Geocubes lắp đặt cố định tại các vị trí liền kề lưới quan trắc biến dạng. Kết quả tính toán vị trí theo thời gian của mỗi trạm đo Geocubes đã cung cấp số liệu phục vụ xác định biến dạng vị trí có độ phân giải lên tới 1 giây và độ lệch chuẩn vị trí nằm trong giới hạn 1cm.
SỐ LIỆU BỔ SUNG
Những dịch chuyển và biến dạng đã ghi nhận có thể được bổ sung nhiều thông tin hơn nhờsử dụng các phép đo và số liệu thu được từ các cảm biến bổ sung trong lưới WSN, những số liệu bổ sung này còn giúp cho quá trình phân tích khác biệt vị trí theo thời gian và biến dạng thực tế của khu vực cũng như đối tượng quan trắc. Thêm vào đó, những cảm biến này còn giám sát các điều kiện tại thời điểm số liệu được ghi nhận qua đó tăng cường tính tin cậy của số liệu đã thu. Ví dụ, tính ổn định của các máy thu GPS có thể kiểm tra được bằng cách sử dụng số liệu thu được từ thiết bị đo độ nghiêng (Inclinometer), đó là cơ sở đảm bảo độ ổn định của hệ thống treo và gá lắp thiết bị đo trên từng nút mạng.
ỨNG DỤNG THỰC TIỄN
Để thử nghiệm khả năng hoạt động của Geocube trong lưới quan trắc, 13 bộ Geocube đã được sử dụng để nghiên cứu động năng dịch chuyển của băng tại Argentiere, Mont Blanc, Pháp. Mục đích của dự án nghiên cứu này là giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn những biến động của lớp bề mặt các khối băng dưới tác động của mưa lớn trong mùa thu. Trong thời gian liên tục kéo dài 60 ngày, 11 bộ Geocube đã được gắn cố định lên mặt băng trong khu vực rộng 800m x 300m, đồng thời 2 bộ Geocube khác được gắn cố định để làm trạm tham chiếu cho 11 bộ Geocube gắn trên băng. Nút phối hợp được xác lập ngay cạnh một trong hai bộ Geocube tham chiếu để quản lý toàn bộ lưới nghiên cứu. Với mong muốn giám sát một cách chính xác quá trình thay đổi, dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của băng bằng thiết bị Geocube sau này nên các nhà nghiên cứu đã so sánh các kết quả đo mà Geocube thu được với các kết quả đo biến dạng sử dụng các thiết bị đo truyền thống, kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không mặt đất và kỹ thuật quét laser 3 chiều mặt đất. Các kết quả thu được với thiết bị Geocube hết sức khả quan, ngoài độ chính xác Geocube còn thể hiện rất rõ tốc độ và hướng dịch chuyển của băng dưới tác động của những trận mưa lớn diễn ra trong khu vực. Qua dự án thử nghiệm này, các nhà khoa học rất tin tưởng vào việc mở rộng ứng dụng cho Geocube trong tương lai.
Hình 4 – Kết quả nghiên cứu băng tan tại đỉnh Argentiere, số liệu cũng cho thấy
rõ hướng và tốc độ chuyển dịch của khối băng theo ngày.