Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết bị camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để quan trắc và tính toán các tham số sóng trong vùng sóng vỡ ven bờ tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An trong đợt bão DOKSURI đổ bộ từ ngày 12 đến 15/9/2017.
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CAMERA KẾT HỢP HỆ THỐNG CỌC TIÊU QUAN TRẮC VÀ TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ SÓNG VÙNG SÓNG VỠ VEN BỜ TẠI KHU VỰC BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN Nguyễn Ngọc Thế1, Dương Cơng Điển2, Trần Thanh Tùng3, Nguyễn Trung Việt3 Tóm tắt: Song song với phát triển khoa học cơng nghệ phương pháp đo đạc quan trắc tham số sóng biển áp dụng nhiều nguyên lý giải pháp công nghệ khác Nội dung báo trình bày kết nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết bị camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để quan trắc tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ khu vực biển Cửa Đại, Hội An đợt bão DOKSURI đổ từ ngày 12 đến 15/9/2017 Trong nghiên cứu tác giả xây dựng thành cơng quy trình từ thiết kế chế tạo, quan trắc đến xây dựng chương trình phân tích, xử lý trích xuất tham số sóng Kết nghiên cứu có đóng góp quan trọng lĩnh vực thực nghiệm, thí nghiệm mơ mơ hình quan trắc, phân tích, tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ điều kiện bão cho khu vực ven biển Từ khóa: Camera, hệ thống cọc tiêu, nước dâng sóng, Cửa Đại, Hội An ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong nghiên cứu khoa học biển nói chung nghiên cứu động lực học sóng vùng ven bờ nói riêng, số liệu đo đạc ln giữ vai trò quan trọng việc kiểm nghiệm phát triển phương pháp tính tốn mơ hình số trị Chính vậy, giới Việt Nam nhà khoa học nghiên cứu áp dụng nhiều phương pháp để đo đạc xác định tham số sóng như: Phương pháp sử dụng nguyên lý áp suất, phương pháp sử dụng nguyên lý truyền phản xạ âm, phương pháp dựa nguyên lý dao động, phương pháp sử dụng quang học, phương pháp viễn thám…Tuy nhiên, phương pháp có ưu điểm hạn chế khác thực tế áp dụng để đo đạc tham số sóng Khi áp dụng đo đạc tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ phương pháp sử dụng nguyên lý áp suất thường bị hạn chế độ sâu nước khu vực đo đạc nên thường không đem lại hiệu tốt Hạn chế phương Trường Cao đẳng Công nghệ - Kinh tế Thủy lợi miền Trung Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Đại học Thủy lợi 148 pháp sử dụng nguyên lý truyền phản xạ âm đo tham số sóng khu vực sóng vỡ thiết bị thu nhận tín hiệu âm khơng xác khu vực sóng vỡ có mơi trường nước sau sóng đổ hỗn hợp nước bọt khí, vận tốc truyền âm môi trường trở nên hỗn loạn Đối với phương pháp đo sóng dựa nguyên lý dao động, phương pháp chủ yếu trang bị loại phao đo sóng dùng để đo đạc vùng nước sâu, áp dụng vùng sóng vỡ với trạng thái mặt biển hỗn loạn, thiết bị đo khó giữ trạng thái ổn định thiết bị đo không phản ánh dao động mặt nước vị trí Phương pháp sử dụng quang học sử dụng nguyên lý quang học, thiết bị dùng đo đạc chủ yếu thiết bị quang học camera, ống ngắm… hạn chế lớn phương pháp phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng thời gian đo đạc Tại Việt Nam, phương pháp để xác định nước dâng sóng vùng ven bờ phổ biến phương pháp truyền thống tìm đo đạc dấu vết nước biển dâng lên cao bão để lại khu vực bờ bãi, nhà cửa, cơng trình bị ngập (Đinh Văn Mạnh, 2014) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) Trong thời gian gần có đề tài nghiên cứu ứng dụng ứng dụng công nghệ video - camera để xác định đặc trưng sóng dựa số liệu ảnh chuỗi thời gian trích xuất mặt cắt định trước (Nguyễn Trung Việt, 2015) Tại nước nghiên cứu ứng dụng thiết bị LIDA, camera, hệ thống cọc tiêu để quan trắc đánh giá mô tả biến đổi sóng, tiêu tán phản xạ vùng ven bờ (Rafael Almar, et al 2012) Từ vấn đề trên, khuôn khổ báo tác giả tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết bị camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để quan trắc tính tốn nước dâng sóng bão vùng ven bờ áp dụng cho bão DOKSURI từ ngày 12 đến ngày 15 tháng năm 2017 khu vực biển Cửa Đại, Hội An SỐ LIỆU SỬ DỤNG VÀ CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Số liệu phục vụ nghiên cứu Các số liệu phục vụ nghiên cứu, bao gồm: - Các hình ảnh lưu trữ thẻ nhớ camera - Dữ liệu vị trí cọc tiêu, cao độ bãi biển vị trí cọc cao độ đỉnh cọc Sơ đồ bố trí cọc cao độ địa hình đáy biển trước sau đo đạc thể hình - Số liệu mực nước thủy triều nước dâng tổng cộng: Độ cao mực nước thủy triều lấy từ kết phân tích thủy triều dựa số phân tích điều hòa trạm Sơn Trà, Đà Nẵng từ ngày 14 đến ngày 16 tháng 09 năm 2017 - Thông tin số liệu bão DOKSURI từ ngày 12/9/2017 đến ngày 15/9/2017 Hình Mặt cắt ngang địa hình - bố trí hệ thống cọc tiêu bãi biển KS AGRIBANK ngày 12, 15/9/2017 2.2 Cơ sở phương pháp phân tích tham số sóng 2.2.1 Cở sở phương pháp phân tích ảnh từ camera 2.2.1.1 Cơ sở định dạng màu điểm ảnh Trong khung hình camera ghi lại, điểm ảnh thể màu, màu lưu trữ file ảnh dạng số (cường độ màu) màu đỏ, xanh dương xanh lá, phần màu nhìn thấy tổng hợp từ ba màu mà hình thành Sơ đồ tổng hợp màu thể hình Như vậy, điểm ảnh khung hình tồn thông số cường độ màu cường độ màu đỏ, màu Hình Bố trí cọc cao đạc độ cao cọc tiêu xanh dương màu xanh Đây sở để so sánh phân biệt khác biệt màu sắc hai điểm ảnh Trong nội dung nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết bị camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để quan trắc tính tốn nước dâng sóng bão vùng ven bờ, sở áp dụng để phân biệt hai điểm ảnh ranh giới phần mặt nước cọc tiêu thông qua dải cường độ màu nước (cường độ cao) dải cường độ màu cọc (dải cường độ thấp) 2.2.1.2 Cơ sở phân biệt ranh giới cọc tiêu Nếu ta xét mặt cắt thẳng đứng dọc theo cọc tiêu với độ rộng điểm ảnh chiều dài số điểm ảnh điểm cao KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 149 cọc tiêu, sơ đồ mặt cắt dọc theo cọc tiêu hình 4, ta bắt gặp vị trí điểm ảnh điểm phân tách hai phần phần mặt nước phần mặt nước Để xác định vị trí điểm ảnh ranh giới cần phải dựa khác biệt cường độ màu (màu xanh dương màu xanh lá) màu nước biển (cường độ màu nằm dải cường độ cao) màu sơn cọc (cường độ màu dải cường độ thấp), phần thiết kế đưa tiêu chí tạo nên khác biệt cách lớn dễ nhận Hình Sơ đồ mặt cắt dọc theo cọc tiêu Hình Sơ đồ tổng hợp màu 2.2.1.3 Cơ sở lý thuyết phân tích tham số sóng zero cross (mặt cắt khơng) Hình Sơ đồ phân tích sóng theo “đường cắt khơng” Từ chuỗi liệu dao động mực nước trích xuất dạng số lượng điểm ảnh từ đầu 150 biết chương trình xử lý phân tích Qua khung hình, ta có khoảng cách từ điểm đầu mặt cắt đến điểm phân tách tính dạng số điểm ảnh (số pixel), số điểm ảnh thay đổi qua khung hình (tần số 25 hình/giây) tương ứng với dao động mặt nước sóng tính số pixel Dựa vào khoảng cách xác định sẵn cọc, ta quy đổi từ số điểm ảnh sang đơn vị độ dài thực tế, chuỗi khoảng cách theo thời gian cho ta giao động mặt nước tương ứng với dao động sóng cọc tiêu tới vị trí mặt nước, dựa vào thước khoảng cách cọc xác định trước quy đổi từ số lượng điểm ảnh sang đơn vị độ dài Khoảng cách độ dài từ đỉnh cọc tới điểm phân tách mặt nước thu nhận liên tục chuỗi thời gian ghi hình Từ chuỗi dao động mặt nước thu được, để phân tích tham số sóng nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích theo đường cắt khơng Các tham số phân tích theo sơ đồ cắt khơng trình bày hình Đường cắt khơng hay đường mực nước trung bình lấy giá trị trung bình toàn chuỗi liệu obs đo đạc Mỗi sóng (gồm phần đỉnh sóng bụng sóng) phần liệu nằm khoảng hai lần giao liên tiếp vị trí Sau có chuỗi giá trị tham số sóng, xếp chúng theo thứ tự tăng dần ta có đại lượng thống kế sóng sau: H1/3 = Hsig = H33%: Độ cao sóng có nghĩa tính trung bình 1/3 sóng lớn chuỗi; KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) H10: Độ cao sóng 1/10, tính trung bình 1/10 sóng lớn nhất; Hmax: Độ cao sóng lớn chuỗi; Hmean: Độ cao sóng trung bình; Tz: Chu kỳ sóng trung bình; Tsig: Chu kỳ sóng có nghĩa; Tc: Chu kỳ ứng với phần đỉnh phổ sóng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Kết lựa chọn thiết bị camera thiết kế chế tạo cọc tiêu 3.1.1 Lựa chọn thiết bị camera Phương pháp xác định dao động mực nước vị trí cọc tiêu dựa nguyên lý khác biệt tín hiệu màu (R-đỏ, B-xanh dương G-xanh lá) phần nước phần màu cọc tiêu Do lựa chọn chủng loại camera quan sát cần lựa chọn camera đạt yêu cầu sau: - Về độ phân dải: Độ phân giải (resolution) số điểm lưu giữ hình ảnh mà cảm biến camera quan sát ghi nhận được, thông thường số điểm ảnh (còn gọi số pixel) tính theo ma trận chiều (chiều ngang chiều thẳng đứng) Đối với loại camera phổ thông nay, độ phân giải đạt tới HD (1280 × 720 pixel), Full HD (1920 x 1080 Pixel) 4k (3840x2160 pixel) cao Độ phân giải có ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ điểm ảnh đơn vị diện tích, hay nói cách khác độ phân giải cao mật độ điểm ảnh đơn vị diện tích lớn Đối với quan trắc sóng, độ phân giải camera liên quan trực tiếp tới số lượng pixel mặt cắt thẳng đứng dọc theo cọc tiêu, điều có nghĩa sai số giải đốn nhỏ với kích thước pixel ảnh giải đoán - Về cường độ màu: Tại thời điểm (1 khung hình) điểm ảnh camera ghi lại tín hiệu màu, tín hiệu màu tổng hợp màu màu đỏ, màu xanh dương màu xanh Đối với màu (đỏ , xanh dương xanh lá) camera ghi nhận dạng số học gọi cường độ màu Tùy thuộc vào công nghệ lưu trữ camera mà ghi lưu trữ cường độ màu giải khác nhau, thông thường giải màu bit (0 đến 255), dải màu 16 bit (0-65,025) Như loại camera cho phép phân biệt màu sắc đối tượng khác phụ thuộc vào độ nhạy cảm biến màu sắc Trong phương pháp giải đốn sóng phân biệt màu sắc màu cọc tiêu màu nước biển - Về tần số quay: Tần số quay số lượng hình ảnh mà camera ghi nhận thời gian giây Các camera thông thường có tần số quay khoảng 25hz đến 60 hz (25 đến 60 hình/giây) Với tần số cao vậy, quan trắc sóng với camera có lợi vượt trội hẳn so với sensor áp suất (tần số đến 10 hz) việc thu nhận tín hiệu dao động mặt nước, đặc biệt điều kiện sóng đổ phần đỉnh sóng chuyển động nhanh 3.1.2 Thiết kế chế tạo cọc tiêu Việc thiết kế, bố trí lựa chọn cọc tiêu phần quan trọng phương pháp đo đạc Do thiết kế lựa chọn cọc tiêu cần lưu ý vấn đề sau: - Về số lượng cọc tiêu: Số lượng cọc tiêu xác định tùy thuộc vào mục tiêu người sử dụng Đối với phương pháp tham số sóng giải đốn vị trí cọc tiêu đặt -Về kích thước: Kích thước cọc tiêu sử dụng phụ thuộc vào điều kiện đo đạc Đối với chiều dài cọc tiêu phải đảm bảo lớn chiều cao sóng cần quan trắc, đường kính cọc tiêu phải đủ lớn (chiếm từ pixel ảnh trở lên) để thiết lập mặt cắt theo chiều dọc - Về hình dạng: Trong nghiên cứu này, mục đích trích xuất dao động mực nước theo mặt cắt cọc hình dạng cọc tiêu phải dạng thẳng - Về màu sơn cọc tiêu: Màu sơn cọc tiêu phải gam màu tương phản màu nước biển khu vực nghiên cứu Để thuận tiện giải đoán ranh giới phần ngập nước phần cọc không ngập nước, màu sơn cọc thường sử dụng gam màu có cường độ thấp (màu đen tuyệt đối, đỏ=0, xanh dương=0, xanh cây=0) màu đen phản quang - Về chất liệu: Chất liệu cọc sử dụng cách linh động (gỗ, tre, kim loại), nhiên KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 151 phải đảm bảo độ cứng, rung lắc, biến dạng quan trắc 3.2 Kết phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước sóng từ hệ thống camera cọc tiêu Trong thực tế đo đạc, hệ thống camera cọc tiêu thiết lập mặt cắt ngang bãi biển Các liệu sử dụng cho nghiên cứu tiến hành đo đạc thu thập sẵn sàng cho việc phân tích tham số sóng Trong obs quan trắc, thời gian ghi tuân thủ theo tiêu chuẩn quan trắc sóng giống tiêu chuẩn đo đạc phương tiện đo khác Mỗi obs đo tối thiểu thu nhận từ Hình Sơ đồ khối chương trình trích xuất tin hiệu từ camera hệ thống cọc tiêu Hình Dao động mực nước vị trí cọc C1 đến C6 152 100 sóng (trung bình chu kỳ sóng 5-7 giây/ sóng) tương đương 500 đến 700 giây ghi hình 10 đến 15 phút Định dạng lưu trữ camera phụ thuộc vào hãng sản suất, thông dụng lưu trữ dạng file mp4, avi, mts… Sau hồn thành cơng tác đo đạc trường, dao động mực nước sóng tiến hành trích xuất thơng qua chương trình phân tích hình ảnh viết ngơn ngữ lập trình MATLAB Sơ đồ khối, cấu trúc chương trình trình bày bên hình Kết trích xuất dao động nước dâng sóng cọc C1 đến C6 biểu thị hình Hình Kết phân tích tín hiệu màu R,G,B mặt cắt dọc cọc tiêu Hình Dao động mực nước thủy triều phân tích dao động mực nước tổng cộng trạm Sơn Trà, Đà Nẵng ngày 14 đến ngày 17 tháng 09 năm 2017 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 3.3 Kết phân tích nước dâng sóng bão từ ảnh video-camera 3.3.1 Tính tốn mực nước trung bình vị trí cọc tiêu Từ chuỗi số liệu dao động mực nước trích xuất vị trí cọc tiêu, tiến hành tính trung bình tồn thời gian thu giá trị mực nước dâng tổng cộng bao gồm thành phần: Mực nước thủy triều, mực nước dâng sóng mực nước dâng tác động khác 3.3.2 Tính tốn mực nước dâng sóng Tính tốn mực nước dâng sóng vị trí cọc tính tốn theo cơng thức: HNDDS = HTC - HTT - HTĐK Trong đó: HNDDS mực nước dâng sóng; HTC Mực nước dâng tổng cộng; HTĐK nước dâng tác động khác ngồi sóng thủy triều Kết tính tốn tỉ lệ độ dài/pixel vị trí cọc sai số độ dài thống kê bảng Kết tính tốn độ cao, chu kỳ sóng nước dâng sóng thống kê bảng Bảng Bảng thống kê tỉ lệ độ dài/pixel vị trí cọc, sai số độ dài Tên cọc Độ dài /pixel (cm/Pix) Cọc Cọc Cọc Cọc Cọc Cọc Cọc Cọc 1.43 1.25 1.11 0.91 0.74 0.65 0.65 0.63 Bảng Bảng thống kê kết độ cao, chu kỳ sóng nước dâng sóng Tên cọc Độ cao sóng (m) Chu kỳ (s) Nước dâng sóng (m) Cọc 1.44 5.14 0.4 Cọc 1.02 8.13 0.4 Cọc 1.25 6.1 0.4 Phân bố độ cao sóng quan trắc phân bố nước dâng sóng theo mặt cắt ngang mơ hình 10 Hình 10 Phân bố độ cao nước dâng sóng quan trắc theo mặt cắt ngang KẾT LUẬN Vùng sóng vỡ ven bờ đặc trưng dòng chảy mạnh khơng ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn mạnh mẽ đặc biệt điều kiện thời tiết cực đoan có bão nên việc ứng dụng thiết bị đo đạc Cọc 0.86 5.53 0.42 Cọc 0.6 7.4 0.42 Cọc 0.5 9.03 0.5 Cọc 0.61 thường gặp nhiều khó khăn quan trắc, thu thập số liệu tham số sóng vùng Từ vấn đề trên, tác giả nghiên cứu ứng dụng thành công phương pháp sử dụng công nghệ thiết bị camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để quan trắc tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ điều kiện có bão Kết nghiên cứu cho thấy phương pháp có nhiều ưu điểm tính linh hoạt thiết bị sử dụng quan trắc như: Gọn nhẹ, sử dụng dễ dàng, chi phí thấp mà đảm bảo tiêu chuẩn đo đạc, tính tốn cho kết xác ứng dụng tốt lĩnh vực thực nghiệm quan trắc, phân tích, tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ điều kiện bão Mặt khác kết nghiên cứu ứng dụng tốt phòng thí nghiệm xây dựng mơ hình mơ phỏng, tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ cho khu vực ven biển KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Văn Mạnh, (2014), Tính tốn cao độ mực nước biển phục vụ thiết kế cơng trình ven biển Việt Nam Nhà xuất Khoa học Công nghệ Nguyễn Trung Việt, (2015), Nghiên cứu chế độ thủy động lực học vận chuyển bùn cát vùng cửa sông bờ biển Vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa Báo cáo tổng kết đề tài Nghị định thư hợp tác với Cộng Hòa Pháp Rafael Almar, Rodrigo Cienfuegos, Patricio A Catalán, Hervé Michallet, Bruno Castelle, Philippe Bonneton, Vincent Marieu, (2012), A new breaking wave hight direct estimator from video imagery, Journal of Coastal Engineering, no 61, pp 42- 48 Abstract: RESEARCH APPLICATIONS CAMERA COMBINED CORRUPTION PILE SYSTEM AND CALCULATION OF PARAMETERS OF WALL-BASED WAVES THE COAST OF CUA DAI, HOI AN In parallel with the development of science and technology, methods of measuring sea parameters are also applied by many different principles and technological solutions The content of this article presents the results of the research on the application of camera equipment technology in combination with the piles system to calculate the wave parameters in the shoreline breaking area in Cua Dai and Hoi An sea areas during the storm of DOKSURI landed from 12 to 15 September 2017 In the study, the authors have successfully built the monitoring process and the program to analyze, process images, extract wave parameters The results of the study will have an important contribution in the field of experimentation, analysis and calculation of wave breaking wave parameters in storm conditions On the other hand, the results of the study can also be applied well in the laboratory when building simulation models, calculating the parameters of coastal wave breaking waves for coastal areas Keywords: Camera, Pile system, Storm Wave setup, Cua Dai, Hoi An Ngày nhận bài: 07/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 14/6/2019 154 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) ... nghiên cứu ứng dụng thành công phương pháp sử dụng công nghệ thiết bị camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để quan trắc tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ điều kiện có bão Kết nghiên cứu cho... tích, tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ điều kiện bão Mặt khác kết nghiên cứu ứng dụng tốt phòng thí nghiệm xây dựng mơ hình mơ phỏng, tính tốn tham số sóng vùng sóng vỡ ven bờ cho khu vực. .. dung nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết bị camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để quan trắc tính tốn nước dâng sóng bão vùng ven bờ, sở áp dụng để phân biệt hai điểm ảnh ranh giới phần mặt nước cọc