GIM International – ANTHI Việt Nam

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

(Còn tiếp)

Mọi thông tin xin liên hệ với chúng tôi qua hòm thư: info@anthi.com.vn