CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3. Tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
1.3.2. Tổng quan về ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa trên thế giới
Hiện nay, phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, ứng dụng khá rộng rãi trong công tác trắc địa. Một số kết quả tiêu biểu được giới thiệu dưới đây.
Trong quá trình giám sát biến dạng bằng công nghệ GNSS, sai số đo (nhiễu) là không thể tránh khỏi trong các kết quả quan trắc do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài như phương pháp đo, dụng cụ đo, truyền dữ liệu và những yếu tố khác. Để giảm nhẹ tác động nhiễu trắng từ hiệu ứng đa đường truyền của các phép đo và cải thiện chất lượng xử lý dữ liệu GNSS, các tác giả Yandong Gao, Maolin Xu, Fengyun Yang, Yachun Mao, Shuang Sun [27] đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để cải thiện và làm giảm ngưỡng nhiễu thông qua việc phân tích giảm ngưỡng nhiễu cứng, ngưỡng nhiễu mềm với thực nghiệm là số liệu đo tĩnh nhanh trong 05 ngày với thời gian thu tín hiệu 30 phút một ngày và khoảng giãn cách thu tín hiệu là 10 giây. Từ kết quả nghiên cứu, các tác giả đã chỉ ra rằng, ứng dụng xấp xỉ sóng nhỏ để giảm ngưỡng nhiễu đạt hiệu quả cao, tốt hơn phương pháp thông thường.
Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cũng đã được các tác giả Mosbeh R.
Kaloop và Dookie Kim [32] nghiên cứu áp dụng trong quan trắc liên tục biến dạng kết cấu công trình cầu. Để giảm nhỏ sai số của cảm biến, các tác giả đã dựa vào phân tích sóng nhỏ rời rạc trong phân tích thành phần chủ yếu của trị đo, nén dữ liệu sóng nhỏ và giảm nhiễu để chứng minh hiệu quả bằng cách sử dụng các dữ liệu đo GPS thu thập từ hệ thống quan trắc thời gian ngắn bố trí trên cầu đường sắt tại Mansoura. Kết quả thực nghiệm đã được thực hiện dựa trên hệ thống thiết bị đo GPS động tức thời (GPS-RTK). Các kết quả đã được đánh giá là các phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ khá đơn giản và nhanh chóng chiết xuất giảm nhiễu trị đo GPS trong hệ thống quan trắc trạng thái kết cấu công trình. Số liệu đo GPS được sử dụng để mô tả biến động của cầu theo thời gian và tần số biến động đáng tin cậy; các sai số đa đường truyền tín hiệu GPS chiếm khoảng 30% đến 50% tổng số sai số của số liệu đo và hoàn toàn có thể loại bỏ được.
Các tác giả M. El-Habiby, M. G. Sideris [25] đã ứng dụng xấp xỉ sóng nhỏ rời rạc để xác định ngưỡng và lọc dữ liệu đo trọng lực hàng không. Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên dữ liệu đo trọng lực hàng không do Đại học Calgary thu thập năm 1996, các tác giả đã chỉ ra sự kết hợp của kỹ thuật tạo ngưỡng tự động và lọc dữ liệu có hiệu quả hơn trong việc giảm thiểu và giới hạn nhiễu trị đo trọng lực. Ngưỡng mềm được chứng minh là có hiệu quả hơn so với ngưỡng cứng với những sóng nhỏ khác nhau có hiệu ứng khác nhau trên các kết quả phân tích và giảm nhiễu của tín hiệu. Áp dụng xấp xỉ sóng nhỏ trong giảm nhiễu đạt độ chính xác tốt hơn so với bộ lọc thông thấp.
Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cũng đã được các tác giả Isabelle PANET, Yuki KUROISHI, Matthias HOLSCHNEIDER [37] nghiên cứu áp dụng để xây dựng mô hình trường trọng lực của Nhật Bản theo hướng kết hợp dữ liệu trọng lực vệ tinh với dữ liệu trọng lực mặt đất. Dựa vào tính chất cục bộ hóa của sóng nhỏ trong không gian và tần số, các nhà khoa học đã xác định miền con của sóng nhỏ ở các quy mô khác nhau. Trên mỗi quy mô của miền con được xác định bằng cách sử dụng phân chia không gian của khu vực, sau đó thực hiện xấp xỉ ma trận cho mỗi khối bằng cách đưa vào xấp xỉ cục bộ sóng nhỏ theo quy mô.
Cuối cùng, thực hiện kỹ thuật xử lý lặp các dữ liệu tổng hợp từ mô hình toàn cầu GRACE, Eigen-GL04S, dữ liệu đo trọng lực mặt đất, dữ liệu đo trọng lực biển, mô hình độ cao mặt biển altimetry để tạo ra mô hình hoàn thiện hơn cho trường trọng lực trên toàn lãnh thổ Nhật Bản.
Xấp xỉ sóng nhỏ đa tỷ lệ trực giao đối xứng đã được các tác giả HUO Guoping, MIAO Lingjuan [31] áp dụng để phát hiện và xác định trượt chu kỳ của phép đo pha sóng mang trong định vị GPS. Từ dữ liệu thực nghiệm trên các vệ tinh PRN1, PRN3 và PRN8, đo bằng máy Novatel SuperStarII OEM GPS với khoảng thời gian thu tín hiệu 01 giây, các tác giả đã giới thiệu các thuật toán xấp xỉ sóng nhỏ đa tỷ lệ để phát hiện trượt chu kỳ, kết hợp với các phương pháp mô- đun cực đại của nguyên tắc phát hiện dị thường để phát hiện và xác định vị trí các trượt chu kỳ. Phương pháp này cho kết quả xử lý hiệu quả và tốt hơn phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ vô hướng.
Các tác giả Satirapod C., Ogaja C., Wang J. and Rizos C [38] đã áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để chia phần dư phân sai kép của trị đo GPS ra hai thành phần chỉ số chênh lệch tần số thấp và chỉ số nhiễu tần số cao. Các thành phần chênh lệch này sau đó được áp dụng trực tiếp cho các trị đo GPS để hiệu chỉnh cho chỉ số này kết hợp với việc ước lượng ma trận hiệp phương sai VCV để kiểm soát việc xây dựng các mô hình ngẫu nhiên. Các kết quả cho thấy phương pháp này có thể cải thiện cả về độ phân giải nhiễu và tính chính xác của các thành phần cơ bản được tính.
Ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong giám sát biến dạng cấu trúc động của tòa nhà hoặc tháp cao tầng (như cầu, tháp cao, tòa nhà chọc trời) đã được Huang Shengxiang và Liu Jingnan [30] trình bày trong giám sát động khi xây dựng tòa nhà Ngân hàng Hạ Môn ở Trung Quốc. Các kết quả cho thấy, khi tần số dao động lớn hơn 0.05 Hz, cụ thể là khoảng thời gian rung động nhỏ hơn 20 giây, biên độ nhỏ hơn 01 mm hoặc nhỏ hơn nhiều so với sự rung động cấu trúc có thể hoàn toàn được xác định bằng công nghệ đo động GPS. Xấp xỉ sóng nhỏ có thể trích xuất hiệu quả tín hiệu yếu nhưng hữu ích từ tín hiệu nhiễu loạn ban đầu bởi nhiễu mạnh. Phương pháp cho kết quả tốt hơn so với phương pháp truyền thống.
Nghiên cứu phi tuyến tính sự thay đổi tọa độ tại các trạm GNSS cố định theo chuỗi thời gian bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cũng đã được nhà khoa học Ba Lan [23] thực hiện bằng cách phân tích chuỗi thời gian của các trị đo GPS trong khoảng từ 13-19 năm của 05 trạm thường trực IGS (International GNSS Service) nằm trong khu vực kiến tạo không ổn định (hút chìm, tách dãn).
Kết quả đã cho thấy rằng, nghịch đảo vận tốc GPS sử dụng xấp xỉ sóng nhỏ có thể tốt hơn so với biến dạng đàn hồi được dự đoán đối với các yếu tố hữu hạn mô hình xấp xỉ hình học của các đới hút chìm, tách dãn hoặc vùng chuyển tiếp.
Các nhà khoa học K. Vijay Kumar, Kaoru Miyashita, Jianxin Li [34] đã áp dụng phương pháp sóng nhỏ trong phân tích, loại bỏ tín hiệu nhiễu và ảnh hưởng sai số theo mùa của chuỗi dữ liệu GPS thuộc mạng lưới điểm đo liên tục từ năm 1996 đến năm 1999 để ước tính dịch chuyển đều vỏ Trái Đất và trường biến dạng trong nghiên cứu và khảo sát về kiến tạo trong và xung quanh Miền
Trung Nhật Bản. Từ kết quả thực nghiệm các tác giả đã xây dựng các loại bản đồ chuyển dịch, bản đồ vận tốc trương nở, bản đồ biến dạng trượt tại Miền Trung của Nhật Bản. Kết quả đã chỉ ra rằng: (1) sự phân bố tỷ lệ trương nở cho thấy sự xuất hiện rõ nét một chế độ nén ép; (2) tỷ lệ biến dạng trượt rất cao, từ 0,12 microstrain/năm đến 0,18 microstrain/năm và cao nhất tại khu vực xung quanh vịnh Sagami và vịnh Tokyo; (3) Sự phân bố của các trục biến dạng gốc và giá trị dịch chuyển chỉ ra ranh giới kiến tạo dọc theo vùng địa chấn Shinanogawa và Atotsugawa. Qua thực nghiệm các tác giả đã chỉ ra sự khác biệt giữa phân bố tỷ lệ biến dạng trượt tối đa từ các dữ liệu GPS thô với dữ liệu đo GPS sau khi phân tích và lọc nhiễu cho độ chính xác lên tới khoảng 0,14 microstrain/năm ở các vùng hoạt động địa chấn. Kết quả nghiên cứu cũng khẳng định khi áp dụng phương pháp sóng nhỏ phân tích dữ liệu đo GPS theo chuỗi thời gian để xác định sự biến dạng từ của vỏ Trái Đất có kỹ thuật tính toán hiệu quả hơn.
Năm 2009, tác giả Tape, C [41] đã giới thiệu phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để ước tính trường vận tốc không gian trên mặt cầu (tốc độ trương nở, tốc độ biến dạng và tốc độ xoay) từ tập hợp các trị đo trắc địa có khoảng giãn cách thời gian không đều nhau. Phương pháp này đã phát triển cách biểu diễn (đa tỷ lệ) vận tốc bề mặt bằng cách cho phép thiết lập một công cụ (geodetic event detector) phát hiện được các biến dạng nhanh vỏ Trái Đất (theo không gian và thời gian). Cách khai triển trường vận tốc theo xấp xỉ sóng nhỏ tự động chỉ ra các thay đổi có trên khu vực nghiên cứu nhanh hơn phương pháp sử dụng chuỗi tọa độ theo thời gian. Hệ quả của sử dụng phương pháp này là nhiễu trong số liệu đo GPS như lỗi khung quy chiếu sẽ được loại bỏ. Đây là công cụ thuận tiện phân tích dữ liệu trắc địa từ các mạng lưới GPS dày đặc. Từ số liệu đo được ở các trạm GPS hoạt động liên tục trong khoảng thời gian 11,6 năm từ 1997 đến 2008, tác giả đã đưa ra kết luận tốc độ biến dạng chính khoảng 1,5μrad/năm trênrad/năm trên đứt gãy trong khu vực Parkfield và cũng đã chỉ ra rằng việc biểu diễn đa tỷ lệ rất thích hợp để xác định và mô tả đặc trưng tín hiệu địa vật lý cho tất cả các tỷ lệ.
Đây là một giải pháp tốt trong việc giám sát đa tỷ lệ toàn cầu của các trường dịch chuyển GPS phụ thuộc thời gian, xác định chính xác các đặc tính
của biến dạng bề mặt Trái Đất và phát hiện các hiện tượng quan trọng trong địa vật lý.
Các tác giả Ohtani, R., J.J. McGuire, and P. Segall [36] đã trình bày giải pháp kỹ thuật xử lý dữ liệu mạng lưới GPS dày đặc để xác định biến dạng tức thời của vỏ Trái Đất bằng cách kết hợp giữa kỹ thuật sóng nhỏ với kỹ thuật lọc Kalman để tách biệt tín hiệu không gian đột biến từ chuyển động đều và chuyển động cục bộ trong tìm kiếm chuyển dịch nhỏ do động đất chậm phục vụ việc lập bản đồ hệ thống động đất chậm hoặc các quá trình tương tự ở các vùng hoạt động kiến tạo như Nhật Bản, Cascadia và California.
Nghiên cứu ước tính biến dạng vỏ Trái Đất từ mạng lưới GPS phủ trùm trên phần lục địa của Trung Quốc bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cũng đã được các nhà khoa học CHENG Pengfei, WEN Hanjiang, SUNLuoqing, CHENG Yingyan, ZHANG Peng, BEIJ inzhong, WANG Hua [24] áp dụng để tính toán cho 1.068 điểm GPS. Từ kết quả thực nghiệm các tác giả đã chỉ ra sự chính xác của mô hình được ước tính theo độ lệch bình phương trung bình giữa kết quả đo đạc và mô hình là 0,95 mm/năm theo hướng Đông và 0,97 mm/năm theo hướng Bắc trong khu vực có các trạm đo dày đặc. Ở khu vực có các trạm đo thưa thớt thì kết quả là 1,32 mm/năm về hướng Đông và 1,30 mm/năm về phía Bắc. Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cho phép hiển thị các đặc điểm của biến dạng ở các quy mô khác nhau.