TỔNG QUAN
Lidar là công nghệ viễn thám chủ động, dùng ánh sáng laser để đo vẽ địa hình (sử dụng laser hồng ngoại gần) và đo độ sâu của nước (dùng ánh sáng xanh). Hệ thống Lidar đo vẽ địa hình hoạt động theo nguyên lý phát đi một chùm tia laser rồi thu nhận lại tín hiệu phản hồi. Tốc độ ánh sáng, độ trễ phản hồi được ghi nhận, từ đó tính được khoảng cách giữa máy phát và vật thể tương đối chính xác. Việc sử dụng laser để đo địa hình được thực hiện từ thập niên 70 của thế kỷ XX; đến năm 1980 sử dụng Total station (một dạng sóng hồng ngoại) để đo vẽ bản đồ. Sau đó, một số tổ chức như Cơ quan Hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) và Cục Bản đồ quốc phòng Mỹ (DMA), bắt đầu phát triển các cảm biến Lidar để đo địa hình. Từ năm 1990, nhờ sự phát triển của công nghệ định vị toàn cầu (GPS) và hệ thống đo quán tính vật bay (IMU) cùng hệ máy tính để bàn đã tạo cơ sở vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ Lidar trong thương mại và sản xuất.
Trong lập bản đồ địa hình chiến trường, hệ thống Lidar được lắp trên máy bay có thể đo khoảng cách từ đầu nhận hoặc phát tín hiệu đến mặt đất nhanh chóng và chính xác. Các điểm trên mặt đất (hoặc trên nóc nhà, ngọn cây…) có thể thu thập, tăng độ chính xác. Công nghệ làm bản đồ bằng Lidar chủ yếu thu thập số liệu chênh cao với độ chính xác 15cm so với độ chính xác mặt phẳng trong giới hạn 1/1000 độ cao bay chụp. Để đạt được độ chính xác này, hệ thống Lidar sử dụng GPS kết hợp hệ thống tham chiếu quán tính để tính tọa độ của các vị trí đo đó.
Cảm biến Lidar trang bị trên máy bay không người lái. Ảnh: Internet
Theo đánh giá, hệ thống đo vẽ bản đồ Lidar cho phép thu thập các số liệu chênh cao và địa hình một cách nhanh chóng, chính xác, không cần có các tập hợp điểm hoặc mạng khống chế lớn, mà chỉ cần một trạm khống chế mặt đất (trạm base) nằm trong khu đo với bán kính 30km. Đây cũng là hệ thống lý tưởng để làm bản đồ theo tuyến và có thể thu thập thông tin địa hình chính xác đối với các đường bờ hoặc phác họa đường mép nước. Tuy nhiên, đầu cảm biến Lidar chỉ có thể thu thập khi thời tiết tốt, trời quang, trong trường hợp rừng rậm, các tín hiệu sẽ không thể xuyên qua kẽ lá để tới mặt đất.
Ngoài ra, Lidar còn có nhiều ưu điểm so với các công nghệ truyền thống như đo vẽ ảnh máy bay, nhất là ở những vùng mà các tín hiệu có thể xuyên qua tán cây. Lidar không chỉ so sánh tốt các số liệu thu thập, mà việc xử lý số liệu còn đơn giản, nhanh chóng và khách quan vì đây là các số liệu dạng điểm XYZ nên khả năng tự động rất cao với sự can thiệp tối thiểu của con người. Lidar cũng ưu việt hơn so với công nghệ radar do bảo đảm độ chính xác cao và thông tin chi tiết về cảnh quan mặt đất tốt hơn. Ngược lại, công nghệ radar có thể bay cao hơn nhận được diện tích lớn hơn trong một chu kỳ ngắn hơn và không bị ảnh hưởng bởi mây che.
ỨNG DỤNG LIDAR TRONG THU THẬP THÔNG TIN MẶT ĐẤT
Thu thập số liệu
Hệ thống Lidar để thu thập thông tin mặt đất gồm 4 thành phần, gồm: hệ thống quét và tạo laser, GPS, IMU và hệ thống hiển thị. Ngoài ra, một số hệ thống còn kèm máy chụp ảnh số dùng để tạo hình ảnh khi lập mô hình bề mặt mặt đất và xử lý, phân loại hiện tượng. Một số thiết bị khác như máy quay để ghi lại diện tích được quét bằng tia laser. Hệ thống Lidar được gắn trên máy bay phát nhanh các xung hồng ngoại gần, hướng về mặt đất vuông góc với đường bay bằng hệ thống gương quét; sóng phản xạ từ mặt đất, ngọn cây, các công trình xây dựng được thu hồi bằng đầu nhận cảm biến và được tái hiện có chọn lọc trên màn hình; đồng hồ đo khoảng thời gian giữa tín hiệu phát và thu. Từ các thông tin này, khoảng cách từ máy bay tới mặt đất và phản hồi từ mặt đất đến máy thu được xác định riêng biệt.
Lidar là công nghệ viễn thám chủ động, dùng ánh sáng laser để đo khoảng cách, có 2 loại: đo vẽ địa hình (sử dụng laser hồng ngoại gần) và đo độ sâu của nước (dùng ánh sáng xanh).
Trong khi bay, hệ thống thu thập các thông tin tại điểm quét mặt đất và ghi lại ở dạng số. Hệ thống IMU sẽ ghi các góc nghiêng, xoay và hướng của máy thu trên máy bay. Hệ thống GPS động thu sóng tối thiểu của 4 vệ tinh và ghi vị trí không gian của máy bay trong thời điểm phát tín hiệu xuống mặt đất với tần số 1 giây. Ngoài ra, hệ thống còn gắn kèm thêm máy chụp ảnh số hoặc máy quay video để thu các hình ảnh mặt đất được quét. Các số liệu Lidar thô kết hợp với số liệu về vị trí GPS để tạo thành tập hợp số liệu trắc địa. Khi số liệu bay được ghi lại, phần mềm sẽ xử lý gần đúng số liệu và hiển thị trên màn hình máy tính. Các số liệu có thể được biên tập và xử lý để tạo lập mô hình mặt đất, mô hình độ cao DEM và các đường bình độ.
Để thu thập thông tin bằng Lidar, trước hết cần khoanh vùng khu vực cần thu thập, trong đó quan trọng nhất là tọa độ 4 góc khung vì đây là chỉ số để tìm tọa độ khu đo khi dẫn đường bằng GPS từ sân bay đến khu vực đo và để thiết kế các tuyến bay. Ngoài ra, cần kiểm tra tổng thể dạng của địa hình thu thập xem trong khu vực có thực phủ, rừng cây, khu xây dựng và các đối tượng khác có thể ảnh hưởng đến kết quả thu được.
Khi thu thập số liệu, vị trí của hệ thống Lidar được xác định bằng GPS, kết quả được xử lý theo phương pháp đo GPS động của máy đo 2 tần số. Khi xử lý pha tải L1/L2, độ phân giải Ambiguities vệ tinh cần thu thập trong thời gian PDOP thấp nhất (không ít hơn 4 vệ tinh). Điểm khống chế mặt đất, khống chế mặt đất khu đo bao gồm trạm base, khu kiểm định máy quét, khu vực kiểm tra kết quả thu thập Lidar… Tất cả điểm khống chế trong khu đo phải kết nối với mạng trắc địa. Tất cả các giá trị đo GPS phải được thực hiện trên máy đo tần số 2 tần. Số liệu pha tải (L1/L2) được thu thập tại từng trạm để xử lý tiếp theo ở khâu sau để tạo ra tọa độ XYZ của từng điểm quét.
Xử lý số liệu
Sau khi số liệu được thu thập, tải các số liệu pha tải GPS từ trạm khống chế mặt đất và từ máy thu GPS trên máy bay. Đây là những số liệu đầu vào của phần mềm xử lý GPS để tính toán quỹ đạo động đường bay có độ chính xác cao. Sau đó quỹ đạo bay được gắn với số liệu đo góc nghiêng và góc xoay của hệ thống IMU để tính toán vị trí và định hướng của từng trị đo. Sử dụng các thuật toán trắc địa, số liệu khoảng cách laser được kết nối với vị trí và hướng để tính kết quả cuối cùng là tọa độ XYZ cho từng xung phản hồi được thu bằng cảm biến.
Trong quá trình xử lý số liệu, cần đánh giá chất lượng kiểm tra bằng cách kiểm tra số liệu có trị số bất thường, sai số hệ thống hoặc những chênh lệch lớn về mặt phẳng và độ cao. Đây có thể là kết quả khác tại bất cứ trục nào (nghiêng trái, phải hoặc xoay), số lần đặt hệ thống, điều kiện khí quyển. Sai lệch GPS hoặc điều kiện bất thường về phổ của địa hình tự nhiên khu đo. Từng trị số trong những số liệu bất thường đó có thể được xác định bằng cách xem xét cẩn thận và giải quyết tổng thể khi xử lý số liệu.
Ghi nhận kết quả thu được
Sau các bước đo đạc và thu thập dữ liệu, tiến hành xử lý kết quả thu được, gồm: dữ liệu Lidar thô là tập hợp các điểm XYZ của đối tượng khi xung laser đập vào, đo và ghi khoảng cách tới chúng, các điểm được xử lý và tham chiếu với các tham số chuẩn; đường bình độ của mặt đất, cần xác định độ chính xác dự đoán theo quy phạm; cuối cùng là mô hình mặt đất, các số liệu thu từ các cảm biến bảo đảm dễ dàng tạo lập mô hình mặt đất. Mô hình mặt đất được hoàn thiện bằng cách gán màu hoặc vờn bóng theo cấp độ xám phụ thuộc vào cường độ phản hồi các xung cảm thụ. Các điểm sử dụng trong mô hình được thu thập từ xung phản hồi đầu tiên và cuối cùng.
Phân loại số liệu để tạo ra sản phẩm là bản vẽ bình độ có độ chính xác cao của chênh cao địa hình hoặc sự phát triển mô hình bề mặt, đặc biệt tại các vùng trống trải không có cây hoặc các công trình xây dựng. Việc phân loại số liệu này rất quan trọng nhằm loại bỏ những số liệu ảo, không cần thiết. Cuối cùng, tiến hành kiểm tra chất lượng tại khu đo bằng cách so sánh giữa các trạm mặt đất, so sánh giữa giải pháp đo động và số liệu thực mặt đất.
Đại tá LÊ VĂN THÀNH