LiDAR là một công nghệ được ứng dụng rất phổ biến trong cuộc sống hiện đại. Vậy thực chất công nghệ LiDAR là gì? Công nghệ này hoạt động như thế nào? Công nghệ này được ứng dụng trong những lĩnh vực gì? Cùng DRONE1 tìm hiểu chi tiết trong bài viết này nhé.
LiDAR là gì?
LiDAR viết tắt từ cụm từ “Light Detection and Ranging” là một công nghệ giúp đo lường khoảng cách đến một đối tượng hoặc bề mặt bằng cách sử dụng tia laser. LiDAR phát ra một chùm tia sáng laser, sau đó đo thời gian mà các tia laser đó phản xạ lại sau khi va chạm với bề mặt đối tượng. Dựa trên thời gian này, hệ thống LiDAR tính toán được khoảng cách từ máy quét đến đối tượng.
LiDAR được phát triển từ những năm đầu thập kỷ 1960, khi tia laser lần đầu tiên được phát minh. Công nghệ này lần đầu tiên được áp dụng cho các hệ thống đo đạc từ trên không bằng máy bay. Ở thời điểm ra mắt, từ “LiDAR” được ghép từ từ Li trong “Light” và DAR trong “Radar” có nghĩa là một loại radar sử dụng ánh sáng chứ không có ý nghĩa như bây giờ.
Ban đầu, LiDAR chủ yếu được sử dụng để tạo bản đồ các con sông và suối nhỏ. Nhưng đến những năm 1980, với sự ra đời của GPS, LiDAR đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong việc thu thập dữ liệu địa lý quy mô lớn và tạo ra các bản đồ địa hình.
Các cảm biến LiDAR của thập niên 1980 rất to, cồng kềnh và khá thiếu chính xác. Chúng thường được gắn lên các máy bay lớn có người lái, hoạt động thủ công, đắt đỏ và không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Ngày nay, LiDAR đã trở nên rẻ hơn, nhỏ gọn hơn và dễ tiếp cận hơn bao giờ hết, dẫn đến sự phổ biến của nó trong rất nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực khác nhau. Thậm chí, các dòng iPhone thế hệ mới còn được trang bị máy quét LiDAR có thể tạo ra các mô hình 3D từ khoảng cách lên đến 4,5 mét (15 feet).
Cảm biến LiDAR là gì?
Cảm biến LiDAR là một thiết bị giúp phát ra các xung ánh sáng laser và đo thời gian phản xạ của các tia laser sau khi chạm vào các vật thể, từ đó tính toán được khoảng cách và hình dạng của các đối tượng. Cảm biến LiDAR là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống LiDAR (một hệ thống gồm nhiều thiết bị khác nhau).
Cách LiDAR hoạt động
Công nghệ LiDAR là có cách thức hoạt động tương tự như radar. Tuy nhiên LiDAR sử dụng tia laser còn radar sử dụng sóng vô tuyến. Nguyên lý hoạt động của LiDAR được mô tả qua các bước dưới đây:
- Cảm biển LiDAR sẽ phát ra một xung laser tới bề mặt.
- Một cảm biến sẽ thu nhận thông tín hiệu phản xạ trở lại nguồn xung.
- Sau đó cảm biến sẽ đo khoảng thời gian laser phản xạ lại.
- Cách tính toán khoảng cách với công thức: Khoảng cách = (Tốc độ phát đi x Thời gian) / 2.
LiDAR lặp lại quy trình này hàng triệu lần mỗi giây, tạo ra rất nhiều điểm dữ liệu không gian, từ đó xây dựng một bản đồ 3D chính xác của khu vực được quét, thường được gọi là Point Cloud. Các hệ thống LiDAR có thể được gắn trên các phương tiện như ô tô, máy bay hoặc drone (máy bay không người lái) để hoạt động với các mục đích khác nhau.
Hệ thống LiDAR gồm những gì?
Để có thể hoạt động một cách tối ưu thì LiDAR sẽ cần kết hợp với một số thiết bị khác. Một hệ thống LiDAR hoàn chỉnh sẽ bao gồm ba bộ phận chính dưới đây:
1. Máy quét LiDAR (LiDAR Scanner)
Máy quét LiDAR là thiết bị sử dụng tia laser để đo khoảng cách đến các vật thể và tạo ra các bản đồ 3D chi tiết. Nó hoạt động bằng cách phát ra hàng triệu tia laser mỗi giây, sau đó ghi nhận thời gian mà các tia này phản xạ lại từ các vật thể khác nhau. Thời gian phản xạ này được dùng để tính toán khoảng cách giữa máy quét và đối tượng, tạo ra một tập hợp các điểm (point cloud) mô phỏng không gian 3D một cách chi tiết.
Tốc độ quét của máy quét LiDAR quyết định số lượng tia laser phát ra và số điểm dữ liệu được thu thập. Tốc độ quét cao giúp thu nhiều điểm dữ liệu hơn, tạo ra mô hình 3D chi tiết hơn. Ngược lại, tốc độ quét thấp làm giảm số lượng điểm dữ liệu, khiến mô hình 3D ít chi tiết hơn.
2. Hệ thống định vị và điều hướng (GNSS và IMU)
Cảm biến LiDAR thường được gắn trên các hệ thống di động nên cần xác định chính xác vị trí và hướng của nó để dữ liệu thu thập được có thể sử dụng. Hệ thống GNSS đảm nhận việc cung cấp tọa độ địa lý chính xác của cảm biến, bao gồm vĩ độ, kinh độ và chiều cao (tọa độ X, Y, Z).
Cùng với đó, IMU giúp đo lường hướng và góc quay của cảm biến trong không gian, đảm bảo dữ liệu được ghi nhận đúng vị trí và góc độ. Dữ liệu từ GNSS và IMU được kết hợp để xây dựng đám mây điểm 3D (Point Cloud) chi tiết và chính xác.
3. Hệ thống xử lý dữ liệu
Hệ thống LiDAR tích hợp công nghệ xử lý dữ liệu hiện đại để phân tích và tính toán dữ liệu một cách hiệu quả, giúp hệ thống có thể xác định chính xác vị trí của các phản hồi từ tia laser. Ngoài ra, công nghệ này còn cho phép trực quan hóa dữ liệu theo thời gian thực trong quá trình hoạt động và hỗ trợ xử lý dữ liệu sau khi thu thập, giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các đám mây điểm trong bản đồ 3D.
Ứng dụng của công nghệ LiDAR
Với lịch sử hơn 60 năm được phát triển, công nghệ LiDAR ngày nay đã được tối ưu để trở nên rẻ hơn, nhỏ gọn hơn, chính xác hơn và dễ tiếp cận hơn. Chính vì vậy công nghệ LiDAR đã được ứng dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực đời sống hiện đại như:
- Phương tiện tự lái: LiDAR cung cấp thông tin 3D chính xác về môi trường xung quanh, giúp phương tiện tự lái như ô tô, drone, flycam,… xác định vật cản và điều hướng an toàn.
- Nông nghiệp chính xác: Máy bay nông nghiệp có công nghệ LiDAR sẽ hỗ trợ quản lý cây trồng, tối ưu hóa việc tưới tiêu và sử dụng phân bón, từ đó nâng cao năng suất và bảo vệ môi trường.
- Quản lý rừng và đất đai: LiDAR giúp đo lường cấu trúc rừng, xác định mật độ tán cây, hỗ trợ công tác bảo tồn và quản lý đất.
- Khảo cổ học: LiDAR có khả năng phát hiện các di tích ẩn dưới lớp thực vật dày đặc, mở ra những khám phá về các nền văn minh cổ đại.
- Quản lý thảm họa: LiDAR được sử dụng để đánh giá nguy cơ, lập kế hoạch ứng phó và phục hồi sau thảm họa, như lở đất và lũ lụt.
- Năng lượng tái tạo: LiDAR giúp xác định vị trí tối ưu cho các trang trại điện gió và mặt trời bằng cách phân tích địa hình và điều kiện gió.
- Xây dựng và cơ sở hạ tầng: LiDAR hỗ trợ lập bản đồ chi tiết và chính xác cho việc lập kế hoạch và giám sát các dự án xây dựng.
- Nghiên cứu khí quyển: LiDAR được sử dụng để đo lường các tham số khí quyển như hơi nước và khí ozone, hỗ trợ trong nghiên cứu khí hậu và dự báo thời tiết.
Lời kết: Trên đây DRONE1 đã tổng hợp và giới thiệu những thông tin chi tiết về LiDAR. Hy vọng những thông tin trong bài viết sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về công nghệ LiDAR. Nếu bạn còn bất kỳ thắc mắc, câu hỏi nào khác, vui lòng liên hệ hoặc để lại bình luận bên dưới chúng tôi sẽ giải đáp ngay nhé.
Xem thêm: Drone là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng
Tổng hợp bởi: DRONE1
