LiDAR là gì? Các ứng dụng của LiDAR trong đời sống

Trong thời đại công nghệ số, LiDAR (Light Detection and Ranging) đang trở thành một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong việc quét, đo lường và tái tạo không gian ba chiều. Với khả năng sử dụng tia laser để xác định khoảng cách và tạo bản đồ 3D chi tiết, LiDAR được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xây dựng, quy hoạch đô thị, khảo sát địa hình, ô tô tự hành và thực tế ảo (AR/VR). Nhờ độ chính xác cao, tốc độ nhanh và khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, công nghệ LiDAR đang ngày càng chứng minh vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa quy trình làm việc. Hãy cùng VMT Solutions khám phá cách LiDAR hoạt động, lịch sử phát triển và những ứng dụng thực tế trong bài viết dưới đây.

LiDAR là gì?

Theo Wikipedia tiếng Việt thì Lidar (cũng viết là LIDAR, LiDAR, và LADAR) là một phương pháp khảo sát đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu sáng mục tiêu đó bằng một tia laze xung quanh và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến. Sự khác biệt về thời gian và bước sóng laser sau đó có thể được sử dụng để tạo mô hình số 3 chiều (3D) của đối tượng. Tên gọi lidar, nay được coi là một từ viết tắt của Light Detection And Ranging (đôi khi Light Imaging, Detection, And Ranging), ban đầu là từ ghép của hai từ ánh sáng (tiếng Anh” light) và radar.

Lidar thường được sử dụng để tạo bản đồ có độ phân giải cao, với các ứng dụng trong trắc địa, địa tin học, khảo cổ học, địa lý, địa chất, địa mạo, địa chấn học, lâm nghiệp, vật lý khí quyển, dẫn đường bằng laser, bản đồ laze không ảnh (ALTM), và đo cao độ bằng laser. Công nghệ này cũng được sử dụng để kiểm soát và điều hướng cho một số xe tự động.

Nguồn gốc và lịch sử ra đời của công nghệ LiDAR

Công nghệ LiDAR (Light Detection and Ranging) có nguồn gốc từ những năm 1960, khi con người bắt đầu nghiên cứu cách sử dụng tia laser để đo khoảng cách và tạo mô hình không gian ba chiều.

Những cột mốc quan trọng trong sự phát triển của LiDAR:

• 1960s: LiDAR ra đời ngay sau khi công nghệ laser được phát minh vào năm 1960. Ban đầu, nó được ứng dụng trong lĩnh vực hàng không và quân sự, chủ yếu để đo khoảng cách và theo dõi mục tiêu.
• 1970s: NASA bắt đầu sử dụng LiDAR để nghiên cứu khí quyển và đo lường địa hình từ trên cao. Một trong những ứng dụng sớm nhất là đo độ cao của các đám mây và nghiên cứu ô nhiễm không khí.
• 1980s – 1990s: Cảm biến LiDAR được cải tiến, nhỏ gọn và chính xác hơn, mở rộng ứng dụng sang lĩnh vực khảo sát địa hình, địa chất và môi trường. Các máy bay được trang bị LiDAR để lập bản đồ bề mặt Trái Đất với độ phân giải cao.
• 2000s: LiDAR trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu khảo cổ học, giúp khám phá các thành phố cổ bị chôn vùi dưới rừng rậm. Đồng thời, công nghệ này bắt đầu được tích hợp vào ô tô tự lái, giúp xe nhận diện môi trường xung quanh.
• 2010s – nay: LiDAR phát triển mạnh mẽ với sự bùng nổ của drone, AI và IoT. Các ứng dụng mở rộng sang xây dựng, nông nghiệp thông minh, quản lý rừng và giao thông đô thị. Công nghệ này cũng trở nên phổ biến hơn trong các thiết bị thương mại, điển hình là cảm biến LiDAR trên iPhone và iPad của Apple.

Nguyên lý hoạt động của LiDAR như thế nào?

1. Phát tia laser: Lidar phát ra các xung laser ngắn, thường là tia hồng ngoại, về phía mục tiêu.
2. Thu nhận phản xạ: Các xung laser phản xạ lại từ bề mặt mục tiêu và được thu nhận bởi cảm biến của Lidar.
3. Tính toán khoảng cách: Dựa vào thời gian di chuyển của xung laser, Lidar tính toán khoảng cách từ cảm biến đến mục tiêu.
4. Tạo đám mây điểm: Lặp lại quá trình này hàng nghìn, thậm chí hàng triệu lần mỗi giây, Lidar tạo ra một đám mây điểm 3D chi tiết.

Nguyên lý hoạt động của Lidar dựa trên việc đo khoảng cách bằng cách sử dụng tia laser và phản hồi từ bề mặt vật thể. Dưới đây là mô tả chi tiết về các bước hoạt động của công nghệ này:

1. Phát tia laser

• Hệ thống Lidar phát ra các xung laser ngắn, thường là tia hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy được.
• Các tia laser này có tần số rất cao, có thể lên đến hàng triệu xung mỗi giây.

2. Thu nhận phản xạ

• Khi các xung laser chạm vào bề mặt mục tiêu (địa hình, công trình, phương tiện, cây cối…), một phần năng lượng của chúng sẽ phản xạ trở lại cảm biến của Lidar.

3. Tính toán khoảng cách

• Lidar đo thời gian từ khi tia laser được phát đi đến khi nhận lại phản xạ (time of flight – TOF).
• Khoảng cách được tính theo công thức: d = c * t / 2
  Trong đó:
  • d là khoảng cách từ cảm biến đến vật thể.
  • c là vận tốc ánh sáng (~300.000 km/s).
  • t là thời gian xung laser di chuyển đến mục tiêu và quay trở lại.

4. Tạo đám mây điểm 3D

• Quá trình phát – thu xung laser diễn ra liên tục với tần suất cao.
• Mỗi xung phản hồi tạo ra một điểm dữ liệu trong không gian ba chiều (X, Y, Z).
• Hàng triệu điểm dữ liệu được ghép lại tạo thành một đám mây điểm 3D chính xác, phản ánh địa hình hoặc vật thể được quét.

Ngoài ra, một số hệ thống Lidar còn có thể thu thập thông tin về cường độ phản xạ, giúp phân biệt vật liệu bề mặt, hoặc nhiều lần phản xạ (multiple returns) để nhận diện các lớp địa hình khác nhau như tán cây và mặt đất.

Các loại công nghệ Lidar

Lidar quét mặt đất

Lidar quét mặt đất được đặt trên mặt đất, thường là trên xe hoặc giá ba chân, để quét các khu vực xung quanh. Loại Lidar này thường được sử dụng trong khảo sát địa hình, xây dựng và khai thác mỏ.

LiDAR di động

Hệ thống Mobile LiDAR được linh hoạt gắn trên các phương tiện di chuyển như xe cộ, tàu hỏa hoặc thuyền, giúp thu thập dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích cơ sở hạ tầng giao thông, phát hiện chướng ngại vật và khảo sát hành lang đường bộ. Thông thường, Mobile LiDAR được tích hợp cùng máy ảnh, GPS và hệ thống định vị quán tính (INS) để cung cấp dữ liệu toàn diện, hỗ trợ hiệu quả cho các dự án quy hoạch, xây dựng và bảo trì hạ tầng giao thông.

LiDAR tĩnh

Hệ thống Static LiDAR, được gắn trên giá ba chân, mang lại độ chính xác cao và tính linh hoạt trong việc quét chi tiết cả trong nhà lẫn ngoài trời. Nhờ khả năng thu thập dữ liệu chính xác từ một vị trí cố định, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, khai thác mỏ, khảo sát địa hình và khai quật khảo cổ, hỗ trợ đo lường và lập bản đồ với độ chi tiết vượt trội.

Lidar trên không

Lidar trên không được gắn trên máy bay, trực thăng hoặc máy bay không người lái (drone) để quét các khu vực rộng lớn từ trên cao. Loại Lidar này thường được sử dụng trong lập bản đồ, quản lý rừng và giám sát môi trường.

Lidar cầm tay

Lidar cầm tay có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng mang theo và sử dụng. Loại Lidar này thường được sử dụng trong khảo sát nhanh, kiểm tra chất lượng và các ứng dụng thực địa.

Lidar dưới nước

Lidar dưới nước được thiết kế để hoạt động trong môi trường nước, sử dụng tia laser xanh lá cây hoặc xanh lam để xuyên qua nước. Loại Lidar này thường được sử dụng trong khảo sát đáy biển, kiểm tra công trình ngầm và nghiên cứu sinh vật biển.

Ứng dụng của Lidar

Lidar trong đo đạc địa hình

Lidar đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực đo đạc địa hình nhờ khả năng thu thập dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Dưới đây là những ứng dụng chính của Lidar trong đo đạc địa hình:

1. Tạo mô hình địa hình số (DTM)

• Lidar giúp tạo ra mô hình địa hình số (Digital Terrain Model – DTM), mô phỏng chính xác bề mặt tự nhiên của Trái Đất bằng cách loại bỏ các yếu tố như cây cối, tòa nhà.
• DTM hỗ trợ trong quy hoạch xây dựng, thiết kế hệ thống giao thông, và quản lý tài nguyên thiên nhiên.

2. Tạo mô hình bề mặt số (DSM)

• Mô hình bề mặt số (Digital Surface Model – DSM) ghi nhận toàn bộ các đối tượng trên bề mặt địa hình như cây cối, công trình, tòa nhà, giúp phân tích địa hình đô thị hoặc đánh giá độ che phủ rừng.

3. Ứng dụng trong khảo sát và bản đồ

• Lidar cung cấp dữ liệu có độ phân giải cao để lập bản đồ địa hình chi tiết.
• Hỗ trợ các nghiên cứu về biến đổi địa hình, sạt lở đất, xói mòn, và biến đổi khí hậu.

4. Ứng dụng trong quản lý tài nguyên thiên nhiên

• Giúp xác định dòng chảy nước, phân tích lưu vực sông và mô phỏng lũ lụt.
• Hỗ trợ quản lý rừng, đo chiều cao và mật độ cây xanh để đánh giá trữ lượng sinh khối.

Lidar trong ngành giao thông

Lidar là một thành phần quan trọng trong xe tự hành, giúp xe nhận biết và định vị môi trường xung quanh. Ngoài ra, Lidar còn được sử dụng trong giám sát giao thông và quản lý đường bộ.

Lidar trong nông nghiệp

Lidar được sử dụng trong nông nghiệp chính xác để theo dõi sự phát triển của cây trồng, đánh giá năng suất và quản lý tài nguyên nước.

Lidar trong bảo vệ môi trường

Lidar được sử dụng trong giám sát chất lượng không khí, quản lý rừng, theo dõi biến đổi khí hậu và đánh giá tác động môi trường.

So sánh Lidar và các công nghệ khác

Lidar so với radar

Lidar sử dụng tia laser, trong khi radar sử dụng sóng vô tuyến. Lidar có độ chính xác cao hơn và khả năng phân giải tốt hơn radar, nhưng phạm vi hoạt động ngắn hơn.

Lidar so với GPS

GPS cung cấp thông tin vị trí toàn cầu, trong khi Lidar cung cấp thông tin chi tiết về môi trường xung quanh. Lidar và GPS thường được sử dụng kết hợp để tăng cường độ chính xác và khả năng định vị.

Lidar so với máy ảnh 3D

Máy ảnh 3D tạo ra mô hình 3D dựa trên hình ảnh, trong khi Lidar tạo ra mô hình 3D dựa trên dữ liệu khoảng cách trực tiếp. Lidar có độ chính xác cao hơn và ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng hơn máy ảnh 3D.

Lợi ích của việc sử dụng Lidar

Độ chính xác cao

Lidar có khả năng đo khoảng cách với độ chính xác đến từng milimet, tạo ra các mô hình 3D chi tiết và chính xác.

Tốc độ thu thập dữ liệu

Lidar có thể thu thập hàng triệu điểm dữ liệu mỗi giây, cho phép quét các khu vực rộng lớn trong thời gian ngắn.

Khả năng xử lý dữ liệu phức tạp

Lidar có thể xử lý dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, tạo ra các mô hình 3D phức tạp và đa chiều.

Thách thức khi sử dụng Lidar là gì?

Chi phí đầu tư ban đầu

Hệ thống Lidar có chi phí đầu tư ban đầu cao, đặc biệt là các hệ thống Lidar cao cấp.

Yêu cầu về kỹ thuật

Việc sử dụng và xử lý dữ liệu Lidar đòi hỏi kiến thức và kỹ năng chuyên môn.

Hạn chế trong điều kiện thời tiết

Lidar có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết khắc nghiệt như mưa, sương mù và tuyết.

Xu hướng phát triển của công nghệ Lidar

Cải tiến về phần mềm xử lý

Các phần mềm xử lý dữ liệu Lidar ngày càng được cải tiến, cho phép xử lý dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Tích hợp AI vào Lidar

Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào Lidar giúp tăng cường khả năng phân tích và nhận dạng đối tượng.

Mở rộng ứng dụng trong đô thị thông minh

Lidar đang trở thành công nghệ quan trọng trong các dự án đô thị thông minh, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và tối ưu hóa quy hoạch. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể:

1. Quản lý giao thông
   • Giám sát lưu lượng phương tiện theo thời gian thực.
   • Phát hiện và cảnh báo ùn tắc, hỗ trợ điều chỉnh tín hiệu giao thông.
   • Hỗ trợ xe tự hành bằng cách cung cấp bản đồ 3D chính xác về môi trường xung quanh.
2. Giám sát an ninh
   • Phát hiện các hành vi bất thường tại khu vực công cộng.
   • Hỗ trợ nhận diện khuôn mặt, phương tiện và theo dõi đối tượng trong không gian đô thị.
   • Cải thiện hệ thống an ninh tại các khu vực trọng điểm như sân bay, nhà ga, trung tâm thương mại.
3. Quy hoạch và phát triển đô thị
   • Xây dựng mô hình 3D chi tiết phục vụ thiết kế và quy hoạch hạ tầng.
   • Theo dõi sự thay đổi của môi trường đô thị theo thời gian.
   • Hỗ trợ đánh giá rủi ro thiên tai như ngập lụt, sạt lở đất.

Kết luận

Lidar là một công nghệ viễn thám mạnh mẽ với nhiều ứng dụng tiềm năng trong đời sống. Mặc dù còn một số thách thức, nhưng với sự phát triển không ngừng của công nghệ, Lidar hứa hẹn sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Với công nghệ LiDAR tiên tiến, VMT Solutions cung cấp dịch vụ quét 3D laser chuyên nghiệp, giúp doanh nghiệp và tổ chức có được dữ liệu đo lường chính xác, trực quan và hiệu quả. Chúng tôi cam kết mang đến giải pháp tối ưu cho các lĩnh vực xây dựng, kiến trúc, quy hoạch đô thị, khảo sát địa hình và quản lý cơ sở hạ tầng. Nếu bạn đang tìm kiếm một đối tác tin cậy trong lĩnh vực scan 3D laser bằng công nghệ LiDAR, hãy liên hệ ngay với VMT Solutions để nhận tư vấn chi tiết và giải pháp phù hợp nhất!