Tin tức
Máy quét LiDAR là gì?
Máy quét LiDAR là gì? Nguyên lý, ứng dụng và xu hướng công nghệ
Hiện nay công nghệ LiDAR ứng dụng nhiều về ô tô tự lái, máy bay không người lái, bản đồ địa hình. Tuy nhiên, máy quét LiDAR là gì, hoạt động như thế nào trong không gian ba chiều (3D). Nguyên lý và ứng dụng của LiDAR dưới góc nhìn kỹ thuật hiện đại
Hiểu cơ bản về dòng máy quét LiDAR
LiDAR viết tắt Light Detection and Ranging, nghĩa là “phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng laser”. Hiểu đơn giản, máy quét LiDAR chiếu tia laser và đo thời gian để ánh sáng phản xạ ngược lại sau khi chiếu vào vật thể. Từ đó, hệ thống tính được khoảng cách chính xác giữa cảm biến và vật thể, tạo nên bản đồ ba chiều có độ chi tiết cực cao
Có thể hiểu LiDAR hoạt động tương tự radar, không dùng sóng vô tuyến mà sử dụng tia laser với bước sóng ngắn hơn hàng nghìn lần, cho phép thu được độ chính xác đến từng mm. Dữ liệu thu được từ LiDAR được gọi là đám mây điểm (point cloud) tập hợp hàng triệu điểm không gian có tọa độ X, Y, Z hình dạng bề mặt.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy quét LiDAR
Một hệ thống máy quét LiDAR hoàn chỉnh thường gồm
- Bộ phát laser tạo ra các xung ánh sáng có tần số rất cao.
- Bộ thu (sensor) thu lại ánh sáng phản xạ từ bề mặt vật thể
- Bộ định vị (GPS/INS) xác định vị trí và hướng của thiết bị khi quét.
- Camera góc rộng xác định điểm trong không gian
- Bộ xử lý dữ liệu tính toán khoảng cách và dựng hình 3D
Khi tia laser phát đi, hệ thống đo quét thời gian từng xung, tính khoảng cách. Khi lặp lại quá trình hàng triệu lần ở nhiều hướng khác nhau, máy quét LiDAR tạo ra bản đồ 3D chính xác của toàn bộ khu vực xung quanh.
Phân loại máy quét LiDAR
Tùy vào mục đích sử dụng, LiDAR được chia thành
- LiDAR quay 360: sử dụng đầu quét cơ học quay liên tục 360 độ, dùng trong xe tự lái và thiết bị khảo sát vì có tầm quét rộng, dữ liệu dày.
- LiDAR bán dẫn : không quay, dùng cảm biến quang học để quét, nhỏ gọn, bền dùng nhiều trong ngành ô tô.
- LiDAR tĩnh: lắp cố định tại trạm đo hoặc nhà xưởng, dùng để quét vật thể chi tiết như công trình hoặc đường hầm.
- LiDAR di động: gắn trên xe, drone, tàu bè hàng hải để quét diện tích lớn trong thời gian ngắn.
Ngoài ra, còn có dòng LiDAR dạng chớp hay sóng liên tục đang được nghiên cứu phát triển nhằm tăng tốc độ xử lý và giảm nhiễu.
Ứng dụng LiDAR trong đời sống và kỹ thuật
Xe tự lái giao thông thông minh
LiDAR cho của xe tự hành nhờ khả năng nhận biết chính xác hình dạng, khoảng cách và tốc độ của vật thể, xe có thể tự tránh chướng ngại, nhận dạng người đi bộ và di chuyển an toàn trong mọi điều kiện ánh sáng. Ở cấp độ cao hơn, LiDAR còn được dùng để lập bản đồ cho hệ thống định vị và điều hướng.
Khảo sát địa hình và xây dựng
Trong ngành đo đạc khảo sát trắc địa, máy quét LiDAR giúp tạo bản đồ địa hình số với độ chính xác cao. Khi tích hợp trên máy bay không người lái drone, có thể quét được khu vực rộng hàng trăm km² chỉ trong vài giờ, vùng rừng núi vùng biển đảo hay khu vực bị che phủ thực vật.
Nông nghiệp và lâm nghiệp
Công nghệ được ứng dụng để đo chiều cao cây trồng, tính mật độ tán lá, lập bản đồ năng suất và theo dõi biến động rừng. Dữ liệu 3D này hỗ trợ việc quản lý tài nguyên, dự báo môi trường và nghiên cứu biến đổi khí hậu thời tiết
Kiến trúc và công nghiệp
Trong lĩnh vực xây dựng, cho phép quét hiện trạng công trình, phục vụ thiết kế, kiểm tra sai lệch thi công hoặc tạo mô hình BIM. Trong công nghiệp, dùng để đo đạc dung tích kho bãi, kiểm tra sản phẩm hoặc robot định vị trong nhà xưởng.
Ưu điểm và hạn chế máy quét LiDAR
Ưu điểm:
- Độ chính xác và chi tiết rất cao, làm việc tốt cả ban đêm.
- Dữ liệu 3D dễ dàng xử lý, mô phỏng và tích hợp với phần mềm GIS, CAD, BIM.
- Tốc độ quét nhanh, bao phủ diện tích rộng
Hạn chế:
- Giá thành máy quét Lidar cao, các loại dành công nghiệp hoặc xe tự lái.
- Tia laser bị ảnh hưởng bởi sương mù, mưa hoặc vật liệu hấp thụ ánh sáng mạnh.
- Dữ liệu point cloud có dung lượng rất lớn, cần phần mềm và phần cứng mạnh để xử lý
Các loại máy quét LiDAR dùng trong khảo sát trắc địa
Máy quét mặt đất cố định
Máy quét lidar phổ biến nhất trong khảo sát công trình và địa hình chi tiết. Máy hoạt động bằng cách phát xung laser quét toàn cảnh 360°, thu hàng triệu điểm tọa độ 3D trong vài phút.
- Độ chính xác: 1–3 mm
- Tốc độ quét: >1 triệu điểm/giây
- Phạm vi quét: 70–400 m
Ứng dụng: Quét công trình dân dụng, cầu đường, hầm mỏ, nhà xưởng, kiến trúc cổ, công trình ngầm
Các dòng máy quét 3D
- Leica BLK360, RTC360: Nhỏ gọn, dễ di chuyển, tích hợp camera HDR, tốc độ cao dùng nhiều trong khảo sát BIM và kiểm tra thi công.
- Trimble X9: Tốc độ cao, quét ngoài trời hiệu quả, tích hợp cảm biến nghiêng tự cân bằng, dữ liệu tương thích trực tiếp Trimble Business Center.
Máy quét di động mặt đất (Mobile Mapping LiDAR)
Hệ thống máy quét này được gắn trên ô tô, xe đẩy, ba lô, kết hợp với GNSS và IMU để quét liên tục khi di chuyển. Dữ liệu tạo map 3D tuyến đường, đô thị hoặc không gian lớn
- Độ chính xác: 2–5 cm (sau xử lý GNSS/INS)
- Tốc độ thu dữ liệu: hàng triệu điểm/giây khi xe di chuyển 40–80 km/h
- Ứng dụng: Lập bản đồ đô thị 3D, khảo sát hành lang giao thông, quản lý hạ tầng kỹ thuật.
Sản phẩm tiêu biểu:
- Leica Pegasus Two Ultimate gắn trên xe tích hợp camera toàn cảnh và GNSS độ chính xác cao.
- Trimble MX50 / MX9: Phù hợp đo đường dài, cầu, đô thị; cung cấp dữ liệu GNSS+INS đồng bộ.
LiDAR UAV Drone
Lidar tích hợp trên máy bay UAV (drone) để quét khu vực diện tích lớn chi tiết, quét xuyên qua tán cây, phát hiện địa vật và biến dạng địa hình.
- Độ chính xác: 2–10 cm tùy cao độ bay
- Phạm vi phủ: 1–100 km² mỗi chuyến bay
- Ứng dụng: đo địa hình rừng, thủy điện, khai khoáng, ũ quét, sạt lở, hầm mỏ, xa mạc…
Các hệ thống tiêu biểu:
- RIEGL VUX-1, VUX-120, miniVUX-3UAV hệ thống hàng đầu thế giới cho UAV và máy bay, độ chính xác cao, nhẹ
- DJI Zenmuse L2 dòng LiDAR UAV dân dụng cao cấp, tầm quét 450 m, độ chính xác ±3 cm, tích hợp camera RGB 4/3 CMOS.
LiDAR cầm tay và quét trên ba lô
Đây là dòng quét Lidar di động linh hoạt được sử dụng nhiều trong công trình hoặc khu vực khó tiếp cận.
- Độ chính xác: 1–3 cm
- Phạm vi: 50–120 m
Ứng dụng: Quét khảo sát địa hình, xây dựng, lâm nghiệp, quản lý cơ sở hạ tầng, khảo cổ học, nông nghiệp chính xác..
Một số sản phẩm nổi bật:
- GeoSLAM ZEB Horizon quét trong nhà cực nhanh, xử lý dữ liệu tự động khảo sát công trình.
- Leica BLK2GO máy quét cầm tay hiện đại, quét thời gian thực, dựng 3D trực tiếp trên máy
- Trimble X12 Backpack phiên bản di động kết hợp LiDAR camera cho khảo sát địa hình khó.
Xu hướng phát triển
Công nghệ bán dẫn và quang học tích hợp, các cảm biến LiDAR đang ngày trang bị đại trà trên ô tô, điện thoại, robot và drone thương mại. Bên cạnh đó, sự kết hợp giữa LiDAR và trí tuệ nhân tạo (AI). Các thuật toán học, máy có thể tự động nhận dạng vật thể, lọc nhiễu và phân loại vật thể từ dữ liệu 3D, giúp giảm khối lượng xử lý thủ công và tăng độ chính xác trong thực tế.
Xu hướng và công nghệ mới trong LiDAR trắc địa
- Tự động hóa xử lý dữ liệu đám mây điểm (Point Cloud): Phần mềm Trimble RealWorks, Leica Cyclone, Faro Scene hiện nay đều có AI nhận dạng mặt phẳng, tường, ống, bề mặt… giúp giảm thiểu thời gian xử lý.
- Kết hợp dữ liệu GNSS/INS đồng bộ: Các hệ thống quét LiDAR mới tích hợp GNSS và cảm biến quán tính INS, giúp định vị chính xác ngay cả trong khu vực mất tín hiệu GPS.
- Chuẩn hóa định dạng dữ liệu LAS/LAZ theo chuẩn quốc tế LAS 1.4 tương thích với ArcGIS, Civil3D, ReCap, CloudCompare… giúp dễ chia sẻ và quản lý.
Máy quét LiDAR xử lý dữ liệu không gian 3D, không chỉ trong việc đo đạc chính xác, mà còn là nền tảng cho tương lai tự động hóa và không gian số
Hướng dẫn máy quét Lidar 3D Meridian ML1
Máy quét lidar 3D cầm tay ML1 của hãng Meridian GNSS tích hợp lidar có ...
Máy quét Laser hình ảnh Leica BLK360 nhỏ nhất thế giới
Leica BLK360 thế hệ mới là một máy quét laser hình ảnh chính xác tiên ...
