Hệ thống tích hợp UAV LiDAR là gì?

Trong bài viết đầu tiên này, chúng tôi sẽ cung cấp tổng quan cấp cao về hệ thống tích hợp UAV LiDAR. Chúng ta sẽ thảo luận về hệ thống tích hợp UAV LiDAR bao gồm những gì, mô tả lợi ích và các trường hợp sử dụng tốt nhất.

LiDAR là gì?

LiDAR là một công nghệ viễn thám được sử dụng để thu thập thông tin về các vật thể hoặc hiện tượng mà không cần tiếp xúc vật lý với bất kỳ vật thể nào trong số chúng. LiDAR hoàn thành mục tiêu này bằng cách sử dụng tia laze, là thiết bị phát ra sóng ánh sáng để đo khoảng cách đến bề mặt hoặc cảm nhận các vật thể. Năng lượng phát ra từ hệ thống LiDAR được gọi là ‘xung’, trong khi ánh sáng phản xạ từ mặt đất hoặc vật thể được gọi là ‘phản xạ’. Sử dụng tốc độ ánh sáng và đo thời gian quay trở lại nguồn của nó, có thể đo chính xác khoảng cách từ cảm biến đến một vật thể hoặc mặt đất trong không gian ba chiều.

Một tập hợp các phép đo ở dạng điểm LiDAR được gọi là đám mây điểm và được sử dụng để tạo biểu diễn 3D của khu vực hoặc đối tượng xung quanh. Ngoài việc thực hiện các phép đo khoảng cách chính xác, đám mây điểm còn cho phép trích xuất và phân loại đối tượng. Công nghệ LiDAR được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ lập bản đồ địa hình đến lập bản đồ không gian trong nhà cho các dự án di sản văn hóa, xây dựng và kiến ​​trúc.

Hệ thống tích hợp UAV LiDAR

Dữ liệu LiDAR được thu thập bằng nhiều nền tảng khác nhau như Máy bay không người lái (UAV), máy bay, ô tô, ba lô hoặc bằng cách sử dụng máy quét laser tĩnh trên mặt đất. Máy bay không người lái UAV là máy bay không có phi công, phi hành đoàn hoặc hành khách trên máy bay.

Khi UAV mang hệ thống LiDAR và được sử dụng để thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh, thuật ngữ UAV LiDAR sẽ được sử dụng. Hệ thống UAV LiDAR thường bao gồm một số cảm biến bao gồm cảm biến LiDAR, máy thu GNSS (Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu) để định vị xung và IMU (Đơn vị đo lường quán tính) để xác định hướng và tốc độ của tải trọng LiDAR.

UAV LiDAR có thể được sử dụng thay thế cho các loại và nền tảng LiDAR khác để tạo ra các mô hình và bản đồ 3D rõ ràng và chính xác.

Hệ thống tích hợp UAV LiDAR thay thế cho LiDAR 

LiDAR trên không sử dụng máy bay hoặc máy bay trực thăng có người lái để chụp đám mây điểm 3D trên bề mặt trái đất, được hiển thị dưới dạng DTM (Mô hình địa hình kỹ thuật số) hoặc DSM (Mô hình bề mặt kỹ thuật số). Thông thường, LiDAR trên không được sử dụng để lập bản đồ địa hình diện rộng, trong đó dữ liệu đám mây điểm có độ chính xác cao và độ phân giải cao trên hàng nghìn km2 địa hình được ghi lại trong một dự án.

Ngược lại, người dùng hệ thống máy bay không người lái LiDAR đã tận dụng tối đa công nghệ để lập bản đồ các địa điểm nhỏ hơn, tuy nhiên, trong 2-3 năm qua, ngày càng có nhiều kỳ vọng mở rộng những lợi ích này cho các khu vực khảo sát lớn hơn. Ngoài ra, hiện đã có các máy bay không người lái có độ bền lâu hơn, điều này sẽ mở rộng loại ứng dụng mà UAV LiDAR có thể được sử dụng.

Khi so sánh UAV và LiDAR trên không, LiDAR trước đây bị giới hạn ở trần độ cao 400 foot, dựa trên độ cao an toàn tối thiểu của máy bay có người lái. Mặc dù về mặt pháp lý, máy bay không người lái không thể bay cao hoặc nhanh như máy bay có người lái, nhưng những tính năng này thực sự khiến chúng phù hợp hơn trong một số trường hợp sử dụng nhất định so với LiDAR trên không.

UAV LiDAR thay thế cho LiDAR trên mặt đất

Quá trình quét laser hoặc LiDAR mặt đất tĩnh diễn ra trên bề mặt trái đất, các cảm biến thường được gắn trên giá ba chân.

Kỹ thuật này được sử dụng để lập bản đồ các tòa nhà, các đặc điểm trên mặt đất và cây cối ở mặt đất. Quét mặt đất cố định là một phương pháp khảo sát rất phổ biến. Máy quét laze trên mặt đất là một thiết bị đo không tiếp xúc, điển hình là một cảm biến laze quay duy nhất có thể quét toàn bộ trường nhìn 360 độ, để thu thập các đám mây điểm dày đặc của vật thể.

Chúng được khớp với các hình ảnh kỹ thuật số được chụp từ khu vực được quét từ vị trí của máy quét để tạo ra các mô hình 3D thực tế.

Với sự xuất hiện của LiDAR, máy bay không người lái và GNSS, những gì từng yêu cầu các nhóm người thực hiện các dự án khảo sát và lập bản đồ kéo dài hàng tháng nay có thể được thực hiện hiệu quả hơn, trong thời gian ngắn hơn và tiết kiệm chi phí hơn.

Các trường hợp sử dụng tốt nhất của UAV LiDAR

Mặc dù được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, chúng tôi trình bày hai trường hợp tốt nhất cho UAV LiDAR: khi bạn cần xuyên qua thảm thực vật để đạt được DTM thay vì DSM hoặc để vượt qua địa hình khó khăn hoặc địa điểm nguy hiểm, chẳng hạn như sạt lở đất.

Trường hợp sử dụng 1: Tạo DTM bằng UAV LiDAR

Do các xung laze phát ra từ hệ thống LiDAR phản xạ từ các vật thể cả trên và trên mặt đất nên LiDAR là một công nghệ rất hữu ích để xuyên qua thảm thực vật từ trên không để nhìn thấy mặt đất bên dưới.

Như đã nêu ở trên, LiDAR trên không và UAV LiDAR được sử dụng để tạo các mô hình 3D chính xác dưới dạng DTM và DSM. Sự khác biệt giữa hai loại này là rất nhỏ: DSM là một đại diện 3D của địa hình và tất cả các đối tượng trong không gian đó; trong khi trong DTM, tất cả các đối tượng (ví dụ: cây cối, thảm thực vật và tòa nhà) đã bị loại bỏ để chỉ còn lại mặt đất.

DTM đặc biệt hữu ích cho vô số ứng dụng quản lý lâm nghiệp, vì UAV LiDAR trực quan hóa cả khu rừng và mặt đất. Dữ liệu đám mây điểm được sử dụng để tạo mô hình cấu trúc tán cây, cung cấp thông tin cụ thể như khối lượng cây và chiều cao cây.

Trường hợp sử dụng 2: Vượt qua địa hình hiểm trở hoặc địa điểm nguy hiểm bằng UAV LiDAR

UAV LiDAR có thể giúp các công ty lập bản đồ vượt qua các địa hình khó khăn hoặc các địa điểm nguy hiểm. Sử dụng máy bay không người lái thay vì nhân viên để lập bản đồ các khu vực nguy hiểm hoặc khó khăn giúp tăng độ an toàn, tốc độ, hiệu quả và chất lượng dữ liệu. Lấy ví dụ các mỏ lộ thiên, đây là những nơi nguy hiểm để làm việc vì có nhiều vách đá và bờ kè dốc có thể bị sập. Sử dụng UAV LiDAR có thể giúp bạn xác định cả những khu vực nguy hiểm và an toàn tại một địa điểm khai thác mỏ.

Khảo sát các sườn dốc là một thách thức vì nhiều lý do, một trong số đó là khả năng tiếp cận của nhân viên mặt đất. Các ứng dụng như đập và vận chuyển nước, khảo sát cơ sở hạ tầng, lập bản đồ sạt lở đất, kiểm tra đường ống và khảo sát các địa điểm khảo cổ đều được hưởng lợi từ UAV LiDAR, đây là giải pháp thay thế tốt hơn cho khảo sát mặt đất nguy hiểm hoặc lập bản đồ LiDAR trên không.

Ưu điểm của việc sử dụng UAV LiDAR

UAV LiDAR có nhiều ưu điểm so với cả LiDAR trên không và trên mặt đất, bao gồm tăng cường an toàn, tiết kiệm chi phí, tốc độ thu thập dữ liệu và chất lượng dữ liệu cao hơn.

Hệ thống tích hợp UAV LiDAR tăng cường an toàn cho nhân sự

Xem xét các khía cạnh sức khỏe và an toàn và phấn đấu để đạt được điều kiện làm việc an toàn hơn có tầm quan trọng cao bất kể ngành nào.

UAV LiDAR mang lại lợi thế lớn trong môi trường nguy hiểm nơi bạn không muốn cử người đến và khảo sát các khu vực khó hoặc không thể thực hiện bằng các phương tiện khác, bao gồm mỏ lộ thiên, sạt lở đất hoặc khu vực chứa mìn. Bằng cách để máy bay không người lái bay qua khu vực quan tâm, bạn không phải tự mình tiếp cận khu vực đó và đặt sự an toàn của mình vào nguy cơ. Điều này cũng giúp bạn không phải căng thẳng để bảo vệ bản thân và thiết bị của mình khi ở trong tình huống rủi ro hoặc gấp rút làm việc để thoát khỏi môi trường nguy hiểm, điều này có thể dẫn đến kết quả đo kém hoặc dữ liệu chất lượng thấp.

UAV LiDAR tiết kiệm chi phí hơn so với LiDAR trên không

Việc thu thập dữ liệu UAV LiDAR có thể được thực hiện kịp thời, chính xác và an toàn với chi phí thấp hơn nhiều so với khảo sát sử dụng máy bay có người lái.

Mặc dù LiDAR trên không rất phù hợp để lập bản đồ diện rộng cho những vùng đất rộng lớn, UAV LiDAR là lựa chọn linh hoạt và hiệu quả hơn về chi phí cho các khu vực nhỏ hơn, đòi hỏi ít thời gian, nhân sự và hệ thống nhỏ hơn để nhanh chóng tạo ra dữ liệu chất lượng cao cho khu vực của bạn lãi.

UAV LiDAR giúp thu thập dữ liệu nhanh chóng

Các cuộc khảo sát truyền thống có thể mất vài ngày hoặc vài tuần để thu thập dữ liệu. Hãy tưởng tượng sử dụng một máy quét laser trên mặt đất duy nhất cần được di chuyển thường xuyên để lập bản đồ hoàn chỉnh cho một khu vực rộng lớn. Đây không phải là cách tiếp cận có thể mở rộng cho phép bạn hoàn thành dự án nhanh chóng hoặc giúp bạn làm việc hiệu quả hơn theo thời gian.

Với máy bay không người lái LiDAR, bạn sẽ mất ít thời gian hơn để thu thập dữ liệu. Một cuộc khảo sát có thể được hoàn thành trong vòng vài giờ và được xử lý trong cùng một ngày, mang lại cho bạn kết quả nhanh chóng giúp đưa ra quyết định nhanh hơn. Thời gian quay vòng nhanh để thu thập dữ liệu và cung cấp đầu ra có độ phân giải cao có nghĩa là UAV LiDAR hiện cung cấp giải pháp thay thế khả thi, hiệu quả về chi phí cho các dự án khảo sát và lập bản đồ trên mặt đất.

Hệ thống tích hợp UAV LiDAR tạo dữ liệu có độ phân giải cao

Các hệ thống UAV LiDAR có thể tạo ra dữ liệu điểm có độ chính xác cao và độ phân giải cao . Cả độ chính xác và độ phân giải đều là kết quả của khả năng của hệ thống, loại khảo sát đang được tiến hành và độ cao bay:

Độ phân giải dữ liệu đề cập đến mức độ chi tiết được ghi lại bởi hệ thống LiDAR và được biểu thị bằng số điểm trên một mét vuông. Đối với UAV LiDAR, số lượng điểm trên một mét vuông cao vì bạn bay thấp hơn và chậm hơn so với các tùy chọn trên không khác như máy bay trực thăng hoặc máy bay. Tóm lại, UAV LiDAR có độ phân giải dữ liệu rất cao so với trên không:

Khảo sát một địa điểm có thảm thực vật dày đặc yêu cầu bạn phải bay thấp và chậm , nhưng tùy thuộc vào chất lượng của cảm biến LiDAR trong hệ thống của bạn, bạn vẫn có thể không đạt được mức độ phân giải cần thiết.

Độ chính xác của dữ liệu có thể được định nghĩa là mức độ gần của phép đo với giá trị thực của nó. Độ chính xác của dữ liệu phụ thuộc vào hệ thống LiDAR và chất lượng của cảm biến LiDAR và INS bên trong nó. Ngoài ra, bản chất của một cuộc khảo sát sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của dữ liệu: chẳng hạn như khảo sát những cây rất cao có nghĩa là bạn phải bay cao hơn nhiều để tránh cây cao nhất, điều này sẽ tạo ra dữ liệu kém chính xác hơn so với bay thấp qua một địa điểm có thảm thực vật thưa thớt hoặc một địa điểm có không có thảm thực vật. Độ chính xác của dữ liệu được giải thích chi tiết hơn trong bài viết sau .

Tóm tắt

Trong bài viết này, chúng tôi đã giải thích hệ thống tích hợp UAV LiDAR là gì, cách UAV LiDAR so sánh với các dạng mua lại LiDAR khác, lợi ích của nó và các trường hợp sử dụng tốt nhất.

LiDAR là một công nghệ viễn thám được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Khi một UAV mang trọng tải của hệ thống LiDAR và được sử dụng để thu thập dữ liệu về khu vực xung quanh, thuật ngữ hệ thống tích hợp UAV LiDAR sẽ được sử dụng.

Hệ thống tích hợp UAV LiDAR là lựa chọn lý tưởng khi bạn cần xuyên qua thảm thực vật để đạt được DTM thay vì DSM hoặc để vượt qua địa hình khó khăn hoặc các địa điểm nguy hiểm, chẳng hạn như sạt lở đất. Các hệ thống tích hợp UAV LiDAR có thể tạo ra dữ liệu điểm có độ chính xác cao và độ phân giải cao. Độ phân giải và độ chính xác của dữ liệu bị ảnh hưởng bởi cả khả năng của hệ thống, độ cao bay đạt được và loại khảo sát đang được tiến hành.