Trong thời đại công nghệ số, ứng dụng LiDAR (Light Detection and Ranging) đã trở thành một công cụ đột phá, mang lại những tiến bộ vượt bậc trong nhiều lĩnh vực. Từ việc lập bản đồ địa hình chi tiết đến hỗ trợ nghiên cứu khoa học và phát triển đô thị, LiDAR không chỉ thay đổi cách chúng ta thu thập và phân tích dữ liệu mà còn mở ra những tiềm năng mới trong việc quản lý tài nguyên và ứng phó với biến đổi khí hậu. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá hơn 10 ứng dụng quan trọng của LiDAR, cho thấy rõ ràng tại sao công nghệ này đang dẫn đầu trong cuộc cách mạng kỹ thuật số toàn cầu.
Lidar là gì?
LiDAR (Light Detection and Ranging) là công nghệ viễn thám sử dụng cảm biến laser để đo khoảng cách đến mục tiêu. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong GIS (Hệ thống thông tin địa lý) để xây dựng các mô hình số độ cao (DEM) và mô hình số địa hình (DTM), hỗ trợ việc lập bản đồ 3D.
Công nghệ Lidar xuất hiện vào những năm 1960 khi máy quét laser được gắn vào máy bay. Tuy nhiên ở thời điểm này, LiDAR vẫn chưa thực sự phổ biến, mãi cho đến những năm 1980, sau khi GPS ra đời, Lidar mới trở thành một phương pháp phổ biến để tính toán các phép đo không gian địa lý chính xác.
Tùy thuộc vào cảm biến được sử dụng, các bộ quét của hệ thống LiDAR có thể bắn ra hàng trăm nghìn xung mỗi giây. Những sóng ánh sáng này bật ra khỏi vật thể và quay trở lại cảm biến của hệ thống LiDAR. Mỗi phép đo hoặc trả về laser xung này trong Lidar có thể được xử lý thành hình ảnh 3D được gọi là “đám mây điểm”.
Cấu tạo của hệ thống Lidar
Hệ thống Lidar được cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần đảm nhiệm một chức năng cụ thể trong quá trình thu thập và xử lý dữ liệu. Dưới đây là các thành phần cơ bản của một hệ thống LiDAR:
Nguồn phát tia laser
Tạo ra các xung ánh sáng laser, là thành phần cốt lõi để đo khoảng cách. Các tia laser thường có bước sóng trong dải ánh sáng hồng ngoại (khoảng 1064 nm), phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường ngoài trời.
Bộ thu phát
Phát đi các xung laser và thu lại các tín hiệu phản xạ từ bề mặt mục tiêu. Bộ thu phát này bao gồm một gương quay hoặc hệ thống gương quét, cho phép tia laser quét qua một vùng không gian rộng, và một bộ cảm biến để thu lại các tín hiệu phản xạ.
Hệ thống quét
Điều khiển hướng quét của tia laser trên khu vực cần khảo sát. Hệ thống quét thường bao gồm gương quay, gương dao động hoặc hệ thống kết hợp, giúp laser quét theo các dạng sóng khác nhau để bao phủ một vùng rộng lớn.
Bộ thu tín hiệu
Nhận và ghi lại tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Bộ thu tín hiệu thường là các cảm biến quang học nhạy cảm, có khả năng phát hiện các xung phản xạ yếu từ mục tiêu ở khoảng cách xa.
Hệ thống định vị và đo lường (Positioning and Navigation System)
Cung cấp thông tin vị trí và hướng di chuyển của hệ thống LiDAR trong không gian. Thường bao gồm một hệ thống định vị toàn cầu (GPS) kết hợp với một hệ thống đo lường quán tính (IMU), giúp xác định chính xác vị trí của thiết bị LiDAR tại mỗi thời điểm quét.
Máy tính và phần mềm xử lý (Computer and Processing Software)
Xử lý dữ liệu thu thập từ hệ thống LiDAR để tạo ra các sản phẩm cuối cùng như mô hình số độ cao (DEM), mô hình số địa hình (DTM), và bản đồ 3D. Các phần mềm chuyên dụng này thực hiện các bước xử lý như lọc nhiễu, kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn, và phân tích dữ liệu không gian.
Hệ thống lưu trữ dữ liệu (Data Storage System)
Lưu trữ dữ liệu thu thập được từ hệ thống LiDAR. Dữ liệu LiDAR có dung lượng lớn, vì vậy hệ thống lưu trữ cần có dung lượng cao và khả năng truy cập nhanh chóng để hỗ trợ quá trình xử lý và phân tích.
Nguyên lý hoạt động của công nghệ Lidar
Nguyên lý hoạt động của hệ thống Lidar dựa trên việc sử dụng ánh sáng laser để đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt mục tiêu. Phát một chùm tia laser tới một đối tượng và bộ đọc laser sẽ đo khoảng thời gian phản xạ lại của laser đồng thời tính toán vị trí của đối tượng.
Nguyên lý: Khoảng cách từ cảm biến đến mục tiêu được tính toán dựa trên công thức:
D = (c×t)/2
Trong đó:
- D là khoảng cách từ cảm biến đến mục tiêu.
- c là tốc độ ánh sáng (khoảng 300,000 km/s).
- t là thời gian mà xung laser di chuyển từ cảm biến đến mục tiêu và ngược lại.
Dữ liệu thô từ hệ thống LiDAR được xử lý thông qua phần mềm chuyên dụng để loại bỏ nhiễu, chỉnh sửa và phân loại. Các dữ liệu sau khi xử lý có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như khảo sát địa hình, quản lý rừng, giám sát môi trường, và lập bản đồ đô thị.
Dữ liệu LiDAR thường được kết hợp với dữ liệu từ các nguồn khác như ảnh vệ tinh, ảnh hàng không, và các dữ liệu GIS để cung cấp một cái nhìn toàn diện và chi tiết hơn về khu vực khảo sát.
Công nghệ quét Lidar còn được sử dụng để thu thập dữ liệu về các đối tượng khác nhau trong môi trường. Ví dụ, các dữ liệu về đối tượng cây, cỏ, động vật… Sau đó, hệ thống sẽ lưu trữ các thông tin này trong bộ nhớ để sử dụng sau này.
Ứng dụng của Lidar trong các lĩnh vực khác nhau
1. Ứng dụng Lidar tìm kiếm các thành phố đã mất
Một trong những ứng dụng tuyệt vời của LiDAR là khảo cổ học. Một nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ LiDAR và khám phá ra một thành phố cổ đã mất tích nằm sâu trong rừng nhiệt đới Amazon.
Nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ LiDAR quét một phần của Amazon và tìm thấy bên dưới những tán cây rậm rạp là tàn tích của một nền văn minh cổ. Họ tin rằng thành phố này thuộc nền văn hóa Casarabe (500-1400 CN) với đường đắp cao, trung tâm đô thị, nền tảng và kiến trúc kim tự tháp.
Đáng chú ý, dữ liệu thu được cho thấy một số đường đắp cao đã được nâng lên và kết nối với các khu định cư rải rác ở ngoại ô, được ngăn cách bởi mạng lưới phân phối nước đặc trưng với các kênh và hồ chứa. Những khám phá mới này mở đường cho các nghiên cứu về việc rừng nhiệt đới Amazon từng có một giai đoạn đông dân và đô thị hóa dày đặc, điều này trái ngược với lịch sử được ghi lại từ trước đó.
Đồng tác giả của nghiên cứu, Heiko Prumers, thuộc Viện Khảo cổ học Đức, cho rằng câu chuyện rừng nhiệt đới Amazon là một “vùng đất hoang dã” chưa được con người tác động có thể bắt nguồn từ những người Châu Âu đầu tiên, điều này vô tình khiến mọi người quên đi việc còn có những địa điểm khảo cổ bí ẩn tại Amazon chưa được khám phá.
2. Ứng dụng của LiDAR trong xây dựng
Công nghệ LiDAR là một xu hướng mới đang được ngành xây dựng quan tâm vì nó mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Dữ liệu thu thập từ LiDAR tại các công trình phục vụ cho công tác khảo sát ban đầu, thiết kế dự án.
Ưu điểm lớn nhất là cách quét theo thời gian thực có thể phát hiện ra các khiếm khuyết ngay từ đầu dự án, tránh lãng phí thời gian và chi phí để làm lại bất kỳ công trình xây dựng nào bị lỗi.
Công nghệ LiDAR cực kỳ hữu ích trong các trường hợp khảo sát yêu cầu độ chính xác cao.
LiDAR có thể được kết hợp với công nghệ thực tế ảo (VR) hoặc thực tế tăng cường (AR) để tạo ra các mô phỏng phối cảnh thực tế của công trình trong môi trường thật, giúp các bên liên quan có cái nhìn trực quan về dự án.
Ngoài ra, khi dự án đang được tiến hành và quá trình xây dựng đã bắt đầu, quét tòa nhà bằng LiDAR giúp việc xây dựng khớp với Mô hình thông tin xây dựng (BIM) và đảm bảo chất lượng xây dựng và đúng tiến độ.
3. Ứng dụng Lidar vào các phép đo độ sâu dưới nước
LiDAR không chỉ hữu ích trong việc đo lường trên mặt đất mà còn được ứng dụng rộng rãi trong các phép đo độ sâu dưới nước, đặc biệt là trong lĩnh vực thủy văn và hải dương học. Công nghệ này, được gọi là LiDAR Bathymetry hoặc LiDAR đo sâu thủy văn, hoạt động bằng cách sử dụng các xung laser để đo độ sâu của nước và tạo ra các bản đồ địa hình dưới nước. Dưới đây là những ứng dụng chính của LiDAR trong đo độ sâu dưới nước:
- Khảo Sát Địa Hình Đáy Biển và Đáy Sông
- Đo Sâu Địa Hình Cận Bờ
- Quản Lý Tài Nguyên và Môi Trường Nước
- Hỗ Trợ Các Hoạt Động Xây Dựng và Phát Triển Hạ Tầng Dưới Nước
- Nghiên Cứu Và Bảo Tồn Các Hệ Sinh Thái Dưới Nước
- Phòng Chống Và Giảm Nhẹ Thiên Tai
4. Ứng dụng LiDAR trong nông nghiệp chính xác
LiDAR đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp chính xác (precision agriculture), giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và quản lý tài nguyên. Nông nghiệp chính xác là một khái niệm quản lý canh tác dựa trên quan sát, đo lường và hành động kịp thời trước những biến đổi giữa các vụ mùa. Trong những năm gần đây, Nông nghiệp ứng dụng ngày càng nhiều công nghệ LiDAR trên máy bay không người lái (UAV LiDAR/Drone LiDAR) để hỗ trợ các giải pháp nông nghiệp chính xác, cho phép quản lý cây trồng và vật nuôi chính xác hơn. Dưới đây là các ứng dụng chính của LiDAR trong nông nghiệp chính xác:
- Quản Lý Đất Đai và Cải Thiện Năng Suất.
- Quản Lý Nước Tưới và Hệ Thống Tưới Tiêu.
- Giám Sát Sức Khỏe Cây Trồng.
- Quản Lý Rừng Trồng và Cây Trồng Công Nghiệp.
- Quản Lý Thiên Tai và Giảm Thiểu Rủi Ro.
- Quản Lý Vùng Đệm và Bảo Tồn Đất.
- Hỗ Trợ Quyết Định và Tối Ưu Hóa Quy Trình Canh Tác.
5. Ứng dụng LiDAR quản lý tài nguyên rừng
LiDAR đã trở thành công cụ quan trọng trong quản lý tài nguyên rừng nhờ khả năng cung cấp dữ liệu chi tiết về cấu trúc và sức khỏe của rừng. LiDAR cho phép đo lường chính xác chiều cao cây và mật độ tán lá, giúp ước tính trữ lượng sinh khối và dự báo sản lượng gỗ. Đồng thời, công nghệ này hỗ trợ phân loại rừng và lập bản đồ địa hình, giúp xác định các khu vực có nguy cơ xói mòn cao. LiDAR còn giúp phát hiện sớm các vấn đề về bệnh tật và sâu bệnh trong rừng, cũng như đánh giá mức độ thiệt hại sau các vụ cháy rừng, từ đó đưa ra các biện pháp phục hồi kịp thời. Công nghệ này cũng đóng vai trò quan trọng trong ước tính và theo dõi trữ lượng carbon, hỗ trợ các nghiên cứu về biến đổi khí hậu và chính sách giảm phát thải. Hơn nữa, LiDAR giúp lập kế hoạch khai thác gỗ bền vững, bảo vệ đa dạng sinh học và xác định các khu vực cần tái trồng rừng. Nhờ đó, công nghệ này đã nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng bền vững tài nguyên rừng.
6. Ứng dụng LiDar trong xe tự hành
Hầu hết các thiết bị hỗ trợ người lái tiên tiến ngày nay đều sử dụng kết hợp radar và sonar để đưa ra cảnh báo về các mối đe dọa không nhìn thấy được và giúp dừng phương tiện trước khi xảy ra va chạm. Lidar là một công nghệ có thể thực hiện các chức năng tương tự như radar và sonar, nhưng nó là một hệ thống thế hệ tiếp theo có thể là lựa chọn tốt nhất cho khả năng “nhìn thấy” của AV. Điểm khác biệt của công nghệ LiDAR là sử dụng ánh sáng laser thay vì sóng vô tuyến.
Các hệ thống Lidar lập bản đồ môi trường bằng cách gửi các xung laser ra bên ngoài. Khi xung tiếp xúc với một vật thể hoặc chướng ngại vật, nó sẽ phản xạ hoặc dội ngược trở lại bộ phận nắp. Sau đó, hệ thống sẽ nhận xung và tính toán khoảng cách giữa nó và đối tượng, dựa trên thời gian đã trôi qua giữa việc phát xung và nhận chùm tia phản hồi.
Lidar thực hiện điều này một cách nhanh chóng, phát ra hàng triệu xung mỗi giây. Khi các chùm tia quay trở lại hệ thống, nó bắt đầu hình thành một bức tranh về những gì đang diễn ra trên thế giới xung quanh chiếc xe và có thể sử dụng các thuật toán máy tính để ghép các hình dạng cho ô tô, con người và các chướng ngại vật khác.
7. Ứng dụng LiDAR cảnh báo lũ lụt
Nhờ khả năng cung cấp dữ liệu địa hình chi tiết và chính xác, LiDAR được ứng dụng trong các hệ thống cảnh báo lũ lụt, cho phép xác định các khu vực có nguy cơ lũ lụt dựa trên đặc điểm địa hình như độ dốc và sự tồn tại của các vùng trũng. LiDAR cũng giúp đánh giá tác động của các công trình hạ tầng như đê, đập đối với dòng chảy tự nhiên, từ đó tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu nguy cơ lũ lụt. LiDAR có thể tích hợp với các hệ thống cảnh báo sớm để cung cấp thông tin kịp thời cho người dân, giúp giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra.
8. Ứng dụng Lidar Xác định mục đích sử dụng đất
LiDAR trở thành công cụ quan trọng trong việc quản lý và xác định mục đích sử dụng đất, giúp đảm bảo rằng tài nguyên đất đai được sử dụng một cách bền vững và hiệu quả, đồng thời hỗ trợ các quyết định quy hoạch và phát triển trong tương lai.
Phân loại và đánh giá đất đai: LiDAR giúp phân loại các loại đất đai dựa trên đặc điểm địa hình và cấu trúc bề mặt. Thông qua việc phân tích dữ liệu độ cao và độ dốc, LiDAR có thể xác định các khu vực phù hợp cho nông nghiệp, xây dựng, bảo tồn thiên nhiên, hoặc các mục đích khác.
Lập bản đồ sử dụng đất: LiDAR hỗ trợ việc lập bản đồ chi tiết về hiện trạng sử dụng đất, từ đó giúp các nhà quy hoạch và quản lý đất đai có cái nhìn tổng quan về các vùng sử dụng cho nông nghiệp, công nghiệp, đô thị hóa, và các mục đích khác. Bản đồ này rất quan trọng trong việc quy hoạch và phát triển bền vững.
Quản lý tài nguyên và bảo tồn: LiDAR có thể xác định các khu vực đất đai cần bảo vệ, chẳng hạn như rừng, vùng đất ngập nước, hoặc các khu vực có giá trị sinh thái cao. Dữ liệu chi tiết từ LiDAR giúp quản lý và giám sát các khu vực này, đảm bảo rằng chúng được sử dụng một cách bền vững và không bị xâm phạm.
Đánh giá tiềm năng phát triển: Dữ liệu LiDAR cung cấp thông tin về địa hình và hạ tầng hiện có, giúp đánh giá tiềm năng phát triển của các khu vực đất đai. Các nhà quy hoạch có thể sử dụng thông tin này để quyết định mở rộng đô thị, xây dựng hạ tầng mới, hoặc cải tạo đất đai.
Hỗ trợ quy hoạch đô thị: Trong quy hoạch đô thị, LiDAR giúp xác định các khu vực thích hợp để xây dựng nhà cửa, đường xá, và cơ sở hạ tầng khác. LiDAR cũng hỗ trợ trong việc tối ưu hóa thiết kế đô thị, đảm bảo rằng các khu vực được sử dụng hiệu quả và phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững.
Giám sát thay đổi sử dụng đất: LiDAR có khả năng giám sát sự thay đổi trong mục đích sử dụng đất theo thời gian, giúp phát hiện các xu hướng như đô thị hóa, xói mòn đất, hoặc thay đổi trong cấu trúc canh tác. Thông tin này quan trọng trong việc điều chỉnh các chính sách quản lý đất đai kịp thời.
9. Ứng dụng LIDAR trong dự báo ô nhiễm không khí
Nghiên cứu về nguyên nhân ô nhiễm không khí đô thị trên thế giới cho thấy ô nhiễm chủ yếu xuất phát từ giao thông, hoạt động kinh tế-xã hội và lan truyền ô nhiễm từ xa. Tại Việt Nam, các công nghệ quan trắc hiện nay chỉ tập trung vào các trạm quan trắc tầm thấp, chưa quan sát được quá trình lan truyền ô nhiễm từ nơi khác hoặc ở tầng không khí trên cao, đặc biệt khi có hiện tượng đối lưu nhiệt. Công nghệ ảnh mây vệ tinh hiện tại không đảm bảo tính liên tục và không đủ thuyết phục do thiếu khả năng định lượng ô nhiễm.
Việt Nam vẫn chưa có công nghệ đánh giá ô nhiễm tầm cao, do đó khó xác định nguyên nhân gây mù trong giai đoạn chuyển mùa, cũng như theo dõi quá trình di chuyển của bụi mịn và chất ô nhiễm. Trước tình hình này, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã tìm hiểu và nhận thấy công nghệ LiDAR là giải pháp phù hợp. LiDAR sử dụng bức xạ laser để quan trắc không khí theo không gian và thời gian, là công nghệ duy nhất hiện nay có khả năng quét tầm xa trên 10 km và cung cấp dữ liệu ô nhiễm 24/24 theo chiều ngang và chiều dọc, giúp đánh giá chính xác các thông số ô nhiễm trên cao và nguồn gốc lan truyền ô nhiễm đến các đô thị. Dựa trên nguyên tắc hấp thụ ánh sáng khác nhau giữa các thành phần ô nhiễm, từ đó tính toán được nồng độ các hợp chất trong các tầng khí quyển.
10. Quản lý tài sản bằng LiDAR
Quản lý đô thị đang sử dụng LiDAR di động để quản lý tài sản và đảm bảo an toàn và tiêu chuẩn. Ví dụ, tất cả mọi thứ từ điều kiện đường xá, cầu bị hư hỏng, tiện ích, biển quảng cáo và biển báo đường phố.
Sau khi thu thập, các bản quét được chuyển đến cơ sở dữ liệu không gian địa lý. Theo cách này, họ có thể lưu trữ, phân tích và trực quan hóa từng tài sản cơ sở hạ tầng – đây là chức năng chính của Hệ thống thông tin địa lý (GIS).
11. Ứng dụng LiDAR khảo sát và lập bản đồ khu vực đóng băng
LiDAR cung cấp các bản đồ địa hình có độ phân giải cao, giúp xác định cấu trúc bề mặt của sông băng và băng hà một cách chính xác. Điều này quan trọng trong việc hiểu rõ sự phân bố và chuyển động của băng, từ đó đánh giá được tình trạng và sự thay đổi của chúng theo thời gian.
Thông qua việc thu thập dữ liệu LiDAR, các nhà nghiên cứu có thể phân tích tác động của biến đổi khí hậu đối với các khu vực đóng băng. Ví dụ, dữ liệu về tốc độ tan chảy của băng giúp đánh giá mức độ nghiêm trọng của hiện tượng ấm lên toàn cầu và đưa ra các dự báo cho tương lai.
12. LiDAR trong triển khai thực tế tăng cường
Khi LiDAR ngày càng trở nên phổ biến trong điện thoại thông minh, tích hợp vào trò chơi bây giờ là một thực tế. Ví dụ: công nghệ thực tế tăng cường cho phép bạn tương tác với thế giới bên ngoài bằng cách sử dụng màn hình điện thoại thông minh
Để thực hiện được điều này, LiDAR bổ sung thêm cảm biến độ sâu. Ứng dụng này không chỉ phục vụ cho trò chơi mà còn có thể áp dụng vào tháp truyền tải, tua-bin gió và tấm pin mặt trời.
LiDAR là một công nghệ tiên tiến với nhiều ứng dụng đa dạng, từ quản lý tài nguyên thiên nhiên, quy hoạch đô thị, đến nghiên cứu biến đổi khí hậu. Những khả năng vượt trội của LiDAR trong việc thu thập dữ liệu chi tiết và chính xác đã mở ra nhiều cơ hội mới cho các ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Với khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, LiDAR không chỉ giúp cải thiện hiệu quả công việc mà còn đóng góp quan trọng vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Nếu bạn đang tìm kiếm một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các thách thức trong lĩnh vực của mình, LiDAR chắc chắn là một lựa chọn đáng cân nhắc.
