Các loại lidar: so sánh hệ thống trên không, mặt đất, di động và đo sâu
Những điểm chính
- Lidar chủ yếu phân loại theo nền tảng: hàng không, mặt đất, di động và đo sâu, cộng lidar vệ tinh.
- Máy quét laser mặt đất chính xác nhất, thường milimét ở tầm ngắn; lidar hàng không bao phủ lớn nhất ở độ chính xác centimét đến đềximét.
- Lidar đo sâu dùng ánh sáng xanh (khoảng 532 nm) vì xuyên nước, còn lidar địa hình thường dùng bước sóng cận hồng ngoại.
- Thời gian bay xung, lệch pha và sóng liên tục điều tần (FMCW) là ba phương pháp đo xa lidar chính.
- Radar dùng sóng vô tuyến xuyên mây và một số vật liệu; lidar dùng ánh sáng và cho độ phân giải mịn hơn nhiều.
Các loại lidar chính là gì?
Các loại lidar chính là hệ hàng không, mặt đất, di động và đo sâu, nhóm theo nền tảng mang cảm biến và bề mặt đo. Mỗi loại là hệ lidar đầy đủ: laser, bộ thu, cơ cấu quét, bộ đo thời gian và cách xác định vị trí, hướng cảm biến.
Lidar viết tắt của phát hiện và đo xa bằng ánh sáng. Nói đơn giản, công nghệ lidar là gì? Là phương pháp đo khoảng cách bằng phát laser tới bề mặt và tính thời gian phản hồi, lặp hàng trăm nghìn đến hàng triệu lần mỗi giây để dựng đám mây điểm 3D. Bài nhập môn lidar là gì nêu nguyên lý cơ bản; ở đây so sánh các loại để bạn chọn phù hợp dự án.
| Loại | Nền tảng | Độ chính xác điển hình | Độ phủ điển hình | Công dụng chính |
|---|---|---|---|---|
| Địa hình hàng không | Máy bay, trực thăng, drone | Khoảng 3–15 cm theo phương đứng | Từ hecta tới hàng nghìn km² | Mô hình địa hình, lâm nghiệp, bản đồ ngập, hành lang |
| Đo sâu / địa hình và đo sâu | Máy bay hoặc drone có laser xanh | Cấp đềximét, tùy nước | Bờ biển, sông, đáy biển nông | Vùng ven biển, lòng sông, bản đồ sinh cảnh |
| Mặt đất (TLS) | Chân máy tĩnh | Milimét ở tầm ngắn | Từ một phòng đến tòa nhà hoặc nhà máy | BIM, nhà máy, di sản, quan trắc biến dạng |
| Di động (xe) | Ô tô, tàu hỏa, thuyền có GNSS/INS | Cấp centimét khi GNSS tốt | Hàng kilômét đường bộ hoặc đường sắt mỗi ngày | Đường bộ, đường sắt, tài sản đường phố, mô hình thành phố |
| SLAM cầm tay / ba lô | Người vận hành đi bộ | Tương đối khoảng 1–3 cm | Công trình, đường hầm, rừng | Lập bản đồ trong nhà, mỏ, hoàn công nhanh |
| Vệ tinh | Tàu vũ trụ quay quanh Trái Đất | Thay đổi; thiết kế cho khoa học | Mặt cắt toàn cầu | Băng, chiều cao rừng, độ cao toàn cầu |
Lidar hàng không là gì và hoạt động thế nào?
Lidar hàng không là máy quét laser gắn trên máy bay hoặc drone quét mặt đất bên dưới trong khi máy thu GNSS và IMU ghi quỹ đạo chính xác của cảm biến. Kết hợp khoảng cách, góc quét và quỹ đạo cho tọa độ mỗi phản hồi.
Cảm biến lidar hàng không thường dùng cận hồng ngoại, phát hàng trăm nghìn đến hơn một triệu xung mỗi giây. Ưu điểm chính là nhiều phản hồi: một xung phản xạ một phần từ lá, cành rồi mặt đất, nên lidar hàng không mô hình hóa được đất trần dưới tán rừng. Vì vậy nó chủ đạo trong chương trình độ cao quốc gia và mô hình ngập.
Công việc hàng không có hai quy mô:
- Máy bay có người lái: khu vực lớn, độ cao lớn hơn, cấp chất lượng như trong yêu cầu lidar cơ sở của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS). Cấp Chất lượng 2 phổ biến yêu cầu ít nhất 2 điểm mỗi mét vuông và RMSE đứng 10 cm ở vùng không thực vật.
- Lidar drone: khu vực nhỏ hơn, mật độ điểm cao hơn nhiều, bay thấp; xem hướng dẫn drone trắc địa và lập bản đồ UAV để chọn tải trọng.
Nhiều dữ liệu hàng không công khai miễn phí. Để tải lidar tại Hoa Kỳ, Chương trình Độ cao 3D (3DEP) của USGS có độ phủ quốc gia, trình xem 3DEP LidarExplorer cho tìm và tải các ô dữ liệu. Nhiều quốc gia khác công bố tập dữ liệu tương tự.
Lidar đo sâu và lidar địa hình-đo sâu là gì?
Lidar đo sâu đo độ sâu nước và hình dạng đáy bằng laser xanh, thường khoảng 532 nm, xuyên nước tốt hơn cận hồng ngoại nhiều. Lidar địa hình-đo sâu kết hợp kênh cận hồng ngoại cho đất với kênh xanh cho nước, lập bản đồ liền mạch ranh giới đất–nước.
Hệ thống ghi phản hồi từ mặt nước và đáy; chênh thời gian, hiệu chỉnh khúc xạ và tốc độ ánh sáng chậm hơn trong nước, cho độ sâu. Khả năng xuyên phụ thuộc mạnh độ trong: nước ven biển trong có thể đạt hàng chục mét, sông đục chỉ vài mét hoặc ít hơn.
Công dụng điển hình gồm quan trắc xói lở bờ biển, luồng vào cảng, mô hình lòng sông và bãi ngập, bản đồ sinh cảnh. Khi nước đục hoặc sâu, sonar đa tia từ thuyền là phương án thay thế thường dùng.
Lidar mặt đất và máy quét lidar chân máy là gì?
Lidar mặt đất là quét laser từ vị trí chân máy tĩnh trên đất, cho độ chính xác và mật độ cao nhất trong các loại lidar. Máy quay ngang trong khi gương làm lệch tia theo chiều đứng, bao phủ gần toàn cầu ở mỗi trạm.
Nhiều trạm được đăng ký thành một đám mây. Độ chính xác thường cấp milimét ở tầm ngắn, khiến quét laser 3D lidar mặt đất là chuẩn cho BIM, kiểm tra kết cấu, nhà máy và di sản. Máy quét laser 3D mặt đất của chúng tôi thu tới 2 triệu điểm mỗi giây trong thân 4.4 kg, có bản tầm 70 m và 150 m (trên bia trắng 90%) và bản tầm xa, cùng màu HDR. Với khu vực lớn, máy quét laser mặt đất tốc độ cao quét tới 1000 kHz trong trường nhìn 360° × 282° bằng laser Class 1 an toàn cho mắt.
Khi dữ liệu quét phải gắn khống chế chính xác như đường hầm và quan trắc, máy toàn đạc có chức năng quét kết hợp góc, khoảng cách máy toàn đạc với quét 3D trong một thiết bị. Quy trình tĩnh đầy đủ ở bài quét laser mặt đất.
Lidar di động là gì? Hệ trên xe, ba lô và cầm tay
Lidar di động là quét từ nền tảng đang di chuyển như xe, tàu, thuyền, ba lô hoặc máy cầm tay, trong khi hệ thống liên tục tính quỹ đạo của chính mình. Hệ trên xe dùng GNSS và IMU cao cấp; hệ cầm tay, ba lô chủ yếu dựa vào định vị và lập bản đồ đồng thời (SLAM).
- Lập bản đồ di động trên xe: thu đường bộ, đường sắt và tài sản đường phố ở tốc độ giao thông. Chính xác centimét khi GNSS tốt nhưng giảm trong khe đô thị, đường hầm trừ khi thêm khống chế.
- SLAM ba lô và cầm tay: công trình, mỏ, rừng và mọi nơi không GNSS. Máy quét laser SLAM cầm tay nặng 925 g, đo từ 0.1 đến 70 m, độ dày đám mây 1 cm hoặc tốt hơn sau hậu xử lý.
Lập bản đồ lidar di động đổi một phần độ chính xác lấy tốc độ: tòa nhà cần một ngày đặt chân máy thường đi quét trong dưới một giờ. Bài SLAM là gì giải thích hệ tự theo dõi và kiểm soát trôi thế nào.
Thành phần và phương pháp đo xa lidar là gì?
Mọi hệ quét lidar có cùng thành phần cốt lõi: bộ phát laser, cơ cấu hướng tia, bộ thu, điện tử đo thời gian chính xác và hệ định vị. Cách đo khoảng cách khác nhau giữa ba phương pháp.
- Bộ phát lidar: laser xung hoặc liên tục, thường 905 nm, 1064 nm hoặc 1550 nm cho địa hình, 532 nm cho nước.
- Bộ quét: gương quay, lăng kính hoặc đầu quay; một số cảm biến mới là thể rắn.
- Bộ thu: cảm biến laser lidar (bộ dò quang) ghi ánh sáng phản hồi và cường độ.
- Vị trí và hướng: GNSS/IMU trên hệ hàng không và xe, SLAM trên máy cầm tay hoặc trạm cố định cho máy mặt đất.
| Phương pháp đo xa | Cách đo | Ưu điểm điển hình |
|---|---|---|
| Thời gian bay xung | Đo thời gian khứ hồi từng xung | Tầm xa, nhiều phản hồi; máy hàng không và tầm xa |
| Lệch pha | So pha chùm liên tục điều biến | Tốc độ rất cao, ít nhiễu ở tầm ngắn đến trung bình |
| FMCW | Đo chênh tần số của chùm quét tần | Đo cả vận tốc; đang phát triển trong cảm biến ô tô |
Độ phân giải lidar, chi tiết nhỏ nhất hệ phân biệt được, phụ thuộc khoảng cách điểm, độ phân kỳ tia (kích thước vệt theo tầm) và nhiễu khoảng cách, không chỉ tốc độ điểm.
Radar và lidar: khác biệt là gì?
Radar dùng sóng vô tuyến, lidar dùng ánh sáng, nên radar xuyên mây, mưa và một số vật liệu nhưng phân giải thô hơn, còn lidar phân giải chi tiết mịn nhưng bị sương, mưa lớn và bề mặt rắn cản. Bước sóng lidar khoảng 1 micromét; radar từ milimét tới mét.
| Tiêu chí | Lidar | Radar |
|---|---|---|
| Tín hiệu | Ánh sáng laser (nhìn thấy hoặc cận hồng ngoại) | Vô tuyến hoặc vi sóng |
| Độ phân giải | Milimét đến centimét | Thường thô hơn |
| Thời tiết | Bị giảm bởi sương, mưa, bụi | Phần lớn không ảnh hưởng |
| Khả năng xuyên | Qua khe thực vật; ánh sáng xanh vào nước | Vào đất, bê tông hoặc băng với radar xuyên đất |
| Công dụng trắc địa | Lập bản đồ 3D bề mặt | Lập bản đồ dưới mặt đất và biến dạng bằng vệ tinh |
Trong trắc địa, khảo sát radar thường chỉ một trong hai việc: radar mặt đất bằng radar xuyên đất (GPR, còn gọi georadar) để tìm hạ tầng chôn và lỗ rỗng, hoặc giao thoa radar vệ tinh để đo chuyển động đất. Không loại nào thay lidar; chúng đo những thứ khác nhau.
Cách chọn loại lidar, phần mềm hoặc đơn vị dịch vụ lidar
Chọn loại lidar theo độ chính xác, diện tích và môi trường dự án; sau đó kiểm tra phần mềm lidar xử lý và bàn giao được định dạng khách hàng dùng.
- Xác định độ chính xác: milimét hướng tới quét mặt đất; centimét tới lidar di động hoặc drone; đềximét tới hàng không có người lái.
- Xác định diện tích và hình dạng: phòng và công trình (mặt đất hoặc SLAM), công trường (drone), hành lang (di động hoặc drone VTOL), khu vực (máy bay).
- Xem môi trường: thực vật, nước, khả năng có GNSS và tiếp cận.
- Lập kế hoạch khống chế: khống chế GNSS, máy toàn đạc liên kết mọi loại lidar với lưới dự án.
- Kiểm tra xử lý: phần mềm lidar để đăng ký, phân loại, mô hình hóa; phần mềm lập bản đồ lidar và công cụ GIS lidar cho sản phẩm địa hình, phân tích.
Nhiều công ty mua máy mặt đất hoặc cầm tay cho việc hằng ngày và thuê dịch vụ lidar cho dự án hàng không hoặc đo sâu, nơi máy bay và cảm biến chuyên dụng khiến thuê ngoài kinh tế hơn. Để so máy cho ứng dụng của bạn, yêu cầu báo giá kèm quy mô dự án điển hình và độ chính xác cần.
Câu hỏi thường gặp
Radar và lidar khác nhau thế nào?
Radar phát sóng vô tuyến, lidar phát ánh sáng laser. Radar xuyên mây, mưa và có thể xuyên đất dưới dạng radar xuyên đất, nhưng độ phân giải thô hơn. Lidar đo chi tiết bề mặt và lập bản đồ đất dưới thực vật qua khe tán, nhưng sương, mưa và bụi giảm tầm đo.
Ladar là gì?
Ladar viết tắt của phát hiện và đo xa bằng laser. Đây là thuật ngữ cũ, chủ yếu dùng trong quân sự, quốc phòng, cho cùng nguyên lý lidar: đo khoảng cách bằng thời gian ánh sáng laser phản hồi. Cảm biến ladar và lidar hoạt động giống nhau; trong trắc địa và lập bản đồ, lidar hiện là từ chuẩn.
Lidar phát hiện xa bao nhiêu?
Tùy loại. Máy SLAM cầm tay thường đạt hàng chục mét, máy mặt đất khoảng 70 m đến vài trăm mét, cảm biến mặt đất tầm xa và hàng không còn xa hơn nhiều, với máy bay ở hàng trăm đến hàng nghìn mét trên đất. Tầm giảm trên bề mặt tối, ướt, nghiêng và trong sương, mưa hoặc bụi.
Lidar và quét laser khác nhau thế nào?
Về nguyên lý không có khác biệt thực sự: máy quét laser 3D là một loại hệ lidar. Thực tế, người ta nói quét laser cho máy trắc địa chân máy, cầm tay và lidar cho cảm biến hàng không, di động, ô tô. Máy đo xa lidar đơn giản đo một khoảng cách, còn máy quét quét tia để thu hàng triệu điểm.
Loại lidar nào chính xác nhất?
Quét laser mặt đất từ chân máy chính xác nhất, thường đạt cấp milimét ở tầm ngắn vì máy đứng yên và gần bề mặt. Lidar di động và drone thường đạt centimét, lidar hàng không có người lái từ vài centimét đến đềximét, tùy độ cao, chất lượng GNSS và hiệu chuẩn.
Lidar có nhìn xuyên nước không?
Lidar cận hồng ngoại tiêu chuẩn phần lớn bị hấp thụ hoặc phản xạ tại mặt nước nên không lập bản đồ địa hình dưới nước. Lidar đo sâu dùng ánh sáng xanh khoảng 532 nanomét xuyên nước, lập bản đồ đáy ở độ sâu phụ thuộc độ trong, từ vài mét trong sông đục tới hàng chục mét ở nước ven biển trong.
Dữ liệu lidar có tải miễn phí không?
Nhiều dữ liệu lidar hàng không công khai miễn phí. Tại Hoa Kỳ, Chương trình Độ cao 3D của USGS cung cấp độ phủ quốc gia có thể tìm và tải qua trình xem trực tuyến; nhiều nước khác cũng công bố dữ liệu độ cao quốc gia. Kiểm tra ngày, mật độ điểm và độ chính xác trước khi dùng cho thiết kế kỹ thuật.
Bạn cần thiết bị cho công việc này?
Cho chúng tôi biết công việc, quốc gia và số lượng. Kỹ sư sẽ phản hồi cấu hình và giá trong một ngày làm việc. Số lượng đặt hàng tối thiểu là một thiết bị; có dịch vụ OEM.
