Peter Rieger, Andreas Ullrich

Nhóm Kỹ thuật Công nghệ Công ty TNHH ANTHI Việt Nam tổng hợp biên soạn.

Khắc phục các giá trị khoảng cách mơ hồ (Range Ambiguities)

Một trong những điểm quan trọng trong những tính năng của thiết bị đo sử dụng nguồn phát laser như các hệ thống LiDAR chính là tần số lặp lại tín hiệu kết hợp với công suất nguồn cao dẫn tới những vấn đề phức tạp mới ví dụ như sự xuất hiện của các giá trị khoảng cách mơ hồ là kết quả ngẫu nhiên của các tín hiệu phản hồi MTA (Multiple Time – Around). Cũng bởi nguyên nhân tần số lặp lại của xung cao, một số lượng lớn các xung laser liên tục di chuyển dọc theo đường di chuyển giữa máy phát truyền xung laser, mục tiêu và máy thu nhận xung phản hồi. Không có các phép đo bổ sung, xung phản hồi chắc chắn không thể gắn kết được chính xác với xung phát ra (đồng xung) – đương nhiên khi đó phép đo khoảng cách sẽ bao gồm các các trị đo mơ hồ. Năm 2011, Riegl giới thiệu một kỹ thuật đặc biệt được xây dựng trên một module riêng giúp hệ thống có thể theo dõi khu xung laser phát truyền khỏi hệ thống, giải pháp này cho phép các giá trị khoảng cách mơ hồ được khắc phục mà không cần bổ sung thêm bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Phương pháp khắc phục các giá trị khoảng cách mơ hồ này là hợp phần không thể thiếu trong các hệ thống LiDAR hiện đại ngày nay; Với khả năng phát đi hơn 30 xung laser liên tục vào khoảng không ở độ cao bay 1.800 mét và tần số lặp lên tới 2MHz, hệ thống LiDAR của Riegl có khả năng khắc phục gần như tất cả các giá trị khoảng cách mơ hồ và cho phép phục hồi số liệu chênh trên toàn bộ khu vực bay đo.

Các cơ cấu quét (Scanning Mechanisms)

Một đặc điểm nữa cần hết sức lưu ý đó chính là cơ cấu quét được sử dụng trong mỗi hệ thống LiDAR. Cơ cấu quét có vai trò trọng tâm khi xem xét các khía cạnh khác nhau của hệ hống quét laser ba chiều hàng không. Trước tiên và cần xem xét đầu tiên, cơ cấu quét giúp xác định số điểm đo nhận được và đồ hình phân bố mật độ điểm trên mặt đất. Thu nhận các điểm đo thường và các điểm đo bất thường cùng với khoảng cách giữa các điểm đo trên toàn bộ độ rộng của một dải quét sẽ quyết định mức độ chi tiết và hoàn chỉnh bề mặt và không bỏ qua bất kỳ đối tượng nào trên thực địa nằm giữa các dải quét mà hệ thống thực hiện. Để thực hiện tốt yêu cầu này, các loại máy quét laser ba chiều do Riegl sản xuất đều sử dụng cơ cấu polygon xoay hoặc các bánh xe gương phản xạ xoay. Cơ cấu này mang đến cho hệ thống lợi thế kỹ thuật quan trọng còn được đặt tên là khả năng mền dẻo trong lựa chọn các cấu hình máy quét khác nhau nhằm tối ưu hoá phù hợp cho từng ứng dụng thực tiễn – từ các máy quét hàng không đơn kênh với số lượng điểm và dải quét cố định tới các hệ thống hai kênh có khả năng tạo đường cắt để hạn chế các khu vực địa hình dạng “bóng ngả”, thậm chí là hệ thống các máy quét đơn kênh siêu nhỏ sử dụng cho các thiết bị bay không người lái UAV với các dải quét song song kết hợp với khả năng điều chỉnh góc nhìn cũng như tích hợp cùng với máy chụp ảnh. Điểm lợi cuối của cơ cấu quét sử dụng bánh xe gương phản xạ xoay là khả năng kiểm soát điều khiển nhiều tốc độ quét và duy trì ổn định khoảng cách giữa các điểm quét thường mà hệ thống tạo ra không phụ thuộc vào tốc độ bay, độ cao và tần số quét thu số liệu. Hầu hết các cảm biến quét laser ba chiều hàng không do Riegl thiết kế chế tạo đều là loại có trường quan sát mở rộng ổn định và tính ổn định cao khó có nhà sản xuất nào so sánh được, điều này đảm bảo cho khả năng hoạt động của hệ thống theo thời gian, độ bền và kéo dài thời gian đòi hỏi phải định chuẩn lại toàn bộ hệ thống.

Hình 2: Quét laser ba chiều hàng không (LiDAR hàng không) đặc biệt phức tạp khi triển khai ở các khu vực địa hình phức hợp gồm cả đồng bằng, trung du và núi cao bởi chúng sẽ tạo ra các “khoảng trắng” số liệu hiệu ứng “bóng ngả” do vậy rất cần các hệ thống LiDAR có cơ cấu quét laser ba chiều tối ưu.

NHÌN VỀ TƯƠNG LAI

Trên nền tảng các kỹ thuật công nghệ hiện hữu, việc gia tăng thêm khoảng cách đo lên tới cực đại cũng như tăng tần số quét, thu thêm điểm đo nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và tính toàn vẹn là điều mà chúng ta gần như đã đạt tới. Nếu tiếp tục gia tăng tần số lặp của các chu kỳ quét thì cần hiểu rõ rằng chúng ta đã đẩy các hệ thống LiDAR mới đến gần với các giới hạn mang tính vật lý – không chỉ liên quan tới kỹ thuật laser mà còn liên quan đến các kỹ thuật quan trọng khác ví dụ như khả năng khắc phục các giá trị khoảng cách mơ hồ với khoảng cách của các xung laser liên tục nhau đã được ấn định để đảm bảo khả năng thu được số liệu của tất cả các đối tượng trên bề mặt trái đất. Tiếp theo là các chỉ tiêu kỹ thuật có liên quan khác như khả năng tăng cường độ của tia laser, các tiêu chuẩn quy định liên quan tới an toàn mắt cũng là những yếu tố hiện đang bị giới hạn theo các quy định quốc tế và khó có thể phá bỏ. Như chúng ta điều biết mật độ phân bổ năng lượng trên mặt đất cũng bị hạn chế, việc tăng cường độ của tia laser đòi hỏi cũng phải đồng thời tăng độ cao bay, điều này có thể dẫn tới việc điểm tiếp cận của xung laser sẽ có kích thước lớn hơn nhiều và chính điều này sẽ làm giảm độ phân giải không gian trong số liệu kết quả thu được. Thêm vào đó, sự thay đổi của tầng khí quyển cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sai số của các phép đo mà hệ thống sẽ thực hiện, đặc biệt sai số này sẽ gia tăng khi chúng ta phải bay trên trần bay cao hơn.

(Còn tiếp)

Mọi thông tin xin liên hệ với chúng tôi qua hòm thư: info@anthi.com.vn