Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống LIDAR ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG
CHƯƠNG TRÌNH KH&CN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10
“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG”
_________


BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG LIDAR
ỨNG DỤNG TRONG ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN”
MÃ SỐ: KC.01.21/06-10



Chủ nhiệm đề tài: PGS. TS. Nguyễn Thế Hiếu
Cơ quan chủ trì: Viện Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự,
Bộ Quốc phòng.


8692

HÀ NỘI, 2010

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG
CHƯƠNG TRÌNH KH&CN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10
“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG”
_________

BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG LIDAR
ỨNG DỤNG TRONG ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN”
MÃ SỐ: KC.01.21/06-10


Chủ nhiệm đề tài: Cơ quan chủ trì đề tài


PGS. TS. Nguyễn Thế Hiếu

Chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ


GS. TS. Nguyễn Thúc Hải

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
PHẦN I. TỔNG QUAN. ……… …………………. ……….…….………………5
1.1. Tổng quan về LIDAR và khả năng ứng dụng ……… … … …………….5
1.1.1. Sơ lược về LIDAR….………………………………… …… ……………5
1.1.1.1. Khái niệm LIDAR………………………………….……………… … 5
1.1.1.2. Ưu điểm của LIDAR so với không ảnh trong viễn thám…… …….… 8
1.1.2. Khả năng ứng dụng của LIDAR………………… …………………….…. 9
1.1.2.1. Khả năng ứng dụng của công nghệ LIDAR 9
1.1.2.2. Nhu cầu sử
dụng LIDAR trong không ảnh ……… ……………….….13
1.1.2.3. Kết hợp không ảnh và LIDAR ……………………… ……………….15
1.2. Ứng dụng LIDAR trong đo đạc các thông số khí quyển … ………….… 16

1.2.1. Nguyên lý hoạt động của LIDAR đo đạc các thông số khí quyển ….……16
1.2.2. Nghiên cứu LIDAR đo đạc các thông số khí quyển trên thế giới……… 25
1.2.3. Nghiên cứu và ứng dụng LIDAR ở Việt Nam ……………….……… … 28
1.2.3.1. LIDAR trong thống kê và dự đoán triều cường ………….……….……29
1.2.3.2. Nghiên cứu sol khí bằng kỹ thuật LIDAR 30
1.3.
Kết luận 31
PHẦN II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LIDAR ĐỂ ĐO ĐẠC CÁC
THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN………………………….………………………… 32
2.1. Yêu cầu chung và giải pháp xây dựng hệ thống ………….…………… … 32
2.2. Xây dựng cấu trúc hệ thống …………………………….…………… …….33
2.2.1. Cấu trúc hệ thống phát …………………………… ………….………… 33
2.2.2. Cấu trúc hệ thống thu …………………………… …………………… 34
2.2.3. Các loại detector dùng cho thu tín hiệu LIDAR………….……………… 37
PHẦN III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG LIDAR 39
3.1. Hệ máy phát Laser YAG-Nd BRILIANT của Hệ thống LIDAR ….…….….39
3.1.1. Đặc tính kỹ thuật của hệ Laser YAG-Nd BRILIANT ………….…….……39
3.2. Lắp đặt và hiệu chỉnh hệ thống LIDAR ………………………………….….43
3.2.1. Gá lắp và tinh chỉnh cho hệ máy phát laser………………………….……. 43
3.2.1.1. Sơ đồ thiết kế của hệ máy phát laser ……………………………….……43
3.2.1.2. Một số thiết bị, linh kiện và hệ
gá lắp tinh chỉnh của hệ thống phát …… 45
3.2.2. Hệ thu tín hiệu LIDAR……………………………………………………. 47
3.2.2.1. Sơ đồ cấu tạo của hệ thu tín hiệu LIDAR ……………………….……….47
3.2.2.2. Thiết kế bàn quang học cho hệ thống LIDAR ………………….……… 51
3.2.2.3. Giá đỡ kính viễn vọng ………………………………………………… 53
3.2.2.4. Giá đỡ hệ quang học của kính viễn vọng ………………………………. 55
3.2.2.5. Một số hệ gá lắp cơ quang chính xác cho hệ thống thu …………………56
3.3. Hệ xử lý tín hiệu trong hệ thống LIDAR…………………………………… 59
3.3.1. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu trong chế

độ đo tương tự ………… 60
3.3.1.1. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu đo tương tự ………………………63
3.3.2. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu trong chế độ đếm Photon….………. 66
3.3.2.1. Đếm Photon thông qua xử lý tín hiệu tán xạ Raman Nitơ …….… ……66
3.3.2.2. Thuật toán thu nhận và xử lý tín hiệu chế độ đếm Photon …….… ……68
3.3.2.3. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu chế độ đếm Photon …….……… 69
Kết Luận…………………………………………………………………….…… 70
PHẦN IV: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG LIDAR ………….….…… 71
4.1. MỞ ĐẦU ……………………………………………………………….……71
4.2. Nội dung thử nghiệm ……………………………………………….……… 72
4.2.1. Địa điểm thử nghiệm……………………………………………………….72
4.2.2. Thời gian thử nghiệm
4.2.3. Điều kiện thời tiết thực hiện thử nghiệm
4.3. Thiết bị sử dụng trong thử nghiệm gồm: ……………………….……………72
4.4. Lắp đặt và hiệu chỉnh hệ thu tín hiệu LIDAR ……………………….………74
4.5. Hiệu chỉnh Hệ thố
ng LIDAR ……………………………………….……….74
4.6. Kết quả thử nghiệm Hệ thống LIDAR thu được ban ngày………………… 76
4.7. Kết quả thử nghiệm Hệ thống LIDAR thu được ban ngày ……….………….85
4.8.Tính toán các thông số khí quyển trẻn cơ sở các số liệu LIDAR đo được… 91
4.8.1.Phương pháp tính toán các thông số cơ bản của khí quyển …….…… … 91
4.9. Kết luận ………………………………………………………………………97

V. KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………… 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 103















DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt
A
ADC Analog Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số
ALS Airborne Laser Scanner Máy quét Laser trên máy bay
APD Avalanche Photodiode Photodiode thác lũ
B
BCH Laser Resonator Buồng cộng hưởng
BFL Back Focus Length Độ dài tiêu cự ngược
C
CGU Cooling Group Unit Khối làm lạnh
D
DEM Digital Elevation Model Mô hình số địa hình
DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt
E
EFL Effective Focus Length Độ dài tiêu cự hiệu dụng
G
GIS Geologic Infomation System Hệ thống thông tin địa lý
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

H
HABH Second Harmonic Generator Hòa âm bậc hai
L
LBE Laser Beam Expander Bộ mở rộng chùm tia laser
LIDAR Light Detection And Ranging Dò tìm và đo khoảng cách bằng
sóng ánh sáng
M
MCP Multichannel Plates Đĩa đa kênh
O
OPO Optical Parametric
Generator
Máy phát thông số quang học
P
PCC Bộ phận làm lạnh
PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện
PPC Buồng làm lạnh
PSU Power Supply Unit Khối nguồn điện nuôi
R
RC Remote Control Box Hộp điều khiển xa
S
SHG Second Harmonic Generator Bộ phát hòa âm bậc hai
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
T
TEM Transverse Electromagnetic
Modes
Các mode điện từ trường ngang
THG Third Harmonic Generator Bộ phát hòa âm bậc ba

1
MỞ ĐẦU

Sự hình thành đề tài
Biến đổi khí hậu toàn cầu là vấn đề của cả nhân loại. Chúng ta đang
phải hứng chịu những thay đổi khó dự đoán và mức độ thiệt hại do thiên tai
ngày càng tăng. Việt Nam nằm trong vành đai nhiệt đới gió mùa và có tần
suất và mật độ bão, áp thấp nhiệt đới… rất cao. Mặc dù Đảng và Nhà nước đã
có nhiều biện pháp vĩ mô cũ
ng như được sự chia sẻ đồng lòng của đồng bào
cả nước, nhưng những thiệt hại cho nền kinh tế xã hội do thiên tai ở nước ta
trong mấy năm gần đây là rất lớn và ảnh hưởng lâu dài. Vì vậy việc đánh giá
dự đoán thiên tai là vấn đề sống còn mang tính quốc gia và khu vực.
Mặt khác, ô nhiễm môi trường ở Việt Nam đang là một vấn nạn. Chúng
ta đang sống trong môi trườ
ng bị ô nhiễm cao về bụi và khí thải, nhất là ở
trong các đô thị và khu công nghiệp. Trong khi Việt Nam là nước đang phát
triển, chưa bắt kịp được các tiêu chuẩn về môi trường sống như ở một số nước
phát triển thì việc tìm giải pháp đề đánh giá giúp các nhà hoạch định có cơ sở
để cải thiện môi trường là rất cần thiết. Gần đây vào 1/11/2010, Hội nghị viễn
thám châu Á l
ần thứ 31 đã diễn ra tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia (Mỹ Đình
– Hà Nội). Tại đây, các nhà khoa học Việt Nam và thế giới, chủ yếu từ các
nước châu Á và Bắc Mỹ, cùng bàn và chia sẻ kinh nghiệm và học hỏi lẫn
nhau về những công nghệ tiên tiến của viễn thám, không chỉ trong lĩnh vực
thảm họa thiên nhiên mà còn trong các hoạt động kinh tế khác.
Nhờ ứng dụng kết hợp các công nghệ hi
ện đại trên thế giới hiện nay,
nhiều giải pháp khoa học kỹ thuật đã mang lại cho con người những khả năng
ứng dụng hiệu quả, đem lại nguồn lợi nhiều mặt cho cả cộng đồng. LIDAR là
một trong những thành tựu đó. Việc sử dụng kỹ thuật quang phổ, điện tử,
công nghệ thông tin cho phép ứng dụng LIDAR để đo đạc các đặc tr

ưng vật

2
lý của khí quyển theo không gian và thời gian với độ phân giải cao. LIDAR là
hệ thống mang tính lưỡng dụng, ban đầu chủ yếu được phát triển ở các nước
tiên tiến dùng trong mục đích quân sự, sau đó được phát triển và đã được sử
dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân khác [2, 3, 4, 5, 6].
Gần đây, LIDAR đã trở thành một công cụ không thể thiếu để nghiên
cứu vật lý của khí quyể
n. Radar LIDAR có thể đưa ra những dự báo chính xác
hơn. Không giống Radar bình thường, LIDAR có khả năng đo nhiều loại gió
không có bất kỳ loại hạt nào, chẳng hạn như hơi nước. Bên cạnh đó, hệ thống
LIDAR có độ phân giải cao hơn, ổn định hơn so với Radar và có khả năng tạo
hình ảnh 3 chiều. Ngoài ra, các hiện tượng khí quyển như: sóng trọng lực,
phân bố nhiệt độ trên tầng khí quyể
n, quan trắc môi trường như xác định mật
độ của bụi, son khí (aerosol), ozon hay các loại khí thải độc hại gây ô nhiễm
như: thủy ngân, SO
2
, NO
2
, Benzen… đều có thể phát hiện, đo đạc và đánh giá
bằng LIDAR.
Hiện nay, ở các nước tiến tiến như Pháp, Mỹ, Đức, Nga, Trung Quốc,
Italia, Canada, Đài Loan, Belarus đều tiến hành chế tạo nhiều hệ thống
LIDAR để nghiên cứu khí quyển. Trong quân sự, LIDAR được dùng để phát
hiện khí độc và máy bay tàng hình. LIDAR có thể phát hiện các hạt nổi lơ
lửng trong không khí và tiến hành phân loại chúng. Quân đội Mỹ đang tiến
hành nghiên cứu sử dụ
ng LIDAR phát hiện các tác nhân hoá học và sinh học,

nhằm báo động sớm sự tấn công bằng vũ khí hoá học và sinh học. Trong hàng
không dân dụng và quân sự, LIDAR dùng để phát hiện sự biến đổi của các
luồng gió, đo đạc độ cao của trần mây, các tầng mây theo độ cao để bảo đảm
cho các hoạt động an toàn bay.
Cục Khí quyển và Đại dương cùng với Công ty Hàng không Michigan
(Mỹ) đã xây dựng và thử nghiệm hệ thống theo dõi thời tiết LIDAR c
ả trên
mặt đất và máy bay. Hệ thống cho phép giám sát những chuyển động của các
hệ thống thời tiết lớn và dự đoán các dòng khí của chúng. Từ đó có thể đưa ra

3
những dự báo thời tiết trước bảy ngày với độ chính xác không kém dự báo
trước hai ngày hiện nay.
Bên cạnh đó, Đài Loan cũng có hai hệ ứng dụng LIDAR để đo đạc,
nghiên cứu phân bố nhiệt độ khí quyển, vật lý của mây tầng cao, son khí và
bụi có nguồn gốc sinh học như cháy rừng, canh tác nông nghiệp Một số
trung tâm nghiên cứu môi trường khu vực Đông Á đã liên kết hệ thống
LIDAR thành một m
ạng lưới nghiên cứu khói bụi và son khí. Tại Pháp, thành
phố Lion và trường Đại học Lyon I đã nhiều năm nghiên cứu về ô nhiễm
không khí, son khí vùng này.
Với nước ta, trước nhiều nhu cầu ứng dụng kỹ thuật LIDAR phục vụ
các mục đích quân sự, nghiên cứu môi trường và dự báo khí tượng thủy văn
những nghiên cứu và phát triển ứng dụng hệ thống LIDAR đã được nhiều
trung tâm nghiên cứu quan tâm. Một số
cơ sở như Viện Vật lý Kỹ thuật/Viện
KH&CN Quân sự, Viện Vật lý/Viện KH&CN Việt Nam… bước đầu đã có
những nghiên cứu và phát triển hệ thống LIDAR chủ yếu ứng dụng cho
nghiên cứu sol khí và một số ứng dụng tiếp cận LIDAR khác [1].
Tuy nhiên, việc phát triển một hệ LIDAR nhiều bước sóng, cho phép

nghiên cứu, đo đạc và phân tích nhiều thông số khí quyển từ xa, đồng thời kế
t
hợp với những thông tin khoa học khác để đánh giá được sự thay đổi khí hậu
hay mức độ ô nhiễm của môi trường, phục vụ cho các mục đích an ninh quốc
phòng và kinh tế xã hội là một vấn đề mang tính cấp thiết hiện nay nhưng
chưa được đề cập đến. Do đó, đề tài cấp Nhà nước thuộc chương trình
KC.01/06-10: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống LIDAR
ứng dụng trong
đo đạc các thông số khí quyển” do Viện Điện tử/Viện KH&CN Quân sự chủ
trì phối hợp với Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã được
triển khai thực hiện và đạt được nhiều kết quả khả quan.

4
Mục tiêu của đề tài là:
- Nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống LIDAR.
- Chế tạo thành công một hệ thống LIDAR sử dụng Laser YAG –Nd
nhân đôi tần số, công suất cao có thể sử dụng để đo đạc các thông số
khí quyển.
- Đào tạo đội ngũ khoa học công nghệ trong lĩnh vực Điện tử - Vật lý.
Hệ thống LIDAR đã được thiết kế
chế tạo dựa trên các giải pháp kỹ
thuật và công nghệ tiên tiến, sử dụng các thiết bị hiện đại trên thế giới, có các
tính năng kỹ thuật tương đương với một số hệ thống của nước ngoài, nhưng
giá thành thấp hơn và phù hợp với điều kiện và nhu cầu sử dụng tại Việt Nam.
Những vấn đề nghiên cứu khoa học, phương pháp nghiên cứu và gi
ải pháp
thiết kế sẽ được trình bày trong báo cáo, gồm các nội dung chính như sau:

PHẦN I: TỔNG QUAN
PHẦN II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THÔNG

PHẦN III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG
PHẦN IV: CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
PHẦN V: KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO








5
PHẦN I. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về LIDAR và khả năng ứng dụng
1.1.1.

Sơ lược về LIDAR
1.1.1.1. Khái niệm LIDAR
Công nghệ hiện đại ngày nay đã cho phép con người tiếp cận đến nhiều
“ẩn số” khó giải bằng cách phối hợp liên kết rất nhiều giải pháp khoa học kỹ
thuật. Chúng ta có thể quan sát cả thế giới thông qua công cụ “Google Earth”
là kết quả của việc kết hợp công nghệ chụp ảnh, cơ sở dữ liệu và công nghệ
viễn thông. Cũng bằng phương pháp này, chúng ta có đượ
c các ảnh đám mây
để đánh giá dự đoán thời tiết. Kết hợp nhiều phương pháp để đo nhiệt độ của
các khối khí trong khí quyển và lập bản đồ di chuyển của chúng.
Rất nhiều giải pháp và khi ứng dụng đã cho ra những kết quả không
ngờ, đem lại nguồn lợi nhiều mặt cho cả cộng đồng. LIDAR là một trong
những thành tựu đó. LIDAR (Light Detection And Ranging) là một thu

ật ngữ
để chỉ một công nghệ viễn thám mới, mang tính chủ động, sử dụng các loại
tia laser để khảo sát đối tượng từ xa. Dữ liệu thu được của hệ thống là tập hợp
đám mây điểm phản xạ 3 chiều của tia laser từ đối tượng được khảo sát.
Sử dụng kỹ thuật đo đạc sử dụng bức xạ Laser trong miền tử
ngoại, khả
kiến và hồng ngoại, LIDAR có thể thu nhận tín hiệu phản hồi đầu tiên và cuối
cùng với tần suất trung bình 5 nghìn tới 33 nghìn tia/giây, do đó dữ liệu thu
được cho phép lập bản đồ khối 3 chiều và bề mặt với mật độ dữ liệu dày và
độ chính xác cao. Một số hệ thống LIDAR còn cho phép thu nhận các tín hiệu
phản hồi trung gian (giữa tín hiệu đầu và cuối) cho phép phân tích cấu trúc
đối tượng (cấ
u trúc tán)
Trong lịch sử hình thành và phát triển, ban đầu công nghệ LIDAR chủ
yếu sử dụng để do thám điện tử phục vụ các mục đích quân sự. Do vậy, ở các
nước Mỹ, Nga, Nhật, Pháp, Đức, Italy, Tây Ban Nha, Trung Quốc, Canada

6
công nghệ này đã được phát triển rất sớm và do Bộ Quốc phòng quản lý. Hiện
nay, do tính lưỡng dụng, nhiều hệ thống LIDAR đã được mở rộng ứng dụng
và khai thác cho nhiều mục đích khác nhau.


Hình 1.1. LIDAR sử dụng trong viễn thám
Hệ thống LIDAR điển hình là loại gắn cố định trên máy bay, hoạt động
tương tự như các hệ thống viễn thám chủ động khác. Khi máy bay ở độ cao
phía trên vùng cần khảo sát, các chùm tia laser sẽ được phát về phía đối tượng,

7
bộ thu nhận tín hiệu laser sẽ thu nhận tín hiệu phản xạ. Hệ thống LIDAR

thường sử dụng gương quét để khảo sát đối tượng theo từng dải với độ rộng
của dải dữ liệu do góc quay của gương quét quy định. Mật độ điểm dữ liệu
thu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: vận tốc và độ cao bay, mức độ quay của
g
ương quét…
Khoảng cách được xác định qua việc tính toán thời gian đi và về của tia
laser được phát đi. Điểm dữ liệu nhận được thường bao gồm thông số về vị trí
3 chiều của đối tượng (X, Y, Z) và cường độ tia laser phản hồi. Vị trí 3 chiều
chính xác của thiết bị quét, góc quay của gương và khoảng cách thu được của
tập hợp điểm sau đó sẽ được sử d
ụng để tính toán vị trí 3 chiều các điểm trên
bề mặt đối tượng khảo sát. Hệ thống LIDAR thường được gắn kèm với các
thiết bị định vị (GPS) và thiết bị xác định quán tính (IMU/INS) và trạm định
vị mặt đất để thu thập đầy đủ tham số hiệu chỉnh cho quá trình xử lý dữ liệu.

Hình 1.2. Thu thập dữ liệu bằng LIDAR
Mỗi giây khảo sát, công nghệ LIDAR có thể giúp thu thập hàng trăm
ngàn điểm dữ liệu với độ chính xác rất cao. Do đó, sản phẩm làm ra từ tập
hợp dữ liệu này được đánh giá là có độ chính xác cực kỳ cao về vị trí (sai số
vài cm đến vài chục cm). Một trong những ưu điểm của hệ thống Radar
LIDAR là tương đối gọn nh
ẹ và không tiêu tốn nhiều nguồn điện. Vì vậy
Radar LIDAR được lắp đặt trên máy bay, vệ tinh và nhiều phương tiện khác.

8
Hệ thống LIDAR còn có thể được gắn kèm máy ảnh số để đồng thời
thu thập ảnh viễn thám (không ảnh) của khu vực khảo sát, cung cấp nguồn dữ
liệu rất chi tiết và đầy đủ. Dữ liệu do hệ thống khảo sát được thu thập trực tiếp
ở dạng số (digital) làm cho các quá trình tiếp theo vô cùng thuận lợi. Ngoài ra,
LIDAR ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, hoạt độ

ng cả ban ngày lẫn đêm,
các tiến bộ khoa học kỹ thuật nhằm cải tiến thiết bị diễn ra rất nhanh và mạnh
mẽ làm cho công nghệ LIDAR ngày càng trở nên phổ biến và hiệu quả.
Trong thời gian gần đây, LIDAR đã trở thành một công cụ không thể
thiếu để đo đạc các thông số khí quyển, đo đạc địa hình, rừng cây, nghiên cứu
biển, phát hiện dò rỉ của các đường ố
ng dẫn dầu, theo dõi kiểm tra các đường
dây cao thế. Trong hàng không dân dụng và quân sự, LIDAR dùng laser rắn
có bước sóng tới 2µm dùng để phát hiện sự biến đổi của các luồng gió, đo đạc
độ cao của trần mây, các tầng mây theo độ cao để bảo đảm cho máy bay hoạt
động được an toàn.
1.1.1.2. Ưu điểm của LIDAR so với không ảnh trong viễn thám
Trong các hệ thống viễn thám, LIDAR có thể thu thập dữ liệu địa hình
rất chính xác khi bay quét
ở độ cao lớn. Độ chính xác của dữ liệu bay chụp
không ảnh tỷ lệ với độ cao bay chụp. Trong khi độ chính xác của dữ liệu
LIDAR giảm đi không đáng kể khi độ cao bay tăng lên. Hơn nữa, LIDAR thu
nhận trực tiếp dữ liệu 3 chiều.
LIDAR chỉ cần duy nhất một tia laser “gần-vuông góc” với mặt đất để
khảo sát địa hình. Tia laser có khả năng xuyên qua tán cây chạm tới bề m
ặt và
phản hồi tới cảm biến. Trong khi chụp không ảnh lại yêu cầu hiệu ứng lập thể
(cùng nhìn thấy 1 điểm trên mặt đất từ hai phía). Như vậy, LIDAR sẽ thu thập
được thông tin về bề mặt địa hình phong phú hơn, đặc biệt khi quét qua các
khu vực có thực vật che phủ.

9
LIDAR có thể cho phép lập bản đồ bề mặt địa hình và bề mặt tán cây
với mật độ dữ liệu dày và cấu trúc đối tượng với độ chính xác cao. Phương
pháp không ảnh cũng tạo được các điểm độ cao dày nhưng phải bằng cách

tăng dày thủ công (tốn kém và mất thời gian), hoặc bằng phương pháp tương
quan ảnh tự động, tuy nhiên phương pháp này chỉ trích xuất được các điểm
ngọn cây và nóc nhà ma không tạo ra được các điểm mặt đất.
Bên cạnh đó, LIDAR cho phép thu thập dữ liệu cả ngày và đêm trong
khi phương pháp không ảnh chỉ thực hiện được trong một khoảng thời gian
hạn chế ban ngày khi ánh sáng tối ưu.
1.1.2.

Khả năng ứng dụng của LIDAR
1.1.2.1. Khả năng ứng dụng của công nghệ LIDAR

Hình 1.3. Ứng dụng của LIDAR
Hiện nay, LIDAR đã được sử dụng rất rộng rãi và được chứng minh là
phương pháp hiệu quả để mô hình hóa môi trường đô thị, lập bản đồ ngập úng,
đánh giá nguy cơ trượt lở, lập bản đồ chi tiết thủy văn, phân tích bề mặt, quản
lý hạ tầng và hiển thị dữ liệu trong không gian 3 chiều. Công nghệ này cũng
được sử dụ
ng rất hiệu quả trong thành lập bản đồ cho các đối tượng tuyến
(đường ống dẫn, đường truyền tải điện, đường giao thông…), phục vụ quản lý,
bảo dưỡng và duy tu… Trong một số ứng dụng (như mạng lưới điện) công

10
nghệ LIDAR còn có thể được sử dụng để phát triển các phương án quy hoạch
thông qua khả năng mô phỏng tích hợp.
• Sử dụng để khảo sát địa hình và lập bản đồ
Với sản phẩm sơ cấp cơ bản là các mô hình số địa hình (DEM – Digital
Elevation Model) và mô hình số bề mặt (DSM – Digital Surface Model) với
độ phân giải và độ chính xác rất cao, LIDAR có thể được ứng dụng trong rất
nhiều lĩnh vực,
đặc biệt các ứng dụng cần thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, các ứng

dụng liên quan tới phát triển hoặc quản lý duy trì hạ tầng cơ sở.

Hình 1.4. Hình ảnh LIDAR của khu vực Lower Manhattan
Công nghệ LIDAR có thể giúp lập bản đồ địa hình đáy biển tới độ sâu
70m, hữu ích trong các dự án xác định luồng lạch tàu vào, thiết kế quy hoạch
cảng và các kênh giao thông thủy.
Bên cạnh đó, dữ liệu LIDAR với độ chính xác và độ phân giải cao được
sử dụng rất hiệu quả trong xây dựng các mô hình ngập úng, nâng cao độ
chính xác của mô hình, xác định ranh giới ngập úng chính xác, cung cấp thêm
nhi
ều thông tin về các đối tượng/địa vật chịu ảnh hưởng; thành lập bản đồ
nguy cơ ngập úng, vùng ưu tiên sơ tán, hoặc tiếp tục phân tích để thành các
bản đồ suy dẫn như bản đồ mức bảo hiểm lũ lụt…
Ngoài ra, đặc điểm mật độ dữ liệu dày đặc và chính xác của công nghệ
LIDAR rất phù hợp với yêu cầu của các ứng dụng trong ngành giao thông vậ
n
tải, được sử dụng để: quan trắc, giám sát, duy tu bảo dưỡng và quản lý các đối

11
tượng như đường sắt, đường bộ, hệ thống tín hiệu biển báo, các điểm trạm đỗ
dừng, nhà ga bến cảng, sự xuống cấp mặt đường, điểm tai nạn, mật độ giao
thông, bùng binh… mà không cần làm gián đoạn các dịch vụ liên quan.
• Ứng dụng trong lâm nghiệp
Chủ yếu ứng dụng LIDAR để đánh giá và thống kê sản lượng gỗ, phân
tích điều ki
ện sống hoang dã, tương quan của các yếu tố như tán, độ dày tán,
dạng lá… tới sản lượng gỗ rừng; ước tính sinh khối, trữ lượng gỗ và các tham
số lâm nghiệp khác.
• Quan trắc và dự báo sạt lở đất
LIDAR có thể được sử dụng để quan trắc và dự báo trượt lở, đặc biệt

với các sườn dốc, nhờ đặc điểm thu thập dữ liệu nhanh chóng v
ới độ chính
xác cao và mật độ dữ liệu dày đặc. Công nghệ này cũng có thể được sử dụng
để đánh giá nhanh thiệt hại và thiết lập bản đồ thể hiện tình trạng hậu trượt lở
nhanh chóng chính xác.
Với các công cụ thành lập bản đồ phù hợp, dữ liệu LIDAR với độ chính
xác cao, mật độ điểm dữ liệu dày đặc, thời gian thu thập dữ liệu ngắ
n… rất
phù hợp cho các ứng dụng để quản lý và dự báo xói mòn bờ biển, đánh giá và
dự báo bồi lắng, quan trắc và dự báo ngập lụt ven biển…
• Các tuyến truyền tải điện và mạng điện thoại di động
Áp dụng công nghệ LIDAR nhanh chóng lập bản đồ các tuyến truyền
tải trải dài, thể hiện chính xác vị trí các tháp truyền tải (cột điện), địa hình củ
a
hành lang truyền tải và các loại đối tượng tồn tại trong hành lang (cây
xanh…) phục vụ điều chỉnh, sửa chữa duy tu và thiết kế nâng cấp tuyến.
Ngoài ra, quy hoạch và quản lý các mạng điện thoại di động yêu cầu
phải có thông tin chi tiết về bề mặt địa hình, lớp phủ thực vật, các tòa nhà và
công trình. Để đảm bảo tầm nhìn và xác định các khu vực phát triển mạng,
các CSDL chính xác và chi tiết chứa các thông tin về các ch
ướng ngại vật tự
nhiên và nhân tạo là cực kỳ quan trọng. Công nghệ LIDAR đã được chứng

12
minh là rất phù hợp cho các mục đích này và ngày càng có nhiều công ty viễn
thông khai thác sử dụng công nghệ này trong hoạt động của họ.
• Lập mô hình đô thị và mô phỏng đô thị
Các ứng dụng trong lĩnh vực này thường nhằm tạo ra một mô hình
thành phố ảo với nền địa lý và các công trình xây dựng, kiến trúc như đô thị
thực. Mô hình có thể được khai thác phục vụ rất nhiều đối tượng t

ừ quy hoạch
kiến trúc, xây dựng, giao thông tới game online. Cách phổ bến chia sẻ mô
hình này cũng rất linh động, từ ứng dụng trên máy bàn tới qua web, sử dụng
các chuẩn mở, dễ trao đổi và dễ cấu hình phù hợp từng đối tượng sử dụng.
• Các ứng dụng khác với LIDAR
Trong tương lai, dữ liệu LIDAR khi được tích hợp với các hệ thống sẽ
tạo ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: Cấu trúc địa
điểm tham chiếu, GIS và hàng không công nghệ cao, Quy hoạch khu vực, Các
dự án thủy điện và án xây dựng lớn, Các ứng dụng trong an ninh quốc phòng,
Khai thác mỏ lộ thiên, Hành lang đường sắt, Các dịch vụ bay, Khảo sát đáy
biển, Khảo sát đô thị tỷ lệ lớn, Lập bản đồ hồng ngoại phòng chống cháy
rừng…

Hình 1.5. Sử dụng LIDAR trong đo vẽ ngầm
Bên cạnh các ứng dụng đã trở nên phổ biến trên đây, dữ liệu LIDAR
với đặc trưng của nó, rất có tiềm năng được khai thác trong nhiều ứng dụng
khác như mô phỏng tác động của bão, tạo mô hình 3 chiều đô thị (thành phố

13
ảo), mô phỏng thiệt hại của động đất, khai khoáng, môi trường… Các ứng
dụng đặc biệt hữu ích khi dữ liệu LIDAR được tích hợp vào môi trường của
hệ thông tin địa lý (GIS) để quan trắc, dự báo và lên phương án ứng phó.

Hình 1.6. Công nghệ LIDAR với khảo cổ học
1.1.2.2. Nhu cầu sử dụng LIDAR trong không ảnh
Qua các giai đoạn triển khai đã cho thấy sử dụng công nghệ LIDAR
giảm số giờ bay khảo sát và dữ liệu chính xác hơn, nên hiệu quả kinh tế xã
hội nâng lên đáng kể. LIDAR rất đắc dụng trong việc thu thập số liệu độ cao
trong trường hợp rừng dày đặc, nơi mà ảnh không bộc l
ộ sự kém độ chính xác

thông tin địa hình vì tán cây dày che phủ. Không giới hạn bởi điều kiện môi
trường hạn chế của ảnh hàng không.
LIDAR hàng không nổi lên như một thay thế hấp dẫn đối với công
nghệ truyền thống với lượng số liệu lớn. Bởi vì hệ thống cảm biến ánh sáng
năng động có thể thu số liệu vào ban đêm và có thể hoạt động trong mọi thời
tiết và ở vị trí góc chân trời thấp mà ảnh hàng không không thể thực hiện
được. Ngoại ô và các vùng xa xôi có thể khảo sát dễ dàng và nhanh chóng vì
toạ độ XYZ mỗi điểm được tham chiếu trực tiếp, không đòi hỏi số liệu tam
giác ảnh và trực giao.
Phương pháp ảnh hàng không khi thiết lập DTM cần nhiều thời gian và
nhân lực. Trong phương pháp ảnh hàng không thiết lập DTM sử dụng máy vẽ

14
lập thể, trước tiên mô hình ảnh cần được hình thành vào trong máy lập thể sử
dụng định hướng trong tương đối và tuyệt đối. Người vẽ lập thể sẽ số hoá tay
những đặc trưng địa hình như thoát nước, mép đường, thành và đáy cống trên
một lớp. Những đường đó gọi là đường gãy cứng. Những lồi lõm thay đổi địa
hình được thể hiện trên bản đồ b
ằng đường gãy mềm màu vàng. Các điểm độ
cao được thêm vào với mật độ nhất định màu xanh dương bằng tay bởi giữ
tiêu đo trên mặt đất trên mô hình. Sau đó DTM được thiết lập từ những đường
gãy và điểm độ cao bằng các phần mềm chuyên dụng phổ biến trên thị trường.
Trong khi đó, trung bình một giờ hệ thống LiDAR có thể đo được khu vực
rộng 90 -100km
2
. Thời gian xử lý số liệu là 2 đến 3 giờ cho một giờ bay ghi
số liệu và thêm một số thời gian nữa để hoàn chỉnh chuyên nghiệp sản phẩm.
Nghiên cứu cho thấy rằng LIDAR chỉ đòi hỏi kinh phí bằng 25 đến 33% kinh
phí cần thiết của phương pháp ảnh hàng không.
Tại những vùng biển, bờ, các vùng đất ẩm ướt, ít địa vật và tương phản

kém, nơi mà rất khó hoặc không thể đạ
t được kết quả mong muốn với công
nghệ ảnh hàng không truyền thống, LIDAR lại phát huy hiệu quả rất tốt. Một
số khu vực lập bình đồ bằng LIDAR tốt hơn ảnh hàng không là:
- Đường bờ biển và địa hình bãi bồi, ít địa vật;
- Nơi đất ướt hoặc không thiết lập được điểm khống chế ảnh do khó
tiếp cận tới;
-
Rừng cây nơi thực phủ che khuất mặt đất;
- Công tác mỏ lộ thiên nơi số liệu cuối cùng chỉ cần vài giờ thu thập;
- Khu vực dạng dải hẹp
1.1.2.3. Kết hợp không ảnh và LIDAR
Trong kỷ nguyên kỹ thuật số ngày nay, GIS đang tăng cao độ hoàn
thiện, chuyên nghiệp và chi tiết. Nhưng dù sự gia tăng sự hoàn thiện của các
chi tiết, cốt lõi của mỗi h
ệ GIS là lớp cơ bản thể hiện thông tin không gian

15
khởi đầu mà các lớp GIS khác được xây dựng trên đó. Khi có số liệu độ cao
có thể thiết lập DTM như là lớp cơ bản.
Tuy nhiên, với các phương pháp trước đây, việc thu thập số liệu đòi
hỏi độ chính xác cao để mô tả địa hình là rất khó khăn và thường rất đắt, tốn
thời gian. Mô hình DEM LIDAR có mật độ điểm rất cao hơn các nguồn hiện
thời đã đ
em lại độ chính xác hơn trực giao không ảnh. Người dùng quan tâm
đến lợi ích của hình ảnh không gian phân giải cao và mô hình số độ cao với
mật độ và chính xác cao của hệ thống LIDAR.
Không ảnh có thể dùng để thể hiện địa hình chính xác hơn cho khoảng
cao đều đồng mức hơn 0,6m. Máy ALS40 Airborne Laser Scanner có cùng độ
rỗng dải quét với film của máy ảnh hành không loại ống kính 15cm, lý tưởng

cho làm việc đồng thời để lập bản đồ nh
ư là dạng dải hẹp. Đồng thời ghi số
liệu LIDAR và ảnh số đòi hỏi sự liên kết làm việc của hai cảm biến đặt trên
khoang máy bay. Trên hành lang khảo sát dải hẹp, bình đồ kết hợp rất tiện
dụng cho việc tính khối lượng đào đắp dọc theo các tuyến so sánh, giúp lựa
chọn, kiến nghị tuyến kinh tế nhất. Đối với các dự án có phạm vi rộng, không
ảnh và LIDAR cầ
n bay chụp riêng vì khác nhau về trường nhìn. Sự kết hợp số
liệu thể hiện được nhiều chi tiết khu vực với dùng riêng số liệu LIDAR.
Nếu dự án cần khoảng cao hơn đường đồng mức là 0,5m hoặc nhỏ hơn
cùng với các chi tiết đặc trưng kích thước, hãy bắt đầu với không ảnh và tam
giác ảnh giải tích. Số liệu LIDAR được nhập vào mô hình lập thể trên máy vẽ
lập thể
sao cho người vẽ có thể dễ dàng xử lý, vẽ các đường cắt gãy và tạo
đường đồng mức. Sự kết hợp này rất lý tưởng trong vùng bị che khuất bởi
thực phủ dày, nơi số liệu LiDAR có thể phủ đầy các vị trí mà không ảnh
không thấy được. Sản phẩm LIDAR nguyên gốc thường được dùng trong
trường hợp khu vực khảo sát vượt khu bản đồ tỷ lệ lớn. Số liệ
u LIDAR được
lọc cho mô hình mặt đất gốc không có thực phủ và công trình, hay dạng thô
của nó để lưới hoá và tạo file mô hình DEM.

16
Công nghệ đã được kiểm tra kỹ lưỡng và được chấp nhận bằng các dự
án bay chụp ở nhiều nơi trên thế giới, LIDAR đã trở thành hoạt động thương
mại dịch vụ kỹ thuật phổ biến ở các nước như Mỹ, Canada và ở châu Âu. Ưu
điểm chính của công nghệ lập bản đồ LIDAR là độ chính xác đo đạc, tự động
hoá cao và thời gian giao nộ
p sản phẩm nhanh. Tuy nhiên, với đặc điểm thu
thập và xử lý số liệu riêng biệt đòi hỏi đầu tư máy móc và cơ sở hạ tầng là

một vấn đề về khả thi kinh tế so với các công nghệ cũ. Nhìn vào những tiềm
năng của LIDAR, rõ ràng sẽ là công nghệ đóng vai trò lớn trong tương lai. Ở
Việt Nam đã tiến hành bay thử nghiệm tại Cần Thơ, Đồng Tháp bởi Công ty
ảnh địa hình và Công ty Credent cho những kết qủa khả quan.

1.2. Ứng dụng LIDAR trong đo đạc các thông số khí quyển
1.2.1.

Nguyên lý hoạt động của LIDAR đo đạc các thông số khí quyển
Về nguyên tắc hoạt động LIDAR cũng tương tự như RADAR, nhưng
LIDAR sử dụng bức xạ Laser trong miền tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại,
đồng thời sử dụng các kỹ thuật quang phổ và quang học đã cho phép đo đạc
các đặc trưng vật lý của khí quyển theo không gian và thời gian với độ phân
giải cao. Ưu điểm của hệ thống LIDAR là có độ phân giải cao hơ
n so với
Radar, ổn định hơn và có khả năng tạo hình ảnh 3 chiều. Khả năng phân giải
không gian có thể đạt tới hàng mét và khả năng phân giải theo thời gian rất
cao có thể đến hàng giây. Đây là lợi thế cơ bản so với các công cụ đo đạc khí
quyển khác như bóng thám không vì các công cụ này chỉ cho phép đo đạc tại
một số thời điểm nhất định và tới độ cao giớ
i hạn (khoảng 30 km đối với bóng
thám không) [1].

17

Hình 1.7. Sơ đồ khối của hệ thống LIDAR
Hầu hết các hệ LIDAR đều có nguyên lý cấu tạo tương tự như trên hình
1.7 gồm 4 bộ phận chính sau:
- Phần thứ nhất của hệ LIDAR là một laser phát xung ngắn có công
suất lớn đến khoảng vài trăm mili Joule/xung, bức xạ đơn sắc và chất lượng

chùm laser cao. Bức xạ laser công suất cao khi phát vào khí quyển thông qua
một hệ quang học thích hợp (anten phát) sẽ tươ
ng tác với các thành phần khác
nhau của khí quyển như các phân tử khí, bụi, hạt son khí, mây. Một phần bức
xạ laser sẽ được phản xạ hay tán xạ đến bộ phận đo đạc của thiết bị LIDAR.
- Phần thứ hai của hệ LIDAR là một anten quang học có kích thước đủ
lớn để thu nhận được tín hiệu tán xạ yếu từ khí quyển. Anten quang học
thường là một telescope loại Newton hoặc Cassegrain có đườ
ng kính từ 20 cm
đến hàng trăm cm. Ngoài ra anten quang học còn có các phin lọc giao thoa có
băng thông hẹp cỡ 1 nm để loại bỏ nhiễu nền là bức xạ ở các bước sóng khác
với bước sóng của tín hiệu LIDAR.
- Bộ phận thứ ba là thu nhận và phân tích tín hiệu tán xạ, cho phép xác
định được các đặc trưng vật lý của các thành phần khí quyển và phân bố của
chúng trong không gian và theo thời gian (hình 1.8). Tín hiệu LIDAR sau đó

18
sẽ được hội tụ vào các đầu đo quang, thường là bộ nhân quang điện nhanh có
thể đo các bước sóng trong miền tử ngoại đến vùng khả kiến hoặc các
photodiode avalanche đối với các bước sóng trong miền hồng ngoại [2, 3, 4].

Hình 1.8. Sơ đồ mô tả phép đo LIDAR trong khí quyển
- Phần thứ tư của hệ LIDAR là một hệ điện tử phức tạp nhằm khuếch
đại tín hiệu từ các đầu đo quang và thực hiện phép đo các tín hiệu này theo
chế độ tương tự (đo dòng) đối với tín hiệu LIDAR tương đối mạnh tán xạ từ
vùng khí quyển tương đối gần hay đếm photon đối v
ới tín hiệu tán xạ ở
khoảng cách lớn.