Nghiên cứu các phương pháp lọc điểm đo trong công nghệ lidar

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

LÊ THANH NGHỊ

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM ĐO
TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

LÊ THANH NGHỊ

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM ĐO
TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý
Mã số: 60.44.76

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS Trần Đình Trí

HÀ NỘI – 2012

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
và kết quả được sử dụng, trình bày trong luận văn là trung thực chưa từng
được cơng bố trong bất cứ cơng trình nào trước đây.
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2012
Tác giả luận văn

Lê Thanh Nghị


MỤC LỤC

Trang phụ bìa

trang

Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các hình vẽ
Danh mục các bảng biểu
MỞ ĐẦU

1

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LIDAR

4

1.1. Khái niệm về cơng nghệ LiDAR

4

1.2. Cơ sở vật lý, cơ sở toán học và bài toán xử lý số liệu LiDAR

8

1.2.1. Cơ sở vật lý

8

1.2.1.1. Tia laser
1.2.1.2. Đo dài bằng laser trong công nghệ LiDAR

8
10

1.2.2. Cơ sở toán học

17

1.2.3. Nguyên lý hoạt động và cơ sở toán lý của hệ thống GPS/INS

20

1.2.3.1. Một số hệ tọa độ dùng trong hệ thống tích hợp GPS/INS

21

1.2.3.2. Hệ thống GPS

23

1.2.3.3. Hệ thống INS

28

1.2.3.4. Tích hợp hệ thống GPS/INS

33

Chương 2 - QUÁ TRÌNH BAY QUÉT VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LIDAR

37

2.1. Các cơng đoạn của q trình qt LiDAR

37

2.2. Nội dung công việc

39

2.2.1. Công tác chuẩn bị và lập thiết kế kỹ thuật

39

2.2.2. Đo nối khống chế ngoại nghiệp

39

2.2.3. Bay qt LiDAR

40

2.2.4. Tính tốn, bình sai và hiệu chỉnh toạ độ các điểm phản hồi xung

42


2.2.5. Lọc điểm, phân loại và xây dựng DEM

43

2.2.5.1. Phân loại tự động

43

2.2.5.2. Phân loại thủ công

43

2.2.5.3. Chỉnh sửa kết quả phân loại

43

2.2.5.4. Chuyển đôỉ định dạng và xây dựng DEM theo mơ hình TIN hay
GRID
2.3. Cơng nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

44

44

Chương 3 - CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM TRONG CƠNG NGHỆ
LIDAR
3.1. Các ứng dụng của cơng nghệ LiDAR

49
49

3.1.1. Thành lập mơ hình số độ cao bề mặt địa hình bằng cơng nghệ LiDAR
49
3.1.2. Ứng dụng cơng nghệ LiDAR trong đo vẽ bản đồ biển vùng nước nông
50
3.1.2.1. Nguyên lý đo sâu Laser từ máy bay

50

3.1.2.2. Ưu, nhược điểm của công nghệ

51

3.1.2.3. Một số các thiết bị đo sâu

52

3.2. Quy trình lọc điểm trong cơng nghệ LiDAR

53

3.2.1. Khái niệm về quy trình lọc điểm trong cơng nghệ LiDAR

53

3.2.2. Một số mơ hình tốn học lọc điểm trong cơng nghệ LiDAR

54

3.2.2.1. Mơ hình tốn lọc điểm theo “độ chênh cao cực đại”

54

3.2.2.2. Mơ hình tốn học lọc điểm theo “độ võng cục bộ”

56

3.2.2.3. Mơ hình tốn học lọc điểm theo “cực tiểu tuyệt đối”

57

Chương 4 - THỰC NGHIỆM LỌC ĐIỂM ĐO TRONG CƠNG NGHỆ
LIDAR

59

4.1. Mơ tả về kết quả đo của công nghệ LiDAR

59

4.2. Thực nghiệm lọc điểm

65


4.2.1. Mơ hình tốn học sử dụng cho thực nghiệm

65

4.2.2. Khu vực thực nghiệm

67

4.2.3. Chương trình lọc điểm

68

4.2.4. Kết quả thực nghiệm lọc điểm

70

4.2.5. Đánh giá sau quá trình lọc điểm

78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

79

TÀI LIỆU THAM KHẢO

81

PHỤ LỤC

82


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mơ hình hoạt động của hệ thống LiDAR

4

Hình 1.2. Q trình phát xạ kích thích

9

Hình 1.3. Ngun tắc đo khoảng cách bằng laser

11

Hình 1.4. Đo dài bằng sóng laser liên tục

12

Hình 1.5. Đo dài bằng xung laser

13

Hình 1.6. Đồ thị Gaussion của xung

14

Hình 1.7. Chùm tín hiệu phản hồi từ cây

15

Hình 1.8. Số hóa dạng sóng sự phản hồi của xung

17

Hình 1.9. Sơ đồ vecto hình học trong cơng nghệ LiDAR

18

Hình 1.10. Hệ tọa độ ECI, ECEF và b-frame

21

Hình 1.11. Hệ tọa độ ECI, ECEF và n-frame

22

Hình 1.12. Đo khoảng cách giả Ri từ các vệ tinh tới máy thu

24

Hình 1.13. Mơ hình đo góc nghiêng bằng máy đo gia tốc

29

Hình 1.14. Các góc quay tương ứng với các trục X, Y, Z trong b-frame

của IMU gắn với thân vật mang (máy bay)

32

Hình 1.15. Sơ đồ cấu trúc tích hợp hệ thống GPS/INS

34

Hình 1.16. Sơ đồ xử lý tích hợp lọc Kalman (LKF, EKF) trong GPS/INS

36

Hình 2.1. Sơ đồ tổng quan quy trình quét LiDAR

38

Hình 2.2. Cơng nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số

44

Hình 3.1. Ngun lý lọc điểm theo mơ hình “độ chênh cao cực đại”

54

Hình 3.2. Nguyên lý lọc điểm theo mơ hình “cực tiểu tuyệt đối”

58

Hình 4.1. Tách các lớp dữ liệu theo thứ tự phản hồi của xung laser

59

Hình 4.2. Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua lùm cây

60

Hình 4.3. Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua cây độc lập

61

Hình 4.4. Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua quà

61


Hình 4.5. Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua đường dây điện

62

Hình 4.6. Điểm đo LiDAR khi xung laser qt qua ơ tơ

63

Hình 4.7. Điểm đo LiDAR khi xung laser qt qua rừng

64

Hình 4.8. Mơ hình TIN dựng được khi xung laser quét qua rừng

65

Hình 4.9. Nguyên lý lọc điểm theo mơ hình “cực tiểu tuyệt đối”

66

Hình 4.10. Ngun lý lọc điểm trong 1 ơ vng theo mơ hình
“cực tiểu tuyệt đối”

66

Hình 4.11. Hình ảnh tồn bộ khu vực thực nghiệm

67

Hình 4.12. Mật độ điểm dày đặc khi quét LiDAR qua khu vực

67

Hình 4.13. File số liệu đã qua xử lý và đổi định dạng

68

Hình 4.14. Chương trình lọc điểm đo

69

Hình 4.15. Chọn độ rộng mắt lưới ơ vng lọc điểm

69

Hình 4.16. File số liệu thu được sau khi lọc điểm

70

Hình 4.17a. Mật độ điểm thu được khi độ rộng mắt lưới là 5m

71

Hình 4.17b. Mật độ điểm thu được khi độ rộng mắt lưới là 10m

72

Hình 4.17b. Mật độ điểm thu được khi độ rộng mắt lưới là 10m

73

Hình 4.18. Mơ hình TIN thành lập từ file số liệu gốc chưa lọc điểm

74

Hình 4.19a. Mơ hình TIN thành lập sau khi lọc điểm với ơ vng 5m

75

Hình 4.19b. Mơ hình TIN thành lập sau khi lọc điểm với ô vuông 10m

76

Hình 4.19c. Mô hình TIN thành lập sau khi lọc điểm với ô vuông 20m

77


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu kĩ thuật của một số thiết bị đo sâu

52

Bảng 3.2. Kết quả lọc theo 3 tiêu chuẩn kết hợp với các trường hợp

56


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghệ LiDAR là một công nghệ tiên tiến hàng đầu trong hệ thống
các công nghệ thu thập dữ liệu không gian trên thế giới. Trong lĩnh vực quản
lí tài ngun và mơi trường, đặc biệt trong lĩnh vực trắc địa và bản đồ, công
nghệ LiDAR (Light Detection And Ranging) đã được nghiên cứu phát triển
và đang được ứng dụng rất có hiệu quả. Công nghệ LiDAR thực hiện chức
năng đo đạc, hiển thị độ cao chi tiết nền địa hình và tạo ảnh nắn cường độ
xám, một cách chính xác, nhanh và có mật độ điểm dày đặc nhất trong các
cơng nghệ trắc địa bản đồ hiện nay.
Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ LiDAR mới đang được biết đến trong
thời gian rất ngắn, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng cơng nghệ LiDAR
trong điều kiện Việt Nam cịn rất hạn chế. Các phần mềm xử lý số liệu bay
quét LiDAR cũng chỉ có các phần mềm thương mại với giá cả đắt đỏ, việc
nghiên cứu áp dụng các sản phẩm của cơng nghệ LiDAR cho các chun
ngành lại càng ít hơn.
Xuất phát từ thực tiễn trên, luận văn “Nghiên cứu các phƣơng pháp lọc

điểm đo trong công nghệ LiDAR” mong muốn sẽ tìm hiểu chi tiết hơn về
cơng nghệ LiDAR cũng như các phương pháp lọc điểm đo đang được ứng
dụng, phục vụ công tác nghiên cứu cũng như phát triển công nghệ LiDAR
trong thời gian tới.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng cơng nghệ mới ở Việt Nam,
quảng bá rộng rãi kiến thức về công nghệ LiDAR, bổ sung tài liệu tham khảo
cho các học giả tiếp cận và áp dụng công nghệ LiDAR và sản xuất thực tế
trong điều kiện Việt Nam, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, ứng dụng các sản
phẩm của công nghệ LiDAR cho các ngành kinh tế, kỹ thuật khác.


3. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các vấn đề liên quan đến lý thuyết về
công nghệ LiDAR, các phương pháp lọc điểm đo trong cơng nghệ LiDAR,
các thuật tốn lập trình xây dựng phần mềm lọc điểm đo.
4. Nội dung nghiên cứu
Tìm hiểu về công nghệ LiDAR và các phương pháp lọc điểm đo trong
cơng nghệ LiDAR.
Viết chương trình phần mềm thử nghiệm lọc điểm đo.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp thống kê, phân tích: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thơng
tin và tài liệu liên quan. Phân tích, đánh giá các thơng tin thu được để kết luận
chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm làm minh chứng cho
các kết luận đã đưa ra.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay, công nghệ LiDAR mới được ứng dụng và triển khai nên cịn
nhiều hạn chế trong cơng tác tìm hiểu và phát triển. Vì thế luận văn sẽ tìm
hiểu chi tiết về cơng nghệ LiDAR, giải đáp các thông tin cũng như sự vượt

trội của công nghệ LiDAR so với các cơng nghệ khác.
Trình bày chi tiết hơn về các phương pháp lọc điểm đo trong công nghệ
LiDAR mà thế giới đang phát triển và áp dụng, làm thông tin khoa học cho
việc nghiên cứu trong nước.
7. Cấu trúc của luận văn
Luân văn được trình bày bao gồm: phần mở đầu, 4 chương và phần kết
luận với 43 hình minh họa và 2 bảng biểu.


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, tác giả đã được PGS.TS
Trần Đình Trí tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ. Tác giả cũng nhận được
sự quan tâm giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp trong Bộ môn Đo ảnh Viễn thám cùng các bạn đồng nghiệp khác. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn
chân thành sự giúp đỡ quý báu đó.


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LIDAR

1.1. Khái niệm về công nghệ LiDAR
Công nghệ LiDAR là công nghệ tiên tiến hàng đầu trong hệ thống các công
nghệ thu thập dữ liệu không gian trên thế giới. Công nghệ LiDAR là sự phát triển
và ứng dụng các thiết bị laser, định vị vệ tinh và đo quán tính để thu thập dữ liệu địa
lý trên bề mặt trái đất. Tổ hợp các thiết bị này trong mối quan hệ hữu cơ, tác động
chi phối lẫn nhau, tạo nên hệ thống LiDAR.

Hình 1.1. Mơ hình hoạt động của hệ thống LiDAR
Hệ thống LiDAR là một hệ thống tích hợp từ 3 thành phần chính: hệ
thống thiết bị Laser (Light amplification by stimulated emission of radio), hệ
thống GPS (Global Positioning System) và hệ thống INS (Inertial Navigation

System). Hệ thống thiết bị laser được thiết kế phát các chum tia laser, thu


nhận các tia laser phản xạ và thu nhận dữ liệu cường độ tín hiệu laser phản xạ
từ các đối tượng khác nhau trên bề mặt đất. Hệ thống định vị tồn cầu GPS có
nhiệm vụ xác định chính xác vị trí (X,Y,Z) của thiết bị quét laser đặt trên máy
bay. Hệ thống điều khiển hàng hướng quán tính INS sẽ đo gia tốc theo các
hướng XYZ, đo các góc nghiêng của máy bay để xác định các góc định
hướng của tia quét. Các hệ thống được kết nối qua bộ điều khiển trung tâm
(CPU) và được điều khiển một cách đồng bộ, chính xác bởi một máy tính đã
cài phần mềm tương thích.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống LiDAR là nguyên lý của phép đo dài
ánh sáng, định vị khơng gian và ngun lý phát hiện tín hiệu.
Bản chất của của công nghệ LiDAR là kĩ thuật đo dài laser, đinh vị
không gian GPS/INS và sự nhận biết cường độ phản xạ ánh sáng. Xung của
laser được phát hướng xuống mặt đất trên một độ cao nào đó. Sóng laser được
phản hồi từ mặt đất hay từ các bề mặt đối tượng đo như cây, đường, nhà …,
với mỗi xung sẽ đo được thời gian đi và trở lại của tín hiệu và từ đó tính được
khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng. Trong thời điểm phát và nhận
tia laser thì góc qt, dữ liệu định hướng, cường độ tín hiệu laser phản xạ và
các dữ liệu bổ trợ khác của tia quét được xác định và ghi lại bởi hệ thống INS.
Hệ thống GPS sẽ xác định tọa độ tâm antena của GPS trên máy bay. Sau đó
phần mềm xử lý sẽ kết hợp các các dữ liệu thu được (GPS, INS, laser) với các
thông tin về điều kiện khí quyển, hiệu chỉnh sai lệch phần cứng và các thơng
số thích ứng khác để tạo ra hàng loạt điểm có tọa độ (X,Y,Z). Tập hợp các
điểm này tạo nên một đám mây điểm với mật độ dày đặc biểu thị chi tiết bề
mặt địa hình trái đất (DEM). Với mỗi điểm tọa độ sẽ được gắn các thuộc tính
thể hiện cường độ tín hiệu trở lại của tia laser. Từ dữ liệu này phần mềm sẽ
phân tích, xử lý, tạo ra trực ảnh cường độ xám, ảnh nổi phục vụ xử lý dữ liệu
LiDAR và các ứng dụng trắc địa bản đồ.

Từng tia laser riêng biệt không chỉ đi và về từ bề mặt trái đất một cách
trọn vẹn và duy nhất mà có thể phản xạ thành một hay nhiều mức truyền. Hệ
thống LiDAR có thể ghi nhận tới trên 4 mức truyền các tín hiệu phản xạ của
từng tia laser. Mỗi mức phản xạ thường là của 1 tầng đối tượng mà tia laser đi
qua. Mỗi mức phản xạ lại có một cường độ tín hiệu phản xạ khác nhau. Từ
những thông tin của các mức phản xạ và cường độ tín hiệu tia laser phản xạ
mà phần mềm sẽ xử lý và tạo ra được hình ảnh tương ứng với các tầng đối
tượng trên mặt đất. Đây là một tính năng đặc biệt của cơng nghệ LiDAR.
Cơng nghệ LiDAR là một công nghệ mới đã được nghiên cứu, phát triển
và đang được ứng dụng rất có hiệu quả trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, quản lý
tài nguyên môi trường trên thế giới. Công nghệ LiDAR thực hiện quét laser từ
máy bay để xác định chi tiết và chính xác đối tượng địa lý trên bề mặt trái đất.
Sản phẩm chính của cơng nghệ LiDAR là mơ hình số bề mặt (DSM), mơ hình
số độ cao (DEM), ảnh cường độ xám…
Dữ liệu của LiDAR thu nhận được là tập hợp các điểm với mật độ dày
đặc, phân bố ngẫu nhiên và chứa đựng nhiều thơng tin định tính và định lượng
của các đối tượng địa lý. Tuy nhiên các thơng tin hình ảnh đặc trưng của địa
hình, địa vật hay các đường viền của các đối tượng địa lý không thể hiện được
rõ ràng và sắc nét trong dữ liệu LiDAR.
Cơng nghệ LiDAR có nhiều tính năng vượt trội so với các cơng nghệ đo
đạc truyền thống, nó có những đặc điểm cơ bản như:
+ Hệ thống LiDAR bao gồm các thiết bị kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay
trong lĩnh vực định vị khơng gian, đó là thiết bị định vị vệ tinh GPS, đo xa
laser, điều khiển hàng hướng INS… Hoạt động của hệ thống và sản phẩm tạo
ra gắn liền với công nghệ tin học, các dữ liệu được quản lý và lưu trữ đều ở
dạng số. Công tác khai thác, ứng dụng các sản phẩm của LiDAR rất thuận lợi
cho mục đích thành lập bản đồ số, hiện chỉnh bản đồ, thành lập cơ sở dữ liệu

thông tin địa lý (GIS), quản lý đô thị, dựng mơ hình 3D, dự báo ngập lụt,
quản lý rừng, khai thác mỏ…
+ Độ chính xác xác định vị trí khơng gian của các đối tượng địa lý rất
cao. Độ chính xác độ cao < 20cm, độ chính xác mặt phẳng < 25cm.
+ Thời gian thu thập và xử lý dữ liệu cực nhanh. Thời gian bay quét
LiDAR với khoảng 1000km2 là khoảng 25-30 giờ, thời gian xử lý tọa DEM
với 1000km2 là khoảng 10 ngày.
+ Không giống như các phương pháp đo ảnh hay đo đạc ngồi trời khác,
cơng nghệ LiDAR chủ yếu là tự động hóa, ít có sự can thiệp trực tiếp của con
người. Thành quả dữ liệu rất khách quan, mức độ tin cậy cao.
+ Hệ thống LiDAR thu thập dữ liệu không phụ thuộc vào ánh sáng mặt
trời, có thể thực hiện cả ngày và đêm, điều kiện thời tiết khơng địi hỏi khắt
khe.
+ Xung ánh sáng của hệ thống LiDAR có thể đi qua đối tượng vịm như
tán cây, mặt nước, mái che kính, tấm ni lông mỏng… và phản xạ tới 4 lần.
Mỗi lần phản xạ là một mức truyền khác nhau và ghi nhận một giá trị tọa độ
(XYZ) khác nhau. Đây là một tính năng đặc biệt mà cơng nghệ đo vẽ ảnh
khác khơng thể thực hiện được. Với tính năng này việc thực hiện bay quét ở
vùng rừng cây hoặc nơi có thực phủ khơng q dày đặc vẫn có thể thi công và
thể hiện được bề mặt đất (DTM).
+ Điểm phân giải điểm đo chi tiết cao, khi đầu phát đạt 150.000 xung
trên 1 giây, độ cao bay 1000m thì mật độ khoảng 3 điểm trên 1m2. Hiện nay
có nhiều hệ thống LiDAR có đầu phát đạt 240.000 xung trên 1 giây. Công
nghệ LiDAR với khả năng đo điểm trực tiếp ngoại nghiệp mật độ rất cao, độ
chính xác lớn, tốc độ nhanh là ưu điểm vượt trội mà hiện nay khơng có cơng
nghệ nào khác so sánh được.


+ Điểm khống chế mặt đất rất ít, có thể chỉ 1 điểm cho mục đích cải

chính DGPS. Cơng nghệ LiDAR đặc biệt lợi ích là cơng cụ lý tưởng khi nó
được áp dụng cho các vùng xa xăm, hẻo lánh khi mà con người rất khó tiếp
cận trong triển khai đo đạc ngoại nghiệp.
+ Công nghệ LiDAR ghi nhận được các giá trị mức phản xạ ánh sáng
của các đối tượng trên mặt đất, dữ liệu này có thể được dùng để tạo ra ảnh
cường độ xám, phân loại đối tượng, chiết xuất đối tượng trên mặt đất. Đây là
một đặc tính có giá trị gia tăng của dữ liệu LiDAR.
+ Một số hệ thống LiDAR ngoài chức năng đo qt trên mặt đất, cịn có
thể thực hiện chức năng đo sâu (hiện nay có thể đo sâu đến 40m).
+ Tổ chức thi công đơn giản, gọn nhẹ hơn các phương pháp khác, số
người cần tham gia rất ít (khoảng 10-15 người).
+ Hiệu quả kinh tế rất cao khi ứng dụng cơng nghệ LiDAR cho mục đích
thu thập dữ liệu không gian với yêu cầu thời gian ngắn, độ chính xác cao và
mật độ dày đặc.
1.2. Cơ sở vật lý, cơ sở toán học và bài toán xử lý số liệu LiDAR
1.2.1. Cơ sở vật lý
1.2.1.1. Tia laser
Hệ thống LiDAR ứng dụng nguyên lý đo dài bằng ánh sáng laser. Laser
là sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Ánh sáng laser phát ra dựa
trên nguyên lý bức xạ điện từ và có nhiều tính chất đặc biệt so với ánh sáng
thường. Một chất thích hợp khi nhận được kích thích đặc biệt từ bên ngồi sẽ
tạo ra ánh sáng laser. Các electron tồn tại ở mức năng lượng riêng biệt trong
một nguyên tử. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng các quỹ đạo
riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngồi có mức
năng lượng cao hơn những electron ở bên trong. Khi có sự tác động vật lý hay
hóa học từ bên ngồi, các hạt electron này có thể nhảy từ mức năng lượng


thấp lên mức năng lượng cao hơn, sau đó lại nhanh chóng trở về mức năng
lượng thấp và giải phóng một photon ánh sáng. Phonton này bay ra, chuyển

động trong lòng khối vật chất, lại va chạm với các nguyên tử khác, kích thích
electron của nguyên tử này lên trạng thái cao hơn, sau khi nhảy xuống mức
năng lượng thấp thì lại giải phóng ra 1 photon khác. Cứ như vậy tạo ra một
phản ứng dây chuyền, càng lúc càng giải phóng ra nhiều photon hơn. Tại đầu
của khối vật chất này, gắn 1 gương bán mạ, dòng photon gặp gương này sẽ đi
ra ngoài tạo thành tia laser. Các photon của tia laser, do cùng tần số, cùng pha
lại chuyển động song song và tập trung trong một diện tích rất nhỏ nên các tia
laser có năng lượng rất lớn. Đặc điểm quan trọng của tia laser là các photon
của nó được sinh ra từ phản ứng đây chuyền nên năng lượng của các photon
giống nhau tuyệt đối, dẫn đến bước sóng tia laser là đồng nhất tuyệt đối.
Từ một photon có năng lượng hv (h là hằng số Planch, v là tần số phóng
xạ) kích thích electron lên trạng thái cao E2, khi xuống trạng thái thấp E1
(hv= E2-E1) sẽ giải phóng thêm 1 photon.

Hình 1.2. Q trình phát xạ kích thích
Một thiết bị phát laser bao gồm 3 thành phần chính: buồng cộng hưởng
chứa hoạt chất laser (vùng bị kích thích), nguồn ni (năng lượng bơm vào
vùng bị kích thích) và hệ thống dẫn quang. Hoạt chất laser là khối vật chất
thích hợp, dùng làm mơi trường để tạo tia laser và có thể là chất rắn, lỏng hay
khí. Ánh sáng có laser có cường độ mạnh là laser được tạo từ chất rắn. Cơ chế
hoạt động của máy phát laser là khi nguồn nuôi bơm năng lượng vào buồng
cộng hưởng, tác động lên hoạt chất laser, các photon được tạo ra đầu tiên


chuyển động trong hoạt chất này và kích thích tạo ra các photon khác. Trong
buồng phản xạ có các mặt phản xạ sẽ phản xạ toàn phần các photon khi bay
tới, các photon bị phản xạ lại va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần,
tạo ra mật độ photon rất lớn, do vậy cường độ chùm laser được khuếch đại lên
nhiều lần. Một dịng photon thốt ra ngồi được nhờ có gương bán mạ tại một
đầu của buồng cộng hưởng, tia sáng đi ra đó chính là tia laser.

Tia laser có một số tính chất rất đặc biệt. Tia laser có độ định hướng rất
cao, tia laser phát ra gần như một chùm song song, có độ phân kì rất nhỏ, có
khả năng chiếu sáng hàng chục km mà khơng bị phân tán. Tia laser có tính
đơn sắc cao, chùm sáng chỉ có một màu (hay là cùng một bước sóng) duy
nhất, do vậy khơng bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường có
chiết xuất khác nhau, đó là tính chất đặc biệt mà khơng nguồn ánh sáng nào
có. Khả năng phát xung của laser là cực ngắn, có thể thể là mili giây (ms),
nano giây, pico giây cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong
thời gian cực ngắn.
Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục
(continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Trong chế độ phát
liên tục, công suất của một tia laser tương đối không đổi so với thời gian. Sự
đảo nghịch mật độ electron cần thiết cho hoạt động của laser được duy trì liên
tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn. Trong chế độ phát xung, công suất
của tia laser thay đổi theo thời gian và đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và
“ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian rất
ngắn.
1.2.1.2. Đo dài bằng laser trong công nghệ LiDAR
Nguyên lý đo khoảng cách trong công nghệ LiDAR là phép đo dài laser.
Tia laser (có thể là sóng liên tục hoặc xung) được phát ra từ đầu buồng cộng
hưởng đến đối tượng đo và được phản chiếu trở lại. Thời gian đi và về của


laser sẽ được xác định (TL). Từ thời gian (TL) và vận tốc c của laser (c =
299.792.458 m/s) sẽ xác định được khoảng cách R theo (1.1):
R

TL
c
2

(1.1)

Hình 1.3. Nguyên tắc đo khoảng cách bằng laser
a. Khi đo laser bằng sóng liên tục:
Khoảng cách được xác định theo phép đo pha, thời gian TL sẽ được xác
định theo (1.2):
TL  nT 


T
2

(1.2)

Trong đó: n là tổng số bước sóng đầy đủ; T là thời gian truyền đi của
sóng trong một bước sóng (chu kỳ T); υ là độ lệch pha.
Chu kỳ T là thời gian ngắn nhất mà một cấu trúc sóng lặp lại tại một
điểm, T có liên hệ với bước sóng λ và vận tốc sóng c, tần số f theo (1.3):
  cT 

c
f

(1.3)

Tần số f của sóng là số đỉnh sóng đi qua một điểm trong một đơn vị thời
gian, là nghịch đảo của chu kỳ sóng (1.4):
f 

1
T

f max 

(1.4)
1
c

TL 2 Rmax

(1.5)


Công thức (1.5) là rất quan trọng trong áp dụng cơng nghệ LiDAR, nó
cho phép ước tính để chọn tần số phù hợp với độ cao bay quét, (khi R =
1000m) thì chọn tần số phát xung fmax = 150 kHz).

Hình 1.4. Đo dài bằng sóng laser liên tục
Khi:

n  0; R 

Do vậy: R 


 c
T .c 
4
4 f

c 
4 f

(1.6)
(1.7)

Công thức (1.7) cho thấy độ phân giải đo khoảng cách (độ chính xác
khoảng cách) trong phép đo pha phụ thuộc vào phép đo độ lệch pha. Độ chính
xác đo lệch pha sẽ tăng lên nếu dùng bước sóng laser càng ngắn. Đây là vấn
đề hạn chế khi sử dụng sóng liên tục vì laser trong hệ thống LiDAR ln có
cường độ mạnh với bước sóng phù hợp.
b. Khi đo bằng xung laser:
Thời gian TL được xác định là thời gian truyền xung giữa đầu phát laser
và nơi nhận xung phản xạ và khoảng cách được xác định theo cơng thức (1.1).
Từ (1.1) tính được độ phân giải đo khoảng cách theo (1.8) và Rmax theo
(1.9):
R 

c
TL
2

c
Rmax  TL max
2

(1.8)
(1.9)

Hình 1.5. Đo dài bằng xung laser
Như vậy, độ phân giải đo khoảng cách chỉ phụ thuộc độ phân giải đo
thời gian và được giới hạn bởi độ chính xác của đồng hộ trên thiết bị của hệ
thống LiDAR. Khoảng cách tối đa có thể đo bằng xung laser phụ thuộc vào
thời gian tối đa có thể đo được khi xung laser đi và về. Điều này có nghĩa là
khoảng cách tối đa có thể đo được bằng xung laser trong LiDAR phụ thuộc
vào khả năng dài (thời gian) tối đa xung laser phát đi và về được thiết bị nhận,
tức là phụ thuộc vào cường độ xung laser, điều kiện môi trường truyền xung,
sự phản xạ ánh sáng của đối tượng đo…
c. Công suất LiDAR:
Năng lượng của hạt photon có bước sóng λ được xác định theo (1.10):
E  hf 

hc



(1.10)

Photon khơng có khối lượng nghỉ, do đó động lượng p của hạt photon
được xác định theo (1.11):
p

E h

c 

(1.11)

Theo (1.10) và (1.11), các sóng có bước sóng càng ngắn, tần số càng cao
thì động lượng và do đó năng lượng sẽ càng cao. Như vậy, năng lượng của


chùm ánh sáng tỷ lệ nghịch với bước sóng và tỷ lệ thuận với tần số và số
photon phát ra trong một đơn vị thời gian.
Trong hệ thống LiDAR, xung laser thường được tạo bằng bơm diot,
xung laser điển hình có thể được biểu thị ở dạng đồ thị Gaussion với sự mô tả
khuếch đại theo hai hướng dọc và ngang, trise là thời gian đưa một xung từ độ
khuếch đại 10% lên 90%, tp là thời gian đưa xung từ độ khuếch đại 50% (mép
đầu) lên 100% và xuống 50% (mép cuối) của xung.

Hình 1.6. Đồ thị Gaussion của xung
Như vậy, động lượng Ppeak của một xung trong khoảng rộng tp sẽ có năng
lượng là: E = Ppeak.tp . Nếu F là tổng số xung được tạo ra trong một giây (pulse
firing rate – PFR) thì tổng năng lượng Pav (hay được gọi là công suất phát
laser của hệ thống LiDar) được truyền đi trong một giây sẽ được tính theo
(1.12):
Pav = EF = Ppeak tpF hay F = Pav/Ppeak tp

(1.12)

Cơng thức (1.12) phản ánh đặc tính kỹ thuật rất quan trọng của các hệ
thống LiDAR. PFR có liên quan nghịch đảo với Ppeak, tức là khi tăng số
lượng xung (F) thì Ppeak sẽ giảm, đồng nghĩa với việc

khi tăng F thì khả

năng đo xa sẽ bị giảm. Các hệ thống LiDAR muốn tăng khả năng đo xa thì
cần dùng nguồn năng lượng có Ppeak cao hơn. Trong một hệ thống LiDAR,

muốn tăng khả năng đo xa thì phải chọn mức F nhỏ hơn.


d. Đa tín hiệu phản hồi trong cơng nghệ LiDAR
Xung laser được phát từ thiết bị bay đến mặt đất thường có đường kính
khoảng 10-20 cm. Khi gặp đối tượng có diện tích bề mặt nhỏ (ví dụ: lá cây,
lưới dây…) hoặc đối tượng cho tia laser đi qua (ví dụ: tấm kính mỏng, mặt
nước trong…) thì có khả năng chỉ một phần của xung laser chạm vào đối
tượng rồi phản hồi lại từ đây, trong khi đó phần cịn lại của xung sẽ tiếp tục
truyền cho tới khi chạm vào đối tượng khác và lại phản hồi. Như vậy một
xung laser được truyền đi có thể có nhiều tín hiệu xung trở về. Trong thiết bị
nhận xung laser phản hồi có bộ phận tách sóng theo ngưỡng và do vậy đo
được thời gian đi và về của phần xung tương ứng. Việc lấy mẫu xung laser
nhận được có nhiều cách khác nhau, lấy mẫu cho tín hiệu trở về có ý nghĩa
nhất, lấy mẫu cho tín hiệu trở về đầu tiên và cuối cùng, lấy mẫu cho tất cả tín
hiệu trở về theo ngưỡng ở các tầng khác nhau của sóng laser phản hồi. Mỗi
một điểm phản hồi là một khoảng cách được đo và theo đó một tọa độ (XYZ)
được xác định.

Hình 1.7. Chùm tín hiệu phản hồi từ cây
Trên hình 1.7, tín hiệu trở về đầu tiên là tín hiệu có ý nghĩa nhất. Trong
trường hợp chỉ có một tín hiệu có ý nghĩa trở về thì chỉ có một tọa độ duy
nhất được tính. Tín hiệu trở về cuối cùng sẽ không phải là mặt đất mà có thể


là nhánh hoặc than cây. Đa số các hệ thống LiDAR hiện tại đều có thể thu
nhận trên 4 tín hiệu phản hồi của 1 xung.
e. Kỹ thuật đo laser kiểu số hóa sóng
Khả năng phát xung (PRF) của một hệ thống LiDAR hiện nay có khả
năng lên tới 240.000 xung trong một giây, mỗi xung lại có thể có nhiều tín

hiệu phản hồi. Để hạn chế số lượng tín hiệu phản hồi, tăng mật độ điểm đo,
tăng độ chính xác đo khoảng cách, một số hãng sản xuất hệ thống LiDAR áp
dụng kỹ thuật số hóa dạng sóng sự phản hồi của xung.
Trong kỹ thuật này tín hiệu phản hồi tương tự được lấy mẫu theo khoảng
thời gian hằng số và chuyển đổi tín hiệu số thành dịng (chuỗi) dữ liệu số như
dạng sóng (đường kẻ đen song song trong hình 1.8). Do khơng hạn chế số
lượng tín hiệu phản hồi của từng xung nên các đối tượng dạng vòm (tán cây,
mái che…) được biểu thị chi tiết hơn. Từ dữ liệu số hóa tín hiệu phản hồi có
thể phân tích ra bề mặt lởm chởm, nghiêng hay bằng phẳng của đối tượng đo.
Trong kiểu hiện thị sóng, tín hiệu trở về đầu tiên duy nhất (có ý nghĩa) hay tín
hiệu đầu tiên và cuối cùng hoặc chùm tín hiệu trở về có thể đạt được độ chính
xác cao hơn khi xử lý số liệu. Hệ thống LiDAR đã áp dụng kỹ thuật này là
LMS-Q560 và ALTM3100.
Hình 1.8 mơ tả q trình tạo mẫu và số hóa tín hiệu phản hồi theo ví dụ ở
hình 1.7. Xung màu đỏ là xung phát đi, 4 xung liên tiếp theo là sự phản hồi
của lá hoặc cành cây và xung cuối cùng là từ mặt đất. Tín hiệu phản hồi tương
tự được lấy mẫu theo hằng số thời gian và được chuyển thành dạng dữ liệu số.
Dữ liệu số được lưu trữ để xử lý tính khoảng cách đo. Phương pháp này có ưu
điểm hơn so với các phương pháp khác, đó là q trình lấy mẫu và số hóa
dạng sóng sẽ tính được thời gian đỉnh của xung phản hồi và do vậy độ chính
xác đo khoảng cách được nâng lên. Do tín hiệu phản hồi có thể được dựng lại