LIDAR (đọc là Lai-da, có người viết thành LiDAR) là chữ viết tắt của Light Detection and Ranging. Đây là một kĩ thuật giám sát dùng các xung ánh sáng laser để ghi nhận khoảng cách giữa hai vật nào đó. Các xung này kết hợp với những dữ liệu khác có thể giúp tạo ra một bản đồ 3D chính xác và chi tiết về một không gian, một môi trường. LIDAR có thể được dùng cho mục đích tìm kiếm dấu tích của các công trình cổ đại, dùng cho xe tự hành để nó nhận biết môi trường xung quanh, dùng cho robot hút bụi để nó không đụng vào tường, và mới đây là dùng cho iPad Pro 2020 để chạy các chức năng tăng cường thực tế ảo (AR). Đây là bài tìm hiểu chi tiết về LIDAR.
LIDAR bắt đầu xuất hiện từ những năm đầu 1960 chỉ một thời gian ngắn sau khi tia laser ra đời. Lúc đó, người ta sử dụng công nghệ ghi nhận hình ảnh bằng chùm tia laser kết hợp để mô phỏng lại khả năng đo khoảng cách và phát hiện vật thể của radar. Khoảng cách này được tính dựa trên thời gian từ lúc tia sáng bắt đầu phát đi từ nguồn sáng, chạm tới vật cần đo và phản xạ trở về.
LIDAR được sử dụng lần đầu tiên trong ngành khí tượng học khi Trung tâm nghiên cứu khí quyển của Mỹ dùng nó để đo các đám mây. Công nghệ này bắt đầu phổ biến và được biết tới nhiều hơn khi các phi hành gia NASA dùng nó vẽ lại bản đồ bề mặt của mặt trăng trong nhiệm vụ Apollo 15.
Nói một chút về tên gọi, một số nguồn nói rằng LIDAR chỉ là chữ viết tắt, trong khi một số nguồn khác lại nói rằng LIDAR tức là light + radar. Ngoài chữ LIDAR thì còn có vài biến thể khác như "LIDAR", "LiDAR", "LIDaR" hoặc "Lidar" nhưng trong bài này chúng ta sẽ thống nhất gọi bằng LIDAR cho dễ theo dõi.
LIDAR là gì?
LIDAR bắt đầu xuất hiện từ những năm đầu 1960 chỉ một thời gian ngắn sau khi tia laser ra đời. Lúc đó, người ta sử dụng công nghệ ghi nhận hình ảnh bằng chùm tia laser kết hợp để mô phỏng lại khả năng đo khoảng cách và phát hiện vật thể của radar. Khoảng cách này được tính dựa trên thời gian từ lúc tia sáng bắt đầu phát đi từ nguồn sáng, chạm tới vật cần đo và phản xạ trở về.
LIDAR được sử dụng lần đầu tiên trong ngành khí tượng học khi Trung tâm nghiên cứu khí quyển của Mỹ dùng nó để đo các đám mây. Công nghệ này bắt đầu phổ biến và được biết tới nhiều hơn khi các phi hành gia NASA dùng nó vẽ lại bản đồ bề mặt của mặt trăng trong nhiệm vụ Apollo 15.
Nói một chút về tên gọi, một số nguồn nói rằng LIDAR chỉ là chữ viết tắt, trong khi một số nguồn khác lại nói rằng LIDAR tức là light + radar. Ngoài chữ LIDAR thì còn có vài biến thể khác như "LIDAR", "LiDAR", "LIDaR" hoặc "Lidar" nhưng trong bài này chúng ta sẽ thống nhất gọi bằng LIDAR cho dễ theo dõi.
Quảng cáo
Theo giải thích của cơ quan khí tượng & thủy văn Mỹ, một hệ thống LIDAR thường bao gồm:
- Bộ phát laser: thường dùng bước sóng từ 600 đến 1000nm vì chi phí rẻ, bù lại nó dễ làm hại cho mắt nên năng lượng sẽ bị giới hạn bởi các quy chuẩn. Bước sóng 1550nm thì an toàn cho mắt ở năng lượng cao nhưng bộ nhận tín hiệu không hiện đại bằng nên thường chỉ dùng cho tầm xa và độ chính xác thấp hơn:
- Máy quét: thành phần dùng để điều khiển cho tia laser quay xung quanh môi trường
- Một bộ thu tín hiệu laser phản xạ trở về
- Một thiết bị định vị, có thể là cảm biến GPS và cảm biến trọng lực để biết hướng và vị trí quét
LIDAR được đặt ở đâu?
Hệ thống LIDAR có nhiều kích thước khác nhau tùy theo mục đích mà người ta sử dụng. Thông thường, LIDAR càng lớn thì độ chính xác càng cao, mà tiền cũng cao theo luôn và phải có một phương tiện đủ lớn để chở nó. Ví dụ, người ta gắn thiết bị LIDAR lên một chiếc máy bay chong chóng hay máy bay trực thăng, cho nó bay vòng vòng để vẽ lại bản đồ địa hình. Trong những tình huống cần độ chính xác thấp hơn, LIDAR có thể được gắn gọn lên nóc xe hơi tự hành.
Tuy nhiên, nhìn chung những thiết bị LIDAR không rẻ, tiền mua cũng như tiền vận hành, bảo dưỡng luôn là một vấn đề mà các cơ quan nghiên cứu phải nghĩ tới khi quyết định đưa LIDAR vào sử dụng. Trong một chuyến khảo sát năm 2013 của hai nhà khảo cổ, một lần dùng LIDAR có thể tiêu tốn đến 170.000$, số tiền không hề nhỏ tí nào. Để giảm chi phí, người ta nghĩ tới việc gắn LIDAR lên các máy bay không người lái, hoặc tìm cách chế tạo ra những thiết bị LIDAR rẻ hơn, nhỏ hơn và hiệu năng cao hơn để rút ngắn thời gian quét.
Ứng dụng của LIDAR
Bắn tốc độ xe
Khoan nói tới những ứng dụng khoa học cao siêu, hãy đề cập đến một ứng dụng rất thực tiễn của LIDAR: súng bắn tốc độ. Cây súng này sẽ phát ra tia laser, chùm sáng chạm vào tia bạn rồi quay trở về. Bằng cách đo khoảng cách và thời gian, súng sẽ nói cho cảnh sát biết bạn đang chạy với tốc độ bao nhiêu.
Trước khi súng LIDAR ra đời, cảnh sát thường xài súng radar. Súng radar sử dụng hiệu ứng doppler để đo tốc độ, mà hiệu ứng này lại phụ thuộc vào âm thanh và các loại sóng nên khó đo từng xe riêng lẻ, lại dễ bị các thiết bị dò sóng cảnh sát phát hiện.
Quảng cáo
Trong ngành khí tượng thủy văn, có hai loại LIDAR được sử dụng là Topographic và Bathymetric. LIDAR topographic sử dụng tia laser với bước sóng gần dải hồng ngoại để vẽ lại địa hình của mặt đến, trong khi LIDAR bathymetric sử dụng laser xanh lá có khả năng đâm xuyên qua nước để vẽ địa hình của đáy biển hay đo độ sâu của lòng sông. Nhờ những hệ thống LIDAR này mà các nhà khoa học có thể đo đạc chính xác môi trường tự nhiên và nhân tạo với độ chính xác cao, lưu dữ liệu đó vào các hệ thống thông tin địa lý, để phục vụ cho những chiến dịch giải cứu khẩn cấp và nhiều thứ khác.
Gần đây nhất, thành phố New York còn sử dụng LIDAR để xây dựng nên bản đồ ba chiều của khu vực Manhattan. Các nhà khoa học sẽ dùng bản đồ đó để quyết định nên triển khai phương án chống ngập như thế nào cho thành phố. Nếu không có LIDAR, họ phải sử dụng các kĩ thuật đo đạc bằng tay tốn rất nhiều thời gian với độ chính xác thấp, dẫn đến việc đưa ra giải pháp không chính xác và thậm chí còn khiến tình hình ngập trở nên tồi tệ hơn.
Khảo cổ học
Ứng dụng LIDAR vào ngành khảo cổ học chỉ mới bắt đầu được chú ý từ năm 2010 khi cặp vợ chồng khảo cổ Arlen/Diane Chase (đến từ Đại học Trung tâm Florida) sử dụng nó để nghiên cứu tàn tích của Caracol, một hành phố cổ của người Maya. Nhờ có LIDAR mà trong vòng 10 tiếng đồng hồ, ông bà Chase đã thu được nhiều dữ liệu địa hình hơn so với việc khám phá khu rừng trong vòng 3 thập kỉ. Từ năm 1983 đến năm 2000, các nhà khảo cỗ vẽ được bản đồ của khoảng 2 nghìn hecta đất. Trong khi đó, với sự giúp đỡ của LIDAR, Chase đã vẽ xong bản đồ của 20 nghìn hecta.
Quảng cáo
Thế nhưng LIDAR không chỉ có tiềm năng phát hiện ra những tòa nhà cỡ lớn. Nó còn có thể cung cấp manh mối về quy hoạch của cả một đô thị bằng cách khám phá những khu chợ, đấu trường, quảng trường cũng như những không gian mở khác. Trong một bài viết hồi năm 2011 cho tờ Journal of Archaeological Sciences, Chase và cộng sự của mình dự đoán rằng LIDAR sẽ thay thế cho phương pháp vẽ bản đồ khảo cổ truyền thống.
Một hạn chế của LIDAR trong ngành này đó là lượng dữ liệu mà cảm biến thu về quá nhiều, các nhà khảo cổ không biết làm sao để xử lý nó một cách tốt nhất để đưa ra kết quả phân tích. Trong trường hợp của Chase, ông đã nhờ người con trai học khoa học máy tính tạo ra thuật toán để phân tích dòng nước.
Robot, tự động hóa
LIDAR được gắn lên các con robot và hệ thống tự động để giúp chúng nhận biết môi trường xung quanh đang có gì, trên đường đi của chúng có ai hay không, có vật cản gì hay không. Những chiếc xe tự hành mà Google đang cho thử nghiệm cũng gắn LIDAR lên nóc xe. Đại học MIT và Cơ quan nghiên cứu thuộc Bộ quốc phòng Mỹ thì đang tìm cách thu gọn hệ thống LIDAR để nó nhỏ bằng hạt gạo, chi phí sản xuất cũng rẻ hơn để giúp việc tích hợp lên robot được tiện hơn.
Không gian
Như đã nói ở trên, NASA từng dùng LIDAR để vẽ lại bản đồ của bề mặt mặt trăng trong sứ mệnh Apollo 15. Cơ quan này cũng gắn thiết bị LIDAR lên nhiều vệ tinh để quét bề mặt của các thiên thạch và hành tinh phục vụ cho việc nghiên cứu vũ trụ.
Một số ứng dụng khác nữa của LIDAR bao gồm nông nghiệp, bảo tồn động thực vật, địa chất, khoáng sản, tối ưu hóa các trại năng lượng gió, vật lý học...
LIDAR trên iPad Pro 2020 để làm gì?
LIDAR trên iPad Pro tất nhiên là một phiên bản thu nhỏ, không phải loại full size. Nó có thể đo khoảng cách từ tối đa 5 mét, hoạt động được cả trong nhà lẫn ngoài trời. Apple nói là nó "hoạt động ở mức độ photon, tốc độ chỉ trong nano giây".
Về ứng dụng thực tế, LIDAR trên iPad giúp scan được căn phòng hay không gian xung quanh bạn, sau đó dùng chức năng AR để đặt ghế ảo lên (với các ứng dụng nội thất), đặt các phi thuyền lên cho bạn bắn (app game), hoặc phủ các lớp thông tin ảo lên động cơ thật (với ứng dụng công nghiệp)...
Với người dùng chúng ta thì mình chưa thấy LIDAR có nhiều tác dụng vì các app AR vẫn chưa nhiều và cũng chưa có cái nào thuộc dạng hữu ích để dùng mỗi ngày, trừ game. Để xem sau này có thêm nhiều app tận dụng được cảm biến LIDAR trên iPad không.
Tóm lại, LIDAR là một công nghệ rất hay, ứng dụng cực kì rộng và hữu ích cho hiểu biết và đời sống của con người. LIDAR sẽ còn tiếp tục phát triển với độ chính xác cao hơn, khoảng cách xa hơn và tiền rẻ hơn với nhiều nghiên cứu đang được các viện và trường đại học tiến hành. Hi vọng chúng ta sẽ còn thấy LIDAR nhiều hơn nữa và giúp ích được nhiều hơn nữa trong cuộc sống hằng ngày.
