[Video] LIDAR: dùng laser để bắn tốc độ, vẽ bản đồ, gắn lên xe tự hành...

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.

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

Hãy nhìn vào hình bên dưới, bạn thấy là khi tia laser đi từ bộ phát ra, nó sẽ đụng vào máy quét. Ở đây người ta dùng một cái gương xoay để dẫn đường cho tia laser đi vòng vòng. Khi tia laser đụng vào vách tường, nó sẽ phản xạ trở lại và được bộ thu tín hiệu ghi nhận, từ đó tính ra khoảng cách từ bộ phát đến tường. Tương tự, khi có vật cản nằm giữa phòng, tia laser sẽ đến và phản xạ trở lại trong thời gian ngắn hơn, tức là khoảng cách tới bộ phát ngắn hơn. Do tia laser quay liên tục nên hình ảnh của cả căn phòng có thể được tổng hợp lại. Sau này người ta còn phát triển thêm giải pháp chụp cả tấm hình để định vị nữa chứ không còn phải quét vòng vòng như cái bạn thấy ở đây.


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.



Khí tượng, thủy văn, địa lý

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.

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...



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.