Phần 2. Thu nhận ảnh(Image Acquisition)

Chương 8Lidar

Giới thiệu Lidar- viết tắt của “light detection and ranging” Lidar – tương tự như tạo ảnh radar – nhưng cả

hai loại sensor đều được thiết kế truyền dải tần số hẹp và sau đó nhận năng lượng tán xạ trở lại để tạo ảnh bề mặt trái đất.

Hai họ sensor được sử dụng đều là loại chủ động (active), có trang bị nguồn của chính nó, tức là nó độc lập với chiếu xạ của mặt trời.

Quan trọng hơn nữa là nó có thể so sánh các tính chất của năng lượng truyền đi và trở lại – ví dụ như định thời xung, bước sóng, góc.

Giới thiệu Do đó, việc đánh giá không chỉ dựa vào độ sáng

của năng lượng tán xạ trơ lại mà còn bao gồm vị trí góc, thay đổi tần số, thời gian xung trở lại.

Hiểu biết về các tính chất này của lidar, giống như dữ liệu thu thập được từ các cảm biến vi ba chủ động, tạo khả năng phân tích để trích xuất các thông tin mô tả cấu trúc của đất và đặc điểm thực vật không được truyền tải bởi các cảm biến quang thông thường.

Lidar dựa trên một ứng dụng của laze, có dạng coherent light, nghĩa là ánh sáng với dải rất hẹp của bước sóng hay ánh sáng màu tinh khiết.

Giới thiệu Laser – viết tắt của “light amplification by

stimulated emission of radiation” - là một thiết bị áp dụng một dòng điện mạnh với một vật liệu "lasable", thường là tinh thể hoặc chất khí, như hồng ngọc, CO2, helium-neon, argon, và các vật liệu hiếm khác.

Một yếu tố kích thích như điện hay ánh sáng kích thích vật liệu lasable, sau khi được kích thích, các nguyên tử, phân tử, hoặc ion phát ra ánh sáng khi chúng trở về trạng thái bình thường.

Giới thiệu Ánh sáng được phát ra như vậy là chùm tia kết

hợp (coherent beam). Mỗi loại vật liệu có khả năng tạo một loại laser

riêng với một đặc trưng về bước sóng của nó. Laser có đặc điểm tia cường độ mạnh, lại không

bị phân kỳ trên đường đi từ máy phát. Chụp ảnh laser tuy không dùng tia laser cường

độ mạnh nhưng tận dụng tính tập trung của nó để tạo ảnh có độ chi tiết cao.

Tia laser sử dụng với các mặt gương cho phép tích lũy nhiều xung để tăng cường độ.

Giới thiệu Laser được phát minh từ cuối những năm 1950. Ban đầu được sử dụng đáp ứng yêu cầu của

khoa học và trong các ứng dụng công nghiệp.

Giới thiệu

Lập hồ sơ sử dụng Laser (Profiling Laser) Ứng dụng đầu tiên của lidar trong lĩnh vực môi

trường là dùng lập hồ sơ khí quyển (atmospheric profiling): nguồn laser được đặt cố định và chiếu thẳng lên bầu khí quyển để đánh giá các hạt lơ lửng (aerosol).

Các hạt rắn lơ lửng trong không khí hướng một phần của chùm tia laser trở lại mặt đất, nơi mà nó được đo để chỉ ra sự phong phú của các hạt trong khí quyển.

Bởi vì laser có thể đo thời gian trễ của tán xạ ngược nên cho phép đánh giá độ sạch của khí quyển trên độ sâu vài km, cung cấp các dữ liệu liên quan đến các cao độ của các hạt.

Lập hồ sơ sử dụng Laser (Profiling Laser) Lần đầu tiên laser lắp trên máy bay được thiết kế

cho ứng dụng profiling laser. Laser được lắp dưới bụng máy bay, chiếu trực tiếp

xuống một khu dưới đất ở vị trí nadir. Máy bay chuyển động tiến lên phía trước thì vùng

được chiếu sáng bên dưới được nhìn theo một vệt phía dưới máy bay.

Xung lidar vọng lại liên tiếp cung cấp hồ sơ độ cao của một vùng hẹp ngay phía dưới máy bay.

Mặc dù khi đó lidar không cung cấp dạng ảnh như hiện nay nhưng cung cấp mật độ quan sát rất cao và được sử dụng như một công cụ điều tra địa hình, cấu trúc thực vật, thủy văn, nghiên cứu khí quyển.

Lập hồ sơ sử dụng Laser (Profiling Laser)

Tạo ảnh Lidar (Imaging Lidars) Chỉ mới gần đây lidar mới được xem là một thiết bị

viễn thám thu thập ảnh bề mặt trái đất. Cuối những năm 1980, một số công nghệ liên quan

ra đời và phát triển để có được hệ thống quét lidar chính xác như ta biết ngày nay.

Thiết bị đo quán tính (Inertial measurement units-IMUs) cho phép điều khiển chính xác và ghi lại hướng của máy bay (roll, pitch và yaw). GPS cho phép ghi lại chính xác vị trí địa lý của máy bay khi thu thập dữ liệu. Phát triển thành công đồng hồ chính xác để định thời xung lidar và tạo ra hệ thống quét hiệu năng cao.

Tạo ảnh Lidar (Imaging Lidars) Bộ quét Lidar truyền đến 300.000 xung mỗi giây tùy

thuộc vào thiết kế và ứng dụng cụ thể. Gương quét định hướng xung tiến – lùi quét qua

vùng bên dưới máy bay tạo thành vệt ảnh. Độ rộng vệt xác định bởi thiết kế thiết bị và điều kiện hoạt động của máy bay.

Phần lớn thiết bị ảnh lidar dùng các bước sóng trong vùng phổ ánh sáng nhìn thấy (ví dụ: 0,532µm, green, để xuyên qua nước) hay hồng ngoại gần (1,64 µm nhạy cảm với thực vật, có khả năng phát hiện vùng nước mở, không bị tán xạ trong khí quyển…)

Tạo ảnh Lidar (Imaging Lidars) Một thiết kế điển hình cho thiết bị ảnh lidar bao gồm:

1. hệ thống laser: tổ hợp các linh kiện điện tử tạo chùm tia sáng kết hợp (coherent light), các sợi quang để truyền dẫn tới (2.)

2. gương quay: thay vì quét di động Ánh sáng laser được định hướng tới 1 bó sợi

quang, các sợi được xoắn với nhau để ánh sáng được truyền như một chùm tuyến tính.

Gương quét chuyển động qua lại làm cho tia chùm laser quét đi quét lại theo hướng ngang tuyến của ảnh, ghi lại nhiều ngàn tia trở lại mỗi giây.

Bộ quét lidar còn phối hợp với GPS, IMU, định thời nên các xung được xác định với một điểm trên mặt đất.

Tạo ảnh Lidar (Imaging Lidars) Phần phản xạ của chùm tia laser tới cửa nhận lidar, nó

được nhận bởi một hệ thống các ống kính và định hướng bằng cáp quang đến một ống kính quét (5), sau đó được định hướng qua một hệ thống quang học để lọc ánh sáng trước khi nó được định hướng (6) tới một hệ thống thu để tiếp nhận và đưa tín hiệu đến các thiết bị điện tử.

Các thiết bị điện tử phối hợp thời gian của xung và cho phép kết hợp các tín hiệu với dữ liệu từ các hệ thống dẫn đường quán tính và GPS.

Các thành phần này cùng nhau cho phép hệ thống định vị chính xác mỗi tín hiệu quay trở lại ở vị trí địa lý của nó.

Tạo ảnh Lidar (Imaging Lidars) Thông thường, hai bó sợi thủy tinh được cấu hình để

nhìn mặt đất dọc theo một đường thẳng. Cứ mỗi lần truyền các xung laser thì một bó giống hệt nhận được xung vọng lại.

Hệ thống hoạt động ở tốc độ cao tương ứng với mật độ cao của các xung được nhận từ mỗi mét vuông mặt đất.

Khả năng định thời của lidar cho phép đánh giá chính xác về khoảng cách và độ cao, cho phép hình thành một hình ảnh thể hiện chi tiết và chính xác về độ cao trong cảnh đó.

Ảnh Lidar (Lidars imagery) Hình ảnh Lidar được thu thập theo dải song song phù

hợp để tạo thành một hình ảnh liên tục của một vùng (Hình 8.5). Ảnh trong hình 8.5 cho thấy các dữ liệu lidar thô, với mỗi điểm ảnh đại diện cho độ cao của một điểm cụ thể trên mặt đất.

Các tông màu sáng thể hiện nơi có độ cao hơn, tông màu tối thể hiện độ cao thấp hơn.

Ảnh dưới được hình thành từ các dữ liệu tương tự nhưng được thể hiện bằng cách sử dụng kỹ thuật hill-shading với giả định rằng mỗi điểm ảnh được chiếu sáng từ góc trên bên trái của hình ảnh. Hiệu ứng này tạo ra kết cấu hình ảnh gợi nhớ đến một bức ảnh trên không, như vậy sẽ dễ dàng trong giải đoán thông thường.

Ảnh Lidar (Lidars imagery)

Ảnh Lidar (Lidars imagery) Hình 8.6 và 8.7 cho thấy phần phóng to của các phần

trong cùng 1 ảnh, được lựa chọn để hiển thị một số chất lượng khác biệt của hình ảnh lidar.

Hình 8.6 mô tả chính xác và chi tiết sự xen kẽ giữa các cấu trúc, rừng, đồng cỏ, và trồng trọt.

Hình 8.7 cho thấy khu vực gần đó. Có thể nhìn thấy một mỏ đá sâu ở trung tâm, đất mở và rừng lại được nhìn thấy một lần nữa. Các dải song song có thể nhìn thấy ở gần phía trên bên phải của hình ảnh này mô tả sự phát triển của cánh đồng ngô - một dấu hiệu của các chi tiết được ghi lại bằng những hình ảnh này.

Các kiểu tạo ảnh Lidar Thiết bị lidar có nhiều thiết kế khác nhau. Phần lớn các loại được sử dụng như thiết bị đo độ cao

(altimeter) nghĩa là phát các xung laser kết hợp với định thời chính xác. Thời gian trễ giữa phát và thu được dùng để đo khoảng cách.

Cứ mỗi xung được phát thì sẽ có dạng sóng tương ứng trở lại với một năng lượng theo từng đơn vị thời gian.

Một số cảm biến lidar số hóa toàn bộ dạng sóng thành dạng rời rạc và được gọi là các lidar dạng sóng (waveform lidars).

Một dạng khác chỉ ghi thời gian và cường độ của 4 hay 5 sóng trở lại cho mỗi xung được phát đi thì được gọi là discrete return lidars.

Các kiểu tạo ảnh Lidar Nghĩa của discrete return là dạng sóng trở lại được lựa

chọn phụ thuộc vào cảm biến nhưng đặt mức ngưỡng cường độ là như nhau.

Lưu ý rằng độ dài xung được phát và thời gian đáp ứng của bộ dò, cùng với các ràng buộc kỹ thuật khác quy định thời gian tối thiểu giữa các xung trở về liên tiếp.

Độ phân giải của các hệ thống lidar cũng khác biệt nhiều.

Hiện nay, các hệ thống chụp vùng rộng (large-footprint) thường dùng waveform lidar, trong khi đó các hệ thống chụp vùng nhỏ (small-footprint) dùng discrete return lidar.

Xử lý ảnh Lidar Các tổ chức thu thập ảnh lidar thường sử dụng các hệ

thống xử lý chuyên biệt tại trụ sở để thực hiện một dự án lidar với mục đích nhất định.

Các hệ thống xử lý ảnh lidar thường phải đủ mạnh để xử lý một khối lượng rất lớn dữ liệu của mỗi nhiệm vụ lidar. Tùy từng nhiệm vụ, một số thiết bị đặc biệt được sử dụng và các công việc xử lý phải thay đổi cho phù hợp với nhiệm vụ đó.

Các thao tác xử lý ảnh lidar như lọc, phát hiện bất thường, xác nhận yêu cầu thông tin tham chiếu từ mô hình bản đồ độ cao số, ảnh vệ tinh hay ảnh hàng không.

Các nhiệm vụ lidar thường hoàn thành với việc sử dụng các ảnh phụ trợ phù hợp với dữ liệu lidar.

Xử lý ảnh Lidar Một dự án lidar thường yêu cầu các sản phẩm như sau:

1. Mô hình độ cao bề mặt (SEM- surface elevation model) biểu diễn bề mặt nhận xen đầu tiên của xung lidar;

2. Mô hình độ cao số bare-earth (DEM) biểu diễn bề mặt đất sau khi loại bỏ đi lớp thực vật hay các cấu trúc;

3. lớp tán cây biểu diễn độ cao của các tán cây phía trên bề mặt đất.

Một số dữ liệu lidar có thể được xử lý thêm để xác định, cách ly và trích xuất các đặc điểm của lớp phủ cấu trúc hay thực vật hay có thể kết hợp với các dữ liệu viễn thám khác như ảnh hàng không CIR.

Xử lý ảnh Lidar Một hệ thống lidar có thể tạo các mảng giống ảnh biểu

diễn sự thay đổi của độ cao trong vùng quan sát của nó bởi: Thiết bị có thể ghi lại chính xác góc của từng xung

riêng biệt; Biết chính xác độ cao của máy bay với hệ thống định

vị quán tính; Biết vị trí của máy bay nhờ vào thiết bị GPS.

Tùy thuộc vào thiết kế của hệ thống lidar, vị trí của các xung trở lại có thể bị trống bất thường so với xung gốc, goi là dạng không xử lý. Các vị trí bất thường này sau đó sẽ được nội suy để tạo ra dạng ô bình thường biểu diễn mặt đất.

Xử lý ảnh Lidar

Xử lý ảnh Lidar Mỗi xung trở lại từ mặt đất có thể được định vị chính xác

trong không gian xyz để được một mảng trong đó ghi lại cả vị trí và độ cao.

Với lidar vùng chụp nhỏ (small-footprint), độ chính xác theo phương ngang có thể đạt được đến 20-30cm, độ chính xác khoảng cách theo phương đứng cỡ 20-30cm. Mảng hay ảnh có dạng DEM chi tiết.

Nếu có thêm thông tin hỗ trợ mặt đất (ví dụ: biết một vị trí GPS chính xác trong vùng chụp ảnh) thì dữ liệu lidar có thể cung cấp thông tin chính xác về vị trí tương đương ảnh hàng không chụp với mục đích đo đạc (photogrammetry).

Xử lý ảnh Lidar Lidar có thể ghi lại các xung trở lại khác nhau từ mặt đất. Các xung trở lại sơ cấp (primary returns), phát ra từ các

đối tượng tương tác với xung lidar như mặt trên của tán lá thực vật.

Phần của xung đi xuyên qua lá cây đi xuống bên dưới tương tác với lá và cành cây, lá cây tầng thấp và mặt đất. Năng lượng này vọng trở lại gọi là xung trở lại thứ cấp (secondary returns).

Có một số bề mặt phức tạp như rừng nhiều tầng lá, xung trở lại có thể phản xạ từ các tầng lá trên hay giữa, và các phần khác phản xạ từ mặt đất.

Xử lý ảnh Lidar

Xử lý ảnh Lidar Việc thu thập tất cả các xung lidar trở lại của một vùng

nào đó có thể được xem xét để phân biệt xung nào được phát từ tầng cao trên một mức nào đó hoặc từ tầng thấp dưới mức đó.

Các này có thể dùng để phân biệt các xung trở lại từ mặt đất và các xung trở lại không từ mặt đất, và như vậy có thể phân tích và tách riêng mặt đất và lớp thực vật phủ phía trên.

Lidar là một trong số rất ít loại cảm biến có thể tạo ảnh nhiều lớp một cách tin cậy.

Xử lý ảnh Lidar Dữ liệu lidar có thể không thể hiện chính xác đường bờ

biển, dòng kênh, và chóp đỉnh núi. Contours có được từ dữ liệu lidar có thể không phải là các bề mặt phù hợp thủy văn so với bản đồ contour thông thường.

Thông thường dữ liệu được xử lý và tổ chức thành các đơn vị tương ứng với đường bay. Những đơn vị dữ liệu như vậy hay được chuẩn bị tương ứng với ô vuông của bản đồ địa hình của USGS để thuận lợi cho lưu trữ và thao tác, đặc biệt là trong trường hợp dữ liệu lidar được sử dụng trong hệ tọa độ của dữ liệu khác.

Ngược lại, người phân tích, khi sử dụng dữ liệu lidar để lập mô hình lại thường tổ chức dữ liệu theo đơn vị địa lý tương ứng với nền thoát nước hay các cạnh của các chóp đỉnh núi.

Xử lý ảnh Lidar Với sự gia tăng của ảnh lidar, DEM dần được coi là mô

hình mặc đinh để xử lý dữ liệu lidar. Dữ liệu lidar có thể được nội suy để tạo một DEM, mô

hình này hiển thị tốt chi tiết và chính xác cao. Các phương pháp đo đạc bằng hình ảnh tường gặp phải khó khăn trong biểu diễn khu vực địa hình bao phủ bởi rừng rậm và có mặt đất phức tạp như gần sông suối hay dòng chảy thoát nước.

Cho dù dữ liệu lidar trong nhiều trường hợp có thể là nguồn dữ liệu siêu việt về độ cao thì lại có nhiều ứng dụng yêu cầu loại bỏ đi các tòa nhà và các cấu trúc từ dữ liệu và cần xem xét cẩn thận các thủ tục nội suy.

Kết luận Dữ liệu lidar cho phép tách riêng thảm thực vật khỏi mặt

đất một cách tin cậy- đây là khả năng độc đáo so với các cảm biến khác.

Lidar thể hiện chính xác và chi tiết mặt đất. Là loại cảm biến chủ động nên không bị ảnh hưởng bởi

sự thay đổi của thời tiết dẫn đến chủ động và linh hoạt hơn trong việc lập kế hoạch bay.

Lidar cung cấp dữ liệu không gian chi tiết và chính xác cao. Lidar cung cấp trực tiếp dữ liệu đo độ cao.

Các ứng dụng điển hình của lidar gồm: quy hoạch đô thị (mật độ nhà, cấu trúc đô thị, footprint của nhà cao tầng), quy hoạch đường cao tốc, quy hoạch tuyến ống, thiết kế hệ thống thông tin không dây, …