Ứng dụng LiDAR trong khảo sát, số hóa và dựng mô hình 3d các công trình kiến trúc

LiDAR (Light Detection and Ranging) là phương pháp đo sử dụng nguyên lí đo cự li bằng tia laser để thu nhận từ xa hình 3D của đối tượng đo.

Từ thiết bị LiDAR, một chùm xung laser hồng ngoại phát tới đối tượng được khảo sát, xung phản xạ trở lại từ bề mặt đối tượng sẽ được thu nhận bởi cảm biến của LiDAR và được xử lí. Khoảng cách từ cảm biến của LiDAR tới các điểm đo trên bề mặt vật đo tính bằng biểu thức:

d = t.C/2

(trong đó: d-khoảng cách, C- vận tốc ánh sáng, t- thời gian lan truyền của chùm laser từ lúc phát xung đến lúc nhận xung phản xạ trở lại)

Tọa độ của một điểm đo bao gồm: tọa độ góc và khoảng cách điểm đo - gốc tọa độ. Bề mặt của vật đo là tập hợp của nhiều điểm đo, được hình dung và biểu diễn như là tập hợp đám mây điểm.

Hệ thống LiDAR thường được gắn kèm với các thiết bị định vị (GPS) và một máy ảnh số, tốc độ quét có thể từ hàng trăm ngàn tới hàng triệu điểm dữ liệu với độ chính xác rất cao, cho phép quét và dựng lại hiện trạng 3 chiều với tỉ lệ 1:1 của một công trình trong khoảng thời gian ngắn hơn rất nhiều lần so với phương thức đo đạc và thu thập dữ liệu theo cách làm truyền thống.

Hình 1. Máy quét laser 3D có thể quét được các tòa nhà, khu vực rộng lớn

Ưu điểm của quét laser 3D

- Thu thập dữ liệu chính xác, nhanh chóng: Máy quét laser cho phép ghi lại hàng triệu điểm trong vài phút, giúp giảm thời gian và nguồn nhân lực cần thiết để hoàn thành các cuộc khảo sát.

- Ghi lại chính xác hiện trạng hình thái bề mặt các khu vực không thể tiếp cận và tiềm ẩn nguy cơ.

- Tính trực quan: Công nghệ quét laser 3D cung cấp cho người sử dụng những dữ liệu, hình ảnh trọn vẹn trong không gian ba chiều. Cho phép những nhà thiết kế có thể thao tác, làm việc trực tiếp như đang làm trong các điều kiện của thế giới thực tiễn.

Với những ưu điểm kể trên, máy quét laser 3D ngày nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: xây dựng, kiến trúc, khảo cổ, môi trường, …

Trung tâm Quang điện tử nghiên cứu ứng dụng LiDAR trong khảo sát xây dựng mô hình 3D công trình

Trung tâm Quang điện tử được đầu tư một thiết bị LiDAR hiện đại Leica- ScanStation P50. Thiết bị cung cấp dữ liệu 3D và hình ảnh HDR chất lượng cao nhất với tốc độ quét cực nhanh tới 1 triệu điểm mỗi giây ở phạm vi đến 1 km. Phạm vi vượt trội và độ chính xác góc kết hợp với độ nhiễu thấp và bù trục kép cấp khảo sát tạo thành nền tảng cho các đám mây điểm màu 3D có độ chi tiết cao được ánh xạ rõ nét.

Độ chính xác hệ thống cho 1 phép đo:

Độ chính xác: 1.2 mm + 10ppm cho chế độ đo 120 m/270 m; và 3 mm +10ppm cho chế độ 570 m / 1000 m;

Độ chính xác góc: 8’’ theo chiều ngang và dọc

Chúng tôi đã làm chủ thiết bị và công nghệ xử lí dữ liệu cho những công trình xây dựng lớn, ví dụ như tòa nhà Quốc hội (kích thước 102m x 102m x 35m) hoặc trụ sở cơ quan ở khu vực Thanh Xuân Bắc.

Các dữ liệu thu được từ LiDAR đã được xử lý bằng các phần mềm chuyên biệt, từ đó có thể xây dựng mô hình 3D hoàn thiện, hoặc xuất ra các file 3D tiêu chuẩn: Solidworks, STL, AutoCAD, STEP, IGES, XYZ, ReCap ...

Hình 2. Dữ liệu và mô hình 3D Tòa nhà Quốc hội. (a) Dữ liệu đám mây điểm. (b) Dữ liệu hình ảnh. (c) và (d) Mô hình 3D xây dựng từ dữ liệu thu được

Hình 3. Dữ liệu và mô hình 3D tòa nhà Viện Ứng dụng công nghệ. (a) Dữ liệu đám mây điểm. (b) và (c) Mô hình 3D xây dựng từ dữ liệu thu được

Với những kết quả thử nghiệm rất khả quan, Trung tâm Quang điện tử mong muốn mở ra nhiều cơ hội hợp tác giữa đơn vị với các tổ chức và cá nhân tại Việt Nam về hướng nghiên cứu, ứng dụng này.

Nguồn: Viện Ứng dụng Công nghệ