(English below)
Lukas Fraser, Giám đốc Chương trình Hệ thống Không người lái tại NV5, nói về sự nổi lên của LiDAR dựa trên máy bay không người lái. Ông giải thích các trường hợp sử dụng tốt nhất, độ chính xác của dữ liệu được đảm bảo như thế nào khi chụp LiDAR dựa trên máy bay không người lái, tại sao LiDAR và hình ảnh có độ phân giải cao là công nghệ bổ sung và cơ hội thị trường mới cho phép đo sâu LiDAR topo.

Công nghệ LiDAR và LiDAR dựa trên bản đồ địa hình
LiDAR là viết tắt của phát hiện và phạm vi ánh sáng và là một phương pháp viễn thám ngày càng được sử dụng nhiều hơn kết hợp với máy bay không người lái. LiDAR từ máy bay không người lái sử dụng máy quét trong khi bay, bắn ra các xung ánh sáng, đi xuống mặt đất, xuyên qua thảm thực vật, xuống mặt đất và quay trở lại máy quét.

Sử dụng tốc độ ánh sáng, đo thời gian di chuyển hai chiều từ chùm ánh sáng từ máy quét, người ta có thể đo khoảng cách đến bề mặt trái đất và xây dựng một đám mây điểm 3D. Dựa trên cường độ của tín hiệu trả về, bạn có thể cho biết loại bề mặt mà tín hiệu trả về đến từ loại bề mặt nào: điều này gần tương ứng với những gì người ta sẽ thấy trong ảnh, để có thể phân biệt các đối tượng ngoài đời thực trong dữ liệu LiDAR.
Thu thập dữ liệu LiDAR của một khu vực để lập bản đồ địa hình cho kết quả 200-300 điểm trên một mét vuông. Nhưng vì nhiều phần mềm không gian địa lý không thể quản lý nhiều điểm, nên có những quy trình để thu nhỏ dữ liệu đó để khách hàng có thể tương tác với nó, Fraser giải thích: “Đầu tiên, toàn bộ tập dữ liệu được phân loại theo cách tự động, sau đó các thuật toán khác nhau có thể được áp dụng để cô lập một điểm trên mỗi mét vuông nhằm giảm số lượng dữ liệu, chẳng hạn như bằng cách làm mịn dữ liệu dựa trên sự khác biệt về độ cao ”.

Đảm bảo độ chính xác của dữ liệu
Fraser cho biết độ chính xác của dữ liệu có thể được chia thành độ chính xác tuyệt đối, độ chính xác tương đối và mật độ.

Độ chính xác tuyệt đối
LiDAR sử dụng tham chiếu địa lý trực tiếp thông qua GNSS và Đơn vị đo lường quán tính (IMU), trái ngược với phép đo quang trong đó nhiều điểm kiểm soát được sử dụng để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu. GNSS được sử dụng để tính toán ba bậc tự do và cùng với kinh độ, vĩ độ và độ cao, IMU (đơn vị đo lường quán tính) sẽ tính toán vai trò, cao độ và góc nghiêng của cảm biến.
Trong khi về mặt lý thuyết, LiDAR dựa trên máy bay không người lái chỉ cần một điểm kiểm soát mặt đất duy nhất vì tất cả các điểm đều nằm ngoài tọa độ của trạm gốc, điều này không đảm bảo độ chính xác tuyệt đối. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khảo sát mặt đất sử dụng các bức ảnh chụp truthing (hoặc các bức ảnh kiểm tra) trên các bề mặt cứng, không có mục tiêu, độc lập với các điểm kiểm soát. Nói chung, độ lệch của tất cả các ảnh kiểm tra đến độ cao của dữ liệu được lấy và sử dụng để tính toán độ chính xác.

Độ chính xác tương đối
Thuật ngữ này đề cập đến các hệ thống UAV có IMU cấp thấp hơn, nơi có thể khó liên kết dữ liệu với nhau nếu nó không được hiệu chỉnh đúng cách và gặp phải hiện tượng trôi dạt IMU. “Chúng tôi lấy từng đường bay và so sánh với các đường bay trực tiếp bên cạnh nó, vì vậy chúng tôi có sự khác biệt giữa mọi đường bay lidar và sau đó chúng tôi tạo ra một bảng xếp hạng với tất cả những khác biệt đó để chúng tôi có thể nhìn thấy chúng và sau đó xây dựng một số thống kê Fraser giải thích.

Tỉ trọng
Mật độ điểm đề cập đến các phép đo trên một khu vực mà tại đó bề mặt trái đất được lấy mẫu.

Tại sao thu thập LiDAR từ máy bay không người lái?
Theo Fraser, lý do chính để thu thập lidar từ máy bay không người lái là thời gian, tiền bạc, sự an toàn và mức độ chi tiết được yêu cầu. Trong nhiều tình huống, việc thu thập LiDAR từ máy bay không người lái sẽ rẻ hơn so với việc huy động máy bay hoặc trực thăng và đưa chúng đến vị trí để thu thập dữ liệu.
“Một chiếc máy bay không người lái có thể được điều khiển bằng ô tô đến địa điểm, điều này hiệu quả hơn so với việc sử dụng máy bay hoặc trực thăng. Về mức độ chi tiết, máy bay không người lái cho phép ghi lại các đặc điểm mà bạn không thể nhìn thấy do máy bay và máy bay trực thăng đang bay quá cao. Ngoài ra, máy bay không người lái an toàn hơn rất nhiều so với việc có ai đó trên mặt đất thu thập dữ liệu trên một con phố đông đúc ở giữa đường. Vào cuối ngày, các phương pháp truyền thống để thu thập dữ liệu trên mặt đất chậm hơn so với sử dụng máy bay không người lái nếu bạn đang bao phủ một khu vực rộng lớn ”, Fraser nói.

Công nghệ lidar của máy bay không người lái đã xuất hiện trong 10 năm qua và thực sự bùng nổ trong 5 hoặc 6 năm trở lại đây. Về giá cả, Fraser lưu ý rằng một phạm vi lớn trên thị trường hiện tại. “Bắt đầu với 20.000 đô la và 30.000 đô la, bạn sẽ nhận được một máy quét laser, IMU, hệ thống GNSS và chính máy bay không người lái. Hệ thống cao cấp lên đến vài trăm nghìn đô la. Fraser cho biết: Để có thể thực hiện LiDAR từ máy bay không người lái, bạn cần một hệ thống mô-đun với các thành phần khác nhau, mặc dù chúng đi kèm với các thành phần riêng ”.

“Mặc dù hầu hết các máy bay không người lái đều có hệ thống GNSS và IMU trên chúng để điều hướng nội bộ, nhưng chúng không đủ tốt để tham chiếu địa lý cho lidar của chúng tôi. NV5 có một máy quét Riegl được sử dụng với Applanix IMU. Chúng làm việc cùng nhau và có sự tích hợp thực sự tốt, nhưng đó là một IMU cấp cao nhận được 200 phép đo mỗi giây để có thể chọn ra các chuyển động tốt của máy quét lidar.

-------------

EVERYTHING YOU NEED TO KNOW ABOUT LIDAR FROM DRONES - P1
Lukas Fraser, Program Manager for Unmanned Systems at NV5, talks about the rise of drone-based LiDAR. He explains best use cases, how data accuracy is guaranteed when capturing drone-based LiDAR, why LiDAR and high-resolution imagery are complementary technologies and new market opportunities for topo bathymetric LiDAR.

LiDAR Technology and Topographic Mapping-based LiDAR
LiDAR stands for light detection and ranging and is a remote sensing method that is more and more being used in combination with drones. LiDAR from drones uses scanners while flying, shooting out pulses of light, travelling to the ground, penetrating through vegetation, getting down to the ground and returning to the scanner.

Using the speed of light, measuring the two-way travel time from the beam of light from the scanner, one can measure the distance to the surface of the earth and build a 3D point cloud. Based on the intensity of the return signal, you can tell which surface type the return came from: this does roughly correspond with what one would see in a picture, so that it’s possible to distinguish real-life objects in LiDAR data.
Collecting LiDAR data of an area for topographic mapping results in 200-300 points per square meter. But because a lot of geospatial software is not able to manage with so many points, there are processes to thin that data down so that clients can interact with it, explains Fraser: “First, the entire data set is classified in an automated way, after which different algorithms can be applied to isolate one point every square meter to reduce the data quantity, for example by smoothing the data based on elevation differences.”

Guaranteeing Data Accuracy 
Data accuracy can be broken down into absolute accuracy, relative accuracy, and density, says Fraser. 

Absolute Accuracy
LiDAR utilizes direct georeferencing through a GNSS and Inertial Measurement Unit (IMU), as opposed to photogrammetry where multiple control points are used to guarantee data accuracy. The GNSS is used to calculate the three degrees of freedom, and along with the longitude, latitude, and altitude, an IMU (inertial measurement unit) calculates the role, pitch, and yaw of the sensor.
While drone-based LiDAR theoretically only needs a single ground control point as all points are positioned off the coordinates of the base station, this does not guarantee absolute accuracy. To solve this problem, ground surveyors use truthing shots (or check shots) on hard, unvegetated surfaces that are independent from the control points. Generally, the offset of all check shots to the elevation of data is taken and used for an accuracy calculation.

Relative Accuracy
This term refers to UAV systems with a lower grade IMU where it can be difficult to tie the data together if it’s not calibrated properly and experiencing IMU drift. “We take every flight line and compare it to the flight lines directly beside it, so we have a difference between every lidar flight line, and then we generate a raster with all of those differences so we can see them and then build some statistics off of that”, explains Fraser.

Density
Point density refers to the measurements per area at which the surface of the earth is sampled. 

Why collect LiDAR from drones? 
According to Fraser, the main reasons for collecting lidar from drones are time, money, safety, and the level of detail that is required. In a lot of situations, collecting LiDAR from drones is cheaper than mobilizing a plane or helicopter and get those to the location to collect the data.
“A drone can be driven by car to the location, which is more efficient than using a plane or helicopter. With regards to the level of detail, drones enable to capture features that you can’t see because planes and helicopters are flying too high. Also, drones are a lot safer than having someone on the ground collecting data in a busy street in the middle of the road. At the end of the day, traditional methods for collecting data on the ground are slower than using drones if you’re covering a large area”, says Fraser. 

Drone lidar technology has been around for the last ten years and really exploded in the last five or six years. Regarding price, Fraser notes a big range in the current market. “Starting with $20,000 and $30,000, you will get a laser scanner, IMU, GNSS system and the drone itself. High-end systems go up to a couple of hundred thousand dollars. To be able to do LiDAR from drones, you need a modular system with different components, even though they come with their own components”, says Fraser.

“While most drones have GNSS systems and IMUs on them for their internal navigation, those aren’t good enough to georeferenced our lidar. NV5 has a Riegl scanner that is used with an Applanix IMU. They work together and have a really good integration, but it’s a high-grade IMU that’s getting 200 measurements per second to be able to pick u pall of the fine movements of the lidar scanner.

Geolink tổng hợp từ GISLOUNGE