2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất
2.1.1. Nguyên lý chung
Hệ thống quét laser mặt đất bao gồm thiết bị quét và thiết bị máy tính chuyên ngành xử lý tốc độ cao được cài đặt phần mềm chuyên dụng [62]. Hệ thống thiết bị quét laser cấu tạo gồm khối thiết bị đo dài laser thích ứng làm việc với tần số cao và khối đầu quay thiết bị quét laser mặt đất (Hình 2.1).
1 – đo dài laser;
2 – tuyến nhận và truyền đo dài;
3 – gương quét (lăng kính); 4 – đầu quét của máy quét; 5 – dây dẫn máy quét laser với máy tính;
6 – máy tinh xách tay cùng phần mềm chuyên dụng; 7 – bộ lưu dữ liệu.
Hình 2.1. Thành phần và sơ đồ nguyên lý của hệ thống quét laser mặt đất [62]
Nguyên lý hoạt động của thiết bị quét laser mặt đất là thu nhận được tọa độ tự
34
động trên cơ sở đo khoảng cách và các góc đo hướng từ trạm quét đến đối tượng. Sự khác biệt cơ bản với quét laser hàng không bởi cấu tạo máy quét và trong quá trình hoạt động thiết bị quét laser mặt đất ở trạng thái tĩnh.
Hình 2.2. Chức năng, thành phần cấu tạo chính thiết bị quét laser mặt đất [62]1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn – 1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn – thu tín hiệu đo dài; 4 - kênh truyền dữ liệu vào máy tính; 5 - máy tính chun dụng.
Trong đó:
Điểm mi - điểm phản xạ của bức xạ laser; giá trị đo góc đứng Ɵi; giá trị đo góc ngang i ; Ri – khoảng cách đo từ điểm trạm quét tới đối tượng điểm quét.
Chức năng của những thành phần chính cấu tạo của hệ thống quét laser mặt đất là:
Khối đo dài với chức năng đo khoảng cách từ trạm quét đến đối tượng nằm trên đường dẫn thu và truyền tải tín hiệu đo dài. Nguồn bức xạ được sử dụng là laser bán dẫn. Khoảng cách được xác định bằng khoảng thời gian truyền và thu tín hiệu (phương pháp đo xung) hoặc theo sự dịch chuyển pha (phương pháp đo pha) của tín hiệu phản xạ;
Khối thiết bị quang - cơ laser với chức năng làm trùng đường truyền và thu tín hiệu đo dài, định vị ghi các góc hướng bức xạ bằng hệ thống quang cơ bởi lăng kính gương và đường dẫn. Việc quay chiều đứng của khối đầu thiết bị quang-cơ laser nhờ trợ giúp lăng kính phẳng hoặc lăng kính nhiều mặt, quay chiều ngang bằng cách xoay
khối quang cơ quanh trục đứng Z của thiết bị. Quá trình dịch chuyển đường truyền và đường thu tín hiệu đo dài thực hiện ở chế độ theo bước hoặc ở chế độ xoay liên tục.
Kênh truyền dữ liệu vào máy tính với những module phần mềm chuyên dụng để liên kết ngược lại với hệ thống quét laser.
Trong quá trình quét được định vị ghi hướng truyền tia laser và khoảng cách từ trạm quét tới đối tượng địa vật. Kết quả sau khi quét nhận được là hình ảnh raster với các giá trị pixel của vector gồm các thành phần: độ dài khoảng cách đo; cường độ tín hiệu phản xạ và đặc tính màu của điểm đo (màu đỏ, màu xanh lục, màu xanh lam). Giá trị tọa độ dòng và cột của mỗi pixel raster phản ánh giá trị đo góc đứng Ɵi
và góc ngang i. Tại mỗi điểm của mơ hình qt laser mặt đất đều mang tính chất màu thực nhờ gắn máy ảnh kỹ thuật số đồng bộ với thiết bị quét laser mặt đất.
Kết quả quét laser mặt đất còn được lưu ở dạng khác bằng mật độ đám mây điểm phản xạ laser của các đối tượng địa vật trong trường quan sát của thiết bị quét laser mặt đất với 5 đặc tính bao gồm: ba tọa độ khơng gian (X, Y, Z); cường độ tín hiệu và màu thực [5].
a) Ảnh cường độ b) Ảnh màu thực c) Đám mây điểm
Hình 2.3. Kết quả quét laser mặt đất [70]
Với kết quả đo dài khoảng cách và hướng tia quét chúng ta tính được tọa độ khơng gian của điểm địa vật trong hệ tọa độ thiết bị quét theo cơng thức sau [19,20,21], (Hình 2.4):
X = R cos sin
Y = R sin φ sin (2.1) Z = R cos
Ở đây: R - là khoảng cách đo từ điểm trạm thiết bị quét laser đến đối tượng
36 điểm địa vật quét;
φ – góc đo hướng ngang tia quét laser véc tơ R;
– góc đo hướng đứng tia quét laser, được tính theo trục Z đến hướng véc tơ R - (khoảng cách thiên đỉnh hướng tia quét laser).
Hình 2.4. Hệ tọa độ điểm trạm quét laser mặt đất [20]
Công thức (2.1) là công thức rút gọn để chuyển từ hệ tọa độ cực về hệ tọa độ khơng gian vng góc (Đề các).
Đối với từng thiết bị quét laser mặt đất cụ thể, cơng thức trên sẽ có dạng phù hợp để tính đến các yếu tố khơng trùng giữa nguồn phát bức xạ laser với đầu thu, độ lệch tâm giữa trục quay ngang và trục quay đứng xoay quanh thiết bị quét và các tham số khác theo kết quả kiểm định thiết bị quét laser mặt đất [19,20,21,33].
Từ những phân tích nguyên lý hoạt động của thiết bị quét laser mặt đất cho thấy: những đặc tính đo của các tia quét laser được xác định bằng độ chính xác làm việc của khối đo dài và khối quay của tia laser. Những nguyên lý đo dài và đo góc sẽ được trình bày chi tiết ở những mục sau.