1. Tổng quan về Scan 3D
1.1 Khái niệm về Scan 3D
Scan 3D là một quá trình xác định hình dạng của bề mặt vật thể hoặc thể tích của nó trong không gian ba chiều nhờ sử dụng phương pháp tam giác. Thông qua việc thu thập thông tin của vật thể trong thế giới thực bằng thiết bị Scan 3D sẽ cho phép thực hiện đo 3D và hiển thị 3D. Các kết quả chính xác thu được từ Scan 3D rất hữu ích cho việc kiểm tra vật liệu và kiểm soát chất lượng. Nếu công nghệ Scan 3D có khả năng thu thập nhiều dữ liệu 3D từ đối tượng được Scan, thì nó có khả năng tạo mô hình kỹ thuật số 3D với mức độ chính xác, độ phân giải cao của đối tượng đó trong thế giới thực và được gọi là trực quan 3D.
1.2 Khái niệm máy Scan 3D
Máy Scan 3D là một thiết bị để tạo các mô hình 3D kỹ thuật số chính xác, độ phân giải cao từ các đối tượng trong thế giới thực. Máy Scan được chế tạo xung quanh tầm nhìn âm thanh nổi (thông thường là hai hình ảnh kỹ thuật số) và chiếu ánh sáng có cấu trúc để tạo 3D. Máy Scan được điều khiển bởi phần mềm Scan 3D chạy trên máy tính. Một máy Scan 3D cũng có khả năng chụp bản đồ màu của một vật thể. Bằng cách hợp nhất bản đồ màu vào mô hình 3D, mô hình kỹ thuật số 3D màu được tạo ra.
2. Các công nghệ Scan 3D phổ biến
2.1 Công nghệ Scan laser trên không
Công nghệ Scan laser từ máy bay (Airborne Laser Scanning) hay còn gọi là Lidar (Light Detection and Ranging) là công nghệ mới được áp dụng tại Việt Nam, cho phép đo đạc độ cao chi tiết địa hình một cách nhanh chóng và chính xác.
Hệ thống Lidar bao gồm bộ đầu Scan (bộ cảm biến), hệ thống đo quán tính (IMU), hệ thống GPS, hệ thống quản lý bay, hệ thống camera số và hệ thống các thiết bị lưu trữ dữ liệu. Bộ máy Scan laser (bộ cảm biến): gồm hai bộ phận được gắn vào bên dưới máy bay: một bộ phận có vai trò phát xung laser hẹp đến bề mặt trái đất trong khi máy bay di chuyển với tốc độ nhất định. Một máy thu gắn trên máy bay sẽ thu nhận phản hồi của những xung này khi chúng đập vào bề mặt trái đất và quay trở lại thiết bị thu trên máy bay. Hầu hết các hệ thống Lidar đều sử dụng một gương Scan để tạo ra một dải xung. Sóng Laser nằm trong dải sóng cận hồng ngoại để phục vụ công tác đo đạc địa hình, bề mặt trên mặt đất, còn với laser dải sóng xanh lá cây phục vụ công tác đo sâu dưới mặt nước. Độ rộng của dải Scan phụ thuộc vào góc dao động của gương, và mật độ điểm mặt đất phu thuộc vào các yếu tố như tốc độ máy bay và tốc độ dao động gương. Tốc độ dao động được xác định bằng cách tính toán tổng thời gian tia laser rời máy bay, đi đến mặt đất và trở lại bộ cảm biến. Hệ thống xác định quán tính IMU: Các giá trị góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang, hướng bay Scan của hệ thống Lidar được xác định chính xác bằng thiết bị đạo hàng, góc quay gương tức thời và các khoảng cách thu nhận và dữ liệu GPS được dùng để tính toán tọa độ ba chiều của các điểm Lidar. Hệ thống GPS: Dữ liệu Lidar được kết hợp với các thông tin vị trí chính xác thu nhận từ thiết bị GPS và hệ thống thiết bị xác định các thông số định hướng góc xoay, góc nghiêng dọc, nghiêng ngang cùng đặt trên máy bay. Các thông tin này được lưu trữ và xử lý, để xác định giá trị tọa độ (x,y,z) chính xác của mỗi điểm trên mặt đất. Hệ thống GPS cung cấp thông tin về vị trí và thời điểm thu nhận tín hiệu Lidar. Hệ thống GPS bao gồm một máy thu đặt trên máy bay và một máy thu đặt tại mặt đất quá trình xử lý dữ liệu này cho ra kết quả vị trí điểm có độ chính xác cao.
Ngoài các thiết bị chính, hệ thống Lidar còn bao gồm các thiết bị ngoại vi khác như hệ thống lưu trữ, giao diện điều khiển thiết bị, điều khiển bay, bộ cấp nguồn. Một hệ thống Lidar thông thường được tích hợp một máy ảnh số kích thước trung bình, một số còn trang bị máy quay video để theo dõi vùng chụp và mây. Khi được tích hợp với máy ảnh số cỡ trung bình, có thể tiến hành đồng thời quá trình Scan Lidar và chụp ảnh số của một khu vực. quy trình này giúp giảm chi phí bay chụp, thu được các sản phẩm: trực ảnh, mô hình số độ cao và có thể tạo được mô hình thành phố ba chiều.
2.2 Công nghệ Scan laser trên mặt đất
Có thể nói công nghệ Scan laser 3 chiều mặt đất (TLS 3D – Terrestrial Laser Scanning) là cuộc cách mạng trong thu thập số liệu thực địa phục vụ cho các ứng dụng 3 chiều. Ngày nay trong tất cả các ngành, số liệu 3D đã trở thành chuẩn trong thiết kế, trình bày, sản xuất. Công nghệ TLS 3D cho phép tất cả mọi yếu tố trong cuộc sống như môi trường, con người, cảnh quan, thiết bị máy móc, công trình dân dụng, giao thông … đều được thu nhận và thể hiện bằng hình ảnh ba chiều đúng như chúng đang tồn tại trong thực tiễn. Đo đạc thực địa công nghệ số trên thế giới đã áp dụng kỹ thuật TLS 3D kết hợp với phần mềm xử lý số liệu để hợp thành giải pháp đo đạc, khảo sát thực địa mà không có bất kỳ thiết bị nào có thể so sánh được. Những ứng dụng của công nghệ TLS 3D đã chứng tỏ một điều rằng, khả năng ứng dụng của giải pháp thu thập số liệu này không hạn chế.
Máy Scan công nghệ “Time of Flight” (cũng có thể gọi bằng tên khác “Pulse Based” là kiểu máy Scan laser phổ biến nhất trong đo đạc dân dụng bởi tia Scan có khả năng đi xa nhất (chuẩn từ 125 đến 1000 mét) và tốc độ thu thập số liệu đạt tới 50.000 điểm mỗi giây hoặc cao hơn nữa. Thiết kế của máy Scan laser “Time of Flight” chính là thiết bị tích hợp của các hợp phần:
– Hợp phần phát laser tạo ra trùm tia;
– Tấm gương lệch để hướng trùm tia laser về phía đối tượng hay khu vực sẽ Scan;
– Hệ thống máy thu quang học thứ cấp để xác định tín hiệu laser phản xạ lại từ các đối tượng Scan.
Theo đó tốc độ di chuyển của ánh sáng là giá trị đã biết, thời gian di chuyển của tín hiệu laser có thể chuyển đổi thành số liệu đo khoảng cách chính xác.
Máy Scan công nghệ “Phase Based” là các máy Scan laser điều biến tia sáng laser phát thành nhiều pha và so sánh sự dịch chuyển pha (Phase Shift) trong nguồn năng lượng laser quay trở lại bộ nhận của máy. Các máy Scan sử dụng thuật toán Phase Shift để xác định khoảng cách dựa vào các đặc tính duy nhất của từng pha độc lập. Các máy Scan laser “Phase Based” có khoảng cách Scan ngắn hơn so với các máy Scan “Pulse Based” (chuẩn từ 25 – 27 mét), nhưng có tốc độ thu thập số liệu cao hơn rất nhiều so với các máy Scan “Pulse Based”.
3. Một số ứng dụng Scan 3D điển hình
Mặc dù có tốc độ triển khai ứng dụng chậm hơn, tuy nhiên tới thời điểm hiện tại công nghệ Scan Laser 3D đã phục vụ rất thành công cho một số các mục tiêu cụ thể trong công nghiệp xây dựng nói riêng và trong tất cả các ngành công nghiệp khác nói chung. Scan Laser 3D được triển khai trong xây dựng đường giao thông, xây dựng và tu bổ cầu, đo đạc xây dựng mô hình 3D các nhà máy lớn, lập kế hoạch duy tu bảo dưỡng và lắp đặt bổ sung thiết bị cho những nhà máy có cấu trúc phức tạp như nhà máy lọc dầu, nhà máy điện, theo dõi biến dạng và quy mô của biến dạng đối với các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Các ứng dụng phổ biến được mô tả cụ thể hơn như dưới đây:
3.1 Ứng dụng trong giao thông
Công nghệ Scan Laser 3D được sử dụng trong quá trình khảo sát, xây dựng và duy tu các công trình giao thông như đường xá, cầu cống, các công trình phụ trợ … bao gồm các nhiệm vụ cụ thể như đo đạc địa hình, khảo sát hiện trạng bề mặt đường, tính toán mặt cắt lớp bê tông nhựa, tính toán thể tích lớp nhựa bề mặt, thiết kế và lập hồ sơ hoàn công công trình cầu, đánh giá hiện trạng công trình giao thông như cầu và hầm, phục chế các công trình giao thông mang tính lịch sử.
Ngoài ra Scan Laser 3D còn được sử dụng phổ biến trong quá trình xây dựng và duy tu các công trình hầm phức tạp, sân bay, nhà ga, đường tàu hoả, cảng và công trình cảng liên quan.
3.2 Ứng dụng trong nhà máy và công nghiệp xử lý
Công nghệ Scan Laser 3D có khả năng ghi nhận lại một cách chính xác tình trạng hiện thời của các hợp phần cấu thành nhà máy phục vụ cho quy trình bảo dưỡng cũng như lắp đặt bổ sung thêm các hợp phần thiết bị mới. Mô hình 3D nhà máy được xây dựng lại dựa trên công nghệ Scan Laser sẽ tính toán được mức độ phù hợp giữa các hợp phần cũ và mới sẽ lắp đặt trong quá trình nâng cấp, các điểm va chạm sẽ được chỉ rõ trên mô hình 3D để có phương pháp điều chỉnh kịp thời. Công nghệ Scan Laser 3D cũng cho phép các Tập đoàn lớn với nhà máy phân bố khắp toàn cầu có thể xem, đánh giá, giới hạn và quản lý nhân sự vận hành, quản lý và điều hành hiệu quả hơn từ một nơi đến nhiều địa điểm nhà máy khác nhau.
3.3 Ứng dụng trong cải tạo công trình dân dụng và công nghiệp
Công nghệ Scan Laser 3D thường được sử dụng để thu thập số liệu hiện trạng, các hợp phần chưa được hoàn thiện, các hợp phần hồ sơ hoàn công đã bị thất lạc của tất cả các công trình dân dụng và công nghiệp. Các đám mây điểm 3D được sử dụng để phát triển và xây dựng những mô hình 3D nội thất và ngoại thất công trình, hỗ trợ xây dựng kế hoạch và phương án thi công cải tạo, bổ sung cũng như duy tu định kỳ cho công trình.
3.4 Ứng dụng trong hạ tầng công nghiệp dầu khí
Các công trình hạ tầng công nghiệp dầu khí, đặc biệt là các công trình thăm dò khai thác ngoài khơi luôn đòi hỏi việc kiểm tra giám sát kích thước ở mức rất cao trong suốt vòng đời thiết kế của hệ thống. Các hợp phần xây dựng cấu thành nên hạ tầng giàn ngoài khơi cần được kiểm tra thường xuyên theo các chiều giữa hợp phần nổi và hợp phần chìm. Công nghệ Scan Laser 3D hoàn toàn thích hợp để thực hiện việc kiểm tra định kỳ và đánh giá mô hình hình học của các hợp phần này. Trong các trường hợp xảy ra sự cố với giàn, công nghệ Scan Laser 3D là phương thức an toàn và nhanh chóng nhất phục vụ cho việc kiểm tra, đánh giá thiệt hại và đề xuất phương án khắc phục.
3.5 Ứng dụng trong xây dựng hiện trường tai nạn và trọng án
Công nghệ Scan Laser 3D là giải pháp rất tốt hỗ trợ cho việc ghi nhận và lưu trữ hiện trường của các vụ tai nạn giao thông và trọng án phục vụ cho quá trình điều tra sau này. Thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào việc chụp ảnh các chứng cứ và đo đạc hiện trường để điều tra, máy Scan Laser 3D sẽ hỗ trợ chuyên viên hiện trường nhanh chóng ghi nhận lại toàn cảnh tai nạn hay trọng án với đầy đủ chứng cứ còn lưu lại, số liệu sẽ được lưu trữ một cách an toàn đồng thời giúp giải phóng hiện trường nhanh hơn, đặc biệt là các vụ tai nạn giao thông trên quốc lộ. Số liệu thu thập được sử dụng để xây dựng mô hình 3D hiện trường phục vụ công tác phân tích, điều tra và tranh tụng.
Tác giả: Lưu Quang Phương
