LiDAR – Công cụ thiết yếu trong ngành Lâm nghiệp

Nghiên cứu và phát triển công nghệ kỹ thuật số cho ngành lâm nghiệp đang thay đổi ngành công nghiệp này và cách con người tác động đến rừng trên toàn cầu. Với khoảng 20,93 triệu ha rừng bị mất mỗi năm vào năm 2018 trên toàn thế giới do nạn phá rừng và suy thoái rừng, điều quan trọng là các công ty phải áp dụng các phương pháp làm việc bền vững. LiDAR trong lâm nghiệp là một ví dụ về công nghệ hiện đại đang giúp chuyển đổi ngành công nghiệp.

Các ngành công nghiệp khác như khai thác mỏ, xây dựng và bất động sản cũng thường dựa vào LiDAR, do tính linh hoạt và khả năng thu thập dữ liệu hữu ích và chính xác. Khi công nghệ phát triển, các chuyên gia đang tìm ra những cách mới để thu thập và sử dụng dữ liệu cho nhiều ứng dụng lâm nghiệp LiDAR khác nhau – ở đây, hãy cùng FARO Việt Nam khám phá cách nó được sử dụng và những thay đổi mà nó đã tạo ra cho ngành.

I. Các phương pháp thu thập dữ liệu trong rừng

1-Hình ảnh vệ tinh

Vệ tinh là một công cụ phổ biến để thu thập các bộ dữ liệu lớn trên các khu vực rộng lớn. Các nhà khoa học của NASA sử dụng vệ tinh có độ phân giải cao để đo chiều cao cây và độ dày tán trong rừng, cũng như để đánh giá thiệt hại và thay đổi từ các hoạt động như khai thác gỗ và cháy rừng. Tuy nhiên, khi so sánh với các phương pháp thu thập dữ liệu khác, hình ảnh vệ tinh bị hạn chế về khả năng cung cấp các chi tiết nhỏ, tinh tế hơn, vì vậy nó tốt hơn để đạt được cái nhìn tổng quan rộng hơn về các khu vực rộng lớn.

2-Quét laser mặt đất (TLS)

TLS là một công cụ hữu ích để thu thập dữ liệu lâm nghiệp. Nó thường được sử dụng để thu thập dữ liệu có độ chính xác cao bên dưới tán cây. Với TLS, có thể tạo ra các đám mây điểm có độ phân giải cao để đo các thông số như chiều cao cây và các thông tin cấu trúc khác.

Vì Máy quét laser mặt đất được đặt trên giá ba chân, nên có thể khó sử dụng chúng một cách hiệu quả trên địa hình không bằng phẳng và thu thập dữ liệu từ phía trên tán cây. Ngoài ra, có thể mất nhiều thời gian hơn để quét các khu vực rộng lớn bằng TLS, vì cần phải chụp và chồng nhiều lần quét để hiển thị chính xác toàn bộ môi trường.

3-Phương tiện bay không người lái (UAV)

Việc gắn máy quét laser vào UAV hoặc áp dụng phương pháp chụp ảnh cho phép các chuyên gia linh hoạt hơn trên khu vực có thể quét. Phương pháp này có thể thu thập các bộ dữ liệu chi tiết từ phía trên tán cây, nhưng sẽ khó xuyên qua mặt đất khi bay qua các khu rừng rậm rạp. Việc hợp nhất thông tin UAV đã thu thập với các hình thức dữ liệu khác từ mặt đất rất hữu ích khi cố gắng thu thập toàn bộ hình ảnh của khu vực.

4-Quét LiDAR cầm tay

Sử dụng máy quét laser cầm tay hoặc gắn trên cột hoặc xe là một trong những cách dễ nhất để thu thập dữ liệu. Các hệ thống lập bản đồ cầm tay có thể lập bản đồ các khu vực rộng lớn trong thời gian ngắn và trên các địa hình khó khăn. Độ chính xác của dữ liệu đủ cao cho nhiều ứng dụng lâm nghiệp và việc sử dụng dễ dàng của quá trình thu thập dữ liệu giúp nó có thể lặp lại được.

Tính linh hoạt của các giải pháp lập bản đồ cầm tay, kết hợp với các phương pháp lập bản đồ khác như UAV, mang đến cho người dùng dữ liệu chính xác một cách nhanh chóng và hiệu quả. Dữ liệu này đang bắt đầu được sử dụng trên toàn ngành trong các ứng dụng để giúp ngăn chặn nạn phá rừng, lập kế hoạch rừng và phòng chống cháy rừng.

II. Ứng dụng của LiDAR trong Lâm nghiệp

LiDAR trong lâm nghiệp có một loạt các ứng dụng thực tế, từ cung cấp dữ liệu để hỗ trợ lâm nghiệp chính xác hoặc lập bản đồ rừng, đến các ứng dụng đa dạng sinh học như mô hình ô nhiễm và hỗ trợ ước tính hấp thụ carbon.

1-Kiểm soát nạn phá rừng

LiDAR trên không có thể nhanh chóng đánh giá khối lượng cây đã bị chặt hạ và có thể so sánh nó với khối lượng dự đoán để các chuyên gia có thể xác định sự khác biệt.

2-Lập kế hoạch và quản lý rừng

Máy quét laser gắn trên máy bay không người lái có thể được sử dụng để quét đường dây điện, phát hiện bất kỳ va chạm tán cây nào hoặc để giúp lập kế hoạch và quản lý rừng. Với khả năng lập bản đồ độ cao kỹ thuật số, quét laser cũng có thể được sử dụng cho mục đích địa hình và để ghi lại môi trường rừng phức tạp.

3-Xác định các thuộc tính thân cây

Sau khi thu thập dữ liệu, các thuật toán chuyên biệt có thể được sử dụng để phát hiện từng cây và xác định vị trí cây. Các thuật toán giúp phân đoạn từng cây để dễ dàng đếm cây trong các khu vực rộng lớn, điều này cũng tốt cho việc quản lý rừng.

4-Đo lượng hấp thụ Carbon

Dữ liệu LiDAR có thể được phân tích để xác định sự hấp thụ carbon. Các nhà khoa học sẽ tìm kiếm các thuộc tính của từng khu vực như đường kính cây hoặc tán để tìm hiểu thêm về các đặc tính hấp thụ carbon của nó.

5-Bảo tồn động vật hoang dã

Phân tích hậu xử lý có thể hiển thị các phép đo chuyên biệt từ sinh khối đến dữ liệu đo đạc cây cối. Điều này có thể hỗ trợ mọi thứ, từ việc đánh giá sự phù hợp của rừng đối với một số loài động vật hoang dã, chẳng hạn như chim, đến lập kế hoạch rừng chiến lược.

6-Quản lý Cháy rừng

Khi các nhà lãnh đạo thế giới đang nỗ lực giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, nhiều người làm việc trong ngành lâm nghiệp cũng đang sử dụng công nghệ LiDAR trên không để dự đoán nguy cơ cháy rừng và theo dõi tác động khi chúng xảy ra.

Dữ liệu LiDAR có thể lập bản đồ và xác định các mảnh vụn gỗ trên mặt đất có thể là nguyên nhân gây cháy rừng. Nó có thể sử dụng điều này để theo dõi các kiểu cháy rừng, trong khi sự thay đổi theo thời gian có thể gợi ý các đường cháy trước đó.

III. Ví dụ về LiDAR di động trong ngành Lâm nghiệp

1-SFI SmartForest

Chương trình SFI SmartForest, từ chương trình Trung tâm Đổi mới dựa trên Nghiên cứu của Hội đồng Nghiên cứu Na Uy, nhằm mục đích định vị ngành lâm nghiệp của Na Uy ở vị trí tiên phong trong số hóa vào năm 2028. Mục tiêu của nó là tạo điều kiện cho luồng thông tin tự do và giao tiếp theo thời gian thực, có thể giúp tăng năng suất và giảm tác động môi trường của ngành.

Nhóm của chương trình biết rằng họ muốn sử dụng LiDAR để cung cấp thông tin cho nghiên cứu của mình. Cũng như cần tính linh hoạt, nhóm nghiên cứu yêu cầu các phép đo có độ chính xác cao để đảm bảo rằng họ đang theo dõi rừng một cách chính xác.

Mặc dù TLS cung cấp mức độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu yêu cầu một giải pháp cho phép họ hoàn thành việc thu thập dữ liệu một cách hiệu quả về thời gian. Họ cũng đã xem xét một giải pháp dựa trên UAV, nhưng nó kém hiệu quả hơn trong việc xuyên qua thảm thực vật dày và không thể thu được phạm vi dữ liệu cần thiết.

SFI SmartForest đã chọn một hệ thống lập bản đồ di động cầm tay để quét địa hình dày đặc và gồ ghề. Nó cho phép nhóm nhanh chóng thu thập một lượng lớn dữ liệu từ mặt đất và từ trên không, thu thập các bộ dữ liệu có độ chính xác cao và tạo ra các mô hình đám mây điểm để trích xuất các đặc điểm bao gồm chất lượng gỗ và sinh khối.

Sau giai đoạn ban đầu thành công, chương trình nghiên cứu sẽ tiếp tục sử dụng máy quét di động để tạo các đám mây điểm chính xác, làm cơ sở cho các cơ hội nghiên cứu học sâu.

2-Dự án Eden

Tom Potter, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Leicester, Vương quốc Anh, đã bắt đầu phát triển một kỹ thuật để ước tính sinh khối và carbon hiệu quả hơn bằng cách sử dụng các cảm biến LiDAR di động hiện đại trên nhiều môi trường rừng phức tạp.

Dự án Eden ở Cornwall, Vương quốc Anh, là nơi có rừng mưa nhiệt đới lớn nhất thế giới và các loài từ Địa Trung Hải, Bắc Mỹ và địa hình Chile, cũng như quần xã sinh vật “rừng mưa nhiệt đới” với hơn 1.000 cây cối và thực vật. Tom chọn thu thập dữ liệu ở đây để tận dụng các bộ dữ liệu đa dạng mà anh ấy có thể thu thập.

Máy quét SLAM di động đã được chọn vì khả năng thu thập dữ liệu nhanh chóng. Sau khi thu thập hơn 43.000 điểm đo mỗi giây, toàn bộ môi trường đã được quét bằng cách đi bộ theo một vòng tròn đơn giản.

IV. LiDAR đang thay đổi ngành Lâm nghiệp như thế nào?

Cảnh quan rừng thường là không gian nông thôn, với địa hình không bằng phẳng và đầy thách thức. Chúng có mật độ dân cư dày đặc, điều này có thể khiến việc thu thập các phép đo cho từng cây trở nên khó khăn mà không có các vật thể cản trở hoặc tạo bóng râm có vấn đề.

Máy quét LiDAR FARO lập bản đồ di động khắc phục những thách thức này. Nó thu thập dữ liệu cách máy quét tối đa 100m và có thể được sử dụng làm máy quét cầm tay hoặc gắn trên cột, ba lô, máy bay không người lái hoặc phương tiện, cung cấp nhiều cách để chụp các khu vực khó tiếp cận với độ chính xác cao.

Việc tiết kiệm thời gian do LiDAR di động mang lại đang thay đổi ngành lâm nghiệp. Giờ đây, việc thực hiện các phép đo và khảo sát một khu vực có thể mất vài giờ, thay vì nhiều ngày tại chỗ, có nghĩa là có thể đưa ra các quyết định quan trọng nhanh chóng hơn nhiều.

Ngoài ra, với các mô hình và thuật toán học sâu liên tục được cải thiện, dữ liệu được cung cấp từ các hệ thống LiDAR sẽ ngày càng hữu ích hơn theo thời gian.