Khảo sát địa hình trong chữa cháy và cứu nạn cứu hộ bằng công nghệ LiDAR

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Khảo sát địa hình trong chữa cháy và cứu nạn cứu hộ bằng công nghệ LiDAR trình bày ứng dụng công nghệ LiDAR trong việc khảo sát địa hình khi thực hiện nhiệm vụ chữa cháy và cứu nạn cứu hộ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khảo sát địa hình trong chữa cháy và cứu nạn cứu hộ bằng công nghệ LiDAR

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ KHẢO SÁT ĐỊA HÌNH TRONG CHỮA CHÁY VÀ CỨU NẠN CỨU HỘ BẰNG CÔNG NGHỆ LIDAR Nguyễn Thị Thu Thủy*, Đặng Tuấn Tú* Vũ Nguyên Thức** ABSTRACT This study presents the problem of applying Light Detection and Ranging (LIDAR) technology for fire-fighting and rescue. We first present several obstacles of low visibility in fire-fighting and rescue such as strong background light, light, fog, and smoke; and discuss how LiDAR technology could overcome the challenge. Based on existing experiments of LiDARs systems on various low-visibility conditions, we propos some applycation of LiDARs system for topographical survey in case of fire-fighting or rescue. Keywords: Firefighting, Rescue, LIDAR, TOF, SLAM, low-visibility conditions Received:11/11/2022; Accepted: 18/01/2023; Published: 28/02/2023 1. Đặt vấn đề Với cấu tạo, nguyên lý hoạt động như trên, LiDAR LiDAR (Light Detection And Ranging). Về cơ bản có những ưu điểm vượt trội so với các công nghệ truyền có thể hiểu nguyên lý hoạt động của LiDAR giống như thống như sau: rada, tuy nhiên nếu như rada sử dụng sóng vô tuyến - Công nghệ LiDAR chủ yếu là tự động hóa, ít có sự thì LiDAR sử dụng các tia laser với bước sóng trong can thiệp trực tiếp của con người, dữ liệu thu thập được khoảng 600 - 1550 mm. Do các tia laser đó có khả năng rất khách quan, mức độ tin cậy cao. Đây là điểm khác phản xạ trên hầu hết bề mặt các vật rắn nên LiDAR có biệt so với các phương pháp đo ảnh hay đo đạc ngoài khả năng đo chính xác được khoảng cách từ nguồn phát trời khác. đến vật với sai số nhỏ hơn 5 cm. Thông thường thiết bị - Hệ thống LiDAR sử dụng tia laser với các bước LiDAR gồm 4 thành phần chính: nguồn phát laser, cảm sóng khác nhau để thu thập dữ liệu nên không phụ thuộc biến ánh sáng, bộ điều khiển góc quét, bộ xử lý. Thông vào ánh sáng mặt trời thực hiện cả ngày và đêm. Xung qua bộ điều khiển góc quét, xung của laser được phát laser có thể xuyên qua khói, lửa, sương mù, mặt nước... đi các hướng trong không gian tới một điểm nào đó và - Hình ảnh thu được có độ phân giải chi tiết cao, khi phản hồi về bộ cảm biến quang. Bộ xử lý sẽ đo được đầu phát laser đạt hàng trăm nghìn xung trên 1 giây. thời gian đi và về của tín hiệu và tính được khoảng cách - Công nghệ LiDAR ghi nhận được các giá trị mức từ nguồn phát laser tới bề mặt khảo sát. Với các giá trị phản xạ ánh sáng của các đối tượng khác nhau, dữ liệu khoảng cách đó kết hợp với vị trí của LiDAR bộ xử lý sẽ có thể được dùng để phân loại đối tượng trong ảnh. Đây tính được vị trí (tọa độ không gian) của các điểm trong là một đặc tính có giá trị gia tăng của dữ liệu LiDAR. không gian cần khảo sát. Dữ liệu thu được của hệ thống Công nghệ LiDAR đã thể hiện nhiều ưu thế vượt trội là tập hợp đám mây điểm phản xạ 3 chiều của tia laser hơn với các công nghệ khác trong việc đo đạc thành lập từ đối tượng được khảo sát [6]. bản đồ, xây dựng cơ sở dữ liệu hay mô phỏng không Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của LiDAR gian ba chiều. Các nguồn dữ liệu thu nhận được có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giáo dục, viễn thông, theo dõi đánh giá khai thác mỏ, quân sự, nghiên cứu lập bản đồ khu vực ngập lụt, dự báo thảm hoạ, bản đồ địa hình dải ven biển, quy hoạch đô thị, hỗ trợ xe tự lái, robot tự hành trong nhà, trong công nghiệp... Tại Việt Nam, những năm gần đây bắt đầu xuất hiện một số nghiên cứu khoa học ứng dụng LiDAR trong đo *Trường Đại học Phòng cháy Chữa cháy, Bộ Công an **Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ - SỐ 24 QUÝ 1/2023 39
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ đạc và thiết lập bản đồ địa hình, địa mạo, mô hình hóa Cảm biến LiDAR có hiệu quả trong việc lập bản đồ lũ... Qua các nghiên cứu có thể thấy đây là công nghệ bề mặt và khả năng này hỗ trợ đáng kể trong việc thực mới hứa hẹn mang đến nhiều ứng dụng để nâng cao hiệu hiện các hoạt động tìm kiếm và cứu hộ. Khi được lắp quả trong công tác phòng cháy chữa cháy, cứu nạn cứu đặt trên máy bay không người lái, các cảm biến này có hộ và dự báo các tình huống khẩn cấp. thể dễ dàng phát hiện con người trên bất kỳ địa hình nào 2. Nội dung nghiên cứu và hỗ trợ nhân viên cứu hộ xác định vị trí của người mất 2.1. Ứng dụng công nghệ LiDAR trong việc khảo tích một cách nhanh chóng. Từ đó, các đội cứu hộ có thể sát địa hình khi thực hiện nhiệm vụ chữa cháy và cứu lên kế hoạch cho tuyến đường tốt nhất để đưa người đó nạn cứu hộ trở lại an toàn. Vì cảm biến không cần ánh sáng để thu Chữa cháy là hoạt động của người và phương tiện thập dữ liệu, nên việc thực hiện các hoạt động cứu hộ chữa cháy, với việc áp dụng các phương pháp để ngăn trong đêm trở nên dễ dàng hơn. Ngoài ra với đặc tính chặn sự lan truyền và dập tắt đám cháy. Cứu nạn, cứu có thể phản xạ nhiều lần qua các vật cản như tán cây... hộ là hoạt động cứu giúp người, phương tiện, tài sản LiDAR cho phép nhìn xuyên qua các tán lá và xác định đang bị nạn thoát khỏi các yếu tố nguy hiểm đe dọa chính xác người bị nạn trên mặt đất. đến sự sống và sự an toàn. Bằng các phương pháp, biện Nghiên cứu của nhóm Indiana Drones [10] đã chứng pháp, kỹ, chiến thuật phù hợp với từng tình huống cụ minh hiệu quả của LiDAR gắn trên máy bay không lái thể xảy ra ở hiện trường sự cố, tai nạn. Bao gồm: Phát trong việc quét ảnh 3D của một khu rừng. Nhóm Indi- hiện, định vị, mở lối tiếp cận người, phương tiện, tài ana Drones đã sử dụng LiDAR với tần số quét 100.000 sản bị nạn; bố trí phương tiện, dụng cụ, lực lượng cứu điểm ảnh trên giây, 5 cấp độ phản xạ để quét khu vực nạn, cứu hộ; xác định, ngăn chặn, loại bỏ các yếu tố đe rộng 4 héc ta của rừng Orsk tại Sanfansisco, Mỹ. Kết dọa tính mạng, sức khỏe người bị nạn, sự an toàn của quả cho thấy hệ thống có thể cung cấp hình ảnh chi tiết phương tiện và lực lượng cứu nạn, cứu hộ; tư vấn biện của khu rừng từ tán cây đến mặt đất như trong Hình 2, pháp Y tế ban đầu, sơ cứu; đưa người bị nạn khỏi vị trí Hình 3, Hình 4. Một điều đặc biệt trong nghiên cứu này nguy hiểm và các biện pháp khác đưa người bị nạn đến nhóm tác giả chỉ mất 15 phút để quét toàn bộ khu vực vị trí an toàn [2]. Theo đó, một trong những nguyên tắc trên. của hoạt động chữa cháy và cứu nạn cứu hộ là phải: Hình 2. Hình ảnh tổng thể của khu rừng thu được từ Bảo đảm nhanh chóng, kịp thời, hiệu quả và thống nhất dữ liệu của LiDAR [10] trong chỉ huy, điều hành. Quá trình thực hiện nhiệm vụ cần phải nhanh chóng, hiệu quả, hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại về người và tài sản. Để thực hiện được nguyên tắc trên thì việc khảo sát địa hình khi thực hiện nhiệm vụ chữa cháy, cứu nan cứu hộ là vô cùng quan trọng. Chỉ khi nắm bắt được chính xác đặc điểm của địa hình thì người chỉ huy chữa cháy, chỉ huy cứu nạn cứu hộ mới có thể đưa ra các chỉ thị đúng đắn, phù hợp, giúp các cán bộ chiến sĩ hoàn thành nhiệm vụ. Đặc biệt khi có cháy xảy ra hoặc khi các sự vụ cần thực hiện cứu nạn cứu hộ thì địa hình thực hiện nhiệm vụ thường trải dài trên diện tích lớn, tầm nhìn thường bị che khuất bởi Hình 3. Hình ảnh chi tiết dưới tán cây thu được từ khói, sương mù... Do vậy, để nâng cao hiệu quả của việc LiDAR [10] khảo sát trên cần áp dụng, kế thừa sự phát triển của khoa học kỹ thuật để phát triển các phương tiện hiện đại hiệu quả cao phục vụ công tác khảo sát địa hình khi thực hiện nhiệm vụ chữa cháy và cứu nạn cứu hộ. Dưới đây là một số những ứng dụng của LiDAR để khảo sát địa hình trong khi thực hiện nhiệm vụ chữa cháy, cứu nạn cứu hộ: a) Ứng dụng LiDAR trong tìm kiếm cứu hộ 40 TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ - SỐ 24 QUÝ 1/2023
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Hình 4. Hình ảnh mặt đất sau khi bóc tách toàn bộ Đặc biệt với việc sử dụng laser có bước sóng 905 tán cây thu được qua phân tích quá trình phản xạ 5 lần mm, bước sóng ít bị hấp thụ bởi khói, sương mù, hơi của xung laser trong LiDAR [10] nước nhất [3] giúp LiDAR dễ dàng hoạt động trong điều kiện xảy ra đám cháy. Nghiên cứu của Paul Fritsche và cộng sự đến từ Viện Kỹ thuật hệ thống thời gian thực - Cộng hòa Liên bang Đức đã cho thấy hiệu quả của LiDAR trong môi trường có khói như Hình 7 [5]. Trong nghiên cứu này Paul Fritsche và cộng sự sử dụng kết hợp LiDAR và 1 cảm biến Radar thông thường để nhận diện các vật cản trong môi trường có khói. Kết quả cho thấy robot tự hành được trang bị thiết bị trên có thể dễ dàng xác định được các vật cản và tìm được đường đi Khi sử dụng LiDAR kết hợp với robot tự hành hoặc trong căn phòng, khu vực có khói. máy bay không người lái tầm thấp, cỡ nhỏ có thể tạo Hình 7. Hình ảnh thử nghiệm, kết quả thử nghiệm khả thành các hệ thống tạo bản đồ, tìm đường trong quá năng hoạt động của LiDAR trong môi trường có khói [5] trình cứu nạn cứu hộ. Nghiên cứu của Chen và cộng sự [8] đã kết hợp LiDAR với một rô bốt tự hành, nhóm nghiên cứu dễ dàng thu được bản đồ của khu vực cần cứu hộ theo thời gian thật (hình 5) Hình 5. Bản đồ theo thời gian thật được lập thông qua LiDAR trong nghiên cứu của Chen và cộng sự [8] b) Ứng dụng LiDAR trong dự báo tình huống khẩn cấp Trong dự báo các tình huống khẩn cấp, LiDAR có thể sử dụng để dự báo cháy rừng như nghiên cứu của Marta Fernández - Álvarez. Trước hết ông và cộng sự đã phân tích: ngoài những nguyên nhân chủ quan thì Khác với Chen, Yulun Tian và cộng sự đã sử dụng quá trình bắt cháy và lan rộng của các vụ cháy rừng LiDAR kết hợp với một máy bay không người lái cỡ là kết quả của một loạt những phản ứng phức tạp giữa nhỏ, bay thấp dưới tán cây và tiến hành lập bản đồ khu thời tiết, địa hình và chất cháy trong rừng. Chất cháy vực tìm kiếm theo thời gian thật. Kết quả cho thấy sau trong rừng chủ yếu là gỗ rừng với những đặc tính như: 120 giây hệ thống lập chính xác được bản đồ của khu cấu trúc thảm thực vật theo hướng dọc và ngang, thành vực rộng 40m x 20m với đầy đủ vị trí, cao độ của các phần và tính chất của các loài cây sẽ ảnh hưởng đến khả vật cản như Hình 6 [9]. năng phát sinh cháy, tốc độ lan rộng của đám cháy cũng Hình 6. Hình 3D thu được từ LiDAR sau 120 giây [9] như cường độ cháy. Việc xác định chính xác các thông số trên của rừng sẽ tìm ra những khu vực có nguy cơ cháy rừng cao và đưa ra được những biện pháp phòng ngừa [7]. Nghiên cứu của Marta Fernández-Álvarez [4] đã chứng minh các dữ liệu kể trên có thể dễ dàng thu thập thông qua LiDAR và sử dụng đưa vào mô hình dự báo cháy rừng. Từ các mô hình đó các nhà quản lý có thể đưa ra các biện pháp quản lý, khai thác khác nhau cho từng loại rừng nhằm hạn chế tối đa khả năng cháy hoặc hạn chế sự phát triển của đám cháy trong rừng nếu có xảy ra. TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ - SỐ 24 QUÝ 1/2023 41
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Hình 8. Kết quả đánh giá mật độ cây bụi trong rừng mặc dù đã có một số nghiên cứu về công nghệ LiDAR thông qua dữ liệu của LiDAR. a – Mật độ < 20%, b – Mật được triển khai, nhưng đây hiện vẫn đang là công nghệ độ từ 20-50%, c – Mật độ > 50%.[6] mới và hiện đại do vậy cần có thêm các nghiên cứu cụ thể, chuyên sâu hơn nhằm đưa ra được những sản phẩm hoặc những giải pháp ứng dụng công nghệ này phù hợp với điều kiện môi trường, đặc thù của Việt Nam. Từ đó nâng cao hiệu quả của công tác chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ. Tài liệu tham khảo 1. Trần Đức Phú (2010), Trong công tác ứng phó với thiên tai, LiDAR được Giới thiệu công nghệ LiDAR trong mô hình hóa lũ, Tạp sử dụng để mô hình hóa lũ lụt, từ đó dự báo đường đi chí Khoa học Công nghệ Hàng hải số 23. của dòng lũ và những thiệt hại do nó gây ra. Nghiên cứu 2. Vũ Văn Thủy (2020), Giáo trình Những vấn đề cơ của Trần Đức Phú và công sự đến từ Đại học Hàng Hải bản về cứu nạn, cứu hộ, Đại học PCCC. Việt Nam đã cho thấy khi sử dụng LiDAR để mô hình 3. J Wojtanowski, M. Zygmint, M. Kaszczuk, Z. hóa lũ, kết quả dự báo lũ khớp với dự báo của Cơ quan Mierczyk, M. Muzal (2014), Comparison of 905 nm quản lý tình trạng khẩn cấp FEMA - Mỹ và có thêm cả and 1550 nm semiconductor laser rangefinders’ perfor- các dự báo về thiệt hại như Hình 9 [1]. mance deterioration due to adverse environmental con- Hình 9. Hình ảnh mô hình hóa lũ từ dữ liệu của ditions, Opto−Electron. Rev 22(3). LiDAR so sánh với mô hình dự báo của Cơ quan quản lý 4. Marta Fernández-ÁlvarezORCID, Julia Armesto, trình trạng khẩn cấp FEMA [1]. Juan Picos (2019), LiDAR-Based Wildfire Prevention in WUI: The Automatic Detection, Measurement and Evaluation of Forest Fuels, MDPI -Forests 10(2). 5. Paul Fritsche, Simon Kueppers, Gunnar Briese, Bernardo Wagner (2016), Radar and LiDAR Sensor- fusion in Low Visibility Environments, International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics 13. 6. Paul McManamon (2019), LiDAR techlonogy and system, SPIE PRESS- US. 7. Rothermel, R.C. (1983), How to Predict the Spread and Intenisty of Forest and Range Fires, USDA Ogden – UT - USA. 8. Xieyuanli Chen, Hui Zhang, Huimin Lu, Junhao Xiao, Qihang Qiu, Yi Li (2017), Robust SLAM system based on monocular vision and LiDAR for robotic ur- 3. Kết luận ban search and rescue, IEEE International Workshop on Với những kết quả của các nghiên cứu kể trên, có Safety, Security, and Rescue Robotics. thể khẳng định rằng LiDAR là một công nghệ hiện đại 9. Yulun Tian, Katherine Liu, Kyel Ok, Loc Tran, mang đến nhiều giải pháp hữu ích trong việc khảo sát Danette Allen Nicholas Roy, Jonathan P. How (2019), địa hình khi thực hiện các nhiệm vụ chữa cháy, cứu nạn Search and rescue under the forest canopy using mul- cứu hộ, đặc biệt là trong các tình huống như: cháy rừng, tiple UAVs, The International Journal of Robotics Re- báo lũ, tìm kiếm cứu nạn trong rừng, trong môi trường search. nhiều khói có tầm nhìn hạn chế... Đối với Việt Nam, 10. https://www.theindianadrones.com/. 42 TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ - SỐ 24 QUÝ 1/2023