Những Ứng Dụng Trong Cuộc Sống Của Máy Quang Phổ Tích Hợp Trên Thiết Bị Bay Không Người Lái

Các thiết bị bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAV), còn được gọi là drone, đã trở thành công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu và phân tích ở nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Một trong những công nghệ mạnh mẽ và đang được ứng dụng trên các nền tảng bay này là đo quang phổ trên drone, đây là việc lắp đặt một máy đo quang phổ lên trên một UAV. Công nghệ này cho phép phân tích cường độ ánh sáng ở từng bước sóng, cung cấp những thông tin quý giá về thành phần, cấu trúc và các đặc điểm khác của các đối tượng hoặc vật liệu được nghiên cứu. Việc ứng dụng các máy đo quang phổ trên UAV đã thúc đẩy các nghiên cứu và phân tích nâng cao trong nhiều ngành công nghiệp, dẫn đến tăng hiệu quả, giảm chi phí và tạo ra các nguồn doanh thu mới. Bài báo này khám phá các ngành công nghiệp hưởng lợi từ các máy đo quang phổ trên drone và phạm vi công việc mà chúng có thể thực hiện. Nó trình bày các ví dụ thực tế về tác động của chúng trong việc giảm chi phí và tạo ra doanh thu.

PHƯƠNG PHÁP

Quá trình thu thập dữ liệu bao gồm việc sử dụng một chiếc drone được trang bị một máy quang phổ và một máy ảnh để bay qua khu vực khảo sát và thu thập ánh sáng phản xạ hoặc phát ra từ các đối tượng hoặc vật liệu đang được nghiên cứu. Dữ liệu này sau đó được sử dụng để tạo ra một cơ sở dữ liệu toàn diện về phổ và hình ảnh RGB. Tiếp theo, dữ liệu thu thập được trải qua quá trình xử lý và diễn giải kỹ lưỡng. Trong nhiều nghiên cứu, người ta đã quan sát thấy rằng việc kết hợp các biến số phổ nhạy cảm với các thuật toán mạnh mẽ và hiệu quả dẫn đến việc tạo ra các mô hình chính xác. Có rất nhiều thuật toán xử lý khác nhau và việc lựa chọn thuật toán phù hợp phụ thuộc vào loại ứng dụng. Các thuật toán thường được sử dụng bao gồm hồi quy tuyến tính (LR), khác biệt hình ảnh, so khớp từng điểm ảnh (mpp), mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), và thuật toán Manning–Strickler và bộ ước lượng cosin thích nghi đã được nhấn mạnh về hiệu quả của chúng trong việc diễn giải dữ liệu phổ.

Theo một phương pháp chi tiết như trong tài liệu tham khảo nghiên cứu về phương pháp sử dụng máy bay không người lái kết hợp với máy quang phổ và phương pháp học máy để điều tra phân loại đất bằng cách sử dụng các thiết bị cảm biến nhiệt. Phơi sáng phổ được xác định bằng cách áp dụng các số liệu của máy dò vào hàm chuyển đổi được suy ra từ hiệu chuẩn máy quang phổ. Các giá trị phơi sáng phổ thu được sau đó được vẽ theo bước sóng để minh họa dấu hiệu che phủ đất tại vị trí dấu chân cụ thể, như mô tả trong Hình 1. Việc gán nhãn của đồ thị dựa trên kiến thức trước đó và đánh giá trực quan của hình ảnh RGB tương ứng. 

Hình 1. Sự phơi sáng quang phổ của nhiều thành phần che phủ đất khác nhau.

Nội suy không gian được thực hiện để giải quyết sự gián đoạn trong che phủ địa hình quan sát thấy trong dữ liệu máy quang phổ. Kỹ thuật nội suy theo khoảng cách nghịch đảo được sử dụng để nội suy từ các điểm dữ liệu máy quang phổ được gán nhãn phân bố không đều. Quá trình này đã dẫn đến việc tạo ra bản đồ phân loại che phủ đất liên tục với độ phân giải 20 cm, được mô tả trong Hình 2a. Quá trình phân loại bao gồm hai giai đoạn riêng biệt, bắt đầu với phân đoạn hình ảnh, tiếp theo là phân loại đối tượng. Sử dụng phần mềm chuyên dụng, bản đồ RGB được phân đoạn hình ảnh để tạo ra một bản đồ phân loại, được mô tả trong Hình 2b.

Hình 2. Phân loại và đánh giá lớp phủ đất. a) Bản đồ phân loại được tạo ra bằng cách nội suy các điểm quang phổ dã được dán nhãn. b) Bản đồ phân loại được tạo ra bằng cách phân đoạn hình ảnh dựa trên đối tượng.

Một phép toán chồng chéo không gian được thực hiện trên hai lớp bản đồ phân loại để xác định các vùng che phủ đất chung giữa chúng. Hình 3 minh họa cách các lớp che phủ đất từ phân loại bằng máy quang phổ giao với các lớp khác nhau từ phân loại dựa trên đối tượng.

Hình 3. Kết quả phân tích sự giao nhau của hai loại dữ liệu.

ỨNG DỤNG

Các máy quang phổ UAV đã cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp nhờ khả năng cung cấp dữ liệu chính xác và có giá trị. Trong nông nghiệp, những máy quang phổ này cung cấp thông tin về sức khỏe cây trồng, thành phần đất và mức độ ẩm, giúp nông dân đưa ra các quyết định đúng đắn về tưới tiêu, bón phân và kiểm soát sâu bệnh. Điều này cuối cùng dẫn đến tăng sản lượng cây trồng và doanh thu. Hơn nữa, trong giám sát môi trường, các máy quang phổ gắn trên drone cho phép đánh giá nhanh chóng chất lượng không khí và nước, cũng như giám sát các loài có nguy cơ tuyệt chủng và môi trường sống của chúng. Trong lĩnh vực năng lượng, các máy quang phổ UAV đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo như các tấm pin mặt trời và tuabin gió, xác định các vấn đề và nâng cao hiệu quả tổng thể. Ngoài ra, trong ngành dầu khí, các máy quang phổ này được sử dụng để phát hiện rò rỉ khí, giám sát chất lượng của đường ống và tối ưu hóa các quy trình khai thác bằng cách đánh giá các đặc điểm địa chất. Cuối cùng, trong lĩnh vực khảo cổ học, các máy quang phổ gắn trên UAV giúp phân tích không xâm lấn thành phần của các hiện vật và phát hiện các cấu trúc ẩn, góp phần hiểu biết sâu sắc hơn về các nền văn minh cổ đại.

NHỮNG THIẾT BỊ NÊN SỬ DỤNG VÀ PHẦN MỀM HỖ TRỢ

Máy ảnh và máy quang phổ được gắn song song và vuông góc với mặt phẳng được điều tra, như mô tả trong Hình 4. Một thấu kính hội tụ được đặt tại khe vào để thu nhận ánh sáng tới. Điều quan trọng là trường nhìn (FoV) của máy ảnh phải bao quát đầy đủ trường nhìn của máy quang phổ để đảm bảo việc thu thập và phân tích dữ liệu toàn diện.

Hình 4. Thiết lập hệ máy quang phổ drone gồm camera và máy quang phổ được gắn trên thiết bị drone.

Máy quang phổ đóng vai trò then chốt trong hệ thống này, là nền tảng cho hoạt động của nó. Các loại máy được sử dụng trong hệ thống này có khả năng bước sóng khác nhau để phù hợp với các ứng dụng khác nhau, cho phép khách hàng lựa chọn thiết bị phù hợp nhất với nhu cầu cụ thể của họ. Các dòng sản phẩm thường được sử dụng như ST, Ocean SR, Ocean FX và FLAME được cung cấp bởi Intins, mỗi dòng đều nhỏ gọn và không cồng kềnh, lý tưởng cho các ứng dụng drone kết hợp máy quang phổ. Các dòng sản phẩm này, được cung cấp bởi Ocean Optics, được thiết kế để rất tiện lợi và hiệu quả cho nhiều ứng dụng phổ học.

Dòng sản phẩm ST cung cấp kích thước siêu nhỏ gọn, đo 42.1 x 40.3 x 26.6 mm, phù hợp cho nhiều ứng dụng. Nó bao gồm ba phạm vi bước sóng: ST-UV (180 – 650 nm), ST-VIS (350 – 810 nm) và ST-NIR (646 – 1085 nm), đáp ứng nhu cầu đo phổ đa dạng. Với thời gian tích hợp ngắn từ 3.8 ms – 6 s, sản phẩm này rất nhạy và lý tưởng để sử dụng với các máy bay không người lái đang di chuyển, đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác và hiệu quả.

Ocean Optics cũng cung cấp thấu kính hội tụ 74-DA, được thiết kế để cung cấp khả năng thu ánh sáng tối ưu. Các thấu kính này rất linh hoạt, với các tùy chọn được tối ưu hóa cho phạm vi UV-VIS (185-2500 nm) hoặc VIS-NIR (350-2500 nm). Chúng có nhiều phiên bản bao gồm đơn, sắc không đổi và tùy chọn tiêu cự dài. Ngoài ra, các thấu kính này có thể điều chỉnh, cho phép người dùng định vị chúng từ trường nhìn hội tụ đến phân kỳ (~25°). Vật liệu của thấu kính là f/2 BaF10 và FD10 fused silica, đảm bảo hiệu suất cao và độ bền.

Ngoài ra, Intins cam kết cung cấp cho khách hàng phần mềm điều khiển máy bay không người lái kết hợp máy quang phổ tiện lợi và thân thiện với người dùng. Mục tiêu của chúng tôi là đảm bảo rằng phần mềm của chúng tôi đáp ứng các yêu cầu và ứng dụng cụ thể của từng khách hàng, bằng cách cung cấp các tính năng tiện lợi nhất để dễ dàng điều khiển và sử dụng. Chúng tôi cam kết mang đến trải nghiệm người dùng chuyên nghiệp và liền mạch, giúp khách hàng của chúng tôi quản lý và sử dụng hiệu quả hệ thống drone kết hợp máy quang phổ của họ một cách dễ dàng.

KẾT LUẬN

Máy quang phổ UAV mang lại nhiều lợi ích đáng kể bằng cách hỗ trợ nghiên cứu và phân tích tiên tiến trên nhiều ngành công nghiệp. Khả năng cung cấp dữ liệu chính xác và thời gian thực về các thông số khác nhau đã chứng minh giá trị to lớn trong các lĩnh vực như nông nghiệp, giám sát môi trường, năng lượng, dầu khí và khảo cổ học. Khi công nghệ tiếp tục tiến bộ, vai trò của máy quang phổ UAV trong cách mạng hóa nghiên cứu và phân tích trên các ngành công nghiệp dự kiến sẽ trở nên ngày càng quan trọng. Với các tính năng xuất sắc có sẵn từ Ocean Optics, khách hàng có thể dễ dàng tìm thấy một hệ thống đáp ứng yêu cầu của họ, làm cho nó trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu trên thị trường.