激光雷達林業(ye) 數據

文章開始前，我們(men) 必須知道：市麵上無論哪個(ge) 波長的無人機激光雷達，都穿不透物體(ti) 。如果能穿透，一是對自然和人體(ti) 是一種破壞（想象X光照射），二是我們(men) 做激光雷達的目的就是對物體(ti) 表麵進行測量，失去原來的意義(yi) 。本篇討論的是離散回波激光雷達，全波形激光不在本篇討論範圍內(nei) 。

我們(men) 完全可以把激光雷達想象成一個(ge) 手電筒，手電筒特性有三種特性：亮度，發射範圍，發射距離。亮度對應的是激光雷達功率，發射範圍對應的是光束發散角，發射距離跟波長有很大的關(guan) 係。市麵上的大部分雷達都是機械旋轉式的雷達，具有多個(ge) 發射和接收器，因此激光雷達的特性還有掃描頻率，這兩(liang) 個(ge) 參數與(yu) 點密度息息相關(guan) 。

當然我們(men) 激光雷達除了發射以外，還有記錄的功能，也就是我們(men) 需要把照射出去的光通過接收器接收，這就涉及到我們(men) 雷達的回波次數。

手電筒的發散

一、光斑大小與(yu) 點密度

1.1 光斑形狀的計算及其影響

光斑的大小與(yu) “光束發散角度（Beam divergence）”有關(guan) 。光束發散角與(yu) 激光發射器的直徑和波長有著緊密的聯係。

光斑大小與(yu) 光束發散角度的關(guan) 係

上述因為(wei) 可以表述為(wei) ：光束發散角與(yu) 波長成正相關(guan) ，與(yu) 激光發射器直徑成負相關(guan) 。

激光雷達的光束發散角的單位為(wei) mrad（毫弧度），1毫弧度也就是0.001弧度，約等於(yu) 0.057°。1 mrad的意思就是，測距每增加100m，光斑直徑為(wei) 100mm。光束發散角與(yu) 光斑大小的關(guan) 係如下圖所示。

由於(yu) 一般的光束發散角比較小，弧長就約等於(yu) 弦長，弦長就是光斑直徑，因此：

光斑直徑=光束發散角*R

我們(men) 這裏以DJI-L1和RIEGL VUX-1UAV為(wei) 例進行計算。

1）DJI-L1的光斑大小及影響

DJI-L1的光束發散角為(wei) ，0.03°（橫向）×0.28°（縱向），測距100m時，光斑為(wei) 52mm×491mm的橢圓形，即如下圖所示的形狀。

DJI-L1光斑形狀

這是一種長條形的光斑，一般這種形狀對於(yu) 長條形的物體(ti) 具有很好的識別能力，比如電力線，因此DJI-L1的主戰場個(ge) 人覺得還是電力行業(ye) 比較合適。

DJI-L1的光斑如此之大，當測量範圍內(nei) 的地形很複雜時，把光斑內(nei) 的信號轉換成一個(ge) 信號返回接收器就會(hui) 有信息損失。舉(ju) 個(ge) 例子，如果L1是單航帶，測量了一個(ge) 房屋，由於(yu) 光斑直徑在航線方向很大，測量的一個(ge) 垂直於(yu) 航線方向的物體(ti) （譬如圍牆，女兒(er) 牆等）可能就會(hui) 有很大的形變。

DJI-L1用在林業(ye) 上，我覺得可能並不適合。在樹木密集的地方，小光斑雷達很容易就從(cong) 小縫隙穿下去，而L1不能，隻能通過多回波，多次測量才可能達到地麵（有一定概率測不到）。

2）RIEGL VUX-1UAV的光斑大小及影響

另外一款比較常見的機載雷達：RIEGL VUX-1UAV，他的光束發散角為(wei) ：0.5mrad，因此測距100m時，光斑直徑為(wei) 50mm×50mm的圓形。

RIEGL VUX-1UAV 光斑形狀

該激光雷達光斑小且橫向和縱向直徑一致，因此不會(hui) 存在精度的差異。且光斑較小，更容易穿透林子直達地麵，獲得地麵點，因此更適合林區的地形測繪。

1.2 DJI-L1 與(yu) RIEGL VUX-1UAV點密度計算

我們(men) 激光它是以點陣的形式對目標進行掃描，因此點密度的大小決(jue) 定他對目標物體(ti) 的描繪能力。點密度計算時，兩(liang) 種設備的航高均為(wei) 為(wei) 100米，重疊率50%，回波次數均為(wei) 該儀(yi) 器的最大值。

（1）DJI-L1點密度

我們(men) 以測繪精度最高的重複掃描儀(yi) 模式來進行計算。L1的掃描方式如下：

DJI-L1重複掃描方式

由三角形定理可以得到單掃描長度為(wei) 140m，掃描寬度為(wei) 8m。則在1s內(nei) ，飛行的區域為(wei) 1400㎡。

我們(men) 以L1的最高掃描頻率240KHZ，回波次數為(wei) 3，則計算的點密度為(wei) ，1028點/平方米，點間隔為(wei) 3cm。

DJI-L1點密度理論最大值

（2）RIEGL VUX-1UAV點密度

RIEGL VUX-1UAV的參數如下表所示，該雷達的FOV為(wei) 75°。我們(men) 以550KHZ，full power進行采集時，最大回波數為(wei) 4個(ge) 。

RIEGL VUX-1UAV性能參數

計算公式跟L1的一樣，我這裏直接給結果：2875點/平方米，點間隔2cm。

上述兩(liang) 種的點密度已經大大滿足於(yu) 森林調查的需要。

1.3 光斑大小與(yu) 點間隔的相互作用

如下圖所示：紅色的為(wei) 光斑，從(cong) 左到右依次是，光斑大小與(yu) 點間隔一致，大於(yu) 點間隔，小於(yu) 點間隔。

光斑大小與(yu) 點間隔

當點間隔小於(yu) 光斑直徑時（中間），雷達係統不能很好的區分光斑返回信號，造成低的信噪比。

當點間隔大於(yu) 光斑直徑的時候，雖然能夠很好的區分點信號，但是需要光斑直徑就必須很小，市麵上光斑小的價(jia) 格都不菲，比如Velodyne係列。

激光雷達光束發散角與(yu) 價(jia) 格

結論：小光斑，高點密度適合林區作業(ye) 。

二、激光雷達發射與(yu) 接收功率

我們(men) 似乎很少去討論激光雷達的功率，這是我們(men) 經常忽略的一些項目。我們(men) 平時用手電筒的時候，希望照得更亮，因此隻有買(mai) 瓦數大一點的，這樣我們(men) 才能發現更多細節。激光雷達也同樣如此。不過儀(yi) 器銷售商一般不會(hui) 提供該參數，但是我們(men) 可以憑借激光雷達的耗電功率去判斷我們(men) 雷達的發射功率（當然廠家給的是整體(ti) 功率，但是一般來說雷達是最耗電的）。比如下麵兩(liang) 款雷達係統的功率。

譬如L1：

RIEGL VUX-1UAV：

在《激光雷達生態應用——理論、方法及實例》一書(shu) 中，我們(men) 有以下公式。

其中：

可以發現，要想得到很好的接收功率，我們(men) 可以減小光束發散角，提高接收器直徑，這也是昂貴的激光雷達所具備的。

結論：更大的發射功率，意味著我們(men) 可以有更大的接收功率，我們(men) 就更容易記錄目標物體(ti) ，得到更多的細節，對森林的結構反映就更加完整。

三、多回波

多回波的定義(yi) 就是一束回波在傳(chuan) 播路徑上遇到阻礙會(hui) 返回一部分，然後其餘(yu) 的部分再繼續傳(chuan) 播，直到雷達信息達到地麵。

激光雷達多回波

多回波對激光雷達在林業(ye) 上的應用是關(guan) 鍵的，單回波碰到樹頂大部分基本就返回了，其餘(yu) 的通過空隙穿透至地麵，缺少對森林結構的精確反映。感謝L1有三次回波，我們(men) 可以記錄樹頂，樹幹，地麵等信息，對於(yu) 森林結構就描繪的更加精確。

是不是回波越多越好呢，當然不是，回波太多的話需要你的接收器的性能和算法足夠好，能夠分析不同回波信號。

結論：多回波對激光雷達森林應用起到了一個(ge) 關(guan) 鍵作用。

四、掃描頻率（脈衝(chong) 重複頻率）

我們(men) 可以看一下RIEGL VUX-1UAV的一張表，我們(men) 可以發現，隨著掃描頻率的增加，回波次數減小，相應的測量距離也會(hui) 減小。主要原因在於(yu) 隨著測量距離的增加，光的傳(chuan) 播時間增加了，因此脈衝(chong) 重複頻率必然需要降低才能正確的進行記錄數據。測量頻率的增加導致記錄數據的間隔時間就減小，分析和記錄多回波的能力就下降。

掃描頻率

結論：因此要達到一個(ge) 好的測量效果，必須綜合考慮現場的情況，靈活應用掃描頻率。