激光雷达林业数据
文章开始前,我们必须知道:市面上无论哪个波长的无人机激光雷达,都穿不透物体。如果能穿透,一是对自然和人体是一种破坏(想象X光照射),二是我们做激光雷达的目的就是对物体表面进行测量,失去原来的意义。本篇讨论的是离散回波激光雷达,全波形激光不在本篇讨论范围内。
我们完全可以把激光雷达想象成一个手电筒,手电筒特性有三种特性:亮度,发射范围,发射距离。亮度对应的是激光雷达功率,发射范围对应的是光束发散角,发射距离跟波长有很大的关系。市面上的大部分雷达都是机械旋转式的雷达,具有多个发射和接收器,因此激光雷达的特性还有扫描频率,这两个参数与点密度息息相关。
当然我们激光雷达除了发射以外,还有记录的功能,也就是我们需要把照射出去的光通过接收器接收,这就涉及到我们雷达的回波次数。
手电筒的发散
一、光斑大小与点密度
1.1 光斑形状的计算及其影响
光斑的大小与“光束发散角度(Beam divergence)”有关。光束发散角与激光发射器的直径和波长有着紧密的联系。
光斑大小与光束发散角度的关系
上述因为可以表述为:光束发散角与波长成正相关,与激光发射器直径成负相关。
激光雷达的光束发散角的单位为mrad(毫弧度),1毫弧度也就是0.001弧度,约等于0.057°。1 mrad的意思就是,测距每增加100m,光斑直径为100mm。光束发散角与光斑大小的关系如下图所示。
由于一般的光束发散角比较小,弧长就约等于弦长,弦长就是光斑直径,因此:
光斑直径=光束发散角*R
我们这里以DJI-L1和RIEGL VUX-1UAV为例进行计算。
1)DJI-L1的光斑大小及影响
DJI-L1的光束发散角为,0.03°(横向)×0.28°(纵向),测距100m时,光斑为52mm×491mm的椭圆形,即如下图所示的形状。
DJI-L1光斑形状
这是一种长条形的光斑,一般这种形状对于长条形的物体具有很好的识别能力,比如电力线,因此DJI-L1的主战场个人觉得还是电力行业比较合适。
DJI-L1的光斑如此之大,当测量范围内的地形很复杂时,把光斑内的信号转换成一个信号返回接收器就会有信息损失。举个例子,如果L1是单航带,测量了一个房屋,由于光斑直径在航线方向很大,测量的一个垂直于航线方向的物体(譬如围墙,女儿墙等)可能就会有很大的形变。
DJI-L1用在林业上,我觉得可能并不适合。在树木密集的地方,小光斑雷达很容易就从小缝隙穿下去,而L1不能,只能通过多回波,多次测量才可能达到地面(有一定概率测不到)。
2)RIEGL VUX-1UAV的光斑大小及影响
另外一款比较常见的机载雷达:RIEGL VUX-1UAV,他的光束发散角为:0.5mrad,因此测距100m时,光斑直径为50mm×50mm的圆形。
RIEGL VUX-1UAV 光斑形状
该激光雷达光斑小且横向和纵向直径一致,因此不会存在精度的差异。且光斑较小,更容易穿透林子直达地面,获得地面点,因此更适合林区的地形测绘。
1.2 DJI-L1 与RIEGL VUX-1UAV点密度计算
我们激光它是以点阵的形式对目标进行扫描,因此点密度的大小决定他对目标物体的描绘能力。点密度计算时,两种设备的航高均为为100米,重叠率50%,回波次数均为该仪器的最大值。
(1)DJI-L1点密度
我们以测绘精度最高的重复扫描仪模式来进行计算。L1的扫描方式如下:
DJI-L1重复扫描方式
由三角形定理可以得到单扫描长度为140m,扫描宽度为8m。则在1s内,飞行的区域为1400㎡。
我们以L1的最高扫描频率240KHZ,回波次数为3,则计算的点密度为,1028点/平方米,点间隔为3cm。
DJI-L1点密度理论最大值
(2)RIEGL VUX-1UAV点密度
RIEGL VUX-1UAV的参数如下表所示,该雷达的FOV为75°。我们以550KHZ,full power进行采集时,最大回波数为4个。
RIEGL VUX-1UAV性能参数
计算公式跟L1的一样,我这里直接给结果:2875点/平方米,点间隔2cm。
上述两种的点密度已经大大满足于森林调查的需要。
1.3 光斑大小与点间隔的相互作用
如下图所示:红色的为光斑,从左到右依次是,光斑大小与点间隔一致,大于点间隔,小于点间隔。
光斑大小与点间隔
当点间隔小于光斑直径时(中间),雷达系统不能很好的区分光斑返回信号,造成低的信噪比。
当点间隔大于光斑直径的时候,虽然能够很好的区分点信号,但是需要光斑直径就必须很小,市面上光斑小的价格都不菲,比如Velodyne系列。
激光雷达光束发散角与价格
结论:小光斑,高点密度适合林区作业。
二、激光雷达发射与接收功率
我们似乎很少去讨论激光雷达的功率,这是我们经常忽略的一些项目。我们平时用手电筒的时候,希望照得更亮,因此只有买瓦数大一点的,这样我们才能发现更多细节。激光雷达也同样如此。不过仪器销售商一般不会提供该参数,但是我们可以凭借激光雷达的耗电功率去判断我们雷达的发射功率(当然厂家给的是整体功率,但是一般来说雷达是最耗电的)。比如下面两款雷达系统的功率。
譬如L1:
RIEGL VUX-1UAV:
在《激光雷达生态应用——理论、方法及实例》一书中,我们有以下公式。
其中:
可以发现,要想得到很好的接收功率,我们可以减小光束发散角,提高接收器直径,这也是昂贵的激光雷达所具备的。
结论:更大的发射功率,意味着我们可以有更大的接收功率,我们就更容易记录目标物体,得到更多的细节,对森林的结构反映就更加完整。
三、多回波
多回波的定义就是一束回波在传播路径上遇到阻碍会返回一部分,然后其余的部分再继续传播,直到雷达信息达到地面。
激光雷达多回波
多回波对激光雷达在林业上的应用是关键的,单回波碰到树顶大部分基本就返回了,其余的通过空隙穿透至地面,缺少对森林结构的精确反映。感谢L1有三次回波,我们可以记录树顶,树干,地面等信息,对于森林结构就描绘的更加精确。
是不是回波越多越好呢,当然不是,回波太多的话需要你的接收器的性能和算法足够好,能够分析不同回波信号。
结论:多回波对激光雷达森林应用起到了一个关键作用。
四、扫描频率(脉冲重复频率)
我们可以看一下RIEGL VUX-1UAV的一张表,我们可以发现,随着扫描频率的增加,回波次数减小,相应的测量距离也会减小。主要原因在于随着测量距离的增加,光的传播时间增加了,因此脉冲重复频率必然需要降低才能正确的进行记录数据。测量频率的增加导致记录数据的间隔时间就减小,分析和记录多回波的能力就下降。
扫描频率
结论:因此要达到一个好的测量效果,必须综合考虑现场的情况,灵活应用扫描频率。
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