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你的激光雷达能穿透森林吗

星之球科技 来源:爱学习的测绘师2021-08-02 我要评论(0 )   

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...

激光雷达林业数据

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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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