激光雷達林業數據
文章開始前，我們必須知道：市面上無論哪個波長的無人機激光雷達，都穿不透物體。如果能穿透，一是對自然和人體是一種破壞（想象X光照射），二是我們做激光雷達的目的就是對物體表面進行測量，失去原來的意義。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范圍內。
我們完全可以把激光雷達想象成一個手電筒，手電筒特性有三種特性：亮度，發射范圍，發射距離。亮度對應的是激光雷達功率，發射范圍對應的是光束發散角，發射距離跟波長有很大的關系。市面上的大部分雷達都是機械旋轉式的雷達，具有多個發射和接收器，因此激光雷達的特性還有掃描頻率，這兩個參數與點密度息息相關。
當然我們激光雷達除了發射以外，還有記錄的功能，也就是我們需要把照射出去的光通過接收器接收，這就涉及到我們雷達的回波次數。
手電筒的發散
一、光斑大小與點密度
1.1 光斑形狀的計算及其影響
光斑的大小與“光束發散角度（Beam divergence）”有關。光束發散角與激光發射器的直徑和波長有著緊密的聯系。
光斑大小與光束發散角度的關系
上述因為可以表述為：光束發散角與波長成正相關，與激光發射器直徑成負相關。
激光雷達的光束發散角的單位為mrad（毫弧度），1毫弧度也就是0.001弧度，約等于0.057°。1 mrad的意思就是，測距每增加100m，光斑直徑為100mm。光束發散角與光斑大小的關系如下圖所示。
由于一般的光束發散角比較小，弧長就約等于弦長，弦長就是光斑直徑，因此：
光斑直徑=光束發散角*R
我們這里以DJI-L1和RIEGL VUX-1UAV為例進行計算。
1）DJI-L1的光斑大小及影響
DJI-L1的光束發散角為，0.03°（橫向）×0.28°（縱向），測距100m時，光斑為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，一般這種形狀對于長條形的物體具有很好的識別能力，比如電力線，因此DJI-L1的主戰場個人覺得還是電力行業比較合適。
DJI-L1的光斑如此之大，當測量范圍內的地形很復雜時，把光斑內的信號轉換成一個信號返回接收器就會有信息損失。舉個例子，如果L1是單航帶，測量了一個房屋，由于光斑直徑在航線方向很大，測量的一個垂直于航線方向的物體（譬如圍墻，女兒墻等）可能就會有很大的形變。
DJI-L1用在林業上，我覺得可能并不適合。在樹木密集的地方，小光斑雷達很容易就從小縫隙穿下去，而L1不能，只能通過多回波，多次測量才可能達到地面（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：0.5mrad，因此測距100m時，光斑直徑為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，因此不會存在精度的差異。且光斑較小，更容易穿透林子直達地面，獲得地面點，因此更適合林區的地形測繪。
1.2 DJI-L1 與RIEGL VUX-1UAV點密度計算
我們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定他對目標物體的描繪能力。點密度計算時，兩種設備的航高均為為100米，重疊率50%，回波次數均為該儀器的最大值。
（1）DJI-L1點密度
我們以測繪精度最高的重復掃描儀模式來進行計算。L1的掃描方式如下：
DJI-L1重復掃描方式
由三角形定理可以得到單掃描長度為140m，掃描寬度為8m。則在1s內，飛行的區域為1400㎡。
我們以L1的最高掃描頻率240KHZ，回波次數為3，則計算的點密度為，1028點/平方米，點間隔為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75°。我們以550KHZ，full power進行采集時，最大回波數為4個。
RIEGL VUX-1UAV性能參數
計算公式跟L1的一樣，我這里直接給結果：2875點/平方米，點間隔2cm。
上述兩種的點密度已經大大滿足于森林調查的需要。
1.3 光斑大小與點間隔的相互作用
如下圖所示：紅色的為光斑，從左到右依次是，光斑大小與點間隔一致，大于點間隔，小于點間隔。
光斑大小與點間隔
當點間隔小于光斑直徑時（中間），雷達系統不能很好的區分光斑返回信號，造成低的信噪比。
當點間隔大于光斑直徑的時候，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，市面上光斑小的價格都不菲，比如Velodyne系列。
激光雷達光束發散角與價格
結論：小光斑，高點密度適合林區作業。
二、激光雷達發射與接收功率
我們似乎很少去討論激光雷達的功率，這是我們經常忽略的一些項目。我們平時用手電筒的時候，希望照得更亮，因此只有買瓦數大一點的，這樣我們才能發現更多細節。激光雷達也同樣如此。不過儀器銷售商一般不會提供該參數，但是我們可以憑借激光雷達的耗電功率去判斷我們雷達的發射功率（當然廠家給的是整體功率，但是一般來說雷達是最耗電的）。比如下面兩款雷達系統的功率。
譬如L1：
RIEGL VUX-1UAV：
在《激光雷達生態應用——理論、方法及實例》一書中，我們有以下公式。
其中：
可以發現，要想得到很好的接收功率，我們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，意味著我們可以有更大的接收功率，我們就更容易記錄目標物體，得到更多的細節，對森林的結構反映就更加完整。
三、多回波
多回波的定義就是一束回波在傳播路徑上遇到阻礙會返回一部分，然后其余的部分再繼續傳播，直到雷達信息達到地面。
激光雷達多回波
多回波對激光雷達在林業上的應用是關鍵的，單回波碰到樹頂大部分基本就返回了，其余的通過空隙穿透至地面，缺少對森林結構的精確反映。感謝L1有三次回波，我們可以記錄樹頂，樹干，地面等信息，對于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關鍵作用。
四、掃描頻率（脈沖重復頻率）
我們可以看一下RIEGL VUX-1UAV的一張表，我們可以發現，隨著掃描頻率的增加，回波次數減小，相應的測量距離也會減小。主要原因在于隨著測量距離的增加，光的傳播時間增加了，因此脈沖重復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。
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