[LiDAR数据模拟]系列(2) HELIOS的TLS点云模拟流程

关键词：地基激光雷达 点云模拟 XML文件 作者：李二 日期：07/05/2020 - 08/05/2020

我目前仅仅使用了TLS模式进行模拟，所以先讲一下TLS的模拟经验。
ALS和MLS的模拟，以后肯定也会做一下

1. 明确模拟数据需求

在正式模拟自己的数据之前，一定要明确好自己的模拟数据需求，毕竟一次TLS的模拟耗时挺长的(在尽可能贴近野外测量参数设置条件下)。

比如我这里要做森林样方的TLS点云模拟，目的是评估不同的布站模式 scan design的数据获取质量以及对树木参数计算的影响，因此需求尽可能逼近野外TLS测量时的扫描器参数设置、森林样方树木情况。

针对森林样方场景：根据一些现有的实测森林样方树木位置、胸径、树高等信息，通过某些树木三维模型构建软件(例如 OnyxTree)来建立树木OBJ模型文件。

• 为求逼近野外样方，可制作多个不同大小和树种的树木模型。
• 一种稍微讨巧的方法是，对一棵树进行缩放变换(在输入文件中设置)，以得到不同胸径树高的模型。

针对扫描器参数：根据所需scanner系统，在HELIOS的库中选择(比如下面的例子)或者自定义扫描器(参照所想模拟的扫描器的配置specification即可)，这些一般不用关心。需要重点关心的是一些具体的扫描参数设置configuration：

• TLS的位置
• 天顶扫描范围zenith和方位扫描范围azimuth
• 扫描角度分辨率或者角度步长 angular resolution

2. 规划输入文件

令HELIOS模拟，则必须告诉其用户定义的场景是什么样的，激光扫描器是什么样的，搭载在什么平台上，在哪里扫描以及扫描范围与分辨率等。

HELIOS是通过XML文件的形式进行输入数据管理的。下图则展示了HELIOS所需要的输入文件以及功能，还有各文件之间的关联。

HELIOS的XML输入文件以及之间的关联

2.1. scene xml文件

第一步是设定场景：我们以森林样方为例，HELIOS的场景XML文件可以设定地形以及地表每棵树的obj文件以及坐标变换(旋转、平移、缩放)：

地形设置：平地条件下，可以采用默认的groundplane.obj而无需修改。有地形条件下，可以采用地形的obj文件(<filter type="objloader">)或者GeoTIFF文件(如上一期所述，会自动转换为三角面片，<filter type="geotiffloader(作者未给出例子，需要确认，mark一下))。HELIOS也支持对地形进行缩放(xml文件中filter元素下的scale属性)

树木模型设置：我们需要指定样方中每一棵树的obj模型文件路径，这与地形设置时是类似的。需要注意的是：obj模型的轴方向与我们常见的并不相同，需要事先用cloudcompare调整好方向。不过也可以不事先调整，设置pitch属性也没问题。 小注：我建议事先调整一下，否则在rotate参数设置时不太直观，可参考我的提问。

树木坐标变换：为了制作看上去更为真实的森林样方，我们可以对树木模型的尺寸、倾角、位置等进行变换。

• 通过scale调整模型的大小(DART可以分别调整三个轴的缩放比例，但HELIOS只能统一调整)
• 通过translate调整树木的三维位置。注意，当平台地表时，；当有地形时，需要根据地形进行调整
• 通过rotate调整树木的旋转。包含yaw, pitch, roll，这与通常的转角定义与范围是一致的。当需要直立树木时，则(注意这是在obj文件方向调整之后的设置)。当需要倾斜树木时，则。

树木坐标变换后看起来更为真实

具体的设置方式可以根据xml文件的树结构形式，自行设定。这里我提供了一个MATLAB脚本文件，可以自动化批量设置。

场景xml文件的树结构

2.2. scanner xml文件

第二步是设定扫描器： 扫描器的xml文件一般不需要我们额外设置，直接指定一个扫描器即可，如Riegl VZ-400。HELIOS提供了脉冲式和相位式两种类型激光扫描器可供选择。注意，不要修改库中已有的参数。

Riegl VZ-400 地基LIDAR的部分参数

如果确有需要设定其他型号的传感器，可以在xml文件中仿照已有参数自定义。

2.3. platform xml文件

第三步是设定平台：我们也不需要对平台进行额外设置，选择自己所采用的平台即可，比如地基平台就选择tripod，无人机平台就选Quadrocopter，千万不要选错了，否则扫描结果就变了。

TLS的三脚架平台属性，注意z坐标

需要注意，这里已然设定的平台的高度为1.5 m了，因此在后面的survey文件中设定扫描器位置与高度时，需要减去这个1.5 m。比如如果想设置扫描器高度为1.7 m，则survey文件中。

(小注：目前HELIOS在平台高度设置这里有个小bug，解决方法任何情况下都设置onGround = false即可)

2.4. survey xml文件

第四步是设定测量文件：survey文件中需要指定场景、平台、扫描器，以及TLS的位置(或ULS的航点)与扫描configuration。

扫描范围与分辨率设置

• headRotateStart_deg和headRotateStop_deg设置方位方向的扫描范围，取值范围0~360°
• scanAngle_deg设置天顶方向的扫描范围，取值0~90°，FOV = 2 * scanAngle_deg
• pulseFreq_hz设置脉冲频率，需要参考真实扫描器的参数，不要随意修改
• scanFreq_hz设置扫描线频率，取值范围参考canners_tls.xml文件，扫描分辨率主要通过该参数进行调整

• 扫描分辨率计算公式
• 方位分辨率=headRotatePerSec_deg / scanFreq_hz。例如：2º/s / 50Hz = 0.04º
• 天顶分辨率=2 x scanAngle_deg x scanFreq_hz / pulseFreq_hz。例如：2 x 40º x 50Hz / 100000Hz = 0.04º
• 小注：如想修改分辨率，在扫描范围保持不变的情况下，修改scanFreq_hz

具体的设置方式可以根据xml文件的树结构形式(下图)，自行设定。

survey xml文件的树结构

这里我提供了一个MATLAB脚本文件，可以自动化批量设置survey xml文件。

自动化生成scene.xml和survey.xml的MATLAB脚本

3. 执行模拟

在开始模拟之前，首先要确保输入文件路径设置正确。HELIOS推荐将survey.xml，scene.xml，*.obj等文件分开存储。

输入文件路径确保正确

一定要安装JAVA JDK才能运行哦，一些新电脑没有安装，请下载。

可视化模式

打开命令行窗口，修改至helios的目录下：

cd H:linyuan_work6_TLS station placement_UAV guidehelioshelios_precompiled

执行代码：

java -jar helios.jar data/surveys/survey_tls_forest_plot.xml 

建议先在可视化模式下打开一次，确保场景与模拟参数设置正确，然后再用批量模式，毕竟批量模式稍微快一点。

可视化窗口下有一点是需要注意的，无法通过鼠标拖动实现平移功能，因为HELIOS始终设定扫描器在窗口的中心，如果想平移可见场景部分，则可以通过移动扫描器位置来实现。

批量模式

执行代码：

java -jar helios.jar data/surveys/survey_tls_forest_plot.xml headless

4. 模拟结果查看

模拟结果分为.xyz点云文件和.xyzfullwave.txt波形文件。TLS情况下，波形文件一般不需要，可以删除。

在cloudcompare中查看模拟的点云，漂亮！

模拟的四个TLS扫描站点云的合并

.xyz点云文件内的字段属性包含：x，y，z，intensity 强度值，ECHO_WIDTH 回波宽度，RN 回波次数，NR，FWF_ID 波形id，OBJ_ID objecte文件id，CLASS

X Y Z Intensity ECHO_WIDTH RN NOR FWF_ID OBJ_ID CLASS

点云文件中各字段属性值示例

小注：HELIOS的GitHub wiki 中对CLASS的描述似乎和OBJ_ID混淆了。

比如在cloudcompare以OBJ_ID为scalar field，进行色彩化，可对每棵树赋予不同色彩，进而可以分割出来。

每棵树显示为不同的颜色

5. 后记

我在考虑现在的模拟软件，是否可以输出点的类别属性呢？可能也不会太难实现，比如可以将一棵树分成枝干obj文件和叶片obj文件，二者同时输入模拟软件中，在ray casting时顺便记录三角面片的属性，这样岂不是就可以实现了。

将单木分为主干、枝干、叶片三个子obj文件输入，以在模拟点云中获取各自obj_id并进行分类

更新(09/05/2020)：恕我愚鲁和粗心，经靳双娜师妹提醒，HELIOS确实可以实现以上功能。不过要求输入的obj模型时把每一类预先区分出来。