[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

我现在仅仅使用了TLS模式举行模拟，以是先讲一下TLS的模拟履历。
ALS和MLS的模拟，以后一定也会做一下

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，究竟一次TLS的模拟耗时挺长的(在尽可能贴近野外丈量参数设置条件下)。

好比我这里要做森林样方的TLS点云模拟，目的是评估差别的布站模式 scan design的数据获取质量以及对树木参数盘算的影响，因此需求尽可能迫近野外TLS丈量时的扫描器参数设置、森林样方树木情形。

针对森林样方场景：凭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子构建软件(例如 OnyxTree)来确立树木OBJ模子文件。

• 为求迫近野外样方，可制作多个差别巨细和树种的树木模子。
  
• 一种稍微讨巧的方式是，对一棵树举行缩放变换(在输入文件中设置)，以获得差别胸径树高的模子。
  

针对扫描器参数：凭据所需scanner系统，在HELIOS的库中选择(好比下面的例子)或者自界说扫描器(参照所想模拟的扫描器的设置specification即可)，这些一样平常不用体贴。需要重点体贴的是一些详细的扫描参数设置configuration：

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

2. 计划输入文件

令HELIOS模拟，则必须告诉其用户界说的场景是什么样的，激光扫描器是什么样的，搭载在什么平台上，在那里扫描以及扫描局限与分辨率等。

HELIOS是通过XML文件的形式举行输入数据管理的。下图则展示了HELIOS所需要的输入文件以及功效，另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，可以接纳默认的groundplane.obj而无需修改。有地形条件下，可以接纳地形的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也支持对地形举行缩放(xml文件中filter元素下的scale属性)

树木模子设置：我们需要指定样方中每一棵树的obj模子文件路径，这与地形设置时是类似的。需要注重的是：obj模子的 轴偏向与我们常见的并不相同，需要事先用cloudcompare调整好偏向。不外也可以不事先调整，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，我们可以对树木模子的尺寸、倾角、位置等举行变换。

• 通过
  scale调整模子的巨细(DART可以划分调整
  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。注重，当平台地表时，
  ；当有地形时，
  需要凭据地形举行调整
  
• 通过
  rotate调整树木的旋转。包罗
  yaw,
  pitch,
  roll，这与通常的转角界说与局限是一致的。当需要直立树木时，则
  (注重这是在obj文件偏向调整之后的设置)。当需要倾斜树木时，则
  。
  
  

树木坐标变换后看起来更为真实

详细的设置方式可以凭据xml文件的树结构形式，自行设定。这里我提供了一个MATLAB剧本文件，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文件一样平常不需要我们分外设置，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。注重，不要修改库中已有的参数。

Riegl VZ-400 地基LIDAR的部门参数

若是确有需要设定其他型号的传感器，可以在xml文件中模仿已有参数自界说。

2.3. platform xml文件

第三步是设定平台：我们也不需要对平台举行分外设置，选择自己所接纳的平台即可，好比地基平台就选择tripod，无人机平台就选Quadrocopter，万万不要选错了，否则扫描效果就变了。

TLS的三脚架平台属性，注重z坐标

需要注重，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。好比若是想设置扫描器高度为1.7 m，则survey文件中 。

(小注：现在HELIOS在平台高度设置这里有个小bug，解决方式任何情形下都设置onGround = false即可)

Java 经典面试题：聊一聊 JUC 下的 LinkedBlockingQueue

2.4. survey xml文件

第四步是设定丈量文件：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。

扫描局限与分辨率设置

• headRotateStart_deg和
  headRotateStop_deg设置方位偏向的扫描局限，取值局限0~360°
  
• scanAngle_deg设置天顶偏向的扫描局限，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，取值局限参考
  canners_tls.xml文件，扫描分辨率主要通过该参数举行调整
  
  

• 扫描分辨率盘算公式
  
• 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，在扫描局限保持稳定的情形下，修改
  scanFreq_hz
  

详细的设置方式可以凭据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剧本文件，可以自动化批量设置survey xml文件。

自动化天生scene.xml和survey.xml的MATLAB剧本

3. 执行模拟

在最先模拟之前，首先要确保输入文件路径设置准确。HELIOS推荐将survey.xml，scene.xml，*.obj等文件离开存储。

输入文件路径确保准确

一定要安装JAVA JDK才气运行哦，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_work\06_TLS station placement_UAV guide\helios\helios_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准确，然后再用批量模式，究竟批量模式稍微快一点。

可视化窗口下有一点是需要注重的，无法通过鼠标拖动实现平移功效，由于HELIOS始终设定扫描器在窗口的中央，若是想平移可见场景部门，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. 模拟效果查看

模拟效果分为.xyz点云文件和.xyzfullwave.txt波形文件。TLS情形下，波形文件一样平常不需要，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

5. 后记

我在思量现在的模拟软件，是否可以输出点的种别属性呢？可能也不会太难实现，好比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时顺便纪录三角面片的属性，这样岂不是就可以实现了。

若是有知道或者有人能做出这个功效，想必是好的，请告诉我一声。我不会java编程。