[LiDAR數據模擬]系列(2) HELIOS的TLS點雲模擬流程

關鍵詞：地基激光雷達 點雲模擬 XML文件 做者：李二 日期：07/05/2020 - 08/05/2020

我目前僅僅使用了TLS模式進行模擬，因此先講一下TLS的模擬經驗。
ALS和MLS的模擬，之後確定也會作一下

1. 明確模擬數據需求

在正式模擬本身的數據以前，必定要明確好本身的模擬數據需求，畢竟一次TLS的模擬耗時挺長的(在儘量貼近野外測量參數設置條件下)。

好比我這裏要作森林樣方的TLS點雲模擬，目的是評估不一樣的布站模式 scan design的數據獲取質量以及對樹木參數計算的影響，所以需求儘量逼近野外TLS測量時的掃描器參數設置、森林樣方樹木狀況。

針對森林樣方場景：根據一些現有的實測森林樣方樹木位置、胸徑、樹高等信息，經過某些樹木三維模型構建軟件(例如 OnyxTree)來創建樹木OBJ模型文件。

• 爲求逼近野外樣方，可製做多個不一樣大小和樹種的樹木模型。
• 一種稍微討巧的方法是，對一棵樹進行縮放變換(在輸入文件中設置)，以獲得不一樣胸徑樹高的模型。

針對掃描器參數：根據所需scanner系統，在HELIOS的庫中選擇(好比下面的例子)或者自定義掃描器(參照所想模擬的掃描器的配置specification便可)，這些通常不用關心。須要重點關心的是一些具體的掃描參數設置configuration：

• TLS的位置
• 天頂掃描範圍 zenith和方位掃描範圍 azimuth
• 掃描角度分辨率或者角度步長 angular resolution

2. 規劃輸入文件

令HELIOS模擬，則必須告訴其用戶定義的場景是什麼樣的，激光掃描器是什麼樣的，搭載在什麼平臺上，在哪裏掃描以及掃描範圍與分辨率等。

HELIOS是經過XML文件的形式進行輸入數據管理的。下圖則展現了HELIOS所須要的輸入文件以及功能，還有各文件之間的關聯。

HELIOS的XML輸入文件以及之間的關聯

2.1. scene xml文件

第一步是設定場景：咱們以森林樣方爲例，HELIOS的場景XML文件能夠設定地形以及地表每棵樹的obj文件以及座標變換(旋轉、平移、縮放)：

地形設置：平地條件下，能夠採用默認的groundplane.obj而無需修改。有地形條件下，能夠採用地形的obj文件(<filter type="objloader">)或者GeoTIFF文件(如上一期所述，會自動轉換爲三角面片，<filter type="geotiffloader(做者未給出例子，須要確認，mark一下))。HELIOS也支持對地形進行縮放(xml文件中filter元素下的scale屬性)

樹木模型設置：咱們須要指定樣方中每一棵樹的obj模型文件路徑，這與地形設置時是相似的。須要注意的是：obj模型的 軸方向與咱們常見的並不相同，須要事先用cloudcompare調整好方向。不過也能夠不事先調整，設置pitch屬性也沒問題。 小注：我建議事先調整一下，不然在rotate參數設置時不太直觀，可參考個人提問。

樹木座標變換：爲了製做看上去更爲真實的森林樣方，咱們能夠對樹木模型的尺寸、傾角、位置等進行變換。

• 經過 scale調整模型的大小(DART能夠分別調整 三個軸的縮放比例，但HELIOS只能統一調整)
• 經過 translate調整樹木的三維位置。注意，當平臺地表時， ；當有地形時， 須要根據地形進行調整
• 經過 rotate調整樹木的旋轉。包含 yaw, pitch, roll，這與一般的轉角定義與範圍是一致的。當須要直立樹木時，則 (注意這是在obj文件方向調整以後的設置)。當須要傾斜樹木時，則 。

樹木座標變換後看起來更爲真實

具體的設置方式能夠根據xml文件的樹結構形式，自行設定。這裏我提供了一個MATLAB腳本文件，能夠自動化批量設置。

場景xml文件的樹結構

2.2. scanner xml文件

第二步是設定掃描器： 掃描器的xml文件通常不須要咱們額外設置，直接指定一個掃描器便可，如Riegl VZ-400。HELIOS提供了脈衝式和相位式兩種類型激光掃描器可供選擇。注意，不要修改庫中已有的參數。

Riegl VZ-400 地基LIDAR的部分參數

若是確有須要設定其餘型號的傳感器，能夠在xml文件中仿照已有參數自定義。

2.3. platform xml文件

第三步是設定平臺：咱們也不須要對平臺進行額外設置，選擇本身所採用的平臺便可，好比地基平臺就選擇tripod，無人機平臺就選Quadrocopter，千萬不要選錯了，不然掃描結果就變了。

TLS的三腳架平臺屬性，注意z座標

須要注意，這裏已然設定的平臺的高度爲1.5 m了，所以在後面的survey文件中設定掃描器位置與高度時，須要減去這個1.5 m。好比若是想設置掃描器高度爲1.7 m，則survey文件中 。

(小注：目前HELIOS在平臺高度設置這裏有個小bug，解決方法任何狀況下都設置onGround = false便可)

2.4. survey xml文件

第四步是設定測量文件：survey文件中須要指定場景、平臺、掃描器，以及TLS的位置(或ULS的航點)與掃描configuration。

掃描範圍與分辨率設置

• headRotateStart_deg和 headRotateStop_deg設置方位方向的掃描範圍，取值範圍0~360°
• scanAngle_deg設置天頂方向的掃描範圍，取值0~90°， FOV = 2 * scanAngle_deg
• pulseFreq_hz設置脈衝頻率，須要參考真實掃描器的參數，不要隨意修改
• scanFreq_hz設置掃描線頻率，取值範圍參考 canners_tls.xml文件，掃描分辨率主要經過該參數進行調整

• 掃描分辨率計算公式
• 方位分辨率= headRotatePerSec_deg / scanFreq_hz。例如：2º/s / 50Hz = 0.04º
• 天頂分辨率= 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，在掃描範圍保持不變的狀況下，修改 scanFreq_hz

具體的設置方式能夠根據xml文件的樹結構形式(下圖)，自行設定。

survey xml文件的樹結構

這裏我提供了一個MATLAB腳本文件，能夠自動化批量設置survey xml文件。

自動化生成scene.xml和survey.xml的MATLAB腳本

3. 執行模擬

在開始模擬以前，首先要確保輸入文件路徑設置正確。HELIOS推薦將survey.xml，scene.xml，*.obj等文件分開存儲。

輸入文件路徑確保正確

必定要安裝JAVA JDK才能運行哦，一些新電腦沒有安裝，請下載。

可視化模式

打開命令行窗口，修改至helios的目錄下：

cd H:\linyuan_work\06_TLS station placement_UAV guide\helios\helios_precompiled

執行代碼：

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

建議先在可視化模式下打開一次，確保場景與模擬參數設置正確，而後再用批量模式，畢竟批量模式稍微快一點。

可視化窗口下有一點是須要注意的，沒法經過鼠標拖動實現平移功能，由於HELIOS始終設定掃描器在窗口的中心，若是想平移可見場景部分，則能夠經過移動掃描器位置來實現。

批量模式

執行代碼：

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

4. 模擬結果查看

模擬結果分爲.xyz點雲文件和.xyzfullwave.txt波形文件。TLS狀況下，波形文件通常不須要，能夠刪除。

在cloudcompare中查看模擬的點雲，漂亮！

模擬的四個TLS掃描站點雲的合併

.xyz點雲文件內的字段屬性包含：x，y，z，intensity 強度值，ECHO_WIDTH 回波寬度，RN 回波次數，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

點雲文件中各字段屬性值示例

小注：HELIOS的GitHub wiki 中對CLASS的描述彷佛和OBJ_ID混淆了。

好比在cloudcompare以OBJ_ID爲scalar field，進行色彩化，可對每棵樹賦予不一樣色彩，進而能夠分割出來。

每棵樹顯示爲不一樣的顏色

5. 後記

我在考慮如今的模擬軟件，是否能夠輸出點的類別屬性呢？可能也不會太難實現，好比能夠將一棵樹分紅枝幹obj文件和葉片obj文件，兩者同時輸入模擬軟件中，在ray casting時順便記錄三角面片的屬性，這樣豈不是就能夠實現了。

將單木分爲主幹、枝幹、葉片三個子obj文件輸入，以在模擬點雲中獲取各自obj_id並進行分類

更新(09/05/2020)：恕我愚魯和粗心，經靳雙娜師妹提醒，HELIOS確實能夠實現以上功能。不過要求輸入的obj模型時把每一類預先區分出來。