關鍵詞：地基激光雷達 點雲模擬 XML文件 作者：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，所以先講一下TLS的模擬經驗。
ALS和MLS的模擬，以后肯定也會做一下
1. 明確模擬數據需求
在正式模擬自己的數據之前，一定要明確好自己的模擬數據需求，畢竟一次TLS的模擬耗時挺長的(在盡可能貼近野外測量參數設置條件下)。
比如我這里要做森林樣方的TLS點雲模擬，目的是評估不同的布站模式 scan design的數據獲取質量以及對樹木參數計算的影響，因此需求盡可能逼近野外TLS測量時的掃描器參數設置、森林樣方樹木情況。
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，通過某些樹木三維模型構建軟件(例如
OnyxTree)來建立樹木OBJ模型文件。
為求逼近野外樣方，可制作多個不同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)，以得到不同胸徑樹高的模型。
針對掃描器參數：根據所需
scanner系統，在HELIOS的庫中選擇(比如下面的例子)或者自定義掃描器(參照所想模擬的掃描器的配置specification即可)，這些一般不用關心。需要重點關心的是一些具體的掃描參數設置configuration：
TLS的位置 天頂掃描范圍 zenith和方位掃描范圍azimuth掃描角度分辨率或者角度步長 angular resolution
2. 規划輸入文件
令HELIOS模擬，則必須告訴其用戶定義的場景是什么樣的，激光掃描器是什么樣的，搭載在什么平台上，在哪里掃描以及掃描范圍與分辨率等。
HELIOS是通過XML文件的形式進行輸入數據管理的。下圖則展示了HELIOS所需要的輸入文件以及功能，還有各文件之間的關聯。
2.1. scene xml文件
第一步是設定場景：我們以森林樣方為例，HELIOS的場景XML文件可以設定地形以及地表每棵樹的obj文件以及坐標變換(
旋轉、平移、縮放)：地形設置：平地條件下，可以采用默認的
groundplane.obj而無需修改。有地形條件下，可以采用地形的obj文件(<filter type="objloader">)或者GeoTIFF文件(如上一期所述，會自動轉換為三角面片，<filter type="geotiffloader(作者未給出例子，需要確認，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：我們需要指定樣方中每一棵樹的obj模型文件路徑，這與地形設置時是類似的。需要注意的是：obj模型的 軸方向與我們常見的並不相同，需要事先用
cloudcompare調整好方向。不過也可以不事先調整，設置pitch屬性也沒問題。小注：我建議事先調整一下，否則在
rotate參數設置時不太直觀，可參考我的提問。樹木坐標變換：為了制作看上去更為真實的森林樣方，我們可以對樹木模型的尺寸、傾角、位置等進行變換。
通過 scale調整模型的大小(DART可以分別調整 三個軸的縮放比例，但HELIOS只能統一調整)通過 translate調整樹木的三維位置。注意，當平台地表時， ；當有地形時， 需要根據地形進行調整通過 rotate調整樹木的旋轉。包含yaw,pitch,roll，這與通常的轉角定義與范圍是一致的。當需要直立樹木時，則 (注意這是在obj文件方向調整之后的設置)。當需要傾斜樹木時，則 。
具體的設置方式可以根據xml文件的樹結構形式，自行設定。這里我提供了一個MATLAB腳本文件，可以自動化批量設置。
2.2. scanner xml文件
第二步是設定掃描器： 掃描器的xml文件一般不需要我們額外設置，直接指定一個掃描器即可，如Riegl VZ-400。HELIOS提供了脈沖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。
如果確有需要設定其他型號的傳感器，可以在xml文件中仿照已有參數自定義。
2.3. platform xml文件
第三步是設定平台：我們也不需要對平台進行額外設置，選擇自己所采用的平台即可，比如地基平台就選擇
tripod，無人機平台就選Quadrocopter，千萬不要選錯了，否則掃描結果就變了。
需要注意，這里已然設定的平台的高度為1.5 m了，因此在后面的survey文件中設定掃描器位置與高度時，需要減去這個1.5 m。比如如果想設置掃描器高度為1.7 m，則survey文件中
。
(小注：目前HELIOS在平台高度設置這里有個小bug，解決方法任何情況下都設置onGround = false即可)
2.4. survey xml文件
第四步是設定測量文件：survey文件中需要指定場景、平台、掃描器，以及TLS的位置(或ULS的航點)與掃描configuration。
掃描范圍與分辨率設置
headRotateStart_deg和headRotateStop_deg設置方位方向的掃描范圍，取值范圍0~360°scanAngle_deg設置天頂方向的掃描范圍，取值0~90°，FOV = 2 * scanAngle_degpulseFreq_hz設置脈沖頻率，需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，取值范圍參考canners_tls.xml文件，掃描分辨率主要通過該參數進行調整
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，在掃描范圍保持不變的情況下，修改 scanFreq_hz
具體的設置方式可以根據xml文件的樹結構形式(下圖)，自行設定。
這里我提供了一個MATLAB腳本文件，可以自動化批量設置survey xml文件。
3. 執行模擬
在開始模擬之前，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。
一定要安裝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，然后再用批量模式，畢竟批量模式稍微快一點。
可視化窗口下有一點是需要注意的，無法通過鼠標拖動實現平移功能，因為HELIOS始終設定掃描器在窗口的中心，如果想平移可見場景部分，則可以通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
模擬結果分為.xyz點雲文件和.xyzfullwave.txt波形文件。TLS情況下，波形文件一般不需要，可以刪除。
在cloudcompare中查看模擬的點雲，漂亮！
.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
小注：HELIOS的GitHub wiki 中對CLASS的描述似乎和OBJ_ID混淆了。
比如在cloudcompare以OBJ_ID為scalar field，進行色彩化，可對每棵樹賦予不同色彩，進而可以分割出來。
5. 后記
我在考慮現在的模擬軟件，是否可以輸出點的類別屬性呢？可能也不會太難實現，比如可以將一棵樹分成枝干obj文件和葉片obj文件，二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，這樣豈不是就可以實現了。
更新(09/05/2020)：恕我愚魯和粗心，經靳雙娜師妹提醒，HELIOS確實可以實現以上功能。不過要求輸入的obj模型時把每一類預先區分出來。