[LiDAR数据模拟]系列(1) HELIOS模拟平台介绍

关键词：LiDAR 激光雷达 点云模拟 做者：李二 日期：06/05/2020 - 07/05/2020

写在前面：我前段时间的一个工做(地基激光雷达TLS的新型布站策略)须要用到模拟的TLS点云数据来验证新型布站模式的性能，所以须要找一个LiDAR模拟平台来完成以上任务。

据我所知，目前典型的经常使用的两个模拟平台是：

• DART (Discrete anisotropic radiative transfer) 的LiDAR模拟模块. DART本来主要用于遥感影像模拟与三维反演，在大约2015-2016年，增长了LiDAR的模拟模块。
• HELIOS (Heidelberg LiDAR Operations Simulator). HELIOS自己就是设计用于LiDAR数据的模拟的，也是在2015年左右完成初始版本的。

这两个软件我都用过，并准备分享一下经验，最近新学习的HELIOS，那就先分享HELIOS吧

1. HELIOS的出现与特色

近些年，随着计算机算力的提升，遥感中各类计算机模拟软件层出不穷。其实LiDAR模拟软件每每是用于如下场景的：

• 研究扫描策略和规划路径：好比一些路径规划，以及个人TLS布站策略
• 算法发展：根据模拟数据，来发展一些新的方法，好比估算树木结构属性信息
• 传感器发展：调整扫描参数，以测试不一样传感器的扫描性能
• 教学训练：好比学校没有购买激光雷达，能够用模拟数据教学

做者在他会议论文总结了一些相关历史工做，发现之前的研究主要存在以下几个不足：

• 一些研究采用的是 2.5D高程图来模拟ALS数据，缺乏对场景详细几何结构的描述
• 详细几何结构下的模拟十分耗时，须要加速
• 激光脉冲并不是一条无宽度的直线( thin line)，而是存在 beam divergence，即锥形束
• 缺少全波形数据(full-waveform)的模拟
• 可视化与交互作的不够好

德国海德堡大学(Heidelberg University) Bernhard Höfle教授团队的工程师Sebastian Bechtold(主要做者) 开发的HELIOS则具备以下特色(a flexible multi-purpose simulation framework)：

• 支持真实三维几何，输入能够为obj模型文件、GeoTIFF地形高程文件(自动被转换为三角网)、ASCII格式的‘xyz’点云文件(自动被转换为体元)
• 可用于任意场景的模拟：城市、森林、农田、自定义几何结构等
• 能够模拟机载LiDAR、无人机LiDAR、车载/背包LiDAR、地基LiDAR等不一样平台数据
• 能够输出三维点云、强度、全波形数据
• Java开发，三维可视化和交互性很是好
• 各类扫描参数定义十分方便 (XML文件的形式)，适合批量处理
• 采用核心模块(core component)和扩展模块(extension modules)的组成方式，方便扩展
• 代码开源， Github下载，且一直在维护

2. HELIOS的软件结构

HELIOS是Java写的，固然支持Windows, Linux和 Mac OS操做系统。它的软件结构比较直观，以下图所示。

HELIOS的软件结构示意图

2.1. 核心模块之Platform

platform主要用于控制scanner的位置 和方位 ，用户能够选择平台类型诸如航空或地面平台，对于运动平台还能够设置speed。

平台类型包含：

• 四轮车 (mobile laser scanning)
• 无人机 (multicopter, UAV laser scanning)
• 有人机 (airplane)
• 三脚架 (tripod)

HELIOS支持的四种平台

小注：Platform模块并不能定义行动路径，其仅能控制平台怎样移动，但却不能控制平台向哪里移动(这在survey playback模块中进行)。

2.2. 核心模块之Scene

Scene模块有两个核心功能:

场景创建：根据输入的场景文件，构建三维场景模型。

通常而言，场景是由三角面片 triangle mesh构建的(即输入多个obj模型，其具备详细的几何结构信息)，每一个三角面片均在*.mtl文件中定义了其物理属性(如反射率)，*.obj文件会对*.mtl文件中的属性值进行索引。

*.obj文件以三角面片的形式存储(来源于漆建波博士论文)

*.obj文件中三角面片的存储格式(来源于漆建波博士论文)

求交计算：根据扫描原点 origin、激光射线向量 ray vector、场景几何 scene geometry，来快速计算激光线与场景的交点。这就是所谓的光线投射 ray casting(也能够称为光线追踪 ray tracing)。

一般激光雷达每秒钟的脉冲数量可达百万，所以须要极为快速的光线投射计算。限制计算速度的主要是如何肯定一条激光射线向量与场景中那一个三角面片上的点相交，所以须要进行搜索，通常采用KD-Tree这种数据结构算法。

光线与场景交点计算的加速结构(来源于漆建波博士论文)

KD-Tree建立过程与遍历过程(来源于漆建波博士论文)

小注：这里的几个图片都是来自于我师兄漆建波 博士的博士论文，他算是遥感圈很承认的作计算机模拟模型作的很好的青年学者了。这些理论比较相通，刚好他的图很直观，因而借过来一用，感谢慷慨。

关于光线追踪/光线投射的一些具体内容，不妨看一下漆建波博士的论文

2.3. 核心模块之Scanner

Scanner模块主要有三项任务：

• 模拟射束偏转(beam deflection)：好比对于TLS，就是方位azimuth扫描和天顶zenith扫描范围，其实就是角度移动的范围 the pattern of angular movement.
• 模拟激光脉冲发射 (firing of laser pulse)：真实的激光脉冲是锥形光束，而不是直线，因此要考虑beam divergence
• 模拟探测和处理激光回波信号：

HELIOS有四类扫描模式(scan pattern)可供选择：

• Rotating mirror (parallel scan lines)
• Fiber array (parallel scan lines)
• Oscillating mirror (“zig-zag” scan pattern)
• Conic mirror (elliptical scan pattern, a.k.a. “Palmer scan”)

HELIOS支持的四类扫描模式

beam divergence的模拟：用多条光线投射multiple raycasting queries来近似激光锥形束。

通常而言，以锥形束中心为圆心，能够设置不一样的数量的圆圈来控制采样质量。

beam divergence经过多光线投射来近似模拟

full waveform 全波形的模拟：对锥形束中每条采样光线执行光线投射，若是光线与三角面片相交，则记录surface incidence angle和该面片的物理性质。

波形的计算有点复杂，我还没搞清楚，挖个坑，回头填上吧。

点云输出：HELIOS经过应用回波检测算法，诸如peak detection和Gaussian decomposition来导出点云。

2.4. 扩展模块之Loading assets

Loading assets模块其实就负责导入数据。它支持：

• OBJ文件格式，这是HELIOS支持的标准格式
• GeoTIFF文件格式，这是2.5D的数字高程影像，HELIOS会将其自动转换为三角面片
• XYZ点云文件格式，点云输入后被体元化，若是体元存在多于一个点，则该体元为场景结构体元

读取输入场景文件中的坐标空间变换，包含平移 translate、旋转 rotate、缩放 scale三个要素。

2.5. 扩展模块之Visualization

Visualization模块提供了实时交互功能，虽然目前看起来比较粗糙，可是依然颇有用。根据可视化，能够断定测站、结构等是否正确，断定扫描方式是否如预期，发现模拟代码是否有问题等等。

HELIOS的TLS模拟扫描可视化示例

3. 后记

下一期咱们具体看一下如何实际使用HELIOS模拟本身想要的数据。

其实咱们RAMM研究小组早就有人在用HELIOS，只是我一直用DART比较习惯，并且这篇TLS布站论文中也一直用DART模拟点云。目前审稿人让增长新的international benchmarking数据，而手头又没有在法国时那么powerful的电脑了，又经漆建波博士推荐，就学习了HELIOS。

我查了一下文献，目前国内外用HELIOS的还很少，因而想着总结一下经验，与你们分享。