基于 HELIOS++ 的虚拟激光扫描：一种基于光线追踪的地形三维激光扫描模拟新方案
计算机视觉与模式识别
2025-04-24 v1 图像与视频处理
摘要
地形激光扫描是一种用于创建地球表面详细三维点云表示的遥感方法。由于数据采集成本高昂，在具备一定前提条件时，模拟可补充真实数据：i) 三维场景与扫描仪模型，ii) 光束-场景相互作用模型，简化至计算可行且物理真实的程度，以及 iii) 模拟数据适用的应用。现有多种面向不同用途的激光扫描模拟器，我们提出 HELIOS++ 以丰富这一工具集。HELIOS++ 是一个用 C++ 实现的开源模拟框架，支持地面静态、移动、基于无人机以及机载激光扫描。HELIOS++ 的设计在物理精度（真实感）与计算复杂度（运行时间、内存占用）之间，以及易用性与可配置性之间提供了灵活的权衡方案。HELIOS++ 的独特功能包括可用于控制模拟的 Python 绑定（pyhelios），以及多种用于三维场景表示的模型类型。HELIOS++ 进一步允许使用子采样策略模拟光束发散，并能够生成全波形输出作为详细分析的基础。由于波形的生成与分析会显著影响运行时间，用户可设定子采样的详细程度，或可选择完全禁用全波形输出。对计算因素的详细评估以及 HELIOS++ 与其前身 HELIOS 的对比显示，运行时间最多减少 83%。同时，内存需求最多降低 94%，从而允许将更大（即更复杂）的三维场景载入内存，进而通过激光扫描模拟进行虚拟获取。
引用
@article{arxiv.2101.09154,
title = {Virtual laser scanning with HELIOS++: A novel take on ray tracing-based simulation of topographic 3D laser scanning},
author = {Lukas Winiwarter and Alberto Manuel Esmorís Pena and Hannah Weiser and Katharina Anders and Jorge Martínez Sanchez and Mark Searle and Bernhard Höfle},
journal= {arXiv preprint arXiv:2101.09154},
year = {2025}
}