文章来源：三维前沿

    摘要

    基于无人机激光雷达航测获取地面几何模型和影像信息具有快速、高效和高精度的特点，而且其数字化成果具备向建筑信息模型(BIM)平台迁移的优势，使用无人机激光雷达设备开展了测图全流程实验，并分析航测数据精度，探索了利用成果数据进行BIM规划设计应用的可行性及意义。研究成果验证了无人机LiDAR测绘数据作为BIM前期工程项目数据的可行性，提升BIM设计的效率，拓展了工程全生命周期数据链形式

    关键词

    LiDAR；无人机；工程全生命周期；建筑信息模型；规划设计

    引言

    机载激光雷达(airbornelightdetectionandranging,LiDAR)航测是集激光扫描、全球定位系统和惯性导航系统3种技术于一体的空间测量技术，具有速度快、精度高、能提供三维信息的优点。配合高清数码相机还可以获取与激光信息相匹配的高清影像信息。将三维激光扫描技术与控制测量结合起来，可以得到扫描目标的当地坐标，因此机载激光雷达航测已成为生成数字地面模型的重要工具。相比于固定翼无人机和多旋翼无人机具有机动性强、定点悬浮和垂直起降等特点，且结构简单、可维护性强。

    利用无人机作为机载激光雷达设备的载具，开展无人机低空激光雷达场区测绘工作，不仅能够有效提高测绘效率，而且获得的测绘成果信息化程度较高，能够同建筑信息模型(buildinginformationmodeling,BIM)技术相结合，方便工程师快速开展场区规划设计。

    本文对如何利用无人机激光雷达航测技术开展场区测绘工作，以及如何将测绘结果与BIM技术相结合开展规划设计进行探索研究。

    整体工作综述

    对拟用点位进行高质量的测绘是开展工程设计、施工的基础，测绘工作直接关系到工程的质量和预期效益的实现。

    传统测绘采用人工实地作业方式，根据经验，对1km2的丘陵地区进行人工测绘，仅外场作业就需要10人工作半个月左右，作业效率低、劳动强度高、成果数据精度不易控制。随着测绘技术的不断发展，特别是LiDAR技术的出现，让短时间完成低成本、高密度、高精度、高效率的测绘作业成为可能。

    本文采用多旋翼无人机挂载激光雷达测绘系统的方式进行测绘试验，试验流程如图1所示。本文选定点位为已测点位，具有完整的人工测绘数据，因此本文重点在于无人机激光雷达航测作业及测图数据的BIM应用。

    ▲图1试验流程

    无人机激光雷达航测系统介绍

    本文的研究所使用的无人机激光雷达航测系统由无人机、激光扫描仪、数码相机、定姿定位系统(POS)、全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)基站等硬件及配套数据处理软件等组成，雷达技术参数如下如表1：

    ▼表1雷达技术参数

    全状态无人机激光雷达航测设备如图2所示。

    ▲图2无人机激光雷达航测设备

    此外，系统还需要搭配飞行控制软件、航迹解算软件、飞行姿态数据差分耦合软件、点云解算软件、激光点云滤波分类处理软件、正射影像解算软件、影像修正软件等。

    无人机载激光雷达低空场区勘测

    A、理论基础

    ????无人机激光雷达航测系统单次飞行测绘面积公式为

    【公式说明】

        S为单次飞行测绘面积；

        v为飞行速度；

        t为单次飞行时间；

        h为单次飞行平均高度；

        a为选取的激光雷达测量角；

        j为旁向重叠度(往返测量时平行航线间测绘幅面的重叠率)。

    ????本文代入如下数据：

        S=9km9km

        v=27km/h；

        t=20min；

        h=300m；

        a=80°；

        j=20%

    可得，单次飞行理论测绘面积为3.62km2，因此单次飞行至少可满足3km2的测绘工作；

    若配备备用电池，按更换一次电池的有效作业时间为20min计算，理论上完成10km2的测绘工作不超过3h。

    B、实操过程

    01前期准备工作

    测区勘察

    主要了解测区内与飞行作业相关的因素，如起飞地点、地形地貌及植被茂密情况，有无无线电发射塔、高压线、易形成旋风的地形及其他可能造成安全方面的影响。

    航线设计

    确定飞行区域后，利用互联网获取场区三维地图数据(本文利用谷歌地图软件下载)，并在其基础上进行航线设计。规划航迹时需要充分考虑测区的走势、空域管制和飞行时间等要素。

    数据校准

    在测区范围内选择必要数量的GNSS基准站点及均匀布置5个以上坐标转换标志点，另需布置30个以上的无植被区域测图精度评定点，转换标志点和无植被区域测图精度评定点均需能从影像上准确定位。完成各项准备工作后即可开展场区实地作业。

    02飞行测图现场作业

    在测区进行GNSS基站架设、连接飞控设备并上传航线、磁罗盘校准等工作，完成准备后，即可开展低空测绘工作。

    准备要点：

    GNSS基站应架设在较为空旷的地域，便于接受卫星信号。

    在测绘过程中GNSS基站都要保持姿态不发生任何变化，确保卫星数据的一致性。

    03测图数据处理

    确定参数过程

    航迹及激光点云解算、DOM数据生产

    通过地面基准站GPS数据与机载GPS数据联合差分解算；

    确定航摄过程中飞行航迹，再与IMU惯性数据耦合处理，得到航迹姿态信息；

    平滑处理，得到测绘时刻激光雷达及相机的位置和姿态信息，结合激光测距及扫描角数据进行联合处理，得到各个测点的三维坐标数据，形成激光点云数据。

    ▲解算和生成流程如图3所示：

    ▲图3航迹及激光点云数据解算流程

    数据修正策略

    相同经纬度点为中心，较小范围内保留最低点为地面点，可剔除植被、高架电线等对测绘结果的影响。

    删除明显高过地面的点，可剔除飞行器自身结构、飞鸟、高架电线等对测绘结果的影响。

    对于无回波点，选择无回波区域边缘点高程平均值作为区域内补充点的高程值，按照每平方米4个点的密度进行补值。

    经过解算和修正，即可得到测绘成果，包括DEM、DSM、DOM数据和激光点云数据。激光点云数据与DOM数据结合可生成彩色点云文件，如图4所示。

    ▲图4三维彩色点云

    04数据精度评定

    本文试验精度评定采用与传统人工测图相应数据进行比对，点云的具体精度如下：

    2个航次数据合在一起计算的地面点云密度为1.55个/平方米(剔除植被点和无效点后)，满足激光雷达测图比例尺1∶2000的点云密度要求。

    跟人工测绘的点对比，无植被硬地面区域高程精度优于0.20m，平面精度为0.30m左右。跟人工测绘的点对比，植被区域高程精度一般在0.50m左右，本文试验中最大的高程误差为1.80m(谷底植被茂密处)。

    本次试验所选点位植被较为茂密，植被最大高度超过10m，地形属于典型丘陵地带，最大高差接近150m。经过实验数据对比分析，相关成果完全满足工程勘察的需要，证明了该测绘技术具有很强的工程实践性。

    无人机载激光雷达勘测成果的BIM应用

    BIM技术旨在构建面向建筑全生命周期的BIM，支持跨阶段的信息无损传递和各参与方之间的信息共享和协同工作。本文在前期无人机载激光雷达场区勘测成果的基础上，研究了如何利用BIM技术无缝衔接其数据，实现场区勘察数据与方案规划阶段BIM应用的信息无损传递和集成应用问题。

    数据文件分析

    航测完成后获取的场区勘测成果主要以点云数据、DEM数据和DOM数据为主，其附带的数字线划图DLG文件主要以CAD文件方式存在。本文将其利用与BIM场区规划的方式见表2。

    ▼表2场区勘测成果及其利用方式

    点云数据利用

    由于DEM数据可直接通过点云数据解算获得，因此对于地形模型的创建与数据传递本文主要通过点云数据进行。

    本文实验获取的点云数据范围为1.6km?，效地面点数量为1556897个，数据文件大小为51695kb，文件格式为.las，导入AutodeskCivil3D平台，导入时间为30s，导入后显示浏览、操作流畅。

    在Civil3D平台，可基于导入的点云数据生成三角网曲面模型，也可生成等高线图，相关操作并不复杂，处理基本无需过长的等待(图6)。

    ▲图5AutodeskCivil3D平台下地面点云

    ▲图6点云与等高线叠加

    通过Civil3D可将地形模型导出为LandXML数据，使其与GIS平台对接，方便导入方案规划设计软件Infraworks中。还可以直接利用完整点云文件(包含地物和植被数据)在Infraworks中生成点云模型，用于实际地物和植被的参照(图7)。

    利用Infraworks的快速布置功能可快速完成基于地形数据布置建筑和场地规划，还可以实现道路路线的初步规划(图8)。Infraworks对地形的修改还可以完整传递到Civil3D中用于更加精确的场地规划设计，该数据可满足场地规划以及道路设计图上定线、方案设计的要求(图9)。Revit也可以利用点云文件生成点云模型，作为后期设计的参照。需要说明的是，Revit不直接支持.las格式的点云文件，可利用Recap等软件将其转换为.rcs文件，供Revit快速链接转化(图10)。

    ▲图7包含地物和植被数据点云

    ▲图8Infraworks快速场区BIM规划

    ▲图9Infraworks数据导回Civil3D后的地形修改

    ▲图10Revit导入.rcs文件用于设计参照

    BIM应用小结

    利用机载激光雷达勘测数据进行BIM场区规划设计，有利于打通勘察阶段数据与方案设计阶段的数据通道，使BIM设计数据向GIS数据延伸，也有利于GIS系统与BIM技术的结合。通过相应软件的实际应用，可以有效降低工程项目决策期的数据生产成本和沟通成本，提高数据的精度，为BIM技术在工程全生命周期应用的上游阶段提供了良好的数据支持

    无人机载激光雷达低空测图的优点和不足

    目前，利用无人机载激光扫描仪进行三维测图，能极大提高测图作业效率，降低劳动强度，获取高精度数据。

    主要优点有：

    极大提高外业作业效率，本文实验证明，应用该技术可有效缩短10到15倍勘测外业作业时间。

    信息化程度提高明显，所有成果均为数字化成果，数据的转化和传递具有优势。

    测绘范围不受地形限制，只要是允许无人机飞行的区域均可开展作业。

    成果有利于后期引入BIM技术。

    存在问题有：

    作业受天气影响严重，凡是不利于无人机飞行的天气条件均不适宜作业。

    利用该技术进行植被茂密处的地面测量，难以获取精度较高的地面点。

    勘测数据只能获取地形数据，对于部分特殊工程所需的地质数据利用该技术尚不能获取。

    结论

    根据实验结论，利用无人机载激光雷达设备开展低空测图工作，已经能够满足工程的实际需要，并广泛应用于勘测作业中。其成果的数字化特性有利于对接BIM技术开展工程前期的项目方案规划设计，也可以在此基础上为后续工作提供数据支持，从而将勘测阶段的数据融入工程全生命周期的范畴，为BIM数据提供上游业务的支撑，也为下游的后续业务提供了数据保证。

    文章来源：图学学报《无人机LiDAR场地勘测及BIM规划设计研究与实践》

    作者：田先斌，张永利，吴建文，蔡振，于悦

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