無人機LiDAR場地勘測及BIM規劃設計研究與實踐

田先斌，張永利，吳建文，蔡 振，于 悅

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無人機LiDAR場地勘測及BIM規劃設計研究與實踐

田先斌，張永利，吳建文，蔡 振，于 悅

(中國人民解放軍火箭軍工程設計研究院，北京 100011)

基于無人機激光雷達航測獲取地面幾何模型和影像信息具有快速、高效和高精度的特點，而且其數字化成果具備向建筑信息模型(BIM)平臺遷移的優勢，使用無人機激光雷達設備開展了測圖全流程實驗，并分析了航測數據精度，探索了利用成果數據進行BIM規劃設計應用的可行性及意義。研究成果驗證了無人機LiDAR測繪數據作為BIM前期工程項目數據的可行性，提升了BIM設計的效率，拓展了工程全生命周期數據鏈形式。

LiDAR；無人機；工程全生命周期；建筑信息模型；規劃設計

機載激光雷達(airborne light detection and ranging, LiDAR)航測是集激光掃描、全球定位系統和慣性導航系統3種技術于一體的空間測量技術，具有速度快、精度高、能提供三維信息的優點[1]。配合高清數碼相機還可以獲取與激光信息相匹配的高清影像信息。將三維激光掃描技術與控制測量結合起來，可以得到掃描目標的當地坐標[2]，因此機載激光雷達航測已成為生成數字地面模型的重要工具[3]。相比于固定翼無人機和多旋翼無人機具有機動性強、定點懸浮和垂直起降等特點，且結構簡單、可維護性強[4]。利用無人機作為機載激光雷達設備的載具，開展無人機低空激光雷達場區測繪工作，不僅能夠有效提高測繪效率，而且獲得的測繪成果信息化程度較高，能夠同建筑信息模型(building information modeling, BIM)技術相結合，方便工程師快速開展場區規劃設計。本文對如何利用無人機激光雷達航測技術開展場區測繪工作，以及如何將測繪結果與BIM技術相結合開展規劃設計進行探索研究。

1 整體工作綜述

對擬用點位進行高質量的測繪是開展工程設計、施工的基礎，測繪工作直接關系到工程的質量和預期效益的實現[5]。傳統測繪采用人工實地作業方式，根據經驗，對1 km2的丘陵地區進行人工測繪，僅外場作業就需要10人工作半個月左右，作業效率低、勞動強度高、成果數據精度不易控制。隨著測繪技術的不斷發展，特別是LiDAR技術的出現，讓短時間完成低成本、高密度、高精度、高效率的測繪作業成為可能[6]。本文采用多旋翼無人機掛載激光雷達測繪系統的方式進行測繪試驗，通過實際成果的獲取及應用，驗證了無人機激光雷達航測的可行性和先進性，實現了其成果與BIM設計的銜接，試驗流程如圖1所示。

本文選定點位為已測點位，具有完整的人工測繪數據，因此本文重點在于無人機激光雷達航測作業及測圖數據的BIM應用。

圖1 試驗流程

2 無人機激光雷達航測系統介紹

本文的研究所使用的無人機激光雷達航測系統由無人機、激光掃描儀、數碼相機、定姿定位系統(POS)、全球衛星導航系統(global navigation satellite system, GNSS)基站等硬件及配套數據處理軟件等組成(表1)。

全狀態無人機激光雷達航測設備如圖2所示。

表1 無人機激光雷達航測系統主要部件構成

圖2 無人機激光雷達航測設備

此外，系統還需要搭配飛行控制軟件、航跡解算軟件、飛行姿態數據差分耦合軟件、點云解算軟件、激光點云濾波分類處理軟件、正射影像解算軟件、影像修正軟件等。

本文采用多旋翼無人機作為飛行載具的主要原因如下：

(1) 安全性較高，極限條件下半數動力失靈也可保證飛機安全著陸。

(2) 可采用鋰電池作為動力源，更換方便，與使用化石燃料的無人機相比，在叢林密集的山區進行作業能有效降低墜毀引發山火的風險。

(3) 操作較為簡便，操作手經過短期培訓即可基本掌握，便于推廣應用。

(4) 穩定性較高，可懸停，改變航向時傾角較小，有利于保持較好的飛行姿態，提高測繪精度。

(5) 起飛不需要助跑，不需要助飛設施，場地適應性強。

3 無人機載激光雷達低空場區勘測

無人機激光雷達航測系統單次飛行測繪面積公式為

其中，為單次飛行測繪面積；為飛行速度；為單次飛行時間；為單次飛行平均高度；為選取的激光雷達測量角；為旁向重疊度(往返測量時平行航線間測繪幅面的重疊率)。

按照無人機一次飛行時間20 min，平均飛行高度離地面300 m，飛行速度27 km/h計算，一次飛行測量距離為9 km，根據三維激光掃描儀的測量精度，選取激光雷達測量角為80°范圍內的激光點為有效點，旁向重疊度取20%，單次飛行理論測繪面積為3.62 km2，因此單次飛行至少可滿足3 km2的測繪工作。若配備備用電池，按更換一次電池的有效作業時間為20 min計算，理論上完成10 km2的測繪工作不超過3 h。

測繪數據的獲取過程主要包括航線設計和數據采集機飛行評價等[7]。

3.1 前期準備工作

飛行前先進行測區勘察，主要了解測區內與飛行作業相關的因素，如起飛地點、地形地貌及植被茂密情況，有無無線電發射塔、高壓線、易形成旋風的地形及其他可能造成安全方面的影響。

在確定飛行區域后，利用互聯網獲取場區三維地圖數據(本文利用谷歌地圖軟件下載)，并在其基礎上進行航線設計。規劃航跡時需要充分考慮測區的走勢、空域管制和飛行時間等要素[5]。

為了確保測試數據的精度，在正式開展場區測繪工作前需要對整套系統進行數據校準和坐標轉換標志點及測圖精度評定點測量。為保證激光雷達、相機與POS自身參數及安裝參數可靠，控制成圖誤差，正式飛行測圖前應在測區附近選擇適宜的小型檢校場進行檢校飛行，后進行數據處理獲取點云數據及正射影像，再進行誤差參數計算與改正。為把點云、正射影像坐標轉換到測圖已有控制點坐標系統，應在測區范圍內選擇必要數量的GNSS基準站點及均勻布置5個以上坐標轉換標志點，另需布置30個以上的無植被區域測圖精度評定點，轉換標志點和無植被區域測圖精度評定點均需能從影像上準確定位。

完成各項準備工作后即可開展場區實地作業。

3.2 飛行測圖現場作業

無人機載激光雷達低空測繪設備到達測區后，即可進行GNSS基站架設、連接飛控設備并上傳航線、磁羅盤校準等工作。完成準備后，即可開展低空測繪工作。

其中GNSS基站應架設在較為空曠的地域，便于接受衛星信號。為了保證衛星數據的一致性，GNSS基站一經架設，在測繪過程中都要保持姿態不發生任何變化。

無人機完成航線降落后，即可在現場下載激光雷達數據文件、位置姿態數據、GPS同步觀測數據文件和影像文件。

3.3 測圖數據處理

將外業數據獲得的激光雷達數據文件、位置姿態數據、GPS同步觀測數據文件和影像文件通過相關軟件輸出點云和航跡，評估測區點云和影像是否有漏洞，分析飛行航跡和航跡姿態信息，判斷飛行質量是否符合技術要求。在確定數據參數符合技術要求后，對航跡數據、姿態數據、激光測距及掃描角數據進行聯合處理，得到各個測點的三維坐標數據，經過一系列的數據誤差校準、降噪和異常數據剔除工作后，形成激光點云數據。

3.3.1 航跡及激光點云解算、DOM數據生產

通過地面基準站GPS數據與機載GPS數據聯合差分解算，確定航攝過程中飛行航跡，再與IMU慣性數據耦合處理，得到航跡姿態信息，最后進行平滑處理，得到測繪時刻激光雷達及相機的位置和姿態信息，結合激光測距及掃描角數據進行聯合處理，得到各個測點的三維坐標數據，形成激光點云數據。解算和生成流程如圖3所示。

3.3.2 數據修正

由于水體對激光的吸收、鏡面反射等原因，有些地面點無明顯的回波信號，甚至得不到測距值；電路、飛鳥、局部地形等原因，也會使激光測繪數據中產生異常距離數值。數據預處理中應剔除錯誤值、刪除粗差點，補全無回波點，本文采用的修正策略為：

圖3 航跡及激光點云數據解算流程

(1) 相同經緯度點為中心，較小范圍內保留最低點為地面點，可剔除植被、高架電線等對測繪結果的影響。

(2) 刪除明顯高過地面的點，可剔除飛行器自身結構、飛鳥、高架電線等對測繪結果的影響。

(3) 對于無回波點，選擇無回波區域邊緣點高程平均值作為區域內補充點的高程值，按照每平方米4個點的密度進行補值。

經過解算和修正，即可得到測繪成果，包括DEM、DSM、DOM數據和激光點云數據。激光點云數據與DOM數據結合可生成彩色點云文件，如圖4所示。

圖4 三維彩色點云

3.4 數據精度評定

本文試驗精度評定采用與傳統人工測圖相應數據進行比對，點云的具體精度如下：

(1) 2個航次數據合在一起計算的地面點云密度為1.55個/平方米(剔除植被點和無效點后)，滿足激光雷達測圖比例尺1∶2000的點云密度要求[7]。

(2) 跟人工測繪的點對比，無植被硬地面區域高程精度優于0.20 m，平面精度為0.30 m左右。

(3) 跟人工測繪的點對比，植被區域高程精度一般在0.50 m左右，本文試驗中最大的高程誤差為1.80 m(谷底植被茂密處)。與文獻[8]結果基本吻合。

本次試驗所選點位植被較為茂密，植被最大高度超過10 m，地形屬于典型丘陵地帶，最大高差接近150 m。經過實驗數據對比分析，相關成果完全滿足工程勘察的需要，證明了該測繪技術具有很強的工程實踐性。

4 無人機載激光雷達勘測成果的BIM應用

BIM技術旨在構建面向建筑全生命周期的BIM，支持跨階段的信息無損傳遞和各參與方之間的信息共享和協同工作[9]。但是目前，跨階段的信息無損傳遞和集成應用仍未能實現[10]。未解決多方參與協同建模師的數據傳遞問題，面向建筑全生命周期的BIM應用應使各階段參與方在統一的框架下協同建模，將分散、無序的BIM創建過程整合為有序的協同過程，貫穿建筑全生命的各個階段[11]。本文在前期無人機載激光雷達場區勘測成果的基礎上，研究了如何利用BIM技術無縫銜接其數據，實現場區勘察數據與方案規劃階段BIM應用的信息無損傳遞和集成應用問題。

4.1 數據文件分析

航測完成后獲取的場區勘測成果主要以點云數據、DEM數據和DOM數據為主，其附帶的數字線劃圖DLG文件主要以CAD文件方式存在。本文將其利用與BIM場區規劃的方式見表2。

表2 場區勘測成果及其利用方式

由于前期勘測獲取的信息主要集中于地形與地貌以及道路和建筑，其他附屬信息較少，因此以模型的方式加以利用即可達到方案設計階段的信息需求。

4.2 點云數據利用

由于DEM數據可直接通過點云數據解算獲得，因此對于地形模型的創建與數據傳遞本文主要通過點云數據進行。

本文實驗獲取的點云數據范圍為1.6 km2，有效地面點數量為1 556 897個，數據文件大小為51 695 kb，文件格式為.las，導入Autodesk Civil3D平臺，導入時間為30 s，導入后顯示瀏覽、操作流暢(圖5)。

在Civil3D平臺，可基于導入的點云數據生成三角網曲面模型，也可生成等高線圖，相關操作并不復雜，處理基本無需過長的等待(圖6)。

圖5 Autodesk Civil3D平臺下地面點云

圖6 點云與等高線疊加

通過Civil3D可將地形模型導出為LandXML數據，使其與GIS平臺對接，方便導入方案規劃設計軟件Infraworks中。還可以直接利用完整點云文件(包含地物和植被數據)在Infraworks中生成點云模型，用于實際地物和植被的參照(圖7)。

利用Infraworks的快速布置功能可快速完成基于地形數據布置建筑和場地規劃，還可以實現道路路線的初步規劃(圖8)。

Infraworks對地形的修改還可以完整傳遞到Civil3D中用于更加精確的場地規劃設計，該數據可滿足場地規劃以及道路設計圖上定線、方案設計的要求(圖9)。

Revit也可以利用點云文件生成點云模型，作為后期設計的參照。需要說明的是，Revit不直接支持.las格式的點云文件，可利用Recap等軟件將其轉換為.rcs文件，供Revit快速鏈接轉化(圖10)。

圖7 包含地物和植被數據點云

圖8 Infraworks快速場區BIM規劃

圖9 Infraworks數據導回Civil3D后的地形修改

圖10 Revit導入.rcs文件用于設計參照

4.3 BIM應用小結

利用機載激光雷達勘測數據進行BIM場區規劃設計，有利于打通勘察階段數據與方案設計階段的數據通道，使BIM設計數據向GIS數據延伸，也有利于GIS系統與BIM技術的結合。通過相應軟件的實際應用，可以有效降低工程項目決策期的數據生產成本和溝通成本，提高數據的精度，為BIM技術在工程全生命周期應用的上游階段提供了良好的數據支持。

5 無人機載激光雷達低空測圖的優點和不足

目前，利用無人機載激光掃描儀進行三維測圖，能極大提高測圖作業效率，降低勞動強度，獲取高精度數據。主要優點有：

(1) 極大提高外業作業效率，本文實驗證明，應用該技術可有效縮短10到15倍勘測外業作業時間。

(2) 信息化程度提高明顯，所有成果均為數字化成果，數據的轉化和傳遞具有優勢。

(3) 測繪范圍不受地形限制，只要是允許無人機飛行的區域均可開展作業。

(4) 成果有利于后期引入BIM技術。

存在問題有：

(1) 作業受天氣影響嚴重，凡是不利于無人機飛行的天氣條件均不適宜作業。

(2) 利用該技術進行植被茂密處的地面測量，難以獲取精度較高的地面點。

(3) 勘測數據只能獲取地形數據，對于部分特殊工程所需的地質數據利用該技術尚不能獲取。

6 結 論

隨著技術的發展，無人機的性能還在不斷改進提高，相應的機載設備的技術水平也在不斷地發展。目前，根據實驗結論，利用無人機載激光雷達設備開展低空測圖工作，已經能夠滿足工程的實際需要，并廣泛應用于勘測作業中。其成果的數字化特性有利于對接BIM技術開展工程前期的項目方案規劃設計，也可以在此基礎上為后續工作提供數據支持，從而將勘測階段的數據融入工程全生命周期的范疇，為BIM數據提供上游業務的支撐，也為下游的后續業務提供了數據保證。如何將地質數據連同地形數據一同納入BIM全生命周期數據范疇，以及如何將這些數據與BIM初步設計數據連接一體并賦予工程屬性將是后續研究的內容。

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Research and Practice of Site Surveying by UAV LiDAR and BIM Planning Design

TIAN Xianbin, ZHANG Yongli, WU Jianwen, CAI Zhen, YU Yue

(The PLA Rocket Force Engineering Design and Research Institute, Beijing 100011, China)

Which havethe characteristics of rapid, activity and precision that gaining the digital terrain models and ground photographsby unmanned aerial vehicle (UAV) LiDAR. And the digital results are propitious to be used by building information modeling (BIM) software. This research does the mapping experiment using UAV LiDAR, and analyzed the accuracy of the result data, and made use of the experiment data to project planning design using BIM. The results of this paper verified that the survey data can be used as basic data in the stage of engineering planning, which improved the efficiency of BIM design, and expanded the form of data chain for the project life-cycle.

LiDAR; unmanned aerial vehicle; project life cycle; building information modeling; planning design

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018020339

A

2095-302X(2018)02-0339-07

2017-06-10；

2017-09-12

田先斌(1984–)，男，安徽六安人，工程師，碩士。主要研究方向為BIM技術。E-mail：tiabin@qq.com