基于激光點云的城市建筑高度普查

王苑楠，汪小楠

(1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042； 2.寧波市鄞州區(qū)測繪院，浙江 寧波 315000)

基于激光點云的城市建筑高度普查

王苑楠1*，汪小楠2

(1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042； 2.寧波市鄞州區(qū)測繪院，浙江 寧波 315000)

提出了基于激光點云進行建筑高度普查的技術流程，制定了建筑高度特征點采集標準，建立了寧波市高精度的建筑高度普查數(shù)據(jù)庫，并進行了專題統(tǒng)計和分析。普查成果能夠用于城市建筑高度控制規(guī)劃、日照分析、建筑安全監(jiān)測、消防應急救援等領域。

激光點云；城市建筑高度；建筑高度普查；建筑屬性

1 引 言

寧波市城市建筑高度普查是在國家和省地理國情普查內(nèi)容的基礎上，結(jié)合寧波市城市建設和減災防災的需要進行深入補充普查的特色專項之一[1]。城市建筑作為人們居住和活動的場所，建筑信息有重要的使用價值，尤其是建筑高度對城市環(huán)境、居住條件、城市規(guī)劃有著非常重要的影響[2]，對城市安全應急等也有重要意義[3]。目前國內(nèi)多家城市開展了建筑物屬性普查[4，5]，但針對建筑高度的普查還沒有。

目前針對建筑高度的獲取手段包括基于影像陰影的建筑高度提取、攝影測量和工程測量等方式?；谟跋耜幱暗姆绞娇焖?、簡單，但精度低[6]；攝影測量方式能夠獲取大范圍的數(shù)據(jù)，但其高程精度一般在分米級；工程測量精度高，但時間長、成本高，一般僅針對小范圍的建筑地塊[7]。本次建筑高度普查的主要內(nèi)容是基于高精度激光點云、數(shù)字線劃圖、正射影像等提取建筑的高度信息，同時根據(jù)收集的建筑專題數(shù)據(jù)對建筑其他重要屬性信息也進行采集。普查使用的激光點云數(shù)據(jù)采用瑞典AHAB公司蝙蝠機載激光雷達測量系統(tǒng)獲取，激光點云的高程中誤差小于 0.10 m，點云密度不少于6個點/m2。

項目研發(fā)形成了一套基于激光點云采集建筑高度特征點的技術流程，制定了建筑高度特征點采集標準，建立了寧波市高精度的建筑高度數(shù)據(jù)庫和屬性信息數(shù)據(jù)庫，并進行了專題統(tǒng)計和分析。

2 關鍵技術

2.1 建筑高度采集類型和要求

項目首先研究和分析了建筑頂部的特征，從而確定了有代表性的建筑高度點類型，包括建筑主體高度、建筑北檐口高度、建筑女兒墻高度、建筑分層高度和建筑頂部附屬物高度。建筑物各類高度采集位置應選取建筑物頂部的可測量的激光回波點上，采集位置應能體現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)特點。除建筑主體高度需要分別采集絕對高度值和相對高度值，其他高度值都為絕對高度，如圖1所示。

圖1 建筑高度點類型

建筑主體高度點指建筑物主體結(jié)構(gòu)的最高點。通?？梢詫⒔ㄖ黧w劃分為平頂建筑、坡屋頂建筑和復雜結(jié)構(gòu)建筑三類，建筑主體結(jié)構(gòu)不同其具體測量位置也不同。主體為平頂?shù)慕ㄖㄖ黧w絕對高度應選取頂層平臺北檐口位置的激光點高程值。主體為坡屋頂?shù)慕ㄖ?，建筑主體絕對高度應量取主體結(jié)構(gòu)最高處激光點的高程值，同時采集北檐口位置激光點的高程值。當建筑屋頂為曲面等復雜形狀時，建筑主體絕對高度應選取建筑頂層平臺的最高激光回波點高程值。測量建筑女兒墻高度時，僅測量主體結(jié)構(gòu)上頂層北側(cè)女兒墻的高度，如圖2所示。

圖2 建筑主體、北檐口、女兒墻高度測量位置

建筑頂部附屬物高度指屬于建筑物頂部的一部分但不屬于主要結(jié)構(gòu)的建筑部件或設施處，如電梯間、樓梯間、水箱間、煙囪、陽光房、玻璃幕墻、空調(diào)外機、避雷針、衛(wèi)星接收天線、信號發(fā)射塔、外墻廣告等，當其水平投影面積大于等于 64 m2時進行量測；

建筑分層高度是指建筑有裙樓或出現(xiàn)錯層時，當主體樓與裙樓或?qū)哟伍g的高差大于等于 2.2 m，且單一投影面積達到 64 m2時進行量測。建筑主體與分層的判別規(guī)則為：體積(面積×高度)占建筑總體積比例最大的結(jié)構(gòu)優(yōu)先認定為建筑主體結(jié)構(gòu)。建筑主體為3層以下(含3層)或 10 m以下的，僅量測建筑物主體絕對高度；建筑主體為6層及以下且為居住建筑的，不量測分層高度；建筑有裙樓或出現(xiàn)錯層時，當裙樓或錯層水平投影后被上層建筑遮擋的，不予測量。

2.2 建筑高度采集方法

以激光點云的建筑分類成果作為主要參照數(shù)據(jù)，輔以數(shù)字正射影像和地形圖的建筑輪廓面，在立體環(huán)境下判斷建筑主體絕對高度、建筑北檐口高度、建筑女兒墻高度、建筑分層高度和建筑頂部附屬物高度的測量位置，選取相應位置處可測量的激光回波點，進而提取各類高程值，取位至厘米。建筑高度采集的時間節(jié)點與激光點云獲取的時間節(jié)點相同。激光點云與正射影像為同步獲取，如遇地形圖二維矢量輪廓數(shù)據(jù)與激光點云不一致，則按照激光點云勾畫頂部輪廓。激光點云是建筑高度采集的主要參照數(shù)據(jù)，數(shù)字正射影像用于輔助判讀建筑頂部結(jié)構(gòu)，建筑輪廓面主要用于采集過程中的建筑定位。將激光點云、數(shù)字正射影像和建筑輪廓面導入到高度采集軟件中，為方便操作設置左右窗口分別為二維疊加和三維疊加顯示(如圖3)。①在二維視圖中選擇一個建筑輪廓面作為當前普查對象，三維視圖中將自動定位到此建筑位置，并僅顯示所選輪廓范圍內(nèi)(可以設置外擴參數(shù))的激光點云。②如建筑屋頂結(jié)構(gòu)較簡單、易于判斷測量位置，則直接在三維視圖的激光點云上人工選取對應位置的高度測量點，且軟件中可通過設置半徑值，自動選取出所選點一定范圍內(nèi)的最高點，從而保證采集的準確性；③如建筑屋頂結(jié)構(gòu)較復雜，可選擇范圍顯示點云局部剖面用于輔助判斷。④采集每個高度點后同時錄入其位置X和Y坐標、絕對高度值和高度點類型等信息，最后導出所有采集的高度測量點和建筑輪廓面。

圖3 建筑高度測量點采集

建筑主體相對高度是指建筑主體絕對高度值與建筑底部地表高程的差值，計算時利用的數(shù)據(jù)源主要是高精度數(shù)字高程模型(DEM)，應獲取建筑主體絕對高度測量平面位置投影對應DEM高程值之差，同時也記錄地面高程值。

2.3 建筑屬性信息采集

在高度普查的同時，對建筑的屬性信息也進行普查。項目制定的建筑屬性信息包括“建筑編碼、社區(qū)代碼、建筑名稱、建筑所在項目名稱、建筑地址、竣工年份、建筑結(jié)構(gòu)、地上層次、地下層次、建筑面積、單元數(shù)、住宅總套數(shù)、建設單位、設計單位、施工單位、監(jiān)理單位、產(chǎn)權單位、物業(yè)單位、土地性質(zhì)、產(chǎn)權性質(zhì)、基礎情況”等。

“社區(qū)代碼”共12位，根據(jù)行政境界資料區(qū)分各建筑所在區(qū)、街道(鄉(xiāng)、鎮(zhèn))和社區(qū)(村)進行填寫[8]。建筑編碼作為建筑的唯一編碼共18位，為“社區(qū)代碼+建筑流水號”。其他屬性信息的填寫通過收集住建委提供的房屋基礎信息數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、建筑檔案等數(shù)據(jù)，盡可能填寫完整，必要時結(jié)合外業(yè)調(diào)查。

3 實施與成果

3.1 建筑高度普查數(shù)據(jù)庫成果

普查范圍為寧波市的城市建成區(qū)，總面積約為 395 km2。城市建筑高度普查成果主要包括建筑高度信息和建筑屬性信息。項目完成了區(qū)域內(nèi)總計 280 181幢建筑、365 516個高度點的普查工作，建立了區(qū)域的建筑高度普查數(shù)據(jù)庫。

圖4 建筑高度普查數(shù)據(jù)庫

3.2 建筑高度普查精度統(tǒng)計

利用建筑竣工測量資料中的高度數(shù)據(jù)227處，外業(yè)實測建筑高度302處，通過比對計算得到建筑高度普查的高程中誤差為 0.08 m，精度統(tǒng)計如表1所示。

建筑高度普查精度統(tǒng)計 表1

3.3 建筑高度分布統(tǒng)計圖表

項目完成了各區(qū)和各街道的建筑高度和屬性統(tǒng)計圖表。統(tǒng)計圖表中能夠直觀的反映建筑高度普查信息的分布情況，包括各個統(tǒng)計范圍內(nèi)的建筑數(shù)量及最高建筑名稱等信息。

建筑高度統(tǒng)計表(以江東區(qū)為例) 表2

圖6 建筑高度二維分布圖示例

圖7 建筑高度三維分布圖示例

4 結(jié) 語

城市建筑高度普查是寧波市地理國情普查最有特色的專項之一。項目研發(fā)形成了一套基于激光點云采集建筑高度特征點的技術流程，能夠獲取大范圍的高精度的建筑高度數(shù)據(jù)，大大降低了生產(chǎn)成本。特別針對建筑關鍵位置處如主體高度、北側(cè)女兒墻高度、北檐口高度等進行采集，另外獲取了建筑名稱、建筑地址、建筑結(jié)構(gòu)等一系列建筑屬性信息，能夠全面反映建筑的主要高度特征和重要屬性。城市建筑高度的普查與后續(xù)監(jiān)測，能夠加強對城市垂直空間格局的直觀了解，明確建筑高度分布與城市環(huán)境間的相互關系，促進城市建筑分布、控制規(guī)劃、日照分析等的科學合理性，而且對高層建筑安全監(jiān)測和消防應急救援也具有重要意義。

[1] 曹學禮，曹建明. 基于寧波市地理國情普查方案的研究[J]. 城市勘測，2014(4)：30～31.

[2] 陳曦. 談建筑高度與城市景觀的協(xié)調(diào)[J]. 南方建筑，2004(6)：12～14.

[3] 吳越. 建筑物建筑高度的確定[J]. 消防技術與產(chǎn)品信息，2007(1)：12～14.

[4] 郝?？? 深圳市建筑普查及成果圖繪制方法探析[J]. 黑龍江交通科技，2012(9)：127～128.

[5] 高會寶，何公科. 城市建筑物普查實施思路與流程研究[J]. 科技創(chuàng)新導報，2010(10)：8～10.

[6] 宋仁波，李文慧，王細元等. 基于雙張影像的城市建筑物高度提取方法[J]. 測繪工程，2014，23(9)：66～69.

[7] 史秀保，汪帆，葛紀坤. 三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測繪中的應用研究[J]. 城市勘測，2014(2)：83～85.

[8] GB/T2260-2007. 中華人民共和國行政區(qū)劃代碼[S].

Urban Building Height CensusBased on Laser Point Cloud

Wang Yuannan1，Wang Xiaonan2

(1.Ningbo Institute of Surveying and Mapping，Ningbo 315042，China； 2.Ningbo Yinzhou Surveying and Mapping Institute，Ningbo 315000，China)

In this paper，the technical process of building height census based on laser point cloud is proposed，and the building height characteristic point collection standard is established. In addition，Ningbo city building height census database with high precision is established，and thematic statistics and analysis is carried out. The results can be used in the field of urban building height control planning，sunshine analysis，building safety monitoring，fire emergency rescue and so on.

laser point cloud；city building height；building height census；building attribute

1672-8262(2017)01-23-04

P208.2，P237

B

2016—08—26 作者簡介：王苑楠(1986—)，女，碩士，工程師，研究方向為攝影測量和三維仿真技術。 基金項目：寧波市科協(xié)2016年重點軟科學研究課題資助項目(X201601-3)