無人機LiDAR場地勘測及BIM規(guī)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(guī)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(shù)字化成果具備向建筑信息模型(BIM)平臺遷移的優(yōu)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(shù)據(jù)精度，探索了利用成果數(shù)據(jù)進行BIM規(guī)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(shù)據(jù)作為BIM前期工程項目數(shù)據(jù)的可行性，提升了BIM設計的效率，拓展了工程全生命周期數(shù)據(jù)鏈形式。

LiDAR；無人機；工程全生命周期；建筑信息模型；規(guī)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(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)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(yōu)點[1]。配合高清數(shù)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?shù)刈鴺薣2]，因此機載激光雷達航測已成為生成數(shù)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(qū)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(qū)規(guī)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(qū)測繪工作，以及如何將測繪結果與BIM技術相結合開展規(guī)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(zhì)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(zhì)量和預期效益的實現(xiàn)[5]。傳統(tǒng)測繪采用人工實地作業(yè)方式，根據(jù)經(jīng)驗，對1 km2的丘陵地區(qū)進行人工測繪，僅外場作業(yè)就需要10人工作半個月左右，作業(yè)效率低、勞動強度高、成果數(shù)據(jù)精度不易控制。隨著測繪技術的不斷發(fā)展，特別是LiDAR技術的出現(xiàn)，讓短時間完成低成本、高密度、高精度、高效率的測繪作業(yè)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)，因此本文重點在于無人機激光雷達航測作業(yè)及測圖數(shù)據(jù)的BIM應用。

圖1 試驗流程

2 無人機激光雷達航測系統(tǒng)介紹

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

全狀態(tài)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(tǒng)主要部件構成

圖2 無人機激光雷達航測設備

此外，系統(tǒng)還需要搭配飛行控制軟件、航跡解算軟件、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)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(shù)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(qū)進行作業(yè)能有效降低墜毀引發(fā)山火的風險。

(3) 操作較為簡便，操作手經(jīng)過短期培訓即可基本掌握，便于推廣應用。

(4) 穩(wěn)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(tài)，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(qū)勘測

無人機激光雷達航測系統(tǒng)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(jù)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(nèi)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(yè)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(shù)據(jù)的獲取過程主要包括航線設計和數(shù)據(jù)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(qū)勘察，主要了解測區(qū)內(nèi)與飛行作業(yè)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(fā)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(qū)域后，利用互聯(lián)網(wǎng)獲取場區(qū)三維地圖數(shù)據(jù)(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(guī)劃航跡時需要充分考慮測區(qū)的走勢、空域管制和飛行時間等要素[5]。

為了確保測試數(shù)據(jù)的精度，在正式開展場區(qū)測繪工作前需要對整套系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)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(shù)及安裝參數(shù)可靠，控制成圖誤差，正式飛行測圖前應在測區(qū)附近選擇適宜的小型檢校場進行檢校飛行，后進行數(shù)據(jù)處理獲取點云數(shù)據(jù)及正射影像，再進行誤差參數(shù)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(tǒng)，應在測區(qū)范圍內(nèi)選擇必要數(shù)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(qū)域測圖精度評定點，轉換標志點和無植被區(qū)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(qū)實地作業(yè)。

3.2 飛行測圖現(xiàn)場作業(yè)

無人機載激光雷達低空測繪設備到達測區(qū)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(wèi)星信號。為了保證衛(wèi)星數(shù)據(jù)的一致性，GNSS基站一經(jīng)架設，在測繪過程中都要保持姿態(tài)不發(fā)生任何變化。

無人機完成航線降落后，即可在現(xiàn)場下載激光雷達數(shù)據(jù)文件、位置姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS同步觀測數(shù)據(jù)文件和影像文件。

3.3 測圖數(shù)據(jù)處理

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

3.3.1 航跡及激光點云解算、DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)

通過地面基準站GPS數(shù)據(jù)與機載GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合差分解算，確定航攝過程中飛行航跡，再與IMU慣性數(shù)據(jù)耦合處理，得到航跡姿態(tài)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(tài)信息，結合激光測距及掃描角數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，得到各個測點的三維坐標數(shù)據(jù)，形成激光點云數(shù)據(jù)。解算和生成流程如圖3所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中產(chǎn)生異常距離數(shù)值。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)解算流程

(1) 相同經(jīng)緯度點為中心，較小范圍內(nèi)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(qū)域邊緣點高程平均值作為區(qū)域內(nèi)補充點的高程值，按照每平方米4個點的密度進行補值。

經(jīng)過解算和修正，即可得到測繪成果，包括DEM、DSM、DOM數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)。激光點云數(shù)據(jù)與DOM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)精度評定

本文試驗精度評定采用與傳統(tǒng)人工測圖相應數(shù)據(jù)進行比對，點云的具體精度如下：

(1) 2個航次數(shù)據(jù)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(qū)域高程精度優(yōu)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(qū)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(jīng)過實驗數(shù)據(jù)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(xié)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(xiàn)[10]。未解決多方參與協(xié)同建模師的數(shù)據(jù)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(tǒng)一的框架下協(xié)同建模，將分散、無序的BIM創(chuàng)建過程整合為有序的協(xié)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(qū)勘測成果的基礎上，研究了如何利用BIM技術無縫銜接其數(shù)據(jù)，實現(xiàn)場區(qū)勘察數(shù)據(jù)與方案規(guī)劃階段BIM應用的信息無損傳遞和集成應用問題。

4.1 數(shù)據(jù)文件分析

航測完成后獲取的場區(qū)勘測成果主要以點云數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)為主，其附帶的數(shù)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(qū)規(guī)劃的方式見表2。

表2 場區(qū)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(shù)據(jù)利用

由于DEM數(shù)據(jù)可直接通過點云數(shù)據(jù)解算獲得，因此對于地形模型的創(chuàng)建與數(shù)據(jù)傳遞本文主要通過點云數(shù)據(jù)進行。

本文實驗獲取的點云數(shù)據(jù)范圍為1.6 km2，有效地面點數(shù)量為1 556 897個，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)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(shù)據(jù)，使其與GIS平臺對接，方便導入方案規(guī)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(shù)據(jù))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(shù)據(jù)布置建筑和場地規(guī)劃，還可以實現(xiàn)道路路線的初步規(guī)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(guī)劃設計，該數(shù)據(jù)可滿足場地規(guī)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(shù)據(jù)點云

圖8 Infraworks快速場區(qū)BIM規(guī)劃

圖9 Infraworks數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行BIM場區(qū)規(guī)劃設計，有利于打通勘察階段數(shù)據(jù)與方案設計階段的數(shù)據(jù)通道，使BIM設計數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)延伸，也有利于GIS系統(tǒng)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(shù)據(jù)生產(chǎn)成本和溝通成本，提高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)支持。

5 無人機載激光雷達低空測圖的優(yōu)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(yè)效率，降低勞動強度，獲取高精度數(shù)據(jù)。主要優(yōu)點有：

(1) 極大提高外業(yè)作業(yè)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(yè)作業(yè)時間。

(2) 信息化程度提高明顯，所有成果均為數(shù)字化成果，數(shù)據(jù)的轉化和傳遞具有優(yōu)勢。

(3) 測繪范圍不受地形限制，只要是允許無人機飛行的區(qū)域均可開展作業(yè)。

(4) 成果有利于后期引入BIM技術。

存在問題有：

(1) 作業(yè)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(yè)。

(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(shù)據(jù)只能獲取地形數(shù)據(jù)，對于部分特殊工程所需的地質(zhì)數(shù)據(jù)利用該技術尚不能獲取。

6 結 論

隨著技術的發(fā)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(fā)展。目前，根據(jù)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(jīng)能夠滿足工程的實際需要，并廣泛應用于勘測作業(yè)中。其成果的數(shù)字化特性有利于對接BIM技術開展工程前期的項目方案規(guī)劃設計，也可以在此基礎上為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支持，從而將勘測階段的數(shù)據(jù)融入工程全生命周期的范疇，為BIM數(shù)據(jù)提供上游業(yè)務的支撐，也為下游的后續(xù)業(yè)務提供了數(shù)據(jù)保證。如何將地質(zhì)數(shù)據(jù)連同地形數(shù)據(jù)一同納入BIM全生命周期數(shù)據(jù)范疇，以及如何將這些數(shù)據(jù)與BIM初步設計數(shù)據(jù)連接一體并賦予工程屬性將是后續(xù)研究的內(nèi)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