【技術(shù)】基于無人機(jī)激光點(diǎn)云的建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪方法

基于無人機(jī)激光點(diǎn)云的建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪方法

高 俊

（上海市測慧信息科技有限公司，上海 200443）

［摘要］針對建筑工程對精準(zhǔn)地形測繪信息的需求，本文提出基于無人機(jī)激光點(diǎn)云的全要素地形圖精準(zhǔn)測繪方法。通過無人機(jī)搭載激光掃描設(shè)備，經(jīng)科學(xué)規(guī)劃航線，采集建筑工程區(qū)域高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用坡度濾波、曲率計(jì)算等方式對采集的點(diǎn)云進(jìn)行全要素提取，獲取地形及地物等信息，并依托濾波分類區(qū)分地形、建筑、植被、道路等要素。采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）三維建模技術(shù)整合分類要素，結(jié)合Maptek I-Site Studio 3.4與專業(yè)繪圖軟件，完成等高線、高程點(diǎn)處理及矢量-屬性整合，輸出精準(zhǔn)建筑工程全要素測繪地形圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法采集建筑、設(shè)備點(diǎn)云可清晰呈現(xiàn)建筑輪廓與布局，紋理細(xì)節(jié)豐富，植被點(diǎn)云能有效捕捉形態(tài)、分布特征，可區(qū)分覆蓋區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全要素地形圖精準(zhǔn)測繪，且地形、建筑、植被、道路四類要素測繪平面中誤差介于0.14~0.21 m，高程中誤差介于0.22~0.32 m，均滿足1∶500地形圖精度需求。

［關(guān)鍵詞］無人機(jī)；激光點(diǎn)云；建筑工程；全要素地形圖；精準(zhǔn)測繪；不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）三維建模

0 引言

在城市化建設(shè)需求持續(xù)增長的背景下，建筑工程項(xiàng)目大力發(fā)展，其精準(zhǔn)的地形信息是項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)與施工的重要前提［1］。而全要素地形圖作為全面反映地形地貌、地物分布及空間關(guān)系的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品，其精準(zhǔn)測繪程度直接影響建筑工程質(zhì)量與進(jìn)度［2］。為滿足現(xiàn)代建筑工程對地形信息快速、精準(zhǔn)、全面的需求，眾多學(xué)者對建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪方法展開相關(guān)研究，如蘇秀永等為滿足復(fù)雜庫岸與周邊山區(qū)建筑工程精細(xì)地形圖需求，用無人機(jī)傾斜攝影采集影像數(shù)據(jù)，經(jīng)空三解算、勻光勻色等處理構(gòu)建三維模型，再軟件一體化展示，為庫岸及周邊山區(qū)建筑工程各階段地形圖繪制提供全面精準(zhǔn)三維地形數(shù)據(jù)。但是該方法過度依賴影像數(shù)據(jù)，在復(fù)雜光照條件（如正午強(qiáng)光、傍晚逆光）或云霧天氣下，影像質(zhì)量會大幅下降［3］。桂詩玉等為避免復(fù)雜地形影響激光測繪精度，用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，EMD）結(jié)合過零率閾值去噪處理回波信號，構(gòu)建距離校正函數(shù)修正信號，反演回波參數(shù)獲取高程與地表粗糙度，實(shí)現(xiàn)地形高精度測繪。但在多路徑效應(yīng)顯著的建筑工程中，信號干擾導(dǎo)致回波參數(shù)反演誤差累積，難以精準(zhǔn)獲取地物垂直結(jié)構(gòu)信息［4］。羅為東等采用無人機(jī)航測構(gòu)建高分辨率數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM），選取四項(xiàng)單因子指標(biāo)定量分析微地貌特征，構(gòu)建地形復(fù)雜度指數(shù)模型（topographic complexity index model，TCI）判斷土壤侵蝕區(qū)域，為建筑工程地形圖繪制提供關(guān)鍵地形要素信息。但是該方法僅側(cè)重于特定地形要素的分析，對于其他地形、地物要素的提取和表達(dá)不夠全面，難以滿足建筑工程全要素地形圖測繪的綜合性要求［5］。陳煒等針對大尺度非結(jié)構(gòu)地形中無人機(jī)傾斜攝影圖像仿射變形大的問題，融合圖像顏色信息與快速局部敏感哈希（fast library for approximate nearest neighbors，F(xiàn)LANN）優(yōu)化的加速穩(wěn)健特征（speeded up robust features，SURF）特征，結(jié)合優(yōu)化的SURF與最大穩(wěn)定極值區(qū)域（maximally stable extremal regions，MSER ）特征，快速準(zhǔn)確提取匹配特征，構(gòu)建全局三維模型，為建筑工程地形圖繪制提供高效精準(zhǔn)非結(jié)構(gòu)地形建模數(shù)據(jù)。但是該方法受光照變化、視角差異影響明顯，在數(shù)據(jù)處理過程中存在特征點(diǎn)誤匹配率高、模型重建效率低的問題，難以滿足建筑工程快速測繪的時(shí)效要求［6］。

無人機(jī)激光點(diǎn)云技術(shù)作為一種新興的空間數(shù)據(jù)獲取手段，近年來在測繪領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用，它通過無人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備，獲取地表及地物表面的三維坐標(biāo)信息，形成密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集［7-8］。該技術(shù)作業(yè)效率極高，無人機(jī)能夠快速覆蓋大面積區(qū)域，在短時(shí)間內(nèi)獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大大縮短了測繪周期，且不受地形復(fù)雜程度和通視條件的限制，具備高精度、高密度優(yōu)勢，可輕松獲取陡峭山坡、密林、水域等復(fù)雜環(huán)境下的地形數(shù)據(jù)，精細(xì)刻畫地形地貌的微小變化和地物的細(xì)節(jié)特征，為地形圖的精準(zhǔn)繪制提供了可靠保障。為此，本文提出一種基于無人機(jī)激光點(diǎn)云的建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪方法。該方法旨在充分利用無人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度、高密度特性，結(jié)合地形、地物等全要素提取、分類以及先進(jìn)三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對建筑工程場地內(nèi)各類地形要素的快速、準(zhǔn)確提取與表達(dá)，為建筑工程項(xiàng)目提供全面、精準(zhǔn)、高效的地形信息支持，推動建筑工程測繪技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

1 建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪 1.1 基于無人機(jī)激光點(diǎn)云的建筑工程數(shù)據(jù)采集

利用無人機(jī)激光點(diǎn)云技術(shù)執(zhí)行建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪過程中，采用無人機(jī)搭載激光掃描設(shè)備，按照預(yù)先設(shè)定的航線進(jìn)行建筑工程所在區(qū)域內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有序采集，并采取矩陣形式組織各行各列的激光點(diǎn)云，形成測繪點(diǎn)云圖像，用于后續(xù)建筑工程全要素地形圖測繪。

1.1.1 無人機(jī)航線規(guī)劃

科學(xué)設(shè)置無人機(jī)飛行參數(shù)并合理執(zhí)行飛行作業(yè)，是保障點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量、支撐后續(xù)全要素地形圖精準(zhǔn)構(gòu)建的基礎(chǔ)。在建筑工程全要素地形圖測繪的數(shù)據(jù)采集階段，需依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》及項(xiàng)目實(shí)際需求，對無人機(jī)飛行參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)配置，兼顧飛行安全與數(shù)據(jù)質(zhì)量，為建筑工程地形、地物信息的精準(zhǔn)采集提供保障。

1）航高與地面分辨率適配設(shè)置。建筑工程對地形測繪精度要求高，地面分辨率需達(dá)到5 cm及以上。航高H計(jì)算公式為

式中，f、a、G分別用于描述鏡頭焦距、像元尺寸、地面分辨率。

H數(shù)值需結(jié)合建筑工程場景靈活調(diào)整，若測繪高層建筑密集區(qū)，需適當(dāng)降低航高，保證建筑立面、屋頂?shù)燃?xì)節(jié)能夠被精準(zhǔn)捕捉［9］。

2）像片重疊率動態(tài)調(diào)整。建筑工程場景存在地形起伏、地物錯(cuò)落等情況，需依據(jù)飛行航高動態(tài)設(shè)置像片重疊度，航向、旁向重疊率px、qy的修正表達(dá)式為

式中，分別用于描述為無人機(jī)航攝默認(rèn)航向、旁向的標(biāo)準(zhǔn)重疊度數(shù)值；Δh為建筑工程區(qū)域內(nèi)相對于無人機(jī)攝影基準(zhǔn)面的高差。

3）特殊場景手動飛行優(yōu)化。建筑工程中常存在建筑物被樹木遮擋、深基坑等復(fù)雜場景，自動飛行模式易因通視差導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。對此，需切換手動飛行模式，作業(yè)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注以下兩點(diǎn)：①建筑周邊環(huán)境安全，把控?zé)o人機(jī)與建筑主體的距離，避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)；②依據(jù)建筑材質(zhì)、光照條件調(diào)整相機(jī)曝光頻率，保障建筑立面紋理、內(nèi)部場地等細(xì)節(jié)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)建筑工程全要素的精準(zhǔn)提取奠定基礎(chǔ)［10］。

通過科學(xué)設(shè)置飛行參數(shù)并優(yōu)化特殊場景作業(yè)，無人機(jī)可高效采集建筑工程區(qū)域內(nèi)地形、地物的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為全要素地形圖的精準(zhǔn)構(gòu)建提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)源。

1.1.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪中，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集工作依托激光掃描設(shè)備實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備能夠高效獲取建筑場地及建筑物表面的三維空間信息，適配建筑工程場景需求，為后續(xù)地形建模、地物分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)通過激光測距與激光束電子測角系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，將傳統(tǒng)單點(diǎn)測量模式拓展為面域化、連續(xù)化的數(shù)據(jù)采集方式，適配建筑工程對大范圍、高精度地形測繪的需求。其工作流程如下：設(shè)備以脈沖激光測距法為基礎(chǔ)，由內(nèi)部激光脈沖二極管發(fā)射激光脈沖，射向建筑工程中的被測對象（如建筑主體、場地地形、附屬設(shè)施等），激光觸及被測物體表面后發(fā)生反射，掃描設(shè)備的探測裝置接收回波信號［11-12］。

基于激光束發(fā)射、接收之間的時(shí)間差值T，結(jié)合激光束的空間指向信息，利用極坐標(biāo)法計(jì)算掃描點(diǎn)相對位置，構(gòu)建建筑場景三維點(diǎn)云。以掃描設(shè)備位置為原點(diǎn)建立內(nèi)部坐標(biāo)系，水平激光發(fā)射方向?yàn)閄軸、豎直向上為Z軸、與X、Z軸垂直構(gòu)成Y軸，掃描點(diǎn)P(Xp，Yp，Zp)的坐標(biāo)解算公式為

式中，α、θ分別用于描述激光束水平、垂直方向角，二者決定激光掃描點(diǎn)位置；S用于描述激光發(fā)射點(diǎn)與掃描點(diǎn)的距離，反映建筑工程中被測點(diǎn)的空間跨度，其作為點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，通過激光發(fā)射與接收的時(shí)間延遲T推導(dǎo)，表達(dá)式為

式中，c用于描述光速。

通過上述過程，無人機(jī)搭載的激光掃描設(shè)備可快速采集建筑工程區(qū)域內(nèi)場地地形、建筑主體、附屬設(shè)施等要素的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為全要素地形圖構(gòu)建提供高密度、高精度的原始信息，滿足建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測等環(huán)節(jié)對地形數(shù)據(jù)的精細(xì)需求。

1.2 建筑工程激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)全要素提取與分類

對利用無人機(jī)搭載激光掃描設(shè)備獲取建筑工程激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)全要素進(jìn)行提取與分類，是完成建筑工程全要素地形圖測繪的核心。在建筑工程激光點(diǎn)云全要素提取中，需獲取地形（如坡度、起伏度）、地物（如建筑輪廓、植被紋理）等工程所需的多維度要素信息。

以采集到的建筑工程激光點(diǎn)云為操作對象，先通過去噪過程，篩選出最大比例尺適用范圍內(nèi)的地表種子點(diǎn)集，這些種子點(diǎn)可對應(yīng)建筑場地原始地形關(guān)鍵點(diǎn)、未被遮擋的基礎(chǔ)地物參照點(diǎn)。然后利用梯度閾值對下一層次種子點(diǎn)進(jìn)行審核與優(yōu)選，優(yōu)選原理如下：判斷激光點(diǎn)云節(jié)點(diǎn)K1與K2間坡度是否契合預(yù)設(shè)閾值要求，建筑工程點(diǎn)云任意節(jié)點(diǎn)實(shí)際坡度值τslope計(jì)算公式為

式中，K1(x)、K1(y)、K1(z)與K2(x)、K2(y)、K2(z)分別用于描述節(jié)點(diǎn)K1、K2的空間坐標(biāo)分量，定位激光點(diǎn)云在建筑工程場地中位置；HΔ(K1，K2)用于描述激光點(diǎn)云節(jié)點(diǎn)K1、K2之間的高度差值，直觀反映建筑場地地形起伏或地物垂直方向的變化情況。

若τslope數(shù)值低于設(shè)定閾值，保留K2作為地面種子點(diǎn)，用于后續(xù)場地地形要素構(gòu)建；反之，則進(jìn)入下一級節(jié)點(diǎn)的坡度判斷流程［13］。通過對建筑工程點(diǎn)云網(wǎng)格的逐層遍歷，種子點(diǎn)重復(fù)篩選，最終獲取最小尺寸適配的地面種子點(diǎn)集，精準(zhǔn)對應(yīng)建筑工程點(diǎn)云的地形基礎(chǔ)要素。

基于坡度濾波結(jié)果完成網(wǎng)格屬性劃分后，針對建筑工程場景中建筑主體覆蓋區(qū)域、植被生長區(qū)域、道路鋪設(shè)區(qū)域等不同屬性網(wǎng)格，引入地形計(jì)算因子對要素進(jìn)行量化表達(dá)，地形計(jì)算因子的提取結(jié)果τfa計(jì)算公式為

式中，hP、hK分別用于描述初始點(diǎn)云、優(yōu)選種子點(diǎn)的高度值；P為坡度值；fmultiple(?)為根據(jù)建筑工程中不同地物類型的高度差特征靈活適配計(jì)算的倍數(shù)函數(shù)。

除地形基礎(chǔ)要素外，將最大坡度τslope -max、坡度增量τslope -Δ作為建筑工程點(diǎn)云地形要素的補(bǔ)充信息，用于更全面刻畫場地地形變化，其提取表達(dá)式為

式中，fmax(?)為最大值求解函數(shù)，可從場地多點(diǎn)坡度數(shù)據(jù)中篩選出最大坡度值，用于識別建筑場地內(nèi)陡坡、高坎等特殊地形要素；τslope(t1)、τslope(t2)為t1、t2時(shí)刻采集的激光點(diǎn)云坡度值，二者差值與時(shí)間差的比值可捕捉建筑場地地形動態(tài)變化過程，如施工填方、挖方前后場地坡度的差異，為工程施工監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。

加權(quán)融合公式（6）~公式（8），得到建筑工程點(diǎn)云地形全要素信息。

通過曲率特征中的平均曲率、高斯曲率λGaussian計(jì)算，提取激光點(diǎn)云紋理與邊緣關(guān)聯(lián)要素，公式為

式中，λ(i)用于描述點(diǎn)云數(shù)據(jù)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的曲率特征，通過融合曲率分量和λGaussian，完成點(diǎn)云紋理、邊緣類要素提取。其中建筑工程點(diǎn)云紋理要素可通過點(diǎn)云表面曲率的“連續(xù)變化”（如建筑立面的凹凸紋理、植被冠層的起伏紋理）體現(xiàn)。建筑工程點(diǎn)云邊緣要素可通過點(diǎn)云表面曲率的“突變特征”（如建筑輪廓邊緣、道路與地形的銜接邊界）體現(xiàn)。最終整合地形、地物多類型要素，輸出全要素提取成果τextracted，清晰呈現(xiàn)場地內(nèi)各類要素空間分布與特征。

建筑工程激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含建筑、植被、道路等多種工程要素類型，需依托濾波分類操作實(shí)現(xiàn)各類要素的精準(zhǔn)區(qū)分。實(shí)際作業(yè)中，依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)容，預(yù)先定義不同數(shù)據(jù)類型的標(biāo)準(zhǔn)要素特征τi（地形、建筑、植被、道路），將其作為濾波分類的劃分依據(jù)，確保分類結(jié)果貼合建筑工程實(shí)際需求。在執(zhí)行濾波分類前，計(jì)算點(diǎn)云提取要素與標(biāo)準(zhǔn)要素特征的相似度ζl，公式為

將要素量化結(jié)果代入公式（10），可得到特征相似度度量值，并判斷ζl與設(shè)定閾值ζ0之間的關(guān)系：若存在ζl≥ζ0，則判定當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)對應(yīng)第l類工程要素；反之，則繼續(xù)匹配下一類要素特征，直至滿足閾值條件。最終，點(diǎn)云濾波分類結(jié)果F可表示為

式中，Pl(x，y，z)為判定為第l類工程要素的點(diǎn)云坐標(biāo)集合，可直觀呈現(xiàn)該類要素在建筑場地中的空間分布。

通過全要素提取-濾波分類，能夠精準(zhǔn)識別建筑工程激光點(diǎn)云中的地形、建筑、植被、道路等各類工程要素，為后續(xù)全要素地形圖的構(gòu)建筑牢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 建筑工程全要素測繪地形圖構(gòu)建

完成建筑工程激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)全要素提取與分類后，選擇不規(guī)則三角網(wǎng)（triangulated irregular network，TIN）三維建模技術(shù)作為核心方法，將分類后的地形、建筑、植被、道路等要素整合［14］，構(gòu)建精準(zhǔn)反映建筑工程場地空間關(guān)系的全要素地形圖。

以分類后點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在建模軟件Context Capture中執(zhí)行建模操作。

1）點(diǎn)云初始化。導(dǎo)入分類后的地形、建筑、道路、植被層點(diǎn)云，按要素分層管理，支持單獨(dú)調(diào)用。

2）鄰域點(diǎn)三角化。地形層按坡度分類動態(tài)設(shè)置搜索半徑，鄰域點(diǎn)構(gòu)建三角形，形成地形TIN。針對建筑層提取輪廓邊緣點(diǎn)，作為TIN“約束點(diǎn)”，貼合建筑實(shí)際輪廓（立面垂直邊、屋頂折線）。針對道路、植被層，識別道路中線、植被冠層邊界，作為TIN“硬約束”，保障地物形態(tài)準(zhǔn)確［15］。

3）TIN網(wǎng)絡(luò)融合。融合各層TIN子網(wǎng)絡(luò)，通過邊界匹配算法消除沖突，用曲面平滑優(yōu)化建筑立面，形成連續(xù)、精準(zhǔn)的全要素三維模型［16-17］。

4）全要素地形圖輸出。借助Maptek I-Site Studio 3.4及專業(yè)繪圖軟件，實(shí)現(xiàn)全要素地形圖的工程化輸出。①等高線與高程點(diǎn)處理，利用軟件自動生成等高線，按首曲線、計(jì)曲線分開生成以便批量賦屬性，基于等高線建立三維模型，過濾原始點(diǎn)云、抽稀后輸出高程點(diǎn)，或投影地物特征點(diǎn)生成地物高程點(diǎn)［18］；②矢量與屬性整合，提取地形等高線、建筑/道路邊線等矢量要素，標(biāo)注高程、坡度、地物類型（建筑層數(shù)、道路等級 ），關(guān)聯(lián)分類結(jié)果的工程屬性（建筑基礎(chǔ)類型、植被保護(hù)等級），構(gòu)建“地形圖+屬性數(shù)據(jù)庫”，支持施工約束查詢；③可視化與應(yīng)用，輸出三維模型與二維地形圖聯(lián)動成果，輔助規(guī)劃階段場地分析、施工階段作業(yè)指導(dǎo)，完整呈現(xiàn)場地空間關(guān)系與地物屬性，完成精準(zhǔn)測繪。

通過分類要素驅(qū)動TIN建模，結(jié)合專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)等高線、高程點(diǎn)及屬性整合，使全要素地形圖直接服務(wù)于建筑工程全流程，完成地形圖精準(zhǔn)測繪［19-20］。

2 實(shí)驗(yàn)分析

選取某變電站建筑工程所在區(qū)域?yàn)闇y繪區(qū)域，該變電站地處城市近郊，周邊地形及設(shè)施具備典型建筑工程場景特征，測繪區(qū)域內(nèi)包含要素種類豐富，包括建筑物、植被、交通地形等。其中建筑、設(shè)施分布規(guī)整，包含主建筑、附屬用房及各類電力設(shè)備區(qū)，周邊銜接道路、綠地等不同地物類型，區(qū)域內(nèi)地形存在一定起伏，植被覆蓋與人工設(shè)施交錯(cuò)。測繪區(qū)域圖以及地形局部圖分別如圖1、圖2所示，為本文提出的建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪方法的驗(yàn)證提供理想條件。

圖1 測繪區(qū)域示意圖

圖2 測繪區(qū)域地形局部圖

測繪過程中采用大疆經(jīng)緯M300實(shí)時(shí)動態(tài)定位（real-time kinematic，RTK）無人機(jī)搭載Riegl三維激光掃描設(shè)備對測繪區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，無人機(jī)及激光掃描設(shè)備參數(shù)分別如表1、表2所示。結(jié)合測繪區(qū)域?qū)嶋H情況，設(shè)置無人機(jī)飛行相對航高為115 m，航向、旁向的重疊度分別為85%、70%，保障點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集密度與采集覆蓋度，經(jīng)掃描作業(yè)，最終獲取測繪區(qū)域原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量達(dá)425 GB，為后續(xù)全要素提取、建模及地形圖構(gòu)建提供充足數(shù)據(jù)源。通過圖3展示部分激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集結(jié)果。

表1 無人機(jī)參數(shù)詳情

表2 激光掃描設(shè)備詳情

圖3 部分激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集結(jié)果

分析圖3數(shù)據(jù)可知，本文方法可以通過無人機(jī)搭載激光掃描設(shè)備精準(zhǔn)采集包括多種建筑工程要素的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中建筑、設(shè)備激光點(diǎn)云能夠清晰呈現(xiàn)建筑輪廓與設(shè)備布局，紋理、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)豐富。植被激光點(diǎn)云能夠有效捕捉植被形態(tài)、分布特征，并能區(qū)分不同植被覆蓋區(qū)域，為后續(xù)全要素提取及高精度地形圖構(gòu)建提供良好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

應(yīng)用本文方法最終獲取的建筑工程全要素的1∶500的地形圖測繪結(jié)果如圖4所示。生成的等高線情況如圖5所示。

圖4 建筑工程全要素地形圖測繪結(jié)果

圖5 局部等高線生成結(jié)果

圖4（a）可以精準(zhǔn)呈現(xiàn)出植被分布與地形關(guān)聯(lián)，色彩及紋理還原度高，可清晰辨識植被覆蓋范圍與地形走勢。圖4（b）能夠完整且精確地勾勒出變電站建筑、設(shè)備布局，各設(shè)施空間關(guān)系清晰，細(xì)節(jié)豐富，滿足工程測繪對人工設(shè)施的精細(xì)需求。分析圖5可知，本文方法生成的等高線可以良好貼合地形起伏，準(zhǔn)確反映區(qū)域地勢變化，達(dá)成與實(shí)際地形的高精度匹配。

在地形、建筑、植被、道路四類要素的地形圖成果中均勻選取檢查點(diǎn)，變電站建筑所在區(qū)域檢查點(diǎn)的空間分布如圖6所示。

圖6 變電站建筑工程檢查點(diǎn)的空間分布

選取檢查點(diǎn)時(shí)，采用高精度的測量設(shè)備和方法。對于檢查點(diǎn)的測量，使用全站儀進(jìn)行測量。全站儀是集“光、機(jī)、電”為一體的高技術(shù)測量儀器，能同時(shí)測量角度、距離和高差。測量中將全站儀架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，進(jìn)行整平和對中操作，確保儀器處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。通過瞄準(zhǔn)檢查點(diǎn)上的反射棱鏡，測量檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在測量地形要素檢查點(diǎn)時(shí)，選擇有代表性的地形特征點(diǎn)。對于建筑要素，選取建筑物的角點(diǎn)、拐點(diǎn)等位置作為檢查點(diǎn)。植被要素檢查點(diǎn)則選取不同植被類型的中心位置。測量過程按照全站儀的操作規(guī)范進(jìn)行，每個(gè)檢查點(diǎn)至少測量兩次，取平均值作為測量結(jié)果。全站儀的測量精度較高，角度測量精度可達(dá)±2″，距離測量精度可達(dá)±（2 mm+2×10-6×D），其中D為測量距離，滿足1∶500地形圖對檢查點(diǎn)的要求。獲取的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠?yàn)轵?yàn)證本文方法的地形圖測繪效果提供可靠的依據(jù)。通過統(tǒng)計(jì)不同要素類別下平面、高程點(diǎn)的中誤差，驗(yàn)證本文方法針對地形、建筑、植被、道路四種類別要素的地形圖測繪效果，結(jié)果如表3所示。

表3 不同類別要素的測繪效果統(tǒng)計(jì)

分析表3數(shù)據(jù)可知，本文方法針對地形、建筑、植被、道路四種要素的測繪結(jié)果的平面中誤差介于0.14~0.21 m，高程中誤差介于0.22~0.32 m。由于建筑要素幾何特征明確，其中誤差最小；相較而言植被受形態(tài)復(fù)雜影響，中誤差相對較高。最終得到的四類要素中誤差均滿足1∶500地形圖精度要求，驗(yàn)證了本文方法可精準(zhǔn)適配建筑工程全要素測繪，為地形分析、工程設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)束語

為滿足建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪需求，本文方法利用無人機(jī)激光點(diǎn)云高效采集建筑工程的多要素點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)構(gòu)建1∶500全要素地形圖，針對地形、建筑、植被、道路四類要素，平面、高程中誤差均符合1∶500地形圖精度標(biāo)準(zhǔn)。在建筑工程測繪中，該方法能夠?yàn)榈匦畏治觥⒐こ桃?guī)劃與設(shè)計(jì)等提供高精度、高完整性的數(shù)據(jù)支撐，具備復(fù)雜場景下精準(zhǔn)測繪的實(shí)用性與可靠性。

引文格式：高俊.基于無人機(jī)激光點(diǎn)云的建筑工程全要素地形圖精準(zhǔn)測繪方法［J］.北京測繪，2026，40（5）：650-657.

［作者簡介］ 高俊（1976—），男，山東陽谷人，大學(xué)本科，工程師，從事工作測繪工程方向的工作。E-mail: yerhfush@126.com

來源：測繪學(xué)術(shù)資訊