基于激光点云的城市建筑高度普查

王苑楠，汪小楠

(1.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042； 2.宁波市鄞州区测绘院，浙江 宁波 315000)

基于激光点云的城市建筑高度普查

王苑楠1*，汪小楠2

(1.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042； 2.宁波市鄞州区测绘院，浙江 宁波 315000)

提出了基于激光点云进行建筑高度普查的技术流程，制定了建筑高度特征点采集标准，建立了宁波市高精度的建筑高度普查数据库，并进行了专题统计和分析。普查成果能够用于城市建筑高度控制规划、日照分析、建筑安全监测、消防应急救援等领域。

激光点云；城市建筑高度；建筑高度普查；建筑属性

1 引 言

宁波市城市建筑高度普查是在国家和省地理国情普查内容的基础上，结合宁波市城市建设和减灾防灾的需要进行深入补充普查的特色专项之一[1]。城市建筑作为人们居住和活动的场所，建筑信息有重要的使用价值，尤其是建筑高度对城市环境、居住条件、城市规划有着非常重要的影响[2]，对城市安全应急等也有重要意义[3]。目前国内多家城市开展了建筑物属性普查[4，5]，但针对建筑高度的普查还没有。

目前针对建筑高度的获取手段包括基于影像阴影的建筑高度提取、摄影测量和工程测量等方式。基于影像阴影的方式快速、简单，但精度低[6]；摄影测量方式能够获取大范围的数据，但其高程精度一般在分米级；工程测量精度高，但时间长、成本高，一般仅针对小范围的建筑地块[7]。本次建筑高度普查的主要内容是基于高精度激光点云、数字线划图、正射影像等提取建筑的高度信息，同时根据收集的建筑专题数据对建筑其他重要属性信息也进行采集。普查使用的激光点云数据采用瑞典AHAB公司蝙蝠机载激光雷达测量系统获取，激光点云的高程中误差小于 0.10 m，点云密度不少于6个点/m2。

项目研发形成了一套基于激光点云采集建筑高度特征点的技术流程，制定了建筑高度特征点采集标准，建立了宁波市高精度的建筑高度数据库和属性信息数据库，并进行了专题统计和分析。

2 关键技术

2.1 建筑高度采集类型和要求

项目首先研究和分析了建筑顶部的特征，从而确定了有代表性的建筑高度点类型，包括建筑主体高度、建筑北檐口高度、建筑女儿墙高度、建筑分层高度和建筑顶部附属物高度。建筑物各类高度采集位置应选取建筑物顶部的可测量的激光回波点上，采集位置应能体现出建筑结构特点。除建筑主体高度需要分别采集绝对高度值和相对高度值，其他高度值都为绝对高度，如图1所示。

图1 建筑高度点类型

建筑主体高度点指建筑物主体结构的最高点。通常可以将建筑主体划分为平顶建筑、坡屋顶建筑和复杂结构建筑三类，建筑主体结构不同其具体测量位置也不同。主体为平顶的建筑，建筑主体绝对高度应选取顶层平台北檐口位置的激光点高程值。主体为坡屋顶的建筑，建筑主体绝对高度应量取主体结构最高处激光点的高程值，同时采集北檐口位置激光点的高程值。当建筑屋顶为曲面等复杂形状时，建筑主体绝对高度应选取建筑顶层平台的最高激光回波点高程值。测量建筑女儿墙高度时，仅测量主体结构上顶层北侧女儿墙的高度，如图2所示。

图2 建筑主体、北檐口、女儿墙高度测量位置

建筑顶部附属物高度指属于建筑物顶部的一部分但不属于主要结构的建筑部件或设施处，如电梯间、楼梯间、水箱间、烟囱、阳光房、玻璃幕墙、空调外机、避雷针、卫星接收天线、信号发射塔、外墙广告等，当其水平投影面积大于等于 64 m2时进行量测；

建筑分层高度是指建筑有裙楼或出现错层时，当主体楼与裙楼或层次间的高差大于等于 2.2 m，且单一投影面积达到 64 m2时进行量测。建筑主体与分层的判别规则为：体积(面积×高度)占建筑总体积比例最大的结构优先认定为建筑主体结构。建筑主体为3层以下(含3层)或 10 m以下的，仅量测建筑物主体绝对高度；建筑主体为6层及以下且为居住建筑的，不量测分层高度；建筑有裙楼或出现错层时，当裙楼或错层水平投影后被上层建筑遮挡的，不予测量。

2.2 建筑高度采集方法

以激光点云的建筑分类成果作为主要参照数据，辅以数字正射影像和地形图的建筑轮廓面，在立体环境下判断建筑主体绝对高度、建筑北檐口高度、建筑女儿墙高度、建筑分层高度和建筑顶部附属物高度的测量位置，选取相应位置处可测量的激光回波点，进而提取各类高程值，取位至厘米。建筑高度采集的时间节点与激光点云获取的时间节点相同。激光点云与正射影像为同步获取，如遇地形图二维矢量轮廓数据与激光点云不一致，则按照激光点云勾画顶部轮廓。激光点云是建筑高度采集的主要参照数据，数字正射影像用于辅助判读建筑顶部结构，建筑轮廓面主要用于采集过程中的建筑定位。将激光点云、数字正射影像和建筑轮廓面导入到高度采集软件中，为方便操作设置左右窗口分别为二维叠加和三维叠加显示(如图3)。①在二维视图中选择一个建筑轮廓面作为当前普查对象，三维视图中将自动定位到此建筑位置，并仅显示所选轮廓范围内(可以设置外扩参数)的激光点云。②如建筑屋顶结构较简单、易于判断测量位置，则直接在三维视图的激光点云上人工选取对应位置的高度测量点，且软件中可通过设置半径值，自动选取出所选点一定范围内的最高点，从而保证采集的准确性；③如建筑屋顶结构较复杂，可选择范围显示点云局部剖面用于辅助判断。④采集每个高度点后同时录入其位置X和Y坐标、绝对高度值和高度点类型等信息，最后导出所有采集的高度测量点和建筑轮廓面。

图3 建筑高度测量点采集

建筑主体相对高度是指建筑主体绝对高度值与建筑底部地表高程的差值，计算时利用的数据源主要是高精度数字高程模型(DEM)，应获取建筑主体绝对高度测量平面位置投影对应DEM高程值之差，同时也记录地面高程值。

2.3 建筑属性信息采集

在高度普查的同时，对建筑的属性信息也进行普查。项目制定的建筑属性信息包括“建筑编码、社区代码、建筑名称、建筑所在项目名称、建筑地址、竣工年份、建筑结构、地上层次、地下层次、建筑面积、单元数、住宅总套数、建设单位、设计单位、施工单位、监理单位、产权单位、物业单位、土地性质、产权性质、基础情况”等。

“社区代码”共12位，根据行政境界资料区分各建筑所在区、街道(乡、镇)和社区(村)进行填写[8]。建筑编码作为建筑的唯一编码共18位，为“社区代码+建筑流水号”。其他属性信息的填写通过收集住建委提供的房屋基础信息数据、地名地址数据、建筑档案等数据，尽可能填写完整，必要时结合外业调查。

3 实施与成果

3.1 建筑高度普查数据库成果

普查范围为宁波市的城市建成区，总面积约为 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属性信息。项目完成了区域内总计 280 181幢建筑、365 516个高度点的普查工作，建立了区域的建筑高度普查数据库。

图4 建筑高度普查数据库

3.2 建筑高度普查精度统计

利用建筑竣工测量资料中的高度数据227处，外业实测建筑高度302处，通过比对计算得到建筑高度普查的高程中误差为 0.08 m，精度统计如表1所示。

建筑高度普查精度统计 表1

3.3 建筑高度分布统计图表

项目完成了各区和各街道的建筑高度和属性统计图表。统计图表中能够直观的反映建筑高度普查信息的分布情况，包括各个统计范围内的建筑数量及最高建筑名称等信息。

建筑高度统计表(以江东区为例) 表2

图6 建筑高度二维分布图示例

图7 建筑高度三维分布图示例

4 结 语

城市建筑高度普查是宁波市地理国情普查最有特色的专项之一。项目研发形成了一套基于激光点云采集建筑高度特征点的技术流程，能够获取大范围的高精度的建筑高度数据，大大降低了生产成本。特别针对建筑关键位置处如主体高度、北侧女儿墙高度、北檐口高度等进行采集，另外获取了建筑名称、建筑地址、建筑结构等一系列建筑属性信息，能够全面反映建筑的主要高度特征和重要属性。城市建筑高度的普查与后续监测，能够加强对城市垂直空间格局的直观了解，明确建筑高度分布与城市环境间的相互关系，促进城市建筑分布、控制规划、日照分析等的科学合理性，而且对高层建筑安全监测和消防应急救援也具有重要意义。

[1] 曹学礼，曹建明. 基于宁波市地理国情普查方案的研究[J]. 城市勘测，2014(4)：30～31.

[2] 陈曦. 谈建筑高度与城市景观的协调[J]. 南方建筑，2004(6)：12～14.

[3] 吴越. 建筑物建筑高度的确定[J]. 消防技术与产品信息，2007(1)：12～14.

[4] 郝埃俊. 深圳市建筑普查及成果图绘制方法探析[J]. 黑龙江交通科技，2012(9)：127～128.

[5] 高会宝，何公科. 城市建筑物普查实施思路与流程研究[J]. 科技创新导报，2010(10)：8～10.

[6] 宋仁波，李文慧，王细元等. 基于双张影像的城市建筑物高度提取方法[J]. 测绘工程，2014，23(9)：66～69.

[7] 史秀保，汪帆，葛纪坤. 三维激光扫描在建筑规划竣工测绘中的应用研究[J]. 城市勘测，2014(2)：83～85.

[8] GB/T2260-2007. 中华人民共和国行政区划代码[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 作者简介：王苑楠(1986—)，女，硕士，工程师，研究方向为摄影测量和三维仿真技术。 基金项目：宁波市科协2016年重点软科学研究课题资助项目(X201601-3)