無人機傾斜攝影輔助GIS+BIM技術在公路中的應用

王志勇

(山西二建集團有限公司，山西 太原 030013)

1 工程概況

1.1 項目簡介

國道G342晉城市過境段改線工程PPP項目(以下簡稱“本項目”)，路線起點(K0+360)位于澤州縣高都鎮高都收費站西，與既有國道G342順接，依次跨越太焦高鐵隧道、丹河、長晉高速、國道G207、晉煤集團煤礦鐵路線，分幅下穿環城北高速東掩大橋，K線終點(K27+711.604)與既有陵沁線順接；L線起點(LK0+000)與K線在南掩村西北處T型交叉，設置T型樞紐互通立交，跨越晉陽高速，在張莊村西與晉城環城高速一級公路連接線順接，終點里程(LK8+599.495)。路線(K+L線)全長35.929 km,按一級公路標準建設，設計速度80 km/h，路基寬度25.5 m。施工內容包括：特大橋1座，大中橋12座，互通式立體交叉5處(含：大中橋16座、涵洞50道、天橋5座、通道14座)，涵洞49道，天橋6座，通道17座。項目概算投資31.169億元。

1.2 工程特點和難點

本項目路線經過煤礦采空區不良地質路段和煤礦資源含煤區，需采用全充填壓力注漿法處置，并避開煤礦資源含煤區，地質條件復雜，線路前期優化要求高；橫跨正在申報國家級森林公園的丹河濕地、龍王山森林公園等環境敏感區，文明施工要求高；路線走廊歷經低山區、丘陵區、山前傾斜平原區和河谷階地區，爆破開挖難度高，土石方轉運量大；項目沿線100 m范圍內經過大小村莊10余處，周邊遍布電力、廣電、移動、聯通、國防光纜、信號塔、高壓送電線路及國家重點文物保護單位碧落寺等建(構)筑物，征地拆遷任務重，現場管理難度大。同時，項目建成后將與已通車的國道G207線晉城過境段改線工程閉合形成市區二環，省政府高度重視，施工任務和工期十分緊張。

2 無人機傾斜攝影技術概述

1)無人機技術。無人機運行原理是通過無線電遙控與制動程序對無人飛機或者是飛行器進行控制，無人機主要包括固定翼、直升機、多旋翼以及飛艇等，具備機動、經濟以及快速等優點[1]。本項目采用飛馬機器人公司生產的V系列高性能垂直起降固定翼無人機(見圖1)，結合《飛馬云監控》《無人機管家》《飛馬三維瀏覽器》等軟件平臺，實現了測區任務地理戳記、航線軌跡展繪、飛行參數顯示、航拍參數查看等全程云管理功能。

2)傾斜攝影技術。傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項高新技術，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、前視、左視、右視與后視共5個不同的角度采集影像[2]，依托全球導航衛星系統、慣性導航系統以及傾斜攝影系統，可快速采集影像數據，進行全自動化三維建模，準確、真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性。傾斜攝影數據是帶有空間位置信息的可量測影像數據，能同時輸出DSM，DOM，DLG等多種成果。

3 無人機傾斜攝影測量實施流程

無人機傾斜攝影測量技術能夠真實地反映被攝目標的情況，借助先進定位技術的支持，能夠獲取豐富的影像數據，且攝影過程不用耗費大量的人力物力[3]。本項目施工所在區域為典型山地區域，地形主要以丘陵為主，平均海拔約為860 m，最高約1 076 m，最低約741 m，植被覆蓋茂盛，傳統現場GIS數據測量和BIM三維建模難度很大。因此，根據項目GIS測量作業和BIM三維建模需求，測繪方案采用V300高性能垂直起降固定翼無人機進行傾斜攝影飛行測繪。

本次飛行測繪結合《無人機管家》系列軟件進行，可自動進行測區構建、自動匹配連接點、空三加密、影像勻光勻色、正射糾正、影像鑲嵌等優化處理，并及時將處理得到的外方位元素、相機參數以及糾正后的影像導入Smart3D軟件,經過傾斜影像聯合區域網平差、多視影像密集匹配和紋理映射等環節，可快速構建真實、直觀的三維模型，其自動化程度高，作業周期短，生成成本低[4]。飛行測繪設計地面分辨率10 cm，相對航高204 m，航向重疊82%，旁向重疊65%，并在飛行過程中根據地理信息自動生成滿足后期處理的最佳飛行方案，飛行作業共計8架次(見圖2)。

無人機傾斜攝影的使用，不僅極大的提高了工程測量作業效率，而且能準確獲得施工現場高分辨率影像數據。特別是所測區域地處山區，地形起伏大、光照條件差異明顯，經過無人機管家勻光勻色處理后的DOM影像色彩均勻、不存在明顯接縫，且DOM內部一致性好，不存在扭曲、地物重影、拉花的現象，為后續高精度三維實景地形的創建提供了高質量的數據輸入。無人機傾斜攝影實施流程見圖3。

4 無人機傾斜攝影輔助GIS+BIM技術實景建模的具體應用

4.1 基于GIS+BIM技術的公路選線設計應用研究

本項目設計階段，初步提供了10個路線設計方案。其中，在K線與D線方案比選中，通過采用無人機傾斜攝影輔助GIS技術進行三維實景建模，可全面、立體、直觀的進行經濟技術論證分析，為建設單位最終決策提供強有力的依據，爭取了寶貴的時間。在本項目中，K線雖在二仙掌村存在S型曲線，但整體填挖方工程量較小；而D線對龍王山森林公園環境影響較大,且新建線位整體填挖方工程量較大，順層深挖方所需抗滑樁等支擋防護工程量大，通過BIM技術模型和經濟社會效益分析，最終選擇K方案(見圖4)。

4.2 基于GIS+BIM技術的路線方案優化應用研究

根據確定的路線方案，采用無人機傾斜攝影輔助GIS技術建立完整的路、橋三維實景模型，結合路線周邊地物條件，可全面、高效、準確對路線進行優化設計。本項目中，通過GIS+BIM技術建模可直觀發現K12+800～K13+000路線段與110 kV高壓線塔存在沖突，通過優化線位避開，避免了重大拆遷(見圖5)；三溝互通原設計方案占用房屋數量較大，通過優化互通線位，減少房屋拆遷約3 000 m2(見圖6)。此外，通過在三維實景GIS+BIM模型中加載煤炭礦界范圍，發現LK2+800～LK4+300路線段壓覆煤礦資源，通過BIM技術優化后，減少煤礦資源壓覆400 m，節約資金3 000萬元。

4.3 基于GIS+BIM技術的橋梁方案對比應用研究

本項目丹河特大橋在設計之初，共提出3種設計方案，分別為獨塔雙索面斜拉橋、連續剛構橋和雙塔雙索面矮塔斜拉橋，通過將3種橋梁BIM模型加載到無人機傾斜攝影輔助生成的三維實景GIS模型中，可綜合對比各橋梁的造型、技術和經濟方案(見圖7)。其中，獨塔雙索面斜拉橋施工雖然復雜，造價最高，但符合晉城市旅游公路發展需求，被確定為最終實施方案。

4.4 基于GIS+BIM技術的公路改路設計應用研究

本項目全線90條公路改路設計均在無人機傾斜攝影輔助生成的三維實景GIS模型中進行，極大的保證了設計質量，提高了設計效率。其中，在G069公路改路設計中，1∶2 000地形圖中未顯示既有機耕道路寬度、路面材料等信息(見圖8)，通過GIS三維實景模型核查改路設計，并將BIM設計成果導入GIS模型進行驗證(見圖9)，最大限度避免了后期因無法確定改路設計參數而產生設計變更。

4.5 基于GIS+BIM技術的征地拆遷管理

通過在無人機傾斜攝影輔助生成的三維實景GIS模型中加載路線征地紅線，可精確計算紅線范圍內各類用地的征拆數量，使得征地拆遷的前期調查工作快速、準確，省去了大量現場勘查測量工作，避免了潛在拆遷對象搶建、搶栽等行為的發生，大大減少了征拆工作難度及費用，且利于合理安排拆遷計劃和資金投入。

5 結論與展望

無人機傾斜攝影輔助GIS+BIM技術的應用研究,最大的價值在于整合BIM和GIS技術優勢,將傾斜攝影輔助生成的三維實景GIS模型與BIM結構模型成果進行了精準融合,精準地呈現了項目全生命周期的結構物真實空間位置，可快速、高效、準確處理三維空間數據，為公路設計提供真實、可靠的基礎數據，并在公路選線設計、路線方案優化、橋梁方案對比、公路改路設計、征地拆遷管理和土石方工程量核算等方面提供數據支撐。同時，實現了公路項目信息全過程整合，保證了項目全生命周期管理信息暢通傳遞，有效促進了我國公路工程設計、施工、養護和運營管理高質量發展，為我國交通強國建設再添新彩。