無人機傾斜攝影技術結合BIM+GIS在城市隧道建設中的應用

周小蓉，王曉璐，孫璨，楊旭東，梁永健,4，周凌寧，黃立佳，馮兆龍

（1.廣州市中心區交通項目管理中心；2.東莞理工學院生態環境與建筑工程學院；3.中鐵隧道局集團有限公司；4.廣州一建建設集團有限公司）

1 引言

無人機傾斜攝影技術作為快速獲取區域空間信息的有效手段，可獲取大范圍、多角度、高精度、高清晰地形和地表數據，在測繪、城市規劃等多方面得到了較好應用。利用航測數據建立三維模型，結合GIS地理信息系統和BIM建筑信息技術，可廣泛應用于數字城市建設。

城市隧道工程具有跨區域廣、線路所在地區地形地貌復雜、項目參與方多等特點，在規劃、建設、維護等過程中難度大[1]。前期設計選線直接影響拆遷改造和環境，中期施工影響隧道周邊建筑物的安全，后期運營巡檢和管理需監測數據支撐。無人機傾斜攝影獲取的高清晰圖像數據，可生成三維地理和建筑模型，快速實現地理信息的獲取，為城市隧道的規劃選線、隧道施工對周圍環境影響、施工巡檢及管理提供數據支撐。此外，基于無人機數據的管理平臺為隧道數據系統化存儲及項目管理與應用，提供有效的技術支持。本文以無人機傾斜攝影技術為基礎，建立實景三維空間信息技術體系，結合GIS和BIM，為無人機傾斜攝影技術在城市隧道工程建設中的應用提供借鑒。

2 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影技術是指無人機搭載多目攝像機并按一定傾斜角進行的攝影，拍攝相片時同時記錄航高、航速、航向和旁向重疊、坐標等參數，通過相應的傾斜影像數據處理軟件，形成多視角三維實景建模。傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，彌補了基于正射影像應用的不足，更加真實地反映地物的實際情況。傾斜攝影技術的應用使三維建模成本大大降低，同時相較于GIS龐大的三維數據，應用傾斜攝影技術獲取的影像的數據量要小得多[2]。傾斜攝影已成為獲取地面三維模型的重要途徑，在測繪、城市規劃等多方面得到了較好的應用。

無人機傾斜攝影所獲地理信息數據的精確性較高、時效性強，可真實記錄城市隧道周圍的地形地物，為后續結合GIS和BIM的分析決策，提供可靠的三維可視化場景[3]。

3 GIS+傾斜攝影+BIM的技術融合

3.1 BIM技術特點

建筑信息技術BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，建立三維建筑模型，通過計算機數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。在隧道設計、施工、運維過程中，可通過BIM建筑信息技術進行三維模型的搭建（模型幾何信息），同時輸入數據信息和管理信息等。通過BIM可視化技術實現結構監測數據的直觀式，結合數值模擬分析和試爆監測的初步結果，開發周邊典型建/構筑物在隧道開挖爆破作用下的位移、加速度等重要影響效應的可視化展現與動態模擬，通過信息優化、數據提取、圖形轉換等方式實現實時監測數據的集成、分類及信息化有效關聯，BIM模型展示危險結構部位，為大規模的監測工作奠定信息化基礎。

3.2 GIS技術特點

GIS作為近年迅速發展的空間信息分析技術，可以有效管理具有空間屬性的各種資源環境信息，結合各應用場景對資源環境管理進行快速分析，協助進行項目評價和決策。此外，GIS可對不同時期的環境變化進行動態監測和分析比較，也可進行開發，將數據收集、空間分析和決策過程綜合為共同的信息流，明顯提高工作效率和經濟效益，為解決城市隧道建設問題及保障可持續維護提供技術支持。

3.3 BIM+傾斜攝影+GIS數據整合

BIM技術側重建筑全生命周期的微觀信息，而不具備地理環境等宏觀信息，在地理位置精確定位、空間地理信息分析、構筑物周邊環境整體展示中，存在缺陷[4]。無人機傾斜攝影可以輔助BIM模型搭建周邊地理環境的場景，結合GIS的空間信息整合和分析能力，三者共同提高基礎設施的信息完備性。在大數據集成應用的背景下，BIM+傾斜攝影+GIS新技術的探索發展尤為重要。

4 隧道建設中的應用

4.1 工程概況

如意坊放射線系統工程（一期工程）位于廣州市荔灣區，東起內環路如意坊立交，向西南下穿珠江后與芳村大道通過相連，項目全長約2.4km。其中隧道工程主線全長1511m，岸上段893m，沉管段618m，雙向六車道。如意坊隧道工程北段主要為集裝箱堆放場、貨運場、民宅及零星分布的古樹；南段（芳村區）河流主要有珠江和塞壩涌等。線路經過的區域主要為大渦村及居民住宅，樓層以2～4層的居多，項目及周邊環境如圖1所示。本工程隧址河道范圍內揭露的地質巖面較淺；強風化巖層的標貫擊數達50擊以上，工程前期擬采用水下爆破法和鑿巖棒開挖法相結合的方式進行石方開挖，后經論證改為鑿巖開挖方式。

圖1 項目及周邊環境概況

4.2 BIM建筑信息模型

對廣州如意坊隧道工程進行BIM模型的搭建，整個項目分為芳村段圍堰、黃沙段圍堰、沉管隧道三個部分。進行精細化BIM模型的搭建，如圖2所示，并在BIM模型中匯總本工程相關的工程數據，實現BIM信息數據集成。結合施工工序和施工進度，采用BIM技術進行珠江段沉管隧道的施工方案模擬和技術決策，最終預制6段沉管的施工方案。

圖2 如意坊項目BIM信息化模型

4.3 無人機傾斜攝影

對廣州如意坊隧道工程及周邊進行無人機拍攝，生成傾斜攝影數據。無人機傾斜攝影在項目前期主要用于選址可行性分析、拆遷征地評估分析，項目中主要用于施工監測。采用大疆無人機進行航線規劃方案論證，采用Bentley Context‐Capture軟件，空中三角測量后進行建模區域設置，模型切塊、模型格式選擇；然后使用Geomagic Wrap修模軟件修正模型，傾斜攝影模型如圖3所示。

圖3 如意坊項目傾斜攝影模型

4.4 可視化沙盤平臺

將廣州如意坊隧道工程周邊無人機傾斜攝影數據、GIS數據、BIM模型進行整合，設計開發該項目的工程管理可視化沙盤平臺，如圖4所示。影像及模型數據依托大數據平臺，進行各類應用及決策。

圖4 項目可視化管理平臺

項目利用無人機定期航拍并實景建模，根據采集的數據信息，進行項目拆遷評估、線路規劃等空間分析，為項目的前期規劃管理、中期施工方案、后期運營維護提供解決方案?？梢暬潮P平臺根據參與者身份給予不同的管理和查閱權限，為項目參與方提供了信息共享平臺，便于多部門協同工作和審批。此外，平臺提供開放的端口與各類監測數據結合，為結構模型和安全信息提供可視化表達。

4.5 線路規劃

城市公共交通的設計選線直接影響工程難度、投資、施工、效益及運營，線路設計不合理將帶來大量的拆遷、改移、改造、環境影響等問題[5-6]。將無人機傾斜攝影與BIM+GIS技術結合，有效整合城市如意坊項目沉管隧道工程周邊的地上和地下資源信息，從微觀和宏觀兩個角度對城市隧道的選線提供輔助決策。

在如意坊項目中，項目各參與方利用可視化沙盤平臺進行協同評估，包括對站點的合理性分析、選線的施工可行性分析、拆遷征地評估分析等。三維實景可視化平臺克服了傳統數據采集效率低、分析不直觀、地理坐標難對應等問題，對項目前期線路規劃起到重要作用。

4.6 隧道開挖方式對周邊建筑物影響

如意坊項目在項目初期擬采用水下爆破的方式，爆破沖擊波具有幅值大、傳播遠的特點，高強度的爆破地震波產生的振動會使周邊構/建筑物局部失穩甚至整體破壞。必須對周邊建筑物的穩定性與安全性進行判斷。如意坊隧道鄰近建筑物13099個，其中1979年以前的建筑物7343個，1980年～1989年的建筑物2056個。在搭建BIM-CIM模型的基礎上，通過數據提取、信息優化、圖形轉換等方式，實現實時監測數據的集成、分類及信息化有效關聯技術，實現爆破施工對周邊建筑影響效應及相關模擬、監測數據的信息化、空間化、可視化，指導爆破施工方案的優化和完善，并為后期大范圍規模的監測工作奠定信息化基礎。在水下爆破數值仿真模擬及BIM數據可視化后，綜合考慮爆破對周邊建筑的不利影響，本項目改為鑿巖開挖方式不采用水下爆破（見圖5）。

圖5 隧道開挖方案模擬及項目及周邊環境

4.7 隧道上部影像測量及巡檢

隧道施工和運營需定期巡檢以保障隧道設施的安全，無人機取得隧道沿線保護區地面環境巡檢圖像后進行預處理，識別風險源，并判別風險源性質。用無人機進行巡檢具有效率高、檢查范圍廣、巡檢質量高、巡檢成本低等特點[7]。

無人機輔助巡檢可發現保護區內其他項目違規作業對隧道項目的影響，大變形和開裂等影響隧道安全運營的因素，加強隧道保護區的管理。

5 結語

本文利用無人機傾斜攝影技術獲取了廣州如意坊隧道工程的影像數據，經影像數據處理后獲得該區域的高分辨率三維模型。結合BIM建筑信息化+GIS地理信息系統，對城市隧道的規劃選線、隧道開挖形式、上部影像測量及巡檢、施工運營監測等進行了應用探索。結果表明，無人機傾斜攝影技術結合BIM+GIS的新技術，具有極高的數據采集效率、數據處理能力、溝通分析效率，作為城市公共交通建設數字化管理的載體，在城市隧道的輔助決策中發揮重大作用。