羅海濤

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣州 510010)

1 概述

隨著智慧城市建設的快速推進,作為城市基礎配套設施的軌道交通也將加入其行列[1]。積極打造城市軌道交通運營監(jiān)測與評估一體化平臺,有助于實現(xiàn)城市軌道交通運營維護階段的標準化、信息化及智能化管理。BIM技術利用軌道交通的幾何信息、物理特性及功能特性等數(shù)據(jù)建立三維模型,可實現(xiàn)對模型內(nèi)部信息的存儲和分析管理[2-3],但其宏觀建模能力較差,模型不包含地理空間信息。GIS技術一般用于處理海量地理空間信息數(shù)據(jù),適用于城市軌道交通的總體表達,將其與BIM技術相結(jié)合,有望利用各自的優(yōu)勢構建智能監(jiān)測平臺。已有許多學者進行相關研究,陳光等通過定義一體化三維空間數(shù)據(jù)模型,構建軌道交通“GIS+BIM”三維數(shù)字基礎空間框架[4-5];李虎等利用“BIM+GIS”技術,提出搭建城市軌道交通建設管理智慧平臺的思路[6];夏永俊等結(jié)合BIM和3DGIS各自的特點,提出了兩者結(jié)合應用的整套技術路線并在軌道交通建設中進行應用[7];王孟鈞等從設計界面、虛擬建造和協(xié)同平臺等三個維度對BIM和GIS技術在城市軌道交通中的應用進行分析[8]。以下結(jié)合運營城市軌道交通安全監(jiān)測與評估的需求,分析利用“BIM+GIS”技術通過三維實景建模實現(xiàn)時空一體化成果表達。

2 城市軌道交通三維實景模型構建

將“BIM+GIS”技術應用于運營城市軌道交通結(jié)構監(jiān)測與評估中,需要構建地面和地下空間的城市軌道交通三維實景模型。主要建模手段包括圖紙翻模、傾斜攝影建模、三維地質(zhì)建模及三維激光掃描建模等。

(1)圖紙翻模

圖紙翻模是指利用已有的二維圖紙等基礎資料結(jié)合相應的補充資料,根據(jù)現(xiàn)有的工藝流程和技術標準生成軌道交通構筑物三維模型數(shù)據(jù)。主要基礎資料有設計施工圖、數(shù)字地形圖和正射影像圖等基礎測繪成果,需要補充完善的數(shù)據(jù)包括軌道交通構筑物表面的紋理和屬性等信息。在外業(yè)拍照采集紋理信息時,地鐵站內(nèi)部的每個固定設施都必須采集,并需在圖紙上標明相應的位置;為保證后續(xù)紋理處理時對構筑物整體結(jié)構的把握,應盡量在不同的方向進行拍攝,以獲取一定數(shù)量的全貌及細節(jié)照片。資料完備以后即可進行三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn),此時需要以最小單位分塊的建模單元采用相應的軟件進行制作,同時給每個三維數(shù)據(jù)模型賦予屬性信息。三維模型建模完成之后需要進行質(zhì)檢與提交,同時為適應不同平臺的瀏覽環(huán)境,還需進行效果美化,使之性能和視覺表現(xiàn)滿足需求。圖1為利用圖紙翻模技術進行某地鐵站三維實景建模的示例。

圖1 圖紙翻模地鐵站三維實景建模示例

(2)傾斜攝影建模

利用攜帶五鏡頭傾斜攝影相機的飛機沿軌道交通沿線進行拍攝,可以獲取城市軌道交通沿線地面空間的三維實景模型[9-11]。傾斜攝影三維建模工作主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括現(xiàn)場踏勘、資料收集、航空拍攝及像控點測量等工作。在展開飛行之前,需要向主管部門進行空域申請;航空攝影數(shù)據(jù)采集后,需進行保密審查。為提高數(shù)據(jù)采集效率,一般采用直升機作為主要飛行平臺,同時采用無人機對重點車站、車輛段等部位進行補充拍攝。航線布設應從高效、經(jīng)濟的原則出發(fā),并綜合考慮設備性能、地形、地勢、高差、沿線建筑物高度、攝區(qū)形狀、航高、航向重疊度、旁向重疊度和航行協(xié)調(diào)等一系列要素。外業(yè)數(shù)據(jù)采集中,首先應根據(jù)相關規(guī)范進行像控點的布設,通過RTK方式直接測定其WGS84下的三維坐標,為與當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)統(tǒng)一,需聯(lián)測3個以上已知控制點,并進行七參數(shù)轉(zhuǎn)換。外業(yè)工作完成以后,采用Pix4D、smart3D及Photoscan等內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件,對原始的影像數(shù)據(jù)進行預處理,再通過幾何校正和聯(lián)合平差等處理流程生成密集點云數(shù)據(jù),并以此生成基于真實影像紋理的三維模型,同時可以按需求完成數(shù)字正射影像圖和數(shù)字表面模型的制作。圖2為利用傾斜攝影技術進行軌道交通地面建筑物三維建模示例。

圖2 軌道交通地面空間傾斜攝影三維建模示例

(3)三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模既是滿足三維地下空間模型構建的現(xiàn)勢需要,又是開展地質(zhì)空間分析、地質(zhì)現(xiàn)象解釋及地下空間開發(fā)利用等的基礎,對于城市軌道交通的建設與維護具有重要作用。通過對地質(zhì)現(xiàn)象進行抽象化處理,再利用建模算法模擬出地質(zhì)模型數(shù)據(jù),最終以三維可視化的形式表達[12]。在進行三維地質(zhì)建模時,采用空間數(shù)據(jù)模型大致可分為面元模型、體元模型和混合模型。建模方法上,多利用多源數(shù)據(jù)集合展開,如實際鉆探過程中獲得的勘探數(shù)據(jù),地震監(jiān)測中收集到的地震波數(shù)據(jù)以及利用X光、掃描儀等方式收集得到的地質(zhì)斷面數(shù)據(jù)等。目前,常用的三維地質(zhì)建模軟件有Jewelsuite、Petrel、Pumaflow及MapGIS等,圖3為利用三維地質(zhì)建模技術構建的軌道交通沿線地質(zhì)模型。

圖3 三維地質(zhì)模型

(4)三維激光掃描建模

三維激光掃描系統(tǒng)作為一種新型綜合測量技術,可以快速獲取海量點云數(shù)據(jù),用于城市軌道交通隧道結(jié)構的三維建模。一般地鐵隧道空間狹長,在利用三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)時,需根據(jù)隧道內(nèi)部的實際情況確定測站數(shù)量和儀器架設位置,以保障點云精度及掃描覆蓋率。為便于多測站點云數(shù)據(jù)的匹配拼接,需要在隧道管片布設特征明顯的球形靶標,并保證相鄰測站間至少有3個共用靶標點,以實現(xiàn)點云配準。

在實際數(shù)據(jù)采集時,設置掃描范圍、角度及分辨率等信息即可完成測站上隧道結(jié)構掃描。在數(shù)據(jù)處理方面,首先,需要進行點云去噪和平滑,將一些明顯偏離掃描對象的孤立點刪除,并對原始點云數(shù)據(jù)進行壓縮、重采樣,以提高后期建模效率;其次,需根據(jù)公共靶標點位置進行點云數(shù)據(jù)進行拼接,點云拼接之后可能涉及坐標轉(zhuǎn)換問題;最后,通過構建三角網(wǎng)模型,輪廓線提取,曲面擬合以及貼附紋理等手段,將離散的點云數(shù)據(jù)生成隧道表面模型。圖4為利用三維激光掃描技術進行隧道結(jié)構三維建模的示例。

圖4 三維激光點云隧道結(jié)構建模

利用多種方法建立運營城市軌道交通沿線地面地下的三維實景模型,為實現(xiàn)后期監(jiān)測成果的一體化表達,需要選用合適的三維地理信息系統(tǒng)對各模型進行整合及統(tǒng)一管理,常見的平臺有ArcGIS、Skyline及SuperMap等。在進行模型的整合時,需要重點注意模型的多分辨率處理及輕量化、地形修改與套合及數(shù)據(jù)信息的交互等。

3 運營城市軌道交通安全監(jiān)測與評估

(1)工程規(guī)劃期的運營隧道結(jié)構安全評估

運營城市軌道交通附近經(jīng)常會有基坑開挖工程,或者新建軌道交通線路穿越既有路線,其施工會改變隧道結(jié)構的應力場和變形場,影響既有城市軌道交通的運營和安全。為降低既有隧道結(jié)構的安全風險,在工程的前期規(guī)劃階段,需要進行定性及定量的評估,預測其對隧道結(jié)構的影響程度,為安全合理的施工提供指導[13]。一般采用有限元法展開模擬分析,常用的分析軟件有ANSYS、MIDAS GTS等。首先,進行現(xiàn)場地形地貌調(diào)查,調(diào)查場地周邊地面和地下的建筑物、管線分布情況,收集場地周邊的三維地質(zhì)和水文資料,確定各土層的計算力學參數(shù),為進行三維動態(tài)施工數(shù)值模擬地層參數(shù)取值提供依據(jù);然后,根據(jù)圖紙資料確定擬挖基坑與既有隧道結(jié)構的三維立體關系,為建立相應的三維模型奠定基礎;最后,根據(jù)已有的基坑開挖施工方案,結(jié)合地鐵隧道結(jié)構的走向、高程變化等設計參數(shù)建立三維大型數(shù)值計算模型,計算基坑開挖各工況階段隧道結(jié)構的內(nèi)力、變形變化規(guī)律,為實際的施工過程提供指導,為相應的安全監(jiān)測方案提供參考。

(2)工程施工期的運營隧道結(jié)構安全監(jiān)測

在工程的施工期間,為保證運營隧道結(jié)構的安全,需要對隧道結(jié)構進行安全監(jiān)測,其主要內(nèi)容包括沉降、位移、收斂、裂縫、滲水量、應力應變等。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法以人工監(jiān)測為主,效率較低。近年來,監(jiān)測手段朝著自動化、智能化的方向發(fā)展,所采用的儀器設備包括三維激光掃描儀、測量機器人、靜力水準系統(tǒng)以及裂縫計等[14]。三維激光掃描儀的作用是進行施工前現(xiàn)狀確認,一般選用移動式三維激光掃描系統(tǒng)沿軌道進行連續(xù)掃描,以獲取隧道結(jié)構的幾何參數(shù),斷面尺寸以及滲水、掉塊、錯臺、裂縫等結(jié)構病害信息。測量機器人用來進行沉降、位移及收斂量等的自動化監(jiān)測,在距離基坑施工較遠的穩(wěn)定區(qū)域布設基準點,以提供監(jiān)測的起算數(shù)據(jù);在受基坑施工影響的隧道區(qū)域按一定的間隔布設監(jiān)測斷面和監(jiān)測點,測量機器人在監(jiān)測程序的控制下定期自動觀測各監(jiān)測點并計算獲得相應的變形量。靜力水準系統(tǒng)主要部署在隧道結(jié)構重點關注區(qū)域并進行沉降自動化監(jiān)測,作為測量機器人沉降監(jiān)測結(jié)果的進一步檢驗。

(3)軌道交通保護區(qū)內(nèi)違規(guī)作業(yè)巡檢

為確保城市軌道交通的安全運營,一般會設置城市軌道交通控制保護區(qū),在保護區(qū)內(nèi)施工作業(yè)需要得到主管部門的批準。未經(jīng)批準的開挖、鉆探等違規(guī)作業(yè)會給地鐵設施的安全帶來了極大威脅,故有必要定期對保護區(qū)進行巡檢,及時發(fā)現(xiàn)違規(guī)作業(yè)風險因素并第一時間預警與處置。選擇合適的無人機平臺搭載成像傳感器,沿地鐵線路快速采集地面影像,在坐標轉(zhuǎn)換、幾何糾正、影像拼接及特征提取等圖像預處理的基礎上,采用機器學習的方法對風險源樣本數(shù)據(jù)集進行訓練,以實現(xiàn)地鐵保護區(qū)內(nèi)違規(guī)作業(yè)目標的自動識別。利用無人機技術結(jié)合人工智能可減少巡檢的人力成本,提高工作效率,實現(xiàn)全天候按需巡檢。

4 時空一體化監(jiān)測成果表達

時空一體化監(jiān)測成果表達以地面、地下的三維實景模型為框架,選擇或構建合適的三維地理信息系統(tǒng),對運營城市軌道交通監(jiān)測與評估信息的成果進行表達和發(fā)布,以實現(xiàn)運營城市軌道交通監(jiān)測和保護工作的標準化與信息化管理。

(1)實時監(jiān)控與三維實景融合

三維視頻融合技術通過把多個攝像頭視頻序列與相應的三維實景場景進行匹配和融合,生成一個基于三維實景模型的動態(tài)虛擬場景,以三維地理信息系統(tǒng)平臺為依托,實現(xiàn)視頻的精準定位和時空動態(tài)分析[15]。三維視頻融合監(jiān)控涉及的關鍵技術主要有視頻監(jiān)控點位置規(guī)劃、圖象重疊區(qū)域的拼接及三維模型與視頻畫面融合。視頻監(jiān)控的融合質(zhì)量與每個攝像頭的位置布局息息相關,各攝像頭監(jiān)控畫面需設置合理的重疊度,即保證拼接和畫面有合理過渡又避免浪費,并注意調(diào)整攝像頭之間的距離來降低圖像變形。在進行圖像重疊區(qū)域拼接時,可通過對三維實景模型進行編輯修改來實現(xiàn)融合拼接;選擇參照物時需從形狀、顏色及位置等因素來考慮實現(xiàn)更快更準的拼接。三維實景模型與視頻畫面的融合是將視頻畫面進行三維模型的貼圖,由于視頻拍攝為透視圖,需要將其轉(zhuǎn)化為軸側(cè)圖。在某鄰近地鐵隧道的基坑開挖監(jiān)控中,將攝像頭的視場、焦距、畫幅等參數(shù)輸入系統(tǒng),計算得到攝像頭的最佳安裝位置,同時通過多攝像頭視頻流拼接技術將多個攝像頭視頻流影像動態(tài)疊加到傾斜攝影模型上。圖5為實時監(jiān)控與三維實景融合的示例。

圖5 實時監(jiān)控與三維實景融合示例

(2)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)多維顯示

在城市軌道交通運營階段進行安全監(jiān)測,以地鐵隧道結(jié)構為保護對象,以鄰近地鐵施工的非地鐵建設項目為監(jiān)管對象,結(jié)合真實的地鐵三維實景數(shù)據(jù),實現(xiàn)城市軌道交通既有結(jié)構監(jiān)測信息的成果表達和發(fā)布,實現(xiàn)主體結(jié)構、周邊環(huán)境等在時間域及空間域上的信息表達。以隧道結(jié)構沉降監(jiān)測為例(見圖6),為方便用戶查看監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異、變化量,以及進行趨勢預測,在三維地理信息系統(tǒng)平臺可進行隧道管片信息的查詢定位,對隧道管片上的監(jiān)測點的基本信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行立體顯示,同時支持采用熱力圖的形式來進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示。為方便數(shù)據(jù)的自動收集、錄入、分析及成圖,系統(tǒng)還可支持監(jiān)測傳感器的直接接入,對于變化速率和累積變化量超限的監(jiān)測點應及時報警。

圖6 隧道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)多維顯示

(3)風險源圖像與地圖匹配

無人機沿城市軌道交通控制保護區(qū)拍攝,利用機器學習識別威脅地鐵隧道安全的風險源時,可將風險源圖像與地理信息系統(tǒng)的地圖相匹配,制作風險源專題地圖并進行展示預警。欲使無人機采集的風險源影像與GIS地圖匹配,需要知道至少1個點的坐標、航高以及航向角信息。根據(jù)航高可以計算航攝比例,即影像中一個像素所對應的實際距離,再根據(jù)某已知點的坐標即可將影像移動到地理信息系統(tǒng)坐標系對應的位置,最后利用航向角信息對影像進行旋轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)風險源影像與GIS地圖的匹配。其中,某已知點坐標可根據(jù)無人機飛行時的位置和姿態(tài)信息進行投影轉(zhuǎn)換為影像中心點的坐標。圖7為風險源影像與GIS地圖相匹配的示例。

5 結(jié)語

通過“BIM+GIS”技術,在三維實景模型的基礎上,選用合適的地理信息系統(tǒng)建立軌道交通工程智能監(jiān)測平臺,將受鄰近工程影響的運營軌道交通的安全評估、結(jié)構監(jiān)測及保護區(qū)巡檢等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一,可實現(xiàn)軌道交通運營維護的智能高效,降低運營成本。進一步實現(xiàn)整個城市軌道交通的數(shù)字化、信息化及智能化,推動智慧交通的建設和發(fā)展。