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(qū)交通項(xiàng)目管理中心；2.東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司；4.廣州一建建設(shè)集團(tuán)有限公司）

1 引言

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為快速獲取區(qū)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(shù)據(jù)，在測(cè)繪、城市規(guī)劃等多方面得到了較好應(yīng)用。利用航測(cè)數(shù)據(jù)建立三維模型，結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)和BIM建筑信息技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)。

城市隧道工程具有跨區(qū)域廣、線路所在地區(qū)地形地貌復(fù)雜、項(xiàng)目參與方多等特點(diǎn)，在規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)等過程中難度大[1]。前期設(shè)計(jì)選線直接影響拆遷改造和環(huán)境，中期施工影響隧道周邊建筑物的安全，后期運(yùn)營(yíng)巡檢和管理需監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。無人機(jī)傾斜攝影獲取的高清晰圖像數(shù)據(jù)，可生成三維地理和建筑模型，快速實(shí)現(xiàn)地理信息的獲取，為城市隧道的規(guī)劃選線、隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響、施工巡檢及管理提供數(shù)據(jù)支撐。此外，基于無人機(jī)數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)為隧道數(shù)據(jù)系統(tǒng)化存儲(chǔ)及項(xiàng)目管理與應(yīng)用，提供有效的技術(shù)支持。本文以無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，建立實(shí)景三維空間信息技術(shù)體系，結(jié)合GIS和BIM，為無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市隧道工程建設(shè)中的應(yīng)用提供借鑒。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是指無人機(jī)搭載多目攝像機(jī)并按一定傾斜角進(jìn)行的攝影，拍攝相片時(shí)同時(shí)記錄航高、航速、航向和旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，通過相應(yīng)的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，形成多視角三維實(shí)景建模。傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況。傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用使三維建模成本大大降低，同時(shí)相較于GIS龐大的三維數(shù)據(jù)，應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像的數(shù)據(jù)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(cè)繪、城市規(guī)劃等多方面得到了較好的應(yīng)用。

無人機(jī)傾斜攝影所獲地理信息數(shù)據(jù)的精確性較高、時(shí)效性強(qiáng)，可真實(shí)記錄城市隧道周圍的地形地物，為后續(xù)結(jié)合GIS和BIM的分析決策，提供可靠的三維可視化場(chǎng)景[3]。

3 GIS+傾斜攝影+BIM的技術(shù)融合

3.1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

建筑信息技術(shù)BIM是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立三維建筑模型，通過計(jì)算機(jī)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。在隧道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維過程中，可通過BIM建筑信息技術(shù)進(jìn)行三維模型的搭建（模型幾何信息），同時(shí)輸入數(shù)據(jù)信息和管理信息等。通過BIM可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的直觀式，結(jié)合數(shù)值模擬分析和試爆監(jiān)測(cè)的初步結(jié)果，開發(fā)周邊典型建/構(gòu)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(yīng)的可視化展現(xiàn)與動(dòng)態(tài)模擬，通過信息優(yōu)化、數(shù)據(jù)提取、圖形轉(zhuǎn)換等方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成、分類及信息化有效關(guān)聯(lián)，BIM模型展示危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)部位，為大規(guī)模的監(jiān)測(cè)工作奠定信息化基礎(chǔ)。

3.2 GIS技術(shù)特點(diǎn)

GIS作為近年迅速發(fā)展的空間信息分析技術(shù)，可以有效管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，結(jié)合各應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)資源環(huán)境管理進(jìn)行快速分析，協(xié)助進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)價(jià)和決策。此外，GIS可對(duì)不同時(shí)期的環(huán)境變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析比較，也可進(jìn)行開發(fā)，將數(shù)據(jù)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(jīng)濟(jì)效益，為解決城市隧道建設(shè)問題及保障可持續(xù)維護(hù)提供技術(shù)支持。

3.3 BIM+傾斜攝影+GIS數(shù)據(jù)整合

BIM技術(shù)側(cè)重建筑全生命周期的微觀信息，而不具備地理環(huán)境等宏觀信息，在地理位置精確定位、空間地理信息分析、構(gòu)筑物周邊環(huán)境整體展示中，存在缺陷[4]。無人機(jī)傾斜攝影可以輔助BIM模型搭建周邊地理環(huán)境的場(chǎng)景，結(jié)合GIS的空間信息整合和分析能力，三者共同提高基礎(chǔ)設(shè)施的信息完備性。在大數(shù)據(jù)集成應(yīng)用的背景下，BIM+傾斜攝影+GIS新技術(shù)的探索發(fā)展尤為重要。

4 隧道建設(shè)中的應(yīng)用

4.1 工程概況

如意坊放射線系統(tǒng)工程（一期工程）位于廣州市荔灣區(qū)，東起內(nèi)環(huán)路如意坊立交，向西南下穿珠江后與芳村大道通過相連，項(xiàng)目全長(zhǎng)約2.4km。其中隧道工程主線全長(zhǎng)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(chǎng)、貨運(yùn)場(chǎng)、民宅及零星分布的古樹；南段（芳村區(qū)）河流主要有珠江和塞壩涌等。線路經(jīng)過的區(qū)域主要為大渦村及居民住宅，樓層以2～4層的居多，項(xiàng)目及周邊環(huán)境如圖1所示。本工程隧址河道范圍內(nèi)揭露的地質(zhì)巖面較淺；強(qiáng)風(fēng)化巖層的標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)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(jié)合的方式進(jìn)行石方開挖，后經(jīng)論證改為鑿巖開挖方式。

圖1 項(xiàng)目及周邊環(huán)境概況

4.2 BIM建筑信息模型

對(duì)廣州如意坊隧道工程進(jìn)行BIM模型的搭建，整個(gè)項(xiàng)目分為芳村段圍堰、黃沙段圍堰、沉管隧道三個(gè)部分。進(jìn)行精細(xì)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(guān)的工程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)BIM信息數(shù)據(jù)集成。結(jié)合施工工序和施工進(jìn)度，采用BIM技術(shù)進(jìn)行珠江段沉管隧道的施工方案模擬和技術(shù)決策，最終預(yù)制6段沉管的施工方案。

圖2 如意坊項(xiàng)目BIM信息化模型

4.3 無人機(jī)傾斜攝影

對(duì)廣州如意坊隧道工程及周邊進(jìn)行無人機(jī)拍攝，生成傾斜攝影數(shù)據(jù)。無人機(jī)傾斜攝影在項(xiàng)目前期主要用于選址可行性分析、拆遷征地評(píng)估分析，項(xiàng)目中主要用于施工監(jiān)測(cè)。采用大疆無人機(jī)進(jìn)行航線規(guī)劃方案論證，采用Bentley Context‐Capture軟件，空中三角測(cè)量后進(jìn)行建模區(qū)域設(shè)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(xiàng)目?jī)A斜攝影模型

4.4 可視化沙盤平臺(tái)

將廣州如意坊隧道工程周邊無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、BIM模型進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)開發(fā)該項(xiàng)目的工程管理可視化沙盤平臺(tái)，如圖4所示。影像及模型數(shù)據(jù)依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行各類應(yīng)用及決策。

圖4 項(xiàng)目可視化管理平臺(tái)

項(xiàng)目利用無人機(jī)定期航拍并實(shí)景建模，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行項(xiàng)目拆遷評(píng)估、線路規(guī)劃等空間分析，為項(xiàng)目的前期規(guī)劃管理、中期施工方案、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供解決方案?？梢暬潮P平臺(tái)根據(jù)參與者身份給予不同的管理和查閱權(quán)限，為項(xiàng)目參與方提供了信息共享平臺(tái)，便于多部門協(xié)同工作和審批。此外，平臺(tái)提供開放的端口與各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，為結(jié)構(gòu)模型和安全信息提供可視化表達(dá)。

4.5 線路規(guī)劃

城市公共交通的設(shè)計(jì)選線直接影響工程難度、投資、施工、效益及運(yùn)營(yíng)，線路設(shè)計(jì)不合理將帶來大量的拆遷、改移、改造、環(huán)境影響等問題[5-6]。將無人機(jī)傾斜攝影與BIM+GIS技術(shù)結(jié)合，有效整合城市如意坊項(xiàng)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(gè)角度對(duì)城市隧道的選線提供輔助決策。

在如意坊項(xiàng)目中，項(xiàng)目各參與方利用可視化沙盤平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同評(píng)估，包括對(duì)站點(diǎn)的合理性分析、選線的施工可行性分析、拆遷征地評(píng)估分析等。三維實(shí)景可視化平臺(tái)克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效率低、分析不直觀、地理坐標(biāo)難對(duì)應(yīng)等問題，對(duì)項(xiàng)目前期線路規(guī)劃起到重要作用。

4.6 隧道開挖方式對(duì)周邊建筑物影響

如意坊項(xiàng)目在項(xiàng)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(yuǎn)的特點(diǎn)，高強(qiáng)度的爆破地震波產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使周邊構(gòu)/建筑物局部失穩(wěn)甚至整體破壞。必須對(duì)周邊建筑物的穩(wěn)定性與安全性進(jìn)行判斷。如意坊隧道鄰近建筑物13099個(gè)，其中1979年以前的建筑物7343個(gè)，1980年～1989年的建筑物2056個(gè)。在搭建BIM-CIM模型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)提取、信息優(yōu)化、圖形轉(zhuǎn)換等方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成、分類及信息化有效關(guān)聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爆破施工對(duì)周邊建筑影響效應(yīng)及相關(guān)模擬、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息化、空間化、可視化，指導(dǎo)爆破施工方案的優(yōu)化和完善，并為后期大范圍規(guī)模的監(jiān)測(cè)工作奠定信息化基礎(chǔ)。在水下爆破數(shù)值仿真模擬及BIM數(shù)據(jù)可視化后，綜合考慮爆破對(duì)周邊建筑的不利影響，本項(xiàng)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(xiàng)目及周邊環(huán)境

4.7 隧道上部影像測(cè)量及巡檢

隧道施工和運(yùn)營(yíng)需定期巡檢以保障隧道設(shè)施的安全，無人機(jī)取得隧道沿線保護(hù)區(qū)地面環(huán)境巡檢圖像后進(jìn)行預(yù)處理，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源，并判別風(fēng)險(xiǎn)源性質(zhì)。用無人機(jī)進(jìn)行巡檢具有效率高、檢查范圍廣、巡檢質(zhì)量高、巡檢成本低等特點(diǎn)[7]。

無人機(jī)輔助巡檢可發(fā)現(xiàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)其他項(xiàng)目違規(guī)作業(yè)對(duì)隧道項(xiàng)目的影響，大變形和開裂等影響隧道安全運(yùn)營(yíng)的因素，加強(qiáng)隧道保護(hù)區(qū)的管理。

5 結(jié)語

本文利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取了廣州如意坊隧道工程的影像數(shù)據(jù)，經(jīng)影像數(shù)據(jù)處理后獲得該區(qū)域的高分辨率三維模型。結(jié)合BIM建筑信息化+GIS地理信息系統(tǒng)，對(duì)城市隧道的規(guī)劃選線、隧道開挖形式、上部影像測(cè)量及巡檢、施工運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)等進(jìn)行了應(yīng)用探索。結(jié)果表明，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合BIM+GIS的新技術(shù)，具有極高的數(shù)據(jù)采集效率、數(shù)據(jù)處理能力、溝通分析效率，作為城市公共交通建設(shè)數(shù)字化管理的載體，在城市隧道的輔助決策中發(fā)揮重大作用。