无人机倾斜摄影技术结合BIM+GIS在城市隧道建设中的应用

周小蓉，王晓璐，孙璨，杨旭东，梁永健,4，周凌宁，黄立佳，冯兆龙

（1.广州市中心区交通项目管理中心；2.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院；3.中铁隧道局集团有限公司；4.广州一建建设集团有限公司）

1 引言

无人机倾斜摄影技术作为快速获取区域空间信息的有效手段，可获取大范围、多角度、高精度、高清晰地形和地表数据，在测绘、城市规划等多方面得到了较好应用。利用航测数据建立三维模型，结合GIS地理信息系统和BIM建筑信息技术，可广泛应用于数字城市建设。

城市隧道工程具有跨区域广、线路所在地区地形地貌复杂、项目参与方多等特点，在规划、建设、维护等过程中难度大[1]。前期设计选线直接影响拆迁改造和环境，中期施工影响隧道周边建筑物的安全，后期运营巡检和管理需监测数据支撑。无人机倾斜摄影获取的高清晰图像数据，可生成三维地理和建筑模型，快速实现地理信息的获取，为城市隧道的规划选线、隧道施工对周围环境影响、施工巡检及管理提供数据支撑。此外，基于无人机数据的管理平台为隧道数据系统化存储及项目管理与应用，提供有效的技术支持。本文以无人机倾斜摄影技术为基础，建立实景三维空间信息技术体系，结合GIS和BIM，为无人机倾斜摄影技术在城市隧道工程建设中的应用提供借鉴。

2 无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影技术是指无人机搭载多目摄像机并按一定倾斜角进行的摄影，拍摄相片时同时记录航高、航速、航向和旁向重叠、坐标等参数，通过相应的倾斜影像数据处理软件，形成多视角三维实景建模。倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，弥补了基于正射影像应用的不足，更加真实地反映地物的实际情况。倾斜摄影技术的应用使三维建模成本大大降低，同时相较于GIS庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多[2]。倾斜摄影已成为获取地面三维模型的重要途径，在测绘、城市规划等多方面得到了较好的应用。

无人机倾斜摄影所获地理信息数据的精确性较高、时效性强，可真实记录城市隧道周围的地形地物，为后续结合GIS和BIM的分析决策，提供可靠的三维可视化场景[3]。

3 GIS+倾斜摄影+BIM的技术融合

3.1 BIM技术特点

建筑信息技术BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立三维建筑模型，通过计算机数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。在隧道设计、施工、运维过程中，可通过BIM建筑信息技术进行三维模型的搭建（模型几何信息），同时输入数据信息和管理信息等。通过BIM可视化技术实现结构监测数据的直观式，结合数值模拟分析和试爆监测的初步结果，开发周边典型建/构筑物在隧道开挖爆破作用下的位移、加速度等重要影响效应的可视化展现与动态模拟，通过信息优化、数据提取、图形转换等方式实现实时监测数据的集成、分类及信息化有效关联，BIM模型展示危险结构部位，为大规模的监测工作奠定信息化基础。

3.2 GIS技术特点

GIS作为近年迅速发展的空间信息分析技术，可以有效管理具有空间属性的各种资源环境信息，结合各应用场景对资源环境管理进行快速分析，协助进行项目评价和决策。此外，GIS可对不同时期的环境变化进行动态监测和分析比较，也可进行开发，将数据收集、空间分析和决策过程综合为共同的信息流，明显提高工作效率和经济效益，为解决城市隧道建设问题及保障可持续维护提供技术支持。

3.3 BIM+倾斜摄影+GIS数据整合

BIM技术侧重建筑全生命周期的微观信息，而不具备地理环境等宏观信息，在地理位置精确定位、空间地理信息分析、构筑物周边环境整体展示中，存在缺陷[4]。无人机倾斜摄影可以辅助BIM模型搭建周边地理环境的场景，结合GIS的空间信息整合和分析能力，三者共同提高基础设施的信息完备性。在大数据集成应用的背景下，BIM+倾斜摄影+GIS新技术的探索发展尤为重要。

4 隧道建设中的应用

4.1 工程概况

如意坊放射线系统工程（一期工程）位于广州市荔湾区，东起内环路如意坊立交，向西南下穿珠江后与芳村大道通过相连，项目全长约2.4km。其中隧道工程主线全长1511m，岸上段893m，沉管段618m，双向六车道。如意坊隧道工程北段主要为集装箱堆放场、货运场、民宅及零星分布的古树；南段（芳村区）河流主要有珠江和塞坝涌等。线路经过的区域主要为大涡村及居民住宅，楼层以2～4层的居多，项目及周边环境如图1所示。本工程隧址河道范围内揭露的地质岩面较浅；强风化岩层的标贯击数达50击以上，工程前期拟采用水下爆破法和凿岩棒开挖法相结合的方式进行石方开挖，后经论证改为凿岩开挖方式。

图1 项目及周边环境概况

4.2 BIM建筑信息模型

对广州如意坊隧道工程进行BIM模型的搭建，整个项目分为芳村段围堰、黄沙段围堰、沉管隧道三个部分。进行精细化BIM模型的搭建，如图2所示，并在BIM模型中汇总本工程相关的工程数据，实现BIM信息数据集成。结合施工工序和施工进度，采用BIM技术进行珠江段沉管隧道的施工方案模拟和技术决策，最终预制6段沉管的施工方案。

图2 如意坊项目BIM信息化模型

4.3 无人机倾斜摄影

对广州如意坊隧道工程及周边进行无人机拍摄，生成倾斜摄影数据。无人机倾斜摄影在项目前期主要用于选址可行性分析、拆迁征地评估分析，项目中主要用于施工监测。采用大疆无人机进行航线规划方案论证，采用Bentley Context‐Capture软件，空中三角测量后进行建模区域设置，模型切块、模型格式选择；然后使用Geomagic Wrap修模软件修正模型，倾斜摄影模型如图3所示。

图3 如意坊项目倾斜摄影模型

4.4 可视化沙盘平台

将广州如意坊隧道工程周边无人机倾斜摄影数据、GIS数据、BIM模型进行整合，设计开发该项目的工程管理可视化沙盘平台，如图4所示。影像及模型数据依托大数据平台，进行各类应用及决策。

图4 项目可视化管理平台

项目利用无人机定期航拍并实景建模，根据采集的数据信息，进行项目拆迁评估、线路规划等空间分析，为项目的前期规划管理、中期施工方案、后期运营维护提供解决方案。可视化沙盘平台根据参与者身份给予不同的管理和查阅权限，为项目参与方提供了信息共享平台，便于多部门协同工作和审批。此外，平台提供开放的端口与各类监测数据结合，为结构模型和安全信息提供可视化表达。

4.5 线路规划

城市公共交通的设计选线直接影响工程难度、投资、施工、效益及运营，线路设计不合理将带来大量的拆迁、改移、改造、环境影响等问题[5-6]。将无人机倾斜摄影与BIM+GIS技术结合，有效整合城市如意坊项目沉管隧道工程周边的地上和地下资源信息，从微观和宏观两个角度对城市隧道的选线提供辅助决策。

在如意坊项目中，项目各参与方利用可视化沙盘平台进行协同评估，包括对站点的合理性分析、选线的施工可行性分析、拆迁征地评估分析等。三维实景可视化平台克服了传统数据采集效率低、分析不直观、地理坐标难对应等问题，对项目前期线路规划起到重要作用。

4.6 隧道开挖方式对周边建筑物影响

如意坊项目在项目初期拟采用水下爆破的方式，爆破冲击波具有幅值大、传播远的特点，高强度的爆破地震波产生的振动会使周边构/建筑物局部失稳甚至整体破坏。必须对周边建筑物的稳定性与安全性进行判断。如意坊隧道邻近建筑物13099个，其中1979年以前的建筑物7343个，1980年～1989年的建筑物2056个。在搭建BIM-CIM模型的基础上，通过数据提取、信息优化、图形转换等方式，实现实时监测数据的集成、分类及信息化有效关联技术，实现爆破施工对周边建筑影响效应及相关模拟、监测数据的信息化、空间化、可视化，指导爆破施工方案的优化和完善，并为后期大范围规模的监测工作奠定信息化基础。在水下爆破数值仿真模拟及BIM数据可视化后，综合考虑爆破对周边建筑的不利影响，本项目改为凿岩开挖方式不采用水下爆破（见图5）。

图5 隧道开挖方案模拟及项目及周边环境

4.7 隧道上部影像测量及巡检

隧道施工和运营需定期巡检以保障隧道设施的安全，无人机取得隧道沿线保护区地面环境巡检图像后进行预处理，识别风险源，并判别风险源性质。用无人机进行巡检具有效率高、检查范围广、巡检质量高、巡检成本低等特点[7]。

无人机辅助巡检可发现保护区内其他项目违规作业对隧道项目的影响，大变形和开裂等影响隧道安全运营的因素，加强隧道保护区的管理。

5 结语

本文利用无人机倾斜摄影技术获取了广州如意坊隧道工程的影像数据，经影像数据处理后获得该区域的高分辨率三维模型。结合BIM建筑信息化+GIS地理信息系统，对城市隧道的规划选线、隧道开挖形式、上部影像测量及巡检、施工运营监测等进行了应用探索。结果表明，无人机倾斜摄影技术结合BIM+GIS的新技术，具有极高的数据采集效率、数据处理能力、沟通分析效率，作为城市公共交通建设数字化管理的载体，在城市隧道的辅助决策中发挥重大作用。