基于傾斜攝影的BIM技術(shù)在城市軌道交通選線中的應(yīng)用

劉海

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 城市軌道與地下工程設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能化設(shè)計(jì)理念［1］越來(lái)越深入人心，尤其在城市軌道交通設(shè)計(jì)領(lǐng)域，工程項(xiàng)目投資規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、控制因素多、質(zhì)量要求高的特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高要求。

當(dāng)前，城市軌道交通線路設(shè)計(jì)的主流工具仍是AutoCAD［2］，設(shè)計(jì)者多采用二維地形圖或?qū)嵕澳Ｐ蛠?lái)開(kāi)展設(shè)計(jì)，然而二維平面信息難以直觀傳達(dá)設(shè)計(jì)對(duì)象與周邊環(huán)境及控制因素的空間幾何關(guān)系，信息關(guān)聯(lián)性差的特點(diǎn)增加了工程設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性，即傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法已不能匹配工程的發(fā)展需求。隨著B(niǎo)IM技術(shù)在軌道交通行業(yè)的興起，三維設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)明顯，其具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等八大特點(diǎn)的3D模型設(shè)計(jì)在軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣［3］。特別是基于傾斜攝影的BIM技術(shù)，可獲得逼真的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，生成附有坐標(biāo)、高程等精確位置信息的3D模型，將其導(dǎo)入至BIM平臺(tái)可展示沿線控制因素的真實(shí)特征，直觀精確的反映線路的相對(duì)位置關(guān)系，提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量［4］，為設(shè)計(jì)者選線提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)支撐。

因此，結(jié)合傾斜攝影技術(shù)，利用BIM操作平臺(tái)來(lái)開(kāi)展城市軌道交通線路選線工作，并用于工程實(shí)踐，為該技術(shù)在城市軌道交通設(shè)計(jì)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 傾斜攝影的技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是近些年在遙感測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高精度測(cè)繪技術(shù)［5］，解決了傳統(tǒng)的正射影像只能垂直拍攝的局限性問(wèn)題，在工程領(lǐng)域前期的地形勘測(cè)與數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用廣泛。利用無(wú)人機(jī)的航拍技術(shù)，搭載多臺(tái)傳感器（如激光掃描儀器、GPS定位系統(tǒng)等），采用高清多倍鏡頭從多角度（1垂直、4傾斜角度）對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全面掃描和數(shù)據(jù)收集，通過(guò)無(wú)人機(jī)內(nèi)置三維處理軟件對(duì)拍攝的正片、斜片數(shù)據(jù)影像進(jìn)行堆疊、處理和三維重構(gòu)，生成帶有坐標(biāo)的三維模型，附加屬性信息還包含高程、長(zhǎng)度、坡度坡率、面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而精確地反映沿線的真實(shí)環(huán)境（見(jiàn)圖1）。

圖1 傾斜攝影的成像原理

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)掃描范圍大、測(cè)量精度高，相對(duì)于傳統(tǒng)的正射影像，在適用形式和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性上更加靈活，對(duì)于復(fù)雜地形及控制點(diǎn)，可重復(fù)多次多角度測(cè)量。模型的影像精度可達(dá)3 cm，平面點(diǎn)位精度在5 cm以內(nèi)，高程點(diǎn)位中誤差可達(dá)10 cm以內(nèi)，精度滿足一般的三維建模需求［6］。

1.2 特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，傾斜攝影技術(shù)特點(diǎn)鮮明，優(yōu)勢(shì)突出?？朔苏溆跋翊怪迸臄z的局限，通過(guò)多角度采集影像，將沿線周邊的環(huán)境真實(shí)直觀地反映在系統(tǒng)模型里。

1.2.1 傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)

（1）高精度還原沿線周邊的真實(shí)情況。地形測(cè)量條件往往復(fù)雜多變，山川河流、層巒疊嶂、城市高樓、此起彼伏，通過(guò)多角度測(cè)量，能夠有選擇地避開(kāi)各種障礙物，對(duì)于重要節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜控制物，還可重復(fù)多次拍攝和測(cè)量，清晰具象地展現(xiàn)待測(cè)物的重點(diǎn)和細(xì)節(jié)，全面真實(shí)反映沿線地物的實(shí)際情況，極大程度上彌補(bǔ)了正射影像在實(shí)際工程應(yīng)用中的缺陷（見(jiàn)圖2）。

圖2 傾斜攝影影像

（2）高建模效率。傾斜攝影技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)確度，也為三維建模技術(shù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)［7］。無(wú)人機(jī)對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行拍攝的過(guò)程中，內(nèi)部嵌帶的三維建模軟件可對(duì)采集的正斜影像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、三維重構(gòu)和模型再現(xiàn)，對(duì)于模糊、缺失的片段，可及時(shí)復(fù)測(cè)和補(bǔ)測(cè)，避免了無(wú)人機(jī)的二次起飛及模型信息不完整問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的建模效率。

（3）數(shù)據(jù)形式簡(jiǎn)單易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。相對(duì)于三維GIS技術(shù)海量的三維數(shù)據(jù)群，傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)形式單一，影像的數(shù)據(jù)格式可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)布，且基于BIM操作平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享而無(wú)需進(jìn)行冗雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖3）。

圖3 三維建模后的環(huán)境模型

1.2.2 傾斜攝影在軌道交通選線中的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影在真實(shí)還原沿線地物的同時(shí)，通過(guò)成熟的定位系統(tǒng)將拍攝的實(shí)物影像和測(cè)量的高精度地理信息進(jìn)行嵌入，生成準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型，為軌道交通線路選線提供依據(jù)，極大程度上方便了軌道交通的線路設(shè)計(jì)，也擴(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）測(cè)量范圍大、精度高、紋理清晰［8］。無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空飛行，視野開(kāi)闊，一次飛行可采集大范圍內(nèi)數(shù)據(jù)，多角度、多次重復(fù)測(cè)量能確保影像清晰、數(shù)據(jù)精確；此外基于影像識(shí)別的模型重構(gòu)在地物構(gòu)造紋理上也更加精細(xì)可見(jiàn)，很大程度上降低了信息遺漏的可能性，這對(duì)判斷軌道交通線路能否穿過(guò)該處地物的意義重大。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)附帶坐標(biāo)、高程信息。由于無(wú)人機(jī)內(nèi)部自帶GPS定位系統(tǒng)，可對(duì)沿線地物進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別和定位，此外高程點(diǎn)的確定錨固了沿線地物的三維關(guān)系。這對(duì)于判斷軌道交通線路與沿線地物的相對(duì)位置至關(guān)重要，直接影響線路的平縱設(shè)計(jì)。

（3）全方位測(cè)量，復(fù)雜場(chǎng)景還原度高。傾斜攝影技術(shù)可從多個(gè)角度對(duì)地物進(jìn)行測(cè)量，相較于傳統(tǒng)的垂直正射來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有測(cè)量盲區(qū)，可對(duì)地物進(jìn)行高精度、全方位測(cè)量，高度還原沿線復(fù)雜地物的真實(shí)場(chǎng)景，這直接影響到設(shè)計(jì)者對(duì)該處地物的工程性質(zhì)、軌道交通線路能否穿越或繞避該控制因素的主觀判斷。

1.3 傾斜攝影技術(shù)在BIM中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集到的連續(xù)影像數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)三維建模的基礎(chǔ)。系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)嵌的Smart 3D Capture軟件進(jìn)行快速三維建模，利用圖形運(yùn)算單元對(duì)測(cè)得的連續(xù)二維影像進(jìn)行三維場(chǎng)景運(yùn)算和重構(gòu)，通過(guò)透視成像原理快速提取地物輪廓，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)紋理映射完成建模［9］。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維CAD翻模，提高了建模效率和精確度。

建成的模型能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享，將數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入至BIM操作平臺(tái)，可真實(shí)直觀的展示沿線環(huán)境與線路關(guān)系，進(jìn)而方便軌道交通線路的選線（見(jiàn)圖4）。

圖4 導(dǎo)入BIM平臺(tái)的傾斜攝影模型三維展示

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用概述

BIM技術(shù)是利用數(shù)字化模型對(duì)建設(shè)工程進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的新型信息化技術(shù)，一般用于復(fù)雜重要的工程項(xiàng)目，如大跨度橋梁、高層超高層建筑、形體復(fù)雜多變的工程等。

隨著B(niǎo)IM技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)也逐步用于車站模型的建設(shè)、軌道交通線路的平縱設(shè)計(jì)及選線等。通過(guò)將二維平面圖形進(jìn)行三維數(shù)據(jù)化處理，直觀真實(shí)地反映實(shí)體細(xì)節(jié)，從而為線路設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，降低項(xiàng)目成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高工程質(zhì)量和工作效率。

在BIM技術(shù)的八大特點(diǎn)中，可視化技術(shù)［10］是能夠?qū)A斜攝影生成的三維模型在BIM平臺(tái)進(jìn)行三維展現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)將科學(xué)數(shù)據(jù)，包括測(cè)量獲得的數(shù)值、圖像以及計(jì)算中涉及、產(chǎn)生的數(shù)字信息，轉(zhuǎn)換為直觀的、以圖形圖像表示的、隨時(shí)間和空間變化的物理模型呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)者面前，使之能夠觀察、模擬和計(jì)算。

BIM操作平臺(tái)作為展示傾斜攝影模型的媒介，可融入到線路的平面設(shè)計(jì)中，用于軌道交通線路的選線設(shè)計(jì)。

3 BIM技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某市的軌道交通工程項(xiàng)目，利用基于傾斜攝影的BIM技術(shù)在線路選線中進(jìn)行了應(yīng)用，并在多通道的比選中確定了最佳路線走向。

該城市軌道交通工程項(xiàng)目起于翠湖站，止于光明城樞紐，線路串聯(lián)和服務(wù)光明中心區(qū)、光明鳳凰山片區(qū)。支線二期工程線路全長(zhǎng)約4.90 km，設(shè)站3座（光明小鎮(zhèn)站、華夏站、光明城站），均為地下站，平均站間距約1.58 km，采用高架+地下敷設(shè)方式，其中地下段約4.39 km，高架段約0.36 km，過(guò)渡段約0.15 km。

線路從翠湖站南端引出，在翠湖公園南側(cè)穿越地塊，向東南轉(zhuǎn)入光僑路，沿光僑路向南在光明大街路口設(shè)光明小鎮(zhèn)站，在華夏路路口設(shè)華夏站。該段線路從翠湖站沿光明大道、光僑路向南走向，對(duì)應(yīng)城市南北向交通主干道，通道條件較好，線路通道較穩(wěn)定（見(jiàn)圖5）。

因此，利用傾斜攝影的BIM技術(shù)在該工程中主要用于華夏站至光明城站區(qū)間通道的方案比選研究。

3.2 BIM技術(shù)在線路選線中的應(yīng)用

3.2.1 傾斜攝影模型的導(dǎo)入

無(wú)人機(jī)航拍的傾斜攝影影像，經(jīng)過(guò)處理和三維重構(gòu)，可生成可視化的三維數(shù)據(jù)模型，且模型附帶坐標(biāo)、高程等基礎(chǔ)信息。通過(guò)縮放和旋轉(zhuǎn)可查看各控制因素的細(xì)節(jié)特征，地形情況和沿線建筑物的分布情況清晰可見(jiàn)。

圖5 線路起點(diǎn)站的傾斜攝影三維模型

雖然傾斜攝影三維模型能清楚的呈現(xiàn)沿線環(huán)境特征，但卻無(wú)法與線路平面設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起。此時(shí)，作為溝通傾斜攝影三維模型和線路平面三維設(shè)計(jì)的唯一媒介——BIM共享平臺(tái)發(fā)揮了重要作用。將傾斜攝影模型導(dǎo)入BIM操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化表達(dá)，在同一平臺(tái)環(huán)境下進(jìn)行線路的平縱設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，線路與環(huán)境的相對(duì)位置關(guān)系明朗，設(shè)計(jì)效率高。

3.2.2 BIM平臺(tái)下的線路選線

華夏站至光明城站區(qū)間，控制因素較多，工程情況復(fù)雜，線路平面方案難以穩(wěn)定，僅憑二維平面地形資料無(wú)法直觀的反映線路經(jīng)過(guò)時(shí)的工程狀況、土建規(guī)模。因此，需要基于三維模型進(jìn)行線路的平縱設(shè)計(jì)。通過(guò)模型來(lái)直觀反映線路與環(huán)境的關(guān)系，從而對(duì)比各個(gè)通道方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為穩(wěn)定線路平面方案提供依據(jù)（見(jiàn)圖6）。

通過(guò)傾斜攝影的三維模型可見(jiàn)，其中一個(gè)通道方案線路下穿了既有的稅務(wù)局、消防隊(duì)、停車場(chǎng)地塊，影響規(guī)?？赏ㄟ^(guò)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確匡算。此外，線路右線與稅務(wù)局大樓的平面位置關(guān)系也清楚可見(jiàn)。再者，通過(guò)對(duì)三維模型的直觀分析和判斷，區(qū)間內(nèi)很難找到其他更優(yōu)的通道方案。

利用BIM技術(shù)的可視化特點(diǎn)，各線路通道方案的特點(diǎn)鮮明，對(duì)比明顯，便于決策。

圖6 BIM平臺(tái)下的傾斜攝影模型在沿線的主要控制因素

4 結(jié)論

針對(duì)城市軌道交通的選線問(wèn)題，利用基于傾斜攝影的BIM技術(shù)進(jìn)行線路選線，通過(guò)在某市軌道交通工程的實(shí)踐應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）基于傾斜攝影的BIM技術(shù)在城市軌道交通選線過(guò)程中，具有可視化、精確化的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可直觀表達(dá)重點(diǎn)控制物的數(shù)據(jù)信息，因而可縮短線路選線時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率；

（2）基于傾斜攝影的三維模型與BIM平臺(tái)的兼容性好，可在BIM平臺(tái)中直接表達(dá)數(shù)據(jù)信息，而無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換；

（3）相對(duì)于傳統(tǒng)的正射影像，傾斜攝影能夠全方位的進(jìn)行信息表達(dá)，對(duì)實(shí)物的還原度好，建模準(zhǔn)確度較高。

基于傾斜攝影的BIM技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用可為技術(shù)后期推廣和應(yīng)用提供參考。