基于“BIM+GIS”的運(yùn)營(yíng)城市軌道交通安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估

羅海濤

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣州 510010)

1 概述

隨著智慧城市建設(shè)的快速推進(jìn),作為城市基礎(chǔ)配套設(shè)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(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)與評(píng)估一體化平臺(tái),有助于實(shí)現(xiàn)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化及智能化管理。BIM技術(shù)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(shí)現(xiàn)對(duì)模型內(nèi)部信息的存儲(chǔ)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(shù)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(dá),將其與BIM技術(shù)相結(jié)合,有望利用各自的優(yōu)勢(shì)構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)。已有許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究,陳光等通過(guò)定義一體化三維空間數(shù)據(jù)模型,構(gòu)建軌道交通“GIS+BIM”三維數(shù)字基礎(chǔ)空間框架[4-5];李虎等利用“BIM+GIS”技術(shù),提出搭建城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺(tái)的思路[6];夏永俊等結(jié)合BIM和3DGIS各自的特點(diǎn),提出了兩者結(jié)合應(yīng)用的整套技術(shù)路線并在軌道交通建設(shè)中進(jìn)行應(yīng)用[7];王孟鈞等從設(shè)計(jì)界面、虛擬建造和協(xié)同平臺(tái)等三個(gè)維度對(duì)BIM和GIS技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用進(jìn)行分析[8]。以下結(jié)合運(yùn)營(yíng)城市軌道交通安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估的需求,分析利用“BIM+GIS”技術(shù)通過(guò)三維實(shí)景建模實(shí)現(xiàn)時(shí)空一體化成果表達(dá)。

2 城市軌道交通三維實(shí)景模型構(gòu)建

將“BIM+GIS”技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)城市軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與評(píng)估中,需要構(gòu)建地面和地下空間的城市軌道交通三維實(shí)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(chǔ)資料結(jié)合相應(yīng)的補(bǔ)充資料,根據(jù)現(xiàn)有的工藝流程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生成軌道交通構(gòu)筑物三維模型數(shù)據(jù)。主要基礎(chǔ)資料有設(shè)計(jì)施工圖、數(shù)字地形圖和正射影像圖等基礎(chǔ)測(cè)繪成果,需要補(bǔ)充完善的數(shù)據(jù)包括軌道交通構(gòu)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(shí),地鐵站內(nèi)部的每個(gè)固定設(shè)施都必須采集,并需在圖紙上標(biāo)明相應(yīng)的位置;為保證后續(xù)紋理處理時(shí)對(duì)構(gòu)筑物整體結(jié)構(gòu)的把握,應(yīng)盡量在不同的方向進(jìn)行拍攝,以獲取一定數(shù)量的全貌及細(xì)節(jié)照片。資料完備以后即可進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn),此時(shí)需要以最小單位分塊的建模單元采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行制作,同時(shí)給每個(gè)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(jìn)行質(zhì)檢與提交,同時(shí)為適應(yīng)不同平臺(tái)的瀏覽環(huán)境,還需進(jìn)行效果美化,使之性能和視覺(jué)表現(xiàn)滿足需求。圖1為利用圖紙翻模技術(shù)進(jìn)行某地鐵站三維實(shí)景建模的示例。

圖1 圖紙翻模地鐵站三維實(shí)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(jī)的飛機(jī)沿軌道交通沿線進(jìn)行拍攝,可以獲取城市軌道交通沿線地面空間的三維實(shí)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(chǎng)踏勘、資料收集、航空拍攝及像控點(diǎn)測(cè)量等工作。在展開(kāi)飛行之前,需要向主管部門(mén)進(jìn)行空域申請(qǐng);航空攝影數(shù)據(jù)采集后,需進(jìn)行保密審查。為提高數(shù)據(jù)采集效率,一般采用直升機(jī)作為主要飛行平臺(tái),同時(shí)采用無(wú)人機(jī)對(duì)重點(diǎn)車(chē)站、車(chē)輛段等部位進(jìn)行補(bǔ)充拍攝。航線布設(shè)應(yīng)從高效、經(jīng)濟(jì)的原則出發(fā),并綜合考慮設(shè)備性能、地形、地勢(shì)、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(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè),通過(guò)RTK方式直接測(cè)定其WGS84下的三維坐標(biāo),為與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一,需聯(lián)測(cè)3個(gè)以上已知控制點(diǎn),并進(jìn)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(duì)原始的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,再通過(guò)幾何校正和聯(lián)合平差等處理流程生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù),并以此生成基于真實(shí)影像紋理的三維模型,同時(shí)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(shù)進(jìn)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(gòu)建的現(xiàn)勢(shì)需要,又是開(kāi)展地質(zhì)空間分析、地質(zhì)現(xiàn)象解釋及地下空間開(kāi)發(fā)利用等的基礎(chǔ),對(duì)于城市軌道交通的建設(shè)與維護(hù)具有重要作用。通過(guò)對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)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(dá)[12]。在進(jìn)行三維地質(zhì)建模時(shí),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(kāi),如實(shí)際鉆探過(guò)程中獲得的勘探數(shù)據(jù),地震監(jiān)測(cè)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(shù)構(gòu)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(cè)量技術(shù),可以快速獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù),用于城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的三維建模。一般地鐵隧道空間狹長(zhǎng),在利用三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)時(shí),需根據(jù)隧道內(nèi)部的實(shí)際情況確定測(cè)站數(shù)量和儀器架設(shè)位置,以保障點(diǎn)云精度及掃描覆蓋率。為便于多測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配拼接,需要在隧道管片布設(shè)特征明顯的球形靶標(biāo),并保證相鄰測(cè)站間至少有3個(gè)共用靶標(biāo)點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)。

在實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí),設(shè)置掃描范圍、角度及分辨率等信息即可完成測(cè)站上隧道結(jié)構(gòu)掃描。在數(shù)據(jù)處理方面,首先,需要進(jìn)行點(diǎn)云去噪和平滑,將一些明顯偏離掃描對(duì)象的孤立點(diǎn)刪除,并對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,點(diǎn)云拼接之后可能涉及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題;最后,通過(guò)構(gòu)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(diǎn)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(shù)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)三維建模的示例。

圖4 三維激光點(diǎn)云隧道結(jié)構(gòu)建模

利用多種方法建立運(yùn)營(yíng)城市軌道交通沿線地面地下的三維實(shí)景模型,為實(shí)現(xiàn)后期監(jiān)測(cè)成果的一體化表達(dá),需要選用合適的三維地理信息系統(tǒng)對(duì)各模型進(jìn)行整合及統(tǒng)一管理,常見(jiàn)的平臺(tái)有ArcGIS、Skyline及SuperMap等。在進(jìn)行模型的整合時(shí),需要重點(diǎn)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(yùn)營(yíng)城市軌道交通安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估

(1)工程規(guī)劃期的運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

運(yùn)營(yíng)城市軌道交通附近經(jīng)常會(huì)有基坑開(kāi)挖工程,或者新建軌道交通線路穿越既有路線,其施工會(huì)改變隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng),影響既有城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)和安全。為降低既有隧道結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn),在工程的前期規(guī)劃階段,需要進(jìn)行定性及定量的評(píng)估,預(yù)測(cè)其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響程度,為安全合理的施工提供指導(dǎo)[13]。一般采用有限元法展開(kāi)模擬分析,常用的分析軟件有ANSYS、MIDAS GTS等。首先,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地形地貌調(diào)查,調(diào)查場(chǎng)地周邊地面和地下的建筑物、管線分布情況,收集場(chǎng)地周邊的三維地質(zhì)和水文資料,確定各土層的計(jì)算力學(xué)參數(shù),為進(jìn)行三維動(dòng)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(gòu)的三維立體關(guān)系,為建立相應(yīng)的三維模型奠定基礎(chǔ);最后,根據(jù)已有的基坑開(kāi)挖施工方案,結(jié)合地鐵隧道結(jié)構(gòu)的走向、高程變化等設(shè)計(jì)參數(shù)建立三維大型數(shù)值計(jì)算模型,計(jì)算基坑開(kāi)挖各工況階段隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形變化規(guī)律,為實(shí)際的施工過(guò)程提供指導(dǎo),為相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)方案提供參考。

(2)工程施工期的運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)

在工程的施工期間,為保證運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)的安全,需要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),其主要內(nèi)容包括沉降、位移、收斂、裂縫、滲水量、應(yīng)力應(yīng)變等。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法以人工監(jiān)測(cè)為主,效率較低。近年來(lái),監(jiān)測(cè)手段朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展,所采用的儀器設(shè)備包括三維激光掃描儀、測(cè)量機(jī)器人、靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)以及裂縫計(jì)等[14]。三維激光掃描儀的作用是進(jìn)行施工前現(xiàn)狀確認(rèn),一般選用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)沿軌道進(jìn)行連續(xù)掃描,以獲取隧道結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),斷面尺寸以及滲水、掉塊、錯(cuò)臺(tái)、裂縫等結(jié)構(gòu)病害信息。測(cè)量機(jī)器人用來(lái)進(jìn)行沉降、位移及收斂量等的自動(dòng)化監(jiān)測(cè),在距離基坑施工較遠(yuǎn)的穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn),以提供監(jiān)測(cè)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(shè)監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn),測(cè)量機(jī)器人在監(jiān)測(cè)程序的控制下定期自動(dòng)觀測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)并計(jì)算獲得相應(yīng)的變形量。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)主要部署在隧道結(jié)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域并進(jìn)行沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè),作為測(cè)量機(jī)器人沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

(3)軌道交通保護(hù)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(yùn)營(yíng),一般會(huì)設(shè)置城市軌道交通控制保護(hù)區(qū),在保護(hù)區(qū)內(nèi)施工作業(yè)需要得到主管部門(mén)的批準(zhǔn)。未經(jīng)批準(zhǔn)的開(kāi)挖、鉆探等違規(guī)作業(yè)會(huì)給地鐵設(shè)施的安全帶來(lái)了極大威脅,故有必要定期對(duì)保護(hù)區(qū)進(jìn)行巡檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素并第一時(shí)間預(yù)警與處置。選擇合適的無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載成像傳感器,沿地鐵線路快速采集地面影像,在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、幾何糾正、影像拼接及特征提取等圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上,采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練,以實(shí)現(xiàn)地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)違規(guī)作業(yè)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別。利用無(wú)人機(jī)技術(shù)結(jié)合人工智能可減少巡檢的人力成本,提高工作效率,實(shí)現(xiàn)全天候按需巡檢。

4 時(shí)空一體化監(jiān)測(cè)成果表達(dá)

時(shí)空一體化監(jiān)測(cè)成果表達(dá)以地面、地下的三維實(shí)景模型為框架,選擇或構(gòu)建合適的三維地理信息系統(tǒng),對(duì)運(yùn)營(yíng)城市軌道交通監(jiān)測(cè)與評(píng)估信息的成果進(jìn)行表達(dá)和發(fā)布,以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)城市軌道交通監(jiān)測(cè)和保護(hù)工作的標(biāo)準(zhǔn)化與信息化管理。

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控與三維實(shí)景融合

三維視頻融合技術(shù)通過(guò)把多個(gè)攝像頭視頻序列與相應(yīng)的三維實(shí)景場(chǎng)景進(jìn)行匹配和融合,生成一個(gè)基于三維實(shí)景模型的動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景,以三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)為依托,實(shí)現(xiàn)視頻的精準(zhǔn)定位和時(shí)空動(dòng)態(tài)分析[15]。三維視頻融合監(jiān)控涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有視頻監(jiān)控點(diǎn)位置規(guī)劃、圖象重疊區(qū)域的拼接及三維模型與視頻畫(huà)面融合。視頻監(jiān)控的融合質(zhì)量與每個(gè)攝像頭的位置布局息息相關(guān),各攝像頭監(jiān)控畫(huà)面需設(shè)置合理的重疊度,即保證拼接和畫(huà)面有合理過(guò)渡又避免浪費(fèi),并注意調(diào)整攝像頭之間的距離來(lái)降低圖像變形。在進(jìn)行圖像重疊區(qū)域拼接時(shí),可通過(guò)對(duì)三維實(shí)景模型進(jìn)行編輯修改來(lái)實(shí)現(xiàn)融合拼接;選擇參照物時(shí)需從形狀、顏色及位置等因素來(lái)考慮實(shí)現(xiàn)更快更準(zhǔn)的拼接。三維實(shí)景模型與視頻畫(huà)面的融合是將視頻畫(huà)面進(jìn)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(kāi)挖監(jiān)控中,將攝像頭的視場(chǎng)、焦距、畫(huà)幅等參數(shù)輸入系統(tǒng),計(jì)算得到攝像頭的最佳安裝位置,同時(shí)通過(guò)多攝像頭視頻流拼接技術(shù)將多個(gè)攝像頭視頻流影像動(dòng)態(tài)疊加到傾斜攝影模型上。圖5為實(shí)時(shí)監(jiān)控與三維實(shí)景融合的示例。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控與三維實(shí)景融合示例

(2)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多維顯示

在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),以地鐵隧道結(jié)構(gòu)為保護(hù)對(duì)象,以鄰近地鐵施工的非地鐵建設(shè)項(xiàng)目為監(jiān)管對(duì)象,結(jié)合真實(shí)的地鐵三維實(shí)景數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)信息的成果表達(dá)和發(fā)布,實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境等在時(shí)間域及空間域上的信息表達(dá)。以隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)為例(見(jiàn)圖6),為方便用戶查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異、變化量,以及進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè),在三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)可進(jìn)行隧道管片信息的查詢定位,對(duì)隧道管片上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基本信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行立體顯示,同時(shí)支持采用熱力圖的形式來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示。為方便數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集、錄入、分析及成圖,系統(tǒng)還可支持監(jiān)測(cè)傳感器的直接接入,對(duì)于變化速率和累積變化量超限的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)及時(shí)報(bào)警。

圖6 隧道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多維顯示

(3)風(fēng)險(xiǎn)源圖像與地圖匹配

無(wú)人機(jī)沿城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)拍攝,利用機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別威脅地鐵隧道安全的風(fēng)險(xiǎn)源時(shí),可將風(fēng)險(xiǎn)源圖像與地理信息系統(tǒng)的地圖相匹配,制作風(fēng)險(xiǎn)源專題地圖并進(jìn)行展示預(yù)警。欲使無(wú)人機(jī)采集的風(fēng)險(xiǎn)源影像與GIS地圖匹配,需要知道至少1個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)、航高以及航向角信息。根據(jù)航高可以計(jì)算航攝比例,即影像中一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離,再根據(jù)某已知點(diǎn)的坐標(biāo)即可將影像移動(dòng)到地理信息系統(tǒng)坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的位置,最后利用航向角信息對(duì)影像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源影像與GIS地圖的匹配。其中,某已知點(diǎn)坐標(biāo)可根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的位置和姿態(tài)信息進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換為影像中心點(diǎn)的坐標(biāo)。圖7為風(fēng)險(xiǎn)源影像與GIS地圖相匹配的示例。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)“BIM+GIS”技術(shù),在三維實(shí)景模型的基礎(chǔ)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(cè)平臺(tái),將受鄰近工程影響的運(yùn)營(yíng)軌道交通的安全評(píng)估、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及保護(hù)區(qū)巡檢等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一,可實(shí)現(xiàn)軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)的智能高效,降低運(yùn)營(yíng)成本。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市軌道交通的數(shù)字化、信息化及智能化,推動(dòng)智慧交通的建設(shè)和發(fā)展。