基于傾斜攝影的BIM技術在城市軌道交通選線中的應用

劉海

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 城市軌道與地下工程設計研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著新一代信息技術的快速發(fā)展，智能化設計理念［1］越來越深入人心，尤其在城市軌道交通設計領域，工程項目投資規(guī)模大、建設周期長、控制因素多、質量要求高的特點對設計人員提出了更高要求。

當前，城市軌道交通線路設計的主流工具仍是AutoCAD［2］，設計者多采用二維地形圖或實景模型來開展設計，然而二維平面信息難以直觀傳達設計對象與周邊環(huán)境及控制因素的空間幾何關系，信息關聯(lián)性差的特點增加了工程設計的不穩(wěn)定性，即傳統(tǒng)的二維設計方法已不能匹配工程的發(fā)展需求。隨著BIM技術在軌道交通行業(yè)的興起，三維設計發(fā)展趨勢明顯，其具有信息完備性、信息關聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等八大特點的3D模型設計在軌道交通行業(yè)中的應用越來越廣［3］。特別是基于傾斜攝影的BIM技術，可獲得逼真的現(xiàn)實場景，生成附有坐標、高程等精確位置信息的3D模型，將其導入至BIM平臺可展示沿線控制因素的真實特征，直觀精確的反映線路的相對位置關系，提高設計效率與質量［4］，為設計者選線提供了強有力的設計支撐。

因此，結合傾斜攝影技術，利用BIM操作平臺來開展城市軌道交通線路選線工作，并用于工程實踐，為該技術在城市軌道交通設計領域的推廣應用提供參考依據(jù)。

1 傾斜攝影的技術原理及特點

1.1 測量技術

傾斜攝影技術是近些年在遙感測繪領域發(fā)展起來的一項高精度測繪技術［5］，解決了傳統(tǒng)的正射影像只能垂直拍攝的局限性問題，在工程領域前期的地形勘測與數(shù)據(jù)采集中應用廣泛。利用無人機的航拍技術，搭載多臺傳感器（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）對待測目標進行全面掃描和數(shù)據(jù)收集，通過無人機內置三維處理軟件對拍攝的正片、斜片數(shù)據(jù)影像進行堆疊、處理和三維重構，生成帶有坐標的三維模型，附加屬性信息還包含高程、長度、坡度坡率、面積等基礎數(shù)據(jù)，從而精確地反映沿線的真實環(huán)境（見圖1）。

圖1 傾斜攝影的成像原理

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

1.2 特點及優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的測量方法，傾斜攝影技術特點鮮明，優(yōu)勢突出。克服了正射影像垂直拍攝的局限，通過多角度采集影像，將沿線周邊的環(huán)境真實直觀地反映在系統(tǒng)模型里。

1.2.1 傾斜攝影技術的特點

（1）高精度還原沿線周邊的真實情況。地形測量條件往往復雜多變，山川河流、層巒疊嶂、城市高樓、此起彼伏，通過多角度測量，能夠有選擇地避開各種障礙物，對于重要節(jié)點、復雜控制物，還可重復多次拍攝和測量，清晰具象地展現(xiàn)待測物的重點和細節(jié)，全面真實反映沿線地物的實際情況，極大程度上彌補了正射影像在實際工程應用中的缺陷（見圖2）。

圖2 傾斜攝影影像

（2）高建模效率。傾斜攝影技術不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精度、準確度，也為三維建模技術的應用提供了基礎［7］。無人機對待測目標進行拍攝的過程中，內部嵌帶的三維建模軟件可對采集的正斜影像進行實時處理、三維重構和模型再現(xiàn)，對于模糊、缺失的片段，可及時復測和補測，避免了無人機的二次起飛及模型信息不完整問題，提高了系統(tǒng)的建模效率。

（3）數(shù)據(jù)形式簡單易于網(wǎng)絡發(fā)布。相對于三維GIS技術海量的三維數(shù)據(jù)群，傾斜攝影技術獲取的影像數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)形式單一，影像的數(shù)據(jù)格式可進行網(wǎng)絡的快速發(fā)布，且基于BIM操作平臺可實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享而無需進行冗雜的數(shù)據(jù)轉換（見圖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

無人機傾斜攝影在真實還原沿線地物的同時，通過成熟的定位系統(tǒng)將拍攝的實物影像和測量的高精度地理信息進行嵌入，生成準確的數(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計，也擴展了遙感影像的應用領域。

（1）測量范圍大、精度高、紋理清晰［8］。無人機進行低空飛行，視野開闊，一次飛行可采集大范圍內數(shù)據(jù)，多角度、多次重復測量能確保影像清晰、數(shù)據(jù)精確；此外基于影像識別的模型重構在地物構造紋理上也更加精細可見，很大程度上降低了信息遺漏的可能性，這對判斷軌道交通線路能否穿過該處地物的意義重大。

（2）測量數(shù)據(jù)附帶坐標、高程信息。由于無人機內部自帶GPS定位系統(tǒng)，可對沿線地物進行精準識別和定位，此外高程點的確定錨固了沿線地物的三維關系。這對于判斷軌道交通線路與沿線地物的相對位置至關重要，直接影響線路的平縱設計。

（3）全方位測量，復雜場景還原度高。傾斜攝影技術可從多個角度對地物進行測量，相較于傳統(tǒng)的垂直正射來說，幾乎沒有測量盲區(qū)，可對地物進行高精度、全方位測量，高度還原沿線復雜地物的真實場景，這直接影響到設計者對該處地物的工程性質、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 傾斜攝影技術在BIM中的應用

無人機傾斜攝影采集到的連續(xù)影像數(shù)據(jù)是實現(xiàn)三維建模的基礎。系統(tǒng)通過內嵌的Smart 3D Capture軟件進行快速三維建模，利用圖形運算單元對測得的連續(xù)二維影像進行三維場景運算和重構，通過透視成像原理快速提取地物輪廓，自動實現(xiàn)紋理映射完成建模［9］。相對于傳統(tǒng)的二維CAD翻模，提高了建模效率和精確度。

建成的模型能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，將數(shù)據(jù)模型導入至BIM操作平臺，可真實直觀的展示沿線環(huán)境與線路關系，進而方便軌道交通線路的選線（見圖4）。

圖4 導入BIM平臺的傾斜攝影模型三維展示

2 BIM技術的應用概述

BIM技術是利用數(shù)字化模型對建設工程進行規(guī)劃、設計、施工、運營的新型信息化技術，一般用于復雜重要的工程項目，如大跨度橋梁、高層超高層建筑、形體復雜多變的工程等。

隨著BIM技術在城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，BIM技術也逐步用于車站模型的建設、軌道交通線路的平縱設計及選線等。通過將二維平面圖形進行三維數(shù)據(jù)化處理，直觀真實地反映實體細節(jié)，從而為線路設計提供指導依據(jù)，降低項目成本和風險，提高工程質量和工作效率。

在BIM技術的八大特點中，可視化技術［10］是能夠將傾斜攝影生成的三維模型在BIM平臺進行三維展現(xiàn)的關鍵技術。該技術將科學數(shù)據(jù)，包括測量獲得的數(shù)值、圖像以及計算中涉及、產(chǎn)生的數(shù)字信息，轉換為直觀的、以圖形圖像表示的、隨時間和空間變化的物理模型呈現(xiàn)在設計者面前，使之能夠觀察、模擬和計算。

BIM操作平臺作為展示傾斜攝影模型的媒介，可融入到線路的平面設計中，用于軌道交通線路的選線設計。

3 BIM技術在軌道交通中的應用

3.1 工程概況

某市的軌道交通工程項目，利用基于傾斜攝影的BIM技術在線路選線中進行了應用，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目起于翠湖站，止于光明城樞紐，線路串聯(lián)和服務光明中心區(qū)、光明鳳凰山片區(qū)。支線二期工程線路全長約4.90 km，設站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+地下敷設方式，其中地下段約4.39 km，高架段約0.36 km，過渡段約0.15 km。

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

因此，利用傾斜攝影的BIM技術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技術在線路選線中的應用

3.2.1 傾斜攝影模型的導入

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

圖5 線路起點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，但卻無法與線路平面設計聯(lián)系在一起。此時，作為溝通傾斜攝影三維模型和線路平面三維設計的唯一媒介——BIM共享平臺發(fā)揮了重要作用。將傾斜攝影模型導入BIM操作平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化表達，在同一平臺環(huán)境下進行線路的平縱設計，數(shù)據(jù)準確，線路與環(huán)境的相對位置關系明朗，設計效率高。

3.2.2 BIM平臺下的線路選線

華夏站至光明城站區(qū)間，控制因素較多，工程情況復雜，線路平面方案難以穩(wěn)定，僅憑二維平面地形資料無法直觀的反映線路經(jīng)過時的工程狀況、土建規(guī)模。因此，需要基于三維模型進行線路的平縱設計。通過模型來直觀反映線路與環(huán)境的關系，從而對比各個通道方案的優(yōu)缺點，為穩(wěn)定線路平面方案提供依據(jù)（見圖6）。

通過傾斜攝影的三維模型可見，其中一個通道方案線路下穿了既有的稅務局、消防隊、停車場地塊，影響規(guī)模可通過坐標數(shù)據(jù)進行精確匡算。此外，線路右線與稅務局大樓的平面位置關系也清楚可見。再者，通過對三維模型的直觀分析和判斷，區(qū)間內很難找到其他更優(yōu)的通道方案。

利用BIM技術的可視化特點，各線路通道方案的特點鮮明，對比明顯，便于決策。

圖6 BIM平臺下的傾斜攝影模型在沿線的主要控制因素

4 結論

針對城市軌道交通的選線問題，利用基于傾斜攝影的BIM技術進行線路選線，通過在某市軌道交通工程的實踐應用，得到以下結論：

（1）基于傾斜攝影的BIM技術在城市軌道交通選線過程中，具有可視化、精確化的優(yōu)勢特點，可直觀表達重點控制物的數(shù)據(jù)信息，因而可縮短線路選線時間，提高設計效率；

（2）基于傾斜攝影的三維模型與BIM平臺的兼容性好，可在BIM平臺中直接表達數(shù)據(jù)信息，而無需進行數(shù)據(jù)格式的轉換；

（3）相對于傳統(tǒng)的正射影像，傾斜攝影能夠全方位的進行信息表達，對實物的還原度好，建模準確度較高。

基于傾斜攝影的BIM技術在實際工程中的應用可為技術后期推廣和應用提供參考。