王志勇

(山西二建集团有限公司，山西 太原 030013)

1 工程概况

1.1 项目简介

国道G342晋城市过境段改线工程PPP项目(以下简称“本项目”)，路线起点(K0+360)位于泽州县高都镇高都收费站西，与既有国道G342顺接，依次跨越太焦高铁隧道、丹河、长晋高速、国道G207、晋煤集团煤矿铁路线，分幅下穿环城北高速东掩大桥，K线终点(K27+711.604)与既有陵沁线顺接；L线起点(LK0+000)与K线在南掩村西北处T型交叉，设置T型枢纽互通立交，跨越晋阳高速，在张庄村西与晋城环城高速一级公路连接线顺接，终点里程(LK8+599.495)。路线(K+L线)全长35.929 km,按一级公路标准建设，设计速度80 km/h，路基宽度25.5 m。施工内容包括：特大桥1座，大中桥12座，互通式立体交叉5处(含：大中桥16座、涵洞50道、天桥5座、通道14座)，涵洞49道，天桥6座，通道17座。项目概算投资31.169亿元。

1.2 工程特点和难点

本项目路线经过煤矿采空区不良地质路段和煤矿资源含煤区，需采用全充填压力注浆法处置，并避开煤矿资源含煤区，地质条件复杂，线路前期优化要求高；横跨正在申报国家级森林公园的丹河湿地、龙王山森林公园等环境敏感区，文明施工要求高；路线走廊历经低山区、丘陵区、山前倾斜平原区和河谷阶地区，爆破开挖难度高，土石方转运量大；项目沿线100 m范围内经过大小村庄10余处，周边遍布电力、广电、移动、联通、国防光缆、信号塔、高压送电线路及国家重点文物保护单位碧落寺等建(构)筑物，征地拆迁任务重，现场管理难度大。同时，项目建成后将与已通车的国道G207线晋城过境段改线工程闭合形成市区二环，省政府高度重视，施工任务和工期十分紧张。

2 无人机倾斜摄影技术概述

1)无人机技术。无人机运行原理是通过无线电遥控与制动程序对无人飞机或者是飞行器进行控制，无人机主要包括固定翼、直升机、多旋翼以及飞艇等，具备机动、经济以及快速等优点[1]。本项目采用飞马机器人公司生产的V系列高性能垂直起降固定翼无人机(见图1)，结合《飞马云监控》《无人机管家》《飞马三维浏览器》等软件平台，实现了测区任务地理戳记、航线轨迹展绘、飞行参数显示、航拍参数查看等全程云管理功能。

2)倾斜摄影技术。倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项高新技术，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、前视、左视、右视与后视共5个不同的角度采集影像[2]，依托全球导航卫星系统、惯性导航系统以及倾斜摄影系统，可快速采集影像数据，进行全自动化三维建模，准确、真实反映地物的外观、位置、高度等属性。倾斜摄影数据是带有空间位置信息的可量测影像数据，能同时输出DSM，DOM，DLG等多种成果。

3 无人机倾斜摄影测量实施流程

无人机倾斜摄影测量技术能够真实地反映被摄目标的情况，借助先进定位技术的支持，能够获取丰富的影像数据，且摄影过程不用耗费大量的人力物力[3]。本项目施工所在区域为典型山地区域，地形主要以丘陵为主，平均海拔约为860 m，最高约1 076 m，最低约741 m，植被覆盖茂盛，传统现场GIS数据测量和BIM三维建模难度很大。因此，根据项目GIS测量作业和BIM三维建模需求，测绘方案采用V300高性能垂直起降固定翼无人机进行倾斜摄影飞行测绘。

本次飞行测绘结合《无人机管家》系列软件进行，可自动进行测区构建、自动匹配连接点、空三加密、影像匀光匀色、正射纠正、影像镶嵌等优化处理，并及时将处理得到的外方位元素、相机参数以及纠正后的影像导入Smart3D软件,经过倾斜影像联合区域网平差、多视影像密集匹配和纹理映射等环节，可快速构建真实、直观的三维模型，其自动化程度高，作业周期短，生成成本低[4]。飞行测绘设计地面分辨率10 cm，相对航高204 m，航向重叠82%，旁向重叠65%，并在飞行过程中根据地理信息自动生成满足后期处理的最佳飞行方案，飞行作业共计8架次(见图2)。

无人机倾斜摄影的使用，不仅极大的提高了工程测量作业效率，而且能准确获得施工现场高分辨率影像数据。特别是所测区域地处山区，地形起伏大、光照条件差异明显，经过无人机管家匀光匀色处理后的DOM影像色彩均匀、不存在明显接缝，且DOM内部一致性好，不存在扭曲、地物重影、拉花的现象，为后续高精度三维实景地形的创建提供了高质量的数据输入。无人机倾斜摄影实施流程见图3。

4 无人机倾斜摄影辅助GIS+BIM技术实景建模的具体应用

4.1 基于GIS+BIM技术的公路选线设计应用研究

本项目设计阶段，初步提供了10个路线设计方案。其中，在K线与D线方案比选中，通过采用无人机倾斜摄影辅助GIS技术进行三维实景建模，可全面、立体、直观的进行经济技术论证分析，为建设单位最终决策提供强有力的依据，争取了宝贵的时间。在本项目中，K线虽在二仙掌村存在S型曲线，但整体填挖方工程量较小；而D线对龙王山森林公园环境影响较大,且新建线位整体填挖方工程量较大，顺层深挖方所需抗滑桩等支挡防护工程量大，通过BIM技术模型和经济社会效益分析，最终选择K方案(见图4)。

4.2 基于GIS+BIM技术的路线方案优化应用研究

根据确定的路线方案，采用无人机倾斜摄影辅助GIS技术建立完整的路、桥三维实景模型，结合路线周边地物条件，可全面、高效、准确对路线进行优化设计。本项目中，通过GIS+BIM技术建模可直观发现K12+800～K13+000路线段与110 kV高压线塔存在冲突，通过优化线位避开，避免了重大拆迁(见图5)；三沟互通原设计方案占用房屋数量较大，通过优化互通线位，减少房屋拆迁约3 000 m2(见图6)。此外，通过在三维实景GIS+BIM模型中加载煤炭矿界范围，发现LK2+800～LK4+300路线段压覆煤矿资源，通过BIM技术优化后，减少煤矿资源压覆400 m，节约资金3 000万元。

4.3 基于GIS+BIM技术的桥梁方案对比应用研究

本项目丹河特大桥在设计之初，共提出3种设计方案，分别为独塔双索面斜拉桥、连续刚构桥和双塔双索面矮塔斜拉桥，通过将3种桥梁BIM模型加载到无人机倾斜摄影辅助生成的三维实景GIS模型中，可综合对比各桥梁的造型、技术和经济方案(见图7)。其中，独塔双索面斜拉桥施工虽然复杂，造价最高，但符合晋城市旅游公路发展需求，被确定为最终实施方案。

4.4 基于GIS+BIM技术的公路改路设计应用研究

本项目全线90条公路改路设计均在无人机倾斜摄影辅助生成的三维实景GIS模型中进行，极大的保证了设计质量，提高了设计效率。其中，在G069公路改路设计中，1∶2 000地形图中未显示既有机耕道路宽度、路面材料等信息(见图8)，通过GIS三维实景模型核查改路设计，并将BIM设计成果导入GIS模型进行验证(见图9)，最大限度避免了后期因无法确定改路设计参数而产生设计变更。

4.5 基于GIS+BIM技术的征地拆迁管理

通过在无人机倾斜摄影辅助生成的三维实景GIS模型中加载路线征地红线，可精确计算红线范围内各类用地的征拆数量，使得征地拆迁的前期调查工作快速、准确，省去了大量现场勘查测量工作，避免了潜在拆迁对象抢建、抢栽等行为的发生，大大减少了征拆工作难度及费用，且利于合理安排拆迁计划和资金投入。

5 结论与展望

无人机倾斜摄影辅助GIS+BIM技术的应用研究,最大的价值在于整合BIM和GIS技术优势,将倾斜摄影辅助生成的三维实景GIS模型与BIM结构模型成果进行了精准融合,精准地呈现了项目全生命周期的结构物真实空间位置，可快速、高效、准确处理三维空间数据，为公路设计提供真实、可靠的基础数据，并在公路选线设计、路线方案优化、桥梁方案对比、公路改路设计、征地拆迁管理和土石方工程量核算等方面提供数据支撑。同时，实现了公路项目信息全过程整合，保证了项目全生命周期管理信息畅通传递，有效促进了我国公路工程设计、施工、养护和运营管理高质量发展，为我国交通强国建设再添新彩。