李海亮

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 引言

工程建设的过程是一个认识自然到改造自然的过程，认识自然是改造自然的基础。工程勘测是为满足工程建设的规划、设计、施工、运营及综合治理等的需要，通过对地形、地物等进行测绘和建模的活动，是认识自然的一种重要手段。铁路、公路等带状工程，由于线路长、分布范围广，工程勘测地位尤其重要。近年来，BIM技术在工程建设行业应用越来越广泛，要实现带状工程的正向BIM设计，首先应实现工程地理环境的三维化和实景化。

位喜会等[1]利用Bing Maps卫星图对地理环境进行重建，该重建方式过程简单、数据量小；柳婷等[2]针对城市轨道交通规划选线，将倾斜摄影测量应用于BIM＋GIS技术，有效整合、兼顾轨道交通线路周边的地上、地下信息资源，对选线过程中的空间分析提供基础条件；陈斌等[3]通过机载LiDAR数据和遥感数据建立高速铁路沿线三维地形，同时结合地面激光扫描数据、无人机航测数据、野外调绘数据，对高速铁路重要设施设备进行精细三维建模，辅助高速铁路运营维护管理；李海亮[4]提出基于地面激光雷达技术进行工点三维建模，辅助进行工点勘察；王宁等[5]利用无人机倾斜摄影和三维激光扫描数据对电力线走廊带联合建模，辅助电力勘测选线。

上述都是针对具体问题采用倾斜摄影、激光扫描等技术建立实景模型，辅助带状工程勘察设计。带状工程勘察设计是一个由宏观至微观不断优化的过程，对地理信息数据的要求也是一个由粗到精的过程。本文面向带状工程的全寿命周期BIM设计，提出地形级、地物级和部件级三种不同精细度地理环境实景模型概念及建立方法，根据可行性研究、初步设计、施工图设计、配合施工和运维各阶段特点提出相应的地理环境建模精细度及应用方法，为带状工程BIM正向设计打下基础。

2 地理环境实景建模方法

根据带状工程不同阶段所需地理环境信息精细度的不同，提出适应带状工程BIM设计的地形级、地物级和部件级地理环境实景模型方法。

2.1 地形级实景建模

地形级实景模型是指以表现地形、地貌为主的实景模型，地物以影像图斑的形式表达。

带状工程的前期研究阶段，主要是选线设计。选线设计在初期更多的是关心线路的路径，对线路的实际设计外观并不关心[6]。因此这个阶段只需要建立线路走廊带宏观的地形级实景模型。考虑到经济、工期等因素，地形级实景建模主要有以下四种方法:

(1)DEM＋DOM

以数字正射影像(DOM)作为数字高程模型(DEM)的地面纹理形成的三维场景具有数据获取成本相对低，场景数据量小等优点，缺点是房屋、桥梁等地物因DEM置平。

DEM和DOM的获取可收集既有数据，也可以采用数字摄影测量或机载激光雷达测量生产[7]。

(2)高重叠度航空摄影＋倾斜实景三维建模

传统数字摄影测量航向和旁向重叠度分别不低于60%和30%，通过适当提高航向和旁向重叠度(建议航向≥85%，旁向≥40%)，然后使用倾斜摄影测量数据处理流程生产地形级实景三维。

该技术方法的优点是建模自动化程度高，能较好地还原三维世界；缺点是加大重叠度，成本增加，部分地物会出现局部的“拉花”“撕裂”现象，无法准确反映植被下高程。

(3)倾斜航空摄影＋倾斜实景三维建模

利用多镜头(一般是五镜头)倾斜航摄仪，获取多视角影像，采用倾斜摄影数据处理技术生产地形级实景三维。该方法的优点是构建的模型可以较好地真实还原物理世界。缺点是数据量大，处理时间长，数据采集成本相对较高。

(4)水下地形建模

对于工程沿线的水塘、水库、江、河、湖、海等水域，为了准确获取水下地形，可以采用水下地形测量技术。近年来，基于GNSS＋声呐的水下地形测量技术越来越成熟，可以搭载在有人或无人船上，已成为主流水下地形测量技术。水下地形测量完成后，可以与陆地DEM融合，形成水陆一体化的DEM。

2.2 地物级实景建模

地物级实景模型是指能够三维逼真、准确地表达地物的实景模型，地物可根据需要决定是否进行单体化。

当大致线路走向确定后，设计就需要关注局部工点细节，此时BIM设计需要对地物进行实景建模，表现地物的位置、三维结构、纹理等信息。地物实景建模主要有以下两种方法:

(1)数字摄影测量

数字摄影测量作为一种传统的三维信息的获取手段，具有方法成熟，可重建三维地物等优点，多年来数字城市的建设积累了大量的经验，具有完整的相关技术标准。该方法缺点是不能完整地提取建筑物的立面纹理信息，需配合地面摄影补拍。

基于数字摄影测量建立的地物模型为单体化的。单体化指的是每一个需要单独管理的对象，是一个个单独的、可以被选中的实体，这非常有利于在模型上挂接各种社会、经济和自然属性，便于后续分析和管理。

(2)倾斜摄影

倾斜摄影作为一种新兴的全息测量技术，目前已广泛应用于数字城市和智慧城市的建设中。倾斜摄影技术具有自动化程度高，重建的三维模型可以逼真地还原地物等优点，缺点是倾斜摄影数据获取和处理的工作量大，由于其生成技术机制，成果模型为“一张皮”。

为了便于分析和管理地物信息，需要将相关属性挂接在倾斜摄影建立的实景三维模型上，这就需要单体化。倾斜摄影单体化实现路径有两种，即物理单体化和逻辑单体化。物理单体化是通过人工重建的方式将地面、建筑、道路及城市部件形成一个可被选中分离的实体，即基于倾斜摄影数据的单体化建模技术。逻辑单体化是指利用已有的地物二维矢量数据，在矢量数据上挂接属性数据，通过与三维模型进行叠加和遮罩，实现倾斜模型可被单独选中、查询并赋予属性的技术。

2.3 部件级实景建模

部件级实景模型是指准确表达建、构筑物内部结构、属性等的实景模型。

在工程的施工图设计、施工及运维阶段，必须准确掌握工程影响范围内的地物等信息。这些信息包括地上可见(房屋、架空管线等)和地下隐蔽(地下空间、地下管线等)等信息。对于这些地物的建模有以下三种方法:

(1)倾斜摄影

对于地上可见的，仅需要对地物的外观和位置建模时，可采用倾斜摄影技术。对于建筑物底部纹理和精度要求较高时可采用地面补拍影像，空地联合建模技术[8]。

(2)SLAM

对于人可进入的室内或者地下空间，可采用即时定位与地图构建(简称SLAM)技术。SLAM技术拥有精确、高效、逼真等优点，近年来应用越来越广泛。

(3)参数化规则建模

对于地下管线等不可见的地物，可采用参数化规则建模方法。通过调查测量地物的相关参数，可以采用三维建模软件(如CityEngine、3DMax)或BIM软件进行建模，建模后与其他地物模型进行融合，形成地上地下一体化的全空间三维模型。

3 不同阶段的实景模型应用方法

3.1 可行性研究

在可行性研究的早期规划阶段一般难以实施自主航飞，因此这一阶段以收集既有资料和公开的卫星影像采用DEM＋DOM的方式建立地形级实景模型。当方案逐渐稳定时，通常会采用数字摄影测量技术建立沿线的1∶2 000地形图，此时可适当加大航飞重叠度，采用高重叠度航空摄影＋倾斜实景三维建模方法建立地形级实景模型。水下地形采用无人船测量为主(初步设计、施工图设计亦同)。

基于地形级实景模型选线，可以充分地考虑线位与规划的适应性和对相关控制因素的影响，直观展示和论证多个方案的优缺点。

3.2 初步设计

初步设计首先应沿用上阶段的数据，建议对贯通方案采用机载激光雷达技术建立高精度的地形级实景模型，采用倾斜摄影技术建立地物级实景模型。该方法既可以高精度、快速地完成地形图和断面等测量工作[9]，还可以真实还原工程现场，满足各类踏勘、方案论证、拆迁调查、地质调查等需求。机载激光雷达＋倾斜摄影技术是目前最为适应工程勘察的组合。

3.3 施工图设计、配合施工及运营维护

施工图设计、配合施工及运营维护等阶段以沿用之前各阶段的相关模型为主，当模型深度和精细度不够的情况下，可以建立部件级实景模型。

将BIM模型与部件级实景模型集成后，可以对工程细部方案进行优化，及时发现问题。

不同阶段实景模型关键技术流程如图1所示。

图1 不同阶段实景模型建立关键技术流程

3.4 地理环境实景模型与BIM设计协同方法

虽然地理环境实景模型的建立方法已很成熟，但长期以来在工程设计中的应用深度严重不够[10-11]。究其原因是设计工作仍沿用几十年前的数据接口，设计只依赖地形图和断面，这一点严重阻碍实景模型在工程勘察设计中的深度应用[12]。面向BIM设计，为了推动勘察设计向精细化、智能化发展，建议以录入到设计软件或数据服务方式实现地理环境实景模型与设计协同。

(1)录入到设计软件

通过在设计软件中开发相关接口，直接读入并解析地理环境实景模型，在设计软件中再现勘察设计现场[13]。在这种情况下，地理环境实景模型可以与工程设计工作紧密融合，推动三维设计。

(2)数据服务

利用空间数据库和数据三维可视化技术搭建地理环境实景模型信息服务平台。基于B/S或C/S模式提供数据服务，集成海量地理环境实景模型、BIM模型和专业调查信息，向设计开放，打通设计应用瓶颈，最大化发挥地理环境实景模型的价值。

4 工程实例

4.1 工程概况

江阴靖江长江隧道工程路线全长约12.4 km，其中隧道段长约6.4 km，工程采用高速公路标准，设计时速80 km，双向6车道。本工程采用BIM技术进行设计，在工程的各个阶段分别采用了不同的技术手段建立了满足相应阶段深度的地理环境实景模型。

4.2 可行性研究

在工程规划选线阶段，采用SRTM和卫星影像建立了地形级实景模型，基于网页端数据服务平台从宏观上辅助方案论证和比选(见图2)。

4.3 初步设计

在初步设计阶段，为了进行精细方案设计，采用无人机机载激光雷达建立了全线高精度地形级实景模型，采用无人机倾斜摄影建立了全线3 cm分辨率的地物级实景模型。通过网页端数据服务平台基于以上两个实景模型进行了真实环境场景的BIM设计(见图3)，完成隧道进出口选择、环境敏感点确定、拆迁量统计、土方量计算、日照分析等专业工作，极大提升了设计的直观性、准确性。

图3 实景模型与BIM模型融合应用

初步设计阶段对工程现场地理环境的需求最为迫切。本工程实践表明，基于高精度的实景模型，各设计专业可减少外业调查工作30%，缩短现场工期20%。

4.4 施工图设计和配合施工

在施工图和配合施工阶段，采用SLAM技术结合倾斜摄影数据对工程沿线有影响地物进行了单体化建模。收集全线的地下管线数据，采用参数化规则建模方法建立全线管线综合部件级实景模型。

将以上模型与BIM模型进行融合，直观展示、评估工程措施，通过在相关模型上挂接相关属性供后续建设管理平台使用。

5 结论

地理环境实景模型为BIM技术在带状工程中的应用提供了地理信息数据支持、地理分析功能以及三维综合表达的基础。推动地理环境实景模型与BIM设计的结合，是BIM正向设计实施的必要条件。文中根据带状工程不同阶段对地理环境实景模型由粗到精的要求，提出分别建立地形级、地物级和部件级实景模型，并通过录入到设计软件或数据服务方式实现地理环境实景模型与设计协同，支持工程设计师在真三维场景中进行沉浸式设计，对带状工程地理环境实景模型建立与应用具有显著的工程应用推广价值。