高速公路工程是一項涉及面廣、影響因素多、責任重大的系統工程，作為項目前期的工程可行研究階段，在項目全過程階段起著決定性的作用。而珠三角地區高速公路更面臨著城鎮建設密集、環境敏感點多、受控因素多等現實因素，為能保證項目順利實施，往往要求在工可研究階段即達到精細化研究目標。如何提供高精度的數據，為工可階段方案決策做依據，是一個重要的問題。
目前公路常規測量方法有全站儀測量法、GNS SRTK測量法、傳統航空測量法等，這些技術受到人力、地形、建築、天氣、機場和經費等條件的影響，工作效率低、勞動強度大、成果數據單一，難以適應高質量建設的需求。因此，公路勘測必然要從傳統的「低效率、低精度、全野外」，向「高效率、高精度、數字化」的方向邁進，並為地質災害調查、土方量覆核、安全管理、BIM技術、征地搬遷、運營管理等提供數據支撐。
蓮花山過江通道是《廣東省人民政府關於珠江口跨江通道統籌規劃研究的批覆》（粵府函〔2012〕274號）中規劃建設的7條公路過江通道之一，已納入《廣東省綜合交通運輸體系發展「十三五」規劃》和《廣東省加快推進基礎設施供給側結構性改革實施方案》中。項目建設對進一步推進粵港澳大灣區協調發展戰略和基礎設施互聯互通，加快珠三角區域一體化具有重要意義。
項目位於珠江口上游區域，經過廣州番禺區和東莞市，過江通道位於珠江黃埔大橋與南沙大橋之間，項目全長28.4km。兩岸途經地區均為經濟發達地區，岸線資源緊缺，受水上通航環境、港口生產、錨地、既有路網、高鐵、管線、蓮花山風景區等既有地物等因素影響。為獲得高精度數據，項目在工可階段即採用無人機傾斜攝影技術，無人機具有成本低廉、快捷高效、操作簡單、機動靈活、空間解析度高、數據精度高等特點。近年來，無人機技術在航程、傳感器、遠程控制、飛行控制等方面取得一系列的突破，開始在地質災害調查、水土保持、農業生產、環境保護、應急測繪、礦業工程、水電工程等領域進行嘗試。在公路工程中也進行了有效的探索，如：帶狀地形測量、勘察設計、項目管理等。總體而言，無人機技術在公路工程中的應用還處於起步階段，本文旨在探索無人機傾斜攝影結合BIM技術，實現「一個項目，一個模型，一套數據」的全過程管理理念。
為實現全過程管理的目標，項目採用高精度傾斜攝影測量進行數據採集，獲得高精度的地形信息，目標為一次飛行、全過程使用，提高整體效率，降低成本支出。同時，根據工程不同階段的應用需求，為工程建設各階段提供現實、詳盡、精確、逼真的空間基礎地理信息數據，用於項目前期規劃、設計和後續的BIM應用。
（一）提供前期規劃方案三維展示，提供推薦線路範圍兩側共1000米帶寬範圍內傾斜攝影三維實景模型；
（二）提供設計使用的數字正射影像圖（DOM）；
（三）提供後續BIM應用的精細三維模型，與道路設計模型融合，可服務整個工程項目的規劃、設計、施工全過程。
傾斜攝影BIM三維建模技術
傾斜攝影建模原理
傾斜攝影技術是國際攝影測量領域近十幾年發展起來的一項高新技術，融合了傳統的航空攝影和近景測量技術，其藉助無人機搭載一台或多台傳感器，通過在同一飛行平台上搭載多台傳感器，通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步採集影像，獲取到豐富的建築物頂面及側視的高解析度紋理影像信息數據。數據採集後通過影像匹配、空間加密計算、密集匹配、三角構網、紋理映射等攝影測量技術的處理，可獲得高精度地面實景三維模型。
該技術具有機動靈活、成本低、效率高的特點，顛覆了以往正向攝影只能從垂直角度拍攝的局限。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取地物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維城市模型。
傾斜攝影建模工作流程
根據項目要求和測區範圍地形特徵，參照相關的技術規範標準，進行航線設計，完成測區範圍內傾斜航空影像數據獲取工作。野外航拍完成後進行內業處理，通過用於影像的快速生產和自動化處理軟體，即應用地物的垂直和側視影像及地面控制點，構建真實的空間三維場景。
傾斜攝影流程圖
數據處理注意事項
將無人機航攝相片導入後處理軟體,檢查並補充相片參數。輸入控制點信息,對照外業的控制點位置,在航攝相片中精確刺點，儘量讓每個航線上的照片均有控制點標記,檢查無誤提交空間三維計算。解算完成後查看空間三維關係模型,確保坐標軸方向正確,進行實景模型重構及各類數據的生產導出。
三維建模成果
根據採集的航空攝影數據,完成了項目推薦線路兩側共1000米帶寬範圍內的高清傾斜攝影三維實景模型,該模型對可視範圍的地物進行了清晰建模,並加載了地物的項目空間信息屬性。
項目應用斜攝影技術生成的三維實景模型精度達到了1:500，主要關鍵結構物建模進度達到5cm,不僅可以達到常規航拍圖片的精度與展示效果，而且可以進行360度的實景漫遊，任何有需求的人均可在任何桌面或移動設備上快速方便地查看這些模型，達到足不出戶進行現場踏勘，前期工作中對於現場情況的任何疑問及問題處理，均可在辦公室及時、直觀地討論解決而無須到現場。
同時,還可以生成設計所需的高精度數字正射影像圖(DOM)，設計人員可以直接、直觀地在該圖形上開展設計工作，省去了費時費力且精度不高的傳統地形測繪工作，並且相對傳統二維地形圖DOM圖提供了可視範圍所有地物的圖像信息及空間數據信息,展示的內容比傳統二維地形圖更加豐富,提供給設計人員的設計環境更加直接，大大地提高了設計工作效率。
建模成果的應用
三維地形模型與結構BIM模型融合
三維地形模型的最大應用價值點還在於與設計結構BIM模型融合的一系列應用，在三維地形模型的基礎上，項目進行了推薦方案的橋樑結構BIM建模，並與地形三維模型完全融合，即利用設計BIM技術確定項目的道路、橋樑、管廊、景觀綠化和用地範圍項目的設計集成模型和模型範圍，扣除設計集成模型範圍內的原始實景模型，將設計集成模型與扣除後的實景模型最終進行集成，可直觀、真實反映項目的合理性及項目建成後情況。
三維地形模型與結構BIM模型融合後的成果，與傳統的通過在航拍圖片上加載設計結構模型的成果相比，三維結構融合成果是按照設計圖紙的坐標，將地形與設計結構進行精確定位後進行融合的，所有地物與設計結構模型均是同比例立體展示的，精準地呈現了項目建成後的結構物真實空間位置，所見即所得。而傳統的航拍圖加載結構模型成果僅僅是粗略的平面位置，誤差巨大，更沒有立體空間位置信息，所見非所得，實用價值太低。
且三維地形模型與結構BIM模型融合成果，由於其位置精準、環境及設計結構物信息富豐、展示直觀等優勢，為後續建設階段的一系列BIM技術的全方位應用奠定了基礎。
路線方案的直觀比選
工可階段的重點工作之一是路線走廊帶方案的確定，通過在三維地形模型上加載路線設計方案，可以直觀俯覽整個項目與周邊環境的關係，避開環境敏感點、水資源保護區、人口和建築密集區域等，快速直觀得到方案的整體評價，便於準確定量地評估各方案對周邊的影響程度，提高了確定路線方案的科學性與效率性。
三維地形模型與傳統二維地形圖相比，最大的優勢是直觀、立體，這對設計階段來說尤為重要，項目所處位置環境複雜，不僅建築物眾多，而且地下、地上各種即有交通設施、管線均有立體交叉，如地下通道、上跨鐵路、高壓線等。而這些立體空間交叉的位置信息，在傳統二維地形圖上難以直觀展示，往往會被設計人員忽視，使得路線確定不盡科學合理，設計人員如需提高設計質量則要進行多次的現場踏勘，無疑增加了重複的工作量並降低了工作效率。
因此，對於線位經過城鎮等地形地貌複雜、沿線結構物眾多的項目，通過傾斜攝影技術建立三維地形模型顯得尤為重要，將三維地形模型應用到方案設計的可視化交流探討中，比傳統二維圖紙更加準確、信息更豐富，易於觀察理解、便於交流，有效提高溝通效率。
在蓮花山通道的研究過程中，通過三維實景輔助走廊帶選擇實際應用舉例如下：
1.K0-K3路段高速公路分幅布置於佛莞城際鐵路兩側，均為橋樑，並需要避開周邊工廠建築，走廊帶狹窄，通過三維模型精準控制路線走廊帶位置及橋跨布置。
2.K11-K12路段高速公路沿地面麻涌大道高架，地方路北側為廠區，南側為河流和居住小區，通過三維模型準確定線，並建模空間分析對居住小區的噪音影響。
3.官橋樞紐型復合互通本身為樞紐互通與服務區的合建，且周邊建設條件複雜，分布有佛莞城際鐵路、500KV高壓線、輸油管道、高壓燃氣管道、重要工廠等。通過建模結合BIM空間檢查，使得各匝道合理繞避重要地物，做到方案合理可行，對周邊環境影響最小。
4.蓮花山大橋跨徑大，橋址布置需兼顧與碼頭關係，主塔、錨碇的布置位置，先在平面地圖上進行可行性研究，再將橋樑模型與三維地形模型融合後，做合理性檢查，從而選出了最為合理的橋址方案及主塔、錨碇設置位置。
景觀設計的重要依據
項目位置及定位特殊，項目不僅需要融入沿線的人文景觀，並期望成為一個獨立的景觀來展示橋樑發展的成就。在三維實景地形模型上加載設計結構模型，為此提供了直觀、科學的評價依據，其可以進行多方案、全視角、全時段、立體直觀的展示。
大灣區跨珠江口的大橋，除了其核心的交通聯絡功能外，還必須具有獨特的人文景觀功能要求，而對於人文景觀的要求各建設方、決策部門均不同，設計方案必須兼顧各方。而對於景觀效果的評價「說一百遍不如實景看一眼」，如果沒有三維地形模型與設計結構模型的融合使用，設計單位就無法針對每一個決策部門進行多維度、全視角的直觀展示，將大大降低方案的決策速度，影響項目建設的推進。
在項目中，通過實景建模，準確掌握了大橋與周邊風景區的相對比例關係，從而進一步指導大橋景觀設計。
任意規劃路線視頻展示與實景漫遊
模型建成後，可以根據不同使用者從不同的視角、位置進行項目建成後的效果進行展示，製作符合各種需求的視頻，達到一次建模，多應用場景的無限次視頻展示應用。同時也可以通過漫遊功能，以駕駛者的視角直觀查看結構美觀性、體驗駕駛視線等。
工程建設後續階段應用展望
BIM技術的應用目標是實現「一個項目，一個平台，一套數據」的全壽命周期管理，除了在工可階段的應用外，三維地形模型融合結構BIM模型，在後續的項目建設階段也有許多非常具有價值的應用。
融入BIM全生命周期應用
利用BIM技術，實景模型與工程設計模型融合，確定項目的道路、橋樑、管廊、景觀綠化和用地範圍項目的道路設計模型和模型範圍，扣除道路設計模型範圍內的原始實景模型，將設計模型與扣除後的實景模型進行結合，最終融合三維地質模型，可以直觀地了解各地層岩性、地表起伏及接觸關係的變化情況。
基礎BIM模型的項目建設管理平台可服務整個工程項目全生命周期，能將整個項目的設計、建造、運維過程直觀化、數字化、智能化。
土石方計算應用
基於傾斜攝影三維實景模型的土石方量計算,主要應用邊坡開挖體積量計算,滑坡後的土方量計算,填充一個坑的方量，等等。當前傾斜攝影三維實景模型精度可以達到5cm甚至更高,通過實景模型量測方法可計算高精度的土石方量。
基於拆遷管理應用
基於實景模型建築物信息模型及拆遷可視化，實景模型中建築物可通過紋理及添加屬性信息的方式，將屬性信息與建築物進行關聯，在傾斜攝影三維實景模型上進行精細化判讀與室內量測，對路廊內建築物層數與實際面積進行快速統計，從而有效估算工程建設項目所必需的房屋拆遷量，省去大量的現場勘查測量工作，使得征地拆遷的前期調查工作快速、準確，並且由於省去了傳統的人工現場測量工作，使得潛在的被征拆對象無法提前知道相關信息，避免了潛在拆遷對象搶建、搶栽等行為的發生，將大大減少征拆工作難度及費用，大大促進項目建設的順利推進。
同時在征拆過程中，可利用 BIM 系統及時管理征遷進度動態，相比傳統征地拆遷管理方式，通過基於BIM的征拆系統的輔助，能夠精確地掌握每個征拆對象的進展情況，並能夠根據實際施工進度進行預警。
施工場地管理應用
三維實景模型建立以後，再藉助Bentley的系列軟體，對場地進行區域劃分和布置，可實現工程場地的科學布置，合理設置各加工區、場內交通道路及臨時施工便道等。
利用實景模型的靜態狀況、間斷性的更新反映工程進度，並且與進度計劃作比較分析工程進度狀況，達到對項目工程進行監督管理。通過實景模型進行工作彙報、 展示現場施工現狀，可節省到現場巡查時間。同時還可以作為項目工程宣傳、彙報的資料，項目工程糾紛的證據，項目工程局部施工方案研討等作用。
項目探索了無人機傾斜攝影技術在工可階段的應用，在野外數據採集，實景模型重構的基礎上，進行了路線選線、景觀融合研究等應用實踐。結果表明，無人機傾斜攝影技術空中三角測量精度可滿足1:500大比例尺的限差要求，並通過實景模型重建，從多方面輔助工可設計階段的管理，為項目的提質、降本、增效提供了解決思路，在項目的工可及設計階段起到了良好的效果，值得推廣使用。
無人機傾斜攝影技術具有高效率、高真實性，以及快速獲得海量空間數據的特點，可為公路設計提供真實、可靠的基礎數據，並在拆遷量統計、占地面積計算、工程量計算等方面發揮作用。將無人機傾斜攝影技術與BIM兩項技術相結合，應用BIM技術可快速完成規劃方案設計、方案比選，通過BIM技術在公路工程建設管理中的應用，實現項目信息全過程整合，實現公路工程全生命期管理信息暢通傳遞，促進設計、施工、養護和運營管理協調發展，提升公路水運工程品質和投資效益。
同時，我們在探索的過程中，也看到這項技術目前存在的不足，主要表現在建築物密集地區樓間距較小，牆面相互遮擋而造成變形較大；水面光滑缺少紋理特徵，無法匹配特徵點而產生模型漏洞；電塔、路燈等立面過小地物，特徵點匹配較少而造成模型信息缺失。但我們相信，隨著傾斜攝影測量技術的快速發展和日漸成熟，傾斜攝影技術無疑將會發揮越來越大的作用，未來在工程建設的勘察、設計、施工、運營維護階段中將扮演更加重要的角色。
本文刊載 /《橋樑 · BIM視界》雜誌 2019年 第4期 總第11期
作者 / 尹敬澤 楊志偉 楊興發
作者單位 / 蓮花山過江通道前期辦公室、深圳高速工程顧問有限公司