复杂地形山区工程测绘关键技术创新融合与应用研究

冯增文 于 淼 李 珂 余永明 田 军 任传斌

(1. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101; 2. 城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室, 北京 100101)

0 引言

信息科学技术的变革和创新不断引领并推动着社会的进步,也为工程建设管理带来了无限的可能[1]。针对北京冬奥会国家高山滑雪中心项目地势及环境复杂、交通落后、施工难度大、施工管理要求高、作业人员安全风险较大等施工特点和难点,新型测绘技术在该项目的应用为工程现场的高效高精度测量提供了技术保障,结合物联网、智能设备、大数据、云计算等先进现代化技术综合应用到工程施工现场安全管理中来,以最小的资源投入,减少安全事故,保障工地施工安全,实现工程效益最大化,为解决工地施工安全提供了直接、有效的手段。

1 项目概况

国家高山滑雪中心依托小海坨山天然地貌,规划建设7条雪道,配套集散广场、竞速结束区等附属建筑以及相关配套设施。项目区域植被茂密,全年多风,夏秋季节常有雷阵雨,偶有暴雨;冬季干燥、寒冷,施工区域全天气温都会处于零下,山顶气温有时会降至-30℃以下。地形北高南低,山顶高程约2 200 m,竞速雪道从山顶沿山脊转入山谷,雪道结束区高程约1 200 m,落差达1 000 m。总体地势及环境十分复杂,植被茂密,气象多变,交通落后,无正式道路。总体施工难度大、工作量大、耗时耗力且作业人员安全风险较大。

2 技术框架

针对北京冬奥会国家高山滑雪中心项目地势及环境十分复杂,交通设施落后,施工难度大、施工管理精度要求高,作业人员安全风险较大等施工特点和难点,采用无人机联合航测技术获取工程高精度三维地形模型,利用地理信息系统 (Geographic Information System, GIS) 地形空间分析技术,进行了地质灾害高风险区的圈定和评价工作,在高风险地区开展了基于北斗的边坡稳定性监测预警工作。建立了冬奥会国家高山滑雪中心施工现场数字孪生综合管理平台,将低空航测地形数据、工程BIM模型、地质灾害风险监测信息、侵入式安防监控视频、人员及设备定位追踪等物联网多源数据进行了基于位置的集成与数据融合。在此基础上,深化施工安全过程管理业务,研发电子围栏及安全预警报警模块、以PDCA理念为逻辑模型的生产全过程安全管控模块、施工安全生产应急指挥调度等管理功能模块,提高项目施工安全生产管控水平(如图1所示)。

3 项目成果

3.1 低空无人机多机联合倾斜摄影技术应用

国家高山滑雪中心项目地形北高南低,山顶高程约2 200 m,竞速雪道从山顶沿山脊转入山谷,雪道结束区高程约1 200 m,落差达1 000 m,总体地势及环境十分复杂。

传统等高飞行固定翼型无人机,在落差高达1 000 m的山区进行倾斜摄影,最高点与最低点的影像分辨率相差巨大,最高点影像分辨率按照4 cm进行航飞时,最低点影像分辨率仅有约17 cm,这样势必会造成区域模型模糊、拉花、纹理不真实、精度差等现象的发生。

针对以上大高差山区倾斜摄影的难点,提出集合多架无人机,多机联合的方式进行倾斜摄影外业数据采集,通过定高飞行固定翼型无人机搭载多镜头获取整个项目区域航飞照片及POS数据,联合小型旋翼机沿雪道进行变高补拍,获取高分辨率原始照片及POS数据,结合外业布设采集的像控点数据,通过专业软件构建高精度地形数据[2-3]。充分利用了固定翼无人机的高效和变高多旋翼高分辨率的特点进行优势互补,解决了大高差山区倾斜摄影的难点。

本次基于多机联合的倾斜摄影测量,获取了相应的实景模型(如图2所示)、正射影像、数字地表模型等多种成果数据,结合地面像控点,经空中三角测量报告及实地测点验证,参照《三维地理信息模型数据产品规范》中对地形精度规范要求,此次的倾斜摄影测量成果优于1∶1 000比例尺。同时,以上成果数据为后续的BIM+GIS数据集成和相应的地形图生产及地形分析提供了数据基础。

3.2 基于高精度地形数据的地质灾害高风险区圈定技术应用

工程场区地质条件复杂,有可能产生的地质灾害。本工程位于海坨山山区,森林植被茂密,表层腐殖土下为碎石土或岩层,土质断面变化快。工程部分建筑物位于山坡或沟谷交汇处,将表层腐殖土剥离后,雨水汇集、冲刷可能会发生地质灾害。另一方面,项目中间平台、PS200、PS300、敞廊、山顶出发区均未通路,如何解决交通运输是本工程的难点之一。

在基于低空无人机获取的高精度地形数据成果得到充分利用的基础上,采用GIS空间分析技术的优势,结合现场的施工环境条件,针对项目工程地质灾害高风险区进行了有效评估和圈定,为后续边坡监测点位的布设提供了有效靶区,辅助项目部优选了物资材料滑索运输施工方案,有效地保障了项目的安全生产,大大降低了项目施工风险[5-7]。

如图3所示,可以看出,自南向北所圈定的坡度较高区域位置分别为雪道结束区(集散广场)、中间平台以及山顶平台,针对该三个区域应当采取相应的实时观测措施,监测边坡的位移情况,以防地质灾害的发生,避免对项目人员生命及财产造成安全威胁。

基于高精度地形数据,利用GIS空间分析技术,针对工程地质灾害高风险区进行了评估和圈定,辅助项目部优选了物资材料滑索运输施工方案,有效地保障了项目的安全生产,大大降低了项目施工成本。

3.3 基于北斗定位的边坡稳定性监测技术应用

工程场区地质条件复杂,有可能产生的地质灾害。工程区域森林植被茂密,表层腐殖土下为碎石土或岩层,土质断面变化快。本工程部分建筑物位于山坡或沟谷交汇处,将表层腐殖土剥离后,雨水汇集、冲刷可能会发生地质灾害。另一方面,本工程毗邻自然保护区,生态保护也是本工程的施工重点。高山滑雪中心位于松山自然保护区与大海陀山自然保护区交界处的山脊、山坡及山前沟谷中,施工期间的生态保护及恢复是工程的重点。

根据上述地形分析所圈定的地质灾害高风险区,要实现对高风险区的监测,做好对国家高山滑雪中心项目地山体位移的监测和预警,掌握山体变化趋势,一旦有异常发生,提前预警预报,及时采区措施,对于有效减少直接经济损失和人员伤亡显得尤为重要[8-9]。

本项目的北斗位移监测的精度要求为平面方向2 mm+10-6D(D为平距),高程方向为4 mm+10-6D(D为平距)。且北斗表面位移点均可以和当地的坐标系进行联测,所有监测点的坐标均可以转换为当地坐标。边坡变形预警值为50 mm,且变形速率不应超过20 mm/d。根据以上要求和系统的实际情况及所要达到的技术指标,并参照《全球定位导航系统测量规范》,表面位移监测系统基准站选择P5监测专用接收机和C220GR扼流圈天线、测站选择H5监测专用接收机和A220大地测量型天线。

各监测点位均可显示X方向、Y方向、Z方向、3D方向四个方向的位移变量,设置超限阈值,若超限则直接高亮报警显示。通过曲线图的形式进行展示,将各个监测点位的固定时间节点的数据构建曲线图,X方向、Y方向、Z方向、3D方向四个方向各形成曲线进行曲线显示,超限闪烁报警。

综合项目的应用情况,结合项目的多期监测数据来看,针对国家高山滑雪项目山顶挡墙、中间平台以及集散广场的边坡监测中,X方向、Y方向、Z方向、3D方向最大位移均为超过预警阈值(50 mm),说明项目三处的边坡稳定性较好,在施工过程中,未对边坡造成更进一步破坏,边坡保护措施得当,也进一步验证了基于北斗的边坡稳定性监测技术在国家高山滑雪项目应用的积极作用。

3.4 基于虚拟地理环境(VGE)理念的施工现场数字孪生关键技术应用

冬奥会国家高山滑雪中心项目施工作业面广、施工单位多、涉及工种多,总承包管理难度大。工程参与的劳务队和专业分包数量多;涉及的专业、工种、劳动力众多;各工序、作业面交叉作业多。总承包协调工作量大,协调难度大,总承包方需要对工程周边环境、施工现场人员情况、机械设备运行情况、地质灾害监测情况、天气气象情况、施工进度情况、特殊工种人员和运输车辆的实时情况、森林防火情况等信息全面实时掌握。对此,通过基于3D建模场景与工程现场视频监控、物联网传感数据的有机结合,以虚拟地理环境(VGE)理论为指导,基于3D-GIS技术、物联网技术、多源数据融合技术和模拟仿真技术、首创了大区域项目群施工现场静态-动态、环境-行为的智慧工地管理时空环境融合构建技术,打造了智慧建造施工现场数字孪生综合管理平台,实现了对大规模建造项目的可视化智能监管,有效信息传递效率提高15%～20%、决策效率提升10%以上,实时获取安全报警信息,及时处理设备故障及违章操作,为冬奥会高山滑雪项目提供了安全保障。

此处充分利用GIS-BIM融合技术,不仅将设计单位提供的BIM设计模型以及其他GIS数据(如倾斜摄影模型等)进行了整合,而且管理了建筑物本身所有阶段信息以及建筑物外部环境信息。将BIM数据当作三维GIS的一重要的数据来源,使得三维GIS从宏观走向微观,同时,借助GIS帮助BIM实现整个生命周期从设计、施工到运维单体模型的精细化管理。通过GIS-BIM融合技术,把建筑空间信息与其周围地理环境共享,把微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息进行交换和相互操作,将二者有效地结合,既满足了空间位置展示与属性查询功能也有空间分析与精细化管理的功能。起到了对工程施工中的各项数据、信息和资源进行统筹的整理与分析,不仅为相关的设计工作人员提供了动态、可视化的周边地理环境与各种建筑物及设备模型,而且还协助管理者更好地对工程进行管理工作。同时,通过相似性建模的原则,构建一个与现实施工环境在自然场景、灾害机理和管理流程均一致的虚拟施工环境,来实现对真实施工环境的地理要素过程模拟、人员物资流动的动态监管和未来地质灾害的预测,从而有效支撑了智慧建造施工现场数字孪生综合管理平台的搭建[10-11]。

3.5 基于北斗定位系统及人工智能的人员及设备追踪技术、电子围栏及安全预警技术应用

目前,施工人员或大型设备的定位精度主要采用北斗定位、超宽带(UWB)定位、北斗定位等,但在实际使用情况下,受限于人员移动和现场环境的遮挡,定位效果在5～10 m,少数情况能够超过30 m。在通信方面由于施工地区环境情况复杂,对于山区施工,公网覆盖情况相对较差,一旦公网信号缺失,将会失去对人员和大型设备的位置跟踪功能,在紧急情况出现时,不能及时通知现场施工人员或车辆,从而导致事故的发生。

因此,在该项目中采用基于高精度北斗组合定位施工防护电子围栏技术,利用我国北斗卫星导航定位系统,融合惯导信息和物联网通信技术,对山区工程施工人员或大型设备进行精准定位和监控,通过设置围栏警戒,及时对施工人员或大型设备进行预警,实现山区施工安全防护。基于施工现场数字孪生平台,深化了人员及设备安全管理功能,包括人员信息管理模块,人员及设备定位及轨迹回放功能、电子围栏预警功能、一键报警功能[12]。

3.5.1人员及设备信息管理

可按组显示人员、设备等位置信息,人员信息包含各人员职务及其他信息,设备信息包含各设备的类型、型号及其他信息,实现人员、设备信息和位置的同步显示。

3.5.2人员及设备定位及轨迹回放

高精度北斗组合定位终端嵌入式软件利用数传电台,实时接收北斗连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations, CORS) 差分信息并传输给定位模块,实现亚米级定位精度,并将位置通过数传电台或者公网传输到网络管理平台。根据不同组别以不同颜色的图标在地图上显示当前位置,领导在工作电脑上可及时了解当前工地的人员配备情况。可按设定的时间查询历史轨迹,实现人员考核的量化[13]。

3.5.3电子围栏预警

当高精度北斗组合定位终端设置电子围栏功能时,人员在进入围栏和出围栏时,可分别进行入围栏报警和出围栏报警,人员定位器电子围栏生成有两种方式:网络管理平台利用数传电台模块将电子围栏数据点文件传输给人员定位器,人员高精度北斗组合定位终端将电子围栏信息存储在Flash并自动生成电子围栏;人员高精度北斗组合定位终端具有电子围栏打点功能,人员携带终端在需要生成电子围栏的区域进行关键节点位置采集并打点,生成电子围栏的位置信息并存储在Flash。可在地图上设置每个人员的工作区域,如定位人员越出该工作区域,系统自动报警[12]。

3.5.4一键报警

人员高精度北斗组合定位终端配备扬声器,将标准语音烧写到语音芯片中,根据不同场景调取不同的标准语音。同时,可把该报警位置和信息以信号方式传送至管理中心,在管理中心以文字及图形方式显示具体的报警位置和报警类别。

4 结束语

针对冬奥会国家高山滑雪项目的特点和难点,创新性的研发和集成了低空无人机联合倾斜摄影航测技术、物联网技术、BIM+GIS技术、北斗定位技术、空间分析技术、人工智能技术、仿真模拟技术、云计算等高精尖测绘技术,攻克了现场地形获取难、施工安全管理难等问题,为保障高山滑雪场建设项目顺利完工交付提供了新技术新手段,为项目安全生产提供了全过程、全方位、精细化、智能化的安全管控保障措施,实现了施工期间人员、施工各个方面的安全生产零事故,文明施工见成效的预期目标,为保证项目工程的高质量竣工和施工安全做出了突出的贡献。但是,由于项目地处深山,网络条件较差,各关键技术所集成的数据量庞大,在数据场景加载与显示过程中效果欠缺,在今后的项目实施过程中将充分利用5G技术及数据轻量化技术,将应用效果做进一步提升。