建筑物形體測量過程中空間數(shù)據(jù)的獲取方法探究

楊鳳婷

（寧夏煤炭基本建設(shè)公司 寧夏 銀川 750200）

0 引言

針對本文研究對象，對建筑物空間數(shù)據(jù)做如下定義：在特定參照系下，建筑物的某部位或結(jié)構(gòu)的三維空間存在、構(gòu)成、空間拓撲關(guān)系及有關(guān)屬性，還包括為確定這些部位或結(jié)構(gòu)形體特征而取得的離散采樣點空間坐標。

根據(jù)建筑物空間數(shù)據(jù)的定義，需要通過各種測量手段對研究的部位和結(jié)構(gòu)進行離散點坐標采樣，獲得采樣點的三維坐標，并借助人工判別的方法確定相關(guān)部位或結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、空間拓撲關(guān)系以及有關(guān)屬性。任何復雜的建（構(gòu)）筑物都可以分為若干部位或結(jié)構(gòu)，各部位與結(jié)構(gòu)又可細分為若干點、線、面，這里的點、線、面不僅包括實體元素，也包括特殊的非實體元素。點、線、面除了具備顏色、材質(zhì)等自然屬性外，它們內(nèi)部還存在復雜的拓撲關(guān)系，拓撲關(guān)系是空間實體的依存基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，對構(gòu)成、拓撲以及屬性的認識一般借助于人工識別的方法。為了認識建筑物的形體特征，需要對建筑物進行有目的的測量采樣，測量采樣是空間數(shù)據(jù)獲取的主要內(nèi)容。

1 經(jīng)緯儀法

經(jīng)緯儀在工業(yè)形體測量系統(tǒng)中應用普遍，主要利用其精密的測角系統(tǒng)，至少要兩臺以上經(jīng)緯儀才能進行有效的采樣測量。多臺儀器測量先要解決系統(tǒng)定向問題，目前主要有兩種思路和方法：一種，是基于儀器精確整平的測站三維網(wǎng)平差法；一種，是建立在攝影測量共線方程基礎(chǔ)上的光束法平差法。在建筑物形體測量中，較早進行實踐的工作也是利用經(jīng)緯儀，通過布設(shè)大尺寸工業(yè)測量系統(tǒng)完成對諸如大型天線等的安裝與檢測。

1.1 基本原理

兩臺經(jīng)緯儀A和B，以A為坐標原點（經(jīng)緯儀軸系交點），A，B連線在水平方向的投影為X軸，過A的鉛垂方向為Z軸，以右手法則確定Y軸，由此構(gòu)成測量坐標系。兩儀器A，B對尺長已知的基準尺兩端點進行觀測，可反算出基線長b來。在實際系統(tǒng)中，是將前方交會的結(jié)果作為后續(xù)平差計算的初值。

（1）測站三維網(wǎng)平差法。多臺儀器的系統(tǒng)定向也就是確定儀器各設(shè)站點的相互位置關(guān)系，即測站點三維控制網(wǎng)的解算。經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)三維控制網(wǎng)中的觀測值僅為水平方向值和天頂距，加上必要的相對控制條件即可完成網(wǎng)的相對定向（測站間的相互方位）和絕對定向（系統(tǒng)的尺度基準）。這種方法要求儀器精確整平。

（2）光束法平差法。其實質(zhì)是基于攝影測量中的光線束法平差理論，即將角度測量值化算為虛擬像平面坐標值，然后利用共線方程來求解兩臺或多臺經(jīng)緯儀在空間的姿態(tài)和位置關(guān)系。這種方法不要求儀器精確整平。

1.2 實測步驟

在確定好形體目標并建立好控制網(wǎng)后，就可以根據(jù)上述方法進行點位測量，測量步驟如下：

（1）在A、B站架設(shè)經(jīng)緯儀，精確整平，量取儀器高；

（2）經(jīng)緯儀相互瞄準內(nèi)規(guī)標進行相對定向；

（3）測量基準尺，完成絕對定向；

（4）對目標點精確定位，記錄水平方位角及豎直角。

1.3 適用性分析

（1）經(jīng)緯儀法測定建筑物形體目標原理簡單：實施容易，一般測繪單位都具備這種條件；

（2）形體測量一般要求較高的測量精度，因此對經(jīng)緯儀的精度有較高要求，量取儀器高會增大誤差，一般要設(shè)置固定觀測墩；

（3）控制網(wǎng)布設(shè)非常關(guān)鍵，其點位分布直接影響測量的圖形關(guān)系，對精度構(gòu)成一定影響；

（4）經(jīng)緯儀法可以對明顯特征點進行直接測量，如頂點、有標記的點等，對于面上無明顯標記的點需要人為設(shè)定標記，如果經(jīng)緯儀具備投點功能，則比較方便；

（5）經(jīng)緯儀法計算步驟較多，要借助程序來實現(xiàn)。

2 免棱鏡全站儀法

免棱鏡全站儀是把免棱鏡測距技術(shù)融進傳統(tǒng)的全站儀，對量程范圍內(nèi)的目標進行有效測量，內(nèi)置坐標測量功能可以輕松完成三維信息、采集，實現(xiàn)“所瞄即所測”。

2.1 基本原理

免棱鏡全站儀實現(xiàn)坐標測量的本質(zhì)是在實現(xiàn)測距的基礎(chǔ)上，根據(jù)角度關(guān)系，自動計算出目標點的三維坐標目前市場上幾種免棱鏡全站儀看，精度都達到毫米級，具有較高測量精度。影響坐標測量精度的誤差主要來自儀器高、測量范圍等。

2.2 實測步驟

（1）在控制點測站架設(shè)儀器，量取儀器高；

（2）儀器精準定向，初始化方位角；

（3）對目標點精確定位，記錄測點三維坐標。

2.3 適用性分析

（1）免棱鏡全站儀法效率高，速度快，其最大優(yōu)勢在于無需接觸被測點即可獲得被測點的三維坐標，利用這一特性，可以輕易完成建筑物表面測量；

（2）免棱鏡全站儀無需設(shè)置棱鏡，從而消除了多次測量的照準誤差；

（3）免棱鏡全站儀的量程己經(jīng)達到200米左右，對于一般的大型建筑物可以滿足測量要求；

（4）精度高，性能可靠；

（5）免棱鏡適合對面上點的采集，入射角度對精度影響較小，可以進行大角度測量。

3 全站儀反射片法

全站儀反射片測量法是在測量點位粘貼好反射片，照準測量。反射片技術(shù)不同于棱鏡測量與免棱鏡測量，基本介于二者之間，并且只對少數(shù)全站儀品牌和型號支持，例如日本索佳全站儀全面支持這種測量技術(shù)。

3.1 基本原理

貼片法測量原理基本同于免棱鏡全站儀法，需要在測量點處貼好反射片。

3.2 實測步驟

（1）在需要測量的點位事先貼好反射片，反射片的大小視距離而定；

（2）在控制點測站架設(shè)儀器，量取儀器高；

（3）儀器精準定向，初始化方位角；

（4）對目標點精確定位，記錄測點三維坐標。

3.3 適用性分析

全站儀反射片法測量的精度與測程等指標基本同于免棱鏡法，適用于對面上的點進行坐標采集，唯一的差別是要在測量前粘貼好反射片。這種方法尤其適合對同一點位進行不同期次的測量情形，如監(jiān)測工作，可以在監(jiān)測前貼好反射片，供以后長期監(jiān)測。

4 其它信息獲取

如果僅僅對建筑物進行離散點三維信息采樣，這些離散點彼此是孤立存在的，有限的空間點位信息不足以對其形體進行刻畫，因此，必須詳細研究測量對象的構(gòu)成、拓撲關(guān)系及屬性。獲取這些信息的主要手段是靠人自身來判別。

4.1 有關(guān)信息的內(nèi)容

任何復雜的建（構(gòu)）筑物或其組成部位和結(jié)構(gòu)都是由點、線、面所構(gòu)成，進行形體測量，首先要判別研究對象由哪些點、線、面構(gòu)成，既要在測量前根據(jù)點、線、面構(gòu)成確定對應的采樣點位置、方法、數(shù)量，也要在獲取采樣點空間坐標的同時，判別該點位于哪個面上，哪條線上，是否屬于關(guān)鍵特征點，測點的歸屬信息對于完成后面的工作至關(guān)重要。

4.2 獲取的步驟

形體測量對象構(gòu)成、拓撲、屬性信息主要靠人工識別，可以按如下步驟進行：

（1）根據(jù)形體對象的設(shè)計圖紙或?qū)嵉乜辈?，統(tǒng)計出由哪些點、線、面構(gòu)成并給與編號，分析這些點、線、面的空間拓撲關(guān)系；

（2）對形體對象構(gòu)成面的顏色、材質(zhì)及紋理屬性進行準確判斷并記錄；

（3）根據(jù)形體測量任務需要，記錄測量時間信息。

5 結(jié)束語

建筑物形體特征是指建筑物或其組成結(jié)構(gòu)、部位的形狀、位置、大小、長度、面積、體積等關(guān)鍵幾何量的描述，同時還包括它們內(nèi)部之間及與外部之間的相互關(guān)系特征。形體特征是對建筑物及其構(gòu)成的精簡而準確的描述，是對建筑物空間數(shù)據(jù)的概括與抽象，對于實現(xiàn)形體測量的目的有重要意義。

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