免棱鏡全站儀在建筑立面測繪中的應(yīng)用研究

鄭 磊 易 恒 華遠(yuǎn)峰 汪順喜

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051)

免棱鏡全站儀在建筑立面測繪中的應(yīng)用研究

鄭 磊 易 恒 華遠(yuǎn)峰 汪順喜

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051)

針對常規(guī)建筑立面測繪方法作業(yè)強(qiáng)度大，不適于大規(guī)模建筑立面測繪的難題，提出了一種基于免棱鏡全站儀的建筑立面測繪方法，該方法可以根據(jù)現(xiàn)場情況自由設(shè)站，構(gòu)建獨立坐標(biāo)系，只需采集必要的點、線特征數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過坐標(biāo)變換與處理即可得到建筑平面及各個立面的正射投影數(shù)據(jù)并實現(xiàn)統(tǒng)一展點與繪制，可顯著提升數(shù)據(jù)可視化效果以及作業(yè)效率，并從實踐上驗證了該方法在建筑立面測繪工作中的優(yōu)越性和適用性。

建筑，立面測繪，免棱鏡全站儀

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，一些城市道路兩側(cè)建筑立面上大小不一、顏色各異的廣告位，以及因老舊或維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致雜亂無章的居民樓和商鋪，逐漸成為街道整體形象的不協(xié)調(diào)元素。為了有效避免大拆大建，保護(hù)歷史建筑與歷史街區(qū)，留存城市文化、延續(xù)城市底蘊(yùn)，給城市人民提供一個整潔有序的城市環(huán)境，對城市化進(jìn)行整體規(guī)劃，讓臨街外立面整體化、統(tǒng)一化逐漸成為當(dāng)前城市建設(shè)的一項重要任務(wù)。考慮到一些建構(gòu)筑物年久失修、設(shè)計圖紙難以尋獲，在建構(gòu)筑物改造前，用測繪手段逆向獲取建構(gòu)筑物立面圖就成為了一項必不可少的工作。當(dāng)前針對立面測繪的技術(shù)方法主要有人工量測法、全站儀法、三維激光掃描法、近景攝影測量法等，然而，這些方法存在勞動強(qiáng)度過大，不太適于大規(guī)模建筑立面測繪[1-6]。鑒于此，本文提出了一種基于免棱鏡全站儀，更加快捷、高效的建筑物立面測繪方法，以更好地適應(yīng)建筑立面測繪的要求。

1 立面測繪方法

本文提出的基于免棱鏡全站儀的建筑物立面測繪方法如下：

1)根據(jù)現(xiàn)場建筑物數(shù)量、分布情況、結(jié)構(gòu)類型，構(gòu)建建筑物立面測繪獨立坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系通過測站點(如圖1C點)和后視點(如圖1Q點)進(jìn)行構(gòu)建，測站點與后視點連線應(yīng)盡可能平行于建筑物某一立面，且測站點與后視點應(yīng)盡可能放在建筑物范圍之外，后視點在測站點的北方向。這樣布置測站點與后視點的目的：一方面能夠保證測站點與后視點覆蓋所測范圍內(nèi)的建筑物，保證整體精度，另一方面也能使建筑物平面數(shù)據(jù)展會出來之后與現(xiàn)實方位保持一致。測站一般假設(shè)坐標(biāo)為(1 000,1 000,10)，后視點假定在測站點的正北方向，其坐標(biāo)可以表示為(1 000+L，1 000.001,H)，L為測站點與后視點間水平距離，L可以利用全站儀測距功能測出來。

2)加密建筑立面測繪控制點。后視定向完成后，則根據(jù)建筑物分布情況和數(shù)量，在建筑物中間適當(dāng)位置加密數(shù)據(jù)采集控制點，以便于采集建筑物各個立面的數(shù)據(jù)。

3)采集建筑物特征點、線數(shù)據(jù)并拍攝建筑多維照片。一般而言，建筑物立面測繪主要是將房屋立面的長、寬、房檐、門、窗以及相關(guān)裝飾、生活配套設(shè)備等繪制成圖；而年代相近的建筑物有些設(shè)計樣式是相同的，同一個建筑物的不同單元往往也相同，門、窗、房檐、下水管、閣樓、長、寬、高等都存在不同程度的規(guī)律性、一致性，且門、窗一般是矩形要素只要測對角兩點即可。因此，新測一棟建筑之前，首先要對其樣式、風(fēng)格進(jìn)行觀察，以快速確定需要采集的必要的特征、點線。一般同一單元上下設(shè)計樣式相同，左右不同，因此，對于一個單元而言只要斜向上或斜向下測出特征圖形要素即可通過復(fù)制、平移、鏡像等功能繪制出整個單元的圖形要素。而對于其他相同單元則只需要采集幾處檢核點即可，以驗證不同單元之間是否相同；如果繪圖時發(fā)現(xiàn)大小或間距不同則還需補(bǔ)測。

為了實現(xiàn)將建筑立面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到平行于/垂直于某一建筑立面的平面內(nèi)，實現(xiàn)正射投影，在采集特征點、線數(shù)據(jù)時，還需根據(jù)建筑的具體特征，在建筑立面上設(shè)置兩個距離較遠(yuǎn)的定向點(如圖1中DX1，DX2兩點)。

在采集特征點、線的同時，還需對建筑物進(jìn)行多角度的照片拍攝，以便于立面繪圖時實時查看建筑樣式。

4)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。如圖1所示，假設(shè)測站點C的坐標(biāo)為(xC，yC，HC)；后視零方向CQ；建筑立面上測點P點坐標(biāo)為(xP，yP，HP)；測站點C到P點距離SCP；測站點C到點P的天頂距zCP；視線CP與后視方向CQ之間的水平角為α；i為儀器高；v為覘標(biāo)高(本方法采用免棱鏡，v值為0)。那么，建筑立面上測點P點坐標(biāo)計算公式如下：

(1)

通過定向點DX1,DX2坐標(biāo)計算旋轉(zhuǎn)角θ如下：

(2)

坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點可以任意設(shè)置，坐標(biāo)假設(shè)為(x0，y0)，為了方便可以設(shè)置為坐標(biāo)原點(0，0)；建筑立面上測點P點坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)為(xRP，yRP，HRP)，則旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)可以表示如下：

(3)

經(jīng)過上述旋轉(zhuǎn)之后，建筑立面數(shù)據(jù)就旋轉(zhuǎn)到了平行/垂直到建立立面的坐標(biāo)系當(dāng)中，進(jìn)而實現(xiàn)建筑立面數(shù)據(jù)的正射投影。

5)格式轉(zhuǎn)換。常見成圖軟件展繪的是點的平面坐標(biāo)(x，y)，而建筑立面圖需要表示的是立面元素在投影面上的高度和水平位置，因此繪圖時需要根據(jù)所繪立面的位置提取相應(yīng)的高程信息和水平位置信息即(HRP，xRP)或者(HRP，yRP)。也即是說建筑立面展繪時縱軸是高程，相當(dāng)于地形繪圖時的x軸；而另一軸向代表水平信息。

6)展點繪制成圖。建筑立面改造項目，一個建筑往往需要建筑的平面圖、三個立面圖及其圖形要素。繪圖時需要做到平面、立面圖建筑長度、高度、寬度一致；相同單元的長度、寬度、高度、圖形要素一致；建筑立面的起算標(biāo)高相同等。

2 工程應(yīng)用

2016年年初，我單位承擔(dān)了某市主干道綜合改造工程道路兩側(cè)建筑立面改造項目。該項目測繪內(nèi)容是道路兩側(cè)頭排建筑的平面圖及其立面圖(只要道路上可視的三個立面，遠(yuǎn)離街道不可視的那面不要)。平面圖主要是為了得到各個建筑物的平面尺寸，立面圖主要是為了得到各個建筑的長、高、門、窗的大小以及房檐的長寬等。測區(qū)內(nèi)建筑以居民樓、商場為主，測區(qū)獨棟建筑約100棟，最高7層，樓高一般不超過30 m。但樓間距一般不夠大；道路上車流量較大；道路兩側(cè)綠化帶較寬且栽植較多高大喬木，測試時間正值3月中旬，枝繁葉茂；底商之前有私搭亂建建筑物，到處存放的車輛等。這些都對通視條件造成較大影響。

結(jié)合工程特點以及現(xiàn)有的儀器設(shè)備(GPT-3002LN免棱鏡全站儀)，研究制定了本文給出的立面測繪方法，確保了本項目優(yōu)質(zhì)高效地完成，驗證了本方法的優(yōu)越性。下面結(jié)合本項目某一建筑的數(shù)據(jù)處理過程例證一下本方法效果。

圖2是錦華小區(qū)54號樓的照片。從圖2可以看出，錦華小區(qū)54號樓外形比較規(guī)整，具有很好的對稱特點。因此，在采集特征點、線時，可以根據(jù)對稱特征，按照本文前述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。從而達(dá)到既能保證準(zhǔn)確度，又能降低作業(yè)強(qiáng)度，大大提高作業(yè)效率的目的。

根據(jù)自由設(shè)站采集的特征點是原始數(shù)據(jù)，未經(jīng)旋轉(zhuǎn)。由于立面測繪時，很多特征點都在同一豎向上，因此，展繪出來時會有重疊；另外，由于是自由設(shè)站，展繪出來的建筑平面輪廓有很明顯的傾斜。

根據(jù)定向點，計算出旋轉(zhuǎn)角之后，將錦華小區(qū)54號樓特征點數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，此時建筑輪廓顯示為橫平豎直形態(tài)。然后，開啟正交模式，即可開始繪制建筑平面圖，效果如圖3所示。

特征點數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后，將所有數(shù)據(jù)按照X方向進(jìn)行排列，即可分別提取出北立面、南立面的數(shù)據(jù)，然后再分別對其進(jìn)行坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換，再次分別展繪即可得到北立面和南立面展點圖，然后，結(jié)合照片、建筑平面圖長寬數(shù)據(jù)以及門窗的對稱特性等，再次開啟正交模式，即可分別繪制出北立面圖、南立面圖和東立面圖，如圖4所示。

3 結(jié)語

本文針對常規(guī)立面測繪測試難度大、成圖困難、人員要求較多，導(dǎo)致立面測繪效率較低的問題，提出了一種基于免棱鏡全站儀的建筑立面測繪方法。該方法可以自由設(shè)站，只要一臺儀器、一名測試人員就可以開展測繪工作，在滿足精度要求的前提下，大大降低了人力成本，提高了作業(yè)效率，具有很強(qiáng)的可使用性和可推廣性。

[1] 張為成，潘筱野，王 楊，等.全站儀免棱鏡方法測繪建筑物立面圖[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2014，28(5)：8-10.

[2] 曾學(xué)宏，趙義花.全站儀專項測量功能在青島市中山路立面圖測量中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2013，36(13)：265-266.

[3] 史 經(jīng)，曾慶連.全站儀編碼法在建筑物立面測量中的應(yīng)用[J].城市勘測，2013(6)：153-155.

[4] 別建曉.建筑物立面測量的研究[J].城市勘測，2011(3)：141-143.

[5] 江金霞，吳卓珈，陳德標(biāo).廊橋立面測量方法研究[J].北京測繪，2010(4)：43-45.

[6] 張為成，馬俊海，王 強(qiáng).全站儀結(jié)合數(shù)碼相機(jī)在古建筑測繪中的應(yīng)用[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2010，24(4)：18-20.

Applicationresearchonmethodofbuildingelevationsurveyingandmappingusingnon-prismtotalstation

ZhengLeiYiHengHuaYuanfengWangShunxi

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)

Because the conventional method of building elevation surveying and mapping had some shortcomings such as needing more measurement personnel, higher labor intensity while lower efficiency, was not suitable for the large-scale elevation surveying and mapping. A new method based on non-prism total station was presented in this paper, the method only needed one observer and one non prism total station, could freely set the control station according to the project actual situation and construct independent coordinate system, only needed collect necessary points and lines. The building plane and each facade of ortho projection data of the building elevation surveying and mapping can be obtained through coordinate transformation after data collection and processing. The operation efficiency and visualization can be significantly improved and the superiority and applicability of the method was verified through the practices.

building, elevation surveying and mapping, non-prism total station

1009-6825(2017)29-0198-02

2017-08-02

鄭 磊(1983- )，男，高級工程師，注冊測繪師

TU198

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