全站儀免棱鏡方法測(cè)繪建筑物立面圖

張為成，潘筱野，王 楊，彭 博，李亞茹

(1.黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.吉林省地理信息院，吉林 長(zhǎng)春 130062；3.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118001)

全站儀免棱鏡方法測(cè)繪建筑物立面圖

張為成1，潘筱野2，王 楊3，彭 博1，李亞茹1

(1.黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.吉林省地理信息院，吉林 長(zhǎng)春 130062；3.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118001)

測(cè)繪項(xiàng)目中經(jīng)常需要對(duì)建筑物的立面進(jìn)行測(cè)繪，并繪制立面圖。但常用的成圖軟件大多是對(duì)地物地貌進(jìn)行水平投影，無(wú)法直接用于立面圖的繪制。通過(guò)研究建筑物的立面圖與平面圖之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，結(jié)合具體的工程案例，采用全站儀和CASS軟件對(duì)建筑物的立面進(jìn)行測(cè)量和繪制，并給出具體項(xiàng)目實(shí)施流程和注意事項(xiàng)。

建筑物；立面；測(cè)繪；實(shí)施流程

建筑物立面是市容環(huán)境的重要表象，而市容環(huán)境又是城市形象和品質(zhì)的綜合體現(xiàn)，是城市現(xiàn)代化和文明程度的重要標(biāo)志。搞好市容環(huán)境整治，關(guān)系到城市的競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展，關(guān)系到人民群眾的根本利益。最近幾年，許多城市都扎實(shí)地組織實(shí)施了建筑立面整治行動(dòng)。立面整治首先要測(cè)繪出建筑物的立面圖，立面圖是市容環(huán)境改造和建筑物改( 擴(kuò)) 建工程設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。目前，測(cè)量建筑物立面圖的主要技術(shù)方法是三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式，具有速度快、非接觸、高密度、自動(dòng)化等特點(diǎn)，可以在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行使用。通過(guò)三維激光掃描可以直接將建筑物立面上的實(shí)景三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，然后進(jìn)行三維實(shí)體建模，同時(shí)，將采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。此種方法雖然好，但是三維激光掃描儀價(jià)格昂貴，后處理軟件操作也需要專門的培訓(xùn)，故對(duì)于大多數(shù)測(cè)量人員來(lái)說(shuō)掌握三維激光掃描技術(shù)和處理方法還很困難。

1 建筑物立面圖與平面圖之間的數(shù)據(jù)關(guān)系

在與建筑物立面平行的投影面上所作建筑物的正投影圖，稱為建筑物立面圖，簡(jiǎn)稱立面圖。按投影原理，立面圖上應(yīng)將立面上所有看得見的細(xì)部(如門窗、陽(yáng)臺(tái)、屋面等)都表示出來(lái)，并且真實(shí)地反應(yīng)出這些細(xì)部的形狀和位置。平面圖則是將地面上建筑物的平面位置、形狀按一定比例尺、用規(guī)定的符號(hào)縮繪在圖紙上，并注有代表性的高程點(diǎn)的圖。如圖1所示，地面點(diǎn)1～8所構(gòu)成的平面與點(diǎn)9～16構(gòu)成的平面平行，兩平面的間距為z,點(diǎn)1～8所構(gòu)成的平面與平面坐標(biāo)系XOY重合,點(diǎn)1～8為點(diǎn)9～16的投影點(diǎn)，因此

(1)

從圖1可以看出,1、2、5、6四點(diǎn)在同一直線上，根據(jù)點(diǎn)1和點(diǎn)6的平面坐標(biāo)可以計(jì)算出直線16的坐標(biāo)方位角α，所以點(diǎn)1、6、14、9構(gòu)成的平面與ZOY平面所構(gòu)成的二面角為90°-α。

繪制點(diǎn)1、6、14和9所構(gòu)成的立面圖時(shí)，根據(jù)定義可知，需要作此立面的正投影圖，顯而易見投影后繪制的立面圖為二維圖，二維圖與各點(diǎn)X方向的坐標(biāo)值無(wú)關(guān)，只與Y和Z方向的坐標(biāo)值有關(guān)。在計(jì)算立面圖坐標(biāo)時(shí)，以點(diǎn)1為基點(diǎn)(此坐標(biāo)不動(dòng))，所有點(diǎn)的坐標(biāo)將分兩種情況：

圖1 三維建筑物

1)所要計(jì)算的點(diǎn)在點(diǎn)1、6、14和9所構(gòu)成的平面內(nèi)，此時(shí)

(2)

2)所要計(jì)算的點(diǎn)不在點(diǎn)1、6、14和9所構(gòu)成的平面內(nèi)，此時(shí)

(3)

2 立面圖測(cè)繪的實(shí)施流程

以哈爾濱市某公寓樓為例敘述立面圖測(cè)繪流程。某公寓樓樓高40層，2013年6月受業(yè)主委托，對(duì)公寓進(jìn)行了立面圖測(cè)量。由于三維激光掃描儀價(jià)格昂貴，故采用全站儀免棱鏡的方法對(duì)該建筑物的立面進(jìn)行了測(cè)繪。

2.1 測(cè)量前精度分析

根據(jù)項(xiàng)目成本等各方面因素，決定本項(xiàng)目測(cè)量中使用徠卡TCR-402全站儀，該儀器的測(cè)角精度為±2″，測(cè)距精度2 mm+2 ppm·D。直接通過(guò)全站儀進(jìn)行空間三維坐標(biāo)的采集。為了滿足精度，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前，通過(guò)誤差傳播率對(duì)該方法進(jìn)行了精度分析。

全站儀測(cè)定空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算公式為

(4)

式中:x0,y0,z0為測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)，V為垂直角，α為坐標(biāo)方位角。因同一測(cè)站上儀器高對(duì)所有點(diǎn)的影響相同，故mi=0。根據(jù)誤差傳播定律得

(5)

(6)

在采集數(shù)據(jù)時(shí)，垂直角最大為45°，最大視距不超過(guò)200 m，又因?yàn)閙0=±2″，ms=2 mm+2 ppm·D，所以平面點(diǎn)位中誤差和高程中誤差最大值為

mp=±6.64 mm,mzp=±4.76 mm.

本工程項(xiàng)目要求平面精度和高程精度均為±3 cm，由此可見，用該方法完全可以滿足數(shù)據(jù)采集所需的精度要求。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集與傳輸

考慮到整個(gè)大樓的相對(duì)關(guān)系以及立面圖的測(cè)量,本次測(cè)量在測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)5個(gè)圖根控制點(diǎn),通過(guò)邊長(zhǎng)和角度的采集，建立了閉合導(dǎo)線控制網(wǎng)，假定1號(hào)圖根點(diǎn)的坐標(biāo)為(2000，2000，200)，以北方向?yàn)閰⒖挤较颍⒘私y(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系。采集數(shù)據(jù)時(shí)，采用無(wú)棱鏡模式，直接對(duì)博士樓立面的特征點(diǎn)(如門窗的角點(diǎn))進(jìn)行采集，并繪制相應(yīng)的草圖。在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，對(duì)每一個(gè)相應(yīng)立面建立一個(gè)坐標(biāo)文件。通過(guò)LGO軟件把全站儀野外采集數(shù)據(jù)傳入到計(jì)算機(jī)中。

2.3 數(shù)據(jù)處理

傳入到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是“.dat”格式的坐標(biāo)文件，打開坐標(biāo)文件找到立面圖的左下角點(diǎn)坐標(biāo)和右下角點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)兩點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算二者之間的坐標(biāo)方位角α。然后通過(guò)自編程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，編制程序的原理如式(3)所示。這樣計(jì)算之后的坐標(biāo)即為立面圖的三維坐標(biāo)。然后通過(guò)CASS軟件“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”命令，將X方向值與Z方向值互換位置，這時(shí)得到的新數(shù)據(jù)即為生成立面圖所需的最終數(shù)據(jù)。

2.4 展點(diǎn)成圖

把最終的數(shù)據(jù)展點(diǎn)到CASS軟件中，根據(jù)草圖，對(duì)相應(yīng)的位置進(jìn)行編輯，最終得到該建筑物的立面圖，如圖2所示。

圖2 某公寓樓正立面

3 項(xiàng)目實(shí)施中注意的事項(xiàng)

1)立面圖數(shù)據(jù)的生成與立面圖左下角點(diǎn)和右下角點(diǎn)坐標(biāo)有直接的關(guān)系，因此，在測(cè)量時(shí)，一般左下角點(diǎn)和右下角點(diǎn)都采集三次，最終以三次坐標(biāo)的平均值為該點(diǎn)的最終值。

2)立面圖一般比較復(fù)雜，測(cè)量前最好用數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑物進(jìn)行拍照，然后打印成圖，作為外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)草圖的底圖來(lái)使用。

3)應(yīng)用全站儀采集立面圖數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)量精度與垂直角和視距有關(guān)，測(cè)量之前為了達(dá)到要求，必須做測(cè)量前的精度分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文著重闡述了建筑物的立面圖與平面圖之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，立面圖測(cè)繪的實(shí)施流程以及實(shí)施中的注意事項(xiàng)。在具體實(shí)施過(guò)程中，采用的儀器和使用的繪圖軟件不同，其數(shù)據(jù)格式也會(huì)不同，但是只要掌握了立面圖與平面圖之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，通過(guò)自編程序，都可以實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終繪制出所需的立面圖，以達(dá)到立面圖測(cè)繪項(xiàng)目的順利完成。

[1]張為成，馬俊海，王強(qiáng)，等.全站儀結(jié)合數(shù)碼相機(jī)在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，24(4):18-20.

[2]朱繼文，馮守良，曲苑婷.基于徠卡Scanstation2獲取校園三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，27(3):17-19.

[3]張會(huì)霞，陳宜金，劉國(guó)波.基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究[J].測(cè)繪工程，2010，19(1):32-34，38.

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

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

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

[7]曾學(xué)宏，趙義花.全站儀專項(xiàng)測(cè)量功能在青島市中山路立面圖測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2013，36(12):265-266.

[8]林增楠.房屋外立面測(cè)量方法淺談——以某旅游景區(qū)入口道路兩側(cè)房屋立面測(cè)量為例[J].廣州科技，2013(12):161，221.

[9]潘正風(fēng)，程效軍，成樞，等.數(shù)字測(cè)圖原理與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2004：181-195.

[10]鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測(cè)量誤差影響因素分析[J].測(cè)繪工程，2005，14(2):32-34，56.

[11]李廣云，李宗春.工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京: 測(cè)繪出版社，2011：145-175.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Buildingelevationsurveyingbasedonnon-prismtotalstation

ZHANG Wei-cheng1,PAN Xiao-ye2,WANG Yang3,PENG Bo1,LI Yaru1

(1.College of Surveying and Mapping,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China；2.Jilin Institute of Geomatics,Changchun 130062,China；3.Dandong Surveying and Design Institute of Water Resources，Dandong 118001，China)

In many of the surveying and mapping project,it often needs to measure the vertical side of building and draw out the vertical side map. But the common mapping softwares are mostly the horizontal projection of the geomorphological features,which cannot be directly used for mapping vertical side of building. By studying the structure of the data relation between vertical map and plan map and combining with specific engineering cases,it uses the total station and CASS software for the measuring,and gives the specific project implementation process and the attentions needed.

building;vertical side;measuring;implementation process

2014-05-02

黑龍江工程學(xué)院青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2012QJ04)

張為成(1980-)，男，講師，博士研究生，研究方向：測(cè)繪工程.

TU198；TU198+.6

A

1671-4679(2014)05-0008-03