基于基線法的建筑立面測(cè)量研究

任 定 春

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川 眉山 620860)

1 概 述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,城市化水平不斷加快,與此同時(shí)也面臨著舊城改造和市容出現(xiàn)的新的工程問題,而這些改造項(xiàng)目均需要建筑立面圖紙作為設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。但因這些老舊建筑物缺少圖紙等設(shè)計(jì)資料,導(dǎo)致如何快速、高效并準(zhǔn)確地獲取建筑物的立面線畫圖成為測(cè)繪行業(yè)近年來普遍關(guān)注的工程問題之一[1]。

目前常用的立面測(cè)量方法主要為全站儀測(cè)量法、三維激光掃描法和無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法等。具體而言,三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù),是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命,它不僅突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法,而且具有獨(dú)特的高效率、高精度優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描測(cè)量物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及RGB顏色信息,同時(shí)還包括物體反色率信息,在獲取不規(guī)則建筑物內(nèi)部信息時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。如今三維激光掃描儀已向可移動(dòng)方向發(fā)展,其主要包括車載三維激光掃描儀和機(jī)載三維激光雷達(dá)。然而,由于三維激光掃描生成的點(diǎn)云過于冗余,且三維建模輪廓線的提取方法不夠成熟,后期還需進(jìn)行人為篩選,且因所用儀器價(jià)格昂貴,導(dǎo)致一般單位難以開展相關(guān)的工作。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),其顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限,可以通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器、同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像進(jìn)行空中三角測(cè)量、實(shí)現(xiàn)多視影像匹配最終構(gòu)建出三維立體模型并基于三維模型生成數(shù)字線畫圖。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一個(gè)新興的技術(shù)方法在三維建模和工程測(cè)量中具有廣泛的前景[2]。然而,由于老舊城區(qū)中觀測(cè)環(huán)境復(fù)雜,樹木遮擋嚴(yán)重,導(dǎo)致無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量難以發(fā)揮出其具有的有效作用。而全站儀因其具有精度高、成本低和非接觸等優(yōu)點(diǎn),目前仍然作為立面測(cè)量中的重要手段在現(xiàn)代規(guī)則建筑物立面測(cè)量中發(fā)揮著重要作用。筆者基于多年積累的工程經(jīng)驗(yàn),完善了全站儀獨(dú)立坐標(biāo)基線立面測(cè)量方法并予以應(yīng)用,取得了較好的效果,所取得的經(jīng)驗(yàn)可為城市改造中解決所存在的立面測(cè)量問題提供參考。

2 立面測(cè)量與全站儀基線法立面測(cè)量的基本原理

2.1 立面測(cè)量的定義

由平行于鉛垂面的投影面對(duì)建筑物立面進(jìn)行投影,所得到的平面圖即為建筑物立面圖。立面測(cè)量相對(duì)于平面圖測(cè)量而言,二者所測(cè)的目標(biāo)面為垂直關(guān)系。常規(guī)平面圖測(cè)量所得到的是X、Y、Z三維信息,而立面測(cè)量所得到的是X、Y軸信息中只取包含立面長(zhǎng)度和高度的信息,故立面測(cè)量所采集到的信息為建筑物各特征點(diǎn)相對(duì)于測(cè)站點(diǎn)的水平長(zhǎng)度和高差。立面圖一般為大比例尺地圖,主要包括1∶50、1∶100、1∶200、1∶500幾種,主要反映建筑物的結(jié)構(gòu)性特征,其中包括以下主體控制特征:立面的長(zhǎng)、高,可見的橫梁、墻線,建筑物屋頂、檐角與墻角;還包括碎部特征:門、窗、陽(yáng)臺(tái)、空調(diào)罩、墻體裝飾、階梯、花壇、雨棚、水箱等。根據(jù)立面的朝向可分為:東西立面、南北立面;根據(jù)房屋主要出入口的所在面或鄰主干道所在面可將其命名為正立面;相應(yīng)的可命名為背立面、側(cè)立面等。

2.2 全站儀基線法立面測(cè)量的基本原理

使用全站儀基線法測(cè)量立面的第一步是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建筑物情況設(shè)置一條或多條基線。該基線的選擇直接影響到外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率。當(dāng)建筑物各個(gè)立面不能通視或立面部分被遮擋時(shí)可設(shè)置多條初始基線;若建筑物周圍測(cè)量條件較好、視野開闊則可使用一條基線并使該建筑物或一個(gè)立面的測(cè)量處于同一個(gè)坐標(biāo)系中。基線端點(diǎn)選擇的基本要求:(1)初始基線點(diǎn)應(yīng)盡可能垂直或平行于建筑物某個(gè)待測(cè)立面;(2)測(cè)站點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)視野開闊,通視性好;(3)根據(jù)長(zhǎng)邊控制短邊的原則,測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)的距離應(yīng)盡可能地相距遠(yuǎn)一些;(4)點(diǎn)位應(yīng)便于標(biāo)記、保存。

基線選定后,根據(jù)基線點(diǎn)構(gòu)建獨(dú)立坐標(biāo)系進(jìn)行全站儀的設(shè)站和定向,利用極坐標(biāo)法測(cè)定待測(cè)立面特征點(diǎn)在基線坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo),進(jìn)而通過布爾薩七參數(shù)法將基線坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到立面坐標(biāo)系中[3]。基線坐標(biāo)系與立面坐標(biāo)系的具體情況見圖1。

圖1 基線坐標(biāo)系與立面坐標(biāo)系示意圖

圖1中的坐標(biāo)系NEZ為基線坐標(biāo)系。圖中的OQ為基線,其中O點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn);Q點(diǎn)為后視點(diǎn)。XYZ為立面坐標(biāo)系,圖中的P點(diǎn)為建筑物特征點(diǎn)。布爾薩七參數(shù)法見式(1):

(1)

式中XYZ為立面坐標(biāo)系坐標(biāo);X′Y′Z′為基線坐標(biāo)系坐標(biāo)。其中λ為兩個(gè)坐標(biāo)系的尺度比例因子;R為旋轉(zhuǎn)矩陣; [ΔX,ΔY,ΔZ]為平移矩陣。由于所選取的基線與建筑物立面平行,因此,只需將基線坐標(biāo)系繞E軸旋轉(zhuǎn)90°后其即與立面坐標(biāo)系三軸平行。

2.3 全站儀基線法立面測(cè)量流程

該方法的基本工作流程包括:實(shí)地勘探、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、繪制成圖與精度驗(yàn)證五個(gè)步驟,根據(jù)被測(cè)量建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其各步驟的復(fù)雜程度不盡相同。基線坐標(biāo)系與立面坐標(biāo)系見圖2。

圖2 基線坐標(biāo)系與立面坐標(biāo)系示意圖

3 工程實(shí)例——二甲祠的測(cè)量

3.1 現(xiàn)代建筑物立面測(cè)量的具體步驟

(1)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。對(duì)目標(biāo)建筑物的現(xiàn)場(chǎng)布局及其周邊測(cè)量環(huán)境進(jìn)行初步勘察,根據(jù)建筑物的復(fù)雜程度和現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定測(cè)量控制點(diǎn)、基線的個(gè)數(shù)和位置,對(duì)需要多次使用的點(diǎn)位做定樁處理。

(2)數(shù)據(jù)采集。將全站儀架設(shè)在所選定的測(cè)站點(diǎn)上進(jìn)行對(duì)中整平;再瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)B(假設(shè)后視點(diǎn)在測(cè)站點(diǎn)右方)測(cè)出兩點(diǎn)的平距HD;量取儀器高度,然后將測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)和儀器高輸進(jìn)儀器(假設(shè)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)為:N=100,E=100,Z=10;則其后視點(diǎn)坐標(biāo)即為N=100,E=100+HD,Z=10);隨后瞄準(zhǔn)B點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)定向;定向完成后將全站儀調(diào)成免棱鏡模式即可開始采集建筑物立面特征點(diǎn)。立面測(cè)量過程中應(yīng)遵循一般測(cè)量的規(guī)范,做到步步檢核,先控制后碎部。立面測(cè)量過程應(yīng)做到:有必要時(shí)首先放出待用的二、三級(jí)控制點(diǎn);再測(cè)出該立面的控制性點(diǎn)(能夠反映出立面尺寸的點(diǎn):角點(diǎn)、頂點(diǎn)、墻邊等);測(cè)量控制性點(diǎn)位時(shí)應(yīng)做到適當(dāng)?shù)亩嘤嘤^測(cè),最后測(cè)量立面碎部特征點(diǎn)[4]。測(cè)量時(shí)可在草圖中相應(yīng)的位置標(biāo)明點(diǎn)號(hào)以方便繪圖,或以編碼區(qū)分。

需要注意的是:在測(cè)量立面過程中,難免會(huì)遇到若干不可通視的特征點(diǎn),對(duì)此,可以通過前期準(zhǔn)備的2、3級(jí)備用控制點(diǎn)設(shè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并在數(shù)據(jù)處理時(shí)將多次采集到的數(shù)據(jù)與公共點(diǎn)拼接即可。對(duì)于儀器不可直接測(cè)量且位于人可接觸到的地方,此時(shí)可用手持測(cè)距儀或卷尺對(duì)特征點(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量并在草圖中加以標(biāo)記。對(duì)實(shí)際案例(二甲祠)中的建筑物進(jìn)行立面測(cè)量時(shí),當(dāng)其底部臺(tái)階線被遮擋時(shí)即是使用手持激光測(cè)距儀進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量的。

測(cè)量工作結(jié)束時(shí),可用手持激光測(cè)距儀或皮尺量取主墻面的長(zhǎng)度,從而可以檢核根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)畫出的立面圖的尺寸是否準(zhǔn)確。

(3)數(shù)據(jù)的處理。首先將全站儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出為txt格式的文本,再將文本后綴名改為dat,在cass中顯示出原始點(diǎn)位數(shù)據(jù)判斷該基線是否平行或垂直該立面。若測(cè)量基線與立面不平行或垂直,則需進(jìn)行測(cè)站改正操作。

然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的處理,將轉(zhuǎn)換好的dat文件在cass中展點(diǎn)(可選編碼、點(diǎn)號(hào)),根據(jù)編碼對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)位置繪制成圖;亦可在草圖上標(biāo)注點(diǎn)號(hào),根據(jù)相應(yīng)的點(diǎn)號(hào)繪圖。需要注意的是:一般情況下,按照實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪出來的各種門窗大小和高度可能不一致,而一般現(xiàn)代建筑物門窗的大小和高低在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)存在一定的規(guī)律性,因此,需要在尊重實(shí)際測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

最后,對(duì)成果圖進(jìn)行精度驗(yàn)證,其方法包括與現(xiàn)場(chǎng)采集到的建筑物邊長(zhǎng)、門窗等典型構(gòu)件的尺寸進(jìn)行對(duì)比;亦可與建筑平面圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。待其滿足精度要求后即可存檔提交;反之,則需找出誤差原因并返測(cè)。

3.2 古建筑物的立面測(cè)量

3.2.1 控制測(cè)量

古建筑物的立面測(cè)量不僅包括外立面,亦包括建筑物內(nèi)剖面、細(xì)部大樣和建筑屋頂梁架等,故古建筑物的立面測(cè)量應(yīng)更加細(xì)致,精度要求亦更高[5]。對(duì)此,為確保測(cè)量精度,需要對(duì)建筑物內(nèi)外、四周進(jìn)行聯(lián)測(cè)。我們?cè)趯?duì)二甲祠(古建筑案例)做完實(shí)地勘測(cè)后選定了九個(gè)控制點(diǎn),所設(shè)定的起始點(diǎn)高程為10 m,然后對(duì)九個(gè)控制點(diǎn)做四等水準(zhǔn)測(cè)量并計(jì)算出其它控制點(diǎn)的相對(duì)高程;再在已知高程基礎(chǔ)上利用全站儀基線法原理測(cè)出各點(diǎn)相對(duì)位置的坐標(biāo)[6]。

3.2.2 平面圖的測(cè)量

鑒于該祠堂內(nèi)部平面構(gòu)造較為復(fù)雜,其平面圖的測(cè)量系在已知控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上利用全站儀采集二甲祠平面特征點(diǎn);對(duì)于祠堂細(xì)部,如階梯、天井、柱礎(chǔ)等的尺寸使用皮尺輔助測(cè)量。二甲祠平面情況見圖3。

圖3 二甲祠平面圖

3.2.3 外立面的測(cè)量

古建筑物外立面測(cè)量的主要步驟與現(xiàn)代建筑物立面測(cè)量的主要步驟一致。二甲祠側(cè)立面墻體為馬頭墻,其主體無特殊結(jié)構(gòu),利用全站儀直接采集其特征點(diǎn)即可,需要利用全站儀測(cè)出馬頭墻頂部構(gòu)造的主體尺寸和部分瓦片尺寸,但由于其瓦片密集且小,采用全站儀分別采點(diǎn)工作繁瑣,精度亦低。最終通過采用數(shù)瓦片數(shù)量、明確滴水瓦與勾頭(瓦檔)的相對(duì)位置,繪圖時(shí)根據(jù)其自身規(guī)律在測(cè)量的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整可使立面圖更接近實(shí)際情況。二甲祠側(cè)立面見圖4。

圖4 二甲祠側(cè)立面圖

二甲祠正立面的構(gòu)造較為復(fù)雜,其采用五鳳樓式門樓,門樓下精雕有戲文圖案,其木制門上亦有各類雕刻,從而使整個(gè)正立面十分飽滿、精美,故其測(cè)量難度亦隨之提高。為了更精確地反映正立面木門、花磚護(hù)墻和部分石雕的詳細(xì)結(jié)構(gòu),采用皮尺詳細(xì)測(cè)量了其細(xì)部尺寸、同時(shí)拍攝其細(xì)部照片在SketchUP軟件中繪出大樣圖,最后統(tǒng)一比例尺,將大樣圖帶基點(diǎn)復(fù)制到畫好的正立面圖中。

3.2.4 剖立面的測(cè)量

二甲祠內(nèi)部分為廳堂和后堂,后堂較為狹小且地勢(shì)高于廳堂中的五個(gè)臺(tái)階,高約66 cm;廳堂中部和后堂與廳堂交界處建有天井,其內(nèi)部墻面均為木質(zhì),祠堂內(nèi)部有規(guī)律性地建造有木柱支撐,木柱底部設(shè)有青石柱礎(chǔ),柱與梁交接處建有“喜鵲登梅”斜撐,廳堂大門外部?jī)蓚?cè)建有白玉石鼓。整個(gè)祠堂將徽派建筑的構(gòu)思精巧、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、自然得體、典雅大方、雕鏤精湛等特點(diǎn)展現(xiàn)的淋漓盡致。

根據(jù)二甲祠的布局特點(diǎn),對(duì)其結(jié)構(gòu)剖面、天井剖面和梁架仰視圖進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。其剖面測(cè)量的步驟與其它立面的測(cè)量步驟一樣,但因剖面的剖切位置是人為定義的,從而導(dǎo)致剖面圖成為一段距離內(nèi)建筑構(gòu)件的迭合,故其剖面測(cè)量在一定角度范圍內(nèi)采集的數(shù)據(jù)更多,導(dǎo)致在展點(diǎn)繪圖時(shí)難度增大。對(duì)于柱基礎(chǔ)、廳堂木門、石鼓等部件單獨(dú)繪制出詳細(xì)的大樣圖后再插入到剖面框架圖中。

在已知的控制點(diǎn)上采集結(jié)構(gòu)剖面的特征點(diǎn)。由于祠堂分為廳堂和后堂,其中間有屏風(fēng)隔開,故需要分兩次測(cè)量后再將兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)一起展點(diǎn)即可。所繪制出的結(jié)構(gòu)剖面框架圖(上)和完整剖面圖(下)見圖5。天井剖面的測(cè)量方法與結(jié)構(gòu)剖面的測(cè)量方法相同。

圖5 二甲祠結(jié)構(gòu)剖面圖

二甲祠梁架采用的是穿斗式和抬梁式結(jié)合的混合式構(gòu)架,其既增加了室內(nèi)空間,又節(jié)約了木料。梁架仰視圖是利用全站儀對(duì)視角所及之處梁架進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、在地面用皮尺測(cè)量柱子的相對(duì)位置后再配合已有的結(jié)構(gòu)剖面圖和天井剖面圖繪制而成的。通過梁架仰視圖可以清晰地觀察二甲祠的梁架結(jié)構(gòu),對(duì)徽派建筑“四水歸堂”的風(fēng)格亦有直觀的感受。二甲祠梁架仰視情況見圖6。

圖6 二甲祠梁架仰視圖

4 結(jié) 語(yǔ)

立面測(cè)量在城市更新和發(fā)展中以及建筑物維護(hù)、修繕和改建方面發(fā)揮了重要的作用。與常規(guī)手工測(cè)量和三維激光掃描等新興測(cè)繪手段相比,全站儀基線法具有非接觸、高精度、成本低和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。全站儀基線法立面測(cè)量操作方便,一個(gè)人一臺(tái)儀器即可完成全部測(cè)量工作,能夠節(jié)省人員與設(shè)備成本。全站儀基線法操作流程簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單,能夠極大程度地節(jié)約測(cè)量人員學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的時(shí)間成本,可以輕松地實(shí)現(xiàn)立面圖的繪制。在對(duì)立面測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本原理進(jìn)行闡述后,介紹了所優(yōu)化的全站儀立面測(cè)量的實(shí)測(cè)步驟,總結(jié)了其技術(shù)要點(diǎn),最后借助古建筑物立面測(cè)量實(shí)例分析了該方法在復(fù)雜建筑物立面測(cè)量中的應(yīng)用效果。總體來說,利用全站儀基線法進(jìn)行立面測(cè)量具有成本低、操作簡(jiǎn)單、綜合效率高等優(yōu)勢(shì),其在目前城市發(fā)展和傳統(tǒng)建筑物保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。