張 禮，張定邦，*，齊 港，王定興

(湖北理工學院 a.土木建筑工程學院，b.長江中游礦冶文化與經(jīng)濟社會發(fā)展研究中心，湖北 黃石 435003)

0 引言

近年來，伴隨著科學技術(shù)水平不斷提升，測繪技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。就國內(nèi)文物普查現(xiàn)狀而言，現(xiàn)代測繪技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當成熟[1]，測量儀器普遍應(yīng)用電子設(shè)備，一些新型的測繪方法使文物測繪工作變得簡捷[2-3]。應(yīng)用測量儀器、繪圖軟件和三維建模軟件可以繪制平面圖或建立三維模型，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)可以為后期文物保護工作提供有效的依據(jù)[4]。

目前，國內(nèi)外針對工業(yè)遺產(chǎn)普查開展的研究較少，尤其是針對工業(yè)遺產(chǎn)測繪進行的理論研究鮮有涉及[5]。然而，工業(yè)遺產(chǎn)測繪工作中經(jīng)常會遇到一些采用常規(guī)測量方法難以解決或解決效果不佳的問題，因此有必要針對這些問題改進現(xiàn)有的測量方法。鑒于此，本文以黃石市工業(yè)遺產(chǎn)普查中的測量工作為依托，通過分析和歸納常規(guī)測量方法的不足，提出一種適用于不通視情況下碎部點測量的方法，并將其應(yīng)用于實際遺址測繪過程中，以提高工業(yè)遺產(chǎn)普查工作中測繪工作的高效性和準確性。

1 碎部點測量方法

黃石市工業(yè)遺產(chǎn)普查中的主要測繪工作是繪制黃石市老工業(yè)建筑物的平面構(gòu)造圖，其核心環(huán)節(jié)是測量工業(yè)建筑物外輪廓上的若干碎部點坐標。但是，根據(jù)已知測繪控制點的坐標位置以及建筑物的地理方位，采用常規(guī)的碎部點測量會遇到建站點與碎部點通視和不通視這2種情況。

1.1 通視情況下的測量

在建站點與碎部點可通視的情況下，建筑物外輪廓上碎部點的測量可采用常規(guī)的測量方式。通視情況下的碎部點測量示意圖如圖1所示。在圖1中，A和B為已知坐標的測繪控制點，P為未知坐標的建筑物外輪廓線上的點，∠1為AB連線的坐標方位角，∠2為BP連線的坐標方位角，∠3為AB連線與BP連線的夾角。

圖1 通視情況下的碎部點測量示意圖

具體測量步驟如下。

1)在B點架設(shè)光電經(jīng)緯儀(或全站儀)，以B點為建站點、A點為后視點建立測量站。

2)用光電經(jīng)緯儀測量AB連線與BP連線的夾角∠3，用鋼尺測量B點和P點之間的距離，記為LBP。

3)已知點A和點B的坐標，計算AB連線的坐標方位角∠1，計算公式為：

(1)

4)計算BP連線的坐標方位角，計算公式為：

∠2=∠1+∠3-180°

(2)

5)按照公式(3)和(4)計算P點坐標值：

XP=XB+LBP×cos∠2

(3)

YP=YB+LBP×sin∠2

(4)

1.2 不通視情況下的測量

在建站點與碎部點不可通視的情況下，建筑物外輪廓上碎部點的測量工作比通視情況下要復(fù)雜。由于建站點與測量點之間有障礙物，常規(guī)的碎部點測量方式已經(jīng)不再適用，通?？刹捎棉D(zhuǎn)站法和后方交會法。

1.2.1轉(zhuǎn)站法

轉(zhuǎn)站法測量的原理實際上就是在測量點的附近新設(shè)立1個可通視的點，利用已知點的坐標測定這個新點的坐標，然后在新點上重新建站進行碎部點的測量。

不通視情況下的轉(zhuǎn)站法測量示意圖如圖2所示。在圖2中，A和B為已知坐標的測繪控制點，C為轉(zhuǎn)站點，P為未知坐標的建筑物外輪廓線上的點，∠1為AB連線的坐標方位角，∠2為BC連線的坐標方位角，∠3為AB連線與BC連線的夾角，∠4為BC連線與CP連線的夾角。

圖2 不通視情況下的轉(zhuǎn)站法測量示意圖

具體測量步驟如下。

1)先按照前述通視情況下的測量方法，由公式(5)和(6)測定轉(zhuǎn)站點C的坐標：

XC=XB+LBP×cos∠2

(5)

YC=YB+LBP×sin∠2

(6)

2)在C點架設(shè)光電經(jīng)緯儀(或全站儀)，以C點為建站點、B點為后視點建立測量站。

3)用光電經(jīng)緯儀測量BC連線與CP連線的夾角∠4; 用鋼尺測量C點和P點之間的距離，記為LCP。

4)計算CP連線的坐標方位角αCP：

αCP=∠2+∠4+180°

(7)

5)按照公式(8)和(9)計算P點坐標值：

XP=XC+LBP×cosαCP

(8)

YP=YC+LBP×sinαCP

(9)

轉(zhuǎn)站法雖然可以解決建站點與碎部點不通視的問題，但是存在以下幾個缺點。

1)為了保證轉(zhuǎn)站點能同時與已知點和碎部點通視，轉(zhuǎn)站點的位置常常不是觀測碎部點的最佳位置。在測量障礙物較多的情況下，轉(zhuǎn)站點的選擇十分困難。

2)轉(zhuǎn)站點的坐標精度未經(jīng)過導線測量的平差調(diào)整，會增大測量誤差。

3)轉(zhuǎn)站測量前，先用特殊穩(wěn)固的方式(如打入鋼釘)在地面上制作轉(zhuǎn)站點標識。這會對測量精度帶來影響。

1.2.2后方交會法

為了加快測量進度，減小轉(zhuǎn)站測量帶來的誤差，可以采用后方交會法進行碎部點的測量。后方交會法的測量原理是找到1個同時可通視2個及以上已知點和碎部點的點位，在無需對點位進行標識和坐標測量的情況下，通過2個已知點建立坐標系，在此基礎(chǔ)上測量碎部點。

不通視情況下的后方交會法測量示意圖如圖3所示。在圖3中，A和B為已知坐標的測繪控制點，C為后方交會點，P為未知坐標的建筑物外輪廓線上的點(碎部點)，∠1為AC連線的坐標方位角，∠2為BC連線的坐標方位角，∠a為AB連線與AC連線的夾角，∠b為AB連線與BC連線的夾角，∠c為AC連線與BC連線的夾角，∠3為BC連線與CP連線的夾角。

圖3 不通視情況下的后方交會法測量示意圖

具體測量步驟如下。

1)選定1個可同時通視已知A點、B點和P點的C點，在C點建站。

2)用全站儀測量∠c，用鋼尺分別測量AB，BC，AC，CP之間的距離，記為LAB，LBC，LAC，LCP。

3)由余弦定理，按公式(10)計算∠a和∠b：

(10)

(11)

4)按公式(12)和(13)計算AC連線的坐標方位角和BC連線的坐標方位角：

∠1=∠a+αAB

(12)

∠2=αAB-∠b+180°

(13)

式(12)和(13)中，αAB為AB連線的坐標方位角。由于A和B均為已知坐標點，可以直接根據(jù)式(1)計算得到αAB。

5)聯(lián)合公式(14)和(15)計算C點的坐標：

(14)

(15)

6)計算CP連線的坐標方位角：

αCP=∠2+∠3+180°

(16)

7)按照公式(8)和(9)計算P點坐標值。

采用后方交會法進行不通視情況下的碎部點測量，能夠避免轉(zhuǎn)站法帶來的測量誤差，節(jié)省制作轉(zhuǎn)站點現(xiàn)場標志所花費的時間。但是，后方交會法也存在以下幾個制約其現(xiàn)場運用效果的缺點。

1)為了保證交會點與2個及以上已知點、碎部點的通視，交會點往往與所要測量的碎部點距離較遠。

2)當碎部點周圍的障礙物較多時，難以找到位置合適的交會點。

3)需要測量的物理量較多，計算過程較復(fù)雜，計算工作量較大。

2 測量方法的改進

2.1 自由換站法的提出

黃石市工業(yè)遺產(chǎn)大多位于房屋較為密集的舊工業(yè)區(qū)，工業(yè)建筑物往往不能通視且周圍的測量障礙物較多，因而不適合采用轉(zhuǎn)站法和后方交會法進行測量。根據(jù)黃石市工業(yè)遺產(chǎn)普查對測量工作的要求，考慮到工業(yè)建筑物的周邊測量環(huán)境，經(jīng)過反復(fù)改進和驗證，提出了一種新的不通視情況下的碎部點測量方法——自由換站法。

2.2 自由換站法的工作流程

自由換站法的測量示意圖如圖4所示。在圖4中，A和B為已知坐標的測繪控制點，C為未知坐標的建站點，P為未知坐標的建筑物外輪廓線上的點，∠1為BC連線與CP連線的夾角,∠b為BC連線與正東方向的夾角，∠c為BC連線與正南方向的夾角。自由換站法的測量原理是借助計算機軟件直接在正北(南)和正東(西)方向上測量建站點與已知點的坐標增量，利用測站點建站，以已知點作后視點，將不通視情況下的測量轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄒ暻闆r下的測量。

圖4 不通視情況下的自由換站法測量示意圖

自由換站法的工作流程如下。

1)選定1個建站點C，該點能夠與已知坐標的點B通視，并且處于便于觀測P點的位置。

2)在C點架設(shè)經(jīng)緯儀，將經(jīng)緯儀瞄準正南方向(利用電子指南針確定正南方向，復(fù)雜情況下其最大定向誤差可以控制在1°以內(nèi)[6])，并將水平角歸零，然后旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀使之瞄準B點，此時經(jīng)緯儀水平度盤的讀數(shù)就是BC連線與正南方向的夾角∠c，同時BC連線與正東方向的夾角也可得到，再測量C點與B點之間的距離。

3)根據(jù)點B坐標、BC長度以及BC與正東方向的夾角，在AUTO CAD軟件中可以繪出BC線段，再借助AUTO CAD軟件中的查詢命令可得到BC之間的坐標增量△X和△Y，即可得到C點的坐標。

4)用經(jīng)緯儀測定BC和CP之間的夾角∠1，用鋼尺測定CP的長度LCP，在AUTO CAD軟件中可以繪出CP線段，再借助AUTO CAD軟件中的查詢命令可得到P點的坐標。

為了消除因操作不熟練等偶然因素造成的測量誤差，可在現(xiàn)場以B點為建站點并在B點架設(shè)經(jīng)緯儀，以A點為后視點建立坐標系，采用傳統(tǒng)方法測量C點的坐標，并將C點的實測坐標與計算坐標進行對比，若誤差大于《工程測量規(guī)范》(GB 50026-2016)中規(guī)定的導線點最大誤差值，則需重新進行建站和測量。

2.3 自由換站法的優(yōu)點

與轉(zhuǎn)站法和后方交會法相比，自由換站法具有以下幾個明顯的優(yōu)點。

1)站點位置選擇靈活，受周圍障礙物干擾小，測試精度得到了提高。

2)借助計算機軟件，可以直接運用AUTOCAD軟件在電腦上繪制碎步點位置，減少了后期的內(nèi)業(yè)繪圖工作量。

3)所有測量數(shù)據(jù)都可在計算機中查詢，避免了書面記錄數(shù)據(jù)的遺失。

4)所需測量的物理量較少，計算過程由計算機完成，測量工作快速高效。

3 應(yīng)用實例

以大冶鋼鐵廠廠房遺址測繪工作為對象，分析自由換站法測量的實際應(yīng)用效果。大冶鋼鐵廠廠房沿彎曲路線布置，附近多居民區(qū)，視線阻礙較為嚴重，其他測量方向適用性不強，因而采用自由換站法進行測繪。

采用自由換站法測繪的大冶鋼鐵廠平面圖如圖5所示。在測繪過程中，共設(shè)置了59個自由換站測點，極大地減輕了測繪工作強度。為了驗證該方法的測量精度，查閱了尚存的大冶鋼鐵廠房屋設(shè)計圖，隨機抽選了4個房屋輪廓線上的角點作為研究對象(見圖5中的①②③④點)，將這4個點的原始坐標與新測坐標進行對比，自由換站法測量精度抽檢結(jié)果見表1。

表1 自由換站法測量精度抽檢結(jié)果m

由表1可知，這4個點的最大坐標偏差為△X=0.11 m，△Y=0.12 m，誤差值小于《工程測量規(guī)范》(GB 50026-2016)中規(guī)定的房屋測量最大允許誤差值，滿足工業(yè)遺產(chǎn)普查對測量精度的要求，因而可以認為自由換站法是一種測量精度較高的測量建站方法。

4 結(jié)論

以黃石市工業(yè)遺產(chǎn)大普查中的測量工作為依托，闡述了通視情況下碎部點測量的常規(guī)測量方法、不通視情況下碎部點測量的轉(zhuǎn)站法和后方交會法的工作步驟，指出了其不足之處，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的平面圖測繪方法——自由換站法。自由換站法具有站點位置選擇靈活、受周圍障礙物干擾小、后期內(nèi)業(yè)繪圖工作量小、所需測量的物理量較少，以及測量工作快速高效等優(yōu)點。通過實際應(yīng)用過程中的測量誤差分析可知，自由換站法的測量誤差值小于《工程測量規(guī)范》(GB 50026-2016)中規(guī)定的房屋測量最大允許誤差值，滿足工業(yè)遺產(chǎn)普查對測量精度的要求。