許承權(quán) 吳永紅 張 帆 黃德華

1閩江學(xué)院地理與海洋學(xué)院，福建 福州，350108

2福建省測繪院，福建 福州，350100

3福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州，350100

建筑立面圖是城市建筑物外觀裝修和景觀改造設(shè)計(jì)與施工中的重要依據(jù)［1］。在景觀改造項(xiàng)目建設(shè)前期，往往需要利用數(shù)字地形圖高效、準(zhǔn)確地對范圍內(nèi)大量的建筑物進(jìn)行立面面積預(yù)估，以供決策者預(yù)估工作量、評估風(fēng)險(xiǎn)［1］。建筑立面測繪完成后，也需要高效、準(zhǔn)確地計(jì)算、匯總真實(shí)的立面總面積，用于工程決算。人工計(jì)算、匯總建筑立面面積費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，不能滿足高效決策支持、工程決算的需要。因此，通過開發(fā)程序，快速、自動、準(zhǔn)確地從地形圖中估算出房屋立面面積，并從大量的立面圖成果中自動搜索立面邊界，精算出立面總面積具有重要的作用。

目前，已有一些針對相關(guān)問題的自動處理算法［2?12］。例如，廖維榮［2］基于Visual Basic for Applica?tions（VBA）編程，根據(jù)CAD圖層中的房屋面積及樓層數(shù)注記，實(shí)現(xiàn)了房屋建筑面積的自動統(tǒng)計(jì)；丁立等［3］基于Visual Basic Script進(jìn)行二次開發(fā)，以分類統(tǒng)計(jì)各種建筑結(jié)構(gòu)的房屋建筑面積；馬紅［4］利用大比例尺地形圖、航空航天遙感影像和數(shù)字高程模型等歷史地理信息資源，提取城市拆遷工程范圍內(nèi)的建筑物信息，并判定其建成年代、估算其占地面積，為主管部門提供決策依據(jù)；郭振華等［5］基于Auto?CAD的擴(kuò)展屬性，實(shí)現(xiàn)了多邊形面積的統(tǒng)計(jì)匯總。何鑫星等［6］基于AutoCAD選擇集，對四川省農(nóng)村不動產(chǎn)測繪項(xiàng)目中的大批量戶產(chǎn)權(quán)信息進(jìn)行了自動化比對分析。以上算法雖然是對建筑占地面積、建筑面積進(jìn)行自動計(jì)算、匯總，但都為建筑物立面工作量預(yù)估提供了基礎(chǔ)。

建筑立面成果圖中一般沒有明確的、封閉的多邊形來表示邊界，而是圖層、線型、顏色各異的墻體、門窗、柵欄等部件。改變手工繪制每個立面邊界的傳統(tǒng)方式，采用算法自動進(jìn)行立面面積精算，其實(shí)質(zhì)是從中自動搜索出邊界并匯總的問題［7］，常見的有k?近鄰法［8］、網(wǎng)孔邊界算法［9］、凸殼內(nèi)縮法［10］、搜索盒邊界搜索算法［11］、行列邊界搜索算法［12，13］等。其中，行列邊界搜索算法在AutoCAD中的實(shí)現(xiàn)最簡單。

綜上，本文基于建筑立面改造區(qū)域已有的數(shù)字地形圖，通過獲取區(qū)域內(nèi)所有房屋及其附屬物的CASS擴(kuò)展屬性、結(jié)構(gòu)注記、層數(shù)注記和基底周長等信息，自動計(jì)算、匯總出建筑立面面積，實(shí)現(xiàn)立面測繪的快速估算；基于批量立面測繪成果，通過行列邊界搜索算法自動搜索立面邊界，并計(jì)算、匯總出批量的立面測繪成果工作量，為工程決算提供依據(jù)。

1 基于數(shù)字地形圖的建筑立面面積自動預(yù)估

1.1 建筑立面面積自動估算方法

如圖1所示，房屋主體①為混合結(jié)構(gòu)3層建筑，建筑立面面積計(jì)算公式為：建筑基地對應(yīng)的多段線邊長×3 m/層×相應(yīng)的層數(shù)注記3［14］。②為柱廊，③、⑤為陽臺，④為飄樓，結(jié)構(gòu)信息均需要從多段線的擴(kuò)展屬性中獲取得到，因房屋主體已經(jīng)計(jì)算過立面面積，此類附屬結(jié)構(gòu)不再計(jì)算立面面積。

圖1 房屋及其附屬物示例Fig.1 Example of House and Its Appurtenances

AutoCAD實(shí)體擴(kuò)展數(shù)據(jù)是AutoCAD為每個實(shí)體預(yù)留了最大16 KB的空間來存儲其自定義的數(shù)據(jù)內(nèi)容，其格式包含一個類型描述和一個類型值的數(shù)據(jù)對［14］。如表1所示，類型值對應(yīng)CASS數(shù)字地形圖中的內(nèi)部6位數(shù)編碼，前4位定義了地物名稱，后兩位根據(jù)需要再區(qū)分同一地物的不同類型［15］。

由表1可以看出，通過擴(kuò)展屬性可以獲取建筑物的結(jié)構(gòu)、層數(shù)信息，并與圖面注記的結(jié)構(gòu)、層數(shù)相互檢核。另外，擴(kuò)展類型值編碼前4位為1443~1447的表示圍墻、柵欄、鐵絲網(wǎng)等，可以通過該信息剔除不計(jì)算立面面積的建筑附屬物。

表1 常用擴(kuò)展數(shù)據(jù)及其含義Tab.1 Common Extension Data and Their Meanings

當(dāng)建筑物與其他建筑物相鄰共墻時(shí)，將該共墻等分，只統(tǒng)計(jì)該共墻面積的1/2，或按與一個建筑共墻，相應(yīng)扣減1/8的該建筑物立面總面積進(jìn)行概略統(tǒng)計(jì)。當(dāng)建筑物同時(shí)具有圖面結(jié)構(gòu)、層數(shù)注記，但與擴(kuò)展屬性中的結(jié)構(gòu)、層數(shù)類型值不一致時(shí)，可能是作業(yè)員經(jīng)常采用CASS的“加入實(shí)體編碼”，復(fù)制其他房屋的注記到新繪房屋上作為注記，造成房屋擴(kuò)展屬性錯誤，此時(shí)應(yīng)采用圖面注記作為計(jì)算依據(jù)，并在自動估算過程中用不同顏色加以區(qū)分，以供人工核對。

1.2 程序流程及實(shí)現(xiàn)

程序采用VBA生成AutoCAD的dvb文件，直接嵌入Auto CAD，以工具欄的形式配合CASS軟件使用，交互良好，簡單易用，響應(yīng)速度快，程序流程見圖2。程序運(yùn)行結(jié)果以excel表格形式匯總每一棟房屋的立面面積。采用該算法進(jìn)行建筑立面面積估算，自動化程度高，結(jié)果準(zhǔn)確，對決策者快速掌握統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的工作量具有較大幫助。

圖2 建筑立面面積自動估算流程Fig.2 Automatic Estimation Process of Building Facade Area

2 基于行列搜索算法的建筑立面面積精算

2.1 行列搜索算法自動確定立面邊界

行列邊界搜索算法就是先通過行搜索得到行搜索邊界，再進(jìn)行列搜索得到列搜索邊界，將行、列搜索的邊界合并，得到準(zhǔn)確的邊界［11］。行列邊界搜索算法對平面中變密度、不規(guī)則的離散點(diǎn)（如油田注水開發(fā)井）的邊界能夠自動、準(zhǔn)確追蹤［12］。

步長用來確定搜索的范圍大小。步長太小，程序運(yùn)行費(fèi)時(shí)；步長過大，將無法搜索到建筑局部的凹凸，降低邊界搜索的精度。實(shí)際中，步長一般在0.05~0.2 m間，或根據(jù)以下公式計(jì)算建筑物的平均邊長，步長取平均邊長的0.01~0.05倍較為合適。

式中，d是所有建筑物的平均邊長（單位：m）；A是所有建筑物的面積（單位：m2）；n是建筑物的數(shù)量。

在建筑立面測量中，對立面圖上的任何Auto?CAD對象集（包括點(diǎn)、多段線或多邊形）進(jìn)行行列搜索即可得到較為準(zhǔn)確的立面邊界。圖3（a）為某房屋立面圖，包含了房屋主線、門窗、裝飾物、空調(diào)架等部件，并沒有繪制立面的整體外圍多段線，因此無法直接獲得立面面積。

此時(shí)，根據(jù)步長對整個立面圖均勻作垂切線，并計(jì)算每個切線與建筑相交處的最大點(diǎn)(Xi，Ymax)和最小點(diǎn)(Xi，Ymin)，再逐個連接它們，獲得列搜索的立面邊界，如圖3（b）所示，圖中右邊陽臺部分由于凹入屋檐以內(nèi)，只進(jìn)行列搜索無法發(fā)現(xiàn)并內(nèi)縮。同理，根據(jù)步長對整個立面圖均勻作水平切線，并計(jì)算每個切線與建筑相交處的最大點(diǎn)(Xi，Ymax)和最小點(diǎn)(Xi，Ymin)，再逐個連接它們，獲得行搜索的立面邊界，可以發(fā)現(xiàn)垂直方向上的凹凸，但無法發(fā)現(xiàn)左下角立柱的凹凸，如圖3（c）所示。將列、行搜索的立面邊界進(jìn)行組合，取其最小的邊界，得到最終的立面邊界。

圖3 行列搜索算法示意圖Fig.3 Diagram of Row and Column Searching Algorithm

2.2 程序流程及實(shí)現(xiàn)

與立面面積估算相同，采用VBA開發(fā)方式，用戶指定批量立面文件所在的路徑、步長等參數(shù)后，程序自動逐個打開文件夾下的所有立面文件，采用Auto CAD自帶的IntersectWith方法進(jìn)行相交判斷，完成行列搜索后保存立面邊界線并輸出立面編號、面積到excel文件中，精算每一棟房屋的立面面積。

3 工程實(shí)踐及算法分析

本文以湄洲島國家旅游度假區(qū)某傳統(tǒng)村落立面改造項(xiàng)目為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)目共涉及96棟民房的立面測繪工作，在測繪之前利用本文方法對該項(xiàng)目進(jìn)行了立面工作量自動預(yù)估，并在測繪完成之后進(jìn)行了立面面積精算。

該項(xiàng)目的幾種典型的立面邊界自動搜索結(jié)果見圖4。采用本文方法能比較精確地搜索到立面上的細(xì)微凹凸，房頂裝飾物、室外臺階不屬于房屋主體，不計(jì)入立面邊界。

圖4 行列搜索算法的立面邊界結(jié)果Fig.4 Facade Boundary Results of Row and Column Searching Algorithm

由表2可知，程序預(yù)估立面工作量、程序自動精算的立面工作量與人工統(tǒng)計(jì)結(jié)果均比較接近。這說明預(yù)估、精算的立面工作量較為準(zhǔn)確，滿足工程實(shí)際需要。

表2 本文方法自動測算結(jié)果Tab.2 Automatic Estimation Results of the Proposed Method

4 結(jié)束語

本文采用Auto CAD的VBA開發(fā)方式，通過自動獲取數(shù)字地形圖上房屋的CASS擴(kuò)展屬性、結(jié)構(gòu)注記、層數(shù)注記和基底周長等信息，估算建筑立面面積；基于批量立面測繪成果，通過行列邊界搜索算法自動搜索立面邊界，并精算立面測繪實(shí)際工作量，為科學(xué)決策、工程決算提供依據(jù)。相關(guān)研究成果也可以為建筑拆遷量估算、建筑占地面積統(tǒng)計(jì)、綠地面積統(tǒng)計(jì)等工作提供參考。