任 定 春

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 眉山 620860)

1 概 述

隨著我國經濟的不斷發(fā)展,城市化水平不斷加快,與此同時也面臨著舊城改造和市容出現的新的工程問題,而這些改造項目均需要建筑立面圖紙作為設計和施工的依據。但因這些老舊建筑物缺少圖紙等設計資料,導致如何快速、高效并準確地獲取建筑物的立面線畫圖成為測繪行業(yè)近年來普遍關注的工程問題之一[1]。

目前常用的立面測量方法主要為全站儀測量法、三維激光掃描法和無人機傾斜攝影測量法等。具體而言,三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術,是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命,它不僅突破了傳統(tǒng)的單點測量方法,而且具有獨特的高效率、高精度優(yōu)勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描測量物體表面的三維點云數據及RGB顏色信息,同時還包括物體反色率信息,在獲取不規(guī)則建筑物內部信息時具有一定的優(yōu)勢。如今三維激光掃描儀已向可移動方向發(fā)展,其主要包括車載三維激光掃描儀和機載三維激光雷達。然而,由于三維激光掃描生成的點云過于冗余,且三維建模輪廓線的提取方法不夠成熟,后期還需進行人為篩選,且因所用儀器價格昂貴,導致一般單位難以開展相關的工作。無人機傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發(fā)展起來的一項高新技術,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上搭載多臺傳感器、同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像進行空中三角測量、實現多視影像匹配最終構建出三維立體模型并基于三維模型生成數字線畫圖。傾斜攝影測量技術作為一個新興的技術方法在三維建模和工程測量中具有廣泛的前景[2]。然而,由于老舊城區(qū)中觀測環(huán)境復雜,樹木遮擋嚴重,導致無人機傾斜攝影測量難以發(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,目前仍然作為立面測量中的重要手段在現代規(guī)則建筑物立面測量中發(fā)揮著重要作用。筆者基于多年積累的工程經驗,完善了全站儀獨立坐標基線立面測量方法并予以應用,取得了較好的效果,所取得的經驗可為城市改造中解決所存在的立面測量問題提供參考。

2 立面測量與全站儀基線法立面測量的基本原理

2.1 立面測量的定義

由平行于鉛垂面的投影面對建筑物立面進行投影,所得到的平面圖即為建筑物立面圖。立面測量相對于平面圖測量而言,二者所測的目標面為垂直關系。常規(guī)平面圖測量所得到的是X、Y、Z三維信息,而立面測量所得到的是X、Y軸信息中只取包含立面長度和高度的信息,故立面測量所采集到的信息為建筑物各特征點相對于測站點的水平長度和高差。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構性特征,其中包括以下主體控制特征:立面的長、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、陽臺、空調罩、墻體裝飾、階梯、花壇、雨棚、水箱等。根據立面的朝向可分為:東西立面、南北立面;根據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;相應的可命名為背立面、側立面等。

2.2 全站儀基線法立面測量的基本原理

使用全站儀基線法測量立面的第一步是根據現場建筑物情況設置一條或多條基線。該基線的選擇直接影響到外業(yè)數據的采集和內業(yè)數據處理的效率。當建筑物各個立面不能通視或立面部分被遮擋時可設置多條初始基線;若建筑物周圍測量條件較好、視野開闊則可使用一條基線并使該建筑物或一個立面的測量處于同一個坐標系中。基線端點選擇的基本要求:(1)初始基線點應盡可能垂直或平行于建筑物某個待測立面;(2)測站點的設置應視野開闊,通視性好;(3)根據長邊控制短邊的原則,測站點和后視點的距離應盡可能地相距遠一些;(4)點位應便于標記、保存。

基線選定后,根據基線點構建獨立坐標系進行全站儀的設站和定向,利用極坐標法測定待測立面特征點在基線坐標系中的三維坐標,進而通過布爾薩七參數法將基線坐標系的坐標轉換到立面坐標系中[3]?；€坐標系與立面坐標系的具體情況見圖1。

圖1 基線坐標系與立面坐標系示意圖

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

(1)

式中XYZ為立面坐標系坐標;X′Y′Z′為基線坐標系坐標。其中λ為兩個坐標系的尺度比例因子;R為旋轉矩陣; [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,只需將基線坐標系繞E軸旋轉90°后其即與立面坐標系三軸平行。

2.3 全站儀基線法立面測量流程

該方法的基本工作流程包括:實地勘探、數據采集、數據處理、繪制成圖與精度驗證五個步驟,根據被測量建筑物的結構特點,其各步驟的復雜程度不盡相同?；€坐標系與立面坐標系見圖2。

圖2 基線坐標系與立面坐標系示意圖

3 工程實例——二甲祠的測量

3.1 現代建筑物立面測量的具體步驟

(1)現場勘測。對目標建筑物的現場布局及其周邊測量環(huán)境進行初步勘察,根據建筑物的復雜程度和現場情況設定測量控制點、基線的個數和位置,對需要多次使用的點位做定樁處理。

(2)數據采集。將全站儀架設在所選定的測站點上進行對中整平;再瞄準后視點B(假設后視點在測站點右方)測出兩點的平距HD;量取儀器高度,然后將測站點坐標和儀器高輸進儀器(假設測站點坐標為:N=100,E=100,Z=10;則其后視點坐標即為N=100,E=100+HD,Z=10);隨后瞄準B點進行坐標定向;定向完成后將全站儀調成免棱鏡模式即可開始采集建筑物立面特征點。立面測量過程中應遵循一般測量的規(guī)范,做到步步檢核,先控制后碎部。立面測量過程應做到:有必要時首先放出待用的二、三級控制點;再測出該立面的控制性點(能夠反映出立面尺寸的點:角點、頂點、墻邊等);測量控制性點位時應做到適當的多余觀測,最后測量立面碎部特征點[4]。測量時可在草圖中相應的位置標明點號以方便繪圖,或以編碼區(qū)分。

需要注意的是:在測量立面過程中,難免會遇到若干不可通視的特征點,對此,可以通過前期準備的2、3級備用控制點設站進行數據采集,并在數據處理時將多次采集到的數據與公共點拼接即可。對于儀器不可直接測量且位于人可接觸到的地方,此時可用手持測距儀或卷尺對特征點的相對位置進行測量并在草圖中加以標記。對實際案例(二甲祠)中的建筑物進行立面測量時,當其底部臺階線被遮擋時即是使用手持激光測距儀進行補充測量的。

測量工作結束時,可用手持激光測距儀或皮尺量取主墻面的長度,從而可以檢核根據所采集到的數據畫出的立面圖的尺寸是否準確。

(3)數據的處理。首先將全站儀數據導出為txt格式的文本,再將文本后綴名改為dat,在cass中顯示出原始點位數據判斷該基線是否平行或垂直該立面。若測量基線與立面不平行或垂直,則需進行測站改正操作。

然后進行坐標轉換的處理,將轉換好的dat文件在cass中展點(可選編碼、點號),根據編碼對應特征點位置繪制成圖;亦可在草圖上標注點號,根據相應的點號繪圖。需要注意的是:一般情況下,按照實測的數據繪出來的各種門窗大小和高度可能不一致,而一般現代建筑物門窗的大小和高低在設計時會存在一定的規(guī)律性,因此,需要在尊重實際測量結果的基礎上進行適當的調整。

最后,對成果圖進行精度驗證,其方法包括與現場采集到的建筑物邊長、門窗等典型構件的尺寸進行對比;亦可與建筑平面圖等數據進行驗證。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。

3.2 古建筑物的立面測量

3.2.1 控制測量

古建筑物的立面測量不僅包括外立面,亦包括建筑物內剖面、細部大樣和建筑屋頂梁架等,故古建筑物的立面測量應更加細致,精度要求亦更高[5]。對此,為確保測量精度,需要對建筑物內外、四周進行聯測。我們在對二甲祠(古建筑案例)做完實地勘測后選定了九個控制點,所設定的起始點高程為10 m,然后對九個控制點做四等水準測量并計算出其它控制點的相對高程;再在已知高程基礎上利用全站儀基線法原理測出各點相對位置的坐標[6]。

3.2.2 平面圖的測量

鑒于該祠堂內部平面構造較為復雜,其平面圖的測量系在已知控制點的基礎上利用全站儀采集二甲祠平面特征點;對于祠堂細部,如階梯、天井、柱礎等的尺寸使用皮尺輔助測量。二甲祠平面情況見圖3。

圖3 二甲祠平面圖

3.2.3 外立面的測量

古建筑物外立面測量的主要步驟與現代建筑物立面測量的主要步驟一致。二甲祠側立面墻體為馬頭墻,其主體無特殊結構,利用全站儀直接采集其特征點即可,需要利用全站儀測出馬頭墻頂部構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工作繁瑣,精度亦低。最終通過采用數瓦片數量、明確滴水瓦與勾頭(瓦檔)的相對位置,繪圖時根據其自身規(guī)律在測量的基礎上適當調整可使立面圖更接近實際情況。二甲祠側立面見圖4。

圖4 二甲祠側立面圖

二甲祠正立面的構造較為復雜,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,從而使整個正立面十分飽滿、精美,故其測量難度亦隨之提高。為了更精確地反映正立面木門、花磚護墻和部分石雕的詳細結構,采用皮尺詳細測量了其細部尺寸、同時拍攝其細部照片在SketchUP軟件中繪出大樣圖,最后統(tǒng)一比例尺,將大樣圖帶基點復制到畫好的正立面圖中。

3.2.4 剖立面的測量

二甲祠內部分為廳堂和后堂,后堂較為狹小且地勢高于廳堂中的五個臺階,高約66 cm;廳堂中部和后堂與廳堂交界處建有天井,其內部墻面均為木質,祠堂內部有規(guī)律性地建造有木柱支撐,木柱底部設有青石柱礎,柱與梁交接處建有“喜鵲登梅”斜撐,廳堂大門外部兩側建有白玉石鼓。整個祠堂將徽派建筑的構思精巧、結構嚴謹、自然得體、典雅大方、雕鏤精湛等特點展現的淋漓盡致。

根據二甲祠的布局特點,對其結構剖面、天井剖面和梁架仰視圖進行了詳細測量。其剖面測量的步驟與其它立面的測量步驟一樣,但因剖面的剖切位置是人為定義的,從而導致剖面圖成為一段距離內建筑構件的迭合,故其剖面測量在一定角度范圍內采集的數據更多,導致在展點繪圖時難度增大。對于柱基礎、廳堂木門、石鼓等部件單獨繪制出詳細的大樣圖后再插入到剖面框架圖中。

在已知的控制點上采集結構剖面的特征點。由于祠堂分為廳堂和后堂,其中間有屏風隔開,故需要分兩次測量后再將兩次測量的數據一起展點即可。所繪制出的結構剖面框架圖(上)和完整剖面圖(下)見圖5。天井剖面的測量方法與結構剖面的測量方法相同。

圖5 二甲祠結構剖面圖

二甲祠梁架采用的是穿斗式和抬梁式結合的混合式構架,其既增加了室內空間,又節(jié)約了木料。梁架仰視圖是利用全站儀對視角所及之處梁架進行數據采集、在地面用皮尺測量柱子的相對位置后再配合已有的結構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構,對徽派建筑“四水歸堂”的風格亦有直觀的感受。二甲祠梁架仰視情況見圖6。

圖6 二甲祠梁架仰視圖

4 結 語

立面測量在城市更新和發(fā)展中以及建筑物維護、修繕和改建方面發(fā)揮了重要的作用。與常規(guī)手工測量和三維激光掃描等新興測繪手段相比,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。全站儀基線法立面測量操作方便,一個人一臺儀器即可完成全部測量工作,能夠節(jié)省人員與設備成本。全站儀基線法操作流程簡便、數據處理簡單,能夠極大程度地節(jié)約測量人員學習和培訓的時間成本,可以輕松地實現立面圖的繪制。在對立面測量坐標轉換的基本原理進行闡述后,介紹了所優(yōu)化的全站儀立面測量的實測步驟,總結了其技術要點,最后借助古建筑物立面測量實例分析了該方法在復雜建筑物立面測量中的應用效果?？傮w來說,利用全站儀基線法進行立面測量具有成本低、操作簡單、綜合效率高等優(yōu)勢,其在目前城市發(fā)展和傳統(tǒng)建筑物保護方面發(fā)揮著重要作用。