基于基线法的建筑立面测量研究

任 定 春

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 眉山 620860)

1 概 述

随着我国经济的不断发展,城市化水平不断加快,与此同时也面临着旧城改造和市容出现的新的工程问题,而这些改造项目均需要建筑立面图纸作为设计和施工的依据。但因这些老旧建筑物缺少图纸等设计资料,导致如何快速、高效并准确地获取建筑物的立面线画图成为测绘行业近年来普遍关注的工程问题之一[1]。

目前常用的立面测量方法主要为全站仪测量法、三维激光扫描法和无人机倾斜摄影测量法等。具体而言,三维激光扫描技术又被称为实景复制技术,是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命,它不仅突破了传统的单点测量方法,而且具有独特的高效率、高精度优势。三维激光扫描技术能够提供扫描测量物体表面的三维点云数据及RGB颜色信息,同时还包括物体反色率信息,在获取不规则建筑物内部信息时具有一定的优势。如今三维激光扫描仪已向可移动方向发展,其主要包括车载三维激光扫描仪和机载三维激光雷达。然而,由于三维激光扫描生成的点云过于冗余,且三维建模轮廓线的提取方法不够成熟,后期还需进行人为筛选,且因所用仪器价格昂贵,导致一般单位难以开展相关的工作。无人机倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,其颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限,可以通过在同一飞行平台上搭载多台传感器、同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像进行空中三角测量、实现多视影像匹配最终构建出三维立体模型并基于三维模型生成数字线画图。倾斜摄影测量技术作为一个新兴的技术方法在三维建模和工程测量中具有广泛的前景[2]。然而,由于老旧城区中观测环境复杂,树木遮挡严重,导致无人机倾斜摄影测量难以发挥出其具有的有效作用。而全站仪因其具有精度高、成本低和非接触等优点,目前仍然作为立面测量中的重要手段在现代规则建筑物立面测量中发挥着重要作用。笔者基于多年积累的工程经验,完善了全站仪独立坐标基线立面测量方法并予以应用,取得了较好的效果,所取得的经验可为城市改造中解决所存在的立面测量问题提供参考。

2 立面测量与全站仪基线法立面测量的基本原理

2.1 立面测量的定义

由平行于铅垂面的投影面对建筑物立面进行投影,所得到的平面图即为建筑物立面图。立面测量相对于平面图测量而言,二者所测的目标面为垂直关系。常规平面图测量所得到的是X、Y、Z三维信息,而立面测量所得到的是X、Y轴信息中只取包含立面长度和高度的信息,故立面测量所采集到的信息为建筑物各特征点相对于测站点的水平长度和高差。立面图一般为大比例尺地图,主要包括1∶50、1∶100、1∶200、1∶500几种,主要反映建筑物的结构性特征,其中包括以下主体控制特征:立面的长、高,可见的横梁、墙线,建筑物屋顶、檐角与墙角;还包括碎部特征:门、窗、阳台、空调罩、墙体装饰、阶梯、花坛、雨棚、水箱等。根据立面的朝向可分为:东西立面、南北立面;根据房屋主要出入口的所在面或邻主干道所在面可将其命名为正立面;相应的可命名为背立面、侧立面等。

2.2 全站仪基线法立面测量的基本原理

使用全站仪基线法测量立面的第一步是根据现场建筑物情况设置一条或多条基线。该基线的选择直接影响到外业数据的采集和内业数据处理的效率。当建筑物各个立面不能通视或立面部分被遮挡时可设置多条初始基线;若建筑物周围测量条件较好、视野开阔则可使用一条基线并使该建筑物或一个立面的测量处于同一个坐标系中。基线端点选择的基本要求:(1)初始基线点应尽可能垂直或平行于建筑物某个待测立面;(2)测站点的设置应视野开阔,通视性好;(3)根据长边控制短边的原则,测站点和后视点的距离应尽可能地相距远一些;(4)点位应便于标记、保存。

基线选定后,根据基线点构建独立坐标系进行全站仪的设站和定向,利用极坐标法测定待测立面特征点在基线坐标系中的三维坐标,进而通过布尔萨七参数法将基线坐标系的坐标转换到立面坐标系中[3]。基线坐标系与立面坐标系的具体情况见图1。

图1 基线坐标系与立面坐标系示意图

图1中的坐标系NEZ为基线坐标系。图中的OQ为基线,其中O点为测站点;Q点为后视点。XYZ为立面坐标系,图中的P点为建筑物特征点。布尔萨七参数法见式(1):

(1)

式中XYZ为立面坐标系坐标;X′Y′Z′为基线坐标系坐标。其中λ为两个坐标系的尺度比例因子;R为旋转矩阵; [ΔX,ΔY,ΔZ]为平移矩阵。由于所选取的基线与建筑物立面平行,因此,只需将基线坐标系绕E轴旋转90°后其即与立面坐标系三轴平行。

2.3 全站仪基线法立面测量流程

该方法的基本工作流程包括:实地勘探、数据采集、数据处理、绘制成图与精度验证五个步骤,根据被测量建筑物的结构特点,其各步骤的复杂程度不尽相同。基线坐标系与立面坐标系见图2。

图2 基线坐标系与立面坐标系示意图

3 工程实例——二甲祠的测量

3.1 现代建筑物立面测量的具体步骤

(1)现场勘测。对目标建筑物的现场布局及其周边测量环境进行初步勘察,根据建筑物的复杂程度和现场情况设定测量控制点、基线的个数和位置,对需要多次使用的点位做定桩处理。

(2)数据采集。将全站仪架设在所选定的测站点上进行对中整平;再瞄准后视点B(假设后视点在测站点右方)测出两点的平距HD;量取仪器高度,然后将测站点坐标和仪器高输进仪器(假设测站点坐标为:N=100,E=100,Z=10;则其后视点坐标即为N=100,E=100+HD,Z=10);随后瞄准B点进行坐标定向;定向完成后将全站仪调成免棱镜模式即可开始采集建筑物立面特征点。立面测量过程中应遵循一般测量的规范,做到步步检核,先控制后碎部。立面测量过程应做到:有必要时首先放出待用的二、三级控制点;再测出该立面的控制性点(能够反映出立面尺寸的点:角点、顶点、墙边等);测量控制性点位时应做到适当的多余观测,最后测量立面碎部特征点[4]。测量时可在草图中相应的位置标明点号以方便绘图,或以编码区分。

需要注意的是:在测量立面过程中,难免会遇到若干不可通视的特征点,对此,可以通过前期准备的2、3级备用控制点设站进行数据采集,并在数据处理时将多次采集到的数据与公共点拼接即可。对于仪器不可直接测量且位于人可接触到的地方,此时可用手持测距仪或卷尺对特征点的相对位置进行测量并在草图中加以标记。对实际案例(二甲祠)中的建筑物进行立面测量时,当其底部台阶线被遮挡时即是使用手持激光测距仪进行补充测量的。

测量工作结束时,可用手持激光测距仪或皮尺量取主墙面的长度,从而可以检核根据所采集到的数据画出的立面图的尺寸是否准确。

(3)数据的处理。首先将全站仪数据导出为txt格式的文本,再将文本后缀名改为dat,在cass中显示出原始点位数据判断该基线是否平行或垂直该立面。若测量基线与立面不平行或垂直,则需进行测站改正操作。

然后进行坐标转换的处理,将转换好的dat文件在cass中展点(可选编码、点号),根据编码对应特征点位置绘制成图;亦可在草图上标注点号,根据相应的点号绘图。需要注意的是:一般情况下,按照实测的数据绘出来的各种门窗大小和高度可能不一致,而一般现代建筑物门窗的大小和高低在设计时会存在一定的规律性,因此,需要在尊重实际测量结果的基础上进行适当的调整。

最后,对成果图进行精度验证,其方法包括与现场采集到的建筑物边长、门窗等典型构件的尺寸进行对比;亦可与建筑平面图等数据进行验证。待其满足精度要求后即可存档提交;反之,则需找出误差原因并返测。

3.2 古建筑物的立面测量

3.2.1 控制测量

古建筑物的立面测量不仅包括外立面,亦包括建筑物内剖面、细部大样和建筑屋顶梁架等,故古建筑物的立面测量应更加细致,精度要求亦更高[5]。对此,为确保测量精度,需要对建筑物内外、四周进行联测。我们在对二甲祠(古建筑案例)做完实地勘测后选定了九个控制点,所设定的起始点高程为10 m,然后对九个控制点做四等水准测量并计算出其它控制点的相对高程;再在已知高程基础上利用全站仪基线法原理测出各点相对位置的坐标[6]。

3.2.2 平面图的测量

鉴于该祠堂内部平面构造较为复杂,其平面图的测量系在已知控制点的基础上利用全站仪采集二甲祠平面特征点;对于祠堂细部,如阶梯、天井、柱础等的尺寸使用皮尺辅助测量。二甲祠平面情况见图3。

图3 二甲祠平面图

3.2.3 外立面的测量

古建筑物外立面测量的主要步骤与现代建筑物立面测量的主要步骤一致。二甲祠侧立面墙体为马头墙,其主体无特殊结构,利用全站仪直接采集其特征点即可,需要利用全站仪测出马头墙顶部构造的主体尺寸和部分瓦片尺寸,但由于其瓦片密集且小,采用全站仪分别采点工作繁琐,精度亦低。最终通过采用数瓦片数量、明确滴水瓦与勾头(瓦档)的相对位置,绘图时根据其自身规律在测量的基础上适当调整可使立面图更接近实际情况。二甲祠侧立面见图4。

图4 二甲祠侧立面图

二甲祠正立面的构造较为复杂,其采用五凤楼式门楼,门楼下精雕有戏文图案,其木制门上亦有各类雕刻,从而使整个正立面十分饱满、精美,故其测量难度亦随之提高。为了更精确地反映正立面木门、花砖护墙和部分石雕的详细结构,采用皮尺详细测量了其细部尺寸、同时拍摄其细部照片在SketchUP软件中绘出大样图,最后统一比例尺,将大样图带基点复制到画好的正立面图中。

3.2.4 剖立面的测量

二甲祠内部分为厅堂和后堂,后堂较为狭小且地势高于厅堂中的五个台阶,高约66 cm;厅堂中部和后堂与厅堂交界处建有天井,其内部墙面均为木质,祠堂内部有规律性地建造有木柱支撑,木柱底部设有青石柱础,柱与梁交接处建有“喜鹊登梅”斜撑,厅堂大门外部两侧建有白玉石鼓。整个祠堂将徽派建筑的构思精巧、结构严谨、自然得体、典雅大方、雕镂精湛等特点展现的淋漓尽致。

根据二甲祠的布局特点,对其结构剖面、天井剖面和梁架仰视图进行了详细测量。其剖面测量的步骤与其它立面的测量步骤一样,但因剖面的剖切位置是人为定义的,从而导致剖面图成为一段距离内建筑构件的迭合,故其剖面测量在一定角度范围内采集的数据更多,导致在展点绘图时难度增大。对于柱基础、厅堂木门、石鼓等部件单独绘制出详细的大样图后再插入到剖面框架图中。

在已知的控制点上采集结构剖面的特征点。由于祠堂分为厅堂和后堂,其中间有屏风隔开,故需要分两次测量后再将两次测量的数据一起展点即可。所绘制出的结构剖面框架图(上)和完整剖面图(下)见图5。天井剖面的测量方法与结构剖面的测量方法相同。

图5 二甲祠结构剖面图

二甲祠梁架采用的是穿斗式和抬梁式结合的混合式构架,其既增加了室内空间,又节约了木料。梁架仰视图是利用全站仪对视角所及之处梁架进行数据采集、在地面用皮尺测量柱子的相对位置后再配合已有的结构剖面图和天井剖面图绘制而成的。通过梁架仰视图可以清晰地观察二甲祠的梁架结构,对徽派建筑“四水归堂”的风格亦有直观的感受。二甲祠梁架仰视情况见图6。

图6 二甲祠梁架仰视图

4 结 语

立面测量在城市更新和发展中以及建筑物维护、修缮和改建方面发挥了重要的作用。与常规手工测量和三维激光扫描等新兴测绘手段相比,全站仪基线法具有非接触、高精度、成本低和易于操作等优点。全站仪基线法立面测量操作方便,一个人一台仪器即可完成全部测量工作,能够节省人员与设备成本。全站仪基线法操作流程简便、数据处理简单,能够极大程度地节约测量人员学习和培训的时间成本,可以轻松地实现立面图的绘制。在对立面测量坐标转换的基本原理进行阐述后,介绍了所优化的全站仪立面测量的实测步骤,总结了其技术要点,最后借助古建筑物立面测量实例分析了该方法在复杂建筑物立面测量中的应用效果。总体来说,利用全站仪基线法进行立面测量具有成本低、操作简单、综合效率高等优势,其在目前城市发展和传统建筑物保护方面发挥着重要作用。