免棱镜全站仪在建筑立面测绘中的应用研究

郑 磊 易 恒 华远峰 汪顺喜

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

免棱镜全站仪在建筑立面测绘中的应用研究

郑 磊 易 恒 华远峰 汪顺喜

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

针对常规建筑立面测绘方法作业强度大，不适于大规模建筑立面测绘的难题，提出了一种基于免棱镜全站仪的建筑立面测绘方法，该方法可以根据现场情况自由设站，构建独立坐标系，只需采集必要的点、线特征数据即可，数据采集后经过坐标变换与处理即可得到建筑平面及各个立面的正射投影数据并实现统一展点与绘制，可显著提升数据可视化效果以及作业效率，并从实践上验证了该方法在建筑立面测绘工作中的优越性和适用性。

建筑，立面测绘，免棱镜全站仪

随着我国城市建设的不断发展，一些城市道路两侧建筑立面上大小不一、颜色各异的广告位，以及因老旧或维护不当导致杂乱无章的居民楼和商铺，逐渐成为街道整体形象的不协调元素。为了有效避免大拆大建，保护历史建筑与历史街区，留存城市文化、延续城市底蕴，给城市人民提供一个整洁有序的城市环境，对城市化进行整体规划，让临街外立面整体化、统一化逐渐成为当前城市建设的一项重要任务。考虑到一些建构筑物年久失修、设计图纸难以寻获，在建构筑物改造前，用测绘手段逆向获取建构筑物立面图就成为了一项必不可少的工作。当前针对立面测绘的技术方法主要有人工量测法、全站仪法、三维激光扫描法、近景摄影测量法等，然而，这些方法存在劳动强度过大，不太适于大规模建筑立面测绘[1-6]。鉴于此，本文提出了一种基于免棱镜全站仪，更加快捷、高效的建筑物立面测绘方法，以更好地适应建筑立面测绘的要求。

1 立面测绘方法

本文提出的基于免棱镜全站仪的建筑物立面测绘方法如下：

1)根据现场建筑物数量、分布情况、结构类型，构建建筑物立面测绘独立坐标系。该坐标系通过测站点(如图1C点)和后视点(如图1Q点)进行构建，测站点与后视点连线应尽可能平行于建筑物某一立面，且测站点与后视点应尽可能放在建筑物范围之外，后视点在测站点的北方向。这样布置测站点与后视点的目的：一方面能够保证测站点与后视点覆盖所测范围内的建筑物，保证整体精度，另一方面也能使建筑物平面数据展会出来之后与现实方位保持一致。测站一般假设坐标为(1 000,1 000,10)，后视点假定在测站点的正北方向，其坐标可以表示为(1 000+L，1 000.001,H)，L为测站点与后视点间水平距离，L可以利用全站仪测距功能测出来。

2)加密建筑立面测绘控制点。后视定向完成后，则根据建筑物分布情况和数量，在建筑物中间适当位置加密数据采集控制点，以便于采集建筑物各个立面的数据。

3)采集建筑物特征点、线数据并拍摄建筑多维照片。一般而言，建筑物立面测绘主要是将房屋立面的长、宽、房檐、门、窗以及相关装饰、生活配套设备等绘制成图；而年代相近的建筑物有些设计样式是相同的，同一个建筑物的不同单元往往也相同，门、窗、房檐、下水管、阁楼、长、宽、高等都存在不同程度的规律性、一致性，且门、窗一般是矩形要素只要测对角两点即可。因此，新测一栋建筑之前，首先要对其样式、风格进行观察，以快速确定需要采集的必要的特征、点线。一般同一单元上下设计样式相同，左右不同，因此，对于一个单元而言只要斜向上或斜向下测出特征图形要素即可通过复制、平移、镜像等功能绘制出整个单元的图形要素。而对于其他相同单元则只需要采集几处检核点即可，以验证不同单元之间是否相同；如果绘图时发现大小或间距不同则还需补测。

为了实现将建筑立面数据转换到平行于/垂直于某一建筑立面的平面内，实现正射投影，在采集特征点、线数据时，还需根据建筑的具体特征，在建筑立面上设置两个距离较远的定向点(如图1中DX1，DX2两点)。

在采集特征点、线的同时，还需对建筑物进行多角度的照片拍摄，以便于立面绘图时实时查看建筑样式。

4)坐标转换。如图1所示，假设测站点C的坐标为(xC，yC，HC)；后视零方向CQ；建筑立面上测点P点坐标为(xP，yP，HP)；测站点C到P点距离SCP；测站点C到点P的天顶距zCP；视线CP与后视方向CQ之间的水平角为α；i为仪器高；v为觇标高(本方法采用免棱镜，v值为0)。那么，建筑立面上测点P点坐标计算公式如下：

(1)

通过定向点DX1,DX2坐标计算旋转角θ如下：

(2)

坐标系旋转基准点可以任意设置，坐标假设为(x0，y0)，为了方便可以设置为坐标原点(0，0)；建筑立面上测点P点坐标旋转后坐标为(xRP，yRP，HRP)，则旋转后坐标可以表示如下：

(3)

经过上述旋转之后，建筑立面数据就旋转到了平行/垂直到建立立面的坐标系当中，进而实现建筑立面数据的正射投影。

5)格式转换。常见成图软件展绘的是点的平面坐标(x，y)，而建筑立面图需要表示的是立面元素在投影面上的高度和水平位置，因此绘图时需要根据所绘立面的位置提取相应的高程信息和水平位置信息即(HRP，xRP)或者(HRP，yRP)。也即是说建筑立面展绘时纵轴是高程，相当于地形绘图时的x轴；而另一轴向代表水平信息。

6)展点绘制成图。建筑立面改造项目，一个建筑往往需要建筑的平面图、三个立面图及其图形要素。绘图时需要做到平面、立面图建筑长度、高度、宽度一致；相同单元的长度、宽度、高度、图形要素一致；建筑立面的起算标高相同等。

2 工程应用

2016年年初，我单位承担了某市主干道综合改造工程道路两侧建筑立面改造项目。该项目测绘内容是道路两侧头排建筑的平面图及其立面图(只要道路上可视的三个立面，远离街道不可视的那面不要)。平面图主要是为了得到各个建筑物的平面尺寸，立面图主要是为了得到各个建筑的长、高、门、窗的大小以及房檐的长宽等。测区内建筑以居民楼、商场为主，测区独栋建筑约100栋，最高7层，楼高一般不超过30 m。但楼间距一般不够大；道路上车流量较大；道路两侧绿化带较宽且栽植较多高大乔木，测试时间正值3月中旬，枝繁叶茂；底商之前有私搭乱建建筑物，到处存放的车辆等。这些都对通视条件造成较大影响。

结合工程特点以及现有的仪器设备(GPT-3002LN免棱镜全站仪)，研究制定了本文给出的立面测绘方法，确保了本项目优质高效地完成，验证了本方法的优越性。下面结合本项目某一建筑的数据处理过程例证一下本方法效果。

图2是锦华小区54号楼的照片。从图2可以看出，锦华小区54号楼外形比较规整，具有很好的对称特点。因此，在采集特征点、线时，可以根据对称特征，按照本文前述方法进行数据采集。从而达到既能保证准确度，又能降低作业强度，大大提高作业效率的目的。

根据自由设站采集的特征点是原始数据，未经旋转。由于立面测绘时，很多特征点都在同一竖向上，因此，展绘出来时会有重叠；另外，由于是自由设站，展绘出来的建筑平面轮廓有很明显的倾斜。

根据定向点，计算出旋转角之后，将锦华小区54号楼特征点数据进行坐标转换，此时建筑轮廓显示为横平竖直形态。然后，开启正交模式，即可开始绘制建筑平面图，效果如图3所示。

特征点数据坐标转换之后，将所有数据按照X方向进行排列，即可分别提取出北立面、南立面的数据，然后再分别对其进行坐标格式转换，再次分别展绘即可得到北立面和南立面展点图，然后，结合照片、建筑平面图长宽数据以及门窗的对称特性等，再次开启正交模式，即可分别绘制出北立面图、南立面图和东立面图，如图4所示。

3 结语

本文针对常规立面测绘测试难度大、成图困难、人员要求较多，导致立面测绘效率较低的问题，提出了一种基于免棱镜全站仪的建筑立面测绘方法。该方法可以自由设站，只要一台仪器、一名测试人员就可以开展测绘工作，在满足精度要求的前提下，大大降低了人力成本，提高了作业效率，具有很强的可使用性和可推广性。

[1] 张为成，潘筱野，王 杨，等.全站仪免棱镜方法测绘建筑物立面图[J].黑龙江工程学院学报，2014，28(5)：8-10.

[2] 曾学宏，赵义花.全站仪专项测量功能在青岛市中山路立面图测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2013，36(13)：265-266.

[3] 史 经，曾庆连.全站仪编码法在建筑物立面测量中的应用[J].城市勘测，2013(6)：153-155.

[4] 别建晓.建筑物立面测量的研究[J].城市勘测，2011(3)：141-143.

[5] 江金霞，吴卓珈，陈德标.廊桥立面测量方法研究[J].北京测绘，2010(4)：43-45.

[6] 张为成，马俊海，王 强.全站仪结合数码相机在古建筑测绘中的应用[J].黑龙江工程学院学报，2010，24(4)：18-20.

Applicationresearchonmethodofbuildingelevationsurveyingandmappingusingnon-prismtotalstation

ZhengLeiYiHengHuaYuanfengWangShunxi

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)

Because the conventional method of building elevation surveying and mapping had some shortcomings such as needing more measurement personnel, higher labor intensity while lower efficiency, was not suitable for the large-scale elevation surveying and mapping. A new method based on non-prism total station was presented in this paper, the method only needed one observer and one non prism total station, could freely set the control station according to the project actual situation and construct independent coordinate system, only needed collect necessary points and lines. The building plane and each facade of ortho projection data of the building elevation surveying and mapping can be obtained through coordinate transformation after data collection and processing. The operation efficiency and visualization can be significantly improved and the superiority and applicability of the method was verified through the practices.

building, elevation surveying and mapping, non-prism total station

1009-6825(2017)29-0198-02

2017-08-02

郑 磊(1983- )，男，高级工程师，注册测绘师

TU198

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