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立面测量中立面数据转换程序的设计及应用

2019-01-03韦铖王福丽周伟超李明君

城市勘测 2018年6期
关键词:平面图外业投影

韦铖,王福丽,周伟超,李明君

(1.青岛市勘察测绘研究院,山东 青岛 266000; 2.青岛理工大学琴岛学院,山东 青岛 266106;3.青岛青保勘察测绘院有限公司,山东 青岛 266520)

1 引 言

将建筑物不同的立面投影到与立面平行的铅垂面上,然后按一定比例尺缩小而得到的正射投影图,称为建筑立面图,简称立面图[1]。立面的特征点用来体现建筑物的外貌形状,用来反映屋顶、门窗、阳台、雨篷、台阶等的形状和位置,建筑垂直方向各部分高度,建筑物的艺术造型和外部装饰等[2]。青岛市崂山区早期别墅大多没有立面设计数据,其立面图是别墅翻建中设计和施工的重要依据,因此,立面测量在别墅翻建过程中起着至关重要的作用。建筑物立面图都是以铅垂面为投影面,工程测量中的软件都是基于平面测绘而研发的,无法直接生成立面图。目前很多生产单位立面测量方法是:全站仪测出各立面特征点后,根据展出的各特征点平面位置和高程来绘制立面。当点个数少、立面较简单时各特征点还可以辨认,而点个数多、立面较复杂时特征点无法辨认,不利于立面图的绘制。本文通过编码法测量将各立面特征点进行统一编码,获取各个立面特征点的三维坐标。编写立面数据转换程序,通过坐标转换将三维坐标转换为适用于SurveyMap成图软件的二维立面数据坐标,根据各特征点的编码实现相同类型特征点的自动连线,进而快速、有效地完成立面图的绘制。

2 建筑物立面测量的原理

建筑立面按建筑的朝向分为南立面、北立面、东立面、西立面。某建筑物立面如图1所示,1点~6点是立面上的特征点,沿铅垂线在高程为0(即H=0)的水平面上的投影分别为1′~6′点。A、B两点为外业观测中选定的处于同一水平线上的两点,沿铅垂线在水平面上的投影点为A′、B′。建筑物在平面图中的突出或凹入部分,在立面图中表现为一条较长的竖线,称为竖向投影线[3]。

图1 建筑物立面测量原理示意图

利用编码法分别获取各特征点在测量坐标系X-Y-H中的三维坐标X、Y和H。由于一般的测绘软件都是在水平投影面上进行操作的,因而将采集的所有外业数据展绘到测图软件中时,即可确定投影直线A′B′的平面位置。这条投影线一般不会与坐标横轴(Y轴)平行。以投影直线A′B′为参照线,通过平移、移旋,将立面数据放于合适位置并使投影直线与坐标横轴(Y轴)平行。将A′、B′作为公共点,求取转换参数,对外业数据进行坐标转换,得到新的三维坐标。通过数据处理,将三维坐标转换为二维平面坐标,即X(南北方向)替换为H(高程值),Y(东西方向)保留,H(高程值)保留,编码保留。将处理的二维数据展绘到绘图软件中,结合外业草图和拍摄的照片,完成建筑物立面图的绘制。

3 建筑物立面外业数据的采集及数据的转换

3.1 立面外业数据的采集

外业数据采集时需要测定基点坐标(确定竖下投影线、起算标高)和方向点坐标(确定立面图坐标系、投影面)[4]。测量的立面特征点主要包含屋面凹凸线、玻璃墙、阳台、女儿墙、门、窗、雨棚、台阶楼梯、栏杆、屋檐、屋脊等。

编码法立面测量,是外业测量人员利用全站仪无棱镜模式,按照特定的编码法则,采集立面特征点的三维坐标。编码是由字母和数字组成,其中字母是按照正常外业测量要求选取,如房子编码为F,窗户编码为C,屋脊编码为J;数字是为了区分立面,每个立面选用一个数字,例如:北立面窗户全部编成C1,屋脊编码为J1;西立面窗户全部编成C2,屋脊编码为J2;南立面数字全部编成3,东立面数字全部编成4。

3.2 立面数据转换的方法

将外业原始数据展绘到SurveyMap中,根据实测点位先将别墅的平面图整修完毕。在平面图上随意选取该立面在水平面上的投影点A、B两点,这两点连线方向平行于该立面在水平面上投影方向。以A点为基准点,AB连线方向为参照线,将平面图平移、旋转得到新的平面图,如图2所示,其中A′B′连线方向为与Y轴平行,确保旋转后立面方向的正确性。

图2 平面图坐标转换示意图

将A、B、A′、B′作为不同坐标系下的已知公共点,根据相似变换四参数模型[5],利用立面数据转换程序,求出平面四参数[6],根据求出的转换参数将立面的外业测量数据按照式(1)进行坐标转换。

(1)

式中,X2,Y2为旋转后各特征点的坐标;X1,Y1为旋转前各特征点的坐标;dx,dy为坐标平移参数;k为新坐标系与旧坐标系的尺度比;a为旧坐标轴转至新坐标轴的旋转角度,又称旋转因子。

利用立面数据转换程序实现三维坐标向二维平面坐标的转换,得到二维立面展点数据(编码,H,Y),完成三维外业测量数据向二维立面展点数据的转换。

4 立面数据转换程序在工程中的应用

本文以崂山区东海东路某别墅翻建项目为例,通过真实数据对立面数据转换程序精度及可靠性进行验证。在建筑物立面附近利用QDCORS布设测量控制点G1和G2,根据编码法分别获取北立面各特征点在测量坐标系X-Y-H中的三维坐标X、Y和H,展点成图。在平面图上随意选取北立面在水平面上的投影点A、B两点。以A点为基准点,AB连线方向为参照线,将北立面图形进行平移、旋转,得到新的平面图,得到A、B两点在不同坐标系下的坐标,如表1所示。

利用立面数据转换程序求取两个坐标系间转换参数,导入北立面外业测量数据,进行坐标转换,得到新坐标系北立面三维坐标数据。利用立面数据转换程序,对转换后的三维坐标进行数据处理,得到二维立面展点数据(编码,H,Y),如图3所示。

图3 立面数据转换程序运行界面

将处理的立面数据展绘到SurveyMap中,同类型特征点根据外业测量中的编码进行自动连线,更简单、更直接、更明了地分辨出立面特征点的类型,例如绿色线为窗户点连线,黑色线为栏杆点连线,蓝色线为屋脊点连线等,如图4所示。

结合外业草图和拍摄的照片,完成别墅北立面图的绘制,如图5所示。

为了验证立面数据转换程序转换数据及成图的精度,将立面展点图与传统方法绘制完成的立面图叠加,如图6所示。

图4 立面数据展点图

图5立面成果图图6立面数据叠加图

该立面数据转换程序实现了立面测量坐标的自动转换,进而快速、直接、有效得到二维坐标,实现立面数据处理的自动化。通过以上实例验证,立面数据精度完全可以满足工程需要。

5 结 语

传统立面绘制方法效率低、工作量大、工期较长,对于复杂立面各特征点辨识度低,容易出错。本文设计的立面数据转换程序,实现了外业立面测量数据处理的自动化,立面成图简单明了,大大节省了内业成图的时间,提高了工作效率。通过以上实例验证,该软件完全可以满足工程需求。

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