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空间三维坐标法在城市建筑立面测绘中的应用

发表时间：2021/5/24 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张美红

[导读] 摘要：在城市建筑立面测绘中，空间三维坐标法是一种常见的应用技术，本文主要从采集数据、野外草图绘制、处理内业数据、立面图绘制四个方面，对空间三维坐标法在城市建筑立面测绘中的应用要点进行了梳理。

        云南玉溪原点测绘有限公司云南玉溪 653100
        摘要：在城市建筑立面测绘中，空间三维坐标法是一种常见的应用技术，本文主要从采集数据、野外草图绘制、处理内业数据、立面图绘制四个方面，对空间三维坐标法在城市建筑立面测绘中的应用要点进行了梳理。
        关键词：空间三维坐标法；城市建筑；立面测绘；应用
        1.采集数据
        1.1采集原理
        空间三维坐标法主要是借助免棱镜全站仪对建筑物的空间三维坐标进行采集，在实际应用中，相较于三维激光扫描技术，不仅投入的仪器成本低廉，而且内业解算在技术要求上较为简单，能用于建筑密集区的施测。而采集数据是城市建筑立面测绘的首要环节，首先是从全站仪坐标测量菜单的设置模式中，改正观测条件，将测距条件设置成免棱镜模式，此时的棱镜常数是0，这样就能确保仪器的运行始终处于免棱镜的状态下工作，在此基础上新建数据文件夹，将假设测站点的坐标和仪器高以及后视坐标方位角输入之后，对建筑的三维坐标数据进行采集。
        1.2精选测站
        因为每栋建筑物的布局不同，有着各自的风格，在数据采集过程中，应结合现场的实际情况，对拟测建筑物设定多个合适的测站点，并进行测站点的选择，在选择时坚持的原则为：相邻站点间以互相通视，通视还能尽可能地多的观测建筑外形点位，因为当仰角过大时，将出现实测困难，从而出现难以观测的情况，因此需要在免棱镜全站仪中安装弯管目镜。
        1.3测量要点
        在选择测站之后，首先是按照目标点的三维坐标计算公式进行三维坐标测量；其次是进行外业测量，这就需要定义一个铅直而又与建筑物的山墙面相平行的投影面，并在同一投影面的同一高度上选择两个点作为其基准点。最后是在测量过程中，最初测量环节是选择免棱镜模式，并将目标高度设置为0，持镜员则需要在室内的地坪处将花杆竖直，并观测棱镜后，将室内地坪高程读数记下来，再把目标高度修改成刚测得的高程数据，同时瞄准特征点测量的高度，也就是相对于室内地坪高差。若房屋墙体和门窗以及阳台的特征点在立面上中的长度、宽度难以采用钢尺测量时，可以不测三维坐标，而是改用全站仪进行对边测量。
        2野外草图绘制
        在野外草图绘制时，主要是对每栋建筑的立面图片进行拍摄，再对平面和立面图以及大样草图进行绘制，再采用钢尺测量每栋建筑一层的室内外墙体和门窗以及楼梯与台阶等细部尺寸，从而精确测量地形平面位置，最后对三维坐标测量结果进行检查。
        3内业数据处理
        利用全站仪采集三维坐标数据，而利用CASS软件只看到二维平面坐标，从立面图上能将投影坐标系的水平距离与高度体现出来，因此全站仪所采集的数据不能直接利用而要对其转换，也就是把三维坐标转换成立面坐标。因为全站仪采集数据为立面数据，在CASS软件中展点之后，容易出现点密集与混乱的情况，将观测数据从投影变换之后，从三维转换成二维，从而将立面正射投影图直接显示出来，而这就需要把数据展点在CASS软件点。而在外业测量过程中，同样需要定义一个铅直而又平行于建筑物墙面的投影面。例如在图1中，其中的a点和b点是立面的基准点，首先需要对其三维坐标进行测量，其次是将这两点作为投影面的水平基准点，并在内业图上采用CASS软件形成正投射影面，具体详见图2所示，实际测试时，将a点的坐标与b点的展点在CASS软件中将c-a-b作为其投影面，所以需要转换成c'-a-b'正射投影面，并将a点作为基点，旋转角度就成为c'-a-b'正射投影面。具体需要在CAD软件中下达旋转的指令，制定a点为基点，旋转角度应按照参照角度来旋转，且旋转前需要将测量数据完全选上，从而使得测量数据在旋转成一定角度后形成c'-a-b'正射投影面。当数据转换之后，利用CASS软件的工程应用菜单，采用高程点形成数据文件，坐标提取之后，由于数据文件内的点号顺序已经打乱，而DAT文件格式编码与新坐标并不对应，此时就需要把DAT数据文件采用CSV格式将其打开，并做好数据分列，全选数据从高程中对数据按照升序进行排列，此时的点号与编码就不按照顺序排列，但是坐标与点号和编码对应，再将旋转之后的DAT格式数据采用CSC来打开，此时就没有了编码列，而只有转转之后的数据，全选数据后，从高程中对数据进行升序排列。在这一旋转过程中，由于高程数据没有发生变化，再将高程排列的两列坐标复制到原始数据文件的高程之后，并旋转投影坐标，从而得到点编码和代码的高程投影数据，最后保存成DAT数据格式。

        图1：外业投影点              图2：投影面转换
        4立面图绘制
        在立面图绘制时，主要是按照两个投影点作为投影面的水平基准点，并在内业图中采用CASS软件，形成c'-a-b'正射投影面，将三维坐标转换成立面坐标。再采用点号和编码以及DAT文件格式与数据在处理之后，就能直观的将里面的所有特点在投影坐标系中将位置关系体现出来，同时也能连线成图，同时配合局部大样草图，从而绘制建筑物的详细尺寸，当立面图绘制完成之后，还要做好对其的检查，做好照片拍摄，以确保绘制的立面图与实地立面的一致性。

        图3：某小区东立面与西立面的测量成果图
        例如图3为某小区开展的日照测量，通过测量实践发现，日照测量的主体建筑与客体建筑分别为28栋与3栋，在测量过程中，针对地区地形的特点，在对底层平面图测量时，通过钢尺测量法进行了精确地测量。而高程控制则采用工程所在地的高程系，坐标则采用工程所在地的城市坐标系，同时建筑立面的轮廓和总体高度以及楼层的高度与地坪高层，均采取三维坐标来解决，这样门窗阳台和屋檐位置都只要测量一个位置，并采用全站仪的对边测量进行折线对边测量，依次测量得到门窗和阳台以及屋檐的尺寸。对于遮挡照准不到的门窗的角点，则是采取建筑物排列规则而对门窗的尺寸进行腿短，在图形绘制中，测量得到的门窗尺寸难免存在一定的误差，所以还要对测量实际结果的前提下把门窗调整到一致。同时，建筑物层高也具有一定的规律，因此在测量层高结果基本一样的前提下，把数据调整到一致。根据建筑日超分析来看，建筑楼的高度变化了5cm，而日照状况则基本没有发生，由于测量精度能达标，所以在建筑高度测量时的允许误差是5cm。
        在本案例中，全站仪采用免棱镜功能，这样就只要采集必需的点和线的特征数据，这样在数据采集之后，通过坐标变换和处理，从而得到建筑平面与每个里面的正射投影数据，不仅作业效率得到了有效提升，而且能有效的满足建筑立面测绘的需要。
        5结语
        综上所述，本文论述了一种用于城市建筑立面测量的空间三维坐标测量方法，在实际应用过程中，我们不仅要掌握外业施测方法与步骤，又要切实注重内业观测数据的处理，尤其是在内业观测数据需要通过投影变换的方式，从三维向二维转变，从而直接立面正射投影图得到直观地显示，从而利用城市建筑的数据给城市规划和数字城市建设提供更加科学和翔实的依据。
        【参考文献】
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