建筑物形體測量過程中空間數據的獲取方法探究

楊鳳婷

（寧夏煤炭基本建設公司 寧夏 銀川 750200）

0 引言

針對本文研究對象，對建筑物空間數據做如下定義：在特定參照系下，建筑物的某部位或結構的三維空間存在、構成、空間拓撲關系及有關屬性，還包括為確定這些部位或結構形體特征而取得的離散采樣點空間坐標。

根據建筑物空間數據的定義，需要通過各種測量手段對研究的部位和結構進行離散點坐標采樣，獲得采樣點的三維坐標，并借助人工判別的方法確定相關部位或結構的構成、空間拓撲關系以及有關屬性。任何復雜的建（構）筑物都可以分為若干部位或結構，各部位與結構又可細分為若干點、線、面，這里的點、線、面不僅包括實體元素，也包括特殊的非實體元素。點、線、面除了具備顏色、材質等自然屬性外，它們內部還存在復雜的拓撲關系，拓撲關系是空間實體的依存基礎。現階段，對構成、拓撲以及屬性的認識一般借助于人工識別的方法。為了認識建筑物的形體特征，需要對建筑物進行有目的的測量采樣，測量采樣是空間數據獲取的主要內容。

1 經緯儀法

經緯儀在工業形體測量系統中應用普遍，主要利用其精密的測角系統，至少要兩臺以上經緯儀才能進行有效的采樣測量。多臺儀器測量先要解決系統定向問題，目前主要有兩種思路和方法：一種，是基于儀器精確整平的測站三維網平差法；一種，是建立在攝影測量共線方程基礎上的光束法平差法。在建筑物形體測量中，較早進行實踐的工作也是利用經緯儀，通過布設大尺寸工業測量系統完成對諸如大型天線等的安裝與檢測。

1.1 基本原理

兩臺經緯儀A和B，以A為坐標原點（經緯儀軸系交點），A，B連線在水平方向的投影為X軸，過A的鉛垂方向為Z軸，以右手法則確定Y軸，由此構成測量坐標系。兩儀器A，B對尺長已知的基準尺兩端點進行觀測，可反算出基線長b來。在實際系統中，是將前方交會的結果作為后續平差計算的初值。

（1）測站三維網平差法。多臺儀器的系統定向也就是確定儀器各設站點的相互位置關系，即測站點三維控制網的解算。經緯儀測量系統三維控制網中的觀測值僅為水平方向值和天頂距，加上必要的相對控制條件即可完成網的相對定向（測站間的相互方位）和絕對定向（系統的尺度基準）。這種方法要求儀器精確整平。

（2）光束法平差法。其實質是基于攝影測量中的光線束法平差理論，即將角度測量值化算為虛擬像平面坐標值，然后利用共線方程來求解兩臺或多臺經緯儀在空間的姿態和位置關系。這種方法不要求儀器精確整平。

1.2 實測步驟

在確定好形體目標并建立好控制網后，就可以根據上述方法進行點位測量，測量步驟如下：

（1）在A、B站架設經緯儀，精確整平，量取儀器高；

（2）經緯儀相互瞄準內規標進行相對定向；

（3）測量基準尺，完成絕對定向；

（4）對目標點精確定位，記錄水平方位角及豎直角。

1.3 適用性分析

（1）經緯儀法測定建筑物形體目標原理簡單：實施容易，一般測繪單位都具備這種條件；

（2）形體測量一般要求較高的測量精度，因此對經緯儀的精度有較高要求，量取儀器高會增大誤差，一般要設置固定觀測墩；

（3）控制網布設非常關鍵，其點位分布直接影響測量的圖形關系，對精度構成一定影響；

（4）經緯儀法可以對明顯特征點進行直接測量，如頂點、有標記的點等，對于面上無明顯標記的點需要人為設定標記，如果經緯儀具備投點功能，則比較方便；

（5）經緯儀法計算步驟較多，要借助程序來實現。

2 免棱鏡全站儀法

免棱鏡全站儀是把免棱鏡測距技術融進傳統的全站儀，對量程范圍內的目標進行有效測量，內置坐標測量功能可以輕松完成三維信息、采集，實現“所瞄即所測”。

2.1 基本原理

免棱鏡全站儀實現坐標測量的本質是在實現測距的基礎上，根據角度關系，自動計算出目標點的三維坐標目前市場上幾種免棱鏡全站儀看，精度都達到毫米級，具有較高測量精度。影響坐標測量精度的誤差主要來自儀器高、測量范圍等。

2.2 實測步驟

（1）在控制點測站架設儀器，量取儀器高；

（2）儀器精準定向，初始化方位角；

（3）對目標點精確定位，記錄測點三維坐標。

2.3 適用性分析

（1）免棱鏡全站儀法效率高，速度快，其最大優勢在于無需接觸被測點即可獲得被測點的三維坐標，利用這一特性，可以輕易完成建筑物表面測量；

（2）免棱鏡全站儀無需設置棱鏡，從而消除了多次測量的照準誤差；

（3）免棱鏡全站儀的量程己經達到200米左右，對于一般的大型建筑物可以滿足測量要求；

（4）精度高，性能可靠；

（5）免棱鏡適合對面上點的采集，入射角度對精度影響較小，可以進行大角度測量。

3 全站儀反射片法

全站儀反射片測量法是在測量點位粘貼好反射片，照準測量。反射片技術不同于棱鏡測量與免棱鏡測量，基本介于二者之間，并且只對少數全站儀品牌和型號支持，例如日本索佳全站儀全面支持這種測量技術。

3.1 基本原理

貼片法測量原理基本同于免棱鏡全站儀法，需要在測量點處貼好反射片。

3.2 實測步驟

（1）在需要測量的點位事先貼好反射片，反射片的大小視距離而定；

（2）在控制點測站架設儀器，量取儀器高；

（3）儀器精準定向，初始化方位角；

（4）對目標點精確定位，記錄測點三維坐標。

3.3 適用性分析

全站儀反射片法測量的精度與測程等指標基本同于免棱鏡法，適用于對面上的點進行坐標采集，唯一的差別是要在測量前粘貼好反射片。這種方法尤其適合對同一點位進行不同期次的測量情形，如監測工作，可以在監測前貼好反射片，供以后長期監測。

4 其它信息獲取

如果僅僅對建筑物進行離散點三維信息采樣，這些離散點彼此是孤立存在的，有限的空間點位信息不足以對其形體進行刻畫，因此，必須詳細研究測量對象的構成、拓撲關系及屬性。獲取這些信息的主要手段是靠人自身來判別。

4.1 有關信息的內容

任何復雜的建（構）筑物或其組成部位和結構都是由點、線、面所構成，進行形體測量，首先要判別研究對象由哪些點、線、面構成，既要在測量前根據點、線、面構成確定對應的采樣點位置、方法、數量，也要在獲取采樣點空間坐標的同時，判別該點位于哪個面上，哪條線上，是否屬于關鍵特征點，測點的歸屬信息對于完成后面的工作至關重要。

4.2 獲取的步驟

形體測量對象構成、拓撲、屬性信息主要靠人工識別，可以按如下步驟進行：

（1）根據形體對象的設計圖紙或實地勘察，統計出由哪些點、線、面構成并給與編號，分析這些點、線、面的空間拓撲關系；

（2）對形體對象構成面的顏色、材質及紋理屬性進行準確判斷并記錄；

（3）根據形體測量任務需要，記錄測量時間信息。

5 結束語

建筑物形體特征是指建筑物或其組成結構、部位的形狀、位置、大小、長度、面積、體積等關鍵幾何量的描述，同時還包括它們內部之間及與外部之間的相互關系特征。形體特征是對建筑物及其構成的精簡而準確的描述，是對建筑物空間數據的概括與抽象，對于實現形體測量的目的有重要意義。

［1］馬保卿，王敬剛.變形幾何體的測量與計算[J].西部探礦工程，2005，9：97-99.

［2］張學昌，高學敏.基于三坐標測量儀的雙目視覺測量方案及其數據分析[J].工具技術，2004，38(6)：65.