立面測量中立面數據轉換程序的設計及應用

韋鋮，王福麗，周偉超，李明君

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266000； 2.青島理工大學琴島學院，山東 青島 266106；3.青島青保勘察測繪院有限公司，山東 青島 266520)

1 引 言

將建筑物不同的立面投影到與立面平行的鉛垂面上，然后按一定比例尺縮小而得到的正射投影圖，稱為建筑立面圖，簡稱立面圖[1]。立面的特征點用來體現建筑物的外貌形狀，用來反映屋頂、門窗、陽臺、雨篷、臺階等的形狀和位置，建筑垂直方向各部分高度，建筑物的藝術造型和外部裝飾等[2]。青島市嶗山區早期別墅大多沒有立面設計數據，其立面圖是別墅翻建中設計和施工的重要依據，因此，立面測量在別墅翻建過程中起著至關重要的作用。建筑物立面圖都是以鉛垂面為投影面，工程測量中的軟件都是基于平面測繪而研發的，無法直接生成立面圖。目前很多生產單位立面測量方法是：全站儀測出各立面特征點后，根據展出的各特征點平面位置和高程來繪制立面。當點個數少、立面較簡單時各特征點還可以辨認，而點個數多、立面較復雜時特征點無法辨認，不利于立面圖的繪制。本文通過編碼法測量將各立面特征點進行統一編碼，獲取各個立面特征點的三維坐標。編寫立面數據轉換程序，通過坐標轉換將三維坐標轉換為適用于SurveyMap成圖軟件的二維立面數據坐標，根據各特征點的編碼實現相同類型特征點的自動連線，進而快速、有效地完成立面圖的繪制。

2 建筑物立面測量的原理

建筑立面按建筑的朝向分為南立面、北立面、東立面、西立面。某建筑物立面如圖1所示，1點～6點是立面上的特征點，沿鉛垂線在高程為0(即H=0)的水平面上的投影分別為1′～6′點。A、B兩點為外業觀測中選定的處于同一水平線上的兩點，沿鉛垂線在水平面上的投影點為A′、B′。建筑物在平面圖中的突出或凹入部分，在立面圖中表現為一條較長的豎線，稱為豎向投影線[3]。

圖1 建筑物立面測量原理示意圖

利用編碼法分別獲取各特征點在測量坐標系X-Y-H中的三維坐標X、Y和H。由于一般的測繪軟件都是在水平投影面上進行操作的，因而將采集的所有外業數據展繪到測圖軟件中時，即可確定投影直線A′B′的平面位置。這條投影線一般不會與坐標橫軸(Y軸)平行。以投影直線A′B′為參照線，通過平移、移旋，將立面數據放于合適位置并使投影直線與坐標橫軸(Y軸)平行。將A′、B′作為公共點，求取轉換參數，對外業數據進行坐標轉換，得到新的三維坐標。通過數據處理，將三維坐標轉換為二維平面坐標，即X(南北方向)替換為H(高程值)，Y(東西方向)保留，H(高程值)保留，編碼保留。將處理的二維數據展繪到繪圖軟件中，結合外業草圖和拍攝的照片，完成建筑物立面圖的繪制。

3 建筑物立面外業數據的采集及數據的轉換

3.1 立面外業數據的采集

外業數據采集時需要測定基點坐標(確定豎下投影線、起算標高)和方向點坐標(確定立面圖坐標系、投影面)[4]。測量的立面特征點主要包含屋面凹凸線、玻璃墻、陽臺、女兒墻、門、窗、雨棚、臺階樓梯、欄桿、屋檐、屋脊等。

編碼法立面測量，是外業測量人員利用全站儀無棱鏡模式，按照特定的編碼法則，采集立面特征點的三維坐標。編碼是由字母和數字組成，其中字母是按照正常外業測量要求選取，如房子編碼為F，窗戶編碼為C，屋脊編碼為J；數字是為了區分立面，每個立面選用一個數字，例如：北立面窗戶全部編成C1，屋脊編碼為J1；西立面窗戶全部編成C2，屋脊編碼為J2；南立面數字全部編成3，東立面數字全部編成4。

3.2 立面數據轉換的方法

將外業原始數據展繪到SurveyMap中，根據實測點位先將別墅的平面圖整修完畢。在平面圖上隨意選取該立面在水平面上的投影點A、B兩點，這兩點連線方向平行于該立面在水平面上投影方向。以A點為基準點，AB連線方向為參照線，將平面圖平移、旋轉得到新的平面圖，如圖2所示，其中A′B′連線方向為與Y軸平行，確保旋轉后立面方向的正確性。

圖2 平面圖坐標轉換示意圖

將A、B、A′、B′作為不同坐標系下的已知公共點，根據相似變換四參數模型[5]，利用立面數據轉換程序，求出平面四參數[6]，根據求出的轉換參數將立面的外業測量數據按照式(1)進行坐標轉換。

(1)

式中，X2，Y2為旋轉后各特征點的坐標；X1，Y1為旋轉前各特征點的坐標；dx，dy為坐標平移參數；k為新坐標系與舊坐標系的尺度比；a為舊坐標軸轉至新坐標軸的旋轉角度，又稱旋轉因子。

利用立面數據轉換程序實現三維坐標向二維平面坐標的轉換，得到二維立面展點數據(編碼，H，Y)，完成三維外業測量數據向二維立面展點數據的轉換。

4 立面數據轉換程序在工程中的應用

本文以嶗山區東海東路某別墅翻建項目為例，通過真實數據對立面數據轉換程序精度及可靠性進行驗證。在建筑物立面附近利用QDCORS布設測量控制點G1和G2，根據編碼法分別獲取北立面各特征點在測量坐標系X-Y-H中的三維坐標X、Y和H，展點成圖。在平面圖上隨意選取北立面在水平面上的投影點A、B兩點。以A點為基準點，AB連線方向為參照線，將北立面圖形進行平移、旋轉，得到新的平面圖，得到A、B兩點在不同坐標系下的坐標，如表1所示。

利用立面數據轉換程序求取兩個坐標系間轉換參數，導入北立面外業測量數據，進行坐標轉換，得到新坐標系北立面三維坐標數據。利用立面數據轉換程序，對轉換后的三維坐標進行數據處理，得到二維立面展點數據(編碼，H，Y)，如圖3所示。

圖3 立面數據轉換程序運行界面

將處理的立面數據展繪到SurveyMap中，同類型特征點根據外業測量中的編碼進行自動連線，更簡單、更直接、更明了地分辨出立面特征點的類型，例如綠色線為窗戶點連線，黑色線為欄桿點連線，藍色線為屋脊點連線等，如圖4所示。

結合外業草圖和拍攝的照片，完成別墅北立面圖的繪制，如圖5所示。

為了驗證立面數據轉換程序轉換數據及成圖的精度，將立面展點圖與傳統方法繪制完成的立面圖疊加，如圖6所示。

圖4 立面數據展點圖

圖5立面成果圖圖6立面數據疊加圖

該立面數據轉換程序實現了立面測量坐標的自動轉換，進而快速、直接、有效得到二維坐標，實現立面數據處理的自動化。通過以上實例驗證，立面數據精度完全可以滿足工程需要。

5 結 語

傳統立面繪制方法效率低、工作量大、工期較長，對于復雜立面各特征點辨識度低，容易出錯。本文設計的立面數據轉換程序，實現了外業立面測量數據處理的自動化，立面成圖簡單明了，大大節省了內業成圖的時間，提高了工作效率。通過以上實例驗證，該軟件完全可以滿足工程需求。