立面测量中立面数据转换程序的设计及应用

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。