免棱鏡測量輔助攝影測量技術(shù)應(yīng)用分析

王洪

(福建工程學院交通運輸學院，福建福州350118)

建筑是一個社會的文化經(jīng)濟和科技狀況的真實寫照。沙里寧曾說過:“城市建筑是一本打開的書，從中可以看到它的抱負。讓我看看你的城市建筑，我就能說出這個城市居民在文化上追求的是什么”。國內(nèi)大中城市的市容景觀日新月異，新建筑層出不窮，然而，因為歷史上和經(jīng)濟上的客觀因素制約，一大批舊建筑還要在相當長的時間內(nèi)與新建筑毗鄰共存。怎樣才能在有限的經(jīng)濟條件下，采取最有效的手段對舊建筑立面進行翻新改造，使之能與周邊新景觀相協(xié)調(diào)，是建筑設(shè)計的一個較難的課題［1］。

城市建筑外立面改造旨在花費較少的經(jīng)濟成本和時間成本以提升城市形象，改造的功效主要取決于對于地域文化的發(fā)掘與利用程度。實踐表明，城市建筑外立面改造可以在短期內(nèi)實現(xiàn)城市面貌的新變化，使城市新舊建筑風貌統(tǒng)一，提升城市形象、品味。在城市景觀工程中，對舊有建筑物的立面進行改造，改造前需要提供測繪的完整建筑物立面圖。利用免棱鏡測量輔助攝影測量技術(shù)進行建筑外立面測繪具有簡捷、高效等特點。本文以大世界陶瓷廠、守銀熔塊廠外立面測繪為例，研究免棱鏡測量輔助攝影測量技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用。

1 建筑立面測繪技術(shù)概述

1.1 免棱鏡測量技術(shù)

免棱鏡測量(reflectorlessmeasurement)又稱為無合作目標測量，是不需要反射棱鏡而依靠被測物的自然表面反射光線來進行測距。其特點是不需要在測點上放置棱鏡，即可測量出該點的三維坐標。此項技術(shù)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，它具有良好的技術(shù)規(guī)范:高精度、大范圍，具有可見的紅色激光斑，以及很小的光束直徑［2］。免棱鏡全站儀短距離測程的有300～500 m(如瑞得RTS－862R、蘇一光RTS112R5L型全站儀)，長距離測程可達 1 km(如 LEICA TS06PLUS型全站儀)，超遠測程甚至可達2 km(如TOPCON QS系列測量機器人)，可以滿足多種用途的測量需求。免棱鏡全站儀的另一個巨大優(yōu)點是設(shè)站靈活，因為儀器可用距離后方交會進行自由設(shè)站，這就給測量帶來很大靈活性，可以在不同的現(xiàn)場條件下選擇最佳位置設(shè)站，減少其它工序?qū)y量的干擾，同時也減少了測量對其它工序的干擾［3］。

免棱鏡測量技術(shù)測量精度高，外業(yè)施測容易上手，特別適用于規(guī)則建筑物的外立面測量。免棱鏡全站儀測量的精度與通視條件、觀測距離、反射角度以及反射面的性質(zhì)有關(guān)［4］，所以免棱鏡測量對于不規(guī)則或是復(fù)雜的建筑則有些力不從心。

1.2 攝影測量技術(shù)

攝影測量作為一種非接觸性的測量手段，可獲取地表的大量物理信息和幾何信息，形成數(shù)字地面模型(digital earth model，DEM)，彌補了傳統(tǒng)測量勞動強度大、不能實時觀測、不能獲得瞬時3維移動變形信息等缺陷。攝影測量的效率很高，可以在瞬間獲取大量有用的信息，野外工作量較小，一般在現(xiàn)場只需要進行定位和拍攝，就可快速獲取現(xiàn)場信息。

建筑立面測繪，采用常規(guī)地面測量方法外業(yè)采集工作量大，相應(yīng)的制作周期也很長。采用攝影測量方法具有時間短，工作效率高的優(yōu)點。當無量測相機可用，且對建筑物立面圖幾何精度要求不是特別高時，宜采用二維直接線性變換(direct linear transformation，DLT)方法，相應(yīng)的設(shè)備為普通數(shù)碼相機，二維直接線性變換模型相對于三維模型來說具有控制點數(shù)量少，算法簡便的特點［5］，但非量測數(shù)碼相機鏡頭畸變大，像主點不在CCD幾何中心上，存在CCD面陣內(nèi)畸變等，使得獲取的影像畸變大［6］。因此，要實現(xiàn)非量測相機的量測化，需要利用內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對影像進行糾正。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

按照福建省人民政府對城鄉(xiāng)建設(shè)的要求，結(jié)合城鄉(xiāng)綠道建設(shè)、農(nóng)村環(huán)境連片整治、新農(nóng)村建設(shè)和水利工程建設(shè)，開展城鄉(xiāng)環(huán)境綜合整治“點線面”攻堅計劃。本次立面改造工程位于福州市閩清縣白樟鎮(zhèn)境內(nèi)、福－銀高速公路沿線兩側(cè)，包含景閩陶瓷廠、大世界陶瓷廠、守銀熔塊廠等8個整治區(qū)域，沿線廠房均比較破舊，色彩不一，窗戶等構(gòu)件破損嚴重，廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)裸露部分較多，雜亂無序，裸露的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生銹嚴重，廠房堆場零亂不齊，外部環(huán)境較為雜亂，給建筑立面外業(yè)測量和改造工程帶來極大的困難。

2.2 外立面測繪方法

改造工程設(shè)計的基本原則是對沿線兩側(cè)的企業(yè)進行廠房搬遷或立面改造，治理污水垃圾廢氣，植樹綠化周邊環(huán)境，要對裸露房屋及各類破舊墻體進行粉刷裝飾或是拆除，因而需要提供詳細的測繪立面圖紙，以確認建筑物平面布置及相鄰關(guān)系，進行建筑施工圖、整治效果圖等的設(shè)計。由于工廠比較分散、零亂，且工程整個預(yù)算經(jīng)費較少，因而如果采用三維激光掃描技術(shù)進行測量，儀器租賃等成本會比較高，不夠經(jīng)濟。工程采用全站儀免棱鏡測量輔助非量測相機攝影測量技術(shù)進行外立面測繪。

建筑立面圖測繪主要測繪建筑的陽臺、門、窗格、屋脊、雨棚、屋頂、管道等組成立面的特征點數(shù)據(jù)。為了方便后續(xù)繪制建筑立面圖并對其進行有效的檢核，在建筑立面測繪過程中，需要測繪出建筑陽臺、門、窗格、屋脊等立面構(gòu)件的水平尺寸。使用全站儀的免棱鏡測量功能可以對建筑立面進行高效的數(shù)據(jù)采集［7］。

如果建筑物立面比較規(guī)則，全站儀實測的數(shù)據(jù)也足夠繪制立面圖，那么可以完全利用免棱鏡全站儀所測量數(shù)據(jù)進行建筑立面圖繪制。但在建筑立面測繪工作過程中，所要測繪的建筑立面非常復(fù)雜，細部構(gòu)件很多，外業(yè)坐標數(shù)據(jù)采集不但工作量大，而且經(jīng)常會由于反射面反射率、反射角或是距離太遠等原因，無法測量足夠的數(shù)據(jù)，這為后續(xù)的內(nèi)業(yè)描繪建筑立面圖帶來了很多困難。外業(yè)利用非量測立體相機對復(fù)雜的建筑立面進行拍攝，針對這些建筑立面測繪一定量的特征關(guān)鍵點，然后在內(nèi)業(yè)，利用特征關(guān)鍵點作為控制點，對建筑立面像片進行線性糾正，當線性糾正精度滿足后，再根據(jù)立面像片勾繪建筑立面圖。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

選取有代表性的大世界陶瓷廠、守銀熔塊廠立面測繪為例，闡述免棱鏡測量技術(shù)輔助攝影測量技術(shù)在建筑物外立面測繪中的應(yīng)用。

2.3.1 像片數(shù)據(jù)采集

利用普通單反數(shù)碼相機對大世界陶瓷廠、守銀熔塊廠外立面進行拍攝，獲得像片數(shù)據(jù)，選取成像清晰、畸變較小的像片作為立面圖測繪的基礎(chǔ)像片，如圖1、2所示。

圖1 大世界陶瓷廠像片F(xiàn)ig.1 The photo of Big World Ceram ic Factory

圖2 守銀熔塊廠像片F(xiàn)ig.2 The photo of Shou Yin Frit Plant

2.3.2 全站儀免棱鏡數(shù)據(jù)采集

測量使用拓普康GPT－3002LNC型全站儀，測角精度:±2″，測距精度:±(2 mm+2×10－6×D)，標準環(huán)境下測程為1 200m，采用獨立坐標系統(tǒng)，自由設(shè)站，首先對建筑物上下四個角進行測量，以便控制住整體尺寸，另外對特征明顯的窗格進行測量(盡可能多測量幾個特征明顯的點，以便內(nèi)業(yè)進行圖像處理)，同樣尺寸的窗格詳細測量一個即可，窗格之間距離也進行實測。采集特征控制點如圖1中所標注的1～16點、圖2中所標注的1～10點所示。

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.4.1 全站儀數(shù)據(jù)處理

將全站儀外業(yè)采集的建筑物立面特征點數(shù)據(jù)展繪在南方CASS8.0軟件上，全站儀數(shù)據(jù)的格式為:點號，，y，x，h。由于 CASS8.0 是基于平面的數(shù)字化成圖軟件，故展繪后在同一豎直面上的點基本上處在同一條直線上，圖1中1、2兩點，圖2中的1、2、3三點由于在同一個豎直面上，相對于測站點的平面坐標一致，故點位重合，無法直接繪制立面圖，需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖1中以1、16點連線為軸線，圖2中以1、10點連線為軸線，將圖形旋轉(zhuǎn)至水平位置，即軸線平行于Y坐標軸。然后利用CASS軟件中工程應(yīng)用菜單下的指定點生成數(shù)據(jù)功能重新輸出坐標數(shù)據(jù)，并存成*.dat文件格式。將*.dat在 Excle表格中打開，將最后一列高程h數(shù)據(jù)覆蓋掉x坐標列，將高程h列數(shù)據(jù)都改成0，另存數(shù)據(jù)文件為*.CSV格式，然后將*.CSV文件改為*.dat文件，重新展繪數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)展點并連線后如圖3、圖4所示，坐標縱軸就是基于高程差值，可以直接對各個測量點進行連線，繪制建筑立面圖。

圖3 大世界陶瓷廠數(shù)據(jù)變換后展點圖Fig.3 Big World Ceram ic Factory’s points plot after data transformation

圖4 守銀熔塊廠數(shù)據(jù)變換后展點圖Fig.4 Shou Yin Frit Plant’s points plot after data transformation

2.4.2 攝影相片糾正

將攝影像片導(dǎo)入南方CASS 8.0軟件，利用工具菜單中的圖像糾正功能進行處理，圖面坐標通過拾取像片上特征點獲得，實際坐標直接輸入相應(yīng)的全站儀實測點坐標。至少輸入4組數(shù)據(jù)，然后進行像片糾正，如圖5、6所示。

圖5 大世界陶瓷廠像片糾正Fig.5 Photo correcting of Big W orld Ceram ic Factory

圖6 守銀熔塊廠像片糾正Fig.6 Photo correcting of Shou Yin Frit Plant

2.5 立面圖成果輸出

利用免棱鏡全站儀所測量建筑外立面特征輪廓數(shù)據(jù)以及糾正后的建筑外立面像片，按照要素樣式在CAD上描繪建筑物外立面輪廓，然后經(jīng)過尺寸說明標注和圖例、圖廓整飾等工藝［7］，完成大世界陶瓷廠、守銀熔塊廠的外立面圖繪制，如圖7、8所示，供施工預(yù)算和改造方案設(shè)計使用。

3 結(jié)論

圖7 大世界陶瓷廠立面圖Fig.7 Facade p lot of Big W orld Ceram ic Factory

圖8 守銀熔塊廠立面圖Fig.8 Facade plot of Big W orld Ceram ic Factory

在大世界陶瓷廠、守銀熔塊廠外立面改造工程中，采用免棱鏡測量輔助攝影測量技術(shù)共完成了8個整治區(qū)域、30余座廠房建筑的外立面測繪任務(wù)。它采用非接觸式測量模式，解決了建筑立面復(fù)雜，不易采點等困難;全站儀進行數(shù)據(jù)采集時，自由設(shè)站，無需定向，整平后即進行測量;像片數(shù)據(jù)采集時基于非量測式數(shù)碼相機，數(shù)據(jù)信息量大;內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件基于AUTOCAD平臺，便于成果輸出。免棱鏡測量輔助攝影測量技術(shù)彌補了傳統(tǒng)立面測量方法的不足，高效地完成了工廠立面改造任務(wù)。實踐證明采用免棱鏡測量輔助攝影測量技術(shù)具有外業(yè)測量快捷、全數(shù)字化、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理簡便、出錯少等優(yōu)點。若建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要精細描繪建筑物立面模型或是在大型工程中建議使用三維激光掃描技術(shù)或綜合應(yīng)用多種測量技術(shù)。

［1］羅明剛，鄧蜀陽.淺議城市建筑外立面改造［J］.福建建筑，2011(12):34－36.

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