自由換站法在工業(yè)遺產(chǎn)大普查測(cè)量中的應(yīng)用

張 禮，張定邦，*，齊 港，王定興

(湖北理工學(xué)院 a.土木建筑工程學(xué)院，b.長(zhǎng)江中游礦冶文化與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究中心，湖北 黃石 435003)

0 引言

近年來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，測(cè)繪技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。就國(guó)內(nèi)文物普查現(xiàn)狀而言，現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟[1]，測(cè)量?jī)x器普遍應(yīng)用電子設(shè)備，一些新型的測(cè)繪方法使文物測(cè)繪工作變得簡(jiǎn)捷[2-3]。應(yīng)用測(cè)量?jī)x器、繪圖軟件和三維建模軟件可以繪制平面圖或建立三維模型，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)可以為后期文物保護(hù)工作提供有效的依據(jù)[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)工業(yè)遺產(chǎn)普查開(kāi)展的研究較少，尤其是針對(duì)工業(yè)遺產(chǎn)測(cè)繪進(jìn)行的理論研究鮮有涉及[5]。然而，工業(yè)遺產(chǎn)測(cè)繪工作中經(jīng)常會(huì)遇到一些采用常規(guī)測(cè)量方法難以解決或解決效果不佳的問(wèn)題，因此有必要針對(duì)這些問(wèn)題改進(jìn)現(xiàn)有的測(cè)量方法。鑒于此，本文以黃石市工業(yè)遺產(chǎn)普查中的測(cè)量工作為依托，通過(guò)分析和歸納常規(guī)測(cè)量方法的不足，提出一種適用于不通視情況下碎部點(diǎn)測(cè)量的方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際遺址測(cè)繪過(guò)程中，以提高工業(yè)遺產(chǎn)普查工作中測(cè)繪工作的高效性和準(zhǔn)確性。

1 碎部點(diǎn)測(cè)量方法

黃石市工業(yè)遺產(chǎn)普查中的主要測(cè)繪工作是繪制黃石市老工業(yè)建筑物的平面構(gòu)造圖，其核心環(huán)節(jié)是測(cè)量工業(yè)建筑物外輪廓上的若干碎部點(diǎn)坐標(biāo)。但是，根據(jù)已知測(cè)繪控制點(diǎn)的坐標(biāo)位置以及建筑物的地理方位，采用常規(guī)的碎部點(diǎn)測(cè)量會(huì)遇到建站點(diǎn)與碎部點(diǎn)通視和不通視這2種情況。

1.1 通視情況下的測(cè)量

在建站點(diǎn)與碎部點(diǎn)可通視的情況下，建筑物外輪廓上碎部點(diǎn)的測(cè)量可采用常規(guī)的測(cè)量方式。通視情況下的碎部點(diǎn)測(cè)量示意圖如圖1所示。在圖1中，A和B為已知坐標(biāo)的測(cè)繪控制點(diǎn)，P為未知坐標(biāo)的建筑物外輪廓線上的點(diǎn)，∠1為AB連線的坐標(biāo)方位角，∠2為BP連線的坐標(biāo)方位角，∠3為AB連線與BP連線的夾角。

圖1 通視情況下的碎部點(diǎn)測(cè)量示意圖

具體測(cè)量步驟如下。

1)在B點(diǎn)架設(shè)光電經(jīng)緯儀(或全站儀)，以B點(diǎn)為建站點(diǎn)、A點(diǎn)為后視點(diǎn)建立測(cè)量站。

2)用光電經(jīng)緯儀測(cè)量AB連線與BP連線的夾角∠3，用鋼尺測(cè)量B點(diǎn)和P點(diǎn)之間的距離，記為L(zhǎng)BP。

3)已知點(diǎn)A和點(diǎn)B的坐標(biāo)，計(jì)算AB連線的坐標(biāo)方位角∠1，計(jì)算公式為：

(1)

4)計(jì)算BP連線的坐標(biāo)方位角，計(jì)算公式為：

∠2=∠1+∠3-180°

(2)

5)按照公式(3)和(4)計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo)值：

XP=XB+LBP×cos∠2

(3)

YP=YB+LBP×sin∠2

(4)

1.2 不通視情況下的測(cè)量

在建站點(diǎn)與碎部點(diǎn)不可通視的情況下，建筑物外輪廓上碎部點(diǎn)的測(cè)量工作比通視情況下要復(fù)雜。由于建站點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間有障礙物，常規(guī)的碎部點(diǎn)測(cè)量方式已經(jīng)不再適用，通?？刹捎棉D(zhuǎn)站法和后方交會(huì)法。

1.2.1轉(zhuǎn)站法

轉(zhuǎn)站法測(cè)量的原理實(shí)際上就是在測(cè)量點(diǎn)的附近新設(shè)立1個(gè)可通視的點(diǎn)，利用已知點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)定這個(gè)新點(diǎn)的坐標(biāo)，然后在新點(diǎn)上重新建站進(jìn)行碎部點(diǎn)的測(cè)量。

不通視情況下的轉(zhuǎn)站法測(cè)量示意圖如圖2所示。在圖2中，A和B為已知坐標(biāo)的測(cè)繪控制點(diǎn)，C為轉(zhuǎn)站點(diǎn)，P為未知坐標(biāo)的建筑物外輪廓線上的點(diǎn)，∠1為AB連線的坐標(biāo)方位角，∠2為BC連線的坐標(biāo)方位角，∠3為AB連線與BC連線的夾角，∠4為BC連線與CP連線的夾角。

圖2 不通視情況下的轉(zhuǎn)站法測(cè)量示意圖

具體測(cè)量步驟如下。

1)先按照前述通視情況下的測(cè)量方法，由公式(5)和(6)測(cè)定轉(zhuǎn)站點(diǎn)C的坐標(biāo)：

XC=XB+LBP×cos∠2

(5)

YC=YB+LBP×sin∠2

(6)

2)在C點(diǎn)架設(shè)光電經(jīng)緯儀(或全站儀)，以C點(diǎn)為建站點(diǎn)、B點(diǎn)為后視點(diǎn)建立測(cè)量站。

3)用光電經(jīng)緯儀測(cè)量BC連線與CP連線的夾角∠4; 用鋼尺測(cè)量C點(diǎn)和P點(diǎn)之間的距離，記為L(zhǎng)CP。

4)計(jì)算CP連線的坐標(biāo)方位角αCP：

αCP=∠2+∠4+180°

(7)

5)按照公式(8)和(9)計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo)值：

XP=XC+LBP×cosαCP

(8)

YP=YC+LBP×sinαCP

(9)

轉(zhuǎn)站法雖然可以解決建站點(diǎn)與碎部點(diǎn)不通視的問(wèn)題，但是存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)。

1)為了保證轉(zhuǎn)站點(diǎn)能同時(shí)與已知點(diǎn)和碎部點(diǎn)通視，轉(zhuǎn)站點(diǎn)的位置常常不是觀測(cè)碎部點(diǎn)的最佳位置。在測(cè)量障礙物較多的情況下，轉(zhuǎn)站點(diǎn)的選擇十分困難。

2)轉(zhuǎn)站點(diǎn)的坐標(biāo)精度未經(jīng)過(guò)導(dǎo)線測(cè)量的平差調(diào)整，會(huì)增大測(cè)量誤差。

3)轉(zhuǎn)站測(cè)量前，先用特殊穩(wěn)固的方式(如打入鋼釘)在地面上制作轉(zhuǎn)站點(diǎn)標(biāo)識(shí)。這會(huì)對(duì)測(cè)量精度帶來(lái)影響。

1.2.2后方交會(huì)法

為了加快測(cè)量進(jìn)度，減小轉(zhuǎn)站測(cè)量帶來(lái)的誤差，可以采用后方交會(huì)法進(jìn)行碎部點(diǎn)的測(cè)量。后方交會(huì)法的測(cè)量原理是找到1個(gè)同時(shí)可通視2個(gè)及以上已知點(diǎn)和碎部點(diǎn)的點(diǎn)位，在無(wú)需對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)識(shí)和坐標(biāo)測(cè)量的情況下，通過(guò)2個(gè)已知點(diǎn)建立坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上測(cè)量碎部點(diǎn)。

不通視情況下的后方交會(huì)法測(cè)量示意圖如圖3所示。在圖3中，A和B為已知坐標(biāo)的測(cè)繪控制點(diǎn)，C為后方交會(huì)點(diǎn)，P為未知坐標(biāo)的建筑物外輪廓線上的點(diǎn)(碎部點(diǎn))，∠1為AC連線的坐標(biāo)方位角，∠2為BC連線的坐標(biāo)方位角，∠a為AB連線與AC連線的夾角，∠b為AB連線與BC連線的夾角，∠c為AC連線與BC連線的夾角，∠3為BC連線與CP連線的夾角。

圖3 不通視情況下的后方交會(huì)法測(cè)量示意圖

具體測(cè)量步驟如下。

1)選定1個(gè)可同時(shí)通視已知A點(diǎn)、B點(diǎn)和P點(diǎn)的C點(diǎn)，在C點(diǎn)建站。

2)用全站儀測(cè)量∠c，用鋼尺分別測(cè)量AB，BC，AC，CP之間的距離，記為L(zhǎng)AB，LBC，LAC，LCP。

3)由余弦定理，按公式(10)計(jì)算∠a和∠b：

(10)

(11)

4)按公式(12)和(13)計(jì)算AC連線的坐標(biāo)方位角和BC連線的坐標(biāo)方位角：

∠1=∠a+αAB

(12)

∠2=αAB-∠b+180°

(13)

式(12)和(13)中，αAB為AB連線的坐標(biāo)方位角。由于A和B均為已知坐標(biāo)點(diǎn)，可以直接根據(jù)式(1)計(jì)算得到αAB。

5)聯(lián)合公式(14)和(15)計(jì)算C點(diǎn)的坐標(biāo)：

(14)

(15)

6)計(jì)算CP連線的坐標(biāo)方位角：

αCP=∠2+∠3+180°

(16)

7)按照公式(8)和(9)計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo)值。

采用后方交會(huì)法進(jìn)行不通視情況下的碎部點(diǎn)測(cè)量，能夠避免轉(zhuǎn)站法帶來(lái)的測(cè)量誤差，節(jié)省制作轉(zhuǎn)站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)志所花費(fèi)的時(shí)間。但是，后方交會(huì)法也存在以下幾個(gè)制約其現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用效果的缺點(diǎn)。

1)為了保證交會(huì)點(diǎn)與2個(gè)及以上已知點(diǎn)、碎部點(diǎn)的通視，交會(huì)點(diǎn)往往與所要測(cè)量的碎部點(diǎn)距離較遠(yuǎn)。

2)當(dāng)碎部點(diǎn)周圍的障礙物較多時(shí)，難以找到位置合適的交會(huì)點(diǎn)。

3)需要測(cè)量的物理量較多，計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，計(jì)算工作量較大。

2 測(cè)量方法的改進(jìn)

2.1 自由換站法的提出

黃石市工業(yè)遺產(chǎn)大多位于房屋較為密集的舊工業(yè)區(qū)，工業(yè)建筑物往往不能通視且周圍的測(cè)量障礙物較多，因而不適合采用轉(zhuǎn)站法和后方交會(huì)法進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)黃石市工業(yè)遺產(chǎn)普查對(duì)測(cè)量工作的要求，考慮到工業(yè)建筑物的周邊測(cè)量環(huán)境，經(jīng)過(guò)反復(fù)改進(jìn)和驗(yàn)證，提出了一種新的不通視情況下的碎部點(diǎn)測(cè)量方法——自由換站法。

2.2 自由換站法的工作流程

自由換站法的測(cè)量示意圖如圖4所示。在圖4中，A和B為已知坐標(biāo)的測(cè)繪控制點(diǎn)，C為未知坐標(biāo)的建站點(diǎn)，P為未知坐標(biāo)的建筑物外輪廓線上的點(diǎn)，∠1為BC連線與CP連線的夾角,∠b為BC連線與正東方向的夾角，∠c為BC連線與正南方向的夾角。自由換站法的測(cè)量原理是借助計(jì)算機(jī)軟件直接在正北(南)和正東(西)方向上測(cè)量建站點(diǎn)與已知點(diǎn)的坐標(biāo)增量，利用測(cè)站點(diǎn)建站，以已知點(diǎn)作后視點(diǎn)，將不通視情況下的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄒ暻闆r下的測(cè)量。

圖4 不通視情況下的自由換站法測(cè)量示意圖

自由換站法的工作流程如下。

1)選定1個(gè)建站點(diǎn)C，該點(diǎn)能夠與已知坐標(biāo)的點(diǎn)B通視，并且處于便于觀測(cè)P點(diǎn)的位置。

2)在C點(diǎn)架設(shè)經(jīng)緯儀，將經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)正南方向(利用電子指南針確定正南方向，復(fù)雜情況下其最大定向誤差可以控制在1°以內(nèi)[6])，并將水平角歸零，然后旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀使之瞄準(zhǔn)B點(diǎn)，此時(shí)經(jīng)緯儀水平度盤的讀數(shù)就是BC連線與正南方向的夾角∠c，同時(shí)BC連線與正東方向的夾角也可得到，再測(cè)量C點(diǎn)與B點(diǎn)之間的距離。

3)根據(jù)點(diǎn)B坐標(biāo)、BC長(zhǎng)度以及BC與正東方向的夾角，在AUTO CAD軟件中可以繪出BC線段，再借助AUTO CAD軟件中的查詢命令可得到BC之間的坐標(biāo)增量△X和△Y，即可得到C點(diǎn)的坐標(biāo)。

4)用經(jīng)緯儀測(cè)定BC和CP之間的夾角∠1，用鋼尺測(cè)定CP的長(zhǎng)度LCP，在AUTO CAD軟件中可以繪出CP線段，再借助AUTO CAD軟件中的查詢命令可得到P點(diǎn)的坐標(biāo)。

為了消除因操作不熟練等偶然因素造成的測(cè)量誤差，可在現(xiàn)場(chǎng)以B點(diǎn)為建站點(diǎn)并在B點(diǎn)架設(shè)經(jīng)緯儀，以A點(diǎn)為后視點(diǎn)建立坐標(biāo)系，采用傳統(tǒng)方法測(cè)量C點(diǎn)的坐標(biāo)，并將C點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)與計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，若誤差大于《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2016)中規(guī)定的導(dǎo)線點(diǎn)最大誤差值，則需重新進(jìn)行建站和測(cè)量。

2.3 自由換站法的優(yōu)點(diǎn)

與轉(zhuǎn)站法和后方交會(huì)法相比，自由換站法具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。

1)站點(diǎn)位置選擇靈活，受周圍障礙物干擾小，測(cè)試精度得到了提高。

2)借助計(jì)算機(jī)軟件，可以直接運(yùn)用AUTOCAD軟件在電腦上繪制碎步點(diǎn)位置，減少了后期的內(nèi)業(yè)繪圖工作量。

3)所有測(cè)量數(shù)據(jù)都可在計(jì)算機(jī)中查詢，避免了書(shū)面記錄數(shù)據(jù)的遺失。

4)所需測(cè)量的物理量較少，計(jì)算過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成，測(cè)量工作快速高效。

3 應(yīng)用實(shí)例

以大冶鋼鐵廠廠房遺址測(cè)繪工作為對(duì)象，分析自由換站法測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用效果。大冶鋼鐵廠廠房沿彎曲路線布置，附近多居民區(qū)，視線阻礙較為嚴(yán)重，其他測(cè)量方向適用性不強(qiáng)，因而采用自由換站法進(jìn)行測(cè)繪。

采用自由換站法測(cè)繪的大冶鋼鐵廠平面圖如圖5所示。在測(cè)繪過(guò)程中，共設(shè)置了59個(gè)自由換站測(cè)點(diǎn)，極大地減輕了測(cè)繪工作強(qiáng)度。為了驗(yàn)證該方法的測(cè)量精度，查閱了尚存的大冶鋼鐵廠房屋設(shè)計(jì)圖，隨機(jī)抽選了4個(gè)房屋輪廓線上的角點(diǎn)作為研究對(duì)象(見(jiàn)圖5中的①②③④點(diǎn))，將這4個(gè)點(diǎn)的原始坐標(biāo)與新測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，自由換站法測(cè)量精度抽檢結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 自由換站法測(cè)量精度抽檢結(jié)果m

由表1可知，這4個(gè)點(diǎn)的最大坐標(biāo)偏差為△X=0.11 m，△Y=0.12 m，誤差值小于《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2016)中規(guī)定的房屋測(cè)量最大允許誤差值，滿足工業(yè)遺產(chǎn)普查對(duì)測(cè)量精度的要求，因而可以認(rèn)為自由換站法是一種測(cè)量精度較高的測(cè)量建站方法。

4 結(jié)論

以黃石市工業(yè)遺產(chǎn)大普查中的測(cè)量工作為依托，闡述了通視情況下碎部點(diǎn)測(cè)量的常規(guī)測(cè)量方法、不通視情況下碎部點(diǎn)測(cè)量的轉(zhuǎn)站法和后方交會(huì)法的工作步驟，指出了其不足之處，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的平面圖測(cè)繪方法——自由換站法。自由換站法具有站點(diǎn)位置選擇靈活、受周圍障礙物干擾小、后期內(nèi)業(yè)繪圖工作量小、所需測(cè)量的物理量較少，以及測(cè)量工作快速高效等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的測(cè)量誤差分析可知，自由換站法的測(cè)量誤差值小于《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2016)中規(guī)定的房屋測(cè)量最大允許誤差值，滿足工業(yè)遺產(chǎn)普查對(duì)測(cè)量精度的要求。