建筑物形体测量过程中空间数据的获取方法探究

杨凤婷

（宁夏煤炭基本建设公司 宁夏 银川 750200）

0 引言

针对本文研究对象，对建筑物空间数据做如下定义：在特定参照系下，建筑物的某部位或结构的三维空间存在、构成、空间拓扑关系及有关属性，还包括为确定这些部位或结构形体特征而取得的离散采样点空间坐标。

根据建筑物空间数据的定义，需要通过各种测量手段对研究的部位和结构进行离散点坐标采样，获得采样点的三维坐标，并借助人工判别的方法确定相关部位或结构的构成、空间拓扑关系以及有关属性。任何复杂的建（构）筑物都可以分为若干部位或结构，各部位与结构又可细分为若干点、线、面，这里的点、线、面不仅包括实体元素，也包括特殊的非实体元素。点、线、面除了具备颜色、材质等自然属性外，它们内部还存在复杂的拓扑关系，拓扑关系是空间实体的依存基础。现阶段，对构成、拓扑以及属性的认识一般借助于人工识别的方法。为了认识建筑物的形体特征，需要对建筑物进行有目的的测量采样，测量采样是空间数据获取的主要内容。

1 经纬仪法

经纬仪在工业形体测量系统中应用普遍，主要利用其精密的测角系统，至少要两台以上经纬仪才能进行有效的采样测量。多台仪器测量先要解决系统定向问题，目前主要有两种思路和方法：一种，是基于仪器精确整平的测站三维网平差法；一种，是建立在摄影测量共线方程基础上的光束法平差法。在建筑物形体测量中，较早进行实践的工作也是利用经纬仪，通过布设大尺寸工业测量系统完成对诸如大型天线等的安装与检测。

1.1 基本原理

两台经纬仪A和B，以A为坐标原点（经纬仪轴系交点），A，B连线在水平方向的投影为X轴，过A的铅垂方向为Z轴，以右手法则确定Y轴，由此构成测量坐标系。两仪器A，B对尺长已知的基准尺两端点进行观测，可反算出基线长b来。在实际系统中，是将前方交会的结果作为后续平差计算的初值。

（1）测站三维网平差法。多台仪器的系统定向也就是确定仪器各设站点的相互位置关系，即测站点三维控制网的解算。经纬仪测量系统三维控制网中的观测值仅为水平方向值和天顶距，加上必要的相对控制条件即可完成网的相对定向（测站间的相互方位）和绝对定向（系统的尺度基准）。这种方法要求仪器精确整平。

（2）光束法平差法。其实质是基于摄影测量中的光线束法平差理论，即将角度测量值化算为虚拟像平面坐标值，然后利用共线方程来求解两台或多台经纬仪在空间的姿态和位置关系。这种方法不要求仪器精确整平。

1.2 实测步骤

在确定好形体目标并建立好控制网后，就可以根据上述方法进行点位测量，测量步骤如下：

（1）在A、B站架设经纬仪，精确整平，量取仪器高；

（2）经纬仪相互瞄准内规标进行相对定向；

（3）测量基准尺，完成绝对定向；

（4）对目标点精确定位，记录水平方位角及竖直角。

1.3 适用性分析

（1）经纬仪法测定建筑物形体目标原理简单：实施容易，一般测绘单位都具备这种条件；

（2）形体测量一般要求较高的测量精度，因此对经纬仪的精度有较高要求，量取仪器高会增大误差，一般要设置固定观测墩；

（3）控制网布设非常关键，其点位分布直接影响测量的图形关系，对精度构成一定影响；

（4）经纬仪法可以对明显特征点进行直接测量，如顶点、有标记的点等，对于面上无明显标记的点需要人为设定标记，如果经纬仪具备投点功能，则比较方便；

（5）经纬仪法计算步骤较多，要借助程序来实现。

2 免棱镜全站仪法

免棱镜全站仪是把免棱镜测距技术融进传统的全站仪，对量程范围内的目标进行有效测量，内置坐标测量功能可以轻松完成三维信息、采集，实现“所瞄即所测”。

2.1 基本原理

免棱镜全站仪实现坐标测量的本质是在实现测距的基础上，根据角度关系，自动计算出目标点的三维坐标目前市场上几种免棱镜全站仪看，精度都达到毫米级，具有较高测量精度。影响坐标测量精度的误差主要来自仪器高、测量范围等。

2.2 实测步骤

（1）在控制点测站架设仪器，量取仪器高；

（2）仪器精准定向，初始化方位角；

（3）对目标点精确定位，记录测点三维坐标。

2.3 适用性分析

（1）免棱镜全站仪法效率高，速度快，其最大优势在于无需接触被测点即可获得被测点的三维坐标，利用这一特性，可以轻易完成建筑物表面测量；

（2）免棱镜全站仪无需设置棱镜，从而消除了多次测量的照准误差；

（3）免棱镜全站仪的量程己经达到200米左右，对于一般的大型建筑物可以满足测量要求；

（4）精度高，性能可靠；

（5）免棱镜适合对面上点的采集，入射角度对精度影响较小，可以进行大角度测量。

3 全站仪反射片法

全站仪反射片测量法是在测量点位粘贴好反射片，照准测量。反射片技术不同于棱镜测量与免棱镜测量，基本介于二者之间，并且只对少数全站仪品牌和型号支持，例如日本索佳全站仪全面支持这种测量技术。

3.1 基本原理

贴片法测量原理基本同于免棱镜全站仪法，需要在测量点处贴好反射片。

3.2 实测步骤

（1）在需要测量的点位事先贴好反射片，反射片的大小视距离而定；

（2）在控制点测站架设仪器，量取仪器高；

（3）仪器精准定向，初始化方位角；

（4）对目标点精确定位，记录测点三维坐标。

3.3 适用性分析

全站仪反射片法测量的精度与测程等指标基本同于免棱镜法，适用于对面上的点进行坐标采集，唯一的差别是要在测量前粘贴好反射片。这种方法尤其适合对同一点位进行不同期次的测量情形，如监测工作，可以在监测前贴好反射片，供以后长期监测。

4 其它信息获取

如果仅仅对建筑物进行离散点三维信息采样，这些离散点彼此是孤立存在的，有限的空间点位信息不足以对其形体进行刻画，因此，必须详细研究测量对象的构成、拓扑关系及属性。获取这些信息的主要手段是靠人自身来判别。

4.1 有关信息的内容

任何复杂的建（构）筑物或其组成部位和结构都是由点、线、面所构成，进行形体测量，首先要判别研究对象由哪些点、线、面构成，既要在测量前根据点、线、面构成确定对应的采样点位置、方法、数量，也要在获取采样点空间坐标的同时，判别该点位于哪个面上，哪条线上，是否属于关键特征点，测点的归属信息对于完成后面的工作至关重要。

4.2 获取的步骤

形体测量对象构成、拓扑、属性信息主要靠人工识别，可以按如下步骤进行：

（1）根据形体对象的设计图纸或实地勘察，统计出由哪些点、线、面构成并给与编号，分析这些点、线、面的空间拓扑关系；

（2）对形体对象构成面的颜色、材质及纹理属性进行准确判断并记录；

（3）根据形体测量任务需要，记录测量时间信息。

5 结束语

建筑物形体特征是指建筑物或其组成结构、部位的形状、位置、大小、长度、面积、体积等关键几何量的描述，同时还包括它们内部之间及与外部之间的相互关系特征。形体特征是对建筑物及其构成的精简而准确的描述，是对建筑物空间数据的概括与抽象，对于实现形体测量的目的有重要意义。

［1］马保卿，王敬刚.变形几何体的测量与计算[J].西部探矿工程，2005，9：97-99.

［2］张学昌，高学敏.基于三坐标测量仪的双目视觉测量方案及其数据分析[J].工具技术，2004，38(6)：65.