海城河采砂測(cè)量數(shù)據(jù)采集與砂堆方量計(jì)算

蓋繼明

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124000)

1 概 況

海城市海城河方量計(jì)算項(xiàng)目位于海城市東陵村南側(cè)的海城河河道兩岸，位置為E122°50′37″，N40°48′44″?，F(xiàn)有砂堆分2處堆放，以砂場1、砂場2編號(hào),砂場1、砂場2涉及范圍沿海城河沿岸約0.9km。項(xiàng)目區(qū)位置圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位置圖

2 數(shù)據(jù)采集與校核

在外業(yè)測(cè)量過程中，使用GPS-RTK完成控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集以及項(xiàng)目區(qū)地形變化的特征點(diǎn)采集，即坡度、水下點(diǎn)、有地物遮蓋處的點(diǎn)等[1]。使用無人機(jī)的航測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)的加密點(diǎn)采集，既減小數(shù)據(jù)間距，加大計(jì)算數(shù)據(jù)量，又使后期計(jì)算數(shù)據(jù)更加精確。

本次測(cè)量任務(wù)中，使用華星A12儀器，采用GPS-RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，遵循了以下原則進(jìn)行：

1)設(shè)立流動(dòng)站時(shí)，正確輸入點(diǎn)號(hào)、儀器高、坐標(biāo)、高程等必要信息；

2)流動(dòng)站正確輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)、桿高的測(cè)量位置等信息；

3)流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)采用1.8m對(duì)中桿對(duì)中、整平，采樣時(shí)間間隔≥1s，每次觀測(cè)歷元數(shù)≥7個(gè)[2]；

4)每次連接CORS站后，每臺(tái)流動(dòng)站都應(yīng)對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行檢查，采用下列方法進(jìn)行檢查：

a)在不同的地點(diǎn)之間進(jìn)行重復(fù)點(diǎn)測(cè)量對(duì)比；

b)對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量對(duì)比；

c)在至少在一臺(tái)流動(dòng)站正確的前提下，不同流動(dòng)站之間進(jìn)行測(cè)量對(duì)比；

6)流動(dòng)站沒有在隱蔽地帶、成片水域和強(qiáng)電磁波干擾源附近觀測(cè)[2]；

7)流動(dòng)站有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5個(gè)，PDOP值≤6。

由于省網(wǎng)CORS站為連續(xù)基站，測(cè)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)獲取后，可以隨時(shí)進(jìn)行外業(yè)測(cè)繪工作。除了滿足每次測(cè)量前校核要求，在地形圖碎部點(diǎn)采集過程中，還注意了以下幾點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)成果的準(zhǔn)確性：

1)保證碎部點(diǎn)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換≤圖上±0.1mm(既實(shí)地100mm)，高程擬合≤1/10等高距[3](既實(shí)地100mm)；

2)RTK碎部測(cè)量觀測(cè)時(shí)采用固定高度對(duì)中、整平；

3)連續(xù)采集一定數(shù)量地形碎部點(diǎn)后，重新進(jìn)行設(shè)備初始化，并檢核一個(gè)重合點(diǎn)。當(dāng)檢核點(diǎn)位坐標(biāo)≤圖上0.5mm(既實(shí)地500mm)時(shí)，方可繼續(xù)測(cè)量。

在外業(yè)施測(cè)過程中，沒有遺漏最高點(diǎn)及最低點(diǎn)的高程點(diǎn)，在實(shí)測(cè)過程中按照1∶500比例尺進(jìn)行。儀器自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，每次重新開始數(shù)據(jù)采集前，對(duì)儀器進(jìn)行檢校，檢驗(yàn)結(jié)果最大值為△x=-13mm、△y=-12mm、△h=0.22mm，滿足△x≤70mm、△y≤70mm、△h≤40mm[4]。

由于土方計(jì)算項(xiàng)目的特殊性，高程點(diǎn)的采集尤為重要。在項(xiàng)目外業(yè)測(cè)量過程中，增大了測(cè)量點(diǎn)采集密度，注重點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集技巧，保證了內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)建立三角網(wǎng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 砂堆方量計(jì)算

項(xiàng)目要求算取采砂砂堆的堆方量以及現(xiàn)有砂坑的挖砂量，區(qū)別于常規(guī)的方量挖填方計(jì)算，經(jīng)分析后采用DTM兩期土方法，既地面與堆砂后地貌兩期數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)進(jìn)行疊加計(jì)算，且只計(jì)算兩期數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)重合部分。

3.1 砂堆位置

通過對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的初步處理，實(shí)地砂堆堆放在2處區(qū)域。砂場1處為砂坑，坑內(nèi)有堆砂。分兩部分進(jìn)行計(jì)算，一部分為砂坑的挖砂量計(jì)算，另一部分為砂坑內(nèi)現(xiàn)有堆砂量計(jì)算。

砂場2現(xiàn)有堆放物分為3種，分別為砂子、砂礫，計(jì)算過程均計(jì)算堆放物的堆放量。

3.2 DTM土方計(jì)算

DTM核心是地形表面特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)(測(cè)量數(shù)據(jù))，包含了相關(guān)區(qū)域內(nèi)的平面坐標(biāo)(x，y)與高程之間的映射關(guān)系，即：

z=f(x，y)x，y∈DTM所在區(qū)域

(1)

建立DTM數(shù)據(jù)需要在有關(guān)區(qū)域內(nèi)采集相當(dāng)數(shù)量的地形數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)的密度及位置都將影響DTM的精度，差值算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇同樣影響DTM的精度和使用效率[4]。DTM 系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的，由于實(shí)際地形表面有連續(xù)的變化，也有斷裂，而構(gòu)造DTM時(shí)采集的數(shù)據(jù)是有限的，因此選擇構(gòu)造DTM的算法及應(yīng)用時(shí)的差值算法，以利于有限的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的表達(dá)實(shí)際地形變化，是使用DTM計(jì)算方量的重要問題。CASS在建立DTM時(shí)采用雙線性內(nèi)插計(jì)算內(nèi)插點(diǎn)的高程，用角度法判斷修正三角網(wǎng)[5]，其精度與效率滿足本項(xiàng)目使用需要。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過數(shù)據(jù)采集得到的原始DTM數(shù)據(jù)，其中包含不符合建立模型要求的數(shù)據(jù)，甚至有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。為了順利完成構(gòu)網(wǎng)建模，首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理，如過濾、剔除幾乎重合數(shù)據(jù)，給定高程限值，剔除粗糙數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)加密等等[6]。

除地面坐標(biāo)數(shù)據(jù)之外，地物地形信息(地性線、斷裂線等)，是建立DTM模型必不可少的要素。從原始數(shù)據(jù)中提取地形地物特征信息的依據(jù)是數(shù)據(jù)記錄中的特定代碼以及高程變化特征，在數(shù)據(jù)采集過程中已經(jīng)遵循了CASS軟件建立DTM模型規(guī)定的相關(guān)規(guī)則。

項(xiàng)目涉及的計(jì)算區(qū)域較為分散，采取分塊計(jì)算方式，既每處砂堆獨(dú)立計(jì)算。

3.4 建立DTM模型

計(jì)算采用兩期土方法，即對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行了兩次測(cè)量，利用兩次觀測(cè)得到的高程數(shù)據(jù)建模后疊加，計(jì)算除兩期之中的區(qū)域內(nèi)方變化情況。建網(wǎng)方式采用不規(guī)則網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以原始的坐標(biāo)位置作為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，組成不規(guī)則形狀格網(wǎng)，應(yīng)用中主要采用的是不規(guī)則三角形格網(wǎng)(TIN)，直接利用測(cè)區(qū)內(nèi)野外實(shí)測(cè)的所有地形特征點(diǎn)，構(gòu)造出鄰接三角形組成的格網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，TIN的每個(gè)基本單元的核心是組成不規(guī)則三角形的3個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)[6]。采用TIN可避免內(nèi)插方格網(wǎng)而犧牲原始測(cè)點(diǎn)的精度，保證了整個(gè)數(shù)模的精度。

兩期土方計(jì)算之前，先對(duì)該區(qū)域分別進(jìn)行了建模，即生成DTM 模型，并將生成的DTM模型分別保存起來共同參與計(jì)算[7]。在本次計(jì)算過程中,將地面高程設(shè)定為起始高程面構(gòu)成的面數(shù)據(jù)為第一期地貌數(shù)據(jù)，建立一期三角網(wǎng)，作為原始地貌模型數(shù)據(jù)；以堆砂后現(xiàn)狀，即本次外業(yè)測(cè)量工作實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)為二期地貌數(shù)據(jù)，建立二期三角網(wǎng)，作為現(xiàn)狀地貌模型數(shù)據(jù)。兩期模型相減求得堆砂方量。砂坑處取坑頂?shù)孛娓叱淘O(shè)定為起始高程面構(gòu)成的面數(shù)據(jù)為第一期地貌數(shù)據(jù)，建立一期三角網(wǎng)，作為原始地貌模型數(shù)據(jù)；以挖砂后坑底高程現(xiàn)狀，即本次外業(yè)測(cè)量工作實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)為二期地貌數(shù)據(jù)，建立二期三角網(wǎng)，作為現(xiàn)狀地貌模型數(shù)據(jù)[8]，兩期模型相減求得挖砂方量。

4 DTM兩期土方計(jì)算

2處項(xiàng)目區(qū)地面均較為平坦，故取地面高程值建立一期三角網(wǎng)，取現(xiàn)狀測(cè)量所得高程值建立二期三角網(wǎng)，計(jì)算求取砂堆方量。

4.1 砂場1計(jì)算

4.1.1 砂場1砂坑挖砂量計(jì)算

砂場1現(xiàn)有情況為一處砂坑及坑內(nèi)堆砂，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合外業(yè)實(shí)測(cè)結(jié)果，取現(xiàn)狀坑頂高程為原地面高程，建立起算模型，生成一期三角網(wǎng)；取本次外業(yè)測(cè)量工作實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為現(xiàn)狀高程數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)狀模型，生成二期三角網(wǎng)。砂場1影像及挖砂方量計(jì)算具體成果見表1。

表1 砂場1砂坑現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

砂場1砂坑挖方量計(jì)算成果為：500181.9 m3。砂場1的砂坑挖砂方量和砂坑內(nèi)堆砂方量均為獨(dú)立計(jì)算，互相未進(jìn)行疊加和相減計(jì)算。

4.1.2 砂場1砂坑內(nèi)堆砂方量計(jì)算

結(jié)合外業(yè)實(shí)測(cè)結(jié)果，取高程39-43m作為起始高程數(shù)據(jù)，建立起算模型，生成一期三角網(wǎng)；取本次外業(yè)測(cè)量工作實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為現(xiàn)狀高程數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)狀模型，生成二期三角網(wǎng)。砂場1砂坑內(nèi)堆砂方量計(jì)算具體見表2：

表2 砂場1坑內(nèi)堆砂現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

砂場1坑內(nèi)堆砂方量計(jì)算成果為：149304.4m3。

4.2 砂場2計(jì)算

砂場2經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查確認(rèn)，現(xiàn)有堆放物為砂子、砂礫，外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中均分別進(jìn)行測(cè)繪和計(jì)算。

結(jié)合外業(yè)實(shí)測(cè)成果，取地面高程作為起始高程數(shù)據(jù)，建立起算模型，生成一期三角網(wǎng)[9]；取本次外業(yè)測(cè)量工作實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為現(xiàn)狀高程數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)狀模型，生成二期三角網(wǎng)。砂堆方量計(jì)算具體成果見表3。

表3 砂場2砂堆現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

砂礫堆方量計(jì)算具體成果見表4。

表4 砂場2砂礫堆現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

淤砂堆方量計(jì)算具體成果見表5。

表5 砂場2淤砂堆現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

砂場2砂堆、砂礫堆和淤砂堆方量計(jì)算成果分別為：砂子24813.9m3，砂礫33500.8m3，淤砂23275.3m3。

4.3 砂堆方量計(jì)算成果

計(jì)算成果如表6。

表6 堆砂計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 語

測(cè)繪成果為滿足計(jì)算采砂及現(xiàn)有砂堆的土方量，考慮項(xiàng)目區(qū)范圍相對(duì)較小，采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。主要以GPS-RTK移動(dòng)站測(cè)量方式，利用省網(wǎng)CORS站及GPS獨(dú)立設(shè)站技術(shù)完成野外地形數(shù)據(jù)采集工作。設(shè)備具有發(fā)送、接收并處理標(biāo)準(zhǔn)差分?jǐn)?shù)據(jù)功能[10]，固定誤差以mm為單位，使用設(shè)備均經(jīng)過省級(jí)鑒定合格。