河道非法采沙數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則及挖方量計(jì)算

尹冬艷

(遼寧省營(yíng)口市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 營(yíng)口 115003)

1 概 述

調(diào)查區(qū)域位于遼寧省某河道，沿河范圍約1.5km，面積約0.31km2，非法開采有9個(gè)沙坑，受公安局刑警大隊(duì)委托，對(duì)該區(qū)域沙坑內(nèi)的非法采沙量，砂樁和剩余土量進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查和計(jì)算，由于沙坑分布比較分散，部分沙坑積水較深，由于看不到水下條件，因此很難測(cè)量到外業(yè)高程點(diǎn)。

2 技術(shù)指標(biāo)

測(cè)繪結(jié)果應(yīng)滿足非法采沙及現(xiàn)有砂樁土方量的計(jì)算，考慮到項(xiàng)目面積較小，采用獨(dú)立坐標(biāo)系，以GPS-RTK技術(shù)主要用于完成省級(jí)網(wǎng)絡(luò)CORS站的野外地形數(shù)據(jù)收集。該設(shè)備應(yīng)具有發(fā)送，接收和處理標(biāo)準(zhǔn)差分?jǐn)?shù)據(jù)的功能[1]，固定誤差以毫米為單位，使用的設(shè)備已通過(guò)省級(jí)認(rèn)證，內(nèi)部數(shù)據(jù)處理使用南方 CASS9.2軟件，DTM模型是通過(guò)在項(xiàng)目區(qū)域中采集的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)建立的，并生成一個(gè)三角形網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算每個(gè)三棱錐的開挖和填充量數(shù)量。

3 坐標(biāo)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)

由于該項(xiàng)目需要小規(guī)模平面和高程數(shù)據(jù)的采集，并且只能使用坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置和高程差來(lái)計(jì)算體積[2]，因此建立了一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，建立了WGS84橢球和2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型，以獲得平面轉(zhuǎn)換關(guān)系，并將測(cè)得的點(diǎn)位大地高度直接用作標(biāo)高。

3.2 數(shù)據(jù)采集

在此測(cè)量任務(wù)中，使用了華星 A12儀器，并使用了GPS-RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，同時(shí)遵循以下原則：

1)設(shè)置流動(dòng)站時(shí)，請(qǐng)正確輸入必要的信息，例如點(diǎn)號(hào)，儀器高度，坐標(biāo)和標(biāo)高等；

2)流動(dòng)站正確輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，桿高及桿高度的測(cè)量位置；

3)觀測(cè)流動(dòng)站時(shí)，請(qǐng)使用1.8m對(duì)中桿對(duì)中和整平[3]，采樣間隔≥1s；

4)每次連接CORS站時(shí)，每個(gè)流動(dòng)站都應(yīng)檢查已知點(diǎn)并使用以下方法進(jìn)行檢查：①在不同的圖根點(diǎn)之間進(jìn)行重復(fù)點(diǎn)測(cè)量對(duì)比；②對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量對(duì)比；③在至少一臺(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。

5)在隱藏區(qū)域，水域和強(qiáng)電磁波干擾源附近未觀察到流動(dòng)站；

6)流動(dòng)站的有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5，PDOP值≤6。

由于省級(jí)網(wǎng)絡(luò)CORS站是一個(gè)連續(xù)的基站，因此在獲取調(diào)查區(qū)域坐標(biāo)系的參數(shù)后，可以隨時(shí)執(zhí)行野外測(cè)繪工作，除了滿足每次測(cè)量之前的驗(yàn)證要求外，在地形圖上收集碎部點(diǎn)時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性：①確保碎部點(diǎn)的平面坐標(biāo)變換的殘差在地圖上≤±0.1mm(在地面上為100mm)，并且高度擬合的殘差在≤1/10輪廓距離(在地圖上為100mm)；②RTK碎部測(cè)量觀測(cè)時(shí)采用固定高度對(duì)中桿對(duì)中、整平，觀測(cè)歷元數(shù)>5；③連續(xù)收集一定數(shù)量的地形破碎點(diǎn)后，請(qǐng)重新初始化設(shè)備并檢查重疊點(diǎn)，當(dāng)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)≤0.5mm(地面500mm)[4]時(shí)，可以繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量。

在現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)過(guò)程中，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高程點(diǎn)都沒(méi)有被忽略，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，使用的是1∶500比例尺，并且點(diǎn)間距≤10m，儀器會(huì)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，在恢復(fù)數(shù)據(jù)收集之前，必須對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果的最大值為△x=-13mm，△y=-12mm，△h=0.22mm，滿足△x≤70mm，△y。≤70mm，△h≤40mm。

該項(xiàng)目是一個(gè)涉水施測(cè)工程，現(xiàn)場(chǎng)水流相對(duì)較慢，在采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，GPS-RTK用于測(cè)量水面高程，然后船以均勻的速度前進(jìn)。然后將測(cè)錘放下適當(dāng)?shù)木嚯x以測(cè)量水深，從而測(cè)量水深點(diǎn)高程數(shù)據(jù)。

4 非法采沙挖方量計(jì)算

GPS接收器用于自動(dòng)存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)記錄點(diǎn)編號(hào)，因此，使用測(cè)量點(diǎn)記錄方法，內(nèi)業(yè)連線和地圖制作方法來(lái)完成數(shù)字地圖繪制，在內(nèi)業(yè)工作過(guò)程中，使用了南方CASS9.2軟件。該項(xiàng)目要求僅計(jì)算沙坑中非法采砂的開挖量，這與常規(guī)的體積開挖和填方計(jì)算不同，分析后，使用DTM兩期土方法進(jìn)行疊加計(jì)算，僅計(jì)算兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)的重合部分。

4.1 非法采沙及沙堆位置

通過(guò)對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的初步處理，實(shí)地沙坑共計(jì)9處，沙堆1處及堆放殘土區(qū)1處。沙坑沿河道右岸1.5KM范圍呈不均勻分布；沙堆及殘土堆位于概略經(jīng)度：124°02′53.12″、緯度：42°35′53.52″。沙坑分布情況及沙堆、殘土位置見(jiàn)圖1。

4.2 DTM土方計(jì)算

DTM的核心是地形表面上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其中至少包含平面坐標(biāo)(x，y)與相關(guān)區(qū)域中的高程之間的映射關(guān)系，即是：

z=f(x，y)x，y∈DTM所在區(qū)域

(1)

建立DTM數(shù)據(jù)需要在相關(guān)區(qū)域中采集大量的地形數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)的密度和位置將影響DTM的準(zhǔn)確性[6]，差值算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇也會(huì)影響DTM的準(zhǔn)確性和效率。

DTM系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于實(shí)際地形表面具有連續(xù)的變化和裂縫，并且在DTM的構(gòu)建過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)有限，因此如何選擇DTM的構(gòu)建算法和應(yīng)用差值算法以利于有限的數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確地表示實(shí)際地形變化，這是DTM計(jì)算中的重要問(wèn)題，建立DTM時(shí)，CASS使用雙線性內(nèi)插值計(jì)算插值點(diǎn)的高程，并使用角度方法確定和校正三角測(cè)量，其準(zhǔn)確性和效率可以滿足該項(xiàng)目的需求。

圖1 沙坑、沙堆及殘土堆分布圖

4.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)數(shù)據(jù)收集獲得的原始DTM數(shù)據(jù)可能包含不滿足模型構(gòu)建要求的數(shù)據(jù)，甚至具有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，為了成功完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建模，首先需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理，例如過(guò)濾，刪除幾乎重合的數(shù)據(jù)，給出高程限制，刪除粗糙數(shù)據(jù)以及執(zhí)行必要的數(shù)據(jù)加密等。

除地面坐標(biāo)數(shù)據(jù)外，地形信息(地面線，斷層線等)也是構(gòu)建DTM模型的基本要素，從原始數(shù)據(jù)中提取地形和地物的特征信息的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)記錄中的特定代碼和高程變化的特征，在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，遵循了CASS軟件建立的DASS模型所規(guī)定的相關(guān)規(guī)則。

該項(xiàng)目涉及的計(jì)算區(qū)域較為分散，采取分塊計(jì)算，既每處沙坑獨(dú)立計(jì)算，共計(jì)9處；沙堆獨(dú)立計(jì)算，共計(jì)1處；殘土堆獨(dú)立計(jì)算，共計(jì)1處。

4.4 建立DTM模型

本次計(jì)算采用兩期土方法，即對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行了兩期測(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)。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(lái)共同參與計(jì)算。由于項(xiàng)目區(qū)無(wú)法獲得原地貌數(shù)據(jù)，本次計(jì)算通過(guò)參考?xì)v史衛(wèi)星影像圖以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研相片，取挖沙后坑頂高程構(gòu)成的平面為第一期地貌數(shù)據(jù)，建立一期三角網(wǎng)；以挖沙后現(xiàn)狀采集數(shù)據(jù)為二期地貌數(shù)據(jù)，建立二期三角網(wǎng)。對(duì)9處沙坑、1處沙堆區(qū)及1處殘土區(qū)分別計(jì)算。

4.5 DTM兩期土方計(jì)算成果

由于沙坑開挖前地貌難以復(fù)原，在計(jì)算過(guò)程中，結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況并參考?xì)v史影像比對(duì)分析，通過(guò)計(jì)算求得最終挖方量成果，最大限度避免計(jì)算成果與實(shí)際發(fā)生非法采沙數(shù)量出入過(guò)大。

堆沙區(qū)原地面較為規(guī)則，高程從96-98m均勻變化，故取地面高程值建立一期三角網(wǎng)，取現(xiàn)狀高程值建立二期三角網(wǎng)，計(jì)算求取沙堆方量。并采用同樣計(jì)算方法求取殘土區(qū)堆土方量。

1號(hào)沙坑內(nèi)有未運(yùn)出的河沙堆放，根據(jù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)地貌的高程數(shù)據(jù)，求得挖方量約為38799.2 m3。因堆沙為已經(jīng)挖出的河沙堆放在沙坑內(nèi)，故將堆沙處的數(shù)據(jù)處理后，求得已經(jīng)挖沙總量為41010.4 m3，即坑內(nèi)現(xiàn)有沙堆的堆沙量約2211 m3。沙坑影像及沙坑方量計(jì)算具體成果見(jiàn)表1及表2。

表1 1號(hào)沙坑現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

表2 1號(hào)沙坑沙堆處理后兩期土方計(jì)算成果表

續(xù)表2 1號(hào)沙坑沙堆處理后兩期土方計(jì)算成果表

2號(hào)沙坑內(nèi)有未運(yùn)出的河沙堆放，根據(jù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)地貌的高程數(shù)據(jù)，求得挖方量約為88586.4m3。因堆沙為已經(jīng)挖出的河沙堆放在沙坑內(nèi)，故將堆沙處的數(shù)據(jù)處理后，求得已經(jīng)挖沙總量為94636.4 m3，即坑內(nèi)現(xiàn)有沙堆的堆沙量約6050 m3。

3號(hào)沙坑內(nèi)有未運(yùn)出的河沙堆放，根據(jù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)地貌的高程數(shù)據(jù)，求得挖方量約為19105.2m3。因堆沙為已經(jīng)挖出的河沙堆放在沙坑內(nèi)，故將堆沙處的數(shù)據(jù)處理后，求得已經(jīng)挖沙總量為20432.7 m3，即坑內(nèi)現(xiàn)有沙堆的堆沙量約1327.5 m3。

4號(hào)沙坑內(nèi)有未運(yùn)出的河沙堆放，根據(jù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)地貌的高程數(shù)據(jù)，求得挖方量約為11220.3m3。因堆沙為已經(jīng)挖出的河沙堆放在沙坑內(nèi)，故將堆沙處的數(shù)據(jù)處理后，求得已經(jīng)挖沙總量為11915.7 m3，即坑內(nèi)現(xiàn)有沙堆的堆沙量約659.4 m3。

5號(hào)沙坑挖方量約為7213.7m3，沙坑影像及沙坑方量計(jì)算具體成果見(jiàn)表3。

表3 5號(hào)沙坑現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

6號(hào)沙坑挖方量約為12051.3 m3，沙坑影像及沙坑方量計(jì)算具體見(jiàn)表4。

表4 6號(hào)沙坑現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

7號(hào)沙坑水面以上無(wú)新開挖痕跡，一期數(shù)據(jù)從水面起算。沙坑挖方量約為23595.5 m3，實(shí)際挖方量或小于此成果數(shù)值。沙坑影像及沙坑方量計(jì)算具體見(jiàn)表5。

表5 7號(hào)沙坑現(xiàn)狀兩期土方計(jì)算成果表

8號(hào)沙坑挖方量約為11958.9m3，9號(hào)沙坑挖方量約為12168.3m3，沙堆堆沙方量約為8851.1 m3，殘土堆土方量約為1155.9 m3。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析計(jì)算得出，1號(hào)沙坑至9號(hào)沙坑，累加挖沙為234982.9 m3，其中坑內(nèi)現(xiàn)有未運(yùn)出沙堆總計(jì)10284.1 m3；1處沙堆堆沙量8851.1 m3；1處殘土堆放量 1155.9 m3。