三種不同礦山土方量量算方法對(duì)比與分析

韓麗蘋　李明

［關(guān)鍵詞］土方量；RTK；傾斜攝影測量；三維激光掃描儀

礦山生態(tài)治理中常常涉及到土石方，土石方量的精確性不僅直接關(guān)系到施工的費(fèi)用，殘余資源的回收利用，而且影響著施工工期以及方案設(shè)計(jì)優(yōu)化等[1]。因此快速準(zhǔn)確地計(jì)算土石的剝離方量，在露天礦山生態(tài)修復(fù)方案設(shè)計(jì)、實(shí)施、竣工驗(yàn)收等各個(gè)環(huán)節(jié)中是一項(xiàng)非常重要的工作[2]。

傳統(tǒng)的土石方測算方法是用全站儀或者GNSS接收機(jī)進(jìn)行全野外測量，然后使用南方CASS軟件中的三角網(wǎng)法、方格網(wǎng)法或者斷面法等來計(jì)算方量。不同的量算方法其量算結(jié)果也有差異。DTM法又稱為三角網(wǎng)法，其原理是通過生成不規(guī)則三角網(wǎng)，將整個(gè)地形生成由無數(shù)三角錐組成的集合。它利用所測土方特征點(diǎn)與高程點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行土方量算，數(shù)據(jù)所建立的不規(guī)則三角網(wǎng)模型能更好反映實(shí)際地形。

方格網(wǎng)法是利用一定邊長正方形格網(wǎng)對(duì)土方量算區(qū)域分割，內(nèi)插計(jì)算各格網(wǎng)點(diǎn)高程及差值，通過高差擬合計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)土方填挖方量，總和得到總土方填挖量，其計(jì)算相對(duì)簡單，適用性廣泛[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，土石方量測算的方法也在不斷的改進(jìn)。本文以淮北市某廢棄礦山為例，使用不同的數(shù)據(jù)采集手段，分別計(jì)算土方量。以傳統(tǒng)測量手段計(jì)算得到的方量為真值，分析對(duì)比其余幾種方法計(jì)算結(jié)果的偏離度，并對(duì)測量精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究對(duì)比不同測算方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1. 測區(qū)概況

測區(qū)位于淮北市某廢棄礦山，主要分三部分，研究內(nèi)容為對(duì)治理區(qū)未完成山體開挖剩余方量、廢棄地范圍廢料進(jìn)行測繪，估算該處截至目前未開挖山體的方量，及廢棄地范圍剩余廢料的方量。其中區(qū)塊一面積約132畝，屬于削坡退臺(tái)區(qū)域，主要為廢棄地范圍，區(qū)塊北部基本為原始山體，南部有少部分區(qū)域堆放廢料。區(qū)塊二、區(qū)塊三為南區(qū)廢棄地設(shè)計(jì)開挖范圍，現(xiàn)場曾用于廢料堆放，屬于整平區(qū)域。區(qū)塊二面積約8.42畝，區(qū)塊三面積約14.85畝。為方便對(duì)比分析，研究組采用傳統(tǒng)的GPS-RTK、無人機(jī)傾斜攝影測量和三維激光掃描儀進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，采用三種測繪儀器采集數(shù)據(jù)計(jì)算土石方量，確保測量數(shù)據(jù)的正確性和精確度同時(shí)，對(duì)三種方法的計(jì)算結(jié)果、投入成本進(jìn)行比較分析。

2. 三種土方量量算方法及結(jié)果

2.1 傳統(tǒng)RTK 方法測算土方量

傳統(tǒng)測量方法使用徠卡GS18在測區(qū)采集高程點(diǎn)作為現(xiàn)狀點(diǎn)，按照2 m間距采樣，在地形變化較大的區(qū)域如陡坎等，加密采集高程點(diǎn)，共采集2837個(gè)現(xiàn)狀點(diǎn)，給定高程點(diǎn)為設(shè)計(jì)值，利用南方CASS10.0中2種常見的土方量計(jì)算方法：三角網(wǎng)法和方格網(wǎng)法分別計(jì)算得到測區(qū)的土方量結(jié)果如下（表1）：

由于DTM 法的計(jì)算精度比較高，幾乎不受邊界采樣間距大小的影響，而方格網(wǎng)法受格網(wǎng)度大小的影響：平坦地區(qū)影響小、復(fù)雜地區(qū)影響大[4]。兩種方法得到的土方量結(jié)果差值在3%內(nèi)，符合規(guī)范要求。根據(jù)測區(qū)地形分布，取兩者計(jì)算結(jié)果的平均值為真值，作為另外兩種方法比較的基礎(chǔ)。

2.2 傾斜攝影測量測算土方量

（1）航飛采用飛馬D2000無人機(jī)搭載OP-3000傾斜鏡頭及CAM-3000正射鏡頭，根據(jù)研究區(qū)地形，縱向航線上按照研究區(qū)走向直線布設(shè)，平行于研究區(qū)邊界線的首末航線必須確保側(cè)視鏡頭能獲得研究區(qū)，橫向上，選擇從東到西布設(shè)航線。航飛按照航向重疊85%，旁向重疊52%，分別獲取測區(qū)的正射與傾斜影像，從而得到測區(qū)的三維點(diǎn)云。無人機(jī)傾斜攝影流程如下：

（2）數(shù)據(jù)處理包括空三解算和三維建模。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與地面數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行，研究小組采用Context Capture 軟件，結(jié)合影像的外方位元素，進(jìn)行全自動(dòng)空三解算，采用人工智能交互技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，生成一體化的三維模型[5]。三維模型生產(chǎn)完成后應(yīng)保證模型的完整性、位置精度、表現(xiàn)精度、屬性精度、現(xiàn)勢(shì)性等要求[6]。三維模型和地面對(duì)比如下（圖2）：

（3）土方量計(jì)算

在生成的三維模型基礎(chǔ)上，按照2 m的間隔提取模型上的高程點(diǎn)作為現(xiàn)狀點(diǎn)，對(duì)比設(shè)計(jì)值，在CASS10.0中應(yīng)用三角網(wǎng)法和方格網(wǎng)法分別計(jì)算土方量。得到結(jié)果如下（表2）：

2.3 三維激光掃描儀測算土方量

三維激光掃描儀的原理主要是激光測距，通過獲取被測物體表面點(diǎn)坐標(biāo)、反射率、RGB及紋理等信息，利用軟件構(gòu)建目標(biāo)模型，獲得線、面、體等圖件數(shù)據(jù)，滿足各方面應(yīng)用需求。該技術(shù)通過激光束運(yùn)行時(shí)間差，計(jì)算測點(diǎn)到目標(biāo)的距離;儀器利用激光脈沖橫向掃描角度值和縱向掃描角度值得出目標(biāo)的三維坐標(biāo)[7]（圖3）。研究使用徠卡的Pegasus：Backpack移動(dòng)背包掃描設(shè)備對(duì)測區(qū)進(jìn)行掃描測量。

測量步驟包括現(xiàn)場踏勘、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理（拼接、濾波、抽稀和分割）等。處理過后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS Pro軟件，經(jīng)過去噪過濾、提取地面點(diǎn)、構(gòu)建TIN、生成DEM、計(jì)算土方量等，得到測區(qū)土石方量。

2.3.1提取點(diǎn)云

測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，地面雜草、樹木以及房屋等都會(huì)影響著點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，不利于地面高程點(diǎn)的提取。通過ArcGIS Pro 的點(diǎn)云過濾功能，分類las 地面點(diǎn)，去除對(duì)高程有影響的點(diǎn)，得到地面分辨率0.3 m的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)集。點(diǎn)云過濾前后對(duì)比圖如下（圖4）：

2.3.2 TIN模型的生成

利用過濾后的las 數(shù)據(jù)，構(gòu)建現(xiàn)狀TIN 模型（圖5）。同時(shí)將含有設(shè)計(jì)高程點(diǎn)三維坐標(biāo)信息的表格導(dǎo)入ArcGIS Pro中，生成設(shè)計(jì)TIN模型（圖5）。

2.3.3構(gòu)建DEM模型

在構(gòu)建的TIN模型基礎(chǔ)上，將TIN轉(zhuǎn)為柵格，生成現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)的DEM，并按照測區(qū)范圍線進(jìn)行切片裁剪，兩期的DEM如下（圖6）：

2.3.4計(jì)算土方量

應(yīng)用ArcGIS Pro中的填挖方計(jì)算工具，兩期柵格疊加計(jì)算，得到最終填挖方結(jié)果，如下（圖7）：

經(jīng)過計(jì)算，測區(qū)最大挖方432115.13 m³，最大填方17032.50 m³，最小挖方15.105×10^-8m³，最小填方1.1329×10^-8m³，總挖方量480229.58 m³，總填方量23209.1 m3。

3. 成果對(duì)比與分析

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集對(duì)比

三維激光掃描儀和無人機(jī)傾斜攝影測量都采用非接觸的方式，短時(shí)間內(nèi)獲得大量地表信息，也不受地形限制，可以更真實(shí)的反映地表形態(tài)。另外，三維激光掃描儀不受衛(wèi)星信號(hào)、天氣、光照等影響，相較于傳統(tǒng)的RTK 測量，極大地提高了外業(yè)效率。本次測量傳統(tǒng)RTK測量需要1人1.5天完成，無人機(jī)傾斜攝影測量需要1人1天完成，三維激光掃描儀需要1人半天完成。

3.2 內(nèi)業(yè)處理效率對(duì)比

傳統(tǒng)的RTK測量完成后內(nèi)業(yè)只需要導(dǎo)入高程點(diǎn)，檢查高程點(diǎn)有誤后即可開展土方量計(jì)算，需要1人1天完成。三維激光掃描儀和無人機(jī)傾斜攝影測量涉及到點(diǎn)云處理和影像處理、建模等步驟，三維激光掃描儀需要1人1天完成，無人機(jī)傾斜攝影測量需要1人2天完成。傳統(tǒng)的RTK測量效率要高于另外兩個(gè)。

3.3 內(nèi)業(yè)精度對(duì)比

3.3.1傾斜攝影測量和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查點(diǎn)精度分析

研究小組以徠卡GS18采集的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)為真實(shí)值，與軟件提取的對(duì)應(yīng)影像高程值和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)生成的影像數(shù)據(jù)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，精度統(tǒng)計(jì)原理如下：

研究選取檢查點(diǎn)20個(gè)，經(jīng)計(jì)算，無人機(jī)傾斜攝影測量得到的三維模型中平面坐標(biāo)最大誤差0.241 m，中誤差±0.118 m，高程坐標(biāo)最大誤差0.123 m，中誤差±0.09 m；根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012），比例尺為1︰500 的平面精度應(yīng)控制在30 cm以內(nèi)，高程精度應(yīng)控制在50 cm內(nèi)。本次三維模型精度符合規(guī)范要求。

三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)點(diǎn)最大平面誤差0.134 m，中誤差±0.10 m，高程最大誤差-0.2 m，中誤差±0.096 m，根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012），比例尺為1︰500的平面精度應(yīng)控制在30cm 以內(nèi)，高程精度應(yīng)控制在50 cm 內(nèi)（表3、表4）。本次三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度符合規(guī)范要求。

檢查點(diǎn)平面誤差和高程誤差分布如下（圖8、圖9）

3.3.2填挖方結(jié)果離散度對(duì)比

傳統(tǒng)測量方法和無人機(jī)傾斜攝影測量、三維激光掃描測量計(jì)算的土方量結(jié)果對(duì)比（表5）。通過對(duì)比可知，兩種方法的填方結(jié)果偏差度分別為-2.90% 和1.3%；兩種方法的挖方偏差度分別為0.05% 和-0.25%。根據(jù)《城市測量規(guī)范》（CJJ/T8-2011）規(guī)范要求，不同計(jì)算方法土方測量誤差一般不超過３％，無人機(jī)傾斜攝影測量和三維激光掃描測量計(jì)算的土方量結(jié)果是完全滿足工程精度要求的。

4. 結(jié)語

經(jīng)過計(jì)算，三種方法計(jì)算得到的土方量結(jié)果差值在3%內(nèi)，符合工程使用要求。三種方法，傳統(tǒng)RTK測量精度最高，外業(yè)處理效率最慢，但是內(nèi)業(yè)處理效率最快。三維激光掃描儀測量和無人機(jī)傾斜攝影測量計(jì)算得到的結(jié)果相近。外業(yè)處理效率相對(duì)傳統(tǒng)方法較高，但是內(nèi)業(yè)處理效率低下。同時(shí)由于具有大量的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，容易造成數(shù)據(jù)冗余，對(duì)于電腦配置較高。另外，無人機(jī)傾斜攝影測量得到的三維模型無法去除掉草木、綠地等影響高程精度的因子，對(duì)于后續(xù)的土方量計(jì)算有一定的影響。而三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過過濾等手段，得到我們想要的純地面高程點(diǎn)云。

相較于傳統(tǒng)的RTK測量手段，三維點(diǎn)云和無人機(jī)傾斜攝影測量不僅具有低成本、高效率的特點(diǎn)，還可以很好的反應(yīng)地形，保證得到符合工程精度要求的土方量數(shù)據(jù)。