UAV-DEM支持下的土方快速測算方法

朱連輝，田 毅,2，王 薇，毛崔磊

(1. 中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083； 2. 北京市國土資源信息研究與開發重點實驗室,北京 100083)

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UAV-DEM支持下的土方快速測算方法

朱連輝1，田 毅1,2，王 薇1，毛崔磊1

(1. 中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083； 2. 北京市國土資源信息研究與開發重點實驗室,北京 100083)

土地平整工程是土地整治項目中最重要部分之一，而工程平整土方量的快速準確計算則又關系著土地整治規劃設計成功與否、項目資金使用是否合理。本文以山西省晉城市澤州縣長河流域為例，引入無人機技術(UAV)采集土地平整工程基礎數據，并生成待平整土地的DEM數據，進而借助ArcGIS 10.1軟件的高程統計功能獲得適合研究區的理想設計標高，在此基礎上獲得田塊的挖、填土方量。經驗證，該方法能夠大幅度減少土方計算的重復工作量且計算結果準確，可在土地平整工程中進行推廣。

UAV； DEM；土地平整；ArcGIS；土方量

土地平整工程是實現耕地合理灌溉，節約用水，充分發揮機械化作用效率，提高農業生產水平和土地生產力的重要舉措。在土地平整過程中，土方量的大小與土地平整的投資直接相關，不同的計算方法結果相差懸殊。因此，準確快速地計算土方量對于開展整治規劃設計、項目資金合理優化配置具有重要意義[1]。

我國土地整理開展近二十年來，傳統的土方量計算方法有斷面法[2]、方格網法[3]和散點法[4]。但這些方法受地形起伏變化的影響較大，散點法適用于地勢起伏較小且測量高程點均勻分布的平整單元，方格網法適用于地勢起伏較小的平原區域且對高程測量要求比較嚴格[5]。隨著現代科學技術的發展，利用數字高程模型(DEM)計算土方量發展迅速。如黃琪等應用數字高程模型與數字規劃方法，研究了土地平整工程中田塊劃分、土方量計算和土方量調配的優化方法[6]；柯曉山等采用不規則三角網差值的方式進行等值線差值，建立數字高程模型計算土方量[7]；柳長順等應用DEM原理，對Arcview軟件應用于土地整理項目土方量計算進行了探討[8]；胡振琪等基于DEM原理，借助ERDAS IMAGING遙感圖像處理軟件建立土方量計算模型[9]；付憲坤在基于分形理論與數字濾波的基礎上，運用插值方法進行土方量的計算[10]。

綜合而言，現有基于DEM數據計算土方量的研究，或側重理論研究，或受制于數據源精度，對于黃土丘陵區這類微地貌變化較大的區域，在計算速度和計算結果精度方面，都與實地工作要求有一定的差距。考慮到近年來發展起來的無人機(UAV)技術，擁有高機動性、低成本、高分辨率、場地限制小等眾多優勢，在土地整治、工程測繪及土地利用現狀監測等方面都有廣泛的應用[11]，本文研究了采用UAV技術進行數據快速精準采集，并通過ArcGIS軟件對采集的數據進行分析計算，進而實現土地平整工程中土方量的精準快速計算的基本方法。

1 原理與方法

1.1 土方計算的基本原理

土方計算的基礎數據是DEM數據，它是以離散的數字表達形式，將地面均勻網格的高程數據按照有序數值陣列形式組織在計算機數據庫中，以表達地面高低起伏的一種數據模型[12]，可用函數表示如下

Zi=f(xi,yi)i=1,2,3,…,n

(1)

式中，xi、yi分別為離散變量，表示地表網格某點的坐標；Zi表示該點對應的高程。

土方量計算時主要是對同一地塊填充(或開挖)前后填方量(或挖方量)的計算，以獲取地面物質體積差。其計算基礎是：①掌握挖填前后土壤壓實系數，獲得體積變化倍數；②掌握挖填充前后起伏情況，獲得挖填平衡變化信息。

在此，本文提出可構建原地貌DEM和平整后DEM(如圖1所示)，運用柵格相減的計算方法以實現平整田塊土方量計算。即在二重積分計算的基礎上，以規劃高程Gridp與原始高程Grido之間的差值作為積分高度，以單元網格面積為積分單元進行計算(如圖2所示)，并對所有整理田塊進行匯總。其數學表達式如下

(2)

式中，Z(x,y)為設計網格的高差；Grido為原始地面網格點高程；Gridp為整理后地表網格點高程；V為土地平整單元累計挖方量(填方量)。

圖1 土方量計算示意圖

具體計算時，還要求項目區內各田塊本身就可實現填挖土方平衡，不作大規模土方調配，以確保填挖工程量少、運距短，且工程費用較低。

1.2 技術路線

本文在無人機進行航空攝影獲取航測數據的基礎上，采用GPS RTK進行野外像控點測量，運用Correlator3D軟件進行空三加密等處理生成DEM和DOM。進而將獲取的DEM導入ArcGIS中，進行原地貌高程統計，推演規劃設計地貌，計算其與原地貌高程差值，獲得每個待平整田塊的土方量(如圖3所示)。

圖2 土方二重積分

圖3 土方計算技術路線

2 實證研究

2.1 研究區概況

本文選取晉城市澤州縣長河流域的王虎山等4村為研究對象。該區屬緩坡丘陵區，地勢北高南低，區內農用地多為旱地，耕地大部分為梯田、坡地和溝川地，是土地平整項目的典型研究區。

2.2 基礎數據收集與處理

研究選用GeoFly-X8固定翼無人機，航飛總面積約30 km2，成圖分辨率為0.2 m。外業數據配合GPS RTK進行定位配準后，利用Correlator3D軟件進行空三處理，獲得取DEM數據(如圖4所示)。經與GPS點進行檢校，DEM平面分辨率為0.2 m，高程分辨率為0.3 m，滿足1∶2000的土地整治工程設計要求。

為精準計算每個田塊土方量，本研究對每個土地平整單元進行矢量化處理，生成待平整單元的面類型SHP格式文件，裁剪研究區DEM數據為后續計算服務。

2.3 土方計算

利用ArcGIS的空間分析模塊中Zonal Statistics功能，對土地整理基本單元的DEM進行統計，按每個田塊的平均高程，可生成田塊規劃單元DEM。使用空間分析模塊中的Math/Minus命令，將規劃設計DEM與現狀DEM進行相減運算，生成規劃挖填土方量。統計結果顯示，項目區土地平整需搬運土方量25 647 m3(見表1)，土方挖填基本平衡。

圖4 項目區DEM

田塊編號平均動土厚度/m設計高程/m挖填土方量/m3010．82868．272783．06160．51898．961279．61290．65866．411502．19300．78869．713735．03430．68839．122995．99500．74906．941597．52580．76825．221931．85660．39842．461113．19720．47894．272364．66790．66846．841895．32860．46879．102548．63910．40857．302428．87960．54859．422999．73990．42882．831241．371110．67896．48685．661300．79871．533366．921320．63853．981257．611400．67897．331490．711420．61869．971118．22

2.4 結果分析

為驗證本文土方計算方法的科學合理性與準確性，另外文中以等高線插值的方法獲得網格式DEM數據作為基礎數據，運用傳統土方計算方法進行土方計算，與本文計算方法進行結果對比(見表2)。從表2可以看出，兩種方法計算結果相差不大，挖填差值在1%以內，本文方法計算結果比較精確，可以作為新方法進行推廣。通過計算過程可以發現，本文新提出的土方計算方法操作步驟簡單，計算速度明顯優于傳統DEM土方計算方法，且本文獲得的數據更加快捷，精度更高，對于將來土方量快速準確計算更具推廣意義。

表2 兩種方法計算結果比較

3 結 語

綜合而言，本文提出的基于ArcGIS軟件結合無人機進行數據獲取的土方量計算方法簡單易行、準確方便。對于丘陵山區，在采用傳統方法無法精確獲取地面地形的前提下，采用本文方法可以幫助設計人員按照項目區真實的地形地貌特征，給出最優平整方案，降低項目成本。

當然，需要指出的是，在實際施工中，受土地利用現狀、地表地物分布影響，本方法中提挖填平衡完全實現還有一定的難度。因此，今后在研究應用中可嘗試引入調節因素，以期進一步提高本方法的適用性。

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[6] 黃琪, 劉友兆, 班春峰,等. 基于數字高程模型和數學規劃的土地平整工程設計優化[J]. 農業工程學報, 2011, 27(11):313-318.

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[12] 李志林, 林慶. 數字高程模型[M]. 武漢：武漢大學出版社, 2003.

Rapid Earthwork Calculation Method Supported by UAV-DEM

ZHU Lianhui1,TIAN Yi1，2,WANG Wei1,MAO Cuilei1

(1. School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Beijing Key Laboratory of the Land Resources Information Research and Exploration, Beijing 100083, China)

Land leveling project is one of the most important parts of the land remediation project, and the rapid and accurate calculation of the earthwork of the project is related to the success of the planning of the land remediation and whether the project funds are reasonable. This paper takes Zezhou county river basin in Jincheng city of Shanxi Province as an example, and introduces the UAV technology to collect the land leveling engineering foundation data to generate DEM data for land leveling. Then, with the help of the elevation statistical function of ArcGIS 10.1 software, the ideal study area for design elevation statistics to be obtained, based on all above, the amount of soil about the plots to dig and fill finally obtained. The results show that the method can greatly reduce the duplication of earthwork calculation and that the calculation results are accurate.

UAV；DEM；land leveling；ArcGIS；earthwork

朱連輝，田毅，王薇，等.UAV-DEM支持下的土方快速測算方法[J].測繪通報，2017(6)：122-124.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0204.

2016-12-19；

2017-01-15

國土資源部公益性行業科研專項(20141107)

朱連輝(1990—)，男，碩士生，主要研究方向為土地綜合整治、地理信息系統與遙感應用。E-mail:zhulianhui@163.com

田 毅

P208

A

0494-0911(2017)06-0122-03