海城河采砂測量數據采集與砂堆方量計算

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算項目位于海城市東陵村南側的海城河河道兩岸，位置為E122°50′37″，N40°48′44″。現有砂堆分2處堆放，以砂場1、砂場2編號,砂場1、砂場2涉及范圍沿海城河沿岸約0.9km。項目區位置圖見圖1。

圖1 項目區位置圖

2 數據采集與校核

在外業測量過程中，使用GPS-RTK完成控制點坐標數據采集以及項目區地形變化的特征點采集，即坡度、水下點、有地物遮蓋處的點等[1]。使用無人機的航測數據進行項目區的加密點采集，既減小數據間距，加大計算數據量，又使后期計算數據更加精確。

本次測量任務中，使用華星A12儀器，采用GPS-RTK動態測量技術，遵循了以下原則進行：

1)設立流動站時，正確輸入點號、儀器高、坐標、高程等必要信息；

2)流動站正確輸入轉換參數、桿高的測量位置等信息；

3)流動站觀測時采用1.8m對中桿對中、整平，采樣時間間隔≥1s，每次觀測歷元數≥7個[2]；

4)每次連接CORS站后，每臺流動站都應對已知點進行檢查，采用下列方法進行檢查：

a)在不同的地點之間進行重復點測量對比；

b)對已知點進行測量對比；

c)在至少在一臺流動站正確的前提下，不同流動站之間進行測量對比；

6)流動站沒有在隱蔽地帶、成片水域和強電磁波干擾源附近觀測[2]；

7)流動站有效觀測衛星數≥5個，PDOP值≤6。

由于省網CORS站為連續基站，測區坐標系統轉換參數獲取后，可以隨時進行外業測繪工作。除了滿足每次測量前校核要求，在地形圖碎部點采集過程中，還注意了以下幾點，以保證數據成果的準確性：

1)保證碎部點平面坐標轉換≤圖上±0.1mm(既實地100mm)，高程擬合≤1/10等高距[3](既實地100mm)；

2)RTK碎部測量觀測時采用固定高度對中、整平；

3)連續采集一定數量地形碎部點后，重新進行設備初始化，并檢核一個重合點。當檢核點位坐標≤圖上0.5mm(既實地500mm)時，方可繼續測量。

在外業施測過程中，沒有遺漏最高點及最低點的高程點，在實測過程中按照1∶500比例尺進行。儀器自動保存數據，每次重新開始數據采集前，對儀器進行檢校，檢驗結果最大值為△x=-13mm、△y=-12mm、△h=0.22mm，滿足△x≤70mm、△y≤70mm、△h≤40mm[4]。

由于土方計算項目的特殊性，高程點的采集尤為重要。在項目外業測量過程中，增大了測量點采集密度，注重點位數據采集技巧，保證了內業計算時建立三角網的數據質量。

3 砂堆方量計算

項目要求算取采砂砂堆的堆方量以及現有砂坑的挖砂量，區別于常規的方量挖填方計算，經分析后采用DTM兩期土方法，既地面與堆砂后地貌兩期數據的三角網進行疊加計算，且只計算兩期數據平面坐標重合部分。

3.1 砂堆位置

通過對外業數據采集的初步處理，實地砂堆堆放在2處區域。砂場1處為砂坑，坑內有堆砂。分兩部分進行計算，一部分為砂坑的挖砂量計算，另一部分為砂坑內現有堆砂量計算。

砂場2現有堆放物分為3種，分別為砂子、砂礫，計算過程均計算堆放物的堆放量。

3.2 DTM土方計算

DTM核心是地形表面特征點的三維坐標數據(測量數據)，包含了相關區域內的平面坐標(x，y)與高程之間的映射關系，即：

z=f(x，y)x，y∈DTM所在區域

(1)

建立DTM數據需要在有關區域內采集相當數量的地形數據，采樣點的密度及位置都將影響DTM的精度，差值算法和數據結構的選擇同樣影響DTM的精度和使用效率[4]。DTM 系統主要由計算機程序實現的，由于實際地形表面有連續的變化，也有斷裂，而構造DTM時采集的數據是有限的，因此選擇構造DTM的算法及應用時的差值算法，以利于有限的數據準確的表達實際地形變化，是使用DTM計算方量的重要問題。CASS在建立DTM時采用雙線性內插計算內插點的高程，用角度法判斷修正三角網[5]，其精度與效率滿足本項目使用需要。

3.3 數據預處理

通過數據采集得到的原始DTM數據，其中包含不符合建立模型要求的數據，甚至有錯誤數據。為了順利完成構網建模，首先對原始數據進行必要的預處理，如過濾、剔除幾乎重合數據，給定高程限值，剔除粗糙數據，進行必要的數據加密等等[6]。

除地面坐標數據之外，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。從原始數據中提取地形地物特征信息的依據是數據記錄中的特定代碼以及高程變化特征，在數據采集過程中已經遵循了CASS軟件建立DTM模型規定的相關規則。

項目涉及的計算區域較為分散，采取分塊計算方式，既每處砂堆獨立計算。

3.4 建立DTM模型

計算采用兩期土方法，即對同一區域進行了兩次測量，利用兩次觀測得到的高程數據建模后疊加，計算除兩期之中的區域內方變化情況。建網方式采用不規則網結構，以原始的坐標位置作為網格節點，組成不規則形狀格網，應用中主要采用的是不規則三角形格網(TIN)，直接利用測區內野外實測的所有地形特征點，構造出鄰接三角形組成的格網形結構，TIN的每個基本單元的核心是組成不規則三角形的3個頂點的三維坐標[6]。采用TIN可避免內插方格網而犧牲原始測點的精度，保證了整個數模的精度。

兩期土方計算之前，先對該區域分別進行了建模，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算[7]。在本次計算過程中,將地面高程設定為起始高程面構成的面數據為第一期地貌數據，建立一期三角網，作為原始地貌模型數據；以堆砂后現狀，即本次外業測量工作實測數據數據為二期地貌數據，建立二期三角網，作為現狀地貌模型數據。兩期模型相減求得堆砂方量。砂坑處取坑頂地面高程設定為起始高程面構成的面數據為第一期地貌數據，建立一期三角網，作為原始地貌模型數據；以挖砂后坑底高程現狀，即本次外業測量工作實測數據數據為二期地貌數據，建立二期三角網，作為現狀地貌模型數據[8]，兩期模型相減求得挖砂方量。

4 DTM兩期土方計算

2處項目區地面均較為平坦，故取地面高程值建立一期三角網，取現狀測量所得高程值建立二期三角網，計算求取砂堆方量。

4.1 砂場1計算

4.1.1 砂場1砂坑挖砂量計算

砂場1現有情況為一處砂坑及坑內堆砂，經過現場調查結合外業實測結果，取現狀坑頂高程為原地面高程，建立起算模型，生成一期三角網；取本次外業測量工作實測數據作為現狀高程數據，建立現狀模型，生成二期三角網。砂場1影像及挖砂方量計算具體成果見表1。

表1 砂場1砂坑現狀兩期土方計算成果表

砂場1砂坑挖方量計算成果為：500181.9 m3。砂場1的砂坑挖砂方量和砂坑內堆砂方量均為獨立計算，互相未進行疊加和相減計算。

4.1.2 砂場1砂坑內堆砂方量計算

結合外業實測結果，取高程39-43m作為起始高程數據，建立起算模型，生成一期三角網；取本次外業測量工作實測數據作為現狀高程數據，建立現狀模型，生成二期三角網。砂場1砂坑內堆砂方量計算具體見表2：

表2 砂場1坑內堆砂現狀兩期土方計算成果表

砂場1坑內堆砂方量計算成果為：149304.4m3。

4.2 砂場2計算

砂場2經過現場調查確認，現有堆放物為砂子、砂礫，外業數據采集及內業數據處理過程中均分別進行測繪和計算。

結合外業實測成果，取地面高程作為起始高程數據，建立起算模型，生成一期三角網[9]；取本次外業測量工作實測數據作為現狀高程數據，建立現狀模型，生成二期三角網。砂堆方量計算具體成果見表3。

表3 砂場2砂堆現狀兩期土方計算成果表

砂礫堆方量計算具體成果見表4。

表4 砂場2砂礫堆現狀兩期土方計算成果表

淤砂堆方量計算具體成果見表5。

表5 砂場2淤砂堆現狀兩期土方計算成果表

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

4.3 砂堆方量計算成果

計算成果如表6。

表6 堆砂計算成果統計表

5 結 語

測繪成果為滿足計算采砂及現有砂堆的土方量，考慮項目區范圍相對較小，采用獨立坐標系統。主要以GPS-RTK移動站測量方式，利用省網CORS站及GPS獨立設站技術完成野外地形數據采集工作。設備具有發送、接收并處理標準差分數據功能[10]，固定誤差以mm為單位，使用設備均經過省級鑒定合格。