河道非法采沙數據采集準則及挖方量計算

尹冬艷

(遼寧省營口市水利事務服務中心，遼寧 營口 115003)

1 概 述

調查區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個沙坑，受公安局刑警大隊委托，對該區域沙坑內的非法采沙量，砂樁和剩余土量進行了實地調查和計算，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，因此很難測量到外業高程點。

2 技術指標

測繪結果應滿足非法采沙及現有砂樁土方量的計算，考慮到項目面積較小，采用獨立坐標系，以GPS-RTK技術主要用于完成省級網絡CORS站的野外地形數據收集。該設備應具有發送，接收和處理標準差分數據的功能[1]，固定誤差以毫米為單位，使用的設備已通過省級認證，內部數據處理使用南方 CASS9.2軟件，DTM模型是通過在項目區域中采集的高程點數據建立的，并生成一個三角形網絡來計算每個三棱錐的開挖和填充量數量。

3 坐標系統及數據采集

3.1 坐標系統

由于該項目需要小規模平面和高程數據的采集，并且只能使用坐標點的相對位置和高程差來計算體積[2]，因此建立了一個獨立的坐標系，建立了WGS84橢球和2000國家大地坐標系的轉換模型，以獲得平面轉換關系，并將測得的點位大地高度直接用作標高。

3.2 數據采集

在此測量任務中，使用了華星 A12儀器，并使用了GPS-RTK動態測量技術，同時遵循以下原則：

1)設置流動站時，請正確輸入必要的信息，例如點號，儀器高度，坐標和標高等；

2)流動站正確輸入轉換參數，桿高及桿高度的測量位置；

3)觀測流動站時，請使用1.8m對中桿對中和整平[3]，采樣間隔≥1s；

4)每次連接CORS站時，每個流動站都應檢查已知點并使用以下方法進行檢查：①在不同的圖根點之間進行重復點測量對比；②對已知點進行測量對比；③在至少一臺流動站正確的前提下，不同流動站之間進行測量對比。

5)在隱藏區域，水域和強電磁波干擾源附近未觀察到流動站；

6)流動站的有效觀測衛星數≥5，PDOP值≤6。

由于省級網絡CORS站是一個連續的基站，因此在獲取調查區域坐標系的參數后，可以隨時執行野外測繪工作，除了滿足每次測量之前的驗證要求外，在地形圖上收集碎部點時還應注意以下幾點，以確保數據結果的準確性：①確保碎部點的平面坐標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碎部測量觀測時采用固定高度對中桿對中、整平，觀測歷元數>5；③連續收集一定數量的地形破碎點后，請重新初始化設備并檢查重疊點，當檢查點的坐標≤0.5mm(地面500mm)[4]時，可以繼續進行測量。

在現場施測過程中，最高點和最低點的高程點都沒有被忽略，在實際測量過程中，使用的是1∶500比例尺，并且點間距≤10m，儀器會自動保存數據，在恢復數據收集之前，必須對儀器進行校準，試驗結果的最大值為△x=-13mm，△y=-12mm，△h=0.22mm，滿足△x≤70mm，△y。≤70mm，△h≤40mm。

該項目是一個涉水施測工程，現場水流相對較慢，在采集現場數據時，GPS-RTK用于測量水面高程，然后船以均勻的速度前進。然后將測錘放下適當的距離以測量水深，從而測量水深點高程數據。

4 非法采沙挖方量計算

GPS接收器用于自動存儲觀測數據和現場記錄點編號，因此，使用測量點記錄方法，內業連線和地圖制作方法來完成數字地圖繪制，在內業工作過程中，使用了南方CASS9.2軟件。該項目要求僅計算沙坑中非法采砂的開挖量，這與常規的體積開挖和填方計算不同，分析后，使用DTM兩期土方法進行疊加計算，僅計算兩個周期的數據平面坐標的重合部分。

4.1 非法采沙及沙堆位置

通過對外業數據采集的初步處理，實地沙坑共計9處，沙堆1處及堆放殘土區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、殘土位置見圖1。

4.2 DTM土方計算

DTM的核心是地形表面上特征點的三維坐標數據，其中至少包含平面坐標(x，y)與相關區域中的高程之間的映射關系，即是：

z=f(x，y)x，y∈DTM所在區域

(1)

建立DTM數據需要在相關區域中采集大量的地形數據，采樣點的密度和位置將影響DTM的準確性[6]，差值算法和數據結構的選擇也會影響DTM的準確性和效率。

DTM系統主要由計算機程序來實現的，由于實際地形表面具有連續的變化和裂縫，并且在DTM的構建過程中采集的數據有限，因此如何選擇DTM的構建算法和應用差值算法以利于有限的數據來準確地表示實際地形變化，這是DTM計算中的重要問題，建立DTM時，CASS使用雙線性內插值計算插值點的高程，并使用角度方法確定和校正三角測量，其準確性和效率可以滿足該項目的需求。

圖1 沙坑、沙堆及殘土堆分布圖

4.3 數據預處理

通過數據收集獲得的原始DTM數據可能包含不滿足模型構建要求的數據，甚至具有錯誤的數據，為了成功完成網絡構建建模，首先需要對原始數據進行必要的預處理，例如過濾，刪除幾乎重合的數據，給出高程限制，刪除粗糙數據以及執行必要的數據加密等。

除地面坐標數據外，地形信息(地面線，斷層線等)也是構建DTM模型的基本要素，從原始數據中提取地形和地物的特征信息的基礎是數據記錄中的特定代碼和高程變化的特征，在數據收集過程中，遵循了CASS軟件建立的DASS模型所規定的相關規則。

該項目涉及的計算區域較為分散，采取分塊計算，既每處沙坑獨立計算，共計9處；沙堆獨立計算，共計1處；殘土堆獨立計算，共計1處。

4.4 建立DTM模型

本次計算采用兩期土方法，即對同一區域進行了兩期測量，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。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。由于項目區無法獲得原地貌數據，本次計算通過參考歷史衛星影像圖以及現場調研相片，取挖沙后坑頂高程構成的平面為第一期地貌數據，建立一期三角網；以挖沙后現狀采集數據為二期地貌數據，建立二期三角網。對9處沙坑、1處沙堆區及1處殘土區分別計算。

4.5 DTM兩期土方計算成果

由于沙坑開挖前地貌難以復原，在計算過程中，結合了現場實地情況并參考歷史影像比對分析，通過計算求得最終挖方量成果，最大限度避免計算成果與實際發生非法采沙數量出入過大。

堆沙區原地面較為規則，高程從96-98m均勻變化，故取地面高程值建立一期三角網，取現狀高程值建立二期三角網，計算求取沙堆方量。并采用同樣計算方法求取殘土區堆土方量。

1號沙坑內有未運出的河沙堆放，根據實測現場地貌的高程數據，求得挖方量約為38799.2 m3。因堆沙為已經挖出的河沙堆放在沙坑內，故將堆沙處的數據處理后，求得已經挖沙總量為41010.4 m3，即坑內現有沙堆的堆沙量約2211 m3。沙坑影像及沙坑方量計算具體成果見表1及表2。

表1 1號沙坑現狀兩期土方計算成果表

表2 1號沙坑沙堆處理后兩期土方計算成果表

續表2 1號沙坑沙堆處理后兩期土方計算成果表

2號沙坑內有未運出的河沙堆放，根據實測現場地貌的高程數據，求得挖方量約為88586.4m3。因堆沙為已經挖出的河沙堆放在沙坑內，故將堆沙處的數據處理后，求得已經挖沙總量為94636.4 m3，即坑內現有沙堆的堆沙量約6050 m3。

3號沙坑內有未運出的河沙堆放，根據實測現場地貌的高程數據，求得挖方量約為19105.2m3。因堆沙為已經挖出的河沙堆放在沙坑內，故將堆沙處的數據處理后，求得已經挖沙總量為20432.7 m3，即坑內現有沙堆的堆沙量約1327.5 m3。

4號沙坑內有未運出的河沙堆放，根據實測現場地貌的高程數據，求得挖方量約為11220.3m3。因堆沙為已經挖出的河沙堆放在沙坑內，故將堆沙處的數據處理后，求得已經挖沙總量為11915.7 m3，即坑內現有沙堆的堆沙量約659.4 m3。

5號沙坑挖方量約為7213.7m3，沙坑影像及沙坑方量計算具體成果見表3。

表3 5號沙坑現狀兩期土方計算成果表

6號沙坑挖方量約為12051.3 m3，沙坑影像及沙坑方量計算具體見表4。

表4 6號沙坑現狀兩期土方計算成果表

7號沙坑水面以上無新開挖痕跡，一期數據從水面起算。沙坑挖方量約為23595.5 m3，實際挖方量或小于此成果數值。沙坑影像及沙坑方量計算具體見表5。

表5 7號沙坑現狀兩期土方計算成果表

8號沙坑挖方量約為11958.9m3，9號沙坑挖方量約為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 語

通過以上分析計算得出，1號沙坑至9號沙坑，累加挖沙為234982.9 m3，其中坑內現有未運出沙堆總計10284.1 m3；1處沙堆堆沙量8851.1 m3；1處殘土堆放量 1155.9 m3。