海城河采砂测量数据采集与砂堆方量计算

盖继明

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124000)

1 概 况

海城市海城河方量计算项目位于海城市东陵村南侧的海城河河道两岸，位置为E122°50′37″，N40°48′44″。现有砂堆分2处堆放，以砂场1、砂场2编号,砂场1、砂场2涉及范围沿海城河沿岸约0.9km。项目区位置图见图1。

图1 项目区位置图

2 数据采集与校核

在外业测量过程中，使用GPS-RTK完成控制点坐标数据采集以及项目区地形变化的特征点采集，即坡度、水下点、有地物遮盖处的点等[1]。使用无人机的航测数据进行项目区的加密点采集，既减小数据间距，加大计算数据量，又使后期计算数据更加精确。

本次测量任务中，使用华星A12仪器，采用GPS-RTK动态测量技术，遵循了以下原则进行：

1)设立流动站时，正确输入点号、仪器高、坐标、高程等必要信息；

2)流动站正确输入转换参数、杆高的测量位置等信息；

3)流动站观测时采用1.8m对中杆对中、整平，采样时间间隔≥1s，每次观测历元数≥7个[2]；

4)每次连接CORS站后，每台流动站都应对已知点进行检查，采用下列方法进行检查：

a)在不同的地点之间进行重复点测量对比；

b)对已知点进行测量对比；

c)在至少在一台流动站正确的前提下，不同流动站之间进行测量对比；

6)流动站没有在隐蔽地带、成片水域和强电磁波干扰源附近观测[2]；

7)流动站有效观测卫星数≥5个，PDOP值≤6。

由于省网CORS站为连续基站，测区坐标系统转换参数获取后，可以随时进行外业测绘工作。除了满足每次测量前校核要求，在地形图碎部点采集过程中，还注意了以下几点，以保证数据成果的准确性：

1)保证碎部点平面坐标转换≤图上±0.1mm(既实地100mm)，高程拟合≤1/10等高距[3](既实地100mm)；

2)RTK碎部测量观测时采用固定高度对中、整平；

3)连续采集一定数量地形碎部点后，重新进行设备初始化，并检核一个重合点。当检核点位坐标≤图上0.5mm(既实地500mm)时，方可继续测量。

在外业施测过程中，没有遗漏最高点及最低点的高程点，在实测过程中按照1∶500比例尺进行。仪器自动保存数据，每次重新开始数据采集前，对仪器进行检校，检验结果最大值为△x=-13mm、△y=-12mm、△h=0.22mm，满足△x≤70mm、△y≤70mm、△h≤40mm[4]。

由于土方计算项目的特殊性，高程点的采集尤为重要。在项目外业测量过程中，增大了测量点采集密度，注重点位数据采集技巧，保证了内业计算时建立三角网的数据质量。

3 砂堆方量计算

项目要求算取采砂砂堆的堆方量以及现有砂坑的挖砂量，区别于常规的方量挖填方计算，经分析后采用DTM两期土方法，既地面与堆砂后地貌两期数据的三角网进行叠加计算，且只计算两期数据平面坐标重合部分。

3.1 砂堆位置

通过对外业数据采集的初步处理，实地砂堆堆放在2处区域。砂场1处为砂坑，坑内有堆砂。分两部分进行计算，一部分为砂坑的挖砂量计算，另一部分为砂坑内现有堆砂量计算。

砂场2现有堆放物分为3种，分别为砂子、砂砾，计算过程均计算堆放物的堆放量。

3.2 DTM土方计算

DTM核心是地形表面特征点的三维坐标数据(测量数据)，包含了相关区域内的平面坐标(x，y)与高程之间的映射关系，即：

z=f(x，y)x，y∈DTM所在区域

(1)

建立DTM数据需要在有关区域内采集相当数量的地形数据，采样点的密度及位置都将影响DTM的精度，差值算法和数据结构的选择同样影响DTM的精度和使用效率[4]。DTM 系统主要由计算机程序实现的，由于实际地形表面有连续的变化，也有断裂，而构造DTM时采集的数据是有限的，因此选择构造DTM的算法及应用时的差值算法，以利于有限的数据准确的表达实际地形变化，是使用DTM计算方量的重要问题。CASS在建立DTM时采用双线性内插计算内插点的高程，用角度法判断修正三角网[5]，其精度与效率满足本项目使用需要。

3.3 数据预处理

通过数据采集得到的原始DTM数据，其中包含不符合建立模型要求的数据，甚至有错误数据。为了顺利完成构网建模，首先对原始数据进行必要的预处理，如过滤、剔除几乎重合数据，给定高程限值，剔除粗糙数据，进行必要的数据加密等等[6]。

除地面坐标数据之外，地物地形信息(地性线、断裂线等)，是建立DTM模型必不可少的要素。从原始数据中提取地形地物特征信息的依据是数据记录中的特定代码以及高程变化特征，在数据采集过程中已经遵循了CASS软件建立DTM模型规定的相关规则。

项目涉及的计算区域较为分散，采取分块计算方式，既每处砂堆独立计算。

3.4 建立DTM模型

计算采用两期土方法，即对同一区域进行了两次测量，利用两次观测得到的高程数据建模后叠加，计算除两期之中的区域内方变化情况。建网方式采用不规则网结构，以原始的坐标位置作为网格节点，组成不规则形状格网，应用中主要采用的是不规则三角形格网(TIN)，直接利用测区内野外实测的所有地形特征点，构造出邻接三角形组成的格网形结构，TIN的每个基本单元的核心是组成不规则三角形的3个顶点的三维坐标[6]。采用TIN可避免内插方格网而牺牲原始测点的精度，保证了整个数模的精度。

两期土方计算之前，先对该区域分别进行了建模，即生成DTM 模型，并将生成的DTM模型分别保存起来共同参与计算[7]。在本次计算过程中,将地面高程设定为起始高程面构成的面数据为第一期地貌数据，建立一期三角网，作为原始地貌模型数据；以堆砂后现状，即本次外业测量工作实测数据数据为二期地貌数据，建立二期三角网，作为现状地貌模型数据。两期模型相减求得堆砂方量。砂坑处取坑顶地面高程设定为起始高程面构成的面数据为第一期地貌数据，建立一期三角网，作为原始地貌模型数据；以挖砂后坑底高程现状，即本次外业测量工作实测数据数据为二期地貌数据，建立二期三角网，作为现状地貌模型数据[8]，两期模型相减求得挖砂方量。

4 DTM两期土方计算

2处项目区地面均较为平坦，故取地面高程值建立一期三角网，取现状测量所得高程值建立二期三角网，计算求取砂堆方量。

4.1 砂场1计算

4.1.1 砂场1砂坑挖砂量计算

砂场1现有情况为一处砂坑及坑内堆砂，经过现场调查结合外业实测结果，取现状坑顶高程为原地面高程，建立起算模型，生成一期三角网；取本次外业测量工作实测数据作为现状高程数据，建立现状模型，生成二期三角网。砂场1影像及挖砂方量计算具体成果见表1。

表1 砂场1砂坑现状两期土方计算成果表

砂场1砂坑挖方量计算成果为：500181.9 m3。砂场1的砂坑挖砂方量和砂坑内堆砂方量均为独立计算，互相未进行叠加和相减计算。

4.1.2 砂场1砂坑内堆砂方量计算

结合外业实测结果，取高程39-43m作为起始高程数据，建立起算模型，生成一期三角网；取本次外业测量工作实测数据作为现状高程数据，建立现状模型，生成二期三角网。砂场1砂坑内堆砂方量计算具体见表2：

表2 砂场1坑内堆砂现状两期土方计算成果表

砂场1坑内堆砂方量计算成果为：149304.4m3。

4.2 砂场2计算

砂场2经过现场调查确认，现有堆放物为砂子、砂砾，外业数据采集及内业数据处理过程中均分别进行测绘和计算。

结合外业实测成果，取地面高程作为起始高程数据，建立起算模型，生成一期三角网[9]；取本次外业测量工作实测数据作为现状高程数据，建立现状模型，生成二期三角网。砂堆方量计算具体成果见表3。

表3 砂场2砂堆现状两期土方计算成果表

砂砾堆方量计算具体成果见表4。

表4 砂场2砂砾堆现状两期土方计算成果表

淤砂堆方量计算具体成果见表5。

表5 砂场2淤砂堆现状两期土方计算成果表

砂场2砂堆、砂砾堆和淤砂堆方量计算成果分别为：砂子24813.9m3，砂砾33500.8m3，淤砂23275.3m3。

4.3 砂堆方量计算成果

计算成果如表6。

表6 堆砂计算成果统计表

5 结 语

测绘成果为满足计算采砂及现有砂堆的土方量，考虑项目区范围相对较小，采用独立坐标系统。主要以GPS-RTK移动站测量方式，利用省网CORS站及GPS独立设站技术完成野外地形数据采集工作。设备具有发送、接收并处理标准差分数据功能[10]，固定误差以mm为单位，使用设备均经过省级鉴定合格。