河道非法采沙数据采集准则及挖方量计算

尹冬艳

(辽宁省营口市水利事务服务中心，辽宁 营口 115003)

1 概 述

调查区域位于辽宁省某河道，沿河范围约1.5km，面积约0.31km2，非法开采有9个沙坑，受公安局刑警大队委托，对该区域沙坑内的非法采沙量，砂桩和剩余土量进行了实地调查和计算，由于沙坑分布比较分散，部分沙坑积水较深，由于看不到水下条件，因此很难测量到外业高程点。

2 技术指标

测绘结果应满足非法采沙及现有砂桩土方量的计算，考虑到项目面积较小，采用独立坐标系，以GPS-RTK技术主要用于完成省级网络CORS站的野外地形数据收集。该设备应具有发送，接收和处理标准差分数据的功能[1]，固定误差以毫米为单位，使用的设备已通过省级认证，内部数据处理使用南方 CASS9.2软件，DTM模型是通过在项目区域中采集的高程点数据建立的，并生成一个三角形网络来计算每个三棱锥的开挖和填充量数量。

3 坐标系统及数据采集

3.1 坐标系统

由于该项目需要小规模平面和高程数据的采集，并且只能使用坐标点的相对位置和高程差来计算体积[2]，因此建立了一个独立的坐标系，建立了WGS84椭球和2000国家大地坐标系的转换模型，以获得平面转换关系，并将测得的点位大地高度直接用作标高。

3.2 数据采集

在此测量任务中，使用了华星 A12仪器，并使用了GPS-RTK动态测量技术，同时遵循以下原则：

1)设置流动站时，请正确输入必要的信息，例如点号，仪器高度，坐标和标高等；

2)流动站正确输入转换参数，杆高及杆高度的测量位置；

3)观测流动站时，请使用1.8m对中杆对中和整平[3]，采样间隔≥1s；

4)每次连接CORS站时，每个流动站都应检查已知点并使用以下方法进行检查：①在不同的图根点之间进行重复点测量对比；②对已知点进行测量对比；③在至少一台流动站正确的前提下，不同流动站之间进行测量对比。

5)在隐藏区域，水域和强电磁波干扰源附近未观察到流动站；

6)流动站的有效观测卫星数≥5，PDOP值≤6。

由于省级网络CORS站是一个连续的基站，因此在获取调查区域坐标系的参数后，可以随时执行野外测绘工作，除了满足每次测量之前的验证要求外，在地形图上收集碎部点时还应注意以下几点，以确保数据结果的准确性：①确保碎部点的平面坐标变换的残差在地图上≤±0.1mm(在地面上为100mm)，并且高度拟合的残差在≤1/10轮廓距离(在地图上为100mm)；②RTK碎部测量观测时采用固定高度对中杆对中、整平，观测历元数>5；③连续收集一定数量的地形破碎点后，请重新初始化设备并检查重叠点，当检查点的坐标≤0.5mm(地面500mm)[4]时，可以继续进行测量。

在现场施测过程中，最高点和最低点的高程点都没有被忽略，在实际测量过程中，使用的是1∶500比例尺，并且点间距≤10m，仪器会自动保存数据，在恢复数据收集之前，必须对仪器进行校准，试验结果的最大值为△x=-13mm，△y=-12mm，△h=0.22mm，满足△x≤70mm，△y。≤70mm，△h≤40mm。

该项目是一个涉水施测工程，现场水流相对较慢，在采集现场数据时，GPS-RTK用于测量水面高程，然后船以均匀的速度前进。然后将测锤放下适当的距离以测量水深，从而测量水深点高程数据。

4 非法采沙挖方量计算

GPS接收器用于自动存储观测数据和现场记录点编号，因此，使用测量点记录方法，内业连线和地图制作方法来完成数字地图绘制，在内业工作过程中，使用了南方CASS9.2软件。该项目要求仅计算沙坑中非法采砂的开挖量，这与常规的体积开挖和填方计算不同，分析后，使用DTM两期土方法进行叠加计算，仅计算两个周期的数据平面坐标的重合部分。

4.1 非法采沙及沙堆位置

通过对外业数据采集的初步处理，实地沙坑共计9处，沙堆1处及堆放残土区1处。沙坑沿河道右岸1.5KM范围呈不均匀分布；沙堆及残土堆位于概略经度：124°02′53.12″、纬度：42°35′53.52″。沙坑分布情况及沙堆、残土位置见图1。

4.2 DTM土方计算

DTM的核心是地形表面上特征点的三维坐标数据，其中至少包含平面坐标(x，y)与相关区域中的高程之间的映射关系，即是：

z=f(x，y)x，y∈DTM所在区域

(1)

建立DTM数据需要在相关区域中采集大量的地形数据，采样点的密度和位置将影响DTM的准确性[6]，差值算法和数据结构的选择也会影响DTM的准确性和效率。

DTM系统主要由计算机程序来实现的，由于实际地形表面具有连续的变化和裂缝，并且在DTM的构建过程中采集的数据有限，因此如何选择DTM的构建算法和应用差值算法以利于有限的数据来准确地表示实际地形变化，这是DTM计算中的重要问题，建立DTM时，CASS使用双线性内插值计算插值点的高程，并使用角度方法确定和校正三角测量，其准确性和效率可以满足该项目的需求。

图1 沙坑、沙堆及残土堆分布图

4.3 数据预处理

通过数据收集获得的原始DTM数据可能包含不满足模型构建要求的数据，甚至具有错误的数据，为了成功完成网络构建建模，首先需要对原始数据进行必要的预处理，例如过滤，删除几乎重合的数据，给出高程限制，删除粗糙数据以及执行必要的数据加密等。

除地面坐标数据外，地形信息(地面线，断层线等)也是构建DTM模型的基本要素，从原始数据中提取地形和地物的特征信息的基础是数据记录中的特定代码和高程变化的特征，在数据收集过程中，遵循了CASS软件建立的DASS模型所规定的相关规则。

该项目涉及的计算区域较为分散，采取分块计算，既每处沙坑独立计算，共计9处；沙堆独立计算，共计1处；残土堆独立计算，共计1处。

4.4 建立DTM模型

本次计算采用两期土方法，即对同一区域进行了两期测量，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。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。由于项目区无法获得原地貌数据，本次计算通过参考历史卫星影像图以及现场调研相片，取挖沙后坑顶高程构成的平面为第一期地貌数据，建立一期三角网；以挖沙后现状采集数据为二期地貌数据，建立二期三角网。对9处沙坑、1处沙堆区及1处残土区分别计算。

4.5 DTM两期土方计算成果

由于沙坑开挖前地貌难以复原，在计算过程中，结合了现场实地情况并参考历史影像比对分析，通过计算求得最终挖方量成果，最大限度避免计算成果与实际发生非法采沙数量出入过大。

堆沙区原地面较为规则，高程从96-98m均匀变化，故取地面高程值建立一期三角网，取现状高程值建立二期三角网，计算求取沙堆方量。并采用同样计算方法求取残土区堆土方量。

1号沙坑内有未运出的河沙堆放，根据实测现场地貌的高程数据，求得挖方量约为38799.2 m3。因堆沙为已经挖出的河沙堆放在沙坑内，故将堆沙处的数据处理后，求得已经挖沙总量为41010.4 m3，即坑内现有沙堆的堆沙量约2211 m3。沙坑影像及沙坑方量计算具体成果见表1及表2。

表1 1号沙坑现状两期土方计算成果表

表2 1号沙坑沙堆处理后两期土方计算成果表

续表2 1号沙坑沙堆处理后两期土方计算成果表

2号沙坑内有未运出的河沙堆放，根据实测现场地貌的高程数据，求得挖方量约为88586.4m3。因堆沙为已经挖出的河沙堆放在沙坑内，故将堆沙处的数据处理后，求得已经挖沙总量为94636.4 m3，即坑内现有沙堆的堆沙量约6050 m3。

3号沙坑内有未运出的河沙堆放，根据实测现场地貌的高程数据，求得挖方量约为19105.2m3。因堆沙为已经挖出的河沙堆放在沙坑内，故将堆沙处的数据处理后，求得已经挖沙总量为20432.7 m3，即坑内现有沙堆的堆沙量约1327.5 m3。

4号沙坑内有未运出的河沙堆放，根据实测现场地貌的高程数据，求得挖方量约为11220.3m3。因堆沙为已经挖出的河沙堆放在沙坑内，故将堆沙处的数据处理后，求得已经挖沙总量为11915.7 m3，即坑内现有沙堆的堆沙量约659.4 m3。

5号沙坑挖方量约为7213.7m3，沙坑影像及沙坑方量计算具体成果见表3。

表3 5号沙坑现状两期土方计算成果表

6号沙坑挖方量约为12051.3 m3，沙坑影像及沙坑方量计算具体见表4。

表4 6号沙坑现状两期土方计算成果表

7号沙坑水面以上无新开挖痕迹，一期数据从水面起算。沙坑挖方量约为23595.5 m3，实际挖方量或小于此成果数值。沙坑影像及沙坑方量计算具体见表5。

表5 7号沙坑现状两期土方计算成果表

8号沙坑挖方量约为11958.9m3，9号沙坑挖方量约为12168.3m3，沙堆堆沙方量约为8851.1 m3，残土堆土方量约为1155.9 m3。

5 结 语

通过以上分析计算得出，1号沙坑至9号沙坑，累加挖沙为234982.9 m3，其中坑内现有未运出沙堆总计10284.1 m3；1处沙堆堆沙量8851.1 m3；1处残土堆放量 1155.9 m3。