吉緒發(fā)

(廣東南方數(shù)碼科技股份有限公司，廣東 廣州 510665)

在工程建設(shè)中，通常要將場地整理成水平面或某一特定斜面，因此，需要對該區(qū)域進(jìn)行地形測量。一方面，可為工程建設(shè)提供基礎(chǔ)地形圖；另一方面，通過獲取的三維地形數(shù)據(jù)計(jì)算出該區(qū)域填挖土方量。針對陸地上的工程建設(shè)，常采用全站儀、GNSS RTK技術(shù)進(jìn)行地形測量。當(dāng)建設(shè)區(qū)域較大時(shí)，也可利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)、LiDAR技術(shù)、機(jī)載三維激光掃描技術(shù)測繪其地形。對于池塘、水庫等水域工程，為了得到其庫容數(shù)據(jù)或填挖土方量數(shù)據(jù)，需進(jìn)行水下地形測量。然而，一些工程在整平水域的基礎(chǔ)上，還需在水域周圍的區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)充而包含部分陸地，此時(shí)，測量應(yīng)分為陸地地形測量和水下地形測量，并將水下地形數(shù)據(jù)和陸地地形數(shù)據(jù)融合，計(jì)算其填挖土方量，為后續(xù)工程建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

水下地形測量由于水域底面點(diǎn)具有不可見性，受水面不穩(wěn)定性、水流速度、水中不明物體等因素的影響，使得測量水下地形變得困難[1]。水下地形測量需測量水域底面點(diǎn)平面位置、高程和水深，平面位置與高程一般利用GNSS定位技術(shù)確定，水深則是在GNSS進(jìn)行定位的同時(shí)，通過測深儀器得到，再利用水面高程減去水深可求得水域底面點(diǎn)高程。傳統(tǒng)的水下位置測量主要有無線電定位法、水下聲學(xué)定位法和差分GNSS定位法等。測深儀器主要有測深桿、測深錘和回聲測深儀等，其中測深桿和測深錘主要用于人工測深，而人工測深目前主要針對水草密集區(qū)域或淺灘等聲吶設(shè)備無法探測的情形[2]。回聲測深儀，又稱測深聲吶，是目前水深測量最主要的儀器，包括單波束測深儀和多波束測深儀。

隨著測繪科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，水下地形測繪正朝著自動(dòng)化、智能化和集成化方向發(fā)展[3]。目前，GNSS RTK與回聲測深儀的組合測量技術(shù)是水下地形測量的主要技術(shù)手段，它降低了測量的勞動(dòng)強(qiáng)度和人工測量風(fēng)險(xiǎn)，提高了測量自動(dòng)化程度和作業(yè)效率，該技術(shù)需要依托船體才能進(jìn)行測量。而智能無人測量船通過搭載通信設(shè)備、回聲測深儀、高精度GNSS接收機(jī)和各種測量傳感器等，可實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，并能進(jìn)行自主導(dǎo)航或通過人工操控完成水下測量任務(wù)，極大地提高了工作效率和靈活性。此外，無人船重量輕、體積小，避免了測量人員涉水風(fēng)險(xiǎn)，攜帶方便，因此無人船測量技術(shù)在水下地形測量中具有無可比擬的優(yōu)勢。陸地地形測量方法較多，但由于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)具有自動(dòng)化、集成化程度高，作業(yè)效率高，定位精度高及作業(yè)距離長等優(yōu)點(diǎn)，其已廣泛應(yīng)用于地面的地形測量中。

本文針對某一涵蓋水陸兩部分露天礦坑的填挖土方量測量，提出無人船與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)相結(jié)合的實(shí)施方案，其中利用無人船測量礦坑水域部分的地形，利用網(wǎng)絡(luò)RTK測量礦坑的陸上地形。通過融合水陸兩部分的三維地形數(shù)據(jù)，采用基于不規(guī)則三角網(wǎng)的DTM土方量法計(jì)算水陸兩部分總的土方量，并繪制整個(gè)礦坑的水深圖。

1 結(jié)合無人船與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測量水陸地形

本文無人船與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)相結(jié)合的測量方式是針對水陸兩部分地形測量提出的，其實(shí)質(zhì)是利用搭載在無人船上的GNSS接收機(jī)通過RTK測量獲得水面點(diǎn)的三維位置，同時(shí)通過回聲測深儀測量水深，此外，利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測量陸地地形，再將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)合，生成整個(gè)區(qū)域地形圖，并計(jì)算填挖土方量。

1.1 無人船測量系統(tǒng)的組成與水下地形測量原理

無人船測量系統(tǒng)包括船體、動(dòng)力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等[4]，如圖1所示。其中，通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人船和岸基控制單元相互通信的重要部分，無人船通過實(shí)時(shí)射頻點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，將無人船的工作狀態(tài)、航行姿態(tài)及任務(wù)狀態(tài)傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)，此外還能實(shí)時(shí)傳輸水深、流速和位置等信息[4]。控制系統(tǒng)主要是控制無人船的航行軌跡，由筆記本電腦或手持遙控器和通信單元組成，用戶可以通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制或手動(dòng)控制以測量水下地形，自動(dòng)與手動(dòng)方式能靈活自由地切換，以適應(yīng)復(fù)雜的水面狀況，但可控范圍一般在2 km以內(nèi)，同時(shí)岸基控制單元與無人船之間進(jìn)行無線通信，可以將船上各類傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂栖浖瑸橛脩籼峁?shí)時(shí)船體狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)，用戶據(jù)此調(diào)整航行軌跡。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是無人船測量系統(tǒng)的核心，包括高精度GNSS接收機(jī)、回聲測深儀、多普勒流速剖面儀(ADCP)、姿態(tài)傳感器、全方位攝像頭和距離傳感器等，各個(gè)傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析運(yùn)算，再通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘刂茊卧?/p>

無人船測量系統(tǒng)的測量原理如圖2所示。其平面位置定位及導(dǎo)航采用GNSS RTK動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，在岸邊架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，接收GNSS衛(wèi)星信號，并將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至無人船上安置的GNSS天線，獲取待測點(diǎn)的平面位置及高程。需要說明的是，也可采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)代替岸基RTK。

水深測量由安置在無人船上的回聲測深儀完成，其基本原理是利用超聲波在同一介質(zhì)中均勻傳播的特性[2]，由換能器發(fā)射超聲波，通過發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間差來測量水深。設(shè)超聲波在水體中的傳播速度為vs，超聲波在水中往返所需時(shí)間為Δt，此外，測深儀電子或機(jī)械有延遲，由此引起的儀器系統(tǒng)改正數(shù)為k，則測深儀測得換能器到水底面的水深h3為

(1)

若測得裝載在無人船上的GNSS接收機(jī)的高程為hG，實(shí)時(shí)測得的GNSS接收機(jī)至水面高度為h1，水面至換能器底部高度為h2，則在無人船航行時(shí)實(shí)時(shí)位置對應(yīng)的水域底面點(diǎn)的高程h為

h=hG-h1-h2-h3+δ

(2)

式中，δ為無人船的姿態(tài)改正。由于涌浪及風(fēng)的作用，使得無人船在實(shí)際作業(yè)過程中產(chǎn)生橫搖、縱傾和起伏，改變著無人船的姿態(tài)[2]。其中橫搖和縱傾不僅會(huì)引起測深點(diǎn)的水深誤差，而且還會(huì)產(chǎn)生測深點(diǎn)的平面位置誤差，其誤差隨著水深增加而增大。起伏誤差只對水深測量產(chǎn)生影響。無人船利用所裝載的姿態(tài)傳感器，對采集的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，得到正確的水深數(shù)據(jù)，姿態(tài)改正由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成。

1.2 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的組成和測量原理

網(wǎng)絡(luò)RTK是在常規(guī)RTK的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)。其基本原理是在一個(gè)較大區(qū)域中稀疏且較均勻地布設(shè)多個(gè)參考站，構(gòu)成一個(gè)參考站網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理中心基于參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)對GNSS定位誤差建模，用戶站借助誤差模型及其基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，通過差分定位獲得高精度的位置信息[5]，如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)RTK通常由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)播發(fā)中心、數(shù)據(jù)通信鏈路和用戶等組成。常用的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)有虛擬參考站技術(shù)、主輔站技術(shù)和區(qū)域改正數(shù)法等[6]。

網(wǎng)絡(luò)RTK本質(zhì)上是一種利用載波相位觀測值在基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間進(jìn)行的一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對定位技術(shù)，其基本的雙差觀測方程可表示為[6]

(3)

2 某水陸覆蓋的露天礦坑土方量的測量實(shí)施

2.1 某露天礦坑地形數(shù)據(jù)采集

某露天礦坑位于湖南長沙市郊的含浦鎮(zhèn)，早年間該礦坑被廢棄后變成了水庫，如圖4所示。依據(jù)測量數(shù)據(jù)得知，整個(gè)礦坑區(qū)域周長約1010 m(虛線表示)，面積約57 172 m2。其中，水域周長約770 m(實(shí)線表示)，面積約34 271 m2，水庫東西向最大距離約為232 m，南北向最長約為218 m，此外歷史資料表明該水域水深最大值約60 m。

由于工程項(xiàng)目建設(shè)，現(xiàn)需將該水域及周邊陸地部分填至路面標(biāo)高，因此，需要測量整個(gè)礦坑的地形并計(jì)算土方量。由于水域周邊水草叢生、朽木眾多，大型船只無法施測，而該水域水相對較深，傳統(tǒng)的人工測深無法實(shí)現(xiàn)。該礦坑區(qū)域形狀不規(guī)整，周邊房屋較多，岸邊樹木茂密，需測的陸地地形近似為一環(huán)形，傳統(tǒng)的全站儀測量由于附近無控制點(diǎn)、操作煩瑣、工作量大、效率較低等缺陷，無法滿足該礦坑陸上地形測量的需要?；诖?，本文利用無人船技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)RTK相結(jié)合的方案以解決該礦坑的水陸地形測量，其中，利用無人船測量技術(shù)進(jìn)行礦坑的水下地形測量，如圖5所示，利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測量礦坑陸地部分的地形，如圖6所示。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，將兩者地形數(shù)據(jù)融合，得到整個(gè)區(qū)域的水陸地形數(shù)據(jù)。由于工程項(xiàng)目的目的是計(jì)算該區(qū)域填挖土方量，故無人船系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)RTK測量直接采用WGS-84坐標(biāo)系。合成的數(shù)據(jù)以特定格式導(dǎo)入CASS軟件中，建立不規(guī)則三角網(wǎng)，并利用DTM法計(jì)算填挖土方量。

本次測量共采集2641組地形數(shù)據(jù)，其中無人船采集2529組水下地形數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)RTK采集112組陸地地形數(shù)據(jù)，如圖7所示，水域中小點(diǎn)代表無人船采集的地形點(diǎn)，陸地上三角形表示網(wǎng)絡(luò)RTK所測的地形點(diǎn)。水域的東側(cè)缺少采集點(diǎn)是由于水庫東側(cè)存在大量雜物、灌木叢等，無人船無法施測。

2.2 填挖土方量的計(jì)算方法

土地平整中計(jì)算土方量的常用方法有方格網(wǎng)法、斷面法、等高線法和DTM法。本文所測區(qū)域涵蓋水陸兩部分，地形復(fù)雜不規(guī)則，而DTM法適用于任何地形地貌，計(jì)算精度較高，應(yīng)用也最為廣泛，因此，本文選擇DTM法計(jì)算土方量。該方法的基本原理是根據(jù)測得的三維地形數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，再給定設(shè)計(jì)高程，對每一個(gè)三角形計(jì)算區(qū)域，利用三棱柱的體積計(jì)算土方量，最后通過累計(jì)得到整個(gè)測區(qū)范圍內(nèi)填方和挖方的土方量。DTM法計(jì)算每一個(gè)三棱柱體積的原理如圖7所示，則TIN中第i個(gè)三棱柱的體積為

(4)

式中，hij(j=1、2、3)為三角形3個(gè)頂點(diǎn)與設(shè)計(jì)高程之間的填挖高差；Si為第i個(gè)三棱柱的底面積，其計(jì)算公式為

(5)

(6)

(7)

式中，t=1、2；q=2、3;t≠q。

將區(qū)域中每一個(gè)三棱柱體積進(jìn)行累加，計(jì)算出整個(gè)區(qū)域的體積，再通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定區(qū)域面積大小，最高點(diǎn)、最低點(diǎn)高程及填挖土方量，并繪制土方平衡線。

2.3 填挖土方量測量結(jié)果

本文基于無人船系統(tǒng)測量得到的水下地形數(shù)據(jù)，通過中海達(dá)HiMAX軟件逐步處理，生成最終礦坑水域的水深圖，如圖8所示。從水深圖中可以看出，大部分區(qū)域水深值在50 m以下，其中水深最大值超過60 m，水深具有由周邊向水庫中心斷崖式增大的特點(diǎn)，該結(jié)果與實(shí)際情況和歷史資料相符，反映了該水庫的地形特點(diǎn)。

將無人船測量得到的水下地形數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)RTK測量得到的陸地地形數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過數(shù)據(jù)處理得到整個(gè)礦坑區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)。將此三維地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS軟件中，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，如圖9所示。再利用DTM法計(jì)算土方量，其中，設(shè)計(jì)高程以西邊路面高程為準(zhǔn)，由此計(jì)算得到該區(qū)域的填方量為143 300.8 m3，挖方量為5367.0 m3。

3 結(jié) 語

本文利用無人船與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)相結(jié)合的方式測量了某一水陸覆蓋的礦坑及周邊地形，得到了水域的水深圖，并將無人船與網(wǎng)絡(luò)RTK測量得到的地形數(shù)據(jù)融合構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，得到了該區(qū)域填挖土方量數(shù)據(jù)，其結(jié)果準(zhǔn)確可靠。工程實(shí)踐表明，結(jié)合無人船與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測量涵蓋水陸復(fù)雜區(qū)域的地形，從而獲得其填挖土方量，具有操作簡單靈活、工作效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，避免了測量工作人員的涉水風(fēng)險(xiǎn)，也極大地減小了測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文所提出的土方量測量方案對相關(guān)工程的測量實(shí)踐具有一定的參考意義。