申成鋒，馬生龍

(青海省有色第一地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000)

礦山測量是指為地質(zhì)勘測、礦山設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營生產(chǎn)及后期改擴(kuò)建等各方面所進(jìn)行的測繪工作，礦山測量中的土石方測量是測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的水準(zhǔn)儀法、全站儀法和GPS測量法等傳統(tǒng)的土石方測量方法，逐漸被新興的無人機(jī)航測技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)等方法替代[1-2]。

1 水準(zhǔn)儀測量法

水準(zhǔn)儀測量土石方量分為兩種：①方格網(wǎng)法，用水準(zhǔn)儀測量方格網(wǎng)的每個角點(diǎn)高程來計(jì)算土石方量；②斷面法，在測區(qū)布設(shè)橫斷面，依據(jù)橫斷面的高程及被測地段的長度計(jì)算土石方量。兩種方法都要布設(shè)符合項(xiàng)目需要的高程控制網(wǎng)，也就是將已有的高程控制點(diǎn)高程引測至被測區(qū)域附近，按照相應(yīng)的水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)，往返測并進(jìn)行閉合校算，經(jīng)平差后形成控制點(diǎn)成果表[3]。

方格網(wǎng)法是在被測區(qū)域打方格網(wǎng)，用水準(zhǔn)儀架設(shè)在控制點(diǎn)上，測出每個格網(wǎng)點(diǎn)的高程，測算每一個四棱柱體積，之后匯總得到所有四棱柱的體積，即為總的土方量。方格網(wǎng)的大小取決于需要的精度，格子越小，測出的土石方量越精確。方格網(wǎng)法適用于一些地形起伏較小、坡度變化平緩的大面積場地。

斷面法適用于地形復(fù)雜，起伏較大，地形狹長，不規(guī)則且挖填深度較大的地方，依據(jù)現(xiàn)場地形情況，架設(shè)水準(zhǔn)儀在控制點(diǎn)上，選取有代表性的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，繪出相應(yīng)的橫斷面圖，計(jì)算每個斷面的填挖面積，求出平均填挖面積，乘以垂直于橫斷面的地形的長度，求出填挖土方量。此種方法測量出土石方量精度與每個斷面間距的長度有關(guān)，間距越小，精度越高，但是工作量卻大大增加。

2 全站儀測量法

利用全站儀布設(shè)平面和高程控制網(wǎng)。高程控制網(wǎng)的布設(shè)采用三角高程測量的方法傳遞高程。控制網(wǎng)布設(shè)好之后，利用全站儀在野外測定特殊點(diǎn)的位置獲取三維坐標(biāo)，將內(nèi)存貯存的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，依據(jù)野外草圖繪制地形圖，利用已經(jīng)繪制好的地形圖計(jì)算土石方量[4]。測量現(xiàn)場方格網(wǎng)的高程，設(shè)定1個標(biāo)高，利用CASS軟件，直接計(jì)算方量。施工前和施工后各測算一次土石方量，兩次方量相減就是本次工程的凈土石方量。要注意，施工前后所勘測范圍一致，并且施工前后設(shè)定的平場高程要一致且低于施工前后所測所有高程點(diǎn)中最低高程。利用提高勘測點(diǎn)的點(diǎn)位精度和縮短等分間距的方法提髙土石方計(jì)算精度。全站儀測量法操作簡單，儀器要求低，適合測繪通視良好及面積較小的區(qū)域[5]。

3 GPS測量法

GPS測量法有外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分組成。外業(yè)要事先布設(shè)好平面和高程控制網(wǎng)，采用GPS-RTK1+N模式，其中1臺為基準(zhǔn)站，其余GPS為流動站，直接采集特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)[6]。測圖范圍和精度依據(jù)甲方要求，按規(guī)范實(shí)施。外業(yè)測繪完成后，將數(shù)據(jù)從手簿中導(dǎo)出。內(nèi)業(yè)計(jì)算有等高線法、方格網(wǎng)法、斷面法和數(shù)字高程模型法。具體采用什么方法，依據(jù)實(shí)際情況確定。

如果在遮擋物較多，衛(wèi)星信號不佳的地方，GPS-RTK方法還是有局限性的，通常大范圍的礦區(qū)土石方測量，都是各種儀器結(jié)合使用，取長補(bǔ)短，達(dá)到最好效果。

方格網(wǎng)法土方測量成果見圖1，傳統(tǒng)方法結(jié)合測出土石方斷面成果見圖2，傳統(tǒng)方法結(jié)合測出土石方探深線剖面見圖3。

圖1 方格網(wǎng)法土方測量成果

圖2 傳統(tǒng)方法結(jié)合測出土石方斷面成果

圖3 傳統(tǒng)方法結(jié)合測出土石方探深線剖面

4 無人機(jī)航測

無人機(jī)航測是測繪學(xué)科發(fā)展的新方向，以其隨機(jī)性強(qiáng)，不受地形限制(平緩和陡峭地區(qū)均適用)，數(shù)據(jù)采集快速，現(xiàn)勢性強(qiáng)，影像分辨率高，計(jì)算更加精準(zhǔn)，減少人員投入，減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)[7]。無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行土石方量測量主要是針對同一測區(qū)、變化前后的現(xiàn)狀地形分別進(jìn)行航空攝影測量，獲得礦區(qū)地形變化前后三維地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，再分別將地形變化前后數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil3D軟件中，生成兩次三維地形模型，依據(jù)這些三維模型，計(jì)算施工前后土石方量[7]。無人機(jī)航空攝影測量的土石方量工作流程主要有：踏勘測區(qū)、規(guī)劃航線(航線設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)、參數(shù)設(shè)定)、采集施工前后航測數(shù)據(jù)、處理航測數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型制作、數(shù)字正射影像圖制作、分析數(shù)據(jù)、計(jì)算土方量。部分成果如圖4所示。

圖4 無人機(jī)部分航測成果

5 三維激光掃描

隨著三位激光掃描技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用掃描儀測量土石方量也成為其應(yīng)用之一?；谌S激光掃描技術(shù)的土方測量較之傳統(tǒng)全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS測量具有采集數(shù)據(jù)速度快、精度高、受環(huán)境影響小、不接觸測量、高分辨率、使用靈活等特點(diǎn)[8]。三維激光掃描技術(shù)就是運(yùn)用激光測距原理，計(jì)算相位或脈沖時間差值，測算出目標(biāo)與掃描中心點(diǎn)的斜距，再利用激光束的垂直角和水平角，測算出物體表面激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)，與此同時通過快速、實(shí)時全自動列陣式掃描記錄激光點(diǎn)的反射強(qiáng)度。依據(jù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，直接求取工程的土石方量。其作業(yè)流程如下：①控制測量，為激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定向及配準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；②激光掃描儀靜態(tài)測量，將在控制點(diǎn)上放置掃描儀和標(biāo)靶，然后在測區(qū)掃描和定向[9-10]；③激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，將外業(yè)各個測站點(diǎn)云進(jìn)行拼接，刪除噪聲點(diǎn)及剔除冗余數(shù)據(jù)、點(diǎn)云配準(zhǔn)、定向等，計(jì)算方量之后對三維激光掃描技術(shù)在土石方量算中應(yīng)用的精度和效率進(jìn)行評價(jià)。部分成果如圖5所示。

圖5 三維激光掃描部分成果

6 結(jié) 語

伴隨著數(shù)字地球構(gòu)想、通訊和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展，測繪科學(xué)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了一個質(zhì)的飛躍，從經(jīng)緯儀和鋼尺、再到水準(zhǔn)儀、全站儀，乃至后來的GPS、無人機(jī)、雷達(dá)等高精尖測繪儀器，從小平板繪圖到全數(shù)字電腦制圖，測繪學(xué)科的發(fā)展步入到了地球空間信息化的新階段。無論是傳統(tǒng)還是新興測繪方式，無論是水準(zhǔn)測量、全站儀測繪還是GPS技術(shù)、航空攝影測量、遙感測繪等新興技術(shù)，我們都要因地制宜，綜合運(yùn)用，多樣化分布式運(yùn)用，只求達(dá)到更好的測繪效果，從而產(chǎn)生更大的收益。