梁永堅(jiān)，鐘 江

（1.廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023；2.玉林市水電科技教育工作站，廣西 玉林 537000）

1 工程概況

馱英水庫及灌區(qū)工程包括水庫及灌區(qū)兩部分，工程任務(wù)為以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。馱英水庫正常蓄水位226.5 m，總庫容2.276 億m3，為大（2）型工程，工程等別為Ⅱ等；馱英灌區(qū)規(guī)劃灌溉面積為84.12萬畝，屬大（2）型灌區(qū)。馱英水庫工程主要建筑物包括攔河壩、溢洪道及泄洪隧洞、灌溉發(fā)電引水系統(tǒng)、壩后河道電站發(fā)電引水隧洞、渠首電站及壩后河道電站廠房、升魚機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)場(chǎng)交通道路等；馱英灌區(qū)主體由輸水渠道工程、提水灌溉工程、排水工程及田間工程等項(xiàng)目組成，包括總干渠、寧明干渠、馱英東干渠、馱英西干渠和客蘭東干渠。

馱英灌區(qū)為線性工程，其特點(diǎn)為渠線長、區(qū)域廣、施工區(qū)分散，施工過程中土建的開挖量較大，傳統(tǒng)的開挖計(jì)量是通過全站儀測(cè)量放點(diǎn)，內(nèi)業(yè)CAD剖開挖段面計(jì)算方量，此方法耗費(fèi)較多的人力物力，如遇到地形復(fù)雜的區(qū)域側(cè)存在測(cè)量盲點(diǎn)，且測(cè)量的時(shí)間較長。

目前，無人機(jī)技術(shù)已逐漸應(yīng)用于工程測(cè)量中，無人機(jī)航拍測(cè)圖效率高，外業(yè)成本低、快速、操作方便，且不受交通條件的局限。本文論述馱英灌區(qū)西干明渠應(yīng)用無人機(jī)對(duì)施工區(qū)進(jìn)行開挖前、后航空拍攝，將拍攝成果導(dǎo)入到ArcGIS 軟件中，通過數(shù)字高程模型測(cè)算山體開挖量的方法。

2 無人機(jī)航拍及圖像處理

馱英灌區(qū)西干明渠建設(shè)中有一處山體開挖施工位于臨河路旁，為確認(rèn)其土石方開挖量，首先對(duì)施工山體進(jìn)行無人機(jī)航拍及圖像處理。

無人機(jī)的Pix4Dmapper軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)空中三角測(cè)量、DEM 與正射影像圖自動(dòng)生成，能夠快速、高效地處理影像數(shù)據(jù)，同時(shí)無人機(jī)在拍攝時(shí)已獲取無人機(jī)距離地面的高度。本次數(shù)據(jù)采集的無人機(jī)為消費(fèi)型四旋翼無人機(jī)，型號(hào)為Phantom4 pro（大疆精靈4Pro），由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)以及配套使用的DJIGO4App組成，相片最大分辨率選用5472×3648（3∶2）?，F(xiàn)場(chǎng)利用無人機(jī)低空航攝并獲取開挖地塊正射影像數(shù)據(jù)（無人機(jī)影像），開挖現(xiàn)場(chǎng)正射影像見圖1，影像分辨率為0.03 m，精度達(dá)到要求。

圖1 開挖現(xiàn)場(chǎng)正射影像

由于該山體沒有開挖前的無人機(jī)低空航拍數(shù)據(jù)，通過奧維衛(wèi)星拍攝截圖（1∶1 萬精度）作為開挖前地塊正射影像數(shù)據(jù)（見圖2），結(jié)合1∶1萬地形圖，確定山體開挖高程約為190～228 m。

圖2 挖前歷史影像

數(shù)字高程模型（DEM）基于柵格數(shù)據(jù)計(jì)算，將高程數(shù)據(jù)賦予到每一個(gè)像元內(nèi)，像元一般足夠小，無人機(jī)低空航拍后內(nèi)業(yè)生成DEM 數(shù)據(jù)的像元大小可達(dá)到厘米級(jí)，奧維衛(wèi)星影像圖（結(jié)合1∶1萬制式地形圖）生成的DEM 數(shù)據(jù)像元大小為2.5 m。每個(gè)像元面積一定，并具有高程屬性，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，這給利用微積分原理計(jì)算單個(gè)像元的柱體體積，進(jìn)而求取山體體積提供了便利，具體實(shí)現(xiàn)過程可通過ArcGIS軟件完成。影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DEM過程要點(diǎn)如下：

（1）DEM 原裝地貌高程數(shù)據(jù)。采用符合《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求》（GB/T 17278-2009）要求的數(shù)據(jù)，項(xiàng)目區(qū)比例尺1∶1 萬分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，并利用Arcgis 轉(zhuǎn)為等高線與1∶1 萬地形圖對(duì)比，確定核實(shí)項(xiàng)目區(qū)高程正確。

（2）數(shù)據(jù)坐標(biāo)系。平面坐標(biāo)系采用《國家大地測(cè)量基本技術(shù)規(guī)定》（GB 22021-2008）中規(guī)定的2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS 2000）。投影方式采用高斯-克呂格投影，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

（3）數(shù)據(jù)處理。①無人機(jī)影像圖DEM、DOM制作。在空三解算完畢后，Pix4Dmapper 軟件系統(tǒng)根據(jù)匹配的同名點(diǎn)和影像方位，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的地面離散點(diǎn)坐標(biāo)，然后由地面離散點(diǎn)生成DEM。雖然軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)匹配，但由于現(xiàn)實(shí)地物的復(fù)雜性（如水體、樹木、陰影）以及人工地物的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中為了提高DEM 的精度，采用人工判斷外加和Pix4Dmapper軟件系統(tǒng)自動(dòng)解譯成果相結(jié)合的方法。②奧維衛(wèi)星影像圖DEM、DOM 制作。按照已有的1∶1 萬精度“奧維衛(wèi)星影像圖”正射影像為控制資料，選取影像糾正控制點(diǎn)，結(jié)合1∶1 萬DOM 及1∶1萬地形圖等高線為基礎(chǔ)，將無人機(jī)DEM與之配準(zhǔn)，選取合適的范圍將DEM 進(jìn)行處理與裁剪，最終形成DOM、DEM。

3 模型測(cè)算總體思路

測(cè)算山體開挖量的總體思路為：利用ArcGIS軟件3D 分析工具中的表面體積計(jì)算功能，以同一高程參考平面為依據(jù)，計(jì)算開挖前后DEM范圍內(nèi)的山體表面和參考平面之間區(qū)域的體積，將開挖前后的體積相減，其差值即為山體開挖量的計(jì)算值。

由于無人機(jī)低空航拍影像生成DEM 時(shí)未設(shè)置像控點(diǎn)，所以生成的DEM 絕對(duì)高程數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，但相對(duì)高程數(shù)據(jù)已達(dá)到相當(dāng)精度，為避免數(shù)據(jù)矯正過程中引入人為誤差，DEM同一高程參考平面采用同一地點(diǎn)的高程值統(tǒng)一加高（或降低）同一高度作為開挖前后DEM參考平面的方法解決。

DEM范圍裁剪時(shí)，如果周邊區(qū)域僅有關(guān)注區(qū)發(fā)生挖填變化，那么可適當(dāng)放大裁剪范圍，這樣有助于尋求開挖前后DEM的對(duì)照點(diǎn)。另外，DEM范圍裁剪采用按掩膜提取時(shí)，應(yīng)在環(huán)境設(shè)置柵格分析中設(shè)定好像元大小，避免出現(xiàn)鋸齒情況（見圖3），造成開挖前后DEM數(shù)據(jù)分析面積不一致，影響后期數(shù)據(jù)處理精度。

圖3 開挖前DEM數(shù)據(jù)

4 模型測(cè)算結(jié)果及分析

對(duì)照點(diǎn)選取挖方山體邊的路面，開挖前DEM路面讀取高程數(shù)據(jù)為191 m，開挖現(xiàn)場(chǎng)DEM 路面讀取高程數(shù)據(jù)為89 m，通過判讀山體開挖面最大高差約30 m，采用參考平面下方體積（below）計(jì)算時(shí)，開挖前DEM 參考平面高程選取191+50=241 m，開挖后DEM 參考平面高程選取89+50=139 m。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，采用計(jì)算參考平面上方體積（above）進(jìn)行復(fù)核，此時(shí)開挖前DEM 參考平面高程選取191-20=171 m，開挖后DEM 參考平面高程選取89-20=69 m。計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2，得出該處山體開挖量約為0.73萬m3。

表1 采用參考平面下方體積法計(jì)算表

表2 采用參考平面上方體積法復(fù)核計(jì)算表

綜上分析，結(jié)果表明：基于不同時(shí)期的DEM 數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件3D 分析工具中的表面體積計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)山體開挖量的計(jì)算方法是可行的。本次計(jì)算使用的開挖現(xiàn)場(chǎng)DEM 數(shù)據(jù)生成過程未添加像控點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)精度存在影響，高程數(shù)據(jù)采用人工判斷外加和Pix4Dmapper 軟件系統(tǒng)自動(dòng)解譯成果相結(jié)合的方法彌補(bǔ)后，也能提高計(jì)算精度。

5 結(jié)語

本文以廣西左江治旱馱英水庫及灌區(qū)工程的山體開挖計(jì)量為例，論述了采用數(shù)字高程模型測(cè)算出山體開挖量的方法，采用無人機(jī)技術(shù)航拍，利用ArcGIS軟件功能，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)計(jì)算空間三維體積來測(cè)算開挖量。該方法可以為類似項(xiàng)目提供參考。

（責(zé)任編輯：劉征湛）