矿山测量中土石方测量方法演变

申成锋，马生龙

(青海省有色第一地质勘查院，青海 西宁 810000)

矿山测量是指为地质勘测、矿山设计、建设、运营生产及后期改扩建等各方面所进行的测绘工作，矿山测量中的土石方测量是测量的关键环节之一，被广泛应用于生产的水准仪法、全站仪法和GPS测量法等传统的土石方测量方法，逐渐被新兴的无人机航测技术和三维激光扫描技术等方法替代[1-2]。

1 水准仪测量法

水准仪测量土石方量分为两种：①方格网法，用水准仪测量方格网的每个角点高程来计算土石方量；②断面法，在测区布设横断面，依据横断面的高程及被测地段的长度计算土石方量。两种方法都要布设符合项目需要的高程控制网，也就是将已有的高程控制点高程引测至被测区域附近，按照相应的水准测量标准，往返测并进行闭合校算，经平差后形成控制点成果表[3]。

方格网法是在被测区域打方格网，用水准仪架设在控制点上，测出每个格网点的高程，测算每一个四棱柱体积，之后汇总得到所有四棱柱的体积，即为总的土方量。方格网的大小取决于需要的精度，格子越小，测出的土石方量越精确。方格网法适用于一些地形起伏较小、坡度变化平缓的大面积场地。

断面法适用于地形复杂，起伏较大，地形狭长，不规则且挖填深度较大的地方，依据现场地形情况，架设水准仪在控制点上，选取有代表性的点进行数据采集，绘出相应的横断面图，计算每个断面的填挖面积，求出平均填挖面积，乘以垂直于横断面的地形的长度，求出填挖土方量。此种方法测量出土石方量精度与每个断面间距的长度有关，间距越小，精度越高，但是工作量却大大增加。

2 全站仪测量法

利用全站仪布设平面和高程控制网。高程控制网的布设采用三角高程测量的方法传递高程。控制网布设好之后，利用全站仪在野外测定特殊点的位置获取三维坐标，将内存贮存的原始数据传输到计算机，依据野外草图绘制地形图，利用已经绘制好的地形图计算土石方量[4]。测量现场方格网的高程，设定1个标高，利用CASS软件，直接计算方量。施工前和施工后各测算一次土石方量，两次方量相减就是本次工程的净土石方量。要注意，施工前后所勘测范围一致，并且施工前后设定的平场高程要一致且低于施工前后所测所有高程点中最低高程。利用提高勘测点的点位精度和缩短等分间距的方法提髙土石方计算精度。全站仪测量法操作简单，仪器要求低，适合测绘通视良好及面积较小的区域[5]。

3 GPS测量法

GPS测量法有外业和内业两部分组成。外业要事先布设好平面和高程控制网，采用GPS-RTK1+N模式，其中1台为基准站，其余GPS为流动站，直接采集特征点的三维坐标[6]。测图范围和精度依据甲方要求，按规范实施。外业测绘完成后，将数据从手簿中导出。内业计算有等高线法、方格网法、断面法和数字高程模型法。具体采用什么方法，依据实际情况确定。

如果在遮挡物较多，卫星信号不佳的地方，GPS-RTK方法还是有局限性的，通常大范围的矿区土石方测量，都是各种仪器结合使用，取长补短，达到最好效果。

方格网法土方测量成果见图1，传统方法结合测出土石方断面成果见图2，传统方法结合测出土石方探深线剖面见图3。

图1 方格网法土方测量成果

图2 传统方法结合测出土石方断面成果

图3 传统方法结合测出土石方探深线剖面

4 无人机航测

无人机航测是测绘学科发展的新方向，以其随机性强，不受地形限制(平缓和陡峭地区均适用)，数据采集快速，现势性强，影像分辨率高，计算更加精准，减少人员投入，减轻劳动强度，提高生产效率等优点被广泛应用于生产[7]。无人机航测技术进行土石方量测量主要是针对同一测区、变化前后的现状地形分别进行航空摄影测量，获得矿区地形变化前后三维地形数据和影像数据，再分别将地形变化前后数据导入Civil3D软件中，生成两次三维地形模型，依据这些三维模型，计算施工前后土石方量[7]。无人机航空摄影测量的土石方量工作流程主要有：踏勘测区、规划航线(航线设计、像控点布设、参数设定)、采集施工前后航测数据、处理航测数据、数字高程模型制作、数字正射影像图制作、分析数据、计算土方量。部分成果如图4所示。

图4 无人机部分航测成果

5 三维激光扫描

随着三位激光扫描技术的广泛应用，用扫描仪测量土石方量也成为其应用之一。基于三维激光扫描技术的土方测量较之传统全站仪、水准仪、GPS测量具有采集数据速度快、精度高、受环境影响小、不接触测量、高分辨率、使用灵活等特点[8]。三维激光扫描技术就是运用激光测距原理，计算相位或脉冲时间差值，测算出目标与扫描中心点的斜距，再利用激光束的垂直角和水平角，测算出物体表面激光点的三维坐标，与此同时通过快速、实时全自动列阵式扫描记录激光点的反射强度。依据获得的点云数据和地形数据，直接求取工程的土石方量。其作业流程如下：①控制测量，为激光点云数据的定向及配准提供数据基础；②激光扫描仪静态测量，将在控制点上放置扫描仪和标靶，然后在测区扫描和定向[9-10]；③激光点云数据的处理，将外业各个测站点云进行拼接，删除噪声点及剔除冗余数据、点云配准、定向等，计算方量之后对三维激光扫描技术在土石方量算中应用的精度和效率进行评价。部分成果如图5所示。

图5 三维激光扫描部分成果

6 结 语

伴随着数字地球构想、通讯和计算机等技术的快速发展，测绘科学技术也实现了一个质的飞跃，从经纬仪和钢尺、再到水准仪、全站仪，乃至后来的GPS、无人机、雷达等高精尖测绘仪器，从小平板绘图到全数字电脑制图，测绘学科的发展步入到了地球空间信息化的新阶段。无论是传统还是新兴测绘方式，无论是水准测量、全站仪测绘还是GPS技术、航空摄影测量、遥感测绘等新兴技术，我们都要因地制宜，综合运用，多样化分布式运用，只求达到更好的测绘效果，从而产生更大的收益。