基于数字高程模型测算山体开挖量的方法探讨

2022-02-26梁永坚

广西水利水电 2022年1期

梁永坚，钟江

（1.广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023；2.玉林市水电科技教育工作站，广西玉林 537000）

1 工程概况

驮英水库及灌区工程包括水库及灌区两部分，工程任务为以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合利用。驮英水库正常蓄水位226.5 m，总库容2.276 亿m3，为大（2）型工程，工程等别为Ⅱ等；驮英灌区规划灌溉面积为84.12万亩，属大（2）型灌区。驮英水库工程主要建筑物包括拦河坝、溢洪道及泄洪隧洞、灌溉发电引水系统、坝后河道电站发电引水隧洞、渠首电站及坝后河道电站厂房、升鱼机系统、进场交通道路等；驮英灌区主体由输水渠道工程、提水灌溉工程、排水工程及田间工程等项目组成，包括总干渠、宁明干渠、驮英东干渠、驮英西干渠和客兰东干渠。

驮英灌区为线性工程，其特点为渠线长、区域广、施工区分散，施工过程中土建的开挖量较大，传统的开挖计量是通过全站仪测量放点，内业CAD剖开挖段面计算方量，此方法耗费较多的人力物力，如遇到地形复杂的区域侧存在测量盲点，且测量的时间较长。

目前，无人机技术已逐渐应用于工程测量中，无人机航拍测图效率高，外业成本低、快速、操作方便，且不受交通条件的局限。本文论述驮英灌区西干明渠应用无人机对施工区进行开挖前、后航空拍摄，将拍摄成果导入到ArcGIS 软件中，通过数字高程模型测算山体开挖量的方法。

2 无人机航拍及图像处理

驮英灌区西干明渠建设中有一处山体开挖施工位于临河路旁，为确认其土石方开挖量，首先对施工山体进行无人机航拍及图像处理。

无人机的Pix4Dmapper软件系统能够实现自动空中三角测量、DEM 与正射影像图自动生成，能够快速、高效地处理影像数据，同时无人机在拍摄时已获取无人机距离地面的高度。本次数据采集的无人机为消费型四旋翼无人机，型号为Phantom4 pro（大疆精灵4Pro），由飞行器、遥控器、云台相机以及配套使用的DJIGO4App组成，相片最大分辨率选用5472×3648（3∶2）。现场利用无人机低空航摄并获取开挖地块正射影像数据（无人机影像），开挖现场正射影像见图1，影像分辨率为0.03 m，精度达到要求。

图1 开挖现场正射影像

由于该山体没有开挖前的无人机低空航拍数据，通过奥维卫星拍摄截图（1∶1 万精度）作为开挖前地块正射影像数据（见图2），结合1∶1万地形图，确定山体开挖高程约为190～228 m。

图2 挖前历史影像

数字高程模型（DEM）基于栅格数据计算，将高程数据赋予到每一个像元内，像元一般足够小，无人机低空航拍后内业生成DEM 数据的像元大小可达到厘米级，奥维卫星影像图（结合1∶1万制式地形图）生成的DEM 数据像元大小为2.5 m。每个像元面积一定，并具有高程属性，数据网格化，这给利用微积分原理计算单个像元的柱体体积，进而求取山体体积提供了便利，具体实现过程可通过ArcGIS软件完成。影像数据转换成DEM过程要点如下：

（1）DEM 原装地貌高程数据。采用符合《数字地形图产品基本要求》（GB/T 17278-2009）要求的数据，项目区比例尺1∶1 万分辨率的数字高程模型数据，并利用Arcgis 转为等高线与1∶1 万地形图对比，确定核实项目区高程正确。

（2）数据坐标系。平面坐标系采用《国家大地测量基本技术规定》（GB 22021-2008）中规定的2000国家大地坐标系（CGCS 2000）。投影方式采用高斯-克吕格投影，高程系统采用1985国家高程基准。

（3）数据处理。①无人机影像图DEM、DOM制作。在空三解算完毕后，Pix4Dmapper 软件系统根据匹配的同名点和影像方位，计算出对应的地面离散点坐标，然后由地面离散点生成DEM。虽然软件系统实现了自动匹配，但由于现实地物的复杂性（如水体、树木、阴影）以及人工地物的影响，在实际生产中为了提高DEM 的精度，采用人工判断外加和Pix4Dmapper软件系统自动解译成果相结合的方法。②奥维卫星影像图DEM、DOM 制作。按照已有的1∶1 万精度“奥维卫星影像图”正射影像为控制资料，选取影像纠正控制点，结合1∶1 万DOM 及1∶1万地形图等高线为基础，将无人机DEM与之配准，选取合适的范围将DEM 进行处理与裁剪，最终形成DOM、DEM。

3 模型测算总体思路

测算山体开挖量的总体思路为：利用ArcGIS软件3D 分析工具中的表面体积计算功能，以同一高程参考平面为依据，计算开挖前后DEM范围内的山体表面和参考平面之间区域的体积，将开挖前后的体积相减，其差值即为山体开挖量的计算值。

由于无人机低空航拍影像生成DEM 时未设置像控点，所以生成的DEM 绝对高程数据不够准确，但相对高程数据已达到相当精度，为避免数据矫正过程中引入人为误差，DEM同一高程参考平面采用同一地点的高程值统一加高（或降低）同一高度作为开挖前后DEM参考平面的方法解决。

DEM范围裁剪时，如果周边区域仅有关注区发生挖填变化，那么可适当放大裁剪范围，这样有助于寻求开挖前后DEM的对照点。另外，DEM范围裁剪采用按掩膜提取时，应在环境设置栅格分析中设定好像元大小，避免出现锯齿情况（见图3），造成开挖前后DEM数据分析面积不一致，影响后期数据处理精度。

图3 开挖前DEM数据

4 模型测算结果及分析

对照点选取挖方山体边的路面，开挖前DEM路面读取高程数据为191 m，开挖现场DEM 路面读取高程数据为89 m，通过判读山体开挖面最大高差约30 m，采用参考平面下方体积（below）计算时，开挖前DEM 参考平面高程选取191+50=241 m，开挖后DEM 参考平面高程选取89+50=139 m。为验证计算结果，采用计算参考平面上方体积（above）进行复核，此时开挖前DEM 参考平面高程选取191-20=171 m，开挖后DEM 参考平面高程选取89-20=69 m。计算结果分别见表1和表2，得出该处山体开挖量约为0.73万m3。

表1 采用参考平面下方体积法计算表

表2 采用参考平面上方体积法复核计算表

综上分析，结果表明：基于不同时期的DEM 数据，利用ArcGIS 软件3D 分析工具中的表面体积计算功能，实现山体开挖量的计算方法是可行的。本次计算使用的开挖现场DEM 数据生成过程未添加像控点，对数据的平面坐标及高程数据精度存在影响，高程数据采用人工判断外加和Pix4Dmapper 软件系统自动解译成果相结合的方法弥补后，也能提高计算精度。