UAV-DEM支持下的土方快速測(cè)算方法

朱連輝，田 毅,2，王 薇，毛崔磊

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2. 北京市國(guó)土資源信息研究與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

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UAV-DEM支持下的土方快速測(cè)算方法

朱連輝1，田 毅1,2，王 薇1，毛崔磊1

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2. 北京市國(guó)土資源信息研究與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

土地平整工程是土地整治項(xiàng)目中最重要部分之一，而工程平整土方量的快速準(zhǔn)確計(jì)算則又關(guān)系著土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)成功與否、項(xiàng)目資金使用是否合理。本文以山西省晉城市澤州縣長(zhǎng)河流域?yàn)槔?，引入無(wú)人機(jī)技術(shù)(UAV)采集土地平整工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并生成待平整土地的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)而借助ArcGIS 10.1軟件的高程統(tǒng)計(jì)功能獲得適合研究區(qū)的理想設(shè)計(jì)標(biāo)高，在此基礎(chǔ)上獲得田塊的挖、填土方量。經(jīng)驗(yàn)證，該方法能夠大幅度減少土方計(jì)算的重復(fù)工作量且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可在土地平整工程中進(jìn)行推廣。

UAV； DEM；土地平整；ArcGIS；土方量

土地平整工程是實(shí)現(xiàn)耕地合理灌溉，節(jié)約用水，充分發(fā)揮機(jī)械化作用效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和土地生產(chǎn)力的重要舉措。在土地平整過(guò)程中，土方量的大小與土地平整的投資直接相關(guān)，不同的計(jì)算方法結(jié)果相差懸殊。因此，準(zhǔn)確快速地計(jì)算土方量對(duì)于開(kāi)展整治規(guī)劃設(shè)計(jì)、項(xiàng)目資金合理優(yōu)化配置具有重要意義[1]。

我國(guó)土地整理開(kāi)展近二十年來(lái)，傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法有斷面法[2]、方格網(wǎng)法[3]和散點(diǎn)法[4]。但這些方法受地形起伏變化的影響較大，散點(diǎn)法適用于地勢(shì)起伏較小且測(cè)量高程點(diǎn)均勻分布的平整單元，方格網(wǎng)法適用于地勢(shì)起伏較小的平原區(qū)域且對(duì)高程測(cè)量要求比較嚴(yán)格[5]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)字高程模型(DEM)計(jì)算土方量發(fā)展迅速。如黃琪等應(yīng)用數(shù)字高程模型與數(shù)字規(guī)劃方法，研究了土地平整工程中田塊劃分、土方量計(jì)算和土方量調(diào)配的優(yōu)化方法[6]；柯曉山等采用不規(guī)則三角網(wǎng)差值的方式進(jìn)行等值線差值，建立數(shù)字高程模型計(jì)算土方量[7]；柳長(zhǎng)順等應(yīng)用DEM原理，對(duì)Arcview軟件應(yīng)用于土地整理項(xiàng)目土方量計(jì)算進(jìn)行了探討[8]；胡振琪等基于DEM原理，借助ERDAS IMAGING遙感圖像處理軟件建立土方量計(jì)算模型[9]；付憲坤在基于分形理論與數(shù)字濾波的基礎(chǔ)上，運(yùn)用插值方法進(jìn)行土方量的計(jì)算[10]。

綜合而言，現(xiàn)有基于DEM數(shù)據(jù)計(jì)算土方量的研究，或側(cè)重理論研究，或受制于數(shù)據(jù)源精度，對(duì)于黃土丘陵區(qū)這類微地貌變化較大的區(qū)域，在計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果精度方面，都與實(shí)地工作要求有一定的差距?？紤]到近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的無(wú)人機(jī)(UAV)技術(shù)，擁有高機(jī)動(dòng)性、低成本、高分辨率、場(chǎng)地限制小等眾多優(yōu)勢(shì)，在土地整治、工程測(cè)繪及土地利用現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)等方面都有廣泛的應(yīng)用[11]，本文研究了采用UAV技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)快速精準(zhǔn)采集，并通過(guò)ArcGIS軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土地平整工程中土方量的精準(zhǔn)快速計(jì)算的基本方法。

1 原理與方法

1.1 土方計(jì)算的基本原理

土方計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是DEM數(shù)據(jù)，它是以離散的數(shù)字表達(dá)形式，將地面均勻網(wǎng)格的高程數(shù)據(jù)按照有序數(shù)值陣列形式組織在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以表達(dá)地面高低起伏的一種數(shù)據(jù)模型[12]，可用函數(shù)表示如下

Zi=f(xi,yi)i=1,2,3,…,n

(1)

式中，xi、yi分別為離散變量，表示地表網(wǎng)格某點(diǎn)的坐標(biāo)；Zi表示該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程。

土方量計(jì)算時(shí)主要是對(duì)同一地塊填充(或開(kāi)挖)前后填方量(或挖方量)的計(jì)算，以獲取地面物質(zhì)體積差。其計(jì)算基礎(chǔ)是：①掌握挖填前后土壤壓實(shí)系數(shù)，獲得體積變化倍數(shù)；②掌握挖填充前后起伏情況，獲得挖填平衡變化信息。

在此，本文提出可構(gòu)建原地貌DEM和平整后DEM(如圖1所示)，運(yùn)用柵格相減的計(jì)算方法以實(shí)現(xiàn)平整田塊土方量計(jì)算。即在二重積分計(jì)算的基礎(chǔ)上，以規(guī)劃高程Gridp與原始高程Grido之間的差值作為積分高度，以單元網(wǎng)格面積為積分單元進(jìn)行計(jì)算(如圖2所示)，并對(duì)所有整理田塊進(jìn)行匯總。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

(2)

式中，Z(x,y)為設(shè)計(jì)網(wǎng)格的高差；Grido為原始地面網(wǎng)格點(diǎn)高程；Gridp為整理后地表網(wǎng)格點(diǎn)高程；V為土地平整單元累計(jì)挖方量(填方量)。

圖1 土方量計(jì)算示意圖

具體計(jì)算時(shí)，還要求項(xiàng)目區(qū)內(nèi)各田塊本身就可實(shí)現(xiàn)填挖土方平衡，不作大規(guī)模土方調(diào)配，以確保填挖工程量少、運(yùn)距短，且工程費(fèi)用較低。

1.2 技術(shù)路線

本文在無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影獲取航測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用GPS RTK進(jìn)行野外像控點(diǎn)測(cè)量，運(yùn)用Correlator3D軟件進(jìn)行空三加密等處理生成DEM和DOM。進(jìn)而將獲取的DEM導(dǎo)入ArcGIS中，進(jìn)行原地貌高程統(tǒng)計(jì)，推演規(guī)劃設(shè)計(jì)地貌，計(jì)算其與原地貌高程差值，獲得每個(gè)待平整田塊的土方量(如圖3所示)。

圖2 土方二重積分

圖3 土方計(jì)算技術(shù)路線

2 實(shí)證研究

2.1 研究區(qū)概況

本文選取晉城市澤州縣長(zhǎng)河流域的王虎山等4村為研究對(duì)象。該區(qū)屬緩坡丘陵區(qū)，地勢(shì)北高南低，區(qū)內(nèi)農(nóng)用地多為旱地，耕地大部分為梯田、坡地和溝川地，是土地平整項(xiàng)目的典型研究區(qū)。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與處理

研究選用GeoFly-X8固定翼無(wú)人機(jī)，航飛總面積約30 km2，成圖分辨率為0.2 m。外業(yè)數(shù)據(jù)配合GPS RTK進(jìn)行定位配準(zhǔn)后，利用Correlator3D軟件進(jìn)行空三處理，獲得取DEM數(shù)據(jù)(如圖4所示)。經(jīng)與GPS點(diǎn)進(jìn)行檢校，DEM平面分辨率為0.2 m，高程分辨率為0.3 m，滿足1∶2000的土地整治工程設(shè)計(jì)要求。

為精準(zhǔn)計(jì)算每個(gè)田塊土方量，本研究對(duì)每個(gè)土地平整單元進(jìn)行矢量化處理，生成待平整單元的面類型SHP格式文件，裁剪研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)為后續(xù)計(jì)算服務(wù)。

2.3 土方計(jì)算

利用ArcGIS的空間分析模塊中Zonal Statistics功能，對(duì)土地整理基本單元的DEM進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按每個(gè)田塊的平均高程，可生成田塊規(guī)劃單元DEM。使用空間分析模塊中的Math/Minus命令，將規(guī)劃設(shè)計(jì)DEM與現(xiàn)狀DEM進(jìn)行相減運(yùn)算，生成規(guī)劃挖填土方量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，項(xiàng)目區(qū)土地平整需搬運(yùn)土方量25 647 m3(見(jiàn)表1)，土方挖填基本平衡。

圖4 項(xiàng)目區(qū)DEM

田塊編號(hào)平均動(dòng)土厚度/m設(shè)計(jì)高程/m挖填土方量/m3010．82868．272783．06160．51898．961279．61290．65866．411502．19300．78869．713735．03430．68839．122995．99500．74906．941597．52580．76825．221931．85660．39842．461113．19720．47894．272364．66790．66846．841895．32860．46879．102548．63910．40857．302428．87960．54859．422999．73990．42882．831241．371110．67896．48685．661300．79871．533366．921320．63853．981257．611400．67897．331490．711420．61869．971118．22

2.4 結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文土方計(jì)算方法的科學(xué)合理性與準(zhǔn)確性，另外文中以等高線插值的方法獲得網(wǎng)格式DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用傳統(tǒng)土方計(jì)算方法進(jìn)行土方計(jì)算，與本文計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)果對(duì)比(見(jiàn)表2)。從表2可以看出，兩種方法計(jì)算結(jié)果相差不大，挖填差值在1%以內(nèi)，本文方法計(jì)算結(jié)果比較精確，可以作為新方法進(jìn)行推廣。通過(guò)計(jì)算過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，本文新提出的土方計(jì)算方法操作步驟簡(jiǎn)單，計(jì)算速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)DEM土方計(jì)算方法，且本文獲得的數(shù)據(jù)更加快捷，精度更高，對(duì)于將來(lái)土方量快速準(zhǔn)確計(jì)算更具推廣意義。

表2 兩種方法計(jì)算結(jié)果比較

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合而言，本文提出的基于ArcGIS軟件結(jié)合無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的土方量計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行、準(zhǔn)確方便。對(duì)于丘陵山區(qū)，在采用傳統(tǒng)方法無(wú)法精確獲取地面地形的前提下，采用本文方法可以幫助設(shè)計(jì)人員按照項(xiàng)目區(qū)真實(shí)的地形地貌特征，給出最優(yōu)平整方案，降低項(xiàng)目成本。

當(dāng)然，需要指出的是，在實(shí)際施工中，受土地利用現(xiàn)狀、地表地物分布影響，本方法中提挖填平衡完全實(shí)現(xiàn)還有一定的難度。因此，今后在研究應(yīng)用中可嘗試引入調(diào)節(jié)因素，以期進(jìn)一步提高本方法的適用性。

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Rapid Earthwork Calculation Method Supported by UAV-DEM

ZHU Lianhui1,TIAN Yi1，2,WANG Wei1,MAO Cuilei1

(1. School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Beijing Key Laboratory of the Land Resources Information Research and Exploration, Beijing 100083, China)

Land leveling project is one of the most important parts of the land remediation project, and the rapid and accurate calculation of the earthwork of the project is related to the success of the planning of the land remediation and whether the project funds are reasonable. This paper takes Zezhou county river basin in Jincheng city of Shanxi Province as an example, and introduces the UAV technology to collect the land leveling engineering foundation data to generate DEM data for land leveling. Then, with the help of the elevation statistical function of ArcGIS 10.1 software, the ideal study area for design elevation statistics to be obtained, based on all above, the amount of soil about the plots to dig and fill finally obtained. The results show that the method can greatly reduce the duplication of earthwork calculation and that the calculation results are accurate.

UAV；DEM；land leveling；ArcGIS；earthwork

朱連輝，田毅，王薇，等.UAV-DEM支持下的土方快速測(cè)算方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(6)：122-124.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0204.

2016-12-19；

2017-01-15

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(20141107)

朱連輝(1990—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)橥恋鼐C合整治、地理信息系統(tǒng)與遙感應(yīng)用。E-mail:zhulianhui@163.com

田 毅

P208

A

0494-0911(2017)06-0122-03