采集数字高程模型利用ARCGIS计算土方的方法探讨

采集数字高程模型利用 ARCGIS计算土方的方法探讨

唐丽丽

广西自然资源遥感院 530023

摘要 利用无人机倾斜摄影，自动实景三维建模及在三维立体模型下采集特征线，生成现状数字高程模型与规划后数字高程模型对比，快速精准的计算出测区的土方量，本文浅谈以南宁三塘为案例，基于无人机倾斜摄影测量，建立数字高程模型（DEM）,利用ARCGIS来计算土方。

关键词：数字高程模型 ARCGIS计算土方

引言 在工程项目中公路、铁路，水利建设、城市规划等，土方测量的计算是工程测量的一个重要步骤。它是施工前的涉及阶段必须对土石方量进行计算，土方的精确度直接关系到工程的费用预算和方案优选。因此准确、快速直观的计算土方量对每个工程项目具有重要意义。

1数字高程模型的概念及原理

1.1数字高程模型概念

数字高程模型，即通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达）。是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，它是在高斯投影平面上，有规则网格点的平面坐标（X,Y）及高程（Z）组成的数据集，描述了该区域地貌形态的空间分布。

1.2生成数字高程模型特征线的特点

特征线就是表达地形形状的特征地性线，精准的贴住地形，所构成的三角网内部不能嵌入地形中或浮在地形上，与实际地形不符，偏离实际地形，导致数字搞成模型（DEM）精度超限或者（DEM）错误

1.3DEM获取方法

1.3.1摄影测量采集法

通过航空、航天、地面摄影、无人机低空航拍获取影像，建立立体模型，在立体模型上由人工识别，测量地物的三维空间坐标，采集特征地性线，或以附加地形特征数据和粗DEM为基础，按项目精度要求所需进行修测。对采集数据处理、内插获得DEM。

1.3.2合成孔径雷达干涉测量法（InSAR）

INSAR 是利用雷达系统获取同一区域两幅SAR影像所提供的相位信息进行干涉处理，并由干涉相位来获取地表的高程信息，从而建立区域的数字高程模型。一对SAR数据的相干相位信息直接影响着DEM的精度。

1.3.3机载激光扫描数据采集法

机载激光扫描系统即是机载激光雷达（LIDAR），它的工作原理是利用主动遥感原理，机载激光雷达发射激光信号，经由地面反射到系统接收，通过计算发射信号和反射信号之间的相位差或时间差，来获得地面高程信息。

2土方量的计算原理及方法比较

土方量的计算也就同一区域改造前的地形空间数据与改造后的的空间数据进行较得出的差值。

a.断面法：适用于地貌复杂起伏大，或者长而窄的狭长地段，填挖深度大并不规则的地貌。如：新建公路，沟渠、路堤、路堑。但这此法的外业工作量大，外业横断面的多少与断面间的平行度决定了此方法的精度。b.方格网计算法：适用于地形起伏小，坡度变化比较平缓的场地，如：停车场、体育场、广场。此方法是将范围划分为若干个正方形网格，然后计算每个四棱柱的体积后在把若干个小的四棱柱体积汇总算出的总土方量。是因为它分成若干个正方形格网，是以化整为零的方式，对地貌比较零碎之处表示不到位。方法计算工作量大，不能在计算机上实现，也不 能很好的利用现有的数据资源。C.DEM法：适用于各种复杂、不规则地形，它是通过采集特征点、线的方式创建不规则三角网，然后在生成数字高程模型，其优点是：三角网中的点和线的分布密度和结构完全与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格结点，不改变原始数据和精度，能够插入地性线以保存原有关键的地貌特征，更能表示实际地形，提高了计算精度，因此在利用数字高程模型算出的土方量时也大大的提高了计算的精度。

3工程实例

3.1 工程概况

三塘镇，位于广西壮族自治区南宁市兴宁区下辖镇，地处兴宁区西南部，东与五塘镇相邻，南临青秀区常塘镇，西靠朝阳街道，北与武鸣县太平镇相接。属丘陵地貌，助于工程区域地处市郊，规划扩大城镇。

3.2 分析数据

本次作业区域不大，属丘陵地形，农房，耕地、田坎、水渠、田坎地物多且复杂，新建房屋、变化范围多，每个细小变化的地形都需有特征点或特征线表示。每个点和每根特征线与地形贴合必须保证精度，不得超过精度范围外。根据地形，区域范围，数据，处理软件的分析，笔者选用的利用无人机（机动、灵活、快速、经济）航拍，快速获取影像，对影像预处理、区域网平差、多视影像匹配，进行建模，在MapMatrix3D软件中对地貌特征进行采集，

该镇采取的无人搭载索尼a7相机进行航拍，航摄时间是2020年8月，采用镜40mm的镜头拍摄，航高120米，地面分辨率为15mm，航向重叠度为75%，航带重叠度为60%，总面积为13平方千米，全测区无漏洞航拍。确认影像后，进行空山加密，根据少量的野外控制点，利用Context Capture对这整个测区进行控制点加密建模，输出OBJ工程。

3.3填挖前的DEM获取

先采集特征部位比如：路（依比例的道路需采集两边路边线，用平行或拷贝完成，不能出现忽高忽低，按立体逐点递加或递减），陡坎，河流（依比例尺的要用双线表示，两边采集点的高程应该同高且整条水系不能出现忽高忽低或逆流），水塘(静水面需用锁定高程采集水面线），大面积的需用表示出山脊、山沟、等高线，鞍部，山顶，洼地需表示特征点。如图1所示：

图1-1 图1-2

利用特征线创建不规则三角网，矢量内插DEM ，需要注意的是设置网格参数按设计书要求，本次作业按1*1米完成。以上结果均在整个测区根据检查点外业实测坐标与图解坐标平面、高程的差值采用点位中误差计算公式计算出每个检查点的平面中误差。经过计算得出，平面、高程均不超1：500规范精度。

由于DEM是由采集特征线的方式获取的，每个采样点的精度都有保证，在ARCGIS下使用插值方法，采集局部插值方法的计算效率，更新准确的表现出山谷、山脊、河流。从而获得改造前的DEM，但需要注意的是：要素图层、类型、字段是相互对应的关系。检查高程字段Elevation是否都有值。

3.4.填挖后的DEM获取

本次挖后的DEM是根据甲方提供的规划图，在规划图上提取测区点位坐标进行点位坐标校正, 如图2所示，在进行内插高程点，生成规划后的DEM。

图2

3.5土方计算及数据统计

收集到原始地形的DEM和规划后的DEM，利用ARCGIS的Spatial Analyst--表面分析----填挖土方的命令计算出土方量。

属性表中的VOLUME字段既是填挖方的体积，正值表示执行过挖操作的区域，使用负值表示执行过填操作的区域。用渲染图表示：被填的区域用红色表示，被挖的区域用蓝色表示，没有变化的区域为空白。渲染图如图3所示：

图3 渲染图

为了保证此方法的精度，在本测区中划拨了一小块区域用RTK实测数据计算，经对比，实测结果与此方法计算结果基本保持一致。

结束语：

计算土方的方法很多，获取DEM的方式也各有千秋，关键是要根据具体案列具体分析，选用合适的方法，经过案例说明在小范围作业区域利用建立数字高程模型，具有数据精度高的优点，在基于ARCGIS平台下计算土方量的高效性。改进了以前复杂的计算方式，计算结果直观性更强，实现了土方计算的可视化操作。只是在采集数据的过程中困难有些大，在以后的工作实践中继续不断摸索、优化。

参考文献：

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