Surfer軟件在土地工程項目中的應(yīng)用

尤曉東， 王家峰

(陜西地建土地勘測規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司，陜西西安 710075)

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Surfer軟件在土地工程項目中的應(yīng)用

尤曉東， 王家峰

(陜西地建土地勘測規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司，陜西西安 710075)

利用CASS和Surfer軟件對土地工程項目的土方量計算、管網(wǎng)設(shè)計以及三維可視化表達等方面進行探討，并通過實例驗證可行性，以滿足土地工程項目各個環(huán)節(jié)的需求，為項目的決策提供科學的數(shù)據(jù)支持。

土地工程；土方量；CASS；Surfer

在土地工程領(lǐng)域，因受到地形地貌的影響，項目的設(shè)計施工、計算土方量、布設(shè)農(nóng)田水利灌溉設(shè)施等基礎(chǔ)測繪工作任務(wù)繁重。傳統(tǒng)的土方量計算軟件，如CASS軟件在數(shù)據(jù)可視化的表達上有所欠缺，難以形象地表達土地整治工程的三維模型，難以提供更加直觀化的數(shù)字呈現(xiàn)。如何利用已有的測繪技術(shù)和方法降低作業(yè)成本，實現(xiàn)土地工程的土方計算、規(guī)劃設(shè)計、平整施工、工程驗收等環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的可視化表達，提升數(shù)據(jù)分析能力，將影響到土地工程的造價預(yù)算和方案優(yōu)選。筆者將CASS和Surfer軟件相結(jié)合，闡述土地整治工程的土方量計算和可視化表達，以提高作業(yè)效率，滿足相關(guān)工作要求。

1 CASS和Surfer軟件

1.1 CASS軟件 CASS地形地籍成圖軟件的主要功能是代替平板儀制作地形平面圖。隨著軟件的升級，CASS軟件逐漸發(fā)展成為GIS前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有豐富的圖形編輯功能，以點、線、面劃分數(shù)據(jù)，其數(shù)字地圖中的地物編輯功能直觀且實用，主要應(yīng)用于各種測量成圖及建庫工作。CASS軟件提供了“草圖法”“簡碼法”“電子平板法”等多種成圖作業(yè)方式[1]，采用了最新的地形圖圖式，共有7大類100多個符號，方便開展城市地籍測量；可連接常用的全站儀、GPS等測繪儀器進行數(shù)據(jù)傳輸；具有多種圖形繪制編輯方式，在繪制等高線時，可以自動生成精度相當高的等高線，加強了等高線在通過地性線和斷裂線的處理，能自動切除通過地物、注記和陡坎的等高線[2]。

1.2 Surfer軟件 Surfer 軟件是一款制作等高線圖和三維地形立體圖的軟件。對于宏觀地理分析者或測繪制圖者來說，Surfer 軟件在操作上簡單易學，可以在短時間內(nèi)掌握主要操作流程，目前主要應(yīng)用于制圖軟件如CAD中。Surfer 軟件的主要功能是將測繪獲得的三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字高程模型(DEM)，并根據(jù)數(shù)字高程模型生成等高線圖和三維地形立體圖，采用全菜單形式驅(qū)動，注重可視化表達。其插值功能和繪制圖件能力效果非常強大，處理XYZ數(shù)據(jù)的能力優(yōu)越，利用它可以輕松制作基面圖、點位位置圖、等值線圖、地勢地貌圖、趨勢圖、矢量圖和三維表面立體圖[3]；軟件提供了多達11種的數(shù)據(jù)格網(wǎng)化方法，包含幾乎所有國內(nèi)外主流的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，提供各種流行圖形圖像的成像方法，如3D Wireframe Maps可制作三維網(wǎng)格圖，Contour Maps 可制作等高線圖,結(jié)果可輸出成3D DXF，Image Maps可制作細膩的色階處理和影像圖，等等。

2 工程實例

某土地工程項目在建設(shè)初期根據(jù)設(shè)計需要計算挖方量和填方量，為了更加直觀和形象地表達出施工工地的地形和地貌，除了計算挖方和填方，還需要對其進行可視化表達，為項目的設(shè)計、施工、工程費用等方面提供可靠的技術(shù)支持。

2.1 數(shù)據(jù)的獲取和整理 GPS-RTK作為實時動態(tài)測量系統(tǒng)，是由GPS測量與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，為相關(guān)工程建設(shè)提供了方便、快捷的技術(shù)支持。實例通過GPS-RTK獲得三維坐標，GPS-RTK基于載波實時差分技術(shù)，實時處理2個測站載波相位觀測的差分方法，將基準站采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過電臺發(fā)給移動站進行求差解算。通過RTK能夠獲得全野外實時厘米級的測量精度，在土地工程項目中的工程放樣、地形測圖等流程中極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。根據(jù)CASS和Surfer軟件對數(shù)據(jù)的要求，實例部分實測數(shù)據(jù)整理后如圖1所示。

圖1 實例部分實測數(shù)據(jù)Fig.1 Part of the measured data

2.2 CASS的數(shù)據(jù)處理 由于設(shè)計提供的圖紙是CAD格式，需要把實例中的邊界數(shù)據(jù)導入到Surfer軟件中?；镜奶幚聿襟E：準備好高程數(shù)據(jù)及其設(shè)計范圍；在CASS中根據(jù)需要對實例數(shù)據(jù)進行調(diào)整；輸出高程點坐標文件*.dat；通過list命令將邊界坐標導出到文本文件中。

2.3 Surfer土方量計算及其可視化表達

2.3.1 土方量計算的基本原理。Surfer軟件通過數(shù)據(jù)格網(wǎng)化即生成數(shù)字高程模型，格網(wǎng)化的數(shù)據(jù)是以至少包含3列數(shù)據(jù)及XYZ表示，由于實測數(shù)據(jù)的分布不規(guī)則，會造成許多地方的實測點密度不夠，而Surfer軟件的格網(wǎng)化就是利用自身的內(nèi)插或者外插算法來彌補這些空白。根據(jù)實測數(shù)據(jù)點和設(shè)計高程生成三角網(wǎng)，通過計算每一個三錐形的填挖方量，最后根據(jù)設(shè)計的范圍線計算挖方和填方的土方量。

2.3.2 土方量計算的基本步驟。①制作邊界文件。利用CASS生成的邊界點數(shù)據(jù)文件，將邊界數(shù)據(jù)文件整理成Surfer的邊界文件，邊界文件的格式如圖2所示。圖2中，“47”代表邊界點的個數(shù)，其中特別注意邊界點文件必須是閉合的，否則無法計算；“0”代表邊界范圍以外的數(shù)據(jù)將不會參與計算；“1”表示挖除邊界范圍線以內(nèi)的數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)格網(wǎng)化。利用CASS生成的坐標文件進行格網(wǎng)化，其中需要特別注意的是，數(shù)據(jù)必須包括3列數(shù)據(jù)XYZ，否則無法進行格網(wǎng)化，在進行格網(wǎng)化的時候可以在選項里選擇對應(yīng)的XYZ列。③白化格網(wǎng)數(shù)據(jù)。點擊菜單GRAD|Blank然后選擇“2)”中生成的網(wǎng)格文件，之后再選擇“1)”中生成的邊界文件，最后選擇導出的位置和文件名。④計算土方量。通過點擊“GRID|Volume”命令，輸入設(shè)計平場高程(圖3)，點擊“確定”即可生成土方量計算報告，文件格式為ASCII，如圖4所示。其中Surfer利用3種不同的方法對體積進行了計算，即“Trapezoidal Rule”“Simpson’s Rule”和“Simpson’s 3/8 Rule”，可以將3種計算方法進行對比，分析其偏差?！癙ositive Volume[Cut]”表示挖方量，“Negative Volume[Fill]”表示填方量。

圖2 邊界點數(shù)據(jù)文件格式Fig.2 Boundary point data file format

圖3 輸入設(shè)計平場高程Fig.3 Input design flat field elevation

圖4 土方量計算報告Fig.4 Earth volume calculation report

2.3.3 可視化的一般步驟。①將實測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格網(wǎng)化。②根據(jù)需要生成等值線圖、三維曲面圖和散點圖。執(zhí)行命令“Map|new contours map”選擇格網(wǎng)化后的文件，即可生成等值線圖，雙擊左側(cè)等值線圖標，可對其屬性進行編輯，根據(jù)需要改變等高線的填充背景和等高線注記(圖5)，執(zhí)行命令“Map|new 3D-surface”選擇格網(wǎng)化后的文件，即可生成三維曲面圖，雙擊左側(cè)“3D-surface”圖標，可對其屬性進行編輯，根據(jù)需要改變其屬性，如圖6所示。執(zhí)行命令“Map|new Postmap”選擇格網(wǎng)化后的文件，即可生成散點圖，雙擊左側(cè)“post”圖標，可對其屬性進行編輯，根據(jù)需要改變其屬性，如符號的大小、形狀以及填充顏色等。③疊加圖制作，將生成的等值線圖、邊界范圍線、散點圖疊加在一起，可以導出.bmp等多種格式文件。通過可視化表達可以直觀地發(fā)現(xiàn)地面的起伏狀態(tài)，能夠更加直觀和形象地反映被測對象實際情況，從而為施工、設(shè)計等有關(guān)各方提供數(shù)據(jù)支持。另外，Surfer軟件還提供二次開發(fā)的接口，可以根據(jù)用戶的不同需求制定出更加完善的解決方案。

圖5 可視化前的等值線圖實例Fig.5 Example of contour map before visualization

圖6 可視化三維曲面圖實例Fig.6 Example of visualization 3D curved surface

3 Surfer軟件在土地工程中的應(yīng)用

土地工程項目主要包括土地平整、電網(wǎng)布設(shè)、綠化、道路、管線布置等，利用Surfer軟件的可視化功能，可以更加靈活地開展相關(guān)工作。例如在溝坡地土地整治項目中，按照高程分布的可視化程序，根據(jù)田塊分布確定管道間距和出水樁之間的距離，以便于對項目區(qū)域的灌溉系統(tǒng)做出規(guī)劃和管理。3.1 管網(wǎng)的布置 土地工程的灌溉系統(tǒng)由水源、機泵、管路系統(tǒng)和田間工程4個部分組成，需準確測量各個系統(tǒng)高程。土地工程項目的水系灌溉布置一般遵循支管垂直于主管的原則。對于耕地集中、坡度較緩、相對高差較小的水低田高的山丘，可利用管道進行逆坡遠距離輸水灌溉。工作壓力一般為0.4～0.6 MPa，干管較長，垂直于等高線布置，支管沿等高線布置。給水栓和出水口的間距應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)灌溉方案、灌溉方法和灌溉能力水平確定，間距宜為50～100 m。

3.2 溝坡地自流管道輸水灌溉系統(tǒng) 通過Surfer軟件對溝坡地高程數(shù)據(jù)分析后，按照規(guī)劃設(shè)計方案，用GPS-RTK測量支管高程和放線時，將自流管網(wǎng)的干管線和支管線定出。由水壩取水時，干管應(yīng)沿等高線布置，支管應(yīng)沿山脊或中間高布置，各個支管之間可以采用距離100～200 m的方式布設(shè)；由渠道引水時，干管應(yīng)沿山脊或中間高按照順坡方向布置，支管應(yīng)沿等高線布置，溝坡地低壓管道輸水灌溉布置如圖7所示。

圖7 溝坡地低壓管道輸水灌溉布置Fig.7 Irrigation arrangement for low pressure pipeline water transfer on sloping land

4 結(jié)語

土地工程項目中可視化表達以及土方量的計算關(guān)系到各方的實際利益，可視化表達能夠從繁雜的信息中提取和加工重要信息，更好地為項目服務(wù)。實例驗證結(jié)果表明，CASS和Sufer軟件相結(jié)合應(yīng)用于土地工程項目，可以提高工作效率，具有一定的實踐意義。該研究僅列舉了部分Surfer軟件的數(shù)據(jù)處理能力，隨著Surfer軟件的不斷發(fā)展和深入研究，將會有越來越多的功能應(yīng)用到土地工程項目中。

[1] 岳斌,曹志宏.CASS軟件在水文測繪中的應(yīng)用[J].甘肅科技,2008,24(22):22-24.

[2] 高尚.大地測量中基于軟件生成的三角網(wǎng)及修改方法[J/OL].城市建設(shè)理論研究(電子版),2012(15)[2016-08-03].http://www.qikanvip.com/jianzhugongcheng/4130.html.

[3] 馮煥勇,馬建國,劉琦.三維立體成圖技術(shù):在工程物探勘察中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2008,36(4):19-20.

Application of Surfer Software in Land Project

YOU Xiao-dong,WANG Jia-feng

(Shaanxi Land Survey Planning and Design Institute Co. Ltd., Xi’an, Shaanxi 710075)

By using CASS and Surfer software, earth volume calculation, pipeline design and expression of 3D visualization of land project was discussed, the feasibility was verified through cases, so as to meet the demands of all aspects of land projects, to provide scientific data for decision-making of the project.

Land project; Earth volume; CASS; Surfer

尤曉東(1982- )，男，陜西定邊人，工程師，碩士，從事地質(zhì)測繪研究。

2016-09-21

S 126

A

0517-6611(2016)28-0203-03