利用ArcGIS進行土地平整土方量計算的應用

趙瑞

摘要?挖填土方量的計算是土地整治項目的重要組成部分。在已有計算方法的基礎上，結合多年從事土地整治項目的實際經驗，探討ArcGIS在土方量計算中的應用，并以某一工程實例對研究區(qū)的土方填挖量進行計算。結果表明，利用ArcGIS進行土方量計算具有操作簡單、精度高、速度快的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)三維可視化，具有可行性。

關鍵詞?土方計算;ArcGIS;數(shù)字高程模型;土地整治

中圖分類號?S29;P258文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2018）33-0170-02

土地整治是增加有效耕地面積、提高耕地質量、實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的重要手段，在實現(xiàn)土地資源集約利用、保障經濟建設用地供給、改善生態(tài)環(huán)境、增加農民收入、促進社會進步等方面發(fā)揮著重要作用。挖填土方量的計算是土地整治項目的重要組成部分，如何利用已有地形數(shù)據資料快速準確地計算出土方量是開展規(guī)劃設計、控制投資和安排工程進度過程中一個重要環(huán)節(jié)。盡管傳統(tǒng)的土方計算方法有很多[1]，但大多都伴隨著計算過程繁瑣、工作量大、效率低下、精度低等不足，并且不同方法的計算結果差異較大，嚴重影響工程進度和效益。為克服傳統(tǒng)方法的不足，土方量計算亟需一種操作簡便、自動化程度高、速度快、精度高的計算軟件及方法。

GIS技術的出現(xiàn)大大提高了土地整治中土方計算的速度和精度，提高了設計工作的效率，與傳統(tǒng)技術相比體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢[2-5]。當前已有一些學者對GIS在土方計算中的應用開展了不同程度的研究，如陳勇等[6]從地統(tǒng)計學的角度出發(fā)，應用ArcGIS進行土方量計算的研究;劉寧等[7]應用數(shù)字高程模型原理，結合GIS軟件提出測算丘陵區(qū)梯田土方量的方法;王金滿等[8]利用GIS獲得整治區(qū)不同坡度分區(qū)的面積，再依據梯田斷面要素測算不同坡度范圍的土方量。

筆者在已有計算方法的基礎上，結合多年從事土地整治項目的工程經驗，探討了ArcGIS土方量計算問題。通過原始地形分析的輔助，得到更合理科學的設計田面高程DEM，使土方量計算結果更加準確，并應用具體工程實例，論證應用ArcGIS計算土方量的可行性，以期為其他土地開發(fā)整理項目提供參考。

1?ArcGIS計算土方量的原理及方法

1.1?數(shù)字高程模型（DEM）

應用ArcGIS計算土方量的原理是基于ArcGIS地統(tǒng)計模型建立的數(shù)字高程模型（DEM）。DEM是數(shù)字地面模型（DTM）的一種，它是使用數(shù)字形式X，Y，Z坐標來表示實際地形高低起伏與變化特征的空間分布模型，以縮微的形式再現(xiàn)地表起伏形態(tài)，具有形象、直觀、精確等特點，可用于高程信息表達、地形分析、土方工程量計算等。因此，DEM現(xiàn)已被廣泛應用于土地平整、城市規(guī)劃等多個領域。

1.2?ArcGIS計算土方量的方法

ArcGIS計算挖填土方量是根據實地采集的原始高程數(shù)據建立原始地面高程DEM，根據設計田面高程建立設計地面高程DEM，然后計算這2個DEM模型的體積差。在計算設計田面高程時，要遵循土方挖填平衡原則，并結合原始地形分析結果，確定最佳的田面設計方案。在此基礎上運用統(tǒng)計分析模塊計算每個回填區(qū)或開挖區(qū)的體積，最終得到挖填的土方量。計算挖填土方量的流程如圖1所示。

ArcGIS地統(tǒng)計模型中有多種空間插值方法用來建立DEM，普通克里格法不僅考慮了待測樣點與臨近實測樣本點的距離，還考慮了各臨近實測樣本點彼此間的空間位置分布關系，其在地統(tǒng)計意義上優(yōu)于其他插值法，故該研究采用普通克里格法建立DEM。

2?實例研究

為了驗證ArcGIS計算土方量的優(yōu)勢及可行性，以銅川市石柱鎮(zhèn)修文村土地整治項目為例，應用ArcGIS進行土地平整中土方量的計算。

2.1?研究區(qū)概況

研究區(qū)地貌屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬暖溫帶氣候，年平均降雨576 mm，年平均氣溫12 ℃，區(qū)內土壤通氣、透水和保土、保肥性能較好。研究區(qū)內土地利用現(xiàn)狀為常年撂荒的其他草地，坡度較大，有明顯的高差變化。該研究選取其中一平整區(qū)地塊作為研究區(qū)，研究區(qū)分為北片區(qū)和南片區(qū)兩大整治區(qū)域。

2.2?數(shù)據源

研究區(qū)的范圍界線;研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖、規(guī)劃圖;研究區(qū)1∶2 000的實測地形圖，平面采用1980西安坐標系統(tǒng)，高程采用1985國家高程基準。

2.3?研究區(qū)原始地形分析

地形起伏越大對農田水利化與機械化越不利。通常坡度越大，農田平整的土石方量越大，土地平整難度和工作量明顯增大，人力和水利成本也隨之增加。在克里格法插值建立的原始地面高程DEM的基礎上，該研究利用ArcGIS地統(tǒng)計模塊對其進行坡度分析，研究區(qū)坡度圖如圖2所示。

將研究區(qū)土地坡度劃分為6個等級（如表1所示）：極緩坡（≤3°）、緩坡（3°～8°）、中坡（8°～15°）、微陡坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、極陡坡（≥35°）。由統(tǒng)計結果可知，極緩坡和緩坡主要分布在研究區(qū)的南片區(qū)且成片連續(xù);中坡在研究區(qū)零星分布，分布較為分散;微陡坡主要分布在研究區(qū)的北片區(qū)，分布范圍廣，所占比例較大，為39.79%;陡坡和極陡坡主要集中在北片區(qū)中間部位，所占比例較少，為24.21%。研究區(qū)北片區(qū)地形較陡，南片區(qū)平緩，可用于土地平整（坡度小于25°）的面積占總面積的75.79%，具備開發(fā)為農用地的潛力。其中，中坡和微陡坡面積占可用于土地平整面積的45.72%，故在實施土地整治時必須考慮工程水保措施。

2.4?挖填土方量計算

在已生成的原始高程DEM、坡度、坡向數(shù)據圖層基礎上，結合原始地形分析結果，新建田塊劃分shp文件，在編輯狀態(tài)下合理劃分田塊，并對田塊進行編號;遵循土方挖填平衡原則，應用地統(tǒng)計模塊計算研究區(qū)每個田塊的平均高程，作為田間設計高程，建立設計高程DEM;再進行柵格計算，用原始高程DEM減去設計高程DEM，得到土方挖填量（圖3）;利用鄰域分析模塊進行田塊編號與挖填土方量的聯(lián)接，通過疊加計算統(tǒng)計最終的土方量結果。

經統(tǒng)計得出，研究區(qū)總挖方量為13 168.37 m3，總填方量為12 992.56 m3。其中，北片區(qū)平均土方開挖量為6 059.70 m3/hm2，南片區(qū)平均土方開挖量為3 468.15 m3/hm2，北片區(qū)平均土方開挖量大于南片區(qū)。根據研究區(qū)地形分析結果顯示，北片區(qū)地形較陡，南片區(qū)地形平緩，該土方計算結果證實了地形越陡土方開挖量越大的說法。從ArcGIS計算挖填土方量的過程和結果可以看出，DEM法計算土方量是以每個地塊為最小單位，使用DEM數(shù)據進行土方量計算的效率和準確性明顯高于傳統(tǒng)方法。

土方量計算的精度直接關系到投資大小與項目效益，基于ArcGIS計算土方量的精度很大程度上受DEM的精度影響，DEM的誤差主要源于原始地形圖的精度、野外測量誤差、控制點轉換誤差等。這說明挖填方量的計算精度與基礎

數(shù)據的詳細程度及精度有直接關系，利用ArcGIS計算土方量對基礎數(shù)據的精確性要求相對較嚴格，所以其計算結果的精度也相對較高。

3?結論與展望

該研究基于ArcGIS探討土地平整中土方量計算問題，

在計算過程中輔助以原始地形分析，使計算的土方量結果更加準確，并應用具體工程實例，論證了應用ArcGIS計算土方量的可行性，為土地開發(fā)整理項目的土方計算提供了參考。與傳統(tǒng)土方量計算方法相比，利用ArcGIS進行土方量計算具有明顯優(yōu)勢，ArcGIS地統(tǒng)計模塊功能強大，可真實反映研究區(qū)地形信息，實現(xiàn)可視化，采用的克里格插值法在地統(tǒng)計學意義上的優(yōu)勢等都保證了土方量計算簡單、快速、準確，提高了土地開發(fā)整理工作的信息化和自動化水平。

如何進一步提高計算精度及優(yōu)化規(guī)劃方案，未來需要解決的問題主要是獲取研究區(qū)詳細、可靠的數(shù)據資料和實時、準確、高精度的圖件，并逐步開發(fā)完整的土地整理規(guī)劃設計信息系統(tǒng)。

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