場平工程土方量的ArcGIS計(jì)算分析

封 棋

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

在土石方工程中土方量的準(zhǔn)確計(jì)算有著重要的意義，簡單來說就是為施工人員在施工方案選擇上提供重要的參考依據(jù)。另外，對土方量進(jìn)行的準(zhǔn)確計(jì)算會在一定程度上影響工程項(xiàng)目投資，需要施工單位多加注意。而過去所使用的土量計(jì)算方式，一般有三種，即DEM法、斷面法和方格網(wǎng)法。在本文場平工程施工中，施工人員主要采用DEN方法進(jìn)行，期間，還會利用相關(guān)軟件以及空間分析形式，來計(jì)算場平工程土方量。

1 工程的基本概況

本工程處于浙江省某工程，占地面積為37 hm2。該場地地貌在地勢上呈自西向東降低的趨勢[1]。丘陵坡度較緩，坡度控制在7°～25°之間；一般來說，場區(qū)原始地面標(biāo)高是在51 m～89 m之間，其設(shè)計(jì)場平標(biāo)高是76.1 m。建設(shè)場所呈南北兩側(cè)低、中間高，以東北角較低，作為人工水塘。工程涉及的土方量相對較大，施工環(huán)境惡劣，初步設(shè)計(jì)計(jì)算挖方量在113.9萬m2左右，填方量在113.05萬m2左右。

2 DEM法計(jì)算土方量的基本原理

DEM，又稱為數(shù)字高程模型，是地形形狀和變化的數(shù)字描述，在具體工程施工中，需施工人員結(jié)合實(shí)際，利用數(shù)字形式來表示具體地形地貌特征的模型。通常，關(guān)于DEM的模型有三種，具體為:不規(guī)則三角網(wǎng)、規(guī)則格網(wǎng)模型以及登高線模型。

3 有關(guān)TIN模型

格網(wǎng)DEM在不改變格網(wǎng)實(shí)際大小的情況下，難以將復(fù)雜多變的情況進(jìn)行準(zhǔn)確的表達(dá)，在一些計(jì)算中，比如：通視問題，注重網(wǎng)格的軸方向。不規(guī)則三角網(wǎng)作為重要的高程模型方式，在實(shí)際應(yīng)用中，不僅具有較高的計(jì)算效率，還在一定程度上降低等規(guī)格網(wǎng)所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象。關(guān)于TIN，是基于矢量中的數(shù)字地理數(shù)據(jù)的形式之一，以便于有關(guān)人員在作業(yè)過程中通過空間內(nèi)部的折點(diǎn)組合，來建立不規(guī)則三角形。距離排序法能夠當(dāng)做這些三角形的插值方式。

4 TIN模型計(jì)算土方量原理

當(dāng)相關(guān)人員完成TIN模型構(gòu)建過后，其可結(jié)合實(shí)際，選擇不規(guī)則三角網(wǎng)。之后，相關(guān)人員需利用平面疊加的方式計(jì)算各個(gè)棱柱的體積，以此能夠獲得較為全面的挖方區(qū)域分解線與填方區(qū)域。一般來說，相關(guān)人員在三棱柱體上表面主要采用兩平面擬合、平面擬合兩種方法。而對其下表面，則以參考面或水平面為主。如圖1，圖2所示，Z1,Z2,Z3都是三角形角點(diǎn)填挖高差，S3是三菱柱底面積。

5 有關(guān)DEM及其生成方式

關(guān)于數(shù)字高程模型，也就是DEN。在具體應(yīng)用過程中，需要相關(guān)人員按照要求，利用有限的地形高程數(shù)據(jù)文件，來模仿地形曲面形態(tài)[2]。因DEM屬于零階單純的單向數(shù)字地貌模型，且它的地貌特點(diǎn)都是在這個(gè)前提下產(chǎn)生的，比如：坡向、坡度等等。在工程計(jì)算中，工作人員可借助等高線數(shù)據(jù)直接生成TIN及柵格DEM。結(jié)合相關(guān)案例，表明由等高線生成的TIN模型與插入的柵格DEM具有較好的精準(zhǔn)度。

6 應(yīng)用ArcGIS計(jì)算場平工程土方量

在此次浙江某工程中，需要相關(guān)人員充分利用原始地形的相關(guān)測量數(shù)據(jù)。如在等高線、高程點(diǎn)等，工作人員可借助相關(guān)軟件，即ArcMap構(gòu)建該地區(qū)的TIN模型。期間，利用DEM與TIN的有效轉(zhuǎn)換，可為施工人員提供該地區(qū)的挖方區(qū)域柵格圖。除此之外，也可通過對ArcMap中目標(biāo)區(qū)域原始地形的三維化，增強(qiáng)整個(gè)工程施工地形的可視化，便于其進(jìn)行作業(yè)。

6.1 導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)

在導(dǎo)入數(shù)據(jù)中，相關(guān)人員要能夠合理的利用ArcMap，也就是其工具中所帶有的轉(zhuǎn)化工具。在此工具的利用下，能夠?qū)⒁恍┰嫉匦挝募母叱厅c(diǎn)由原先的格式逐漸轉(zhuǎn)化為新的格式，即Shapefile格式。之后，相關(guān)人員就能夠在軟件中打開該格式的高程點(diǎn)文件,如圖3所示。

在此環(huán)節(jié)中，首先要打開ArcMap中所含有Shapefile格式的高程點(diǎn)文件，并在具體的內(nèi)容列表中選擇相應(yīng)的高程點(diǎn)文件[3]。其次，打開該文件的屬性，對Elevation字段是否出現(xiàn)空白進(jìn)行檢查。如果是空白的，應(yīng)該將其刪除。如果不是空白的，表明其高程值是非常有效的。

6.2 構(gòu)建DEM模型

按照要求，將ArcCatolog10.2軟件打開后，有關(guān)人員必須要在右邊空白的地方，點(diǎn)擊構(gòu)建Shapefile，并將各個(gè)要素的類型作為面。在完成這些后，相關(guān)人員則要在“編輯”這個(gè)選項(xiàng)中選擇實(shí)際應(yīng)用的坐標(biāo)系。完成后，要將其保存在相關(guān)文件內(nèi)。

接著，相關(guān)人員可通過Acrooolbox的利用，即所帶有的3DAnalyst工具來構(gòu)建TIN。在此過程中，需輸入有關(guān)Shapefile格式的高程點(diǎn)文件，并為其建立出TIN模型,如圖4所示。

該模型可在ArcSence中以三維的形式進(jìn)行表達(dá)，如圖5所示[4]。經(jīng)過實(shí)踐證明，這種方式，不僅有助于施工單位對場地內(nèi)部的自然地表情況予以直觀的表達(dá)，同時(shí)還使得施工地段的地表形態(tài)以可視化的形態(tài)予以展示，進(jìn)而保障工程施工進(jìn)度。

然后再通過采用TIN模型內(nèi)插柵格的方式，將其轉(zhuǎn)換為DEM模型，將剛剛建立的TIN模型由柵格的形式轉(zhuǎn)出，最終獲得現(xiàn)場的DEM模型，如圖6所示。

7 計(jì)算場平工程土方量

浙江某工程的設(shè)計(jì)場平標(biāo)高是76.1 m，在繪圖編輯中制作與目標(biāo)區(qū)域邊緣輪廓完全相同且具備設(shè)計(jì)高程高度的面，通過采用設(shè)計(jì)高程面和場地的DEM模型相互疊加的方法進(jìn)行正確計(jì)算，就能夠獲得填挖方分界圖，如圖7所示，挖方區(qū)域用深灰表示，填方區(qū)域用淺灰表示，這樣也可以為工程中直觀顯示土石方填挖區(qū)域提供可視化的方式。

8 對比與分析計(jì)算結(jié)果

除了能夠利用ArcGIS軟件使用DEM法計(jì)算對古泉換流站的土方量，本文還有效利用南方CASS軟件分別使用方格網(wǎng)法和等高線法計(jì)算場平工程的土方量，以此對比和驗(yàn)證DEM法在該工程中的有效性。使用等高線法計(jì)算土方量的時(shí)候，必須要準(zhǔn)確設(shè)置1 m的等高距生成等高線，對等高線進(jìn)行檢測中，就會出現(xiàn)相同名字的等高線。然而南方CASS軟件等高線法只能夠?qū)^(qū)域內(nèi)無鞍地形的情況進(jìn)行處理和計(jì)算。一旦出現(xiàn)兩條以上相同高程的等高線時(shí)，這個(gè)軟件只能處理其中一條，其他同名的等高線就會自己省略，從而導(dǎo)致較大的誤差出現(xiàn)。施工人員采用方格網(wǎng)法計(jì)算土方量的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)有關(guān)要求進(jìn)行，即：選擇土方計(jì)算邊界線。因高程的等高線為76.1 m，相關(guān)人員則要將其作為復(fù)合線[5]。因此，有關(guān)人員需在一定情況下，也就是CASS情況背景下，生成最合適的等高線。之后，其還要轉(zhuǎn)化在CAD的情況下，畫出多線[6]。期間，工作人員需在菜單中，將原先為76.1 m的等高線與復(fù)合線進(jìn)行有效匹配，最后，以10 m作為方格網(wǎng)寬度進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際施工過程中，因?yàn)槭艿缴絽^(qū)地貌條件的制約，若根據(jù)固定邊長的方格進(jìn)行擬合，則無法保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性。實(shí)踐證明，應(yīng)用DEM法計(jì)算土方量的結(jié)果和實(shí)際工程用量是非常相似的，所以其誤差較小。所以相對于本項(xiàng)目來說，DEM法的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

9 結(jié)語

長期以來，土地平整工程的關(guān)鍵點(diǎn)是土方量的計(jì)算，直接影響項(xiàng)目投資。因此，準(zhǔn)確、快速的計(jì)算方法是最近幾年土地整改項(xiàng)目的研究重點(diǎn)。在以前的基礎(chǔ)上，計(jì)算土方量方法并不是單一的，而是多樣化的，在計(jì)算精準(zhǔn)度上有大幅度的提升。而利用ArcGIS計(jì)算場平工程土方量，能夠提高其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。