基于CASS軟件計算土石方量所使用的各種方法原理及適用范圍

吳喬年 李意航 姚雷

摘 要：本文介紹了地形地籍成圖軟件 Cass7.1的土方計算方法，并就如何更好的使用這些計算方法以及得到更精確的計算結(jié)果做分析。

關(guān)鍵詞：土石方計算；方格網(wǎng)；DTM法；誤差分析

1.緒論

1.1 概述

目前各種工程建設(shè)如鐵路、公路、港口、城市規(guī)劃等中，土方量計算是一項經(jīng)常性的、不可缺少的工作。且在整個工程量中，土方工程常占有較大比例。土方量計算精度的高低直接影響到建設(shè)工期、經(jīng)濟效益。需要合理的進行土方調(diào)配，節(jié)省施工費用，加快工程進度。因此，研究土方量的計算方法，精度及計算方法的實用范圍、條件和存在的問題是非常必要的。

土石方工程量的計算，實際上就是計算設(shè)計標(biāo)高與自然地面標(biāo)高之間的土石方體積。設(shè)計面有平面、斜面、曲面，而自然地面更是變化多端，要求計算出來的工程量絕對準(zhǔn)確，一般來說不大可能，也不必要，因為要精確計算土石量，則對地形測量的資料要求非常高，這樣會大大增加土石方量的成本。

1.2 本文主要探討問題

南方數(shù)碼科技有限公司研發(fā)的地形地籍成圖軟件 Cass7.1是目前市面上較常見的一套測量軟件，其中所包含的土方計算方法如方格網(wǎng)法、 DTM 法、等高線法等為大家所普遍使用， 它不僅上手容易， 內(nèi)業(yè)操作簡便， 而且計算結(jié)果準(zhǔn)確性良好， 可信度較高，為廣大使用者所認(rèn)可。因此在就使用CASS7.1的幾個方法對土石方量計算的問題展開討論。

2.計算方法的討論

2.1 方格網(wǎng)法

2.1.1方格網(wǎng)計算土方方法

Cass7.1軟件中的方格網(wǎng)法， 需要提供計算區(qū)域的 “高程點坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件” 作為計算的依據(jù)，其具體計算操作如下：首先是導(dǎo)入“高程點坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件” ，然后選擇設(shè)計面： （ 1）當(dāng)設(shè)計面為平面時， 需要輸入 “目標(biāo)高程” ，在“方格寬度” 一項中輸入你需要設(shè)置的方格網(wǎng)規(guī)格 ，例如輸入 20 米則為采用 20m×20m 的方格網(wǎng)進行土方計算； （2）當(dāng)設(shè)計面為斜面時， 有“基準(zhǔn)點” 和“基準(zhǔn)線” 兩種方法， 其原理是相同的， 只是計算條件不同而已。 我們以 “基準(zhǔn)點”法為例， 它需要確定斜面的 “坡度”，然后是“基準(zhǔn)點”，也就是坡頂點的 “坐標(biāo)” 和“高程”，再者就是坡線的“下邊點”的坐標(biāo)了，也就是斜坡方向，最后再確定“方格寬度”即可計算出土方量。（3）當(dāng)設(shè)計面非平面也非斜面時， 這種情況在土方工程中比較常見，場地經(jīng)開挖或回填后變的雜亂無章就屬于這種情況，假如我們有場地前期的“高程點坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件” ，那么我們則可以利用它生成“三角網(wǎng)文件” ，然后在設(shè)計面選項中選擇“三角網(wǎng)文件” ，然后導(dǎo)入文件，最后再確定“方格寬度”即可計算出土方量。通過對 Cass7.1軟件中的方格網(wǎng)法的了解，我們不難看出其計算理論與傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法是一樣的。只是在用戶提供相關(guān)的計算條件，如設(shè)計面高程、坡度、方格寬度、三角網(wǎng)文件等計算條件之后， 電腦自動在設(shè)計面及待計算場地平面設(shè)置相同的方格網(wǎng)， 根據(jù) “高程點坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件”、設(shè)計面高程、坡度等內(nèi)插出各方格網(wǎng)角點高程，然后對比相同平面位置上下兩期的方格網(wǎng)，計算出該方格網(wǎng)的土方挖填數(shù)，最后統(tǒng)計出挖填總方量。

2.1.2方格網(wǎng)法計算土方原理

算術(shù)平均法--將格網(wǎng)的四個角點高程相加求和，除以點的總數(shù)即為平均標(biāo)高。

加權(quán)平均法，如果將每個方格的 4 個角點高程取平均即得該方格的平均高程。 各方格的平均高程加在一起，除以方格數(shù)，即為該方格網(wǎng)的加權(quán)平均高程。整個區(qū)域四個角 A，B， C，D 的高程在計算中只用了 1 次，邊上各點的高程用了 2 次，而網(wǎng)格內(nèi)各點的高程都用了 4 次。各網(wǎng)點在計算平均高程使用時的次數(shù)即為該點的權(quán)。加權(quán)平均高程等于各網(wǎng)點的權(quán)乘以該點的高程的總和，除以各點權(quán)的總和，最后依次累加得以計算理論的填挖方量。

2.2 DTM 法

DTM 法土方計算以外業(yè)所采集的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過建立 DTM 模型，然后通過生成三角網(wǎng)（即相鄰的三個點連成互不重疊的三角形） 來計算每一個三棱錐的挖填方量， 最后累計得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量。Cass7.1 的 DTM 土方計算方法共有三種，一是由坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件計算，二是依照圖上高程點進行計算， 第三是依照圖上的三角網(wǎng)進行計算。 前兩種算法包含重新建立三角網(wǎng)的過程， 第三種方法則是直接采用圖上已有的三角網(wǎng)。

（1）根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算：首先用閉合的復(fù)合線圈定所要計算土方的區(qū)域，然后用鼠標(biāo)操作“工程應(yīng)用 ＼DTM 法土方計算 根據(jù)坐標(biāo)文件” ，根據(jù)電腦提示在圖上選取計算區(qū)域 “邊界線”，導(dǎo)入計算區(qū)域的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這時會彈出土方計算參數(shù)設(shè)置對話框，填入“平場標(biāo)高”和“邊界采樣間距” 按確定即可得到土方計算結(jié)果。 如果計算區(qū)域需要進行邊坡的處理， 那么還可以在參數(shù)設(shè)置里面進行“邊坡設(shè)置” ，平場高程高于地面高程則設(shè)置為向下放坡，反之，則為向上放坡。在計算結(jié)束后，電腦會在操作者指定的位置繪制一個“計算結(jié)果表格” 。

（2）根據(jù)圖上高程點計算：此方法首先是按數(shù)據(jù)文件展繪高程點，然后用閉合的復(fù)合線圈定所要計算土方的區(qū)域，然后用鼠標(biāo)操作“工程應(yīng)用 ＼DTM 法土方計算 根據(jù)圖上高程點” ，根據(jù)電腦的提示進行后面的操作，操作與“根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算”相同。

（3）根據(jù)圖上的三角網(wǎng)計算：在計算區(qū)域先建立 DTM 模型，生成三角網(wǎng)，然后根據(jù)地形的實際情況， 對既有的三角網(wǎng)進行必要的添加和刪除， 使結(jié)果更接近實際地形， 最后用鼠標(biāo)操作“工程應(yīng)用 ＼DTM 法土方計算 根據(jù)圖上三角網(wǎng)” ，根據(jù)電腦的提示，輸入平場標(biāo)高，選取計算所需的所有三角形按回車鍵即得計算結(jié)果。

3.各種方法計算及適用范圍總結(jié)

對于道路、鐵路、河道、渠道、大壩等帶狀、狹長的土方類工程，宜采用“斷面法”進行土方量計算，操作簡單、精度高。

DTM法對于大面積的土石方工程，如：機場、礦山、大片農(nóng)田平整等可以用DTM法來計算。

地形起伏較小、坡度變化平緩的場地適宜用方格網(wǎng)法，對于起伏較大坡度變化大的場地如若采用方格網(wǎng)計算精度會降低，三角網(wǎng)則又是最理想的算法。

計算還需要結(jié)合具體的實際情況加理論經(jīng)驗作出合理判斷并計算，甚至可以靈活應(yīng)用。如對局部地區(qū)采用三角網(wǎng)，其他地區(qū)采用方格網(wǎng)。