基于ArcGIS的土地整治項(xiàng)目土方量計(jì)算及三維可視化

白曉慧 侯占東

摘要 填挖土方量對(duì)于土地整治項(xiàng)目具有重要意義。傳統(tǒng)計(jì)算土方量的方法有很多，但存在計(jì)算方法繁瑣、工作量大、效率低下、精度不足等缺點(diǎn)。以某地美麗鄉(xiāng)村建設(shè)項(xiàng)目局部區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用ArcGIS軟件平臺(tái)建立數(shù)字高程模型的方法，并計(jì)算土方量，并與CASS軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明，ArcGIS方法計(jì)算土方量更快速、準(zhǔn)確，且能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化。

關(guān)鍵詞 DEM;土方量;ArcGIS;三維可視化

Abstract Earthwork volume of filling and excavation is of great significance for the land consolidation project. There are many traditional methods of earthwork calculation， but they have disadvantages of complicated calculation，heavy workload， low efficiency，? insufficient accuracy， etc. In this paper， taking the local area of Beautiful Rural Construction Project as the research object， the method of building digital elevation model with ArcGIS software platform was established to calculate the earthwork volume， and the calculation results were compared with CASS software. The results showed that ArcGIS method was faster， more accurate and it could realize 3D visualization.

Key words DEM;Earthwork volume;ArcGIS;3D visualization

土地整治對(duì)耕地保護(hù)和土地資源集約具有非常重要的意義。土地整治是通過土地整理、復(fù)墾、開發(fā)和城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤等手段，綜合治理、改善農(nóng)村生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的一項(xiàng)系統(tǒng)工程[1]。土方量是土地整治項(xiàng)目的重要組成部分，其計(jì)算精度直接關(guān)系到項(xiàng)目預(yù)算和實(shí)施方案的選擇，因此土方量的精確計(jì)算十分重要。傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法有方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法等。其中，方格網(wǎng)法適用于大范圍的、地勢(shì)平坦的、高差不太大的工程，計(jì)算精度與方格網(wǎng)寬度有關(guān)，且計(jì)算精度越高，計(jì)算花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)[2];等高線法適用于地形變化大的區(qū)域，容易受地形條件和軟件算法限制，導(dǎo)致計(jì)算精度受限;斷面法適用于道路、溝渠和管線等帶狀地形，其前期工作量大，計(jì)算方法繁瑣[3]。由此可見，傳統(tǒng)計(jì)算土方量的方法雖然很多，但均存在計(jì)算方法繁瑣、工作量大、效率低下、精度不足等缺點(diǎn)。

ArcGIS是當(dāng)今流行且先進(jìn)的軟件平臺(tái)，具有強(qiáng)大的空間統(tǒng)計(jì)分析、圖形顯示與處理等功能[4]。運(yùn)用ArcGIS軟件建立數(shù)字高程模型的方法來計(jì)算土方量，不受地形復(fù)雜程度的限制，不僅可以大大提高計(jì)算精度和效率，而且可以實(shí)現(xiàn)三維可視化建模，能真實(shí)反映地形地貌特征，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前已有學(xué)者對(duì)ArcGIS在土方量計(jì)算中的應(yīng)用開展了研究。趙瑞[5]從土地整治角度，利用 ArcGIS軟件平臺(tái)進(jìn)行土地平整土方量計(jì)算的研究;李春梅等[6]通過與傳統(tǒng)土方量計(jì)算方法的比較，運(yùn)用ArcGIS軟件計(jì)算土方量;陳勇[7]從地統(tǒng)學(xué)角度，應(yīng)用ArcGIS原理和方法對(duì)土方量計(jì)算進(jìn)行研究并應(yīng)用。

筆者采用DEM法，結(jié)合ArcGIS軟件強(qiáng)大的空間統(tǒng)計(jì)分析和三維建模能力，根據(jù)實(shí)例項(xiàng)目的地貌特點(diǎn)，分析傳統(tǒng)方法與DEM法在計(jì)算土方量的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，運(yùn)用CASS軟件平臺(tái)DTM法進(jìn)行對(duì)比分析，論證應(yīng)用ArcGIS計(jì)算土方量的可行性與精確度。

1 應(yīng)用原理及方法

數(shù)字地形模型（DTM）是一個(gè)表示地面特征空間分布的數(shù)據(jù)庫(kù)，一般用一系列地面點(diǎn)坐標(biāo)及地表屬性形成數(shù)據(jù)陣列，以此組成數(shù)字地面模型。為了能夠在地理信息系統(tǒng)中表現(xiàn)三維的地形表面特征，對(duì)獲取的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，使用真實(shí)的地形高程數(shù)據(jù)，建立一種數(shù)字的地形表達(dá)模型，稱為數(shù)字高程模型（DEM）[8]。

數(shù)字高程模型可分為規(guī)則格網(wǎng)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)。格網(wǎng)模型在不改變格網(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)確表達(dá)[9]。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是根據(jù)區(qū)域的有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn)的密度和位置，既能避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點(diǎn)表示數(shù)字高程特征[10]。TIN模型是通過將空間內(nèi)的點(diǎn)和折點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)來創(chuàng)建。

該研究運(yùn)用不同軟件平臺(tái)，根據(jù)某地美麗鄉(xiāng)村建設(shè)項(xiàng)目局部區(qū)域數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，從而建立數(shù)字模型來計(jì)算土方量。CASS軟件平臺(tái)通過地面點(diǎn)坐標(biāo)和高程，將相鄰點(diǎn)分化為不同大小的三角形，構(gòu)成區(qū)域三角網(wǎng)，最后將2期數(shù)據(jù)模型疊加計(jì)算出填挖方土方量。ArcGIS軟件平臺(tái)通過2期DEM模型疊加得到填挖土方分界線，再對(duì)每個(gè)區(qū)域建模求出各個(gè)三棱柱體積，統(tǒng)計(jì)得到填挖土方量。ArcGIS軟件相較于CASS軟件更便于存儲(chǔ)、更新、傳播，計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理功能更強(qiáng)大，還可以進(jìn)行三維建模等。因此，目前ArcGIS軟件被已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)和城市規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)江金三角地區(qū)，北瀕長(zhǎng)江，東臨太湖，西倚茅山，南扼天目山麓，地處119°08′～120°12′E，31°09′～32°04′N。研究區(qū)地貌類型屬于高沙平原，山丘平圩兼有;屬于北亞熱帶海洋性氣候，常年氣候溫和，雨量充沛，四季分明;春末夏初時(shí)多有梅雨發(fā)生，夏季炎熱多雨，冬季空氣濕潤(rùn)，氣候陰冷;雨季為6—7月。常年平均氣溫15.4 ℃;年平均降雨量1 074.0 mm。

2.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自某地美麗鄉(xiāng)村其中一個(gè)景觀建設(shè)項(xiàng)目，實(shí)地采集原始地形數(shù)據(jù)和施工后數(shù)據(jù)，對(duì)其土方量進(jìn)行計(jì)算研究。

平面采用地方獨(dú)立坐標(biāo)系，高程采用1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

分別用CASS與ArcGIS 2種方法對(duì)數(shù)據(jù)來進(jìn)行土方量計(jì)算，通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探討ArcGIS在土方量計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)。

3.1 原始地形數(shù)據(jù)處理與分析

采用CASS與ArcGIS 2種方法對(duì)原始地形數(shù)據(jù)進(jìn)行土方量計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

CASS根據(jù)DTM模型利用原始地形數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）。具體操作步驟如下：對(duì)原始地形數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，檢查無誤后在CASS中加載原始地形高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行展點(diǎn);

然后，利用DTM模型工具構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（圖1），同時(shí)生成一個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，用于后期土方量計(jì)算。

基于ArcGIS軟件DEM模型方法，利用原始地形數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），將其轉(zhuǎn)換為柵格模型。具體操作步驟如下：運(yùn)用ArcGIS自帶轉(zhuǎn)換工具將原始地形的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)dwg格式轉(zhuǎn)換為Shapefile格式;檢查數(shù)據(jù)是否有無效點(diǎn)，無誤后在3D Analyst擴(kuò)展模塊利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立TIN模型（圖2a），TIN模型在主界面顯示出高程分段值彩色圖，其中的色帶、分段、高程值范圍等可在屬性中按需求調(diào)整;DEM模型通過內(nèi)插方法將不規(guī)則三角網(wǎng)轉(zhuǎn)換為柵格（圖2b），為后期運(yùn)用DEM模型實(shí)現(xiàn)土方量計(jì)算做準(zhǔn)備。

采用2種方法利用原始地形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)前期處理，建立DTM模型（圖1）和DEM模型（圖2），并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由圖1、2可以看出，研究區(qū)原始地形總體地勢(shì)較平坦，最大高差約4.4 m。研究區(qū)西邊淺黃區(qū)域地勢(shì)較低，周圍紅色地勢(shì)較高，也可以通過陰影區(qū)分地勢(shì)高低，而東邊橘黃區(qū)域地勢(shì)明顯高于西部淺黃色區(qū)域，周圍紅色實(shí)為田坎，地勢(shì)較高。原始地形西邊實(shí)際為養(yǎng)螃蟹的池塘，東邊為荒蕪草地。

CASS法建立的DTM模型不夠直觀，地勢(shì)高低只能通過對(duì)比高程點(diǎn)加以區(qū)分。高程點(diǎn)密集圖形數(shù)據(jù)量大時(shí)，運(yùn)行速度緩慢甚至卡死。與CASS相比，ArcGIS軟件功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單易行、快速方便，能夠提高工作的信息化和自動(dòng)化水平。ArcGIS法建立的TIN模型通過色彩和陰影可以直觀地描述在平面和空間分布的形態(tài)特征和構(gòu)造關(guān)系。TIN模型可以在ArcSence中進(jìn)行三維表達(dá)，通過移動(dòng)鼠標(biāo)可以全方位地旋轉(zhuǎn)縮放查看原始地形各個(gè)區(qū)域，生動(dòng)地描述地形地貌特征。

3.2 設(shè)計(jì)高程數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)“3.1”方法采用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)創(chuàng)建設(shè)計(jì)高程DTM模型（圖3）和設(shè)計(jì)高程DEM模型（圖4），用于后期土方量的計(jì)算。

由圖3、4可知，研究區(qū)設(shè)計(jì)地形區(qū)域劃分明顯，地形走向平滑，最大高差約6 m。研究區(qū)西邊藍(lán)色區(qū)域地勢(shì)較低，分層明顯，可看出是一塊洼地，而東邊紅色區(qū)域地勢(shì)明顯高于西邊藍(lán)色區(qū)域，顏色越接近紅色，地勢(shì)越高，可看出是一個(gè)小島。按設(shè)計(jì)要求，將其西邊開挖水塘建設(shè)水鄉(xiāng)特色，挖出的土方在東邊建設(shè)小島美化鄉(xiāng)村既可以實(shí)現(xiàn)土地資源集約利用又可以美化環(huán)境。CASS法不能將地形直觀地呈現(xiàn)出來，而ArcGIS法不僅可以將地形完美呈現(xiàn)出來，而且對(duì)實(shí)地分析有很好的展示效果。

3.3 土方量計(jì)算與對(duì)比分析

根據(jù)“3.1”和“3.2”方法創(chuàng)建的模型分別用CASS與ArcGIS 2種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期土方量計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

CASS法是將2期DTM模型進(jìn)行疊加計(jì)算，求出填方土方量和挖方土方量。在CASS軟件中，運(yùn)用DTM法的“計(jì)算兩期間土方” 工具，通過圖面選取和三角網(wǎng)文件2種選取方法進(jìn)行土方量的計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果圖形（圖5）。填挖土方量運(yùn)算結(jié)果如下：填方量4 089.2 m3，挖方量13 371.9 m3。

ArcGIS法是將2期DEM模型采用空間分析和面域疊加功能計(jì)算出填挖方分界線及填挖方土方量。3D Analyst擴(kuò)展功能模塊具備計(jì)算土方量的工具（填挖方），使用工具將原始地形DEM模型和設(shè)計(jì)高程DEM模型輸入，確定合理路徑，將其保存并按確定鍵，即可得到填挖方柵格圖（圖6）。將數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL表格，并疊加計(jì)算，方可求出填挖方土方量。計(jì)算結(jié)果如下：填方量為4 150.9 m3，挖方量13 416.8 m3。

由圖6可以看出，研究區(qū)填方土方量主要集中在南側(cè)和東側(cè)，北側(cè)有少量的填方區(qū)，其他為挖方區(qū)域。由圖形對(duì)比可以看出，原始地形養(yǎng)螃蟹池塘加深開挖為水塘，開挖土方量將荒蕪草地美化為小島。CASS法相對(duì)ArcGIS法計(jì)算成果圖不僅圖形數(shù)據(jù)密集，略顯雜亂無章，而且填挖方分界線不能顯示出來。ArcGIS法圖形美觀，填挖方分界線清晰，還具有圖層疊加分析、屬性檢索等功能。

運(yùn)用2種方法計(jì)算土方量的結(jié)果相差不大，說明基于ArcGIS軟件使用DEM法計(jì)算土方量的可行性與有效性。DTM模型和DEM模型誤差主要來源于采樣密度及地形過于復(fù)雜等原因。ArcGIS法不僅計(jì)算速度快、準(zhǔn)確，而且在操作步驟上簡(jiǎn)單易行，減少了計(jì)算工作量。此外，ArcGIS軟件平臺(tái)具有面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)的可視化表達(dá)，可以更加客觀地顯示，也可以直觀地根據(jù)圖形查看其屬性，進(jìn)行查錯(cuò)修正，以保證計(jì)算數(shù)據(jù)的精確度。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究采用CASS法和ArcGIS 2種方法計(jì)算土方量，以某地美麗鄉(xiāng)村建設(shè)項(xiàng)目為研究對(duì)象，進(jìn)行土方量計(jì)算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：ArcGIS方法與傳統(tǒng)方法相比，ArcGIS方法精度高、簡(jiǎn)單易行、快速方便，可以三維可視化，真實(shí)地反映地形信息，形象逼真;ArcGIS方法可以將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來，能更加有效處理數(shù)據(jù)，提高信息化和自動(dòng)化水平。因此，ArcGIS方法在工程建設(shè)和城市規(guī)劃等領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景。

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