ArcGIS在生態(tài)清淤工程量計(jì)算的應(yīng)用研究

黃俊杰，陳 威，喬 勝

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200335)

1 引言

湖區(qū)清淤工程量是排泥場規(guī)模及工程投資估算的重要依據(jù)，工程量計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響到項(xiàng)目的進(jìn)展及施工組織，關(guān)系到甲方、乙方的利益，甚至導(dǎo)致后期產(chǎn)生矛盾糾紛。目前常用的方法是斷面面積法[1-2]，但是以斷面中心截面的平均清淤厚度代替整個(gè)分條帶的清淤厚度，在地形復(fù)雜多變的湖區(qū)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，以及在勘測斷面不平行的河、湖拐彎區(qū)域也存在忽略權(quán)重分配的問題。隨著遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，ArcGIS等軟件也在土方量計(jì)算中得到應(yīng)用[4]，而通過ArcGIS的柵格計(jì)算模塊，可快速、準(zhǔn)確、可視化地計(jì)算工程量，為設(shè)計(jì)工作提供更準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù)，方便及時(shí)調(diào)整及驗(yàn)算。

2 計(jì)算步驟與原理

2.1 ArcGIS計(jì)算工程量步驟

圖1 清淤設(shè)計(jì)高程H的導(dǎo)入及柵格化Fig.1 Import and rasterization of designed elevation (surface H)

(1)以岳陽南北港河生態(tài)清淤為例，將清淤前水下地形高程點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap，通過插值的方式生成數(shù)字高程模型(DEM)[3]，水下地形數(shù)據(jù)一般由多普勒測深儀測得，軌跡為測量船自然航跡，采樣間隔一般為數(shù)米至數(shù)十米不等，插值精度即像元大小為正方形網(wǎng)格，在計(jì)算機(jī)性能允許的情況下應(yīng)盡量小，一般以<1 m為宜，視湖區(qū)大小而定，以保證處理精度；

圖2 現(xiàn)狀水下地形G的插值及裁剪Fig.2 Interpolation and clip of underwater topography(surface G)

(2)將初步設(shè)計(jì)的清淤控制高程及對(duì)應(yīng)范圍(清淤后泥面)導(dǎo)入ArcMap，并通過數(shù)據(jù)連接工具將標(biāo)注的高程值賦值給不同清淤分塊，使軟件讀取及指示設(shè)計(jì)清淤高程；利用矢量轉(zhuǎn)柵格工具將以上數(shù)據(jù)柵格化，其精度及像元位置應(yīng)與原水下地形一致并對(duì)齊，即形成清淤工程完成后的水下地形，如圖1；并將現(xiàn)狀水下地形按照以上范圍裁剪，如圖2，其中空白處為一直徑約20米小島。

(3)通過柵格計(jì)算器工具將上述兩個(gè)柵格相減得到清淤厚度分布(G-H)，如圖3所示，一般情況下利用表面體積工具以0米為基準(zhǔn)計(jì)算此柵格體積，即可得到清淤工程量。

圖3 清淤前后地形差值(清淤厚度)Fig.3 The difference between surface H&G(dredging depth)

圖4 填方與挖方示意圖Fig.4 Two alternative modes of reference plane setting

2.2 ArcGIS計(jì)算工程量原理

ArcMap的表面體積工具計(jì)算參數(shù)選擇above時(shí)只計(jì)算挖方體積，選擇below時(shí)只計(jì)算填方體積，如圖4。由于清淤控制高程是根據(jù)分條斷面中心情況決定的，因此在水下地形復(fù)雜、變化梯度大的局部湖區(qū)，依據(jù)斷面中心地形得到的清淤控制高程在遠(yuǎn)離斷面中心線的兩側(cè)可能會(huì)存在負(fù)值，即填方，這是由于設(shè)計(jì)斷面間距不可能足夠小導(dǎo)致的，實(shí)際工程此處不填方。

因此，如圖5兩種計(jì)算方法所示，若將上下兩柵格直接以地平面為基準(zhǔn)算出體積再相減(方法一：Vg-Vh)，會(huì)把填方量以負(fù)值計(jì)入總工程量，導(dǎo)致計(jì)算值低于實(shí)際(圖為夸大誤差示意)，此時(shí)應(yīng)該計(jì)算新面(G-H)距離地平面的體積(方法二：Vg-h)，由方法一計(jì)算應(yīng)該補(bǔ)加面(G-H)的填方量。

此外，由于ArcMap不能很方便地表述一個(gè)斜面，需要在放坡的分區(qū)中采用斜坡中點(diǎn)高程代表整個(gè)斜坡的平均高程，如圖6。當(dāng)坡較長而清淤厚度比較薄時(shí)，使用方法二會(huì)出現(xiàn)填方量，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果比實(shí)際高，此時(shí)應(yīng)減去填方量，該值與方法一結(jié)果一致。

此時(shí)，使用方法一考慮了斜坡的影響，但將地形低洼處的填方量以負(fù)值計(jì)入總工程量，由此結(jié)果偏小。而采用方法二考慮了低洼處的影響但多算了斜坡處的工程量，計(jì)算結(jié)果則偏大。因此真值介于兩者之間，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考察填方出現(xiàn)主要來自哪一種情況，若主要出現(xiàn)在遠(yuǎn)離斷面分條中心線，則方法二的計(jì)算方法較為準(zhǔn)確；若多數(shù)填方貫穿整個(gè)斷面分條中心線，呈現(xiàn)沿程一側(cè)挖方量大、一側(cè)填方量大，這種情況是較長坡面取平導(dǎo)致的，此時(shí)采用方法一計(jì)算方法較為準(zhǔn)確。

圖5 兩種計(jì)算方法示意(低洼處)Fig.5 Diagrams of two different calculation methods (among depressions)

圖6 兩種計(jì)算方法示意(坡面處)Fig.6 Diagrams of two different calculation methods (among slopes)

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JTJ/T 321-96《疏浚工程土石方計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》，若不同計(jì)算方法差異過大，應(yīng)該復(fù)核計(jì)算過程，以避免合同雙方計(jì)量超過相關(guān)規(guī)定。以南北港河清淤為例，某一面積為59.4 hm2湖區(qū)兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果分別為28.4×104m3、27.2×104m3，兩值之間相差超過4%，主要原因是存在較明顯的主河槽蜿蜒貫穿清淤區(qū)而產(chǎn)生。為取得更高精度，可以在一開始直接將斜坡與平底分開后分別采用兩種計(jì)算方法計(jì)算，操作上也較為便捷。

一般情況下，在湖區(qū)生態(tài)清淤工程設(shè)計(jì)中，填方或放坡同時(shí)出現(xiàn)的情況往往比較少，或者小范圍局部出現(xiàn)，在泥深較淺、坡度較大的湖區(qū)，也可在研究清淤范圍階段就將其排除。以巢湖試點(diǎn)清淤區(qū)為例，由于湖區(qū)地形起伏小，清淤方案不含放坡及低洼區(qū)，清淤斷面也較為規(guī)整，其552 hm2湖區(qū)工程量計(jì)算結(jié)果為158.80×104m3，與斷面法結(jié)果158.93×104m3相差僅為0.08%。

2.3 結(jié)果與討論

以上的清淤工程在方案研究階段通過斷面法設(shè)計(jì)時(shí)不能充分考慮地形的三維變化，如主河槽處于兩斷面之間，若按照臨近斷面設(shè)計(jì)的高程施工，河槽處將有大量的填方出現(xiàn)，會(huì)對(duì)工程量的計(jì)算和設(shè)計(jì)的合理性造成很大影響，這是在斷面圖上很難發(fā)現(xiàn)的，這是因?yàn)榭睖y階段并沒有從全局考慮斷面的間隔、方向、相位等參數(shù)，相鄰斷面形成后無法在平面空間上建立聯(lián)系。第二，一般斷面的布置方向基本垂直于河道中心線，在河道轉(zhuǎn)彎處存在不平行的斷面，因而斷面范圍呈現(xiàn)扇形狀，此時(shí)斷面凸岸端較窄凹岸端較寬，因此使用斷面法計(jì)算斷面中心線的平均深度忽略了不同位置的分配權(quán)重。第三，湖區(qū)普遍存在具有點(diǎn)狀輻射特點(diǎn)的島或坑，如正好在斷面上也只能呈現(xiàn)出島或坑的某一個(gè)截面，并不能很好的代表整體分布。

因此，在工程量計(jì)算方法選擇上，使用ArcGIS系統(tǒng)在大面積的平坦湖區(qū)可以更加簡便，不需要人工計(jì)算且不易出錯(cuò)，而在地形復(fù)雜的河道需要額外一些步驟及分析，但準(zhǔn)確性比斷面法高。

3 結(jié)論

ArcGIS在生態(tài)清淤設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)利用全湖區(qū)水下地形數(shù)據(jù)，建立完整的三維數(shù)字高程模型，相比利用某一個(gè)斷面平均清淤厚度代表相對(duì)應(yīng)分條更為準(zhǔn)確，特別是在應(yīng)對(duì)水下地形起伏較多及出現(xiàn)島、坑、槽的情況；(2)河道轉(zhuǎn)彎處存在相鄰斷面不平行的情況，在這種情況下計(jì)算考慮了扇形區(qū)不同位置的權(quán)重，結(jié)果也更為準(zhǔn)確。(3)結(jié)果更為直觀，實(shí)現(xiàn)了清淤厚度可視化效果，利于發(fā)現(xiàn)高程設(shè)計(jì)不合理的斷面，便于設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化。(4)自動(dòng)化程度高，不需要手動(dòng)計(jì)算每個(gè)斷面的面積，可實(shí)時(shí)快速計(jì)算整個(gè)范圍內(nèi)的工程量，不易出錯(cuò)，方便修改及實(shí)時(shí)更新。ArcGIS除了在工程量計(jì)算的優(yōu)勢以外，在分析和規(guī)劃方面也有很多長處，下一步應(yīng)研究在方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，使斷面設(shè)計(jì)的布置方式及結(jié)果更為合理。