基于ArcGIS的土方量計(jì)算與可視化

沈名威，徐良，袁偉俊

(1.常州市測繪院，江蘇常州 213002； 2.金壇市城鄉(xiāng)測繪院，江蘇金壇 213200)

基于ArcGIS的土方量計(jì)算與可視化

沈名威1?，徐良1，袁偉俊2

(1.常州市測繪院，江蘇常州 213002； 2.金壇市城鄉(xiāng)測繪院，江蘇金壇 213200)

利用ArcGIS三維構(gòu)面的特性，形象的構(gòu)建地表、河道現(xiàn)狀立體模型，同時(shí)根據(jù)場地、河道的設(shè)計(jì)標(biāo)高，構(gòu)建立體模型，然后選定統(tǒng)一參考面，計(jì)算兩個(gè)模型到參考面的體積之差，可以快捷、準(zhǔn)確地計(jì)算出挖填土方量。實(shí)踐證明，這一算法較傳統(tǒng)的根據(jù)等高線、高程點(diǎn)計(jì)算土方量的方法更加嚴(yán)密、準(zhǔn)確、便捷。同時(shí)這一方法能根據(jù)要求靈活調(diào)整、分割土方計(jì)算區(qū)域，不需要對調(diào)整后的邊界進(jìn)行外業(yè)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)處理就能快速實(shí)現(xiàn)分區(qū)域土方量計(jì)算。

ArcGIS；TIN；DTM；土方量算；分割量算

1 引 言

工程土方量(挖方與填方)的精確性直接影響到工程費(fèi)用概算和工程甲方、乙方的利益，甚至產(chǎn)生矛盾糾紛。筆者參與過多個(gè)工程的土方量計(jì)算工作，對斷面法、方格網(wǎng)法、等高線[1]、DTM(不規(guī)則三角網(wǎng))法[2]等幾種常用的計(jì)算方法在不同的計(jì)算機(jī)軟件(AutoCAD類軟件與Arc-GIS類軟件)中做了嘗試和對比，實(shí)踐證明，在這幾種方法在AutoCAD類軟件中實(shí)現(xiàn)土方量計(jì)算都有一個(gè)共同的缺陷:當(dāng)需要對一個(gè)施工范圍進(jìn)行分區(qū)計(jì)算土方量時(shí)，分區(qū)計(jì)算的土方量之和跟直接計(jì)算的總施工范圍土方量總是相差很大[3]。原因是在AutoCAD類軟件中這幾種算法都是依據(jù)外業(yè)測量數(shù)據(jù)構(gòu)DTM，要實(shí)地在分區(qū)邊界上測量采集高程信息，當(dāng)邊界發(fā)生變化時(shí)，需要對新的邊界重新實(shí)測數(shù)據(jù)，從而增加工作量；而且會導(dǎo)致分區(qū)構(gòu)建的計(jì)算模型與整個(gè)施工范圍的總計(jì)算模型不一致。基于ArcGIS類軟件從整個(gè)施工范圍一次構(gòu)建土方量計(jì)算模型，分區(qū)范圍可以任意調(diào)整，可以有效克服AutoCAD類軟件中計(jì)算的不足，還能為工程相關(guān)方提供形象、直觀的圖像表達(dá)。本文以ArcGIS為例，詳細(xì)描述了整個(gè)計(jì)算過程，從中我們可以看出基于ArcGIS的土方量計(jì)算有其準(zhǔn)確、便于調(diào)整分割等優(yōu)勢。

2 基于ArcGIS的工程土方計(jì)算原理

ArcGIS下土方計(jì)算的原理如下:①確定挖填方總邊界；②外業(yè)采集高程數(shù)據(jù)并導(dǎo)入；③構(gòu)TIN；④模型編輯與高程檢核；⑤選擇投影面，計(jì)算總的挖填方；⑥根據(jù)實(shí)際分割要求在不改變TIN的前提下任意計(jì)算分割部分的土方量。

ArcGIS軟件的3D分析通過對離散高程點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，計(jì)算挖、填方時(shí)采用三棱柱法。在構(gòu)建TIN的過程中，添加多種條件對即將生成的TIN進(jìn)行約束和細(xì)分，根據(jù)TIN的形狀，能很好地還原現(xiàn)場原貌，根據(jù)模型形狀能發(fā)現(xiàn)外業(yè)測繪時(shí)高程數(shù)據(jù)采集中產(chǎn)生的粗差和遺漏，從而剔除外業(yè)粗差。以達(dá)到和實(shí)際情況盡可能接近的目的。

從整個(gè)過程可以看出ArcGIS在保持構(gòu)TIN不變的情況下，根據(jù)標(biāo)段分割計(jì)算各標(biāo)段土方量相當(dāng)快捷簡便。最重要的是該方法能保持同一模型下的分割計(jì)算，而不會出現(xiàn)AutoCAD下分割計(jì)算需要調(diào)整構(gòu)TIN邊界、重新構(gòu)TIN等步驟，最終導(dǎo)致總土方量跟分割后計(jì)算的土方量之和不一致的現(xiàn)象。

3 ArcGIS用于工程土方計(jì)算的過程

下面，以某一湖泊清淤工程為例，說明ArcGIS下土方計(jì)算過程。

某河道清淤工程，面積為1.51 km2。根據(jù)工程實(shí)施需要，該項(xiàng)工程分5個(gè)標(biāo)段進(jìn)行施工，需要對每個(gè)標(biāo)段分別預(yù)算工程土方量。具體分割如圖1所示，設(shè)計(jì)清淤后標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖1 工程清淤前現(xiàn)狀與標(biāo)段劃分

圖2 工程設(shè)計(jì)清淤后斷面

(1)確定挖填方邊界

確定挖、填方邊界很重要，邊界確定后，就明確了外業(yè)采集離散高程點(diǎn)的大致范圍，外業(yè)高程采集時(shí)，邊界線上的每個(gè)頂點(diǎn)要有高程信息，確保在ArcGIS中建立的模型邊界準(zhǔn)確，插值后的計(jì)算模型在邊界上準(zhǔn)確。

(2)外業(yè)采集高程數(shù)據(jù)并導(dǎo)入

數(shù)據(jù)測量外業(yè)離散點(diǎn)高程精度是影響構(gòu)建TIN的重要因素，所以在實(shí)地采集高程信息時(shí)，儀器精度要高，可以使用全站儀或RTK，同時(shí)注意以下幾點(diǎn):

①工程范圍邊界線上的高程點(diǎn)要能翔實(shí)反映高程變化，適當(dāng)在范圍線外采集高程點(diǎn)；

②工程范圍內(nèi)的高程點(diǎn)分布要均勻；

③對工程范圍內(nèi)的特征地物要采集范圍線及地形變化處的高程等特征信息。

測量成果可以采用AutoCAD的dwg格式或Excel的sheet導(dǎo)入到ArcGIS中，形成高程離散點(diǎn)Shp點(diǎn)文件和特征范圍線Shp線文件。

(3)構(gòu)TIN

構(gòu)TIN的過程在ArcGIS中操作起來相對簡單，在這里不做具體的闡述，圖3是對開挖前的測量成果構(gòu)建的TIN的分色表達(dá)，藍(lán)色部分的高程最低。

圖3 開挖前高程離散點(diǎn)構(gòu)建的TIN

(4)模型編輯與高程檢核

該部分工作是在TIN建立后有了一個(gè)圖像的界面，從分色圖上可以明顯的瀏覽出哪些高程點(diǎn)有異常的情況，對高程明顯異常的點(diǎn)，要檢查原始數(shù)據(jù)，確定高程值有誤的話，要?jiǎng)h除該高程點(diǎn)，再重新構(gòu)TIN[4]。在該土方量計(jì)算項(xiàng)目中，我們在施工范圍內(nèi)選擇了一些高程點(diǎn)不參與構(gòu)TIN，然后在構(gòu)建好的TIN的對應(yīng)位置采集插值后的高程信息，和測量的高程離散點(diǎn)進(jìn)行了對比后發(fā)現(xiàn)，除TIN邊緣上的個(gè)別點(diǎn)插值后的高程與實(shí)測點(diǎn)的高程值有明顯差異(最大高程差為1.8 cm)，其他區(qū)域的點(diǎn)與檢查點(diǎn)的高程差不明顯。

(5)挖填方計(jì)算

有了上面4步的成果，在ArcGIS的面積與體積統(tǒng)計(jì)界面中，輸入計(jì)算參考面高程，即可快速計(jì)算出每個(gè)分區(qū)的挖方、填方體積，這里計(jì)算出來的挖、填方是該參考面高程中的挖、填方平衡后的一個(gè)凈挖方、填方值。圖4是根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面構(gòu)建的TIN模型，將現(xiàn)狀TIN和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面TIN計(jì)算的高程基準(zhǔn)面選擇一致(這個(gè)值要小于設(shè)計(jì)的最低高程值)，用現(xiàn)狀TIN計(jì)算的結(jié)果減去設(shè)計(jì)斷面TIN計(jì)算結(jié)果即為該范圍內(nèi)的挖方量。給工程甲方提供的可視化模型圖片，如圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)斷面TIN

圖5 開挖清淤后立體高程模型

(6)預(yù)算、實(shí)際測算的土方量如表1、表2所示。

錢資湖清淤工程一期土方預(yù)算量成果 表1

錢資湖清淤工程一期土方量算量成果 表2

由表1、表2結(jié)合清淤前后的模型可以看出，實(shí)際開挖清淤時(shí)，標(biāo)段1和標(biāo)段2由于保留了幾個(gè)湖中島嶼，而設(shè)計(jì)時(shí)這幾個(gè)島嶼是計(jì)劃清淤一起挖掉的，所以在這個(gè)區(qū)域的實(shí)際清淤土方量明顯少于預(yù)估土方量。標(biāo)段3在湖的南邊清淤不到位，所以實(shí)際工程土方量少于預(yù)估土方量。標(biāo)段4由于實(shí)際淤泥厚度超過了設(shè)計(jì)標(biāo)高，同時(shí)清淤比較到位，最終出現(xiàn)了超挖的情況，因此土方量也比預(yù)計(jì)的有所超出。標(biāo)段5的實(shí)際清淤情況跟設(shè)計(jì)沒有變化，因此實(shí)際清淤土方量也跟設(shè)計(jì)預(yù)估土方量比較接近。這些工程實(shí)際情況也反過來證明了ArcGIS下土方計(jì)算的可靠性。

4 ArcGIS模型糾錯(cuò)的特點(diǎn)

實(shí)踐證明，這一方法能根據(jù)外業(yè)高程數(shù)據(jù)在構(gòu)TIN的時(shí)候很好的控制土方邊界范圍，同時(shí)能很好還原現(xiàn)場原貌，根據(jù)模型形狀能發(fā)現(xiàn)外業(yè)測繪時(shí)高程數(shù)據(jù)采集中產(chǎn)生的粗差和遺漏[5]。實(shí)際計(jì)算過程中，我們發(fā)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)在生成DTM時(shí)，在幾個(gè)湖心島處DTM與現(xiàn)實(shí)不一致，根據(jù)現(xiàn)場測繪的地形圖形狀，完整的復(fù)原了這幾處湖心島的DTM，從而使參與計(jì)算的三維模型與實(shí)際保持一致，再加上ArcGIS下構(gòu)建三維立體的嚴(yán)密性，最終保證土方計(jì)算的正確性。

5 結(jié) 語

ArcGIS在工程土方量算上的應(yīng)用，解決了工程土方量分區(qū)計(jì)算的一大難題。為工程量算提供了一種靈活的計(jì)算方法。該方法的優(yōu)勢有兩點(diǎn):一是能生成直觀的三維模型，通過模型對比，能發(fā)現(xiàn)外業(yè)測繪的粗差，可以根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)調(diào)整DTM，從而使參與計(jì)算的三維模型與實(shí)際保持一致。二是ArcGIS提供了便捷的邊界調(diào)整功能，能夠在不調(diào)整數(shù)據(jù)的情況下，對總的工程范圍進(jìn)行任意分割，單獨(dú)計(jì)算各個(gè)分區(qū)的工程土方量，真正實(shí)現(xiàn)在一個(gè)三維模型下的立體體積分割。保證了各個(gè)分區(qū)土方量與總土方量的嚴(yán)格一致，保證了計(jì)算成果的準(zhǔn)確性。

[1] 龔鍵雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[2] 慕永峰，朱昌永，李建.三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)DTM的土方計(jì)算及應(yīng)用[J].測繪工程，2000，9(1):52～56.

[3] 王斌.DEM土方量計(jì)算的誤差探討[J].鐵路航測，1999 (3):21～23.

[4] 王永明.地形可視化[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2000(6).

[5] 魯成樹，吳次芳，汪峰等.農(nóng)地整理土方工程量計(jì)算及調(diào)配中地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003(6).

Earthwork Calculation and Visualization Base on ArcGIS

Shen Mingwei1，Xu Liang1，Yuan Weijun2
(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213002，China；2.Jintan Surveying and Mapping Institute of Urban and Rural，Jintan 213200，China)

Taking advantages of ArcGIS in 3D modeling，it is easy to construct 3D models of earth surface and the current situation of rivers according to the designed space and elevation of rivers.And with a selected reference plane，the volume differences between twomodels can be calculated，which can help figure out the amountof cut and fill earthworks quickly and accurately.It has been proved by practice that the algorithm in this article ismuch more accurate and convenient than the traditionalmethods using contours and elevation points in calculating the amounts of earthworks.At the same time，thismethod can be adjusted flexibly and spilt the areas for earthwork calculations as required.It can help achieve the calculations of subregional earthworks quickly without processing the elevation data points outside the industry for the adjusted boundary.

ArcGIS；TIN；DTM；earthwork calculation；segmentation and calculating

1672-8262(2013)05-140-03

P209

B

2013—01—06

沈名威(1958—)，男，工程師，主要從事工程測量與測量管理工作。