ARCGIS在土方工程量計算中的應用

任燚 姚曉偉 房新玉

摘 要：土方計算在建設工程的土方工程中有著重要的意義和作用，是工程費用計算和工程施工方案優選的重要參考因素，直接關系到工程造價，如何更加客觀、準確地計算土方量，減少或避免土方工程的爭議，值得我們進行認真的探討。在地形復雜區域時，利用傳統的DTM方法需要手動勾繪每一個三角網，過程計算繁瑣，而且容易出錯；而利用ARCGIS中的TIN模塊構建DEM不僅能夠進行直觀顯示，而且具有計算速度快，計算精度高等優點。該文介紹了ARCGIS土方計算的原理，通過工程實例主要介紹利用ARCGIS中TIN進行土方計算的流程及注意事項，并得出相應的結論。

關鍵詞：DEM TIN ARCGIS 土方量

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0030-03

土方計算在建設工程的土方工程中有著重要的意義和作用，土方量的大小與工程項目的投資直接相關，傳統土方量計算方法包括斷面法、方格網法、DTM法。斷面法主要應用于道路、圍埝等具有規則斷面的地形和區域；方格網法主要應用于平坦地區和地形高差變化不大的地區；DTM法適用于各種地形，但要求特征點一定要采集到位，并且在地形復雜的區域，需要加密測量，并且計算時需要人工較大的干預，工作量比較大。數字地面模型（DEM）是地形表面的一個數學（或數字）模型，數字高程模型（DEM）是數字地面模型（DTM）的一種，它表示地面上的高程信息，其方式主要有規則格網（GRID）法和不規則三角網（TIN）法。規則格網法是根據給定的縱（橫）方向和間距對研究區域進行劃分，利用已知離散高程點內插出網格點的高程數據，形成一組規則的矩形網格數據點，用四棱柱的方法計算土方量。不規則三角網（TIN）是數字高程模型DEM的表現形式之一，TIN法是直接利用實測地形碎部點、特征點進行三角構網，對計算區域按三棱柱法計算土方。隨著GIS的迅速發展，GIS技術在土方工程量計算方面得到了廣泛應用。TIN是GIS中常用的數學模型，它能夠真實的逼近實際地形，反映現場的地形地貌，計算精度較高。本文探討了基于ARCGIS的土方工程量計算方法，并將其應用于天津地區的一個工程項目中，取得了較好的效果。

1 技術流程

1.1 TIN計算的原理

基于TIN的土方計算一般采用三棱柱法，如圖1，圖2所示，首先由三角形頂點的坐標計算出三角形的面積S，每個三角形以三個頂點的高程平均值作為這個三角形的高程值。

H = （h1+h2+h3）/3 （1）

式中H為三角形的高程值，h（i=1，2，3）為三角形三個頂點的高程值。則該區域的填挖方為

V=（H-h0）×S （2）

式中V為三角形的填挖方，V為正值時表示開挖，為負值時表示回填。如果既有開挖又有回填區域，如圖3所示，則三角柱由交面截成一個椎體和一個楔體，椎體部分為回填，楔體部分為開挖，需要分別計算其開挖量和回填量。在統計每個三角形對應的體積后，統計工作區的總挖填方量，完成土方量計算。

1.2 利用ARCGIS計算土方流程

數據采集—— 數據編輯—— SHP文件的生成—— 對邊界線進行賦值—— 生成TIN文件——工程量計算。

2 實例分析

該文以天津港區某一工程項目的土方工程量為實驗依據，該工程區域為一L型的帶狀區域，整體形狀呈臺階型，并且部分區域由堆土，整體比較復雜。用ARCGIS進行土方工程量計算，并與南方CASS計算的結果進行比較分析。取得了較好的效果。南方CASS計算時，每個三角網均手動勾繪，并由兩人分別進行計算，認為是真值。

2.1 數據采集

利用Trimble R8 GPS-RTK（動態定位精度為±10mm+1ppm（水平）/±20mm+1ppm（垂直））測定了施工區域523個地面特征點，并在地面起伏出適當增加采樣點密度，并將所有采樣點輸入計算集中，利用CASS繪制地形圖，并利用CASS的DTM土方計算工程計算目標高程的工程量，以進行比較分析適用。

2.2 數據編輯

數據的準備包括原始數據、特征線圖的準備和計算范圍面域的準備。

（1）利用CASS軟件將圖中的數據生成DAT文件，并在文件中添加表頭“ID，CODE，Y，X， H”，分別代表編號，代碼，東坐標，北坐標，高程，并將后綴修改為TXT。（2）將CAD中的坡頂線，坡底線，垅線屬性更改為多線段，并用explode命令將多線段分解（該步驟是為了以后給線段賦值），并單獨儲存為“線文件.DWG”。（3）利用pline命令在CAD中繪制計算面域，并閉合，儲存為“面文件.DWG”。

2.3 SHP文件的生成

（1）POINT.SHP文件生成，打開ARCMAP，選擇“ADD XY DATA”命令，出現以下界面，如圖4，在界面中數據選擇DATA.TXT，X Field選擇“Y”，Y Field選擇“X”，Z Field選擇“H”，忽略警告，生成“data.txt events”，如圖5。

右鍵“data.txt Events”，選擇 “ Data——>Export Data”，如圖6。

出現對應的對話框，見圖7，在對話框中，將文件名修改為POINT.SHP，然后點擊確定，并將生成的POINT.SHP添加進ARCMAP。并在ARCMAP中刪除“data.txt events”。

（2）POLYLINE.SHP文件的生成，打開ArcCatalog，找到“線數據.dwg”，在“polyline”上右鍵“Export->To Shapefile（single）”，見圖8。

彈出對話框9，如圖9設置好位置和名稱，點擊OK即可。

（3）POLYGON.SHP文件的生成，POLYGON.SHP文件生成過程和“POLYLINE.SHP”，一樣，只是在 “POLYGON”上點擊右鍵。經過以上步驟，我們將SHP文件準備完成。關閉ArcCatalog。

2.4 將點高程屬性附著在線上

在ARCMAP中點擊“Add Data”按鈕，如圖10，將“POLYLINE.SHP”和“POLYGON.SHP”添加進ARCMAP中，

打開“ArcToolBox”，首先在EDIT命令中Start Editing，然后在命令Analysis Tool中找到“buffer”命令，在“Input Features”選擇“POLYLINE”，”Linear unit”設置為0.1，點擊確定（圖11）。

然后在Analysis Tool中找到“identify”命令，在“Input Features”選擇“POINT”， “Identify Feature”中選擇剛才生成的“Buffer”文件，如圖12所示。

在Analysis Tool中找到“SpatialJoin”命令，如圖13，在“Target Features”選擇生成的“buffer”文件，在“Join Features”選擇”“POINT”，確定即可。

2.5 生成TIN文件

在EDIT命令中“Stop Editing”，并“Save Editing”。在“3D Analyst”找到“Create TIN From Features”命令，分別選擇 “POINT”，“POINTLINE_Spatial”， “POLYGON”（圖14）。

注意：選擇“POINT”時，“Tag value filed”選擇“H”；選擇 “POINTLINE_Spatial”時，“Height source”選擇“H”，“Tag value filed”選擇“NONE”；選擇“POLYGON”時，“Height source”選擇“NONE”，“Tag value filed”選擇“NONE”。則生成TIN文件，如圖15。

2.6 工程量計算

在“3D Analyst”中找到“Area and volume statistics”命令，設置“Height of plane”中高程為5 m，點擊“Calculate statistics”（圖16），則可計算出5 m以上的工程量。經檢核，該工程量與CASS計算的結果一致，誤差為0.7%。

3 結論

TIN可表達任意形狀的復雜地形，通過對TIN直接計算可提高土方量計算精度，克服傳統土方計算方法精度不高的缺點。該文分析了TIN計算土方量的原理，利用ARCGIS進行了土方量計算，進行了比較分析，從分析結果看，計算精度較高，并且實現了計算過程的可視化。

參考文獻

[1] 陳尹軍.ArcScene支持下基于TIN的土地平整土方量可視化計算[EB/OL].[2009-07-07]http：//biyelunwen.yjbys.com/fanwen/qita/50441.html.

[2] 李春梅，景海濤.基于ArcGIS的土方量計算及可視化[J].測繪科學，2010，35（2）：186-187.

[3] 周秋生.建立數字地面模型的算法研究[J].測繪工程，2001，10（1）：14-18.

[4] 陳勇.利用ArcGIS地統計分析進行土地平整土方量計算的研究[J].安徽農業科學，2007，35（1）：70-71，103.

[5] 劉建英.南方CASS軟件土方量計算方法的探討以及特殊地貌土方量的計算[J].城市勘測，2008（5）：108-115.