利用ArcGIS進行土地平整土方量計算的應用

趙瑞

摘要?挖填土方量的計算是土地整治項目的重要組成部分。在已有計算方法的基礎上，結合多年從事土地整治項目的實際經驗，探討ArcGIS在土方量計算中的應用，并以某一工程實例對研究區的土方填挖量進行計算。結果表明，利用ArcGIS進行土方量計算具有操作簡單、精度高、速度快的優點，能夠實現三維可視化，具有可行性。

關鍵詞?土方計算;ArcGIS;數字高程模型;土地整治

中圖分類號?S29;P258文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2018）33-0170-02

土地整治是增加有效耕地面積、提高耕地質量、實現耕地總量動態平衡的重要手段，在實現土地資源集約利用、保障經濟建設用地供給、改善生態環境、增加農民收入、促進社會進步等方面發揮著重要作用。挖填土方量的計算是土地整治項目的重要組成部分，如何利用已有地形數據資料快速準確地計算出土方量是開展規劃設計、控制投資和安排工程進度過程中一個重要環節。盡管傳統的土方計算方法有很多[1]，但大多都伴隨著計算過程繁瑣、工作量大、效率低下、精度低等不足，并且不同方法的計算結果差異較大，嚴重影響工程進度和效益。為克服傳統方法的不足，土方量計算亟需一種操作簡便、自動化程度高、速度快、精度高的計算軟件及方法。

GIS技術的出現大大提高了土地整治中土方計算的速度和精度，提高了設計工作的效率，與傳統技術相比體現出了明顯的優勢[2-5]。當前已有一些學者對GIS在土方計算中的應用開展了不同程度的研究，如陳勇等[6]從地統計學的角度出發，應用ArcGIS進行土方量計算的研究;劉寧等[7]應用數字高程模型原理，結合GIS軟件提出測算丘陵區梯田土方量的方法;王金滿等[8]利用GIS獲得整治區不同坡度分區的面積，再依據梯田斷面要素測算不同坡度范圍的土方量。

筆者在已有計算方法的基礎上，結合多年從事土地整治項目的工程經驗，探討了ArcGIS土方量計算問題。通過原始地形分析的輔助，得到更合理科學的設計田面高程DEM，使土方量計算結果更加準確，并應用具體工程實例，論證應用ArcGIS計算土方量的可行性，以期為其他土地開發整理項目提供參考。

1?ArcGIS計算土方量的原理及方法

1.1?數字高程模型（DEM）

應用ArcGIS計算土方量的原理是基于ArcGIS地統計模型建立的數字高程模型（DEM）。DEM是數字地面模型（DTM）的一種，它是使用數字形式X，Y，Z坐標來表示實際地形高低起伏與變化特征的空間分布模型，以縮微的形式再現地表起伏形態，具有形象、直觀、精確等特點，可用于高程信息表達、地形分析、土方工程量計算等。因此，DEM現已被廣泛應用于土地平整、城市規劃等多個領域。

1.2?ArcGIS計算土方量的方法

ArcGIS計算挖填土方量是根據實地采集的原始高程數據建立原始地面高程DEM，根據設計田面高程建立設計地面高程DEM，然后計算這2個DEM模型的體積差。在計算設計田面高程時，要遵循土方挖填平衡原則，并結合原始地形分析結果，確定最佳的田面設計方案。在此基礎上運用統計分析模塊計算每個回填區或開挖區的體積，最終得到挖填的土方量。計算挖填土方量的流程如圖1所示。

ArcGIS地統計模型中有多種空間插值方法用來建立DEM，普通克里格法不僅考慮了待測樣點與臨近實測樣本點的距離，還考慮了各臨近實測樣本點彼此間的空間位置分布關系，其在地統計意義上優于其他插值法，故該研究采用普通克里格法建立DEM。

2?實例研究

為了驗證ArcGIS計算土方量的優勢及可行性，以銅川市石柱鎮修文村土地整治項目為例，應用ArcGIS進行土地平整中土方量的計算。

2.1?研究區概況

研究區地貌屬黃土高原丘陵溝壑區，屬暖溫帶氣候，年平均降雨576 mm，年平均氣溫12 ℃，區內土壤通氣、透水和保土、保肥性能較好。研究區內土地利用現狀為常年撂荒的其他草地，坡度較大，有明顯的高差變化。該研究選取其中一平整區地塊作為研究區，研究區分為北片區和南片區兩大整治區域。

2.2?數據源

研究區的范圍界線;研究區的土地利用現狀圖、規劃圖;研究區1∶2 000的實測地形圖，平面采用1980西安坐標系統，高程采用1985國家高程基準。

2.3?研究區原始地形分析

地形起伏越大對農田水利化與機械化越不利。通常坡度越大，農田平整的土石方量越大，土地平整難度和工作量明顯增大，人力和水利成本也隨之增加。在克里格法插值建立的原始地面高程DEM的基礎上，該研究利用ArcGIS地統計模塊對其進行坡度分析，研究區坡度圖如圖2所示。

將研究區土地坡度劃分為6個等級（如表1所示）：極緩坡（≤3°）、緩坡（3°～8°）、中坡（8°～15°）、微陡坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、極陡坡（≥35°）。由統計結果可知，極緩坡和緩坡主要分布在研究區的南片區且成片連續;中坡在研究區零星分布，分布較為分散;微陡坡主要分布在研究區的北片區，分布范圍廣，所占比例較大，為39.79%;陡坡和極陡坡主要集中在北片區中間部位，所占比例較少，為24.21%。研究區北片區地形較陡，南片區平緩，可用于土地平整（坡度小于25°）的面積占總面積的75.79%，具備開發為農用地的潛力。其中，中坡和微陡坡面積占可用于土地平整面積的45.72%，故在實施土地整治時必須考慮工程水保措施。

2.4?挖填土方量計算

在已生成的原始高程DEM、坡度、坡向數據圖層基礎上，結合原始地形分析結果，新建田塊劃分shp文件，在編輯狀態下合理劃分田塊，并對田塊進行編號;遵循土方挖填平衡原則，應用地統計模塊計算研究區每個田塊的平均高程，作為田間設計高程，建立設計高程DEM;再進行柵格計算，用原始高程DEM減去設計高程DEM，得到土方挖填量（圖3）;利用鄰域分析模塊進行田塊編號與挖填土方量的聯接，通過疊加計算統計最終的土方量結果。

經統計得出，研究區總挖方量為13 168.37 m3，總填方量為12 992.56 m3。其中，北片區平均土方開挖量為6 059.70 m3/hm2，南片區平均土方開挖量為3 468.15 m3/hm2，北片區平均土方開挖量大于南片區。根據研究區地形分析結果顯示，北片區地形較陡，南片區地形平緩，該土方計算結果證實了地形越陡土方開挖量越大的說法。從ArcGIS計算挖填土方量的過程和結果可以看出，DEM法計算土方量是以每個地塊為最小單位，使用DEM數據進行土方量計算的效率和準確性明顯高于傳統方法。

土方量計算的精度直接關系到投資大小與項目效益，基于ArcGIS計算土方量的精度很大程度上受DEM的精度影響，DEM的誤差主要源于原始地形圖的精度、野外測量誤差、控制點轉換誤差等。這說明挖填方量的計算精度與基礎

數據的詳細程度及精度有直接關系，利用ArcGIS計算土方量對基礎數據的精確性要求相對較嚴格，所以其計算結果的精度也相對較高。

3?結論與展望

該研究基于ArcGIS探討土地平整中土方量計算問題，

在計算過程中輔助以原始地形分析，使計算的土方量結果更加準確，并應用具體工程實例，論證了應用ArcGIS計算土方量的可行性，為土地開發整理項目的土方計算提供了參考。與傳統土方量計算方法相比，利用ArcGIS進行土方量計算具有明顯優勢，ArcGIS地統計模塊功能強大，可真實反映研究區地形信息，實現可視化，采用的克里格插值法在地統計學意義上的優勢等都保證了土方量計算簡單、快速、準確，提高了土地開發整理工作的信息化和自動化水平。

如何進一步提高計算精度及優化規劃方案，未來需要解決的問題主要是獲取研究區詳細、可靠的數據資料和實時、準確、高精度的圖件，并逐步開發完整的土地整理規劃設計信息系統。

參考文獻

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