場平工程土方量的ArcGIS計算分析

封 棋

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

在土石方工程中土方量的準確計算有著重要的意義，簡單來說就是為施工人員在施工方案選擇上提供重要的參考依據。另外，對土方量進行的準確計算會在一定程度上影響工程項目投資，需要施工單位多加注意。而過去所使用的土量計算方式，一般有三種，即DEM法、斷面法和方格網法。在本文場平工程施工中，施工人員主要采用DEN方法進行，期間，還會利用相關軟件以及空間分析形式，來計算場平工程土方量。

1 工程的基本概況

本工程處于浙江省某工程，占地面積為37 hm2。該場地地貌在地勢上呈自西向東降低的趨勢[1]。丘陵坡度較緩，坡度控制在7°～25°之間；一般來說，場區原始地面標高是在51 m～89 m之間，其設計場平標高是76.1 m。建設場所呈南北兩側低、中間高，以東北角較低，作為人工水塘。工程涉及的土方量相對較大，施工環境惡劣，初步設計計算挖方量在113.9萬m2左右，填方量在113.05萬m2左右。

2 DEM法計算土方量的基本原理

DEM，又稱為數字高程模型，是地形形狀和變化的數字描述，在具體工程施工中，需施工人員結合實際，利用數字形式來表示具體地形地貌特征的模型。通常，關于DEM的模型有三種，具體為:不規則三角網、規則格網模型以及登高線模型。

3 有關TIN模型

格網DEM在不改變格網實際大小的情況下，難以將復雜多變的情況進行準確的表達，在一些計算中，比如：通視問題，注重網格的軸方向。不規則三角網作為重要的高程模型方式，在實際應用中，不僅具有較高的計算效率，還在一定程度上降低等規格網所導致的數據冗余現象。關于TIN，是基于矢量中的數字地理數據的形式之一，以便于有關人員在作業過程中通過空間內部的折點組合，來建立不規則三角形。距離排序法能夠當做這些三角形的插值方式。

4 TIN模型計算土方量原理

當相關人員完成TIN模型構建過后，其可結合實際，選擇不規則三角網。之后，相關人員需利用平面疊加的方式計算各個棱柱的體積，以此能夠獲得較為全面的挖方區域分解線與填方區域。一般來說，相關人員在三棱柱體上表面主要采用兩平面擬合、平面擬合兩種方法。而對其下表面，則以參考面或水平面為主。如圖1，圖2所示，Z1,Z2,Z3都是三角形角點填挖高差，S3是三菱柱底面積。

5 有關DEM及其生成方式

關于數字高程模型，也就是DEN。在具體應用過程中，需要相關人員按照要求，利用有限的地形高程數據文件，來模仿地形曲面形態[2]。因DEM屬于零階單純的單向數字地貌模型，且它的地貌特點都是在這個前提下產生的，比如：坡向、坡度等等。在工程計算中，工作人員可借助等高線數據直接生成TIN及柵格DEM。結合相關案例，表明由等高線生成的TIN模型與插入的柵格DEM具有較好的精準度。

6 應用ArcGIS計算場平工程土方量

在此次浙江某工程中，需要相關人員充分利用原始地形的相關測量數據。如在等高線、高程點等，工作人員可借助相關軟件，即ArcMap構建該地區的TIN模型。期間，利用DEM與TIN的有效轉換，可為施工人員提供該地區的挖方區域柵格圖。除此之外，也可通過對ArcMap中目標區域原始地形的三維化，增強整個工程施工地形的可視化，便于其進行作業。

6.1 導入CAD數據

在導入數據中，相關人員要能夠合理的利用ArcMap，也就是其工具中所帶有的轉化工具。在此工具的利用下，能夠將一些原始地形文件的高程點由原先的格式逐漸轉化為新的格式，即Shapefile格式。之后，相關人員就能夠在軟件中打開該格式的高程點文件,如圖3所示。

在此環節中，首先要打開ArcMap中所含有Shapefile格式的高程點文件，并在具體的內容列表中選擇相應的高程點文件[3]。其次，打開該文件的屬性，對Elevation字段是否出現空白進行檢查。如果是空白的，應該將其刪除。如果不是空白的，表明其高程值是非常有效的。

6.2 構建DEM模型

按照要求，將ArcCatolog10.2軟件打開后，有關人員必須要在右邊空白的地方，點擊構建Shapefile，并將各個要素的類型作為面。在完成這些后，相關人員則要在“編輯”這個選項中選擇實際應用的坐標系。完成后，要將其保存在相關文件內。

接著，相關人員可通過Acrooolbox的利用，即所帶有的3DAnalyst工具來構建TIN。在此過程中，需輸入有關Shapefile格式的高程點文件，并為其建立出TIN模型,如圖4所示。

該模型可在ArcSence中以三維的形式進行表達，如圖5所示[4]。經過實踐證明，這種方式，不僅有助于施工單位對場地內部的自然地表情況予以直觀的表達，同時還使得施工地段的地表形態以可視化的形態予以展示，進而保障工程施工進度。

然后再通過采用TIN模型內插柵格的方式，將其轉換為DEM模型，將剛剛建立的TIN模型由柵格的形式轉出，最終獲得現場的DEM模型，如圖6所示。

7 計算場平工程土方量

浙江某工程的設計場平標高是76.1 m，在繪圖編輯中制作與目標區域邊緣輪廓完全相同且具備設計高程高度的面，通過采用設計高程面和場地的DEM模型相互疊加的方法進行正確計算，就能夠獲得填挖方分界圖，如圖7所示，挖方區域用深灰表示，填方區域用淺灰表示，這樣也可以為工程中直觀顯示土石方填挖區域提供可視化的方式。

8 對比與分析計算結果

除了能夠利用ArcGIS軟件使用DEM法計算對古泉換流站的土方量，本文還有效利用南方CASS軟件分別使用方格網法和等高線法計算場平工程的土方量，以此對比和驗證DEM法在該工程中的有效性。使用等高線法計算土方量的時候，必須要準確設置1 m的等高距生成等高線，對等高線進行檢測中，就會出現相同名字的等高線。然而南方CASS軟件等高線法只能夠對區域內無鞍地形的情況進行處理和計算。一旦出現兩條以上相同高程的等高線時，這個軟件只能處理其中一條，其他同名的等高線就會自己省略，從而導致較大的誤差出現。施工人員采用方格網法計算土方量的時候，應該根據有關要求進行，即：選擇土方計算邊界線。因高程的等高線為76.1 m，相關人員則要將其作為復合線[5]。因此，有關人員需在一定情況下，也就是CASS情況背景下，生成最合適的等高線。之后，其還要轉化在CAD的情況下，畫出多線[6]。期間，工作人員需在菜單中，將原先為76.1 m的等高線與復合線進行有效匹配，最后，以10 m作為方格網寬度進行計算。在實際施工過程中，因為受到山區地貌條件的制約，若根據固定邊長的方格進行擬合，則無法保證計算結果的真實性。實踐證明，應用DEM法計算土方量的結果和實際工程用量是非常相似的，所以其誤差較小。所以相對于本項目來說，DEM法的計算結果更加準確。

9 結語

長期以來，土地平整工程的關鍵點是土方量的計算，直接影響項目投資。因此，準確、快速的計算方法是最近幾年土地整改項目的研究重點。在以前的基礎上，計算土方量方法并不是單一的，而是多樣化的，在計算精準度上有大幅度的提升。而利用ArcGIS計算場平工程土方量，能夠提高其計算結果的準確性。