基于ArcGIS的土地整治項目土方量計算及三維可視化

白曉慧 侯占東

摘要 填挖土方量對于土地整治項目具有重要意義。傳統計算土方量的方法有很多，但存在計算方法繁瑣、工作量大、效率低下、精度不足等缺點。以某地美麗鄉村建設項目局部區域為研究對象，應用ArcGIS軟件平臺建立數字高程模型的方法，并計算土方量，并與CASS軟件計算結果進行對比分析。研究表明，ArcGIS方法計算土方量更快速、準確，且能夠實現三維可視化。

關鍵詞 DEM;土方量;ArcGIS;三維可視化

Abstract Earthwork volume of filling and excavation is of great significance for the land consolidation project. There are many traditional methods of earthwork calculation， but they have disadvantages of complicated calculation，heavy workload， low efficiency，? insufficient accuracy， etc. In this paper， taking the local area of Beautiful Rural Construction Project as the research object， the method of building digital elevation model with ArcGIS software platform was established to calculate the earthwork volume， and the calculation results were compared with CASS software. The results showed that ArcGIS method was faster， more accurate and it could realize 3D visualization.

Key words DEM;Earthwork volume;ArcGIS;3D visualization

土地整治對耕地保護和土地資源集約具有非常重要的意義。土地整治是通過土地整理、復墾、開發和城鄉建設用地增減掛鉤等手段，綜合治理、改善農村生產及生態環境、促進城鄉一體化進程的一項系統工程[1]。土方量是土地整治項目的重要組成部分，其計算精度直接關系到項目預算和實施方案的選擇，因此土方量的精確計算十分重要。傳統的土方量計算方法有方格網法、等高線法、斷面法等。其中，方格網法適用于大范圍的、地勢平坦的、高差不太大的工程，計算精度與方格網寬度有關，且計算精度越高，計算花費時間越長[2];等高線法適用于地形變化大的區域，容易受地形條件和軟件算法限制，導致計算精度受限;斷面法適用于道路、溝渠和管線等帶狀地形，其前期工作量大，計算方法繁瑣[3]。由此可見，傳統計算土方量的方法雖然很多，但均存在計算方法繁瑣、工作量大、效率低下、精度不足等缺點。

ArcGIS是當今流行且先進的軟件平臺，具有強大的空間統計分析、圖形顯示與處理等功能[4]。運用ArcGIS軟件建立數字高程模型的方法來計算土方量，不受地形復雜程度的限制，不僅可以大大提高計算精度和效率，而且可以實現三維可視化建模，能真實反映地形地貌特征，與傳統技術相比具有明顯的優勢。目前已有學者對ArcGIS在土方量計算中的應用開展了研究。趙瑞[5]從土地整治角度，利用 ArcGIS軟件平臺進行土地平整土方量計算的研究;李春梅等[6]通過與傳統土方量計算方法的比較，運用ArcGIS軟件計算土方量;陳勇[7]從地統學角度，應用ArcGIS原理和方法對土方量計算進行研究并應用。

筆者采用DEM法，結合ArcGIS軟件強大的空間統計分析和三維建模能力，根據實例項目的地貌特點，分析傳統方法與DEM法在計算土方量的優缺點。同時，運用CASS軟件平臺DTM法進行對比分析，論證應用ArcGIS計算土方量的可行性與精確度。

1 應用原理及方法

數字地形模型（DTM）是一個表示地面特征空間分布的數據庫，一般用一系列地面點坐標及地表屬性形成數據陣列，以此組成數字地面模型。為了能夠在地理信息系統中表現三維的地形表面特征，對獲取的地形數據進行建模，使用真實的地形高程數據，建立一種數字的地形表達模型，稱為數字高程模型（DEM）[8]。

數字高程模型可分為規則格網模型和不規則三角網。格網模型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表達[9]。不規則三角網（TIN）是根據區域的有限個點集將區域劃分為相連的三角面網絡，三角面的形狀和大小取決于不規則分布的測點的密度和位置，既能避免地形平坦時的數據冗余，又能按地形特征點表示數字高程特征[10]。TIN模型是通過將空間內的點和折點構建不規則三角網來創建。

該研究運用不同軟件平臺，根據某地美麗鄉村建設項目局部區域數據構建不規則三角網，從而建立數字模型來計算土方量。CASS軟件平臺通過地面點坐標和高程，將相鄰點分化為不同大小的三角形，構成區域三角網，最后將2期數據模型疊加計算出填挖方土方量。ArcGIS軟件平臺通過2期DEM模型疊加得到填挖土方分界線，再對每個區域建模求出各個三棱柱體積，統計得到填挖土方量。ArcGIS軟件相較于CASS軟件更便于存儲、更新、傳播，計算機自動處理功能更強大，還可以進行三維建模等。因此，目前ArcGIS軟件被已廣泛應用于工程建設和城市規劃等多個領域。

2 研究區概況與數據來源

2.1 研究區概況

研究區位于長江金三角地區，北瀕長江，東臨太湖，西倚茅山，南扼天目山麓，地處119°08′～120°12′E，31°09′～32°04′N。研究區地貌類型屬于高沙平原，山丘平圩兼有;屬于北亞熱帶海洋性氣候，常年氣候溫和，雨量充沛，四季分明;春末夏初時多有梅雨發生，夏季炎熱多雨，冬季空氣濕潤，氣候陰冷;雨季為6—7月。常年平均氣溫15.4 ℃;年平均降雨量1 074.0 mm。

2.2 數據來源

數據來自某地美麗鄉村其中一個景觀建設項目，實地采集原始地形數據和施工后數據，對其土方量進行計算研究。

平面采用地方獨立坐標系，高程采用1985年國家高程基準。

3 數據處理與分析

分別用CASS與ArcGIS 2種方法對數據來進行土方量計算，通過對結果進行對比分析，探討ArcGIS在土方量計算中的優勢。

3.1 原始地形數據處理與分析

采用CASS與ArcGIS 2種方法對原始地形數據進行土方量計算，并對計算結果進行對比分析。

CASS根據DTM模型利用原始地形數據建立不規則三角網（TIN）。具體操作步驟如下：對原始地形數據進行檢查，檢查無誤后在CASS中加載原始地形高程點數據，進行展點;

然后，利用DTM模型工具構建不規則三角網（圖1），同時生成一個坐標數據文件，用于后期土方量計算。

基于ArcGIS軟件DEM模型方法，利用原始地形數據建立不規則三角網（TIN），將其轉換為柵格模型。具體操作步驟如下：運用ArcGIS自帶轉換工具將原始地形的基礎數據dwg格式轉換為Shapefile格式;檢查數據是否有無效點，無誤后在3D Analyst擴展模塊利用基礎數據建立TIN模型（圖2a），TIN模型在主界面顯示出高程分段值彩色圖，其中的色帶、分段、高程值范圍等可在屬性中按需求調整;DEM模型通過內插方法將不規則三角網轉換為柵格（圖2b），為后期運用DEM模型實現土方量計算做準備。

采用2種方法利用原始地形數據進行數據前期處理，建立DTM模型（圖1）和DEM模型（圖2），并對其結果進行對比分析。由圖1、2可以看出，研究區原始地形總體地勢較平坦，最大高差約4.4 m。研究區西邊淺黃區域地勢較低，周圍紅色地勢較高，也可以通過陰影區分地勢高低，而東邊橘黃區域地勢明顯高于西部淺黃色區域，周圍紅色實為田坎，地勢較高。原始地形西邊實際為養螃蟹的池塘，東邊為荒蕪草地。

CASS法建立的DTM模型不夠直觀，地勢高低只能通過對比高程點加以區分。高程點密集圖形數據量大時，運行速度緩慢甚至卡死。與CASS相比，ArcGIS軟件功能強大，簡單易行、快速方便，能夠提高工作的信息化和自動化水平。ArcGIS法建立的TIN模型通過色彩和陰影可以直觀地描述在平面和空間分布的形態特征和構造關系。TIN模型可以在ArcSence中進行三維表達，通過移動鼠標可以全方位地旋轉縮放查看原始地形各個區域，生動地描述地形地貌特征。

3.2 設計高程數據處理與分析

根據“3.1”方法采用設計數據創建設計高程DTM模型（圖3）和設計高程DEM模型（圖4），用于后期土方量的計算。

由圖3、4可知，研究區設計地形區域劃分明顯，地形走向平滑，最大高差約6 m。研究區西邊藍色區域地勢較低，分層明顯，可看出是一塊洼地，而東邊紅色區域地勢明顯高于西邊藍色區域，顏色越接近紅色，地勢越高，可看出是一個小島。按設計要求，將其西邊開挖水塘建設水鄉特色，挖出的土方在東邊建設小島美化鄉村既可以實現土地資源集約利用又可以美化環境。CASS法不能將地形直觀地呈現出來，而ArcGIS法不僅可以將地形完美呈現出來，而且對實地分析有很好的展示效果。

3.3 土方量計算與對比分析

根據“3.1”和“3.2”方法創建的模型分別用CASS與ArcGIS 2種方法對數據進行后期土方量計算，對結果進行對比分析。

CASS法是將2期DTM模型進行疊加計算，求出填方土方量和挖方土方量。在CASS軟件中，運用DTM法的“計算兩期間土方” 工具，通過圖面選取和三角網文件2種選取方法進行土方量的計算，輸出計算結果圖形（圖5）。填挖土方量運算結果如下：填方量4 089.2 m3，挖方量13 371.9 m3。

ArcGIS法是將2期DEM模型采用空間分析和面域疊加功能計算出填挖方分界線及填挖方土方量。3D Analyst擴展功能模塊具備計算土方量的工具（填挖方），使用工具將原始地形DEM模型和設計高程DEM模型輸入，確定合理路徑，將其保存并按確定鍵，即可得到填挖方柵格圖（圖6）。將數據導出EXCEL表格，并疊加計算，方可求出填挖方土方量。計算結果如下：填方量為4 150.9 m3，挖方量13 416.8 m3。

由圖6可以看出，研究區填方土方量主要集中在南側和東側，北側有少量的填方區，其他為挖方區域。由圖形對比可以看出，原始地形養螃蟹池塘加深開挖為水塘，開挖土方量將荒蕪草地美化為小島。CASS法相對ArcGIS法計算成果圖不僅圖形數據密集，略顯雜亂無章，而且填挖方分界線不能顯示出來。ArcGIS法圖形美觀，填挖方分界線清晰，還具有圖層疊加分析、屬性檢索等功能。

運用2種方法計算土方量的結果相差不大，說明基于ArcGIS軟件使用DEM法計算土方量的可行性與有效性。DTM模型和DEM模型誤差主要來源于采樣密度及地形過于復雜等原因。ArcGIS法不僅計算速度快、準確，而且在操作步驟上簡單易行，減少了計算工作量。此外，ArcGIS軟件平臺具有面向對象結構的可視化表達，可以更加客觀地顯示，也可以直觀地根據圖形查看其屬性，進行查錯修正，以保證計算數據的精確度。

4 結語

該研究采用CASS法和ArcGIS 2種方法計算土方量，以某地美麗鄉村建設項目為研究對象，進行土方量計算，并對其結果進行對比分析。結果表明：ArcGIS方法與傳統方法相比，ArcGIS方法精度高、簡單易行、快速方便，可以三維可視化，真實地反映地形信息，形象逼真;ArcGIS方法可以將空間數據與屬性數據有機地結合起來，能更加有效處理數據，提高信息化和自動化水平。因此，ArcGIS方法在工程建設和城市規劃等領域有更廣闊的應用前景。

參考文獻

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[10] 王晨旭，胡引翠，王崇倡，等.基于TIN的露天礦區地形精細模型構建研究[J].金屬礦山，2019（9）：147-153.