ArcGIS在生態清淤工程量計算的應用研究

黃俊杰，陳 威，喬 勝

(上海勘測設計研究院有限公司，上海市 200335)

1 引言

湖區清淤工程量是排泥場規模及工程投資估算的重要依據，工程量計算的準確性直接影響到項目的進展及施工組織，關系到甲方、乙方的利益，甚至導致后期產生矛盾糾紛。目前常用的方法是斷面面積法[1-2]，但是以斷面中心截面的平均清淤厚度代替整個分條帶的清淤厚度，在地形復雜多變的湖區會產生一定的誤差，以及在勘測斷面不平行的河、湖拐彎區域也存在忽略權重分配的問題。隨著遙感技術和地理信息系統的發展，ArcGIS等軟件也在土方量計算中得到應用[4]，而通過ArcGIS的柵格計算模塊，可快速、準確、可視化地計算工程量，為設計工作提供更準確的計算依據，方便及時調整及驗算。

2 計算步驟與原理

2.1 ArcGIS計算工程量步驟

圖1 清淤設計高程H的導入及柵格化Fig.1 Import and rasterization of designed elevation (surface H)

(1)以岳陽南北港河生態清淤為例，將清淤前水下地形高程點數據導入ArcMap，通過插值的方式生成數字高程模型(DEM)[3]，水下地形數據一般由多普勒測深儀測得，軌跡為測量船自然航跡，采樣間隔一般為數米至數十米不等，插值精度即像元大小為正方形網格，在計算機性能允許的情況下應盡量小，一般以<1 m為宜，視湖區大小而定，以保證處理精度；

圖2 現狀水下地形G的插值及裁剪Fig.2 Interpolation and clip of underwater topography(surface G)

(2)將初步設計的清淤控制高程及對應范圍(清淤后泥面)導入ArcMap，并通過數據連接工具將標注的高程值賦值給不同清淤分塊，使軟件讀取及指示設計清淤高程；利用矢量轉柵格工具將以上數據柵格化，其精度及像元位置應與原水下地形一致并對齊，即形成清淤工程完成后的水下地形，如圖1；并將現狀水下地形按照以上范圍裁剪，如圖2，其中空白處為一直徑約20米小島。

(3)通過柵格計算器工具將上述兩個柵格相減得到清淤厚度分布(G-H)，如圖3所示，一般情況下利用表面體積工具以0米為基準計算此柵格體積，即可得到清淤工程量。

圖3 清淤前后地形差值(清淤厚度)Fig.3 The difference between surface H&G(dredging depth)

圖4 填方與挖方示意圖Fig.4 Two alternative modes of reference plane setting

2.2 ArcGIS計算工程量原理

ArcMap的表面體積工具計算參數選擇above時只計算挖方體積，選擇below時只計算填方體積，如圖4。由于清淤控制高程是根據分條斷面中心情況決定的，因此在水下地形復雜、變化梯度大的局部湖區，依據斷面中心地形得到的清淤控制高程在遠離斷面中心線的兩側可能會存在負值，即填方，這是由于設計斷面間距不可能足夠小導致的，實際工程此處不填方。

因此，如圖5兩種計算方法所示，若將上下兩柵格直接以地平面為基準算出體積再相減(方法一：Vg-Vh)，會把填方量以負值計入總工程量，導致計算值低于實際(圖為夸大誤差示意)，此時應該計算新面(G-H)距離地平面的體積(方法二：Vg-h)，由方法一計算應該補加面(G-H)的填方量。

此外，由于ArcMap不能很方便地表述一個斜面，需要在放坡的分區中采用斜坡中點高程代表整個斜坡的平均高程，如圖6。當坡較長而清淤厚度比較薄時，使用方法二會出現填方量，導致計算結果比實際高，此時應減去填方量，該值與方法一結果一致。

此時，使用方法一考慮了斜坡的影響，但將地形低洼處的填方量以負值計入總工程量，由此結果偏小。而采用方法二考慮了低洼處的影響但多算了斜坡處的工程量，計算結果則偏大。因此真值介于兩者之間，此時應重點考察填方出現主要來自哪一種情況，若主要出現在遠離斷面分條中心線，則方法二的計算方法較為準確；若多數填方貫穿整個斷面分條中心線，呈現沿程一側挖方量大、一側填方量大，這種情況是較長坡面取平導致的，此時采用方法一計算方法較為準確。

圖5 兩種計算方法示意(低洼處)Fig.5 Diagrams of two different calculation methods (among depressions)

圖6 兩種計算方法示意(坡面處)Fig.6 Diagrams of two different calculation methods (among slopes)

參考相關標準JTJ/T 321-96《疏浚工程土石方計量標準》，若不同計算方法差異過大，應該復核計算過程，以避免合同雙方計量超過相關規定。以南北港河清淤為例，某一面積為59.4 hm2湖區兩種計算方法得到的結果分別為28.4×104m3、27.2×104m3，兩值之間相差超過4%，主要原因是存在較明顯的主河槽蜿蜒貫穿清淤區而產生。為取得更高精度，可以在一開始直接將斜坡與平底分開后分別采用兩種計算方法計算，操作上也較為便捷。

一般情況下，在湖區生態清淤工程設計中，填方或放坡同時出現的情況往往比較少，或者小范圍局部出現，在泥深較淺、坡度較大的湖區，也可在研究清淤范圍階段就將其排除。以巢湖試點清淤區為例，由于湖區地形起伏小，清淤方案不含放坡及低洼區，清淤斷面也較為規整，其552 hm2湖區工程量計算結果為158.80×104m3，與斷面法結果158.93×104m3相差僅為0.08%。

2.3 結果與討論

以上的清淤工程在方案研究階段通過斷面法設計時不能充分考慮地形的三維變化，如主河槽處于兩斷面之間，若按照臨近斷面設計的高程施工，河槽處將有大量的填方出現，會對工程量的計算和設計的合理性造成很大影響，這是在斷面圖上很難發現的，這是因為勘測階段并沒有從全局考慮斷面的間隔、方向、相位等參數，相鄰斷面形成后無法在平面空間上建立聯系。第二，一般斷面的布置方向基本垂直于河道中心線，在河道轉彎處存在不平行的斷面，因而斷面范圍呈現扇形狀，此時斷面凸岸端較窄凹岸端較寬，因此使用斷面法計算斷面中心線的平均深度忽略了不同位置的分配權重。第三，湖區普遍存在具有點狀輻射特點的島或坑，如正好在斷面上也只能呈現出島或坑的某一個截面，并不能很好的代表整體分布。

因此，在工程量計算方法選擇上，使用ArcGIS系統在大面積的平坦湖區可以更加簡便，不需要人工計算且不易出錯，而在地形復雜的河道需要額外一些步驟及分析，但準確性比斷面法高。

3 結論

ArcGIS在生態清淤設計中的應用具有如下優點：(1)利用全湖區水下地形數據，建立完整的三維數字高程模型，相比利用某一個斷面平均清淤厚度代表相對應分條更為準確，特別是在應對水下地形起伏較多及出現島、坑、槽的情況；(2)河道轉彎處存在相鄰斷面不平行的情況，在這種情況下計算考慮了扇形區不同位置的權重，結果也更為準確。(3)結果更為直觀，實現了清淤厚度可視化效果，利于發現高程設計不合理的斷面，便于設計參數的調整和優化。(4)自動化程度高，不需要手動計算每個斷面的面積，可實時快速計算整個范圍內的工程量，不易出錯，方便修改及實時更新。ArcGIS除了在工程量計算的優勢以外，在分析和規劃方面也有很多長處，下一步應研究在方案設計階段的應用，使斷面設計的布置方式及結果更為合理。