基于ArcGIS的航道疏浚方量計算及可視化研究

王亞章 于海波

摘 要：多波束測深系統(tǒng)是一種高效率、高分辨率的水下地形測量設備，能夠?qū)y區(qū)進行全方位的掃測。人們可以使用多波束測深系統(tǒng)對指定水域進行水下地形測量，獲得較為詳細的水深數(shù)據(jù)，然后通過對水深數(shù)據(jù)進行分析，研究和了解水下地質(zhì)地貌等特征，最終將其應用于工程實踐。基于ArcGIS平臺，本文應用航道疏浚項目的基礎數(shù)據(jù)，通過不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）建立研究區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM），探討ArcGIS在疏浚方量計算中的應用，并對研究區(qū)的挖填量進行計算。結(jié)果表明，應用ArcGIS計算疏浚方量的原理簡單，速度快，其能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化，具有可行性。

關鍵詞：ArcGIS;疏浚方量計算;TIN;DEM

中圖分類號：P208;TU751文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0025-03

Research on Calculation and Visualization of Channel

Dredging Volume Based on ArcGIS

WANG Yazhang YU Haibo

（Ningbo Shanghang Surveying and Mapping Co.， Ltd.，Ningbo Zhejiang 315200）

Abstract： The multi-beam sounding system is a high-efficiency， high-resolution underwater topographic measurement equipment that can perform a full range of surveying areas. People can use the multi-beam sounding system to perform underwater topographic surveys on designated waters to obtain more detailed water depth data， and then analyze the water depth data to study and understand the characteristics of underwater geology and landforms， and finally apply it to engineering practice.Based on the ArcGIS platform， this paper used the basic data of the channel dredging project， established the digital elevation model （DEM） of the research area through the irregular triangulated network （TIN）， discussed the application of ArcGIS in the calculation of the dredging volume， and calculated the amount of excavation and filling in the study area. The results show that the principle of using ArcGIS to calculate dredging volume is simple and fast， which can realize three-dimensional visualization and is feasible.

Keywords： ArcGIS;dredging volume calculation;TIN;DEM

近年來，隨著信息技術的飛速發(fā)展，測量技術也不斷進步，為諸多行業(yè)提供基礎服務。ArcGIS軟件憑借其強大的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理功能和空間分析功能，在航道疏浚方量計算方面得到廣泛的應用。其利用空間統(tǒng)計分析方法，由外業(yè)實測高程點三維建模插值生成擬合地表表面數(shù)據(jù)，進而計算航道疏浚方量，在一定程度上提高了疏浚方量計算精度和效率[1]。

為了提高方量計算精度，許多學者和工程人員在工程應用中持續(xù)研究多種方量計算方法并開發(fā)了多種方量計算軟件，比如，目前，AutoCAD和Hypack等商業(yè)軟件都有一系列成熟的計算方法。常用的方量計算方法有斷面法、方格網(wǎng)法、散點法和表格法，但是這些計算方法工作量大，一般一次只能計算兩期數(shù)據(jù)之間的方量，數(shù)據(jù)保存分散，也不能有效利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源。不同的計算方法存在計算結(jié)果精度低、結(jié)果相差懸殊及可視化效果差等問題。

1 計算原理

疏浚方量計算的目標在于準確計算出航道疏浚后的疏浚方量或者航道疏浚前設計規(guī)劃函告疏浚量，為航道開發(fā)或運營提供準確的基礎數(shù)據(jù)。疏浚方量計算關鍵在于對現(xiàn)狀地形和疏浚后地形的表述。數(shù)字高程模型（DEM）是數(shù)字地面模型（DTM）的一種，它是以數(shù)字的形式按一定的結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實際地形高低起伏和地形大小特征的空間分布模型。

ArcGIS計算疏浚方量就是以DEM為基礎，通過開挖前后模型疊加分析計算出填挖邊界，再對每一個區(qū)域通過多次建模求體積差來統(tǒng)計每一個回填和開挖區(qū)域的方量，最后統(tǒng)計分析出整個疏浚工程方量的一種方法。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

本地塊位于浙江省舟山市某航道水域，地處東經(jīng)122°22′10″～122°29′30″、北緯29°41′30″～29°43′52″，航道東西跨度約為16 km，南北跨度約為5 km，航道寬約為500 m，航道疏浚面積約為8.1 km2。

2.2 數(shù)據(jù)的獲取

本研究利用多波束測深系統(tǒng)全覆蓋測量了施工區(qū)域的水深數(shù)據(jù)，并經(jīng)內(nèi)業(yè)處理得到施工區(qū)域范圍的水深點坐標及水深值。疏浚前測量水下高程，最高處高程為-18.8 m，最低處高程為-23.9 m;疏浚后測量水下高程，最高處高程為-19 m，最低處高程為-24.4 m。航道總體地勢表現(xiàn)為航道水槽低、兩邊高，將所有實測的高程點數(shù)據(jù)導入ArcGIS軟件數(shù)據(jù)庫中[2-3]。

2.3 數(shù)據(jù)的處理

2.3.1 疏浚前后TIN的建立。在將水深數(shù)據(jù)導入ArcMap后，人們可以通過Display XY Data將坐標及水深展開。然后，人們可以利用ArcMap軟件中的三維分析模塊，根據(jù)疏浚前后的水深點的高程信息分別建立TIN模型：啟動ArcMap系統(tǒng)中的3D Analyst/Data Management/Create TIN模塊，分別生成疏浚前后的TIN模型，如圖1所示。圖中，高程單位為米（m）。

2.3.2 疏浚前后DEM的建立。在將疏浚前后TIN模型建好后，本研究利用ArcMap系統(tǒng)中的三維分析模塊，根據(jù)疏浚前后水深點的TIN模型建立DEM模型：啟動ArcMap系統(tǒng)中的3D Analyst/Conversion/From TIN/TIN To Rast模塊，分別生成疏浚前后的DEM模型，如圖2所示。圖中，高程單位為米（m）。下面將生成的DEM在ArcScene中展開：在ArcScene系統(tǒng)中，Layer Propertres將Base Heights中Elevation From Feature的系數(shù)適度提高[4-5]，這里將其擴大5倍，如圖3所示。圖中，高程單位為米（m）。

在ArcScene中，加載航道疏浚區(qū)域DEM模型，人們可以直觀地觀察到航道海域水下地形地貌情況，西北-東南航道中線方向存在一條比較明顯的航道溝槽。這為疏浚施工中直觀顯示水底地表的地形地貌提供了一種很好的可視化方法，提高航道疏浚效率。

2.3.3 疏浚量的計算。通過ArcGIS三維分析模塊，本文分別建立航道疏浚前后的DEM模型，利用ArcMap系統(tǒng)的3D Analyst/Syrface Analysis/Cut Fill模塊[6]，將疏浚前DEM模型和疏浚后DEM模型進行疊加，識別出疏浚區(qū)域內(nèi)的填挖分界線。最終將疏浚前水下表面和疏浚后水下表面分割成三個區(qū)域，開挖、回填和不挖不填區(qū)域分別用不同顏色顯示，顯示凈填方、不挖不填、凈挖方的數(shù)據(jù)，填挖方成果圖，如圖4所示[7]。

疏浚填挖方數(shù)據(jù)由其要素屬性表表示，Volume值大于0表示填方，Volume值小于0表示挖方，Volume等于0表示不挖不填。由于獲取的填挖方數(shù)據(jù)由連續(xù)的塊狀圖斑組成，因此首先獲取凈挖方數(shù)據(jù)，然后啟動ArcMap系統(tǒng)的Spatial Analyst Tools/Extraction/Extract by Attributes模塊，提取出Volume值小于0的圖斑區(qū)域，其即為凈挖方數(shù)據(jù)。下面分別對其屬性表中Volume數(shù)據(jù)和Area數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計運算，二者即為挖方體積與挖方區(qū)域面積。

2.4 多波束數(shù)據(jù)插值計算

波束測深數(shù)據(jù)能反映全覆蓋的水下地形，但實際測量中會出現(xiàn)漏測小范圍區(qū)域、內(nèi)業(yè)資料誤刪等情況，致使數(shù)據(jù)完整性下降。傳統(tǒng)多波束采用人工插值或其他插值方法，下面就利用ArcGIS插值數(shù)據(jù)功能來分析多波束數(shù)據(jù)。

ArcGIS插值數(shù)據(jù)在插值后既能輸出二維DEM數(shù)據(jù)，又能利用柵格轉(zhuǎn)點功能提取格網(wǎng)數(shù)據(jù)。具體方法如下：啟動Conversion Tools>From Raster>Raster to Point，將插值后的柵格數(shù)據(jù)導入，即可輸出同柵格網(wǎng)格像元大小正相關的點云數(shù)據(jù)，由于該數(shù)據(jù)點提取方法僅能提取高程數(shù)據(jù)，因此該點云數(shù)據(jù)屬性中沒有坐標數(shù)據(jù)，人們需要添加兩列坐標數(shù)據(jù)菜單，隨后通過幾何工具將坐標數(shù)據(jù)提取出來。該點云數(shù)據(jù)的密度大小取決于插值數(shù)據(jù)的柵格像元大小，該方法可將原始數(shù)據(jù)抽稀或加密，可根據(jù)需求點云數(shù)據(jù)點間距來設置插值像元間距。例如，將原始多波束數(shù)據(jù)（12 m間距的點云數(shù)據(jù)）加密為7 m間距的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，并將加密成果展現(xiàn)在CASS軟件中，如圖5所示。

3 結(jié)語

ArcGIS計算航道疏浚方量是以DEM為基礎，通過模型疊加找出填挖邊界，再對每一個區(qū)域通過多次建模求體積差來統(tǒng)計每一個回填和開挖區(qū)的土方量，最后統(tǒng)計分析出整個疏浚工程土方量的一種方法[8-9]。ArcGIS數(shù)據(jù)庫可以將疏浚期間多期測量基礎數(shù)據(jù)單獨錄入數(shù)據(jù)庫進行獨立保存，可以隨時計算任意兩期數(shù)據(jù)之間的疏浚方量。較之傳統(tǒng)的疏浚方量計算方法，這種方法有明顯的優(yōu)勢，比如，它的計算精度和計算效率大大提高。此外，三角網(wǎng)模型法幾乎適用于任何場地的方量計算，較之斷面法和散點法有更為廣闊的用武之地。三角網(wǎng)模型法依托計算機輔助設計軟件來建立三角網(wǎng)地形模型與統(tǒng)計模型體積，其自動化程度不言而喻。需要指出的是，在利用該方法進行方量計算時，所建立的模型是否足夠真實地反映現(xiàn)場地形是影響成果精度的關鍵因素，尤其是在地形變化比較明顯的區(qū)域，外業(yè)數(shù)據(jù)采集應盡量采用多波束全覆蓋數(shù)據(jù)采集方法，保障數(shù)據(jù)采集密度，提高疏浚方量計算精度。

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