基于ArcGIS 的航道疏浚量可視化計算

屈婷，沈繼青

（長江航道測量中心，湖北 武漢 430010）

在“共抓大保護，不搞大開發”的綠色發展理念，大型挖泥船型號和數量迅速發展下，疏浚在航道工程中的地位越來越重要。而作為采用機具和人工進行水下挖掘的土石方工程，疏浚在設計、施工、竣工各階段，都需要對疏浚量進行計算，包括設計工程量、超挖工程量、掃淺工程量、回淤工程量等的計算，因此研究探討更為直觀、高效的疏浚量計算方法具有重要意義。

地理信息系統通用軟件ArcGIS 具備強大的3D 建模、編輯、分析和可視化能力，在疏浚工程中擁有廣泛的應用潛力。

1 疏浚量計算原理及方法

疏浚量是同一區域疏浚前后泥土的體積變化量，常用的計算方法有：等高線法、斷面法、格網法以及基于數字高程模型（DEM）法。

等高線法利用繪有等高線的地形圖，計算相鄰等高線所圍面積的平均值乘以高差來計算土方量；斷面法通過布設斷面，計算相鄰兩斷面平均截面積后乘以斷面間距來計算土方量；方格網法將場地劃分為若干方格，計算角點平均高程之差后乘以方格面積來計算土方量。以上方法均基于矢量數據，操作復雜，較依賴技術人員的經驗水平，精度不穩定。

數字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）是用數字形式（地面平面位置以X,Y、高程以Z 的坐標值）表達的地形表面形態。基于DEM 法直接利用點數據建立DEM，再將開挖前、后兩個DEM 求差，來計算體積變化即疏浚量。該方法基于柵格數據，可對連續表面進行自動的空間和統計分析，具有模型逼真、操作簡單、精確度高等特點，且數據點越密、模擬精度越高，計算結果越準確。

ArcGIS 是當前GIS 行業中體系完整、用戶最廣的一款地理信息系統軟件，生產的DEM 產品精度符合國家標準規定的精度要求，利用該軟件的數據管理、空間分析和3D 分析等模塊，能高效率、高精度的實現疏浚量可視化計算。

2 基于ArcGIS 的疏浚量可視化計算

基于ArcGIS 疏浚量可視化計算即在ArcGIS 平臺中根據實測地面點（碎部點、特征點）或設計數據，模擬實測地表或者設計地表，再分析實測地表之間或者實測地表與設計地表的差來計算體積變化的方法。

2.1 實測數據預處理

利用Excel，按照ArcMap 數據管理模塊中創建XY事件圖層的要求，對點坐標文本文件進行預處理：

（1）將文本文件格式統一為三列，順序為yxz。

（2）分別以y，x，z 作為主要關鍵列進行排序，剔除異常值。

（3）在頂部插入標識y，x，z，保存為TXT 文件，列之間使用逗號隔開。

2.2 構建實測地表

在ArcMap 中利用實測地面點坐標數據（X,Y,Z）創建不規則三角網（Triangulated Irregular Network,TIN），再將其轉化為柵格數字高程模型，來模擬實測地表：

（1）使用數據管理模塊正確賦予空間參考、創建XY 圖層，投影到指定坐標系，獲得點shp 文件。

（2）使用3D 分析模塊將點要素轉為柵格數字高程模型即利用點shp 文件創建tin，再將tin 轉為tingrid文件；或者使用空間分析模塊直接將點shp 文件插值為tingrid 文件，見圖1。

圖1 實測表面

2.3 構建設計表面

疏浚工程設計中，為了維持挖槽兩側的穩定，需根據沉積物的土力學性質和水動力條件確定一定的邊坡坡度，即挖槽坡度。根據挖泥船的類型確定超寬和超深。因此在設計階段估算工程量需在ArcMap 中構建斷面為倒梯形的設計表面，步驟如下：

（1）根據底寬、底標高在ArcMap 中使用數據管理模塊創建帶有高程屬性的底邊線要素；再根據邊坡比、超深超寬、挖深等重要參數計算平移距離、高程屬性，使用ArcMap 編輯器的平行復制功能添加邊坡線要素，并賦予高程屬性，獲得線shp 文件，見圖2。

圖2 設計線要素

（2）使用ArcMap 的3D 分析模塊將線要素轉為柵格數字高程模型即利用線shp 文件創建tin，再將tin 轉為tingrid 文件，見圖3。

圖3 設計表面

2.4 計算疏浚量

在ArcMap 中計算實測地表之間或者實測地表與設計地表的差，來計算或者預測工程量。

（1）使用3D 分析模塊的柵格減法計算工具或者空間分析模塊的柵格計算器對開挖前、后兩個數字高程模型進行減法運算，獲得工程tingrid 文件。

（2）使用數據管理模塊創建裁剪范圍面要素，對數字高程模型進行幾何裁剪，即利用面shp 文件幾何裁剪tingrid 文件，獲得工程指定范圍內的tingrid 文件。

（3）使用3D 分析模塊的表面體積工具來統計工程指定范圍內數字高程模型的某高程以上或者以下體積，獲取疏浚量。

2.5 制作專題圖

（1）在ArcMap 中依次添加各圖層數據，編輯柵格文件的符號系統屬性進行分類填色，再切換到布局視圖插入標題、圖廓、圖例等內容，整飾導出，獲得各類專題圖，如圖4。

圖4 疏浚（試驗數據）示意圖

（2）在ArcScene 中依次添加各圖層數據，編輯柵格文件的符號系統屬性進行分類填色，編輯柵格文件的高度屬性進行疊加對應的tin 文件、自定義高程夸大系數等操作，獲得各種三維示意圖，如圖5。

圖5 三維示意圖

3 總結

本文介紹了基于ArcGIS 平臺航道疏浚量可視化計算的一種方法，這種方法經過實踐證明，由于關鍵數據均為實測和設計數據，無需進行斷面布設或者方格劃分等主觀性較強的分區操作，僅進行了基于柵格數據的整體運算，因而能較大提高計算效率，最大程度地確保疏浚量計算精度的穩定性，且簡單易行、可視化程度高，可為相關生產部門提供一定的制作參考。