基于GIS技術(shù)的工程土方計算方法優(yōu)化研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.014

摘" 要：在水利工程前期規(guī)劃與設(shè)計中，土方量的計算方法不僅影響到方案布置，而且其計算結(jié)果還會直接影響到工程成本預(yù)算與項目組織問題?；贕IS技術(shù)計算工程土方量的方法是利用DEM提供的高程信息，結(jié)合ArcGIS平臺的分析工具實(shí)現(xiàn)土方量快速、高效的計算，尤其是對于數(shù)據(jù)量大的計算尤為明顯。針對傳統(tǒng)DEM法計算工程土方量過程中存在重復(fù)作業(yè)、自動化程度低等問題，該文在DEM法基礎(chǔ)上，在ArcGIS平臺中基于Python語言結(jié)合特定的ArcPy函數(shù)編寫一種工作流模式的應(yīng)用工具，實(shí)現(xiàn)工程土方量計算的自動化處理。通過優(yōu)化后的計算方法對洪澤湖（泗洪縣）退圩環(huán)湖工程中清退圩埂的土方量進(jìn)行計算和分析，并得到可靠的計算結(jié)果，為水利工程提供一種全新的土方算量解決方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型；土方量計算；ArcPy；自動化；DEM法

中圖分類號：P208" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0054-04

Abstract： In the early planning and design of water conservancy project， the calculation method of earthwork not only affects the scheme layout， but also directly affects the project cost budget and project organization. The method of calculating engineering earthwork based on GIS technology is to use the elevation information provided by DEM， combined with the analysis tools of ArcGIS platform to achieve fast and efficient earthwork calculation， especially for the calculation of large amount of data. In order to solve the problems of repeated work and low automation in the process of calculating engineering earthwork by traditional DEM method， on the basis of DEM method， this paper compiles an application tool of workflow pattern based on Python language and specific ArcPy function in ArcGIS platform to realize the automatic processing of engineering earthwork calculation. Through the optimized calculation method， the earthwork volume of the retreating polder ridge in the project around Hongze Lake （Sihong County） is calculated and analyzed， and reliable calculation results are obtained， which provides a new earthwork calculation solution for water conservancy projects.

Keywords： digital elevation model; earthwork calculation; ArcPy; automation; DEM method

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是對地表形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，蘊(yùn)含了豐富的地學(xué)應(yīng)用分析所必需的地形地貌信息[1]。隨著GIS逐漸成為地理學(xué)研究的第三代語言，DEM也逐步替代等高線成為地形描述與分析的主要信息載體[2]。基于DEM數(shù)據(jù)與GIS技術(shù)相結(jié)合的理論、方法與應(yīng)用，是地理學(xué)、土木工程、地質(zhì)災(zāi)害分析等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。土方量計算是工程勘測設(shè)計的重要內(nèi)容之一，準(zhǔn)確快速地計算土方量對詳細(xì)設(shè)計、工程量估算、資金分配等具有重要意義。近年來，DEM被越來越多地應(yīng)用在土方量計算中[3-4]，羅德仁等[5]、徐志敏等[6]的研究表明DEM法計算土方量精度較高、適用場景多，具有較高可行性。

洪澤湖是淮河流域最大的淺水型湖泊，地處蘇北平原中部偏西，位于淮河中下游結(jié)合部。近年來，大面積的圍墾使得湖泊的調(diào)蓄、行洪、生態(tài)和供水等功能受到了影響，制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。為落實(shí)《江蘇省洪澤湖保護(hù)規(guī)劃》要求，提高洪澤湖防洪排澇能力，改善湖泊的水環(huán)境，解決歷史遺留問題，推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會和諧發(fā)展，開展洪澤湖退圩還湖工程。本文擬綜合運(yùn)用DEM數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)，及工程規(guī)劃和設(shè)計的理論，在ArcGIS軟件平臺上結(jié)合特定的ArcPy函數(shù)編寫的土方計算工具，最后以洪澤湖（泗洪縣）退圩還湖工程為例，進(jìn)行自動化測算該工程中蓄水范圍線內(nèi)圩埂的土方量，為該工程規(guī)劃設(shè)計方案選優(yōu)、工程費(fèi)用概算與施工組織提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1" DEM法

1.1" DEM法的原理

除傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法、斷面法外，DEM法是當(dāng)前最常見的土方量計算方法。DEM的建立主要基于不規(guī)則分布采樣點(diǎn)、規(guī)則格網(wǎng)分布采樣點(diǎn)和等高線分布采樣點(diǎn)。本文DEM的建立是嘗試在不規(guī)則分布采樣點(diǎn)基礎(chǔ)上加入具有高程屬性的線狀要素作為不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型的特征約束條件，然后在TIN上進(jìn)行格網(wǎng)點(diǎn)的高程內(nèi)插形成柵格數(shù)據(jù)?；贒EM土方量計算的原理實(shí)質(zhì)上是計算現(xiàn)狀地表面與規(guī)劃設(shè)計地表面體積之差，負(fù)值在工程中為挖方量，反之正值稱為填方量。

1.2" DEM法的具體步驟

DEM法常利用研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字線畫圖（DLG）成果提取高程要素，包括高程點(diǎn)、等高線和具有高程屬性的其他線狀要素。在ArcGIS軟件平臺中對高程要素進(jìn)行矢量化處理，為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，套合DOM及外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)等成果再對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行高程異常值的檢查。使用ArcGIS的3D Analyst對研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合生成TIN模型，在此基礎(chǔ)上，通過線性內(nèi)插獲取DEM。對需要進(jìn)行范圍約束的柵格數(shù)據(jù)需要進(jìn)行裁剪。通過Spatial-Analyst模塊的疊加分析和統(tǒng)計分析等功能對現(xiàn)狀DEM和設(shè)計DEM進(jìn)行分析和統(tǒng)計得到該區(qū)域的填挖方成果，本文總結(jié)的DEM法操作流程如圖1所示。

2" 自動化土方量計算的實(shí)現(xiàn)

2.1" 研究思路和研究方法

常規(guī)的基于DEM模型在ArcGIS平臺上進(jìn)行土方量計算有創(chuàng)建模型簡單、可視化程度高等優(yōu)勢。但水利工程開展規(guī)劃和設(shè)計過程中有著方案反復(fù)調(diào)整的特點(diǎn)，其中作業(yè)范圍、設(shè)計高程的調(diào)整更是需要重新計算相應(yīng)的土方量，生產(chǎn)實(shí)際過程中存在重復(fù)作業(yè)的問題。此外，當(dāng)作業(yè)范圍內(nèi)分區(qū)較多時，人工方式作業(yè)效率較低、自動化程度不高。本文針對常規(guī)DEM法計算的這些不足，利用ArcGIS中的Arcpy站點(diǎn)包進(jìn)行土方量自動計算工具編寫，較大程度上避免了重復(fù)作業(yè)，減輕工作強(qiáng)度的同時也提高了作業(yè)效率和成果質(zhì)量。

站點(diǎn)包ArcPy是ArcGIS10.0之后版本推出的一個針對所有許可均可使用的python腳本模塊，這個站點(diǎn)包把ArcGIS中所有功能都封裝成一個個類庫，只要在Python的編輯器中導(dǎo)入Arcpy站點(diǎn)包，使用者就可以調(diào)用里面的類庫從而實(shí)現(xiàn)其需要的功能，并根據(jù)自己需要開發(fā)相應(yīng)的工具[7]。文中所涉及工具大部分以ArcGIS中自帶分析工具為主，容易實(shí)現(xiàn)，可以為其他單位提供參考。

2.2" 土方量自動計算的實(shí)現(xiàn)

本研究以ArcGIS為平臺，首先將計算區(qū)范圍、現(xiàn)狀DEM數(shù)據(jù)、約束范圍數(shù)據(jù)（可選）預(yù)處理完畢，其中計算區(qū)范圍矢量數(shù)據(jù)中需要新建屬性字段，將工程方案提供的設(shè)計高程值根據(jù)分區(qū)名稱批量賦值到該字段中，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)計高程值自動創(chuàng)建設(shè)計DEM。在土方量自動計算工具中只需要輸入分區(qū)范圍矢量數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀DEM數(shù)據(jù)和約束范圍數(shù)據(jù)（可選），最后設(shè)置好成果輸出路徑并輸出處理成果。最終成果為Excel格式的工程各分區(qū)土方量統(tǒng)計表，過程數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在設(shè)定好的臨時文件夾中。土方自動計算工具技術(shù)路線圖如圖2所示。土方量自動計算工具在洪澤湖（淮陰區(qū)）退圩還湖工程先導(dǎo)段中的應(yīng)用驗(yàn)證了方法的可靠性，有較好的實(shí)際應(yīng)用價值。

3" 實(shí)例分析

洪澤湖（泗洪縣）退圩還湖工程規(guī)劃主要對洪澤湖蓄水范圍內(nèi)的違章堤圩和埂圍的圩埂土方進(jìn)行清退，本次擬清退分區(qū)54個，主要涉及泗洪縣臨淮鎮(zhèn)、半城鎮(zhèn)、龍集鎮(zhèn)和界集鎮(zhèn)，面積約為125.5 km2。筆者參與了該工程土方量計算工作，考慮到開挖范圍內(nèi)高程不一，靠近岸邊高程相對較高，遠(yuǎn)離岸邊相對較低，清退區(qū)底高程變化一般在11.5～12.5 m。根據(jù)泗洪縣洪澤湖地形、防洪、供水及水生態(tài)恢復(fù)需要，圩埂清退標(biāo)準(zhǔn)原則上清退至現(xiàn)狀湖底高程。

清退范圍內(nèi)養(yǎng)殖魚塘密布，圩埂縱橫交錯，根據(jù)給定的設(shè)計高程值，采用了基于DEM的土方量自動計算工具進(jìn)行土方量計算。

3.1" 數(shù)據(jù)預(yù)處理

建立DEM的第一步是獲取地形數(shù)據(jù)，本文采用的DEM地形數(shù)據(jù)主要來源于2019年研究區(qū)1∶1 000比例尺地形圖。對地形圖進(jìn)行高程要素提取，獲取特征點(diǎn)線并進(jìn)行矢量化。利用AcrGIS軟件的 3DAnalyst模塊根據(jù)現(xiàn)狀圖中矢量數(shù)據(jù)生成研究區(qū)域現(xiàn)狀TIN，線性內(nèi)插獲取現(xiàn)狀DEM。由于該工程規(guī)劃未涉及到養(yǎng)殖魚塘等水體部分的清退，因此需要對計算范圍進(jìn)行去除水體部分的處理，即創(chuàng)建圩埂矢量數(shù)據(jù)作為約束范圍用于DEM的裁切。

3.2" 工程填挖方計算

在土方量自動計算工具中，首先輸入研究區(qū)各分區(qū)范圍（含有各分區(qū)設(shè)計高程屬性字段），再輸入前期構(gòu)建好的現(xiàn)狀DEM，由于本次清退主體是圩埂，因此在圩埂范圍中輸入繪制好的圩埂矢量數(shù)據(jù)（可選項）用于裁剪，最后設(shè)置好過程數(shù)據(jù)存放路徑和統(tǒng)計數(shù)據(jù)表存放路徑點(diǎn)擊運(yùn)行完成，計算工具操作界面如圖3所示。

3.3" 數(shù)據(jù)成果與分析

土方量自動計算工具在內(nèi)部對疊加分析得到的填挖方柵格數(shù)據(jù)面積屬性字段數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計。由于項目要求只需要計算挖方量，因此只需要選擇凈損失區(qū)域的土方量即可，工具對自動選擇土方量數(shù)值大于0的求和，最終成果見表1，表中包含序號、分區(qū)名稱、設(shè)計標(biāo)高以及土方量數(shù)據(jù)成果。

由表1可知，項目區(qū)總的挖方量為2 530.2萬m3，其中分區(qū)LH2、BC1、BC2、BC4、CW1、LJ2、LJ4、379BC3、25CT7挖方量較大，超過100萬m3，清退重點(diǎn)主要集中在臨淮鎮(zhèn)和半城鎮(zhèn)范圍內(nèi)。

4" 結(jié)束語

基于GIS技術(shù)的工程土方計算方法是以DEM法為基礎(chǔ)，較之傳統(tǒng)的土方量計算法有更真實(shí)反映現(xiàn)場地形地貌、計算簡單快速、數(shù)據(jù)成果可視化的優(yōu)勢?；贕IS技術(shù)的工程土方計算方法優(yōu)化是在工程規(guī)劃設(shè)計方案反復(fù)調(diào)整需要重復(fù)計算、人工作業(yè)效率不高的背景下，較之常規(guī)的DEM法有自動化程度高、操作簡單等優(yōu)勢。土方量自動計算工具以現(xiàn)狀DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過一系列處理，再對每一個區(qū)域土方量進(jìn)行統(tǒng)計，最后統(tǒng)計分析出整個工程的土方量。在應(yīng)對工程規(guī)劃范圍調(diào)整、設(shè)計高程調(diào)整時更加靈活、高效，土方量成果為退圩還湖工程制定合法、合規(guī)、合理的補(bǔ)償、補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)和安置方式提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯國安，李發(fā)源，劉學(xué)軍.數(shù)字高程模型教程[M].3版.北京：科學(xué)出版社，2016.

[2] 湯國安.我國數(shù)字高程模型與數(shù)字地形分析研究進(jìn)展[J].地理學(xué)報，2014（9）：1305-1325.

[3] 劉錦霞，張超，邵林，等.Civil 3D在退圩還湖設(shè)計項目中的應(yīng)用[J].江蘇水利，2019（5）：12-15.

[4] 廖偉華，徐彬.基于空間內(nèi)插的場地平整土方工程量計算方法研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（4）：14-17.

[5] 羅德仁，鄒自力，湯江龍.工程土方量計算比較分析[J].東華理工學(xué)院學(xué)報，2005（1）：59-64.

[6] 徐志敏，林志勇，李雯靜，等.基于填挖方分析的DEM精度評價模型[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2017（8）：1167-1171.

[7] 余詠勝，彭艷麗，尹言軍，等.基于Arcpy的影像地圖自動處理技術(shù)研究[J].測繪通報，2015（3）：82-85.

第一作者簡介：鄭亞運(yùn)（1990-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)樗こ虦y量、水利信息化。