任燚 姚曉偉 房新玉

摘 要：土方計(jì)算在建設(shè)工程的土方工程中有著重要的意義和作用，是工程費(fèi)用計(jì)算和工程施工方案優(yōu)選的重要參考因素，直接關(guān)系到工程造價(jià)，如何更加客觀、準(zhǔn)確地計(jì)算土方量，減少或避免土方工程的爭(zhēng)議，值得我們進(jìn)行認(rèn)真的探討。在地形復(fù)雜區(qū)域時(shí)，利用傳統(tǒng)的DTM方法需要手動(dòng)勾繪每一個(gè)三角網(wǎng)，過程計(jì)算繁瑣，而且容易出錯(cuò)；而利用ARCGIS中的TIN模塊構(gòu)建DEM不僅能夠進(jìn)行直觀顯示，而且具有計(jì)算速度快，計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)。該文介紹了ARCGIS土方計(jì)算的原理，通過工程實(shí)例主要介紹利用ARCGIS中TIN進(jìn)行土方計(jì)算的流程及注意事項(xiàng)，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：DEM TIN ARCGIS 土方量

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0030-03

土方計(jì)算在建設(shè)工程的土方工程中有著重要的意義和作用，土方量的大小與工程項(xiàng)目的投資直接相關(guān)，傳統(tǒng)土方量計(jì)算方法包括斷面法、方格網(wǎng)法、DTM法。斷面法主要應(yīng)用于道路、圍埝等具有規(guī)則斷面的地形和區(qū)域；方格網(wǎng)法主要應(yīng)用于平坦地區(qū)和地形高差變化不大的地區(qū)；DTM法適用于各種地形，但要求特征點(diǎn)一定要采集到位，并且在地形復(fù)雜的區(qū)域，需要加密測(cè)量，并且計(jì)算時(shí)需要人工較大的干預(yù)，工作量比較大。數(shù)字地面模型（DEM）是地形表面的一個(gè)數(shù)學(xué)（或數(shù)字）模型，數(shù)字高程模型（DEM）是數(shù)字地面模型（DTM）的一種，它表示地面上的高程信息，其方式主要有規(guī)則格網(wǎng)（GRID）法和不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）法。規(guī)則格網(wǎng)法是根據(jù)給定的縱（橫）方向和間距對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行劃分，利用已知離散高程點(diǎn)內(nèi)插出網(wǎng)格點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，形成一組規(guī)則的矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)，用四棱柱的方法計(jì)算土方量。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是數(shù)字高程模型DEM的表現(xiàn)形式之一，TIN法是直接利用實(shí)測(cè)地形碎部點(diǎn)、特征點(diǎn)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)，對(duì)計(jì)算區(qū)域按三棱柱法計(jì)算土方。隨著GIS的迅速發(fā)展，GIS技術(shù)在土方工程量計(jì)算方面得到了廣泛應(yīng)用。TIN是GIS中常用的數(shù)學(xué)模型，它能夠真實(shí)的逼近實(shí)際地形，反映現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌，計(jì)算精度較高。本文探討了基于ARCGIS的土方工程量計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于天津地區(qū)的一個(gè)工程項(xiàng)目中，取得了較好的效果。

1 技術(shù)流程

1.1 TIN計(jì)算的原理

基于TIN的土方計(jì)算一般采用三棱柱法，如圖1，圖2所示，首先由三角形頂點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出三角形的面積S，每個(gè)三角形以三個(gè)頂點(diǎn)的高程平均值作為這個(gè)三角形的高程值。

H = （h1+h2+h3）/3 （1）

式中H為三角形的高程值，h（i=1，2，3）為三角形三個(gè)頂點(diǎn)的高程值。則該區(qū)域的填挖方為

V=（H-h0）×S （2）

式中V為三角形的填挖方，V為正值時(shí)表示開挖，為負(fù)值時(shí)表示回填。如果既有開挖又有回填區(qū)域，如圖3所示，則三角柱由交面截成一個(gè)椎體和一個(gè)楔體，椎體部分為回填，楔體部分為開挖，需要分別計(jì)算其開挖量和回填量。在統(tǒng)計(jì)每個(gè)三角形對(duì)應(yīng)的體積后，統(tǒng)計(jì)工作區(qū)的總挖填方量，完成土方量計(jì)算。

1.2 利用ARCGIS計(jì)算土方流程

數(shù)據(jù)采集—— 數(shù)據(jù)編輯—— SHP文件的生成—— 對(duì)邊界線進(jìn)行賦值—— 生成TIN文件——工程量計(jì)算。

2 實(shí)例分析

該文以天津港區(qū)某一工程項(xiàng)目的土方工程量為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，該工程區(qū)域?yàn)橐籐型的帶狀區(qū)域，整體形狀呈臺(tái)階型，并且部分區(qū)域由堆土，整體比較復(fù)雜。用ARCGIS進(jìn)行土方工程量計(jì)算，并與南方CASS計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析。取得了較好的效果。南方CASS計(jì)算時(shí)，每個(gè)三角網(wǎng)均手動(dòng)勾繪，并由兩人分別進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為是真值。

2.1 數(shù)據(jù)采集

利用Trimble R8 GPS-RTK（動(dòng)態(tài)定位精度為±10mm+1ppm（水平）/±20mm+1ppm（垂直））測(cè)定了施工區(qū)域523個(gè)地面特征點(diǎn)，并在地面起伏出適當(dāng)增加采樣點(diǎn)密度，并將所有采樣點(diǎn)輸入計(jì)算集中，利用CASS繪制地形圖，并利用CASS的DTM土方計(jì)算工程計(jì)算目標(biāo)高程的工程量，以進(jìn)行比較分析適用。

2.2 數(shù)據(jù)編輯

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備包括原始數(shù)據(jù)、特征線圖的準(zhǔn)備和計(jì)算范圍面域的準(zhǔn)備。

（1）利用CASS軟件將圖中的數(shù)據(jù)生成DAT文件，并在文件中添加表頭“ID，CODE，Y，X， H”，分別代表編號(hào)，代碼，東坐標(biāo)，北坐標(biāo)，高程，并將后綴修改為TXT。（2）將CAD中的坡頂線，坡底線，垅線屬性更改為多線段，并用explode命令將多線段分解（該步驟是為了以后給線段賦值），并單獨(dú)儲(chǔ)存為“線文件.DWG”。（3）利用pline命令在CAD中繪制計(jì)算面域，并閉合，儲(chǔ)存為“面文件.DWG”。

2.3 SHP文件的生成

（1）POINT.SHP文件生成，打開ARCMAP，選擇“ADD XY DATA”命令，出現(xiàn)以下界面，如圖4，在界面中數(shù)據(jù)選擇DATA.TXT，X Field選擇“Y”，Y Field選擇“X”，Z Field選擇“H”，忽略警告，生成“data.txt events”，如圖5。

右鍵“data.txt Events”，選擇 “ Data——>Export Data”，如圖6。

出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的對(duì)話框，見圖7，在對(duì)話框中，將文件名修改為POINT.SHP，然后點(diǎn)擊確定，并將生成的POINT.SHP添加進(jìn)ARCMAP。并在ARCMAP中刪除“data.txt events”。

（2）POLYLINE.SHP文件的生成，打開ArcCatalog，找到“線數(shù)據(jù).dwg”，在“polyline”上右鍵“Export->To Shapefile（single）”，見圖8。

彈出對(duì)話框9，如圖9設(shè)置好位置和名稱，點(diǎn)擊OK即可。

（3）POLYGON.SHP文件的生成，POLYGON.SHP文件生成過程和“POLYLINE.SHP”，一樣，只是在 “POLYGON”上點(diǎn)擊右鍵。經(jīng)過以上步驟，我們將SHP文件準(zhǔn)備完成。關(guān)閉ArcCatalog。

2.4 將點(diǎn)高程屬性附著在線上

在ARCMAP中點(diǎn)擊“Add Data”按鈕，如圖10，將“POLYLINE.SHP”和“POLYGON.SHP”添加進(jìn)ARCMAP中，

打開“ArcToolBox”，首先在EDIT命令中Start Editing，然后在命令A(yù)nalysis Tool中找到“buffer”命令，在“Input Features”選擇“POLYLINE”，”Linear unit”設(shè)置為0.1，點(diǎn)擊確定（圖11）。

然后在Analysis Tool中找到“identify”命令，在“Input Features”選擇“POINT”， “Identify Feature”中選擇剛才生成的“Buffer”文件，如圖12所示。

在Analysis Tool中找到“SpatialJoin”命令，如圖13，在“Target Features”選擇生成的“buffer”文件，在“Join Features”選擇”“POINT”，確定即可。

2.5 生成TIN文件

在EDIT命令中“Stop Editing”，并“Save Editing”。在“3D Analyst”找到“Create TIN From Features”命令，分別選擇 “POINT”，“POINTLINE_Spatial”， “POLYGON”（圖14）。

注意：選擇“POINT”時(shí)，“Tag value filed”選擇“H”；選擇 “POINTLINE_Spatial”時(shí)，“Height source”選擇“H”，“Tag value filed”選擇“NONE”；選擇“POLYGON”時(shí)，“Height source”選擇“NONE”，“Tag value filed”選擇“NONE”。則生成TIN文件，如圖15。

2.6 工程量計(jì)算

在“3D Analyst”中找到“Area and volume statistics”命令，設(shè)置“Height of plane”中高程為5 m，點(diǎn)擊“Calculate statistics”（圖16），則可計(jì)算出5 m以上的工程量。經(jīng)檢核，該工程量與CASS計(jì)算的結(jié)果一致，誤差為0.7%。

3 結(jié)論

TIN可表達(dá)任意形狀的復(fù)雜地形，通過對(duì)TIN直接計(jì)算可提高土方量計(jì)算精度，克服傳統(tǒng)土方計(jì)算方法精度不高的缺點(diǎn)。該文分析了TIN計(jì)算土方量的原理，利用ARCGIS進(jìn)行了土方量計(jì)算，進(jìn)行了比較分析，從分析結(jié)果看，計(jì)算精度較高，并且實(shí)現(xiàn)了計(jì)算過程的可視化。

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