土地開(kāi)發(fā)整理計(jì)算土方量的兩種方式

左玉珍 閏永強(qiáng)

[摘要]土方量計(jì)算是土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目的重要內(nèi)容，現(xiàn)階段應(yīng)用ArcGis的“面體積法”計(jì)算土方量已經(jīng)是成熟的技術(shù)，在將此方法優(yōu)化改造以便于后期應(yīng)用的過(guò)程中，研究出一種“插值法”來(lái)計(jì)算土方量的方式。本文以選定研究區(qū)域?yàn)槔容^兩種方法的計(jì)算過(guò)程，提出兩方法的適用情況，為土地開(kāi)發(fā)整理土方量計(jì)算提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]土方量計(jì)算;TIN;面體積;插值法

[中圖分類號(hào)]P208

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

土地開(kāi)發(fā)整理是在研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，依托自然地勢(shì)，周邊環(huán)境及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件和村民意愿，重新安排田、水、路、林、村等工程，使之改造成為優(yōu)質(zhì)良田，以增加有效耕地面積、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)條件的行為。主要涉及土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路等工程。

在開(kāi)發(fā)整理工作過(guò)程中，土方量計(jì)算方法的優(yōu)劣直接影響工作進(jìn)展?，F(xiàn)階段主要應(yīng)用ArcGis軟件的DEM方法進(jìn)行土方量計(jì)算，其過(guò)程是由高程數(shù)據(jù)生成TIN三角網(wǎng)模型，再由“面體積”工具與規(guī)劃梯田面數(shù)據(jù)疊加，生成填挖方體積，這種方法我們稱為“面體積法”[1]。在土方量生成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel電子制表軟件中進(jìn)行后續(xù)利用，因此產(chǎn)生一種思路，若能將空間計(jì)算轉(zhuǎn)換成純數(shù)值計(jì)算，便能利用Excel的強(qiáng)大數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析能力，于是產(chǎn)生了“插值法”計(jì)算土方量。

本文以“張家口市懷安縣王虎屯鄉(xiāng)涌泉堡村等二個(gè)村土地整治區(qū)”為研究區(qū)域，應(yīng)用“面體積法”和“插值法”兩種方法進(jìn)行土方量計(jì)算，比較兩種方法的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果，提出兩種方法的適用情況。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于懷安縣，懷安縣地處河北省西北部，隸屬于張家口市，涉及王虎屯鄉(xiāng)涌泉堡村、西李家窯村兩村土地。研究區(qū)域地處淺山丘陵區(qū)，地貌類型為U型溝壑;地勢(shì)南高北低，最高點(diǎn)1252m，最低點(diǎn)1162m，高差較大。多雨季節(jié)雨水匯流形成地面徑流，侵蝕原有地表形成溝谷，溝谷底部較寬且平坦。

2 土方量計(jì)算

2. 計(jì)算原理

土方量的計(jì)算就是體積的計(jì)算，無(wú)論地形簡(jiǎn)單或復(fù)雜，總要由面積和高程數(shù)據(jù)才能完成計(jì)算。DEM數(shù)字高程模型，是利用地形高程數(shù)據(jù)描述地形表面的矢量模型，利用ArcGis軟件能夠方便的根據(jù)高程數(shù)據(jù)建立DEM模型[2]。在ArcGis中建立DEM模型，首先根據(jù)高程點(diǎn)生成TIN文件，TIN文件是以三角網(wǎng)模擬地形表面的一種表面模型文件。它可以疊加另一高程數(shù)據(jù)，依據(jù)兩者高差和面積可以進(jìn)行體積計(jì)算。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

研究區(qū)域范圍內(nèi)，在測(cè)量數(shù)據(jù)分析整理的基礎(chǔ)上，首先考慮行政界線、現(xiàn)狀道路、地形有無(wú)較大變化和規(guī)劃道路等因素初步劃分大的地塊，其次在劃分地塊的基礎(chǔ)上依周圍地勢(shì)自高而低、研究區(qū)域形狀和走向繼續(xù)分割梯田塊;然后按研究區(qū)域兩端與現(xiàn)狀高程相銜接的原則設(shè)定兩端的規(guī)劃高程，按相鄰梯田塊設(shè)定2米高差的要求給定所有梯田的規(guī)劃高程，形成梯田面矢量數(shù)據(jù)，以此作為計(jì)算土方量的田塊基礎(chǔ)。

利用ArcGis軟件中3D分析工具箱中的“創(chuàng)建TIN”工具，輸入要素選擇高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，高程字段選擇“Elevation”，可同時(shí)輸入“項(xiàng)目區(qū)面”要素以控制TIN輸出的范圍， “SF TYPE”選擇“Soft_Clip”方式，然后設(shè)定坐標(biāo)系和輸出位置，生成現(xiàn)狀TIN文件。

生成的TIN結(jié)果如圖1所示。

兩種土方量計(jì)算方法一種以ArcCis內(nèi)部分析工具“面體積”計(jì)算，另一種“插值法”，由現(xiàn)狀TIN轉(zhuǎn)柵格、柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)要素，規(guī)劃高程賦予點(diǎn)要素（以點(diǎn)要素承載現(xiàn)狀高程，通過(guò)空間賦值使得每個(gè)點(diǎn)要素得到其所屬梯田塊編號(hào)和規(guī)劃高程），然后點(diǎn)屬性表轉(zhuǎn)出到EXCEL中，用公式進(jìn)行計(jì)算土方量。

2.3 面體積法計(jì)算土方量

2.3.1 計(jì)算現(xiàn)狀高程

現(xiàn)狀高程計(jì)算的思路是先計(jì)算出高于海平面的所有梯田塊的體積，每個(gè)梯田塊體積除以其水平面面積即為其現(xiàn)狀平均高程。

研究區(qū)域范圍內(nèi)，在測(cè)量數(shù)據(jù)分析整理的基礎(chǔ)上，首先考慮行政界線、現(xiàn)狀道路、地形有無(wú)較大變化和規(guī)劃道路等因素初步劃分大的地塊，其次在劃分地塊的基礎(chǔ)上依周圍地勢(shì)自高而低、研究區(qū)域形狀和走向繼續(xù)分割梯田塊;然后按研究區(qū)域兩端與現(xiàn)狀高程相銜接的原則設(shè)定兩端的規(guī)劃高程，按相鄰梯田塊設(shè)定2米高差的要求給定所有梯田的規(guī)劃高程，形成梯田面矢量數(shù)據(jù)，以此作為計(jì)算土方量的田塊基礎(chǔ)。面狀要素采用以上步驟形成的梯田面，建立一個(gè)數(shù)據(jù)字段“水平面”，賦值為0代表海平面。打開(kāi)面體積工具，輸入梯田面（“條田面”）和現(xiàn)狀TIN文件，在高程字段選項(xiàng)中點(diǎn)選“水平面”字段，參考平面選擇“ABOVE”，體積字段設(shè)置為“體積”，按“確定”輸出計(jì)算結(jié)果。打開(kāi)梯田面屬性表，建立“現(xiàn)狀平均高程”字段，字段類型設(shè)置為雙精度型，依據(jù)“現(xiàn)狀平均高程：體積/SHAPE_Area”計(jì)算出現(xiàn)狀平均高程。

2.3.2 根據(jù)規(guī)劃高程計(jì)算填挖方量

同理，應(yīng)用“面積體”工具，輸入梯田面和現(xiàn)狀TIN文件，在高程字段選項(xiàng)中點(diǎn)選“規(guī)劃高程”字段，參考平面選擇 “ABOVE”，體積字段設(shè)置為“挖土方量”，按“確定”計(jì)算挖土方量結(jié)果。再次應(yīng)用“面積體”工具，輸入梯田面和現(xiàn)狀TIN文件，在高程字段選項(xiàng)中點(diǎn)選“規(guī)劃高程”字段，參考平面選擇“BELOW”，體積字段設(shè)置為“填土方量”，按“確定”計(jì)算填土方量結(jié)果。經(jīng)匯總填土方量=546413方，挖土方量=546706方，當(dāng)前設(shè)計(jì)下，研究區(qū)域內(nèi)填挖方量基本平衡。

2.4 插值法計(jì)算土方量

2.4.1 現(xiàn)狀TIN轉(zhuǎn)柵格

根據(jù)生成的現(xiàn)狀TIN文件，應(yīng)用3D分析工具箱中“TIN轉(zhuǎn)柵格”工具，生成現(xiàn)狀柵格。輸入TIN選擇“現(xiàn)狀TIN”，采樣距離設(shè)置為“CELLSIZE”方式，距離設(shè)置為1米，輸出柵格為 “現(xiàn)狀柵格”。

采樣距離代表生成每個(gè)柵格單元的邊長(zhǎng)，若研究區(qū)域面積過(guò)大，可適當(dāng)調(diào)大采樣距離，否則生成的數(shù)據(jù)量會(huì)偏大，使計(jì)算量也會(huì)增大。經(jīng)過(guò)柵格轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于把研究區(qū)域轉(zhuǎn)換為i平方米的柵格格網(wǎng)單元，每個(gè)格網(wǎng)都有其高程數(shù)值。

2.4.2 柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)文件

應(yīng)用ARCCISI具箱“柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)”工具，將現(xiàn)狀柵格轉(zhuǎn)換成點(diǎn)文件，每個(gè)點(diǎn)要素同樣代表1平方米，“Value”字段記錄的就是每個(gè)點(diǎn)要素的高程值。

從最初的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，到TIN矢量三角網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，再轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，由柵格數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成點(diǎn)要素文件，現(xiàn)狀高程數(shù)據(jù)由測(cè)量的離散點(diǎn)變成規(guī)則的格網(wǎng)點(diǎn)，相當(dāng)于完成了高程的插值，因此這種方法可稱為“插值法”。

2.4.3規(guī)劃高程賦予點(diǎn)文件

兩文件賦值可以采用多種方法，當(dāng)前情況可以使用標(biāo)識(shí)分析工具，將梯田面的梯田號(hào)與規(guī)劃高程數(shù)據(jù)賦值到點(diǎn)文件。

這樣每個(gè)點(diǎn)要素既有現(xiàn)狀高程，又有規(guī)劃高程，同時(shí)每個(gè)點(diǎn)要素代表固定的面積，因此每個(gè)點(diǎn)要素上的規(guī)劃土方量是確定的。根據(jù)每個(gè)點(diǎn)要素的所屬梯田號(hào)進(jìn)行匯總分析，就可得到每個(gè)梯田塊的規(guī)劃填挖方量。

2.4.4 點(diǎn)要素屬性轉(zhuǎn)出Excel計(jì)算

復(fù)雜的土方量計(jì)算轉(zhuǎn)換成為每個(gè)點(diǎn)位上的體積計(jì)算，也是從GIS方式i十算轉(zhuǎn)換成純數(shù)值計(jì)算的過(guò)程。這樣只要把每個(gè)點(diǎn)位的現(xiàn)狀和規(guī)劃高程數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)匯總分析了。

將“柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)賦規(guī)劃值”文件的屬性表導(dǎo)出dbft格式，用EXCEL將其打開(kāi)，處理成如圖2所示，B列為現(xiàn)狀高程，D列為規(guī)劃高程，在E1中填入“土方量”，E列用于計(jì)算規(guī)劃高程減現(xiàn)狀高程值，在F列使用“if，公式得到每個(gè)點(diǎn)的填挖屬性，公式為“=if（E：E>0，”填方”，”挖方”）”如果E列的值大于0，則為填方，否則為挖方[3]。

創(chuàng)建數(shù)據(jù)透視表，得到每個(gè)梯田塊的填挖方值。最終整理好的表格當(dāng)前填挖方量均約為54.7萬(wàn)方，能夠?qū)崿F(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)土方平衡。

研究區(qū)域總面積為13.1913公頃，由每平方米動(dòng)土方量：總土方量/研究區(qū)域總面積，計(jì)算得出每平方米動(dòng)土方量約為4.14立方米，說(shuō)明在當(dāng)前設(shè)計(jì)下單位動(dòng)土方量是很大的，這種情況只是純理論計(jì)算，實(shí)際項(xiàng)目過(guò)程中還要對(duì)高程變化大的邊緣地帶設(shè)置不動(dòng)工區(qū)，并且在重新劃定的研究區(qū)域的邊坡上還要設(shè)置削坡，設(shè)置邊緣削坡能極大的減小動(dòng)土方量，并能夠保護(hù)周邊地勢(shì)的穩(wěn)固，本文只從土方量計(jì)算的兩方法進(jìn)行說(shuō)明。

3 對(duì)比分析

這兩種土方量計(jì)算的方法都是以建立DEM模型為基礎(chǔ)，依托于高程點(diǎn)數(shù)據(jù)創(chuàng)建TIN三角網(wǎng)模型文件。由計(jì)算結(jié)果可知，最終的土方量基本相同。

面體積方式是直接在ArcGis內(nèi)部計(jì)算挖填方量，通過(guò)“面體積”工具計(jì)算規(guī)劃梯田面與TIN表面之間的體積，在規(guī)劃高程之上的即為挖方，在規(guī)劃高程之下的即為填方。這種方法比較簡(jiǎn)便迅速，在重新分割田塊重置規(guī)劃高程時(shí)有較大優(yōu)勢(shì)。

插值方式是由TIN轉(zhuǎn)柵格，柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)，賦予點(diǎn)規(guī)劃高程，在Excel中通過(guò)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的填挖方來(lái)實(shí)現(xiàn)總的土方量的計(jì)算。這種方式操作步驟稍多。通過(guò)匯總表格，能夠清晰的知道哪些田塊的土方量過(guò)大，是大在填方還是挖方上，在不改變?cè)O(shè)計(jì)的梯田塊的前提下，只通過(guò)調(diào)整表格內(nèi)規(guī)劃高程數(shù)據(jù)即能實(shí)現(xiàn)土方量的即時(shí)更新，并且數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總極為方便。

同時(shí)，這兩種方式都是在當(dāng)前設(shè)計(jì)形狀下的試算，如果土方量不合要求還必須修改梯田形狀和相應(yīng)的規(guī)劃高程，然后重新依上步驟計(jì)算，直到土方量達(dá)到要求。

4 結(jié)論

對(duì)于土方量的計(jì)算有多種方式，選取合適的方式能夠有效快速的實(shí)現(xiàn)土方量的計(jì)算。本文所述“面體積法”在對(duì)土方量進(jìn)行計(jì)算時(shí)步驟少，對(duì)于規(guī)劃田塊和規(guī)劃高程進(jìn)行修改時(shí)能夠快速實(shí)現(xiàn)土方量計(jì)算。插值點(diǎn)法提出了一種由矢量方式計(jì)算轉(zhuǎn)化成純數(shù)值計(jì)算的思路，利用Excel的強(qiáng)大數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析功能，能夠方便的為文本提供表格等數(shù)據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]柳長(zhǎng)順，齊實(shí)，杜麗娟，土地整理項(xiàng)目土方量計(jì)算方法[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2003（06）.

[2]李志林，朱慶，數(shù)字高程模型.武漢：武漢大學(xué)出版i.2003.

[3]曲世潔，王子茹.ArcCis結(jié)合Excel-VBA在土地平整土方量計(jì)算及調(diào)配的應(yīng)用研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011（06）.

[作者簡(jiǎn)介]左玉珍（1976-），女，河北省石家莊市人，工程師;閆永強(qiáng)（1977-），男，河北省石家莊市人，本科，工程師。