土方工程輔助設計軟件在土地平整設計中應用

干犁軍 高永甲

在農業開發中，無論是開墾荒地、合并土地及低產田改造，經常要進行農田測量，而農田測量的一個主要任務是要進行土地平整測量并計算挖填土方量，保證挖、填平衡。傳統的土地平整測量工作如何實施是由土方量的計算方法決定的，采用不同的計算方法也就意味著采用不同的測量工作實施方案。隨著全站儀在測繪工作中越來越普及，傳統的土地平整計算方法已經無法適應新型儀器實時高效的特點，不能充分發揮儀器的性能，必須找出一種能充分利用新型儀器的優點，提高測量及計算速度的方法。本文探討利用我單位自行開發的《土方工程輔助設計》(TFGC)軟件進行土地平整測量的計算方案，供同行參考。

1 TFGC軟件介紹

TFGC軟件是我單位自行開發的土地平整設計軟件，是在繪圖支撐軟件AutoCAD上開發的。源程序用Visual Basic語言編寫，適用于土方工程設計和平地工程設計。如修建高爾夫球場、人工園林、人工池塘和農田建設等。TFGC軟件具備以下功能:

1)土方量計算。能接受多種文本格式的坐標數據文件。自動建立以地塊為單元的土方量計算文件夾，并將后續地塊土方計算數據自動導入本地塊文件夾。能進行縱橫坡度計算，并可根據給定的縱橫坡度或地塊四角高程，計算地塊內每一個點的設計高程。可進行地塊內各種地形的土方計算，并自動繪制出開挖線。

2)土方調運。可進行簡單的土方調運設計。根據調運的方向自動計算出運距和運量。

3)土方工程量計算。在調運圖的基礎上自動提取圖中的填挖方量，通過電子表格Excel完成土方量統計。針對不同的要素，采用不同的編程語言，程序中包含以下模塊:數據調入、地塊分區、自動建立地塊目錄，土方計算，土方設計圖的繪制，土方調運圖繪制，土方工程量的計算等。土方工程輔助設計操作流程圖見圖1。

該軟件還具有界面友好，易于操作，數據間的傳遞具有一定的自動化程度，可以降低工作人員的勞動強度，縮短設計周期的特點。TFGC軟件進行土方工程設計和平地工程設計都在一個工作單元中進行，一個工作單元中的點數最多600點。點的最近距離為3 m，小于3 m的點則自動刪除。一個工作單元建立一個數據文件，文件格式為文本文件，一個點寫一行，依次為:點號，縱坐標X，橫坐標Y，高程H。數據文件可由鍵盤輸入，也可在Auto-CAD系統中用屬性提取功能提取數據文件。計算采用三角網法計算。由散點的三維坐標自動構成三角網，計算每個點的設計高、填挖數及每個三角形的挖、填方工程量。TFGC軟件進行土方工程設計需要一個設計模型。設計模型是根據設計思想由若干設計模型點構建的一個多面體模型，它是進行設計的依據。一個工作單元設計模型點最多50點。平地設計不需要設計模型，用回歸方法計算出縱向坡度、橫向坡度。繪制平地設計圖。繪圖比例由用戶設定。縱橫向坡度都可調整。其數據處理流程為:[實測地面高程]→[TIN(三角網)]→[DEM]→[確定設計高程]→[計算土方量]。

2 土地平整的設計原則

2.1 總體規劃原則

平整土地的主要工作是通過挖高填低，使土地表面在滿足設計坡度的條件下盡可能達到較理想的平面狀態。平整土地一方面是使田塊滿足灌溉要求，提高水肥利用效率和灌溉水均勻度有利于耕作、作物生長以及防止水土流失，從而提高耕地的質量;另一方面通過對溝、渠道、滴灌和田間道路的重新規劃和整理，改善農業生產條件、增加有效耕地面積，促進土地的集約化利用，加快農業的現代化進程。在土地平整設計方案中，要充分考慮各種因素，以使設計方案符合當地的條件，切實可行，應遵循以下原則:

1)農田規格化，地面平整;2)在規劃時應盡量利用田間原有的溝、渠道和田間道路，以節省費用;3)要調查清楚規劃區的水系分布，以使水資源得到充分的利用。

2.2 土地平整高程設計原則

1)土地平整過程中，挖方處表土被取走，底土暴露，而填方處土質過于疏松等，會影響土壤的質量。所以，在確定設計高程時應以原有地貌高程為依據，盡量減少土方的填挖。2)平整后的田塊的高程應在橫向、縱向上有規律的遞增或遞減。3)平整后的田塊之間的高差應盡可能的小，一般控制在30 cm～50 cm之間，以保證每個地塊均能灌溉，滿足灌溉要求。4)“挖方量=填方量”的原則。

3 傳統計算方法

斷面法、方格法、散點法及表格法。斷面法主要適合山地及高差比較大的地形;方格法主要適合地形平坦及高差不太大的場地平整;散點法適用于地形有起伏，但變化比較均勻，不太復雜的地形。傳統的土方量計算方法手工工作量大，不易在計算機上實現，不能有效利用現有的數據資源;而且，不同的計算方法均存在計算結果精度低，結果差異大的問題。許多研究表明，應用數字高程模型(DEM)能夠比較精確地解決土地整理設計中涉及的土方量計算問題[1-9]。

在傳統的計算方法中，無論是方格中點法還是方格角點法，都需要先測設觀測點位再進行高程測量。在方格中點法中是測設各方格的中點，在方格角點法中是測設各方格的角點。因為要先測設點位再測量高程，使得土地平整的測量工作極為繁重，加之以前計算工具的落后，使得土地平整測量無論是外業測量還是內業計算都需要耗費大量的人力。在測量中將測區分成若干方格而不是分成任意圖形也正是為了減少計算工作量。計算機在測繪中的應用使得計算工作大為減輕，新型儀器的使用使得外業工作量也相應地減輕。但在許多應用方面由于傳統計算方法的束縛，并沒有充分發揮出新型儀器的優勢。只有不斷改進傳統的理論和計算方法，適應儀器的發展，才能真正使測繪工作者從繁重的勞動中解放出來。

4 用《土方工程輔助設計》(TFGC)軟件進行土地平整測量的計算方案的優勢

TFGC平地設計基于任意三角形法。其方法是:根據地塊內地形，實地采集各地形特征點的三維坐標。將采集數據傳入計算機，運行TFGC軟件，對采集數據組成三角網，計算出地塊地面自然的縱、橫坡降，平均高程。依據設計人員輸入的設計參數，如:縱、橫坡降，地角高程等，計算出三角網中三維坐標點的設計高程、填、挖數和各三角形的面積。進而算出各三角形的挖、填土方量，并加以匯總。下面以兵團224團12萬畝土地平整設計為例加以說明。

4.1 作業方案

外業進行地形圖數據采集。依據地塊坐標進行邊樁測定。內業依據規劃圖進行地塊劃分，把每個條田分成五個地塊。根據設計提供的地面高程，縱、橫坡降對各地塊進行設計高程控制，設計時條田落差控制在1.0 m內，地塊間落差控制在0.5 m內，以保證每個地塊均能灌溉，滿足灌溉要求。依據采集數據、邊樁測量、地塊劃分分區(分片)進行平整土地設計。

4.2 實施方法

1)外業數據采集。根據規劃圖提供的用地范圍進行外業數據采集。用南方靈銳S82型RTK按規劃圖條田的坐標標定其邊界位置，并打木樁。樁上注明條田邊界和里程，如:449號條田右邊界200 m處樁號為449R200。并在地塊角點測量其樁頂三維坐標，打上方樁，作為控制點用作全站儀采集碎部點。相鄰地塊角點高程精度應達到，平面精度應達到±10 cm。碎部點的采集密度按1/1000比例尺地形圖施測。野外數據采集采用極坐標法，高程注記點應密度恰當、位置合適，在地貌變化處均應有高程注記。設站要求和測站檢查應符合以下規定:儀器對中偏差不大于5 mm。檢查相鄰圖根測站點的高程，其較差不大于1/5基本等高距，即10 cm。檢查遠處控制點、圖根點的方向偏差不應大于圖上0.2 mm，即20 cm。檢查相鄰圖根測站點的平距，其較差不應大于平距的1/3000。進行數據采集，必須統一數據文件的格式，數據文件格式如下:

2)平整土地設計圖。平整土地設計采用TFGC軟件，在計算機輔助制圖軟件AutoCAD2002進行數據展點，劃分區域(條田)、區塊(地塊)，然后以區塊為單元導出數據，建立DTM模型并修改DTM模型使之與地面盡可能相似，根據運距最短、挖填土方量最少的原則，設計每一地塊的縱坡、橫坡。計算各三角網角點的設計高程及挖填數，每三角網內計算挖、填土方量。平地設計圖采用3號圖尺寸繪制。按1∶1000比例尺繪出田塊邊界，土方量及田塊編號、總挖方量、總填方量、橫坡、縱坡及總面積和設計者姓名。

3)平整土地土方調運圖。土方調配以地塊為單元，內部調配，極個別為地塊間調配。以“頭對頭，尾對尾，不交叉，不對流”的原則，設計土方調配圖，圖中方框中的數值為挖(填)方土方量，正值為挖方量，負值為填方量。箭頭方向為土方調運方向，箭頭上方為調運土方數(單位:立方米)，下方為運距(單位:米)。建立地塊數據庫，進行工程量匯總;總挖(填)土方量、總面積、20 m以內挖方量、20 m～50 m以內挖方量、50 m～100 m以內挖方量、100 m～200 m以內挖方量、300 m以上挖方量。用計算機輔助制圖軟件AutoCAD 2000繪出土地平整設計圖。

5 結語

土方量計算的準確度與所建立的數字高程模型有著密切的關系，高程模型建立的越逼真，即越接近實地，計算出的土方量就越準確。《土方工程輔助設計》(TFGC)平地設計基于任意三角形法。我們于2002年5月～8月和2003年7月～9月在烏魯瓦提水利樞紐皮墨墾區(兵團224團)一、二期共計12萬畝土地平整設計中利用該軟件進行平地設計。并和傳統的方法(方格網法)進行了比較。在地勢平坦的地塊，TFGC方法和方格網法的計算結果比較接近，在地勢起伏較大的地塊，TFGC方法和方格網法的計算結果差值較大，最后經過施工單位施工以后，和施工單位實際的填挖方量進行比較，TFGC方法計算的結果最接近實際方量。實踐證明，在土地平整設計中采用TFGC方法是切實可行的，對比傳統的方格網法，其有以下顯著特點:1)在外業測繪中，方格網法需要使用測繪儀器在實地測出10×10等方格網的角點位置及高程，費時費力，且計算工作量大。而使用TFGC方法只需要像測地形圖一樣采集碎步點即可;2)在內業計算中，方格網法一般采用手工配合電腦進行計算，由于數據量大，容易出錯，而TFGC方法是把外業采集的數據直接導入電腦，利用TFGC軟件進行計算，減少了出錯的幾率;3)使用TFGC方法繪制平地設計圖，繪圖比例由用戶設定，縱橫向坡度都可調整。隨著項目的進行，我們的軟件也越來越完善。我們用很少的投入，簡單的解決了我單位在平整土地設計中的問題，保證了各個項目順利完成，為我單位帶來了很好的經濟效益。目前，土方調運與工程造價處理過程中自動化程度尚有待進一步提高，我們將在原有基礎上增加新的模塊進行處理，對TFGC軟件予以不斷的完善。

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