基于CASS的方格網(wǎng)法計(jì)算土方量的研究

摘 要:在現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)中，土石方量的測(cè)量和計(jì)算顯的十分重要，同時(shí)土石方量計(jì)算是是工程預(yù)決算的重要資料，土石方量計(jì)算的正確、及時(shí)性是能否有效地進(jìn)行工程建設(shè)和管理的一個(gè)重要因素。方格網(wǎng)法土方量計(jì)算是土方工程中的一個(gè)重要組成部分。本文就復(fù)雜設(shè)計(jì)面情況下，用CASS7進(jìn)行土方量計(jì)算的方法進(jìn)行闡述，為從事該工作的人提供參考。

關(guān)鍵詞:CASS 方格網(wǎng)法 土方量計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào):TU18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)10(c)-0044-02

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在基本上所有項(xiàng)目都需要進(jìn)行場(chǎng)地平整才能夠進(jìn)行施工建設(shè)，其中土石方量的計(jì)算在丘陵等地尤為重要，直接關(guān)系到各方的經(jīng)濟(jì)利益。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量軟件的成熟，土石方計(jì)算在計(jì)算機(jī)上用專(zhuān)用軟件進(jìn)行能達(dá)到快速準(zhǔn)確的目的。南方CASS軟件就是其中的一種，本文結(jié)合實(shí)例介紹一種利用方格網(wǎng)法計(jì)算大面積土方量的方法。由于自然地表是千變?nèi)f化的，絕對(duì)準(zhǔn)確無(wú)誤地計(jì)算出土方量，是不現(xiàn)實(shí)的，只要按照自然地形的變化采取足夠精度的數(shù)據(jù)采集方法，測(cè)量或采集合適的并且足夠多的特征點(diǎn)，根據(jù)這些特征點(diǎn)將其假設(shè)或劃分為與自然地形近可能相近的幾何形狀或數(shù)學(xué)模型，并采用具有一定精度的方法進(jìn)行計(jì)算，即可求得體積。

1 數(shù)據(jù)的獲取

通常土方量的計(jì)算主要通過(guò)兩種方法獲得計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)，分別是外業(yè)測(cè)量和根據(jù)內(nèi)業(yè)提取數(shù)據(jù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，對(duì)于范圍稍大的測(cè)區(qū)要先建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng)，精度要滿足土方量計(jì)算的相關(guān)精度要求，平面控制一般采用RTK布設(shè)即可。對(duì)于范圍較小的測(cè)區(qū)，可采用任意坐標(biāo)系的方式建立控制網(wǎng)。在采集野外數(shù)據(jù)時(shí)采集點(diǎn)的密度應(yīng)該適當(dāng)過(guò)疏不能真實(shí)反映地形，過(guò)密則增加野外工作量，造成不必要浪費(fèi)。野外采點(diǎn)時(shí)，可以用一站多鏡的方式進(jìn)行，一般在地形線上要有足夠密度的點(diǎn)，特征點(diǎn)也要盡量測(cè)到，這樣才能真實(shí)地反應(yīng)地形;在其它地形變化不大的地方，可以適當(dāng)放寬采點(diǎn)密度。正確選擇地形特征點(diǎn)(如地勢(shì)變化比較大的陡坎處最好坎上坎下同時(shí)測(cè)點(diǎn))是外業(yè)數(shù)據(jù)采集十分重要的工作，它是內(nèi)業(yè)計(jì)算的基礎(chǔ)。

同樣也可以根據(jù)已有的地形圖，根據(jù)圖面測(cè)高程進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)在必要的地形點(diǎn)根據(jù)以后的等高線進(jìn)行高程點(diǎn)的加密，以保證地形圖能夠更加真實(shí)的反應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡匦巫兓闆r。

2 內(nèi)業(yè)計(jì)算

內(nèi)業(yè)處理的基本思想就是把野外采集的高程點(diǎn)轉(zhuǎn)入CASS軟件中，然后采用相關(guān)模型進(jìn)行計(jì)算。CASS在工程應(yīng)用中，計(jì)算土方量的方法有多種，最常用的有:DTM法土方計(jì)算、用斷面法進(jìn)行土方計(jì)算、方格網(wǎng)法土方計(jì)算，等高線法土方計(jì)算。下面就重點(diǎn)方格網(wǎng)法進(jìn)行闡述。

坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件是CASS最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，擴(kuò)展名是“.DAT”。無(wú)論是野外采集的數(shù)據(jù)還是根據(jù)已有地形圖獲得的數(shù)據(jù)，最終都要生成坐標(biāo)文件。而由方格網(wǎng)來(lái)計(jì)算土方量是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)坐標(biāo)(X、Y、Z)和設(shè)計(jì)要求的，通過(guò)生成方格網(wǎng)來(lái)計(jì)算每一個(gè)長(zhǎng)方體的填挖方量和四個(gè)角點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程，最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。

菜單“工程應(yīng)用”-“方格網(wǎng)法土方計(jì)算”。

屏幕上將彈出選擇高程坐標(biāo)文件的對(duì)話框，在對(duì)話框中選擇所需坐標(biāo)文件。

提示:選擇土方計(jì)算邊界線，用鼠標(biāo)點(diǎn)取所畫(huà)的閉合復(fù)合線。

輸入方格寬度:(m)<20>這是每個(gè)方格的邊長(zhǎng)，默認(rèn)值為20m。由原理可知，方格的寬度越小，計(jì)算精度越高。但如果給的值太小，超過(guò)了野外采集的點(diǎn)的密度也是沒(méi)有實(shí)際意義的。

提示:最小高程=XX.XXX，最大高程=XX.XXX

總填方=XXXX.X立方米，總挖方=XXX.X立方米

同時(shí)圖上繪出所分析的方格網(wǎng)，填挖方的分界線(綠色折線)，并給出每個(gè)方格的填挖方，每行的挖方和每列的填方。結(jié)果如圖1所示。

方格網(wǎng)法計(jì)算土方量中，軟件首先將方格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)高程相加(如果角上沒(méi)有高程，則通過(guò)附近的點(diǎn)內(nèi)插出該點(diǎn)的高程)，取平均值與設(shè)計(jì)的高程相減。然后通過(guò)指定的方格網(wǎng)邊長(zhǎng)得到每個(gè)方格網(wǎng)的面積，再用長(zhǎng)方體的體的體積得到相應(yīng)的填挖方量。因此這種方法得到的土石方量與其它的方法相比存在較大的差異。但是在地形比較平整的地帶，其計(jì)算比較方便和劃算。在這里結(jié)合實(shí)例對(duì)該方法進(jìn)行一定的分析。

3 工程實(shí)例

在某文明生態(tài)城的建設(shè)初期，需要對(duì)該生態(tài)城內(nèi)4.05km2的場(chǎng)地進(jìn)行平整，要求平整后場(chǎng)地坡度最大不能大于10%，同時(shí)場(chǎng)區(qū)內(nèi)既有道路和一條貫穿的高速公路高程不變，并且不能破壞整個(gè)場(chǎng)地的總體趨勢(shì)。面對(duì)如此大的不規(guī)則的場(chǎng)地，在這里使用方格網(wǎng)法進(jìn)行土方量測(cè)計(jì)算。

在這里根據(jù)以后地形圖，我們通過(guò)對(duì)原有的地形圖信息的處理，得到圖面上所有高程點(diǎn)的信息，同時(shí)在高程點(diǎn)比較稀少區(qū)域和地形變化地帶根據(jù)等高線適當(dāng)?shù)膬?nèi)插高程點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)某那些只有高程數(shù)值，沒(méi)有其余信息的高程，通過(guò)生成交換文件的方式根據(jù)注記高程位置，得到間接得到相應(yīng)的高程點(diǎn)，進(jìn)而建立場(chǎng)地的DEM(Digital Terrain Model)模型。針對(duì)場(chǎng)地平整的要求和實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)分析可知，并不是所有的位置都需要進(jìn)行平整，在該項(xiàng)目中，我們首先通過(guò)得到的高程數(shù)據(jù)，建立整個(gè)測(cè)區(qū)的DTM模型，然后利用南方CASS軟件中的坡度分析功能，分析得到坡度大于和小與10%的區(qū)域，然后劃分區(qū)域有針對(duì)性的進(jìn)行場(chǎng)地平整計(jì)算。根據(jù)分析結(jié)果，將平整的區(qū)域劃分成多個(gè)不規(guī)則的形狀，同時(shí)根據(jù)分析得到的結(jié)果，進(jìn)行稱(chēng)場(chǎng)地的平整計(jì)算，然而其中高速路兩側(cè)的高程不變和既有路的高程不發(fā)生明顯的變化，從而某些分析的結(jié)果就失去了所用。

同時(shí)根據(jù)分析的結(jié)果針對(duì)性的進(jìn)行分析，一般的分為一下的幾種情況:(1)個(gè)別獨(dú)立的小范圍土方量計(jì)算，(2)大范圍的土方量的計(jì)算 (3)坑塘的土方量測(cè)計(jì)算 (4)山丘的土方量的計(jì)算，對(duì)此我們?cè)谟?jì)算的過(guò)程中針對(duì)不同的類(lèi)型采用不用的計(jì)算方式和土地不同的分割方式。針對(duì)個(gè)別獨(dú)立的小范圍的土方量計(jì)算，我們只需要將其中一個(gè)或者幾個(gè)位置較高(矮)的區(qū)域，進(jìn)行平整處理，即進(jìn)行推(填)平處理。針對(duì)大范圍的土地整平，我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，將較大的范圍分割成大小不同、形狀各異的區(qū)域，進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于其中的坑塘柑橘設(shè)計(jì)的要求，對(duì)需要保留的不做處理，對(duì)于需要填平的坑塘，根據(jù)周?chē)匦危O(shè)計(jì)比較合適的坡度進(jìn)行場(chǎng)地計(jì)算。對(duì)于山丘則在不破壞整體走勢(shì)的前提下，在距離山腳一定距離的位置開(kāi)始設(shè)計(jì)坡度，從而達(dá)到降低山丘的整體坡度和保證山丘基本形狀的目的。在計(jì)算的過(guò)程中，根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大，以保證在完成土方量的計(jì)算以后四周不會(huì)出現(xiàn)新的坡度大于10%的區(qū)域(如圖2，3）。

以上則是進(jìn)行一次場(chǎng)地平整前后，坡度按10%閥值進(jìn)行分析的結(jié)過(guò)分析對(duì)比結(jié)果。由此可知場(chǎng)地平整可行，雖然其精度不是十分高，但是按照已有的資料和技術(shù)要求能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 實(shí)際計(jì)算步驟

在南方CASS中通過(guò)方格網(wǎng)法進(jìn)行土方量的計(jì)算，其首先根據(jù)建立的DTM模型，進(jìn)行坡度分析中的顏色配置，在這里很據(jù)設(shè)計(jì)的要求將坡度按10%分成兩個(gè)梯度，然后進(jìn)行顏色填充，即可根據(jù)建立的DTM模型完成坡度的劃分。方便計(jì)算者多區(qū)域、多作業(yè)人員進(jìn)行計(jì)算。其中主要的計(jì)算步驟如下。

(1)根據(jù)坡度分析結(jié)果使用閉合線選擇一個(gè)較為合適的區(qū)域，將其中的高程點(diǎn)生成高程數(shù)據(jù)文件。

(2)在CASS中選擇方格網(wǎng)法土方量計(jì)算模塊，從上往下選擇高程點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊斜面。根據(jù)四周高程數(shù)據(jù)選擇一個(gè)合適的坡度，選擇5.3%坡度，基準(zhǔn)點(diǎn)1和基準(zhǔn)點(diǎn)2分別選擇高程為1992.55和1992.67兩個(gè)點(diǎn)，向下方向一點(diǎn)選擇高程為1988.63的點(diǎn)。其設(shè)計(jì)高程為1992.15和1992.17。

(3)在這里多次修改設(shè)計(jì)的坡度和基準(zhǔn)點(diǎn)和設(shè)計(jì)高程，以達(dá)到平整區(qū)域與周?chē)匦蔚钠ヅ洹?/p>

在土方量的計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)不斷的重復(fù)和嘗試，結(jié)合不斷積累的經(jīng)驗(yàn)，可以比較容易選擇合適的平整場(chǎng)地的范圍和基準(zhǔn)點(diǎn)坡度，從而提高計(jì)算的效率。

5 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)階段，土方量的計(jì)算還是停留在平面這個(gè)層次上，對(duì)于大面積的土方量的計(jì)算，如果能夠通過(guò)建立的DTM模型，在計(jì)算機(jī)中使用曲面模擬實(shí)際地形，從而根據(jù)坡度分析，自動(dòng)計(jì)算其中的土方量，通過(guò)多次的重復(fù)計(jì)算，可以在比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行平整，其速度和結(jié)果將變得十分的方便額快捷。

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①作者簡(jiǎn)介:王棋，1985年6月，男，助理工程師，漢族，河北省廊坊市;河北省地質(zhì)測(cè)繪院測(cè)繪工程四處。