ARCGIS計(jì)算土方的實(shí)用性論證

莊春曉　王力濤　王秋成

摘 要：現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)作業(yè)中經(jīng)常會(huì)遇到一些土方量的計(jì)算，目前主要的計(jì)算方法是基于CAD平臺(tái)利用CASS實(shí)現(xiàn)的斷面法、方格法、等高線法、不規(guī)則三角網(wǎng)法等。其中不規(guī)則三角網(wǎng)法，在作者所從事的行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛。但不規(guī)則三角網(wǎng)法也存在一定的缺點(diǎn)，構(gòu)建好的三角網(wǎng)需與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形一致，由于可視化程度不好，在調(diào)整三角網(wǎng)的過(guò)程中容易疏漏出錯(cuò)。手工調(diào)整三角網(wǎng)，角點(diǎn)高程檢查費(fèi)時(shí)費(fèi)力。當(dāng)工程較大，地形較為復(fù)雜時(shí)，需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間，嚴(yán)重影響工期及效益成本且出錯(cuò)率較高，準(zhǔn)確度也相應(yīng)降低。ArcGIS作為一款強(qiáng)大的地理信息軟件，以其可視化，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，建模準(zhǔn)確快速等優(yōu)點(diǎn)，使得土方計(jì)算變得更加簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速。

關(guān)鍵詞：Arcgis；土方計(jì)算；數(shù)字高程模型（DEM）；TIN不規(guī)則三角網(wǎng)

1 計(jì)算原理

Arcgis計(jì)算土方量是利用DEM提供的高程信息，結(jié)合Arcgis的3D Analyst，Spatial Analyst，疊合分析和統(tǒng)計(jì)分析等功能共同完成的。因此土方計(jì)算的精度主要依賴(lài)于各種模型的精度，而Arcgis因具有強(qiáng)大的建模，數(shù)據(jù)處理功能因此非常適合土方計(jì)算這種對(duì)建模要求精度較高的計(jì)算。

2 數(shù)字高程模型（DEM）

數(shù)字地形模型是以數(shù)學(xué)形式存儲(chǔ)的地球表面地形信息的集合，地形信息包括高程，坡度、坡向等，其中高程信息是最基礎(chǔ)的信息，專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)高程信息的數(shù)字集合就是數(shù)字高程模型，它是DTM的基礎(chǔ)。在土方量計(jì)算中要模擬地形，建立DEM，所建立的DEM的精度將影響土方量計(jì)算的精度。離散點(diǎn)、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），等高線，斷面線和規(guī)則格網(wǎng)是DEM的五種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在空間信息系統(tǒng)中，應(yīng)用最多的是規(guī)則格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)TIN及兩者的混合應(yīng)用。

3 土方量計(jì)算

在Arcgis中，為了實(shí)現(xiàn)土方量的計(jì)算，就需要將同一地域兩期的DEM進(jìn)行疊加，從而取得兩個(gè)模型的交線，即為各個(gè)填、挖區(qū)的分界線。每一條分界線所圍成的封閉區(qū)域都是一個(gè)單一的回填區(qū)或開(kāi)挖區(qū)。通過(guò)分別統(tǒng)計(jì)回填區(qū)和開(kāi)挖區(qū)的體積，就可以得到該區(qū)域填、挖的土方量。

4 數(shù)字建模

高質(zhì)量的數(shù)字建模一般基于ARCGIS 生成TIN 的空間插值建模主要分成兩種：（1）通過(guò)數(shù)字化地形線并賦予高程建模。在此ARCGIS Desktop 9.3提供了基于hard line＼soft line＼mass points三種模式；工作者應(yīng)視具體情況合理選擇以提高TIN的地面仿真度。（2）通過(guò)輸入特征控制點(diǎn)空間插值建模。在此，ARCGIS Desktop 9.3 提供了Inverse Distance Weighted＼Spline＼Kriging＼Natural Neighbor Interplation四種建模方式。其中，使用較為廣泛、普遍認(rèn)為精度較高的為Kriging 空間插值的方法；為保證插值后模型表面連貫性，以更好擬合地表狀況，在Kriging插值過(guò)程中要求控制點(diǎn)值應(yīng)趨于符合正態(tài)分布，對(duì)于不符合正態(tài)分布的數(shù)值，應(yīng)通過(guò)剔除和合理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式等手段處理數(shù)據(jù)，以保證TIN 的仿真度。除此之外，ARCGIS Desktop 9.3的3D Analyst還提供了Add Features to TIN模塊，即通過(guò)在TIN模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步加入控制點(diǎn)和控制線等方式進(jìn)一步提高TIN的精度。因此，工作者在數(shù)字建模過(guò)程中一定要注意這些細(xì)節(jié)工作的處理，以達(dá)到建立高質(zhì)量DEM、計(jì)算的高質(zhì)量、高精度要求。

5 工程實(shí)例

作者以天津市津南區(qū)天津海河教育園區(qū)內(nèi)多個(gè)土方計(jì)算工程為例，將Arcgis與Cass 7.1土方計(jì)算進(jìn)行比較。外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用相同的數(shù)據(jù)，均采用同一套設(shè)備進(jìn)行外業(yè)采集，數(shù)據(jù)采集后將同一套數(shù)據(jù)分別經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，制作成CAD與Arcgis可以利用的數(shù)據(jù)。土方計(jì)算采用兩期土方計(jì)算的方法，因此數(shù)據(jù)采集需采集平整前與平整后的數(shù)據(jù)，為提高精度，數(shù)據(jù)采集主要采用全站儀進(jìn)行。數(shù)據(jù)點(diǎn)為8-10米一個(gè)，遇到地形復(fù)雜地方可以適當(dāng)增加。

6 土方量計(jì)算

構(gòu)建TIN及其修正過(guò)程：

（1）TIN為不規(guī)則三角網(wǎng)的縮寫(xiě)，是數(shù)字高程模型的一種，是高度值（Z值）連同X，Y坐標(biāo)一起存儲(chǔ)在結(jié)點(diǎn)，通過(guò)一定的算法構(gòu)成一系列無(wú)重疊的三角形來(lái)模擬陸地表面。由高程點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)生成的TIN，通常都需要從一個(gè)粗毛坯“修剪”到能表達(dá)真實(shí)地形的模型[1]。

（2）三角形是由最近高程點(diǎn)形成的，在這種約束下，三角形都沿等高線分布，這樣在等高線曲率比較大的地方使得一些三角形的三個(gè)頂點(diǎn)都位于一根同高程的等高線上，進(jìn)而在表現(xiàn)這個(gè)連續(xù)面上，使得結(jié)果更接近現(xiàn)實(shí)。研究區(qū)中的等高線可以通過(guò)構(gòu)建的TIN內(nèi)插生成，采樣的等高距為0.5m。在容差為0.01m的范圍內(nèi)等高線經(jīng)過(guò)平滑處理。

（3）添加平滑處理的等高線以及測(cè)內(nèi)的實(shí)測(cè)有限制性的地形如溝坎等，作為修正TIN的斷線要素。此過(guò)程一定要仔細(xì)，計(jì)算結(jié)果影響至關(guān)重要。對(duì)于起坡線的位置也需要仔細(xì)處理。

7 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，文章選取了多個(gè)工程進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果如下表：

由于無(wú)法得出填挖方真值，暫時(shí)以Cass與Arcgis對(duì)比差值作為一個(gè)比較對(duì)象，由以上結(jié)果可以看出，Arcgis計(jì)算結(jié)果與cass結(jié)果差別不是很大，計(jì)算結(jié)果比較精準(zhǔn)。可以作為一個(gè)新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)推廣。通過(guò)計(jì)算過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，Arcgis計(jì)算速度要明顯優(yōu)于Cass，尤其是對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的計(jì)算，這方面的優(yōu)勢(shì)就更加明顯，Cass需要對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)與三角網(wǎng)的定點(diǎn)高程進(jìn)行吻合檢查，這就需要消耗大量時(shí)間，同時(shí)需要對(duì)生成的三角網(wǎng)網(wǎng)型進(jìn)行檢查，以確定網(wǎng)型是否合理，由于Cass為二維網(wǎng)型，因此需要大量時(shí)間的人工判讀，而且很容易出錯(cuò)。而Arcgis為三維視圖，比較直觀，出錯(cuò)率相對(duì)降低。最后Cass生成三角網(wǎng)，需要對(duì)三角網(wǎng)自相交進(jìn)行檢查。當(dāng)?shù)匦螖?shù)據(jù)量較大時(shí)，這需要很長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)。而Arcgis則相對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)單，快速，自動(dòng)化程度高，有較好的可視化，表現(xiàn)更為直觀。且出錯(cuò)率相對(duì)較低。而且Arcgis可以對(duì)計(jì)算邊界進(jìn)行任意調(diào)整，便于將地塊拆分，計(jì)算更為方便。業(yè)界已有許多同仁對(duì)Arcgis進(jìn)行土方計(jì)算的技術(shù)進(jìn)行了可行性研究，如徐嬋[2]，潘紅飛[3]，郭寬偉[4]， 沈名威[5]等都對(duì)Arcgis計(jì)算土方的實(shí)用性結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了研究，并都得出了可行的結(jié)論。

8 結(jié)束語(yǔ)

作者認(rèn)為Arcgis計(jì)算土方的實(shí)用性已無(wú)可爭(zhēng)議，接下來(lái)作者會(huì)對(duì)Arcgis計(jì)算土方的精度，以及如何應(yīng)用Arcgis進(jìn)行大面積，高復(fù)雜的地形土方計(jì)算進(jìn)行研究，以及數(shù)據(jù)采集量的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。期待Arcgis土方計(jì)算方法的普及，也期待著更多新的方法的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Ware J A，Kinder D B，RallingsP J.Parallel distributed viewshedanalysis[C].In：Proceedings of 6th ACMinternational symposium on advancedin geographical information systems，Washington D C，1998：151-156.

[2]基于ArcGIS的土方量計(jì)算[J].廣西水利水電，2013（1）.

[3]基于TIN 模型較高精度土方量計(jì)算方法[J].價(jià)值工程.

[4]ArcGIS在機(jī)場(chǎng)土方計(jì)算中的應(yīng)用分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2012（2）.

[5]基于ArcGIS的土方量計(jì)算與可視化[J].城市勘測(cè)，2013（10）.