Surfer軟件在土地工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

尤曉東， 王家峰

(陜西地建土地勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，陜西西安 710075)

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Surfer軟件在土地工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

尤曉東， 王家峰

(陜西地建土地勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，陜西西安 710075)

利用CASS和Surfer軟件對(duì)土地工程項(xiàng)目的土方量計(jì)算、管網(wǎng)設(shè)計(jì)以及三維可視化表達(dá)等方面進(jìn)行探討，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證可行性，以滿足土地工程項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的需求，為項(xiàng)目的決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

土地工程；土方量；CASS；Surfer

在土地工程領(lǐng)域，因受到地形地貌的影響，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工、計(jì)算土方量、布設(shè)農(nóng)田水利灌溉設(shè)施等基礎(chǔ)測(cè)繪工作任務(wù)繁重。傳統(tǒng)的土方量計(jì)算軟件，如CASS軟件在數(shù)據(jù)可視化的表達(dá)上有所欠缺，難以形象地表達(dá)土地整治工程的三維模型，難以提供更加直觀化的數(shù)字呈現(xiàn)。如何利用已有的測(cè)繪技術(shù)和方法降低作業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)土地工程的土方計(jì)算、規(guī)劃設(shè)計(jì)、平整施工、工程驗(yàn)收等環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，提升數(shù)據(jù)分析能力，將影響到土地工程的造價(jià)預(yù)算和方案優(yōu)選。筆者將CASS和Surfer軟件相結(jié)合，闡述土地整治工程的土方量計(jì)算和可視化表達(dá)，以提高作業(yè)效率，滿足相關(guān)工作要求。

1 CASS和Surfer軟件

1.1 CASS軟件 CASS地形地籍成圖軟件的主要功能是代替平板儀制作地形平面圖。隨著軟件的升級(jí)，CASS軟件逐漸發(fā)展成為GIS前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有豐富的圖形編輯功能，以點(diǎn)、線、面劃分?jǐn)?shù)據(jù)，其數(shù)字地圖中的地物編輯功能直觀且實(shí)用，主要應(yīng)用于各種測(cè)量成圖及建庫(kù)工作。CASS軟件提供了“草圖法”“簡(jiǎn)碼法”“電子平板法”等多種成圖作業(yè)方式[1]，采用了最新的地形圖圖式，共有7大類(lèi)100多個(gè)符號(hào)，方便開(kāi)展城市地籍測(cè)量；可連接常用的全站儀、GPS等測(cè)繪儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；具有多種圖形繪制編輯方式，在繪制等高線時(shí)，可以自動(dòng)生成精度相當(dāng)高的等高線，加強(qiáng)了等高線在通過(guò)地性線和斷裂線的處理，能自動(dòng)切除通過(guò)地物、注記和陡坎的等高線[2]。

1.2 Surfer軟件 Surfer 軟件是一款制作等高線圖和三維地形立體圖的軟件。對(duì)于宏觀地理分析者或測(cè)繪制圖者來(lái)說(shuō)，Surfer 軟件在操作上簡(jiǎn)單易學(xué)，可以在短時(shí)間內(nèi)掌握主要操作流程，目前主要應(yīng)用于制圖軟件如CAD中。Surfer 軟件的主要功能是將測(cè)繪獲得的三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字高程模型(DEM)，并根據(jù)數(shù)字高程模型生成等高線圖和三維地形立體圖，采用全菜單形式驅(qū)動(dòng)，注重可視化表達(dá)。其插值功能和繪制圖件能力效果非常強(qiáng)大，處理XYZ數(shù)據(jù)的能力優(yōu)越，利用它可以輕松制作基面圖、點(diǎn)位位置圖、等值線圖、地勢(shì)地貌圖、趨勢(shì)圖、矢量圖和三維表面立體圖[3]；軟件提供了多達(dá)11種的數(shù)據(jù)格網(wǎng)化方法，包含幾乎所有國(guó)內(nèi)外主流的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，提供各種流行圖形圖像的成像方法，如3D Wireframe Maps可制作三維網(wǎng)格圖，Contour Maps 可制作等高線圖,結(jié)果可輸出成3D DXF，Image Maps可制作細(xì)膩的色階處理和影像圖，等等。

2 工程實(shí)例

某土地工程項(xiàng)目在建設(shè)初期根據(jù)設(shè)計(jì)需要計(jì)算挖方量和填方量，為了更加直觀和形象地表達(dá)出施工工地的地形和地貌，除了計(jì)算挖方和填方，還需要對(duì)其進(jìn)行可視化表達(dá)，為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、工程費(fèi)用等方面提供可靠的技術(shù)支持。

2.1 數(shù)據(jù)的獲取和整理 GPS-RTK作為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，是由GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，為相關(guān)工程建設(shè)提供了方便、快捷的技術(shù)支持。實(shí)例通過(guò)GPS-RTK獲得三維坐標(biāo)，GPS-RTK基于載波實(shí)時(shí)差分技術(shù)，實(shí)時(shí)處理2個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)的差分方法，將基準(zhǔn)站采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)電臺(tái)發(fā)給移動(dòng)站進(jìn)行求差解算。通過(guò)RTK能夠獲得全野外實(shí)時(shí)厘米級(jí)的測(cè)量精度，在土地工程項(xiàng)目中的工程放樣、地形測(cè)圖等流程中極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。根據(jù)CASS和Surfer軟件對(duì)數(shù)據(jù)的要求，實(shí)例部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理后如圖1所示。

圖1 實(shí)例部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.1 Part of the measured data

2.2 CASS的數(shù)據(jù)處理 由于設(shè)計(jì)提供的圖紙是CAD格式，需要把實(shí)例中的邊界數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Surfer軟件中。基本的處理步驟：準(zhǔn)備好高程數(shù)據(jù)及其設(shè)計(jì)范圍；在CASS中根據(jù)需要對(duì)實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整；輸出高程點(diǎn)坐標(biāo)文件*.dat；通過(guò)list命令將邊界坐標(biāo)導(dǎo)出到文本文件中。

2.3 Surfer土方量計(jì)算及其可視化表達(dá)

2.3.1 土方量計(jì)算的基本原理。Surfer軟件通過(guò)數(shù)據(jù)格網(wǎng)化即生成數(shù)字高程模型，格網(wǎng)化的數(shù)據(jù)是以至少包含3列數(shù)據(jù)及XYZ表示，由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布不規(guī)則，會(huì)造成許多地方的實(shí)測(cè)點(diǎn)密度不夠，而Surfer軟件的格網(wǎng)化就是利用自身的內(nèi)插或者外插算法來(lái)彌補(bǔ)這些空白。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和設(shè)計(jì)高程生成三角網(wǎng)，通過(guò)計(jì)算每一個(gè)三錐形的填挖方量，最后根據(jù)設(shè)計(jì)的范圍線計(jì)算挖方和填方的土方量。

2.3.2 土方量計(jì)算的基本步驟。①制作邊界文件。利用CASS生成的邊界點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，將邊界數(shù)據(jù)文件整理成Surfer的邊界文件，邊界文件的格式如圖2所示。圖2中，“47”代表邊界點(diǎn)的個(gè)數(shù)，其中特別注意邊界點(diǎn)文件必須是閉合的，否則無(wú)法計(jì)算；“0”代表邊界范圍以外的數(shù)據(jù)將不會(huì)參與計(jì)算；“1”表示挖除邊界范圍線以內(nèi)的數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)格網(wǎng)化。利用CASS生成的坐標(biāo)文件進(jìn)行格網(wǎng)化，其中需要特別注意的是，數(shù)據(jù)必須包括3列數(shù)據(jù)XYZ，否則無(wú)法進(jìn)行格網(wǎng)化，在進(jìn)行格網(wǎng)化的時(shí)候可以在選項(xiàng)里選擇對(duì)應(yīng)的XYZ列。③白化格網(wǎng)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊菜單GRAD|Blank然后選擇“2)”中生成的網(wǎng)格文件，之后再選擇“1)”中生成的邊界文件，最后選擇導(dǎo)出的位置和文件名。④計(jì)算土方量。通過(guò)點(diǎn)擊“GRID|Volume”命令，輸入設(shè)計(jì)平場(chǎng)高程(圖3)，點(diǎn)擊“確定”即可生成土方量計(jì)算報(bào)告，文件格式為ASCII，如圖4所示。其中Surfer利用3種不同的方法對(duì)體積進(jìn)行了計(jì)算，即“Trapezoidal Rule”“Simpson’s Rule”和“Simpson’s 3/8 Rule”，可以將3種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，分析其偏差。“Positive Volume[Cut]”表示挖方量，“Negative Volume[Fill]”表示填方量。

圖2 邊界點(diǎn)數(shù)據(jù)文件格式Fig.2 Boundary point data file format

圖3 輸入設(shè)計(jì)平場(chǎng)高程Fig.3 Input design flat field elevation

圖4 土方量計(jì)算報(bào)告Fig.4 Earth volume calculation report

2.3.3 可視化的一般步驟。①將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格網(wǎng)化。②根據(jù)需要生成等值線圖、三維曲面圖和散點(diǎn)圖。執(zhí)行命令“Map|new contours map”選擇格網(wǎng)化后的文件，即可生成等值線圖，雙擊左側(cè)等值線圖標(biāo)，可對(duì)其屬性進(jìn)行編輯，根據(jù)需要改變等高線的填充背景和等高線注記(圖5)，執(zhí)行命令“Map|new 3D-surface”選擇格網(wǎng)化后的文件，即可生成三維曲面圖，雙擊左側(cè)“3D-surface”圖標(biāo)，可對(duì)其屬性進(jìn)行編輯，根據(jù)需要改變其屬性，如圖6所示。執(zhí)行命令“Map|new Postmap”選擇格網(wǎng)化后的文件，即可生成散點(diǎn)圖，雙擊左側(cè)“post”圖標(biāo)，可對(duì)其屬性進(jìn)行編輯，根據(jù)需要改變其屬性，如符號(hào)的大小、形狀以及填充顏色等。③疊加圖制作，將生成的等值線圖、邊界范圍線、散點(diǎn)圖疊加在一起，可以導(dǎo)出.bmp等多種格式文件。通過(guò)可視化表達(dá)可以直觀地發(fā)現(xiàn)地面的起伏狀態(tài)，能夠更加直觀和形象地反映被測(cè)對(duì)象實(shí)際情況，從而為施工、設(shè)計(jì)等有關(guān)各方提供數(shù)據(jù)支持。另外，Surfer軟件還提供二次開(kāi)發(fā)的接口，可以根據(jù)用戶的不同需求制定出更加完善的解決方案。

圖5 可視化前的等值線圖實(shí)例Fig.5 Example of contour map before visualization

圖6 可視化三維曲面圖實(shí)例Fig.6 Example of visualization 3D curved surface

3 Surfer軟件在土地工程中的應(yīng)用

土地工程項(xiàng)目主要包括土地平整、電網(wǎng)布設(shè)、綠化、道路、管線布置等，利用Surfer軟件的可視化功能，可以更加靈活地開(kāi)展相關(guān)工作。例如在溝坡地土地整治項(xiàng)目中，按照高程分布的可視化程序，根據(jù)田塊分布確定管道間距和出水樁之間的距離，以便于對(duì)項(xiàng)目區(qū)域的灌溉系統(tǒng)做出規(guī)劃和管理。3.1 管網(wǎng)的布置 土地工程的灌溉系統(tǒng)由水源、機(jī)泵、管路系統(tǒng)和田間工程4個(gè)部分組成，需準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)系統(tǒng)高程。土地工程項(xiàng)目的水系灌溉布置一般遵循支管垂直于主管的原則。對(duì)于耕地集中、坡度較緩、相對(duì)高差較小的水低田高的山丘，可利用管道進(jìn)行逆坡遠(yuǎn)距離輸水灌溉。工作壓力一般為0.4～0.6 MPa，干管較長(zhǎng)，垂直于等高線布置，支管沿等高線布置。給水栓和出水口的間距應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)灌溉方案、灌溉方法和灌溉能力水平確定，間距宜為50～100 m。

3.2 溝坡地自流管道輸水灌溉系統(tǒng) 通過(guò)Surfer軟件對(duì)溝坡地高程數(shù)據(jù)分析后，按照規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，用GPS-RTK測(cè)量支管高程和放線時(shí)，將自流管網(wǎng)的干管線和支管線定出。由水壩取水時(shí)，干管應(yīng)沿等高線布置，支管應(yīng)沿山脊或中間高布置，各個(gè)支管之間可以采用距離100～200 m的方式布設(shè)；由渠道引水時(shí)，干管應(yīng)沿山脊或中間高按照順坡方向布置，支管應(yīng)沿等高線布置，溝坡地低壓管道輸水灌溉布置如圖7所示。

圖7 溝坡地低壓管道輸水灌溉布置Fig.7 Irrigation arrangement for low pressure pipeline water transfer on sloping land

4 結(jié)語(yǔ)

土地工程項(xiàng)目中可視化表達(dá)以及土方量的計(jì)算關(guān)系到各方的實(shí)際利益，可視化表達(dá)能夠從繁雜的信息中提取和加工重要信息，更好地為項(xiàng)目服務(wù)。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，CASS和Sufer軟件相結(jié)合應(yīng)用于土地工程項(xiàng)目，可以提高工作效率，具有一定的實(shí)踐意義。該研究?jī)H列舉了部分Surfer軟件的數(shù)據(jù)處理能力，隨著Surfer軟件的不斷發(fā)展和深入研究，將會(huì)有越來(lái)越多的功能應(yīng)用到土地工程項(xiàng)目中。

[1] 岳斌,曹志宏.CASS軟件在水文測(cè)繪中的應(yīng)用[J].甘肅科技,2008,24(22):22-24.

[2] 高尚.大地測(cè)量中基于軟件生成的三角網(wǎng)及修改方法[J/OL].城市建設(shè)理論研究(電子版),2012(15)[2016-08-03].http://www.qikanvip.com/jianzhugongcheng/4130.html.

[3] 馮煥勇,馬建國(guó),劉琦.三維立體成圖技術(shù):在工程物探勘察中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2008,36(4):19-20.

Application of Surfer Software in Land Project

YOU Xiao-dong,WANG Jia-feng

(Shaanxi Land Survey Planning and Design Institute Co. Ltd., Xi’an, Shaanxi 710075)

By using CASS and Surfer software, earth volume calculation, pipeline design and expression of 3D visualization of land project was discussed, the feasibility was verified through cases, so as to meet the demands of all aspects of land projects, to provide scientific data for decision-making of the project.

Land project; Earth volume; CASS; Surfer

尤曉東(1982- )，男，陜西定邊人，工程師，碩士，從事地質(zhì)測(cè)繪研究。

2016-09-21

S 126

A

0517-6611(2016)28-0203-03