surfer軟件在土石開挖方量可視化計算中的運用

賈志敏 劉劍峰

(1.三峽大學，湖北 宜昌 443000； 2.貴州黔源電力股份有限公司，貴州 貴陽 550002)

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·計算機技術及應用·

surfer軟件在土石開挖方量可視化計算中的運用

賈志敏1,2劉劍峰2

(1.三峽大學，湖北 宜昌 443000； 2.貴州黔源電力股份有限公司，貴州 貴陽 550002)

以馬馬崖水電站工程為例，采用surfer軟件，對壩基開挖土石方量進行了三維可視化計算，并介紹了具體的計算過程與數據處理方法，指出該軟件提高了計算精度，滿足復雜情況下大規模土石方工程的計算需要。

surfer軟件，土石方量，大壩，三維模型

1 概況

1.1 現有計算方法

土石方工程作為工程建設領域最基礎的施工項目，其工程量計算方法卻一直停留在斷面法、等高線法等傳統方法，在實際工作中仍大量采用人工計算。對小規模工程尚能滿足要求，但對于大規模、較復雜的土石方工程，存在斷面選擇隨意性大，計算精度較低等問題。盡管有了一些基于AutoCAD的土石方工程量計算程序，但計算過程缺乏直觀性，精度一般。

1.2 surfer在土石方計算中的優勢

surfer軟件是Golden Software公司開發的一款插值繪圖軟件，具有各種圖形圖像文件格式接口，可以方便的進行文件和數據的交流與交換，在氣象行業運用較為廣泛。Excel數據或用戶給出的無規則數據，都可以用軟件插值快速地繪出等值線圖和三維表面。利用該軟件進行土石開挖方量三維可視化計算的方法，可以彌補現有方法的不足，滿足復雜情況下的計算需要，其可視化效果更方便了對測量數據的檢查與分析。

1.3 馬馬崖電站工程概況

馬馬崖一級水電站位于北盤江中下游，屬二等大(2)型工程。電站樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩(如圖1所示)，壩頂高程592.0 m，最大壩高109.0 m，壩頂長250.2 m，壩頂寬12.0 m，最大壩底寬100.5 m。河床壩段布置3孔開敞式溢流表孔，表孔尺寸為14.5 m×19 m(寬×高)，堰頂高程566.00 m，設計最大下泄流量為10 866 m3/s。采用“X”形寬尾墩、臺階壩面與戽式消力池相結合的消能方式，消力池長60.0 m，寬51.5 m。大壩工程由水電十六局負責施工。

2 基于surfer的土石方計算方法

2.1 計算原理

土石方工程量計算一般是在施工一段時間后，計算完成的工程量；或者按照土石分界線表面對土方量和石方量進行計算，確定土石比等。由于階段性挖填施工或確定土石分界線后，相關表面仍然是不規則的曲面，采用傳統方法計算較為困難，而利用surfer卻可以快速進行相關計算，在保證計算精度的同時還可實現計算過程的三維可視化。基于surfer的土石方量計算是以surfer作為軟件平臺，對已有測量數據進行網格化處理，建立數字高程模型，通過計算原始表面與完工表面兩個不規則曲面之間的組合體積來實現，從而計算出兩個曲面定義之間的精確體積。

2.2 數據處理

surfer豐富的數據接口，可以方便地處理Excel,txt等各種格式保存的數據。數據的來源一般為通過全站儀直接采集的地表離散高程點數據，采樣點密度、分布等無特殊要求。有了原始數據，還不能直接生成可供計算使用的三維表面，需要將包含有點位坐標(X，Y坐標)及屬性項(高程)的數據通過網格化處理，轉換成surfer特有的grd格式網格文件，才能夠繪制三維表面。在surfer中提供了12種插值方法，如反距離加權插值法、最小曲率法、克里金插值法等。選用合適的插值方法并設置行列間距后，即可將原始離散的數據轉換生成網格化的數據文件(如圖2所示)。需要注意的是，surfer對離散高程點數據進行網格化時，網格化的區域往往要超過需要計算的區域。因此，需要利用白化邊界文件將需計算區域以外的網格數據進行“白化”，即“白化”區域的數據將不進行計算和顯示。

2.3 三維曲面可視化

經過上述過程生成的網格化文件(邊界白化后)已經是可用來進行土石方計算的數字化三維模型，但利用surfer軟件的繪圖功能，我們可以更直觀的檢視數據完整性和正確性。對于土石方開挖和地形地貌，3D線框圖和3D曲面圖較為實用。圖3為馬馬崖一級水電站大壩壩址的原始地形圖(河道水面以下部位為大江截流后測量)，圖4,圖5為馬馬崖一級水電站大壩壩肩及基坑開挖完成后地形圖。在初次處理中，錯誤數據導致了個別位置三維地貌發生突變；缺失數據導致局部地貌因不含高程屬性而凹陷，方便了數據檢查。

2.4 方量計算及精度分析

經過上述過程生成的網格化文件(邊界白化后)已經可用來進行土石方計算。點擊“網格”菜單下的“體積”功能，將生成的網格化文件分別作為計算體積的上表面、下表面，點擊確定即可生成體積計算報告，如圖6所示。

采用surfer軟件計算的馬馬崖大壩開挖方量與監理單位采用傳統方式計算的開挖方量進行比較后發現，誤差約2.8%，高于國家土石方計算標準3 %的相對誤差標準，可靠性滿足要求。

3 結語

利用surfer軟件進行三維可視化土石方量計算，形象直觀，簡單高效，計算精度較高。另外surfer 軟件提供了編程腳本語言Scripter，可以利用其編寫規范化、系統化的土石方量三維可視化計算軟件，方便使用。

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On application of surfer software in visualized calculation of earthwork excavation volume

Jia Zhimin1,2Liu Jianfeng2

(1.ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000,China; 2.GuizhouQianyuanPowerCo.,Ltd,Guiyang550002,China)

Taking Mamaya Hydropwer Project as the example, the paper adopts surfer software to undertake the three-dimension visualized calculation of the excavation earthwork volume of the dam base, introduces the calculation process and data processing method, and points out the software can improve the calculation accuracy and meet the calculation demands for the large-scale earthwork project in complicated circumstances.

surfer software, earthwork volume, dam, three-dimension model

1009-6825(2017)06-0257-02

2016-12-06

賈志敏(1986- )，男，工程師； 劉劍峰(1991- )，男，助理工程師

TP319

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