工程土方計量系統研究與實現

肖維 劉茗溪 周小錄

摘 要：在工程項目前期土建設計過程中，開發一套高精度、易操作的工程土方計量系統具有重要意義。本文結合地理信息系統技術、計算機技術和數據庫技術等技術手段，采用C#語言對ArcGIS平臺進行二次開發，對TIN算法進行改進，并研發了工程土方計量系統。通過與南方CASS和ArcGIS傳統的TIN算法進行對比分析得出：采用本系統計算出的土方量精度較高，大大提高了工程土方計量內業數據處理的效率，精簡了數據處理流程。

關鍵詞：ArcGIS二次開發 改進TIN方法 土方計量

中圖分類號：U415.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-00-06

Abstract：In the process of civil engineering design in the early stage， it is of great significance to develop a set of engineering earthwork measurement system with high precision and easy operation.In this paper， combined with geographic information system technology， computer technology and database technology and other technical means， using C# language ArcGIS platform for secondary development， improvement of TIN algorithm， and the development of engineering earthwork measurement system.Through the comparison and analysis with the traditional TIN algorithm of CASS and ArcGIS in south China， it is concluded that the precision of earthwork calculated by this system is relatively high， which greatly improves the efficiency of the data processing of engineering earthwork measurement and simplifies the data processing process.

Key Words：ArcGIS secondary development； Improve TIN method； Soil quantity meter

工程土方計量是編制工程概預算、招標標底、投標報價、簽訂施工合同以及工程結算、確定工程造價的最基本數據。工程建設中，針對復雜多變的地形地勢，通常需要根據建設要求進行填挖，精準地填挖方計算就顯得尤為重要。在傳統的土方計量中，往往先要進行長久的野外測量采樣，然后對測量得到的數據進行處理，最后才能進行工程土方計算。整個計算過程復雜繁重，外業需要采樣大量數據，內業計算存在重復的勞動且效率較低，計算精度也較低。因此，如何提高工程土方計量的精度、減少內外業勞動量成為了現今研究的重點。

1 工程土方計量系統架構

工程土方計量系統作為一個整體分為數據操作層、技術算法層、輸出層，如圖1所示。本系統主要由計量數據的導入、計量區域邊界繪制、工程土方計量（改進的TIN方法）、剖面分析、空間量測、制作專題地圖等功能模塊組成。該系統主要應用于工程土方量的計算及地圖輸出，具體操作流程如下：首先，設置計量區域的空間參考系，將外業測量得到的數據（dat文件或Excel文件）導入系統，并繪制將要計算的區域邊界，需要分別導入一期數據與二期數據。然后，選擇一種土方計量的方法（改進的TIN方法）進行土方計算，計算完成后，可以對一期地表和二期地表進行剖面分析。最后，制作專題地圖并導出，本系統架構流程圖如圖2所示。

2 工程土方計量系統設計

2.1 系統數據操作層

系統數據層主要包括了4個方面：一是設置地圖的空間參考系（投影坐標系和高程系）；二是將計量數據導入系統，格式為dat文件或Excel數據；三是描繪計量區域的邊界；四是對導入的數據進行基礎的操作。

2.2 系統技術算法層

系統技術層主要包括了4個方面：一是工程土方計量，本系統采用的是改進的TIN方法；二是剖面分析，剖面分析是對一期地表與二期地表任意對應區域前后變化情況查看；三是空間量測，主要是地表上點與點之間的距離計算以及地表任意區域的面積量測；四是地圖操作，主要是專題圖的制作，為地圖添加基礎元素（圖名、圖例、比例尺指北針等）。

本系統的核心算法是改進的TIN算法，TIN算法具有以下優點：三角網中的點和線的分布密度和結構完全可以與地表的特征相協調，直接利用原始資料作為網格結點；不改變原始數據和精度；能夠插入地性線以保存原有關鍵的地形特征，以及能很好地適應復雜、不規則地形，從而將地表的特征表現得淋漓盡致等。但是，TIN算法原理是由測量點連線形成三角網，如果計算邊界上沒有測量點，則會導致邊界上沒有值，從而產生誤差。因此，針對TIN算法進行了改進，將TIN算法無法計算的邊界，采用克里金插值算法插值出邊界的值，用來填補TIN無法生成邊緣值的這一個問題。這樣就可以很大程度上降低了TIN方法的計算誤差。本系統的核心算法即保留了TIN算法的所有優點，又改進了TIN算法的缺點。通過實驗證明改進的TIN算法是可行有效的。實驗驗證如下。

利用新左旗8個實際地塊的測量數據，分別采用了克里金法、改進的TIN、格網法進行工程土方計算，結果如表1所示。

通過計算相對誤差對三種方法的精度進行評定。相對誤差計算公式為：

（1）

其中，V分別為每種方法計算得到的土方量，V真為三種方法計算結果的平均值。計算結果如表2所示。

由上面實驗可以得出：改進的TIN法的相對誤差值低于格網法和克里金法，表明改進的TIN法的精度高于格網法和克里金法，改進的TIN法計量值更為可信。本系統的計算精度是完全符合生產標準的，可投入生產使用。

2.3 系統輸出層

系統輸出層主要是專題圖的輸出，可以選擇不同格式的圖片文件輸出。

3 工程土方計量系統功能

本系統的功能如圖3所示，主要包括了以下4個模塊：

（1）基本工具模塊：空間參考、數據導入、編輯圖層、視圖控制、空間量測、地圖導出。

（2）計算土方量模塊：土方計算、地表插值。

（3）剖面分析模塊：地表選擇、查詢、剖面分析。

（4）視圖模塊：視圖控制、設置界面樣式。

下面將重點介紹以下3個功能：土方計算功能、剖面分析功能和地圖導出功能。

3.1 土方計算功能

土方計算功能包含了兩種土方計算方法，分別是克里金法和改進的TIN方法。在確定計算區域后，添加一期地表數據、二期地表數據以及區域邊界，然后選擇任意一種計算方法，即可完成土方的計算。計算結果如圖4、圖5所示。

3.2 剖面分析功能

剖面分析，首先，添加一期地表面和二期地表面，然后繪制剖面線，最后通過查看剖面，可以直觀地查看地形表面的變化情況，如圖6所示。

3.3 地圖導出功能

地圖導出功能主要是實現地圖的輸出，并可以為其添加地圖元素。包含了以下3個子功能。

（1）操作：導出地圖時需要的基本操作（放大、縮小平移、整個頁面、更改布局）；

（2）元素：導出地圖時，地圖基本元素的添加（文本、指北針、圖例、比例尺、）以及對添加的元素進行修改操作。

（3）出圖：實現地圖的導出。

地圖導出結果如圖7所示。

4 創新點與結論

4.1 創新點

（1）通過理論分析、實驗測算，對數字高程模型的基礎理論和內插方法進行了研究。解決了TIN方法在計算中的不足，對傳統的TIN方法加以改進填補其在邊緣數據不足的情況下導致無法計算的問題。

（2）采用ArcGIS平臺進行了二次開發，定制了計算工程土方量，實現了對工程土方計量過程的批量可視化處理，系統界面友好、運行穩健、計算結果可靠。

4.2 結論

總體上來說，本系統相比于傳統的土方計算軟件，計算土方量簡單、快速、自動化程度高，實現了土方的可視化。同時，計算精度比較高且通用性強，適用于不同地形地貌區域的工程土方計量，不僅減小了外業工作量，還提高了內業計算的效率，節約了工程成本。

本系統的功能還有待完善，下階段將在系統已有的兩種計算方法上添加“自然鄰域插值法”“樣條插值法”，“反距離加權插值法”等計算算法，以便于用戶能夠根據實測區域的地形來選擇不同的插值方法，使系統的計算結果更精準可靠。同時，由于工程土方填挖方量的實際數據難以進行準確測量，精度難以進行準確的評價，下階段應結合實驗區的具體情況，根據具體的地形智能選取插值方法，優化方案。除此之外，下一步還可以結合ArcGIS的路網分析等功能，實現從挖填方施工到調配運輸一體化的可視化過程，為工程土方計量及調配方案優選提供了一種新方法。

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