土地開發(fā)整理計算土方量的兩種方式

左玉珍 閏永強

[摘要]土方量計算是土地開發(fā)整理項目的重要內容，現階段應用ArcGis的“面體積法”計算土方量已經是成熟的技術，在將此方法優(yōu)化改造以便于后期應用的過程中，研究出一種“插值法”來計算土方量的方式。本文以選定研究區(qū)域為例比較兩種方法的計算過程，提出兩方法的適用情況，為土地開發(fā)整理土方量計算提供借鑒。

[關鍵詞]土方量計算;TIN;面體積;插值法

[中圖分類號]P208

[文獻標識碼]A

土地開發(fā)整理是在研究區(qū)域土地利用現狀的基礎上，依托自然地勢，周邊環(huán)境及當地經濟條件和村民意愿，重新安排田、水、路、林、村等工程，使之改造成為優(yōu)質良田，以增加有效耕地面積、改善農業(yè)生態(tài)條件的行為。主要涉及土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路等工程。

在開發(fā)整理工作過程中，土方量計算方法的優(yōu)劣直接影響工作進展。現階段主要應用ArcGis軟件的DEM方法進行土方量計算，其過程是由高程數據生成TIN三角網模型，再由“面體積”工具與規(guī)劃梯田面數據疊加，生成填挖方體積，這種方法我們稱為“面體積法”[1]。在土方量生成后將數據導出到Excel電子制表軟件中進行后續(xù)利用，因此產生一種思路，若能將空間計算轉換成純數值計算，便能利用Excel的強大數據計算統計分析能力，于是產生了“插值法”計算土方量。

本文以“張家口市懷安縣王虎屯鄉(xiāng)涌泉堡村等二個村土地整治區(qū)”為研究區(qū)域，應用“面體積法”和“插值法”兩種方法進行土方量計算，比較兩種方法的計算過程和結果，提出兩種方法的適用情況。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于懷安縣，懷安縣地處河北省西北部，隸屬于張家口市，涉及王虎屯鄉(xiāng)涌泉堡村、西李家窯村兩村土地。研究區(qū)域地處淺山丘陵區(qū)，地貌類型為U型溝壑;地勢南高北低，最高點1252m，最低點1162m，高差較大。多雨季節(jié)雨水匯流形成地面徑流，侵蝕原有地表形成溝谷，溝谷底部較寬且平坦。

2 土方量計算

2. 計算原理

土方量的計算就是體積的計算，無論地形簡單或復雜，總要由面積和高程數據才能完成計算。DEM數字高程模型，是利用地形高程數據描述地形表面的矢量模型，利用ArcGis軟件能夠方便的根據高程數據建立DEM模型[2]。在ArcGis中建立DEM模型，首先根據高程點生成TIN文件，TIN文件是以三角網模擬地形表面的一種表面模型文件。它可以疊加另一高程數據，依據兩者高差和面積可以進行體積計算。

2.2 數據準備

研究區(qū)域范圍內，在測量數據分析整理的基礎上，首先考慮行政界線、現狀道路、地形有無較大變化和規(guī)劃道路等因素初步劃分大的地塊，其次在劃分地塊的基礎上依周圍地勢自高而低、研究區(qū)域形狀和走向繼續(xù)分割梯田塊;然后按研究區(qū)域兩端與現狀高程相銜接的原則設定兩端的規(guī)劃高程，按相鄰梯田塊設定2米高差的要求給定所有梯田的規(guī)劃高程，形成梯田面矢量數據，以此作為計算土方量的田塊基礎。

利用ArcGis軟件中3D分析工具箱中的“創(chuàng)建TIN”工具，輸入要素選擇高程點數據，高程字段選擇“Elevation”，可同時輸入“項目區(qū)面”要素以控制TIN輸出的范圍， “SF TYPE”選擇“Soft_Clip”方式，然后設定坐標系和輸出位置，生成現狀TIN文件。

生成的TIN結果如圖1所示。

兩種土方量計算方法一種以ArcCis內部分析工具“面體積”計算，另一種“插值法”，由現狀TIN轉柵格、柵格轉點要素，規(guī)劃高程賦予點要素（以點要素承載現狀高程，通過空間賦值使得每個點要素得到其所屬梯田塊編號和規(guī)劃高程），然后點屬性表轉出到EXCEL中，用公式進行計算土方量。

2.3 面體積法計算土方量

2.3.1 計算現狀高程

現狀高程計算的思路是先計算出高于海平面的所有梯田塊的體積，每個梯田塊體積除以其水平面面積即為其現狀平均高程。

研究區(qū)域范圍內，在測量數據分析整理的基礎上，首先考慮行政界線、現狀道路、地形有無較大變化和規(guī)劃道路等因素初步劃分大的地塊，其次在劃分地塊的基礎上依周圍地勢自高而低、研究區(qū)域形狀和走向繼續(xù)分割梯田塊;然后按研究區(qū)域兩端與現狀高程相銜接的原則設定兩端的規(guī)劃高程，按相鄰梯田塊設定2米高差的要求給定所有梯田的規(guī)劃高程，形成梯田面矢量數據，以此作為計算土方量的田塊基礎。面狀要素采用以上步驟形成的梯田面，建立一個數據字段“水平面”，賦值為0代表海平面。打開面體積工具，輸入梯田面（“條田面”）和現狀TIN文件，在高程字段選項中點選“水平面”字段，參考平面選擇“ABOVE”，體積字段設置為“體積”，按“確定”輸出計算結果。打開梯田面屬性表，建立“現狀平均高程”字段，字段類型設置為雙精度型，依據“現狀平均高程：體積/SHAPE_Area”計算出現狀平均高程。

2.3.2 根據規(guī)劃高程計算填挖方量

同理，應用“面積體”工具，輸入梯田面和現狀TIN文件，在高程字段選項中點選“規(guī)劃高程”字段，參考平面選擇 “ABOVE”，體積字段設置為“挖土方量”，按“確定”計算挖土方量結果。再次應用“面積體”工具，輸入梯田面和現狀TIN文件，在高程字段選項中點選“規(guī)劃高程”字段，參考平面選擇“BELOW”，體積字段設置為“填土方量”，按“確定”計算填土方量結果。經匯總填土方量=546413方，挖土方量=546706方，當前設計下，研究區(qū)域內填挖方量基本平衡。

2.4 插值法計算土方量

2.4.1 現狀TIN轉柵格

根據生成的現狀TIN文件，應用3D分析工具箱中“TIN轉柵格”工具，生成現狀柵格。輸入TIN選擇“現狀TIN”，采樣距離設置為“CELLSIZE”方式，距離設置為1米，輸出柵格為 “現狀柵格”。

采樣距離代表生成每個柵格單元的邊長，若研究區(qū)域面積過大，可適當調大采樣距離，否則生成的數據量會偏大，使計算量也會增大。經過柵格轉換，相當于把研究區(qū)域轉換為i平方米的柵格格網單元，每個格網都有其高程數值。

2.4.2 柵格轉點文件

應用ARCCISI具箱“柵格轉點”工具，將現狀柵格轉換成點文件，每個點要素同樣代表1平方米，“Value”字段記錄的就是每個點要素的高程值。

從最初的高程點數據，到TIN矢量三角網數據模型，再轉換為柵格數據，由柵格數據再轉換成點要素文件，現狀高程數據由測量的離散點變成規(guī)則的格網點，相當于完成了高程的插值，因此這種方法可稱為“插值法”。

2.4.3規(guī)劃高程賦予點文件

兩文件賦值可以采用多種方法，當前情況可以使用標識分析工具，將梯田面的梯田號與規(guī)劃高程數據賦值到點文件。

這樣每個點要素既有現狀高程，又有規(guī)劃高程，同時每個點要素代表固定的面積，因此每個點要素上的規(guī)劃土方量是確定的。根據每個點要素的所屬梯田號進行匯總分析，就可得到每個梯田塊的規(guī)劃填挖方量。

2.4.4 點要素屬性轉出Excel計算

復雜的土方量計算轉換成為每個點位上的體積計算，也是從GIS方式i十算轉換成純數值計算的過程。這樣只要把每個點位的現狀和規(guī)劃高程數據導出到Excel，就能進行數據計算和統計匯總分析了。

將“柵格轉點賦規(guī)劃值”文件的屬性表導出dbft格式，用EXCEL將其打開，處理成如圖2所示，B列為現狀高程，D列為規(guī)劃高程，在E1中填入“土方量”，E列用于計算規(guī)劃高程減現狀高程值，在F列使用“if，公式得到每個點的填挖屬性，公式為“=if（E：E>0，”填方”，”挖方”）”如果E列的值大于0，則為填方，否則為挖方[3]。

創(chuàng)建數據透視表，得到每個梯田塊的填挖方值。最終整理好的表格當前填挖方量均約為54.7萬方，能夠實現研究區(qū)域內土方平衡。

研究區(qū)域總面積為13.1913公頃，由每平方米動土方量：總土方量/研究區(qū)域總面積，計算得出每平方米動土方量約為4.14立方米，說明在當前設計下單位動土方量是很大的，這種情況只是純理論計算，實際項目過程中還要對高程變化大的邊緣地帶設置不動工區(qū)，并且在重新劃定的研究區(qū)域的邊坡上還要設置削坡，設置邊緣削坡能極大的減小動土方量，并能夠保護周邊地勢的穩(wěn)固，本文只從土方量計算的兩方法進行說明。

3 對比分析

這兩種土方量計算的方法都是以建立DEM模型為基礎，依托于高程點數據創(chuàng)建TIN三角網模型文件。由計算結果可知，最終的土方量基本相同。

面體積方式是直接在ArcGis內部計算挖填方量，通過“面體積”工具計算規(guī)劃梯田面與TIN表面之間的體積，在規(guī)劃高程之上的即為挖方，在規(guī)劃高程之下的即為填方。這種方法比較簡便迅速，在重新分割田塊重置規(guī)劃高程時有較大優(yōu)勢。

插值方式是由TIN轉柵格，柵格轉點，賦予點規(guī)劃高程，在Excel中通過計算每個點的填挖方來實現總的土方量的計算。這種方式操作步驟稍多。通過匯總表格，能夠清晰的知道哪些田塊的土方量過大，是大在填方還是挖方上，在不改變設計的梯田塊的前提下，只通過調整表格內規(guī)劃高程數據即能實現土方量的即時更新，并且數據統計匯總極為方便。

同時，這兩種方式都是在當前設計形狀下的試算，如果土方量不合要求還必須修改梯田形狀和相應的規(guī)劃高程，然后重新依上步驟計算，直到土方量達到要求。

4 結論

對于土方量的計算有多種方式，選取合適的方式能夠有效快速的實現土方量的計算。本文所述“面體積法”在對土方量進行計算時步驟少，對于規(guī)劃田塊和規(guī)劃高程進行修改時能夠快速實現土方量計算。插值點法提出了一種由矢量方式計算轉化成純數值計算的思路，利用Excel的強大數據計算統計分析功能，能夠方便的為文本提供表格等數據。

[參考文獻]

[1]柳長順，齊實，杜麗娟，土地整理項目土方量計算方法[J].中國水土保持科學，2003（06）.

[2]李志林，朱慶，數字高程模型.武漢：武漢大學出版i.2003.

[3]曲世潔，王子茹.ArcCis結合Excel-VBA在土地平整土方量計算及調配的應用研究[J].水利與建筑工程學報，2011（06）.

[作者簡介]左玉珍（1976-），女，河北省石家莊市人，工程師;閆永強（1977-），男，河北省石家莊市人，本科，工程師。