基于ArcGIS Engine的山區土方量計算系統設計與實現

黃立鑫，李旺平，周兆葉，劉亞東，李志紅，楊戰青

（1.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省應急測繪工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅省自然資源廳，甘肅 蘭州 730000）

目前計算工程土石方量的基本方法主要有方格網法、橫斷面法和 DTM法三種[1-3]。國外學者針對這一問題做了很多研究，Kerry等[4]基于有限元法將地面三維激光掃描技術獲得的點云數據轉換成曲面，創建施工前和施工后不規則三角網（TIN）模型，以確定土方工程量。JANI?等[5]采用AutoLISP編程語言開發的基于數字地形模型計算土方量的應用程序，在AutoCAD環境下對幾個大型露天礦的實際應用進行了測試和驗證，結果表明這種新的數學模型能獲得更好的實現土方量計算。陸永紅[6]將三維坐標轉換與南方 CASS 軟件相結合解決礦山環境治理中出現空洞的土石方計算難題，通過實際工程案例驗證該方法的可行性。李博等[7]基于無人機傾斜攝影測量技術獲得地面研究區土方量，并與GNSS-RTK測量結果進行對比，結果表明利用該方法能夠提高土方計算精度高，并且能簡化工作流程降低生產成本。整體上可知，不少學者對于山區土石方量的計算這一問題從數據源獲取、計算方法等不同角度進行研究，但是由于山區環境復雜，氣候條件惡劣，三維激光掃描儀和GNSS-RTK測量時外業施測困難，用無人機施測也存在一定的局限性。而借助高分辨率的遙感影像、高精度的數字高程模型（DEM）等多源數據，選用合理的計算方法，是獲取山區復雜地形條件下土石方量的一種可行和有效的策略。利用DEM數據計算區域土石方量最常用的方法是通過Esri公司開發的ArcMap軟件的空間分析功能，首先用此模塊創建TIN模型，設定施工場地設計高程等參數進行計算，再利用ArcSence軟件中的3D模塊實現三維可視化。整個操作過程需要在兩個平臺之間進行數據轉換，增加了操作過程的復雜性。因此針對將遙感影像與數字高程模型相結合，并將二三維數據集成在同一個操作平臺，能夠快速高效地獲取山區復雜地形土石方量這一問題，依托Visual Studio和ArcGIS Engine二次開發平臺，基于衛星影像和高精度數字模型數據，開發出一套適應于山區復雜地形土石方量計算的系統，并通過實際工程案例數據計算驗證系統的穩定性和可行性。

1 系統設計

1.1 設計總體思路

該系統總體設計選擇由常規的基礎設施層、數據層和應用層三部分組成。

基礎設施層由服務器、存儲設備等軟硬件基礎設施，為系統提供必要的運行環境，系統采用Windows7操作系統，基于VS2010+ArcGIS Engine10.2為開發平臺，使用C#.NET語言進行編程，DevExpress15.2第三方控件對整體框架界面進行優化設計；數據層選取高分二號影像和DEM數據，依據系統的數據轉化功能模塊，將DEM柵格數據轉化成為TIN數據，通過ENVI等遙感衛星影像處理軟件對高分辨率影像進行后期處理制作正射影像數據，將TIN數據和正射影像數據作為系統的基礎數據源，建立可進行量測的三維場景模型；應用層通過搭建系統界面，實現文件管理、數據管理、數據分析和應用工具4個要功能菜單，方便對數據的管理及更新。本系統主要實現地圖顯示和圖層控制、遙感影像和TIN數據疊加顯示、二三維場景聯動顯示、土石方量計算、屬性查詢和生成斷面圖等服務功能。

1.2 系統功能設計

基于在山區基礎建設中對地形、地貌以及各種影響因素等的需求，山區復雜地形土石方量計算系統功能結構如圖1所示。

圖1 系統功能結構設計

2 系統關鍵技術的實現

2.1 地圖顯示和圖層控制功能

通過ArcGIS Engine添加MapControl和SceneControl控件，其中封裝的Map對象提供相應的屬性、方法和事件，可以加載矢量數據、柵格數據、CAD數據和二、三維地圖數據的功能，實現地圖顯示功能。編程設置二、三維地圖工具，對視圖顯示進行控制，如地圖放大、地圖縮小、地圖平移、全圖顯示、鷹眼顯示、漫游瀏覽等功能，其中漫游瀏覽是三維視圖特有的，通過定義鼠標事件，按住鼠標左鍵移動實現三維場景在三維空間的旋轉，滿足用戶最基本的地圖管理與地圖操作的功能。通過添加TOCControl控件實現圖層的順序調整和右鍵菜單等基本控制功能。

2.2 遙感影像和TIN數據疊加顯示功能

為了使山區復雜地形便于直接進行觀察和分析，更清楚地辨別各類地物地貌的特征，很多情況下需要通過將二維數據與三維數據相互疊加來實現地形渲染，增強地形和地表影像的相關性和三維可視化效果。系統設計實現遙感影像和TIN數據疊加顯示功能，主要使用ITinLayer和IRasterLayer接口從已有的TIN數據和影像數據對象中創建圖層，調用I3DProperties組件類的Apply3DProperties方法實現遙感影像數據和TIN數據疊加顯示，效果如圖2所示。

圖2 遙感影像和TIN數據疊加顯示

2.3 二三維場景維聯動功能

二三維場景聯動是將二維和三維顯示結合起來，通過相互操作響應機制實現信息之間的傳遞，克服常規二維GIS數據的抽象性和三維GIS虛擬場景漫游的迷失感，在復雜地形瀏覽分析過程中具有宏觀性、真實性和整體性等優點，增強區域的可視化效果。主要使用 IActiveView、IEnvelope、IPoint和 ICamera 接口[8]，創建目標點（Target）和觀察點（Observer）并設置對應的高度。在程序代碼中設置三維場景的高度角為60°，設置三維場景的方位角為180°。在系統中可以使用數據加載功能添加二維遙感影像圖和三維TIN圖，拖動鼠標，系統的二維界面和三維界面依據代碼設定的視場角度同時移動，實現二三維聯動功能，效果如圖3所示。

圖3 二三維場景維聯動

2.4 土石方量計算功能

系統開發的土石方計算模塊主要依據TIN數據計算區域內體積的原理，需要調用ISurface接口的GetVolume方法，GetVolume方法是雙重引用整型數據，通過IOException和AutomationException類的運算。計算過程中返回高于或低于輸入高程值（Z）的體積，計算TIN 表面相對于指定高程水平面之間的空間體積。在使用過程中選擇“基礎面之上”或“基礎面之下”選項，系統根據TIN數據結構自動計算出指定基礎面以上或以下的體積。土石方量計算模塊菜單如圖4所示。

圖4 計算模塊菜單

3 實例計算分析

選取甘肅省天祝縣約90 m2作為研究區，區域的整體特征是地勢西北高東南低，地貌以多山地為主，海拔在2 846～3 750 m之間。欲將整個區域進行平整，設計高程為3 700 m，計算研究區域需要挖方量。

將設計高程作為計算的基準面高度，通過系統開發的土石方計算模塊與傳統土方量計算軟件分別以設計高程為基準進行計算，比較分析各種方法計算結果的精確度，驗證開發模塊的可行性和準確性。

3.1 基礎數據

3.1.1 高分二號影像數據

高分二號衛星是我國首顆空間分辨率達到亞米級的民用遙感衛星，于2015年3月投入使用。其全色影像數據空間分辨率為1 m，星下點達到0.81 m，多光譜數據空間分辨率為4 m，星下點達到3.24 m[9]，影像的分辨率高，將其用于系統三維可視化的數據源能夠獲得很好的效果。

根據季節和云量選取研究區域的高分二號影像數據，首先通過ENVI和ERDAS軟件平臺對研究區的影像進行正射校正、自動配準、影像融合和波段轉換等基本處理，再利用開源計算機視覺庫（OpenCV）對影像進行拉伸和銳化的后處理，得到研究區高分二號遙感正射影像。

3.1.2 三維TIN數據

不規則三角網（TIN）模型相對于規則格網模型和等高線模型，由于TIN模型在構建過程中不受坡度等地形條件的限制，并且能夠更加精確的表示地形細部特征，能充分表現高程細節的變化，所以能夠更加有效的模擬較為復雜地形區域的地表真實情況。文中采用基于程序代碼的方法將研究區的基礎DEM數據轉換成三維TIN數據。

3.2 實例計算

3.2.1 系統開發模塊計算土石方量

打開軟件，選擇數據分析菜單下的土石方量計算模塊進行研究區域填挖方量的計算。將基礎面高度設為3 700 m，分別選擇“基礎面之上”選項，系統自動計算挖方量。得到挖方量為2 816 283.47 m3，其計算結果如圖5所示。

圖5 系統土石方量計算結果圖

3.2.2 傳統測量軟件計算土石方量

選用目前工程中常用的南方CASS9.0軟件進行土方量計算，本軟件工程應用中土方計算方法包括4種：DTM 法、斷面法、方格網法和等高線法[10]。方格法主要適用邊界規整地形變化不明顯的場地；斷面法適用于場地的地形起伏較大、變化明顯、且呈帶狀分布的區域[11]；DTM 法利用已知平面坐標點的高程信息，通過空間插值的方法計算土石方量，對于復雜不規則地形的計算精度較高；等高線法是根據等高距計算任意兩條封閉等高線間的土石方量[12]。根據以上土石方計算方法和適用地形條件，適合本次山區復雜地形土石方計算的方法有 DTM法和等高線法。選擇軟件DTM法土方計算功能對研究區的挖方量進行復核計算，其計算結果見表1。

表1 土方量計算結果/m3

3.3 計算精度對比分析

通過對系統開發模塊和傳統測量軟件土石方計算結果對比分析，可以得出結論：與傳統DTM法計算結果相比差值為671.4 m3，驗證表明該方法可用于土石方量的計算，計算結果能達到精度要求。由于系統開發的計算模塊采用的數據源是非接觸式獲取的，可以減少外業測量的工作量，計算過程簡單，因此在山區復雜地形環境中用于計算土石方量具有一定的實用性。

4 結 語

土石方量的計算方法和精度對工程建設具有重要的意義。文章介紹了基于VS和ArcGIS Engine開發平臺，使用C#.NET語言二次開發實現山區復雜地形土石方量計算系統的原理及技術方法，將二維影像數據和三維TIN數據有效地集成在同一個操作界面，增強了區域的可視化效果，并結合實際計算案例，采用不同方法對研究區域的土石方的填挖方量進行計算，結果表明通過本系統開發的計算模塊得到的填挖方量計算結果能夠達到精度要求，并且整個計算過程相比傳統計算方法更具有準確性和可操作性，能較好地解決在基礎工程建中，山區復雜地形條件下的土石方計算問題，為山區相關工程建設的決策和實施階段提供高精度的測繪數據服務。