CASS7.0土方量计算方法分析比较

2014-02-19冯琼瑛梁晓军

地理空间信息 2014年6期

冯琼瑛，肖敏，杨锋，梁晓军

（1.广东海洋大学实验教学部，广东湛江 524009；2.湛江海洋与渔业环境监测站，广东湛江 524039）

土方量计算是工程设计的一个重要组成部分，直接关系到工程造价。土方量的计算是个复杂的问题，会受到场地平整时的坡度、计算方法、施工验收方法、土的松散系数以及高程误差等因素的影响[1]。土方量计算软件和方法很多，不同的计算方法原理不同, 适用的场合及精度也不尽相同。下面就CASS7.0土石量计算常见的方格网法、断面法、等高线法及DTM法的基本原理、计算精度和适用条件进行分析比较。

1 CASS7.0土方计算方法概述

方格网法是土方量计算最基本的方法之一。该方法计算土方量时，通常将地面分成规则的矩形地块，细分到每一网格的地块高程相等[2]，其基本原理是：根据实地测定的地面点坐标（X，Y，Z）和设计标高，在地形图指定范围内绘制方格网，将方格四个角上的高程相加（如果角上没有高程点，就通过周围高程点内插得出），取平均值与设计高程相减，计算出每一个方格的填挖高度，再乘以每个方格的面积，求出每个方格的填挖方量。最后累加计算出指定范围内填挖方量，并绘制出填挖方分界线。

断面法是根据计算体积的范围，以一定的间距等分场地，并作断面；按照设计高程与地面线所组成的断面图,计算每条断面线所围成的面积；以相邻两断面面积的平均值乘以间距[3], 得出相邻两断面间的体积，再通过累加计算整条线路的填挖方量。计算公式为（S1+S2）/2×L，其中，S1、S2分别为断面1、断面2的面积，L为两断面间的距离。

等高线法是利用图上封闭的等高线来计算土方量，先计算出两条相邻等高线所围成的面积，乘以这两条相邻等高线间的高程差，求出这两条相邻等高线围成的墩台形的土方量，再通过累加计算出指定范围内的土方量。

数字地面模型（DTM）法是根据实测地面点坐标（X，Y，Z）和设计高程，生成不规则三角网来计算每个三棱锥的填挖方量。采用DTM法时，地表被模拟成许多不规则的三角形斜面，每个三角形覆盖的范围就是体积微元，每个体积微元的地形被简化成三棱锥，通过计算每个三棱锥的填挖方量，最后累加计算出指定范围内的填挖方量[4]。

2 案例分析

以某公园沙滩整治工程中的土方量计算为例,该工程整治范围约13万m2，南北海岸线全长约600 m，东西宽约200 m，测量点间隔约5 m。其中，整治前测量点5 058个，最小值-4.434，最大值6.215，平均值1.105 704，标准差1.680 158。整治后测量点4 839个，最小值-4.357，最大值6.215，平均值1.916 458，标准差2.085 217（高程单位：m）。采用不同设置，计算得出填挖方结果如表1所示。

表中序号1～6项均采用方格网法，用方格网法计算土方量，设计面可以是水平的，也可以是倾斜的，还可以是实测地形生成的三角网。计算时，先用复合线画出所要计算土方的闭合区域（一定是闭合而不是拟合，因为拟合过的曲线在进行土方计算时会用折线迭代，影响计算结果的精度）。序号1、2、3项在计算时假定设计面为平面，设计高度为7 m（该案例最大高程值不超过7 m），分别计算出整治前后的填方量，相减即得到回填方量。此法适合于只有填方或只有挖方的工程计算（如果某工程同时存在挖方和填方，计算结果会有部分抵消）。序号4、5、6项以整治后的实测数据生成的三角网为设计面。计算过程是先以整治后的实测结果生成整治后.sjw文件，选择设计面为三角网，打开整治后.sjw，设置方格宽度分别为20 m、10 m、5 m。序号7采用DTM法，先分别生成整治前.sjw和整治后.sjw，然后选择计算两期土方量，导入整治前.sjw和整治后.sjw，系统经过约1 h等待后得到总的挖填方量，同时每个三角网的挖填方量保存在dtmtf.log文件中。序号8采用ArcGIS10地形转栅格法，作为横向比较参考。该地形转栅格法采用迭代有限差分插值技术，可将点、线和面数据插值成符合真实地表的栅格表面，专门用于创建符合真实地表的DEM[5]。

表1 某公园沙滩整治填挖方计算结果

断面法和等高线法不适用于本工程，此处不赘述。

计算结果误差分析如表2所示。该整治工程以填方为主。虽然受海流影响，局部如东面近海一侧因海水浸蚀会产生少许挖方量，但比例极少，故忽略对挖方量的误差分析。

表2 某公园沙滩整治填挖方计算结果误差分析/%

从表2可以看出,无论是与CASS平均值比较，还是与ArcGIS10的地形转栅格法计算方法比较,本案例中方格宽度设置为10 m的方格网法误差最小。此方法操作简单，当需要分别计算填、挖方量时，宜采用设计面为三角网计算，当只需计算回填方时，可采用设计面为平面计算。DTM法计算精度高，但计算时间较长，计算结果保存在dtmft.log文件中，查看不够直观。本例中方格网法（设置方格宽度5 m）与DTM法计算结果最为接近，巧合的原因在于本案例实测点距正好大约5 m。

3 精度分析

土方量计算是一种近似算法，不同的计算方法，或者不同的参数设置都会导致计算结果不同。计算精度主要取决于数据采集的精度和密度。在进行数据采集时，高程点分布要均匀，并注意地貌特征点、地形变换点的选择，对高程不足的地方必须根据实际情况补加。

方格网法的精度取决于数据采集的密度和方格网的大小设置。对地形起伏大的网格，可以通过加密网格的方法提高计算精度。方格大小默认为20 m×20 m，也可以根据场地大小或野外采集点密度自行设置。一般说来，方格的宽度越小,计算精度越高。但如果方格宽度设置过小,超过野外采集点的密度也没有实际意义。从本例可以看出，当方格大小设置适中时误差最小，过大或过小都不合适。

DTM法的精度取决于采样密度、测量误差、地形类别、高程点数目和位置等，特别是地形特征点必须采集到。使用DTM法计算时要先根据采集的高程数据文件建立三角网，并对已经生成的三角网进行必要的编辑。

断面法的精度只有当两相邻断面面积S1、S2相差不大时才能保证，而且间距越小,精度越高。计算时要注意横断面数据的选择和计算，对地形起伏较大的地方要增加断面数。

等高线法的精度主要由矢量化后得到的地形图的精度决定。一般此方法计算得到的精度较差，当地面起伏较大、坡度变化较多,且地形图精度较高时可考虑采用[6]。