工程土方计量系统研究与实现

肖维 刘茗溪 周小录

摘 要：在工程项目前期土建设计过程中，开发一套高精度、易操作的工程土方计量系统具有重要意义。本文结合地理信息系统技术、计算机技术和数据库技术等技术手段，采用C#语言对ArcGIS平台进行二次开发，对TIN算法进行改进，并研发了工程土方计量系统。通过与南方CASS和ArcGIS传统的TIN算法进行对比分析得出：采用本系统计算出的土方量精度较高，大大提高了工程土方计量内业数据处理的效率，精简了数据处理流程。

关键词：ArcGIS二次开发 改进TIN方法 土方计量

中图分类号：U415.1 文献标识码：A 文章编号：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

工程土方計量是编制工程概预算、招标标底、投标报价、签订施工合同以及工程结算、确定工程造价的最基本数据。工程建设中，针对复杂多变的地形地势，通常需要根据建设要求进行填挖，精准地填挖方计算就显得尤为重要。在传统的土方计量中，往往先要进行长久的野外测量采样，然后对测量得到的数据进行处理，最后才能进行工程土方计算。整个计算过程复杂繁重，外业需要采样大量数据，内业计算存在重复的劳动且效率较低，计算精度也较低。因此，如何提高工程土方计量的精度、减少内外业劳动量成为了现今研究的重点。

1 工程土方计量系统架构

工程土方计量系统作为一个整体分为数据操作层、技术算法层、输出层，如图1所示。本系统主要由计量数据的导入、计量区域边界绘制、工程土方计量（改进的TIN方法）、剖面分析、空间量测、制作专题地图等功能模块组成。该系统主要应用于工程土方量的计算及地图输出，具体操作流程如下：首先，设置计量区域的空间参考系，将外业测量得到的数据（dat文件或Excel文件）导入系统，并绘制将要计算的区域边界，需要分别导入一期数据与二期数据。然后，选择一种土方计量的方法（改进的TIN方法）进行土方计算，计算完成后，可以对一期地表和二期地表进行剖面分析。最后，制作专题地图并导出，本系统架构流程图如图2所示。

2 工程土方计量系统设计

2.1 系统数据操作层

系统数据层主要包括了4个方面：一是设置地图的空间参考系（投影坐标系和高程系）；二是将计量数据导入系统，格式为dat文件或Excel数据；三是描绘计量区域的边界；四是对导入的数据进行基础的操作。

2.2 系统技术算法层

系统技术层主要包括了4个方面：一是工程土方计量，本系统采用的是改进的TIN方法；二是剖面分析，剖面分析是对一期地表与二期地表任意对应区域前后变化情况查看；三是空间量测，主要是地表上点与点之间的距离计算以及地表任意区域的面积量测；四是地图操作，主要是专题图的制作，为地图添加基础元素（图名、图例、比例尺指北针等）。

本系统的核心算法是改进的TIN算法，TIN算法具有以下优点：三角网中的点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格结点；不改变原始数据和精度；能够插入地性线以保存原有关键的地形特征，以及能很好地适应复杂、不规则地形，从而将地表的特征表现得淋漓尽致等。但是，TIN算法原理是由测量点连线形成三角网，如果计算边界上没有测量点，则会导致边界上没有值，从而产生误差。因此，针对TIN算法进行了改进，将TIN算法无法计算的边界，采用克里金插值算法插值出边界的值，用来填补TIN无法生成边缘值的这一个问题。这样就可以很大程度上降低了TIN方法的计算误差。本系统的核心算法即保留了TIN算法的所有优点，又改进了TIN算法的缺点。通过实验证明改进的TIN算法是可行有效的。实验验证如下。

利用新左旗8个实际地块的测量数据，分别采用了克里金法、改进的TIN、格网法进行工程土方计算，结果如表1所示。

通过计算相对误差对三种方法的精度进行评定。相对误差计算公式为：

（1）

其中，V分别为每种方法计算得到的土方量，V真为三种方法计算结果的平均值。计算结果如表2所示。

由上面实验可以得出：改进的TIN法的相对误差值低于格网法和克里金法，表明改进的TIN法的精度高于格网法和克里金法，改进的TIN法计量值更为可信。本系统的计算精度是完全符合生产标准的，可投入生产使用。

2.3 系统输出层

系统输出层主要是专题图的输出，可以选择不同格式的图片文件输出。

3 工程土方计量系统功能

本系统的功能如图3所示，主要包括了以下4个模块：

（1）基本工具模块：空间参考、数据导入、编辑图层、视图控制、空间量测、地图导出。

（2）计算土方量模块：土方计算、地表插值。

（3）剖面分析模块：地表选择、查询、剖面分析。

（4）视图模块：视图控制、设置界面样式。

下面将重点介绍以下3个功能：土方计算功能、剖面分析功能和地图导出功能。

3.1 土方計算功能

土方计算功能包含了两种土方计算方法，分别是克里金法和改进的TIN方法。在确定计算区域后，添加一期地表数据、二期地表数据以及区域边界，然后选择任意一种计算方法，即可完成土方的计算。计算结果如图4、图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，然后绘制剖面线，最后通过查看剖面，可以直观地查看地形表面的变化情况，如图6所示。

3.3 地图导出功能

地图导出功能主要是实现地图的输出，并可以为其添加地图元素。包含了以下3个子功能。

（1）操作：导出地图时需要的基本操作（放大、缩小平移、整个页面、更改布局）；

（2）元素：导出地图时，地图基本元素的添加（文本、指北针、图例、比例尺、）以及对添加的元素进行修改操作。

（3）出图：实现地图的导出。

地图导出结果如图7所示。

4 创新点与结论

4.1 创新点

（1）通过理论分析、实验测算，对数字高程模型的基础理论和内插方法进行了研究。解决了TIN方法在计算中的不足，对传统的TIN方法加以改进填补其在边缘数据不足的情况下导致无法计算的问题。

（2）采用ArcGIS平台进行了二次开发，定制了计算工程土方量，实现了对工程土方计量过程的批量可视化处理，系统界面友好、运行稳健、计算结果可靠。

4.2 结论

总体上来说，本系统相比于传统的土方计算软件，计算土方量简单、快速、自动化程度高，实现了土方的可视化。同时，计算精度比较高且通用性强，适用于不同地形地貌区域的工程土方计量，不仅减小了外业工作量，还提高了内业计算的效率，节约了工程成本。

本系统的功能还有待完善，下阶段将在系统已有的两种计算方法上添加“自然邻域插值法”“样条插值法”，“反距离加权插值法”等计算算法，以便于用户能够根据实测区域的地形来选择不同的插值方法，使系统的计算结果更精准可靠。同时，由于工程土方填挖方量的实际数据难以进行准确测量，精度难以进行准确的评价，下阶段应结合实验区的具体情况，根据具体的地形智能选取插值方法，优化方案。除此之外，下一步还可以结合ArcGIS的路网分析等功能，实现从挖填方施工到调配运输一体化的可视化过程，为工程土方计量及调配方案优选提供了一种新方法。

参考文献

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