基于CASS与ArcGIS的土方量计算研究

路 鑫，马顺霞，孟 杰，杨亚平

(金川集团矿山工程分公司，甘肃 金昌 737100)

1 前言

土方量定义为地表与初始地表之间土地体积值之差，由于建设需要计算建构筑物土方量[1]，计算过程中遵循填挖平衡、挖大于填的原则[2]。高线法、方格网法、三角网格法、断面法等是常用的土方量计算方法，由于每种方法原理限制，导致每种方法的应用范围并不相同；并且计算过程的繁杂造成计算出的结果精度不高[3]。因此本文提出利用ArcGIS计算土方量的方法，并与CASS计算土方量进行对照，检验该方法的效果。

2 研究方法

2.1 CASS土方量计算

对任意格网的土方量计算，都可以根据给出的数据进行分析，土方分量可以表示为[4]：

ΔX(g,h)=X(g,h)t-X(g,h)

式中：X(g,h)t——地表DEM的格网点高程。

对任意格网点(g,h)而言，若ΔX(g,h)>0，该格网为挖方；反之，该格网为填方。假设格网面积为S，则计算后该格网处的土方量为：

V(g,h)=ΔX(g,h)×S

然后由填挖方累加值设计目标区域的填挖方量。

2.1.1 DTM法

首先利用已有的高程点数据建立三角网格和DTM模型；由实测得的地面点坐标(X,Y,Z)和设计高程，可以解算出各三棱锥中的填挖土方量；然后累加得到目标区域需要填挖的土方量；最后运用插值法建立插值，绘制出填挖方分界线。

2.1.2 方格网法

由于地势起伏程度不同和土方量的估算精度高低，将方格网的边长控制在10m至20m之间；经过内插得出网格中各方格点的高程，记于方格的左右上角；计算填挖方平衡的设计高程；填方和挖方的分界线可以由内插法画出；最后总填挖土方量由各方格填挖量累加得到[5]。其中：

填/挖高度=地面高程-设计高程当计算结果为正时，表示挖方量；反之，表示填方量，记填挖土方量的高度于各方格点的右下角。

2.2 ArcGIS土方量计算

处理室外测量的数据高程点，检验是否存在错误数据并设计工作面高程；ArcMap加载高程点，生成不规则三角网；然后基于ArcGIS空间插值生成原始地形DEM，用3D analysis建立TIN，在DEM的基础上用表面分析计算土石方量[6]。

3 实例分析

3.1 CASS计算土石方

在CASS中加载特征高程点观测数据进行展点。在进行DTM计算土石方时，设置一组5m的边界采样间距的直接法进行比较[7]。

在设置平场标高与边界采样距离后计算土石方量，两种方法计算出填挖方量见表1。

表1 填挖方量 m3

两种方法确定的填挖边界线如图1。

图1 填挖边界线示意图

土方量计算的差异分析，主要原因是DTM模型的差异，第一种设置了边界取值5m，第二种直接建立DTM模型。具体如何选择计算方法，则需要经过多种因素结合后作出选择。二者差异如图2。

图2 土方量计算差异示意图

在方格网法中，选择设计平面，调整目标高程与方格宽度分别为25m和5m，土方量计算及填挖方量见图3。

图3 土方量计算及填挖土方量图

3.2 ArcGIS计算土石方

利用ArcGIS进行土方量计算，首先对数据进行预处理，经过坐标转换后生成三维坐标数据，利用三维坐标数据建立TIN，并将TIN转换为栅格数据[8]，如图4。

图4 TIN模型及栅格模型图

利用3D cut/fill工具对TIN文件进行填挖计算后生成一个图层，红色表示填充土方的范围，蓝色表示要挖掉土方的范围[9]，如图5。

图5 填挖范围图

统计后即可将填方量和挖方量计算出，挖方量为正值，填方量为负值[10]，如表2。

表2 填/挖方量

由表2可知，需要挖掉5 109m3的土方量，需要填11 632m3的土方量。

4 结论

ArcGIS与CASS软件在土石方量计算过程中各有优点。ArcGIS根据具备的可视化功能，可忽略地势起伏变化进行土方量计算[11]。CASS软件中格网法适应性较强，DTM方法主要适用于平面或是单一倾斜场地的情况。两种方法所得到的土石方填挖值的差值并不大，在使用时可根据实际情况进行选择。

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[6] 吴秀芹,张洪岩,李瑞改,等.ArcGIS 9地理信息系统应用与实践[D].北京:清华大学出版社,2007.

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