利用ArcGIS进行土地平整土方量计算的应用

赵瑞

摘要 挖填土方量的计算是土地整治项目的重要组成部分。在已有计算方法的基础上，结合多年从事土地整治项目的实际经验，探讨ArcGIS在土方量计算中的应用，并以某一工程实例对研究区的土方填挖量进行计算。结果表明，利用ArcGIS进行土方量计算具有操作简单、精度高、速度快的优点，能够实现三维可视化，具有可行性。

关键词 土方计算;ArcGIS;数字高程模型;土地整治

中图分类号 S29;P258文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）33-0170-02

土地整治是增加有效耕地面积、提高耕地质量、实现耕地总量动态平衡的重要手段，在实现土地资源集约利用、保障经济建设用地供给、改善生态环境、增加农民收入、促进社会进步等方面发挥着重要作用。挖填土方量的计算是土地整治项目的重要组成部分，如何利用已有地形数据资料快速准确地计算出土方量是开展规划设计、控制投资和安排工程进度过程中一个重要环节。尽管传统的土方计算方法有很多[1]，但大多都伴随着计算过程繁琐、工作量大、效率低下、精度低等不足，并且不同方法的计算结果差异较大，严重影响工程进度和效益。为克服传统方法的不足，土方量计算亟需一种操作简便、自动化程度高、速度快、精度高的计算软件及方法。

GIS技术的出现大大提高了土地整治中土方计算的速度和精度，提高了设计工作的效率，与传统技术相比体现出了明显的优势[2-5]。当前已有一些学者对GIS在土方计算中的应用开展了不同程度的研究，如陈勇等[6]从地统计学的角度出发，应用ArcGIS进行土方量计算的研究;刘宁等[7]应用数字高程模型原理，结合GIS软件提出测算丘陵区梯田土方量的方法;王金满等[8]利用GIS获得整治区不同坡度分区的面积，再依据梯田断面要素测算不同坡度范围的土方量。

笔者在已有计算方法的基础上，结合多年从事土地整治项目的工程经验，探讨了ArcGIS土方量计算问题。通过原始地形分析的辅助，得到更合理科学的设计田面高程DEM，使土方量计算结果更加准确，并应用具体工程实例，论证应用ArcGIS计算土方量的可行性，以期为其他土地开发整理项目提供参考。

1 ArcGIS计算土方量的原理及方法

1.1 数字高程模型（DEM）

应用ArcGIS计算土方量的原理是基于ArcGIS地统计模型建立的数字高程模型（DEM）。DEM是數字地面模型（DTM）的一种，它是使用数字形式X，Y，Z坐标来表示实际地形高低起伏与变化特征的空间分布模型，以缩微的形式再现地表起伏形态，具有形象、直观、精确等特点，可用于高程信息表达、地形分析、土方工程量计算等。因此，DEM现已被广泛应用于土地平整、城市规划等多个领域。

1.2 ArcGIS计算土方量的方法

ArcGIS计算挖填土方量是根据实地采集的原始高程数据建立原始地面高程DEM，根据设计田面高程建立设计地面高程DEM，然后计算这2个DEM模型的体积差。在计算设计田面高程时，要遵循土方挖填平衡原则，并结合原始地形分析结果，确定最佳的田面设计方案。在此基础上运用统计分析模块计算每个回填区或开挖区的体积，最终得到挖填的土方量。计算挖填土方量的流程如图1所示。

ArcGIS地统计模型中有多种空间插值方法用来建立DEM，普通克里格法不仅考虑了待测样点与临近实测样本点的距离，还考虑了各临近实测样本点彼此间的空间位置分布关系，其在地统计意义上优于其他插值法，故该研究采用普通克里格法建立DEM。

2 实例研究

为了验证ArcGIS计算土方量的优势及可行性，以铜川市石柱镇修文村土地整治项目为例，应用ArcGIS进行土地平整中土方量的计算。

2.1 研究区概况

研究区地貌属黄土高原丘陵沟壑区，属暖温带气候，年平均降雨576 mm，年平均气温12 ℃，区内土壤通气、透水和保土、保肥性能较好。研究区内土地利用现状为常年撂荒的其他草地，坡度较大，有明显的高差变化。该研究选取其中一平整区地块作为研究区，研究区分为北片区和南片区两大整治区域。

2.2 数据源

研究区的范围界线;研究区的土地利用现状图、规划图;研究区1∶2 000的实测地形图，平面采用1980西安坐标系统，高程采用1985国家高程基准。

2.3 研究区原始地形分析

地形起伏越大对农田水利化与机械化越不利。通常坡度越大，农田平整的土石方量越大，土地平整难度和工作量明显增大，人力和水利成本也随之增加。在克里格法插值建立的原始地面高程DEM的基础上，该研究利用ArcGIS地统计模块对其进行坡度分析，研究区坡度图如图2所示。

将研究区土地坡度划分为6个等级（如表1所示）：极缓坡（≤3°）、缓坡（3°～8°）、中坡（8°～15°）、微陡坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、极陡坡（≥35°）。由统计结果可知，极缓坡和缓坡主要分布在研究区的南片区且成片连续;中坡在研究区零星分布，分布较为分散;微陡坡主要分布在研究区的北片区，分布范围广，所占比例较大，为39.79%;陡坡和极陡坡主要集中在北片区中间部位，所占比例较少，为24.21%。研究区北片区地形较陡，南片区平缓，可用于土地平整（坡度小于25°）的面积占总面积的75.79%，具备开发为农用地的潜力。其中，中坡和微陡坡面积占可用于土地平整面积的45.72%，故在实施土地整治时必须考虑工程水保措施。

2.4 挖填土方量计算

在已生成的原始高程DEM、坡度、坡向数据图层基础上，结合原始地形分析结果，新建田块划分shp文件，在编辑状态下合理划分田块，并对田块进行编号;遵循土方挖填平衡原则，应用地统计模块计算研究区每个田块的平均高程，作为田间设计高程，建立设计高程DEM;再进行栅格计算，用原始高程DEM减去设计高程DEM，得到土方挖填量（图3）;利用邻域分析模块进行田块编号与挖填土方量的联接，通过叠加计算统计最终的土方量结果。

经统计得出，研究区总挖方量为13 168.37 m3，总填方量为12 992.56 m3。其中，北片区平均土方开挖量为6 059.70 m3/hm2，南片区平均土方开挖量为3 468.15 m3/hm2，北片区平均土方开挖量大于南片区。根据研究区地形分析结果显示，北片区地形较陡，南片区地形平缓，该土方计算结果证实了地形越陡土方开挖量越大的说法。从ArcGIS计算挖填土方量的过程和结果可以看出，DEM法计算土方量是以每个地块为最小单位，使用DEM数据进行土方量计算的效率和准确性明显高于传统方法。

土方量计算的精度直接关系到投资大小与项目效益，基于ArcGIS计算土方量的精度很大程度上受DEM的精度影响，DEM的误差主要源于原始地形图的精度、野外测量误差、控制点转换误差等。这说明挖填方量的计算精度与基础

数据的详细程度及精度有直接关系，利用ArcGIS计算土方量对基础数据的精确性要求相对较严格，所以其计算结果的精度也相对较高。

3 结论与展望

该研究基于ArcGIS探讨土地平整中土方量计算问题，

在计算过程中辅助以原始地形分析，使计算的土方量结果更加准确，并应用具体工程实例，论证了应用ArcGIS计算土方量的可行性，为土地开发整理项目的土方计算提供了参考。与传统土方量计算方法相比，利用ArcGIS进行土方量计算具有明显优势，ArcGIS地统计模块功能强大，可真实反映研究区地形信息，实现可视化，采用的克里格插值法在地统计学意义上的优势等都保证了土方量计算简单、快速、准确，提高了土地开发整理工作的信息化和自动化水平。

如何进一步提高计算精度及优化规划方案，未来需要解决的问题主要是获取研究区详细、可靠的数据资料和实时、准确、高精度的图件，并逐步开发完整的土地整理规划设计信息系统。

参考文献

[1] 崔丽丽，全斌，潘瑜春，等.土地整治中土方量计算方法的研究及精度分析[J].测绘与空间地理信息，2014，37（9）：181-184.

[2] 范军，郭正鑫.土地整理中数字高程模型的应用[J].现代测绘，2017，40（3）：42-44.

[3] 李原存.GIS可视化在土地整治中的运用研究综述[J].老区建设，2013（12）：27-29.

[4] 陈勇，陶锐.DEM在丘陵地区土地整理项目中的应用研究[J].测绘科学，2008，33（1）：170-172.

[5] 王勇濤，杨永侠，贾文涛，等.GIS在土地平整土方量计算中的应用研究[C]//农业工程科技创新与建设现代农业：2005年中国农业工程学会学术年会论文集：第三分册.北京：中国农业工程学会，2005.

[6] 陈勇.利用ArcGIS地统计分析进行土地平整土方量计算的研究[J].安徽农业科学，2007，35（1）：70-71，103.

[7] 刘宁，郧文聚，雷廷武.丘陵地区梯田土方量的快速计算方法及应用[J].农业工程学报，2007，23（4）：47-51.

[8] 王金满，白中科，宿梅双.山地丘陵区坡式梯田土地整治工程量快速测算方法[J].中国土地科学，2013，27（1）：78-83.