场平工程土方量的ArcGIS计算分析

2018-12-06封棋

山西建筑 2018年31期

封棋

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122)

在土石方工程中土方量的准确计算有着重要的意义，简单来说就是为施工人员在施工方案选择上提供重要的参考依据。另外，对土方量进行的准确计算会在一定程度上影响工程项目投资，需要施工单位多加注意。而过去所使用的土量计算方式，一般有三种，即DEM法、断面法和方格网法。在本文场平工程施工中，施工人员主要采用DEN方法进行，期间，还会利用相关软件以及空间分析形式，来计算场平工程土方量。

1 工程的基本概况

本工程处于浙江省某工程，占地面积为37 hm2。该场地地貌在地势上呈自西向东降低的趋势[1]。丘陵坡度较缓，坡度控制在7°～25°之间；一般来说，场区原始地面标高是在51 m～89 m之间，其设计场平标高是76.1 m。建设场所呈南北两侧低、中间高，以东北角较低，作为人工水塘。工程涉及的土方量相对较大，施工环境恶劣，初步设计计算挖方量在113.9万m2左右，填方量在113.05万m2左右。

2 DEM法计算土方量的基本原理

DEM，又称为数字高程模型，是地形形状和变化的数字描述，在具体工程施工中，需施工人员结合实际，利用数字形式来表示具体地形地貌特征的模型。通常，关于DEM的模型有三种，具体为:不规则三角网、规则格网模型以及登高线模型。

3 有关TIN模型

格网DEM在不改变格网实际大小的情况下，难以将复杂多变的情况进行准确的表达，在一些计算中，比如：通视问题，注重网格的轴方向。不规则三角网作为重要的高程模型方式，在实际应用中，不仅具有较高的计算效率，还在一定程度上降低等规格网所导致的数据冗余现象。关于TIN，是基于矢量中的数字地理数据的形式之一，以便于有关人员在作业过程中通过空间内部的折点组合，来建立不规则三角形。距离排序法能够当做这些三角形的插值方式。

4 TIN模型计算土方量原理

当相关人员完成TIN模型构建过后，其可结合实际，选择不规则三角网。之后，相关人员需利用平面叠加的方式计算各个棱柱的体积，以此能够获得较为全面的挖方区域分解线与填方区域。一般来说，相关人员在三棱柱体上表面主要采用两平面拟合、平面拟合两种方法。而对其下表面，则以参考面或水平面为主。如图1，图2所示，Z1,Z2,Z3都是三角形角点填挖高差，S3是三菱柱底面积。

5 有关DEM及其生成方式

关于数字高程模型，也就是DEN。在具体应用过程中，需要相关人员按照要求，利用有限的地形高程数据文件，来模仿地形曲面形态[2]。因DEM属于零阶单纯的单向数字地貌模型，且它的地貌特点都是在这个前提下产生的，比如：坡向、坡度等等。在工程计算中，工作人员可借助等高线数据直接生成TIN及栅格DEM。结合相关案例，表明由等高线生成的TIN模型与插入的栅格DEM具有较好的精准度。

6 应用ArcGIS计算场平工程土方量

在此次浙江某工程中，需要相关人员充分利用原始地形的相关测量数据。如在等高线、高程点等，工作人员可借助相关软件，即ArcMap构建该地区的TIN模型。期间，利用DEM与TIN的有效转换，可为施工人员提供该地区的挖方区域栅格图。除此之外，也可通过对ArcMap中目标区域原始地形的三维化，增强整个工程施工地形的可视化，便于其进行作业。

6.1 导入CAD数据

在导入数据中，相关人员要能够合理的利用ArcMap，也就是其工具中所带有的转化工具。在此工具的利用下，能够将一些原始地形文件的高程点由原先的格式逐渐转化为新的格式，即Shapefile格式。之后，相关人员就能够在软件中打开该格式的高程点文件,如图3所示。

在此环节中，首先要打开ArcMap中所含有Shapefile格式的高程点文件，并在具体的内容列表中选择相应的高程点文件[3]。其次，打开该文件的属性，对Elevation字段是否出现空白进行检查。如果是空白的，应该将其删除。如果不是空白的，表明其高程值是非常有效的。

6.2 构建DEM模型

按照要求，将ArcCatolog10.2软件打开后，有关人员必须要在右边空白的地方，点击构建Shapefile，并将各个要素的类型作为面。在完成这些后，相关人员则要在“编辑”这个选项中选择实际应用的坐标系。完成后，要将其保存在相关文件内。

接着，相关人员可通过Acrooolbox的利用，即所带有的3DAnalyst工具来构建TIN。在此过程中，需输入有关Shapefile格式的高程点文件，并为其建立出TIN模型,如图4所示。

该模型可在ArcSence中以三维的形式进行表达，如图5所示[4]。经过实践证明，这种方式，不仅有助于施工单位对场地内部的自然地表情况予以直观的表达，同时还使得施工地段的地表形态以可视化的形态予以展示，进而保障工程施工进度。

然后再通过采用TIN模型内插栅格的方式，将其转换为DEM模型，将刚刚建立的TIN模型由栅格的形式转出，最终获得现场的DEM模型，如图6所示。

7 计算场平工程土方量

浙江某工程的设计场平标高是76.1 m，在绘图编辑中制作与目标区域边缘轮廓完全相同且具备设计高程高度的面，通过采用设计高程面和场地的DEM模型相互叠加的方法进行正确计算，就能够获得填挖方分界图，如图7所示，挖方区域用深灰表示，填方区域用浅灰表示，这样也可以为工程中直观显示土石方填挖区域提供可视化的方式。

8 对比与分析计算结果

除了能够利用ArcGIS软件使用DEM法计算对古泉换流站的土方量，本文还有效利用南方CASS软件分别使用方格网法和等高线法计算场平工程的土方量，以此对比和验证DEM法在该工程中的有效性。使用等高线法计算土方量的时候，必须要准确设置1 m的等高距生成等高线，对等高线进行检测中，就会出现相同名字的等高线。然而南方CASS软件等高线法只能够对区域内无鞍地形的情况进行处理和计算。一旦出现两条以上相同高程的等高线时，这个软件只能处理其中一条，其他同名的等高线就会自己省略，从而导致较大的误差出现。施工人员采用方格网法计算土方量的时候，应该根据有关要求进行，即：选择土方计算边界线。因高程的等高线为76.1 m，相关人员则要将其作为复合线[5]。因此，有关人员需在一定情况下，也就是CASS情况背景下，生成最合适的等高线。之后，其还要转化在CAD的情况下，画出多线[6]。期间，工作人员需在菜单中，将原先为76.1 m的等高线与复合线进行有效匹配，最后，以10 m作为方格网宽度进行计算。在实际施工过程中，因为受到山区地貌条件的制约，若根据固定边长的方格进行拟合，则无法保证计算结果的真实性。实践证明，应用DEM法计算土方量的结果和实际工程用量是非常相似的，所以其误差较小。所以相对于本项目来说，DEM法的计算结果更加准确。