基于ArcGIS的土地整治项目土方量计算及三维可视化

白晓慧 侯占东

摘要 填挖土方量对于土地整治项目具有重要意义。传统计算土方量的方法有很多，但存在计算方法繁琐、工作量大、效率低下、精度不足等缺点。以某地美丽乡村建设项目局部区域为研究对象，应用ArcGIS软件平台建立数字高程模型的方法，并计算土方量，并与CASS软件计算结果进行对比分析。研究表明，ArcGIS方法计算土方量更快速、准确，且能够实现三维可视化。

关键词 DEM;土方量;ArcGIS;三维可视化

Abstract Earthwork volume of filling and excavation is of great significance for the land consolidation project. There are many traditional methods of earthwork calculation， but they have disadvantages of complicated calculation，heavy workload， low efficiency，  insufficient accuracy， etc. In this paper， taking the local area of Beautiful Rural Construction Project as the research object， the method of building digital elevation model with ArcGIS software platform was established to calculate the earthwork volume， and the calculation results were compared with CASS software. The results showed that ArcGIS method was faster， more accurate and it could realize 3D visualization.

Key words DEM;Earthwork volume;ArcGIS;3D visualization

土地整治对耕地保护和土地资源集约具有非常重要的意义。土地整治是通过土地整理、复垦、开发和城乡建设用地增减挂钩等手段，综合治理、改善农村生产及生态环境、促进城乡一体化进程的一项系统工程[1]。土方量是土地整治项目的重要组成部分，其计算精度直接关系到项目预算和实施方案的选择，因此土方量的精确计算十分重要。传统的土方量计算方法有方格网法、等高线法、断面法等。其中，方格网法适用于大范围的、地势平坦的、高差不太大的工程，计算精度与方格网宽度有关，且计算精度越高，计算花费时间越长[2];等高线法适用于地形变化大的区域，容易受地形条件和软件算法限制，导致计算精度受限;断面法适用于道路、沟渠和管线等带状地形，其前期工作量大，计算方法繁琐[3]。由此可见，传统计算土方量的方法虽然很多，但均存在计算方法繁琐、工作量大、效率低下、精度不足等缺点。

ArcGIS是当今流行且先进的软件平台，具有强大的空间统计分析、图形显示与处理等功能[4]。运用ArcGIS软件建立数字高程模型的方法来计算土方量，不受地形复杂程度的限制，不仅可以大大提高计算精度和效率，而且可以实现三维可视化建模，能真实反映地形地貌特征，与传统技术相比具有明显的优势。目前已有学者对ArcGIS在土方量计算中的应用开展了研究。赵瑞[5]从土地整治角度，利用 ArcGIS软件平台进行土地平整土方量计算的研究;李春梅等[6]通过与传统土方量计算方法的比较，运用ArcGIS软件计算土方量;陈勇[7]从地统学角度，应用ArcGIS原理和方法对土方量计算进行研究并应用。

笔者采用DEM法，结合ArcGIS软件强大的空间统计分析和三维建模能力，根据实例项目的地貌特点，分析传统方法与DEM法在计算土方量的优缺点。同时，运用CASS软件平台DTM法进行对比分析，论证应用ArcGIS计算土方量的可行性与精确度。

1 应用原理及方法

数字地形模型（DTM）是一个表示地面特征空间分布的数据库，一般用一系列地面点坐标及地表属性形成数据阵列，以此组成数字地面模型。為了能够在地理信息系统中表现三维的地形表面特征，对获取的地形数据进行建模，使用真实的地形高程数据，建立一种数字的地形表达模型，称为数字高程模型（DEM）[8]。

数字高程模型可分为规则格网模型和不规则三角网。格网模型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表达[9]。不规则三角网（TIN）是根据区域的有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的密度和位置，既能避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点表示数字高程特征[10]。TIN模型是通过将空间内的点和折点构建不规则三角网来创建。

该研究运用不同软件平台，根据某地美丽乡村建设项目局部区域数据构建不规则三角网，从而建立数字模型来计算土方量。CASS软件平台通过地面点坐标和高程，将相邻点分化为不同大小的三角形，构成区域三角网，最后将2期数据模型叠加计算出填挖方土方量。ArcGIS软件平台通过2期DEM模型叠加得到填挖土方分界线，再对每个区域建模求出各个三棱柱体积，统计得到填挖土方量。ArcGIS软件相较于CASS软件更便于存储、更新、传播，计算机自动处理功能更强大，还可以进行三维建模等。因此，目前ArcGIS软件被已广泛应用于工程建设和城市规划等多个领域。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

研究区位于长江金三角地区，北濒长江，东临太湖，西倚茅山，南扼天目山麓，地处119°08′～120°12′E，31°09′～32°04′N。研究区地貌类型属于高沙平原，山丘平圩兼有;属于北亚热带海洋性气候，常年气候温和，雨量充沛，四季分明;春末夏初时多有梅雨发生，夏季炎热多雨，冬季空气湿润，气候阴冷;雨季为6—7月。常年平均气温15.4 ℃;年平均降雨量1 074.0 mm。

2.2 数据来源

数据来自某地美丽乡村其中一个景观建设项目，实地采集原始地形数据和施工后数据，对其土方量进行计算研究。

平面采用地方独立坐标系，高程采用1985年国家高程基准。

3 数据处理与分析

分别用CASS与ArcGIS 2种方法对数据来进行土方量计算，通过对结果进行对比分析，探讨ArcGIS在土方量计算中的优势。

3.1 原始地形数据处理与分析

采用CASS与ArcGIS 2种方法对原始地形数据进行土方量计算，并对计算结果进行对比分析。

CASS根据DTM模型利用原始地形数据建立不规则三角网（TIN）。具体操作步骤如下：对原始地形数据进行检查，检查无误后在CASS中加载原始地形高程点数据，进行展点;

然后，利用DTM模型工具构建不规则三角网（图1），同时生成一个坐标数据文件，用于后期土方量计算。

基于ArcGIS软件DEM模型方法，利用原始地形数据建立不规则三角网（TIN），将其转换为栅格模型。具体操作步骤如下：运用ArcGIS自带转换工具将原始地形的基础数据dwg格式转换为Shapefile格式;检查数据是否有无效点，无误后在3D Analyst扩展模块利用基础数据建立TIN模型（图2a），TIN模型在主界面显示出高程分段值彩色图，其中的色带、分段、高程值范围等可在属性中按需求调整;DEM模型通过内插方法将不规则三角网转换为栅格（图2b），为后期运用DEM模型实现土方量计算做准备。

采用2种方法利用原始地形数据进行数据前期处理，建立DTM模型（图1）和DEM模型（图2），并对其结果进行对比分析。由图1、2可以看出，研究区原始地形总体地势较平坦，最大高差约4.4 m。研究区西边浅黄区域地势较低，周围红色地势较高，也可以通过阴影区分地势高低，而东边橘黄区域地势明显高于西部浅黄色区域，周围红色实为田坎，地势较高。原始地形西边实际为养螃蟹的池塘，东边为荒芜草地。

CASS法建立的DTM模型不够直观，地势高低只能通过对比高程点加以区分。高程点密集图形数据量大时，运行速度缓慢甚至卡死。与CASS相比，ArcGIS软件功能强大，简单易行、快速方便，能够提高工作的信息化和自动化水平。ArcGIS法建立的TIN模型通过色彩和阴影可以直观地描述在平面和空间分布的形态特征和构造关系。TIN模型可以在ArcSence中进行三维表达，通过移动鼠标可以全方位地旋转缩放查看原始地形各个区域，生动地描述地形地貌特征。

3.2 设计高程数据处理与分析

根据“3.1”方法采用设计数据创建设计高程DTM模型（图3）和设计高程DEM模型（图4），用于后期土方量的计算。

由图3、4可知，研究区设计地形区域划分明显，地形走向平滑，最大高差约6 m。研究区西边蓝色区域地势较低，分层明显，可看出是一块洼地，而东边红色区域地势明显高于西边蓝色区域，颜色越接近红色，地势越高，可看出是一个小岛。按设计要求，将其西边开挖水塘建设水乡特色，挖出的土方在东边建设小岛美化乡村既可以实现土地资源集约利用又可以美化环境。CASS法不能将地形直观地呈现出来，而ArcGIS法不仅可以将地形完美呈现出来，而且对实地分析有很好的展示效果。

3.3 土方量计算与对比分析

根据“3.1”和“3.2”方法创建的模型分别用CASS与ArcGIS 2种方法对数据进行后期土方量计算，对结果进行对比分析。

CASS法是将2期DTM模型进行叠加计算，求出填方土方量和挖方土方量。在CASS软件中，运用DTM法的“计算两期间土方” 工具，通过图面选取和三角网文件2种选取方法进行土方量的计算，输出计算结果图形（图5）。填挖土方量运算结果如下：填方量4 089.2 m3，挖方量13 371.9 m3。

ArcGIS法是将2期DEM模型采用空间分析和面域叠加功能计算出填挖方分界线及填挖方土方量。3D Analyst扩展功能模块具备计算土方量的工具（填挖方），使用工具将原始地形DEM模型和设计高程DEM模型输入，确定合理路径，将其保存并按确定键，即可得到填挖方栅格图（图6）。将数据导出EXCEL表格，并叠加计算，方可求出填挖方土方量。计算结果如下：填方量为4 150.9 m3，挖方量13 416.8 m3。

由图6可以看出，研究区填方土方量主要集中在南侧和东侧，北侧有少量的填方区，其他为挖方区域。由图形对比可以看出，原始地形养螃蟹池塘加深开挖为水塘，开挖土方量将荒芜草地美化为小岛。CASS法相对ArcGIS法计算成果图不仅图形数据密集，略显杂乱无章，而且填挖方分界线不能显示出来。ArcGIS法图形美观，填挖方分界线清晰，还具有图层叠加分析、属性检索等功能。

运用2种方法计算土方量的结果相差不大，说明基于ArcGIS软件使用DEM法计算土方量的可行性与有效性。DTM模型和DEM模型误差主要来源于采样密度及地形过于复杂等原因。ArcGIS法不仅计算速度快、准确，而且在操作步骤上简单易行，减少了计算工作量。此外，ArcGIS软件平台具有面向对象结构的可视化表达，可以更加客观地显示，也可以直观地根据图形查看其属性，进行查错修正，以保证计算数据的精确度。

4 結语

该研究采用CASS法和ArcGIS 2种方法计算土方量，以某地美丽乡村建设项目为研究对象，进行土方量计算，并对其结果进行对比分析。结果表明：ArcGIS方法与传统方法相比，ArcGIS方法精度高、简单易行、快速方便，可以三维可视化，真实地反映地形信息，形象逼真;ArcGIS方法可以将空间数据与属性数据有机地结合起来，能更加有效处理数据，提高信息化和自动化水平。因此，ArcGIS方法在工程建设和城市规划等领域有更广阔的应用前景。

参考文献

[1] 刘美娥，乐晶，夏昆，等.土地整治项目土方工程量计算方法研究[J].广东土地科学，2011，10（5）：33-39.

[2] 吴清海.基于CASS的土方量计算精度分析[J].工程勘察，2017（2）：61-63.

[3] 陈朝霞，吴向南，朱记伟，等.基于ArcGIS的土地开发整理挖填土方量计算研究及应用[J].测绘与空间地理信息，2015，38（2）：63-65，68.

[4] 刘天成，史常青.基于 ArcGIS 的土地整治项目土方量计算方法研究[J].西部大开发（土地开发工程研究），2018，3（9）：16-19.

[5] 赵瑞.利用 ArcGIS 进行土地平整土方量计算的应用[J].安徽农业科学，2018，46（33）：170-171，192.

[6] 李春梅，景海涛.基于 ArcGIS 的土方量计算及可视化[J].测绘科学，2010，35（2）：186-187，116.

[7] 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.

[8] 潘红飞，赵翠薇.基于TIN模型较高精度土方量计算方法[J].价值工程，2012（5）：63-65.

[9] 杨仲吕，李亮，向虹宇.基于 ArcGIS 的场平工程土方量计算及可视化[J].安徽建筑大学学报，2017，25（5）：16-20.

[10] 王晨旭，胡引翠，王崇倡，等.基于TIN的露天矿区地形精细模型构建研究[J].金属矿山，2019（9）：147-153.