杜開云

(呂梁市水利局)

土地開發(fā)整理是實現耕地總量動態(tài)平衡的有效措施,也是提高土地質量的重要手段。農業(yè)灌溉工程設計中,平田整地工程投資約占總投資的50%左右,而且計算過程繁瑣,工作量大,精度低。因此,準確快速地計算土方量對開展規(guī)劃設計、控制總投資及分配資金等方面具有重要意義。

傳統(tǒng)的土方量計算方法有許多種,常用的有斷面法、方格法[1]、散點法[2]和表格法[3]等。斷面法主要適合山地及高差比較大的地形,也是土方量計算的主要方法;方格法主要適合平坦地區(qū)及高差不太大的地形;散點法適用于地形雖有起伏,但變化比較均勻,不太復雜的地區(qū)。在坡面平直的山地丘陵區(qū),土方量計算也可根據坎高與土方量的關系而求得[2]。傳統(tǒng)的土方量計算方法工作量大,不易在計算機上實現,不能有效地利用現有的數據資源。而且,不同的計算方法都存在計算結果精度低,結果相差懸殊等問題[4]。本文應用Arcview軟件中數字高程模型(DEM)原理,對農業(yè)灌溉項目中的平田整地以及國土部門的土地整理項目的土方量計算進行探討,以期對土方量計算工作開辟一條新思路。

1 基本原理

土方量計算采用Arcivew軟件空間分析擴展模塊(SpatialAnalysis)進行[5]。數字高程模型(Digital ElevationModels,簡稱DEM)是空間分析模塊的核心內容和基礎數據。目前,灌溉規(guī)劃和土地整理規(guī)劃設計要求的基礎圖件為1∶2 000 或1∶5 000 的地形圖[6],一般項目區(qū)都提供最新測量的數字化地形圖,為Arcview的應用提供了基礎數據。

數字高程模型(DEM)反映地面上的高程信息,是以數字的形式按一定的結構組織在一起,表示實際地形高低起伏和地形特征的空間分布模型。DEM的數據是以離散的方式組織在一起的,其結構有規(guī)則和不規(guī)則兩種,其文件同樣可以二進制或ASC碼方式存貯。此外,DEM還可以進行各種運算,以滿足我們的計算及其精度需求[7]。

Arcview計算土方量是利用DEM提供的高程信息和Arcview其他功能結合起來共同完成。其計算模型如式(1),示意圖見圖1。

式中：V—項目區(qū)平田整地總土方量,m3;n—項目區(qū)規(guī)劃田塊總數;Vi—第i田塊土方量,m3;Vi挖—第i田塊挖方工程量,m3;Vi填—第i田塊填方工程量,m3;Aij—第i田塊第j高程組的面積,m2;Hij—第 i田塊第 j高程組的高程,m;Hi—第i田塊的設計標高,m;m—第i田塊的高程分組總數;Hij-Hi∣—第i田塊第j高程組的地面高程與田塊設計的差值,m。

圖1 i田塊土方量計算示意圖

2 案例分析

本文以黃河流域綜合規(guī)劃項目《山西省尉汾河流域綜合規(guī)劃》中的平田整地項目為例,介紹利用DEM進行土方量計算的步驟。根據流域規(guī)劃,發(fā)展的灌溉地主要是河谷灘地。預計流域內2020年發(fā)展水澆地1.47萬hm2,灌溉規(guī)劃總投資4 579萬元,其中平田整地費用2 186萬元,占灌溉規(guī)劃總投資的48%。擬發(fā)展的灌溉地由于洪水泛濫,地勢高低相差懸殊,筆者應用Arcview中的DEM程序計算了項目平田整地的土方量,具體計算步驟如下：

2.1 文件格式的轉換

Arcview支持大部分的地理信息系統(tǒng)文件格式,如Arc/Info中的.eoo文件,CAD的DWG和公共交換格式DXF,Mapinfo的.mif文件等。國產GlS軟件大部分也具有轉換為Arcview的.shp文件功能。一般測量隊提供的電子地圖都可以方便地調入或轉換為Arcview的Shapefile格式[8]。

2.2 調人數據

將轉換好的文件調入 Arcview中,如果不是Shapefile文件,將文件轉換為Shapefile文件。

2.3 文件編輯

一般根據平田整地項目的需要,從測量隊或項目區(qū)獲取電子地圖。 Arcview文件編輯的功能較差,最好用Mapinfo或其他編輯功能較強的GlS軟件,如MapGis、Citystar、ViewGis等等。

2.4 生成DEM

將編輯好的地圖重新調入Arcview中,應用空間分析擴展模塊生成不規(guī)則三角網(TIN),將TlN數據進行采樣,并對數據進行進一步的檢查。經檢查無誤后,生成DEM。生成DEM可以用高程點,也可以用等高線。本項目區(qū)高差較大,等高線較密,故采用等高線生成DEM。

2.5 調入規(guī)劃田塊

2.6 確定規(guī)劃田塊的最優(yōu)設計高程

把規(guī)劃田塊設置為當前圖層,利用Analysis菜單下的Summarize Zones命令,生成規(guī)劃田塊的最優(yōu)設計高程。最優(yōu)設計高程為挖填平衡時的高程。

2.7 生成報表

利用Analysis菜單下的Tabulate Areas命令,在其對話框中分別選擇規(guī)劃田塊的編號和DEM的Value字段為行和列進行統(tǒng)計生成報表。行代表田塊編號,列代表不同高程分組。表格內容即為不同田塊在不同高程分組的面積。

2.8 計算土方量

利用已經生成的設計高程和報表,計算田塊不同高程分組的土方量;統(tǒng)計挖、填土方量,如挖、填方量之差不超過挖方或填方的5%,可以進行總土方量的計算;計算不同田塊的土方量,并匯總項目總土方量。

2.9 確定土方量

本法計算的土方量與其他方法計算或估算的土方量進行對比分析,最后確定成果。

3 成果分析

根據規(guī)劃方案和當地地形情況,確定整個項目區(qū)共劃分為76個田塊。平田整地工程采用推土機推土平整,每個田塊田面基本平整,部分地勢起伏較大的田塊采用局部平整,在田塊內劃分不同的耕作塊,根據地形的變化各耕作塊采用不同的高程。整個項目區(qū)76個田塊中,利用公式(1)計算各田塊的土方量并匯總。經計算,項目區(qū)平田整地總土方量為471萬m3,其中挖方量為242 萬 m3,填方量為229萬m3,挖方比填方大5.6%,基本平衡。筆者還利用手工估算的方法進行了計算,計算結果總土方量為490萬m3,與本文所述方法計算成果相差僅為19萬m3。

計算土方量的精度跟柵格大小有關,柵格越大土方量的變化系數越大。試驗表明,當柵格大小為1 m時,計算土方量的精度較高,可以滿足預算的需要。從土方量計算的角度,如果DEM柵格大小大于1 m,DEM對地形地貌描述的精度是不夠的,據此計算的土方量誤差較大。通過上述實例得出：計算的土方量是收斂的,通過改變DEM分辨率,可以使各田塊及項目總土方量達到穩(wěn)定數值,以此可作為項目預算的依據。本方法為其他研究提供了一個基礎,改進了計算結果的可靠性。數字高程模型(DEM)是表示地面上的高程信息的模型,但是分辨率直接影響計算結果的精度。不同地形地貌下,同一分辨率對計算結果的影響是不同的。本研究提出的方法可以找到用于土方量計算的適宜分辨率,保證了不同方法計算結果的可靠性和可比性。

采用本方法計算由于分塊較細,三角形網格自動生成,土方量可自動算出,計算精度和速度可大大提高。加之,Arcview具有廣泛的用戶基礎,操作簡單,系統(tǒng)穩(wěn)定,因此本方法的應用前景廣闊。

4 結論與建議

4.1 特點

利用DEM計算平田整地土方量原理簡單,操作容易,計算速度快,系統(tǒng)穩(wěn)定,大大減小了土方量手工計算的工作量。

4.2 適用范圍

此方法不但可以應用于丘陵和山地,同樣適用于地勢平緩的地區(qū),還可以幫助規(guī)劃人員選擇最佳的梯田斷面。

4.3 便于方案比選

此方法還可應用于方案評價。不同的方案土方量不同,在投資既定的情況下,用DEM計算不同方案的土方量,并進行方案比選,以利于優(yōu)中選優(yōu)。

[1]張光輝.快速計算土方量的方法[J].測繪通報,1997(5)：23～24.

[2]王禮先.水土保持工程學[M].北京：中國林業(yè)出版社,2000：55～67.

[3]劉 樺.土方量的表格法測算[J].測繪通報,2000(4)：64～65.

[4]張劍波,劉修國,吳信才.約束Delaunay三角剖分在土方量計算中的應用[J].測繪通報,2001(8)：22～23.

[5]湯國安,陳正江,趙牡丹.Arcview地理信息系統(tǒng)空間分析方法[M].北京：科學出版社,2002：129～158.

[6]國土資源部土地整理中心.土地開發(fā)整理標準[S].北京：中國計劃出版社,2000：56～57.

[7]李志林,朱 慶.數字高程模型[M].武漢：武漢大學出版社,2000：42～52.

[8]劉良明.Arcview基礎教程[M].北京：測繪出版社,2001：37～50.