干犁軍 高永甲

在農(nóng)業(yè)開發(fā)中，無論是開墾荒地、合并土地及低產(chǎn)田改造，經(jīng)常要進(jìn)行農(nóng)田測(cè)量，而農(nóng)田測(cè)量的一個(gè)主要任務(wù)是要進(jìn)行土地平整測(cè)量并計(jì)算挖填土方量，保證挖、填平衡。傳統(tǒng)的土地平整測(cè)量工作如何實(shí)施是由土方量的計(jì)算方法決定的，采用不同的計(jì)算方法也就意味著采用不同的測(cè)量工作實(shí)施方案。隨著全站儀在測(cè)繪工作中越來越普及，傳統(tǒng)的土地平整計(jì)算方法已經(jīng)無法適應(yīng)新型儀器實(shí)時(shí)高效的特點(diǎn)，不能充分發(fā)揮儀器的性能，必須找出一種能充分利用新型儀器的優(yōu)點(diǎn)，提高測(cè)量及計(jì)算速度的方法。本文探討利用我單位自行開發(fā)的《土方工程輔助設(shè)計(jì)》(TFGC)軟件進(jìn)行土地平整測(cè)量的計(jì)算方案，供同行參考。

1 TFGC軟件介紹

TFGC軟件是我單位自行開發(fā)的土地平整設(shè)計(jì)軟件，是在繪圖支撐軟件AutoCAD上開發(fā)的。源程序用Visual Basic語言編寫，適用于土方工程設(shè)計(jì)和平地工程設(shè)計(jì)。如修建高爾夫球場(chǎng)、人工園林、人工池塘和農(nóng)田建設(shè)等。TFGC軟件具備以下功能:

1)土方量計(jì)算。能接受多種文本格式的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。自動(dòng)建立以地塊為單元的土方量計(jì)算文件夾，并將后續(xù)地塊土方計(jì)算數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入本地塊文件夾。能進(jìn)行縱橫坡度計(jì)算，并可根據(jù)給定的縱橫坡度或地塊四角高程，計(jì)算地塊內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程?？蛇M(jìn)行地塊內(nèi)各種地形的土方計(jì)算，并自動(dòng)繪制出開挖線。

2)土方調(diào)運(yùn)?？蛇M(jìn)行簡(jiǎn)單的土方調(diào)運(yùn)設(shè)計(jì)。根據(jù)調(diào)運(yùn)的方向自動(dòng)計(jì)算出運(yùn)距和運(yùn)量。

3)土方工程量計(jì)算。在調(diào)運(yùn)圖的基礎(chǔ)上自動(dòng)提取圖中的填挖方量，通過電子表格Excel完成土方量統(tǒng)計(jì)。針對(duì)不同的要素，采用不同的編程語言，程序中包含以下模塊:數(shù)據(jù)調(diào)入、地塊分區(qū)、自動(dòng)建立地塊目錄，土方計(jì)算，土方設(shè)計(jì)圖的繪制，土方調(diào)運(yùn)圖繪制，土方工程量的計(jì)算等。土方工程輔助設(shè)計(jì)操作流程圖見圖1。

該軟件還具有界面友好，易于操作，數(shù)據(jù)間的傳遞具有一定的自動(dòng)化程度，可以降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短設(shè)計(jì)周期的特點(diǎn)。TFGC軟件進(jìn)行土方工程設(shè)計(jì)和平地工程設(shè)計(jì)都在一個(gè)工作單元中進(jìn)行，一個(gè)工作單元中的點(diǎn)數(shù)最多600點(diǎn)。點(diǎn)的最近距離為3 m，小于3 m的點(diǎn)則自動(dòng)刪除。一個(gè)工作單元建立一個(gè)數(shù)據(jù)文件，文件格式為文本文件，一個(gè)點(diǎn)寫一行，依次為:點(diǎn)號(hào)，縱坐標(biāo)X，橫坐標(biāo)Y，高程H。數(shù)據(jù)文件可由鍵盤輸入，也可在Auto-CAD系統(tǒng)中用屬性提取功能提取數(shù)據(jù)文件。計(jì)算采用三角網(wǎng)法計(jì)算。由散點(diǎn)的三維坐標(biāo)自動(dòng)構(gòu)成三角網(wǎng)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)高、填挖數(shù)及每個(gè)三角形的挖、填方工程量。TFGC軟件進(jìn)行土方工程設(shè)計(jì)需要一個(gè)設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)模型是根據(jù)設(shè)計(jì)思想由若干設(shè)計(jì)模型點(diǎn)構(gòu)建的一個(gè)多面體模型，它是進(jìn)行設(shè)計(jì)的依據(jù)。一個(gè)工作單元設(shè)計(jì)模型點(diǎn)最多50點(diǎn)。平地設(shè)計(jì)不需要設(shè)計(jì)模型，用回歸方法計(jì)算出縱向坡度、橫向坡度。繪制平地設(shè)計(jì)圖。繪圖比例由用戶設(shè)定?？v橫向坡度都可調(diào)整。其數(shù)據(jù)處理流程為:[實(shí)測(cè)地面高程]→[TIN(三角網(wǎng))]→[DEM]→[確定設(shè)計(jì)高程]→[計(jì)算土方量]。

2 土地平整的設(shè)計(jì)原則

2.1 總體規(guī)劃原則

平整土地的主要工作是通過挖高填低，使土地表面在滿足設(shè)計(jì)坡度的條件下盡可能達(dá)到較理想的平面狀態(tài)。平整土地一方面是使田塊滿足灌溉要求，提高水肥利用效率和灌溉水均勻度有利于耕作、作物生長(zhǎng)以及防止水土流失，從而提高耕地的質(zhì)量;另一方面通過對(duì)溝、渠道、滴灌和田間道路的重新規(guī)劃和整理，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、增加有效耕地面積，促進(jìn)土地的集約化利用，加快農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。在土地平整設(shè)計(jì)方案中，要充分考慮各種因素，以使設(shè)計(jì)方案符合當(dāng)?shù)氐臈l件，切實(shí)可行，應(yīng)遵循以下原則:

1)農(nóng)田規(guī)格化，地面平整;2)在規(guī)劃時(shí)應(yīng)盡量利用田間原有的溝、渠道和田間道路，以節(jié)省費(fèi)用;3)要調(diào)查清楚規(guī)劃區(qū)的水系分布，以使水資源得到充分的利用。

2.2 土地平整高程設(shè)計(jì)原則

1)土地平整過程中，挖方處表土被取走，底土暴露，而填方處土質(zhì)過于疏松等，會(huì)影響土壤的質(zhì)量。所以，在確定設(shè)計(jì)高程時(shí)應(yīng)以原有地貌高程為依據(jù)，盡量減少土方的填挖。2)平整后的田塊的高程應(yīng)在橫向、縱向上有規(guī)律的遞增或遞減。3)平整后的田塊之間的高差應(yīng)盡可能的小，一般控制在30 cm～50 cm之間，以保證每個(gè)地塊均能灌溉，滿足灌溉要求。4)“挖方量=填方量”的原則。

3 傳統(tǒng)計(jì)算方法

斷面法、方格法、散點(diǎn)法及表格法。斷面法主要適合山地及高差比較大的地形;方格法主要適合地形平坦及高差不太大的場(chǎng)地平整;散點(diǎn)法適用于地形有起伏，但變化比較均勻，不太復(fù)雜的地形。傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法手工工作量大，不易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，不能有效利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源;而且，不同的計(jì)算方法均存在計(jì)算結(jié)果精度低，結(jié)果差異大的問題。許多研究表明，應(yīng)用數(shù)字高程模型(DEM)能夠比較精確地解決土地整理設(shè)計(jì)中涉及的土方量計(jì)算問題[1-9]。

在傳統(tǒng)的計(jì)算方法中，無論是方格中點(diǎn)法還是方格角點(diǎn)法，都需要先測(cè)設(shè)觀測(cè)點(diǎn)位再進(jìn)行高程測(cè)量。在方格中點(diǎn)法中是測(cè)設(shè)各方格的中點(diǎn)，在方格角點(diǎn)法中是測(cè)設(shè)各方格的角點(diǎn)。因?yàn)橐葴y(cè)設(shè)點(diǎn)位再測(cè)量高程，使得土地平整的測(cè)量工作極為繁重，加之以前計(jì)算工具的落后，使得土地平整測(cè)量無論是外業(yè)測(cè)量還是內(nèi)業(yè)計(jì)算都需要耗費(fèi)大量的人力。在測(cè)量中將測(cè)區(qū)分成若干方格而不是分成任意圖形也正是為了減少計(jì)算工作量。計(jì)算機(jī)在測(cè)繪中的應(yīng)用使得計(jì)算工作大為減輕，新型儀器的使用使得外業(yè)工作量也相應(yīng)地減輕。但在許多應(yīng)用方面由于傳統(tǒng)計(jì)算方法的束縛，并沒有充分發(fā)揮出新型儀器的優(yōu)勢(shì)。只有不斷改進(jìn)傳統(tǒng)的理論和計(jì)算方法，適應(yīng)儀器的發(fā)展，才能真正使測(cè)繪工作者從繁重的勞動(dòng)中解放出來。

4 用《土方工程輔助設(shè)計(jì)》(TFGC)軟件進(jìn)行土地平整測(cè)量的計(jì)算方案的優(yōu)勢(shì)

TFGC平地設(shè)計(jì)基于任意三角形法。其方法是:根據(jù)地塊內(nèi)地形，實(shí)地采集各地形特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。將采集數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，運(yùn)行TFGC軟件，對(duì)采集數(shù)據(jù)組成三角網(wǎng)，計(jì)算出地塊地面自然的縱、橫坡降，平均高程。依據(jù)設(shè)計(jì)人員輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)，如:縱、橫坡降，地角高程等，計(jì)算出三角網(wǎng)中三維坐標(biāo)點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程、填、挖數(shù)和各三角形的面積。進(jìn)而算出各三角形的挖、填土方量，并加以匯總。下面以兵團(tuán)224團(tuán)12萬畝土地平整設(shè)計(jì)為例加以說明。

4.1 作業(yè)方案

外業(yè)進(jìn)行地形圖數(shù)據(jù)采集。依據(jù)地塊坐標(biāo)進(jìn)行邊樁測(cè)定。內(nèi)業(yè)依據(jù)規(guī)劃圖進(jìn)行地塊劃分，把每個(gè)條田分成五個(gè)地塊。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的地面高程，縱、橫坡降對(duì)各地塊進(jìn)行設(shè)計(jì)高程控制，設(shè)計(jì)時(shí)條田落差控制在1.0 m內(nèi)，地塊間落差控制在0.5 m內(nèi)，以保證每個(gè)地塊均能灌溉，滿足灌溉要求。依據(jù)采集數(shù)據(jù)、邊樁測(cè)量、地塊劃分分區(qū)(分片)進(jìn)行平整土地設(shè)計(jì)。

4.2 實(shí)施方法

1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)規(guī)劃圖提供的用地范圍進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。用南方靈銳S82型RTK按規(guī)劃圖條田的坐標(biāo)標(biāo)定其邊界位置，并打木樁。樁上注明條田邊界和里程，如:449號(hào)條田右邊界200 m處樁號(hào)為449R200。并在地塊角點(diǎn)測(cè)量其樁頂三維坐標(biāo)，打上方樁，作為控制點(diǎn)用作全站儀采集碎部點(diǎn)。相鄰地塊角點(diǎn)高程精度應(yīng)達(dá)到，平面精度應(yīng)達(dá)到±10 cm。碎部點(diǎn)的采集密度按1/1000比例尺地形圖施測(cè)。野外數(shù)據(jù)采集采用極坐標(biāo)法，高程注記點(diǎn)應(yīng)密度恰當(dāng)、位置合適，在地貌變化處均應(yīng)有高程注記。設(shè)站要求和測(cè)站檢查應(yīng)符合以下規(guī)定:儀器對(duì)中偏差不大于5 mm。檢查相鄰圖根測(cè)站點(diǎn)的高程，其較差不大于1/5基本等高距，即10 cm。檢查遠(yuǎn)處控制點(diǎn)、圖根點(diǎn)的方向偏差不應(yīng)大于圖上0.2 mm，即20 cm。檢查相鄰圖根測(cè)站點(diǎn)的平距，其較差不應(yīng)大于平距的1/3000。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，必須統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件的格式，數(shù)據(jù)文件格式如下:

2)平整土地設(shè)計(jì)圖。平整土地設(shè)計(jì)采用TFGC軟件，在計(jì)算機(jī)輔助制圖軟件AutoCAD2002進(jìn)行數(shù)據(jù)展點(diǎn)，劃分區(qū)域(條田)、區(qū)塊(地塊)，然后以區(qū)塊為單元導(dǎo)出數(shù)據(jù)，建立DTM模型并修改DTM模型使之與地面盡可能相似，根據(jù)運(yùn)距最短、挖填土方量最少的原則，設(shè)計(jì)每一地塊的縱坡、橫坡。計(jì)算各三角網(wǎng)角點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程及挖填數(shù)，每三角網(wǎng)內(nèi)計(jì)算挖、填土方量。平地設(shè)計(jì)圖采用3號(hào)圖尺寸繪制。按1∶1000比例尺繪出田塊邊界，土方量及田塊編號(hào)、總挖方量、總填方量、橫坡、縱坡及總面積和設(shè)計(jì)者姓名。

3)平整土地土方調(diào)運(yùn)圖。土方調(diào)配以地塊為單元，內(nèi)部調(diào)配，極個(gè)別為地塊間調(diào)配。以“頭對(duì)頭，尾對(duì)尾，不交叉，不對(duì)流”的原則，設(shè)計(jì)土方調(diào)配圖，圖中方框中的數(shù)值為挖(填)方土方量，正值為挖方量，負(fù)值為填方量。箭頭方向?yàn)橥练秸{(diào)運(yùn)方向，箭頭上方為調(diào)運(yùn)土方數(shù)(單位:立方米)，下方為運(yùn)距(單位:米)。建立地塊數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行工程量匯總;總挖(填)土方量、總面積、20 m以內(nèi)挖方量、20 m～50 m以內(nèi)挖方量、50 m～100 m以內(nèi)挖方量、100 m～200 m以內(nèi)挖方量、300 m以上挖方量。用計(jì)算機(jī)輔助制圖軟件AutoCAD 2000繪出土地平整設(shè)計(jì)圖。

5 結(jié)語

土方量計(jì)算的準(zhǔn)確度與所建立的數(shù)字高程模型有著密切的關(guān)系，高程模型建立的越逼真，即越接近實(shí)地，計(jì)算出的土方量就越準(zhǔn)確。《土方工程輔助設(shè)計(jì)》(TFGC)平地設(shè)計(jì)基于任意三角形法。我們于2002年5月～8月和2003年7月～9月在烏魯瓦提水利樞紐皮墨墾區(qū)(兵團(tuán)224團(tuán))一、二期共計(jì)12萬畝土地平整設(shè)計(jì)中利用該軟件進(jìn)行平地設(shè)計(jì)。并和傳統(tǒng)的方法(方格網(wǎng)法)進(jìn)行了比較。在地勢(shì)平坦的地塊，TFGC方法和方格網(wǎng)法的計(jì)算結(jié)果比較接近，在地勢(shì)起伏較大的地塊，TFGC方法和方格網(wǎng)法的計(jì)算結(jié)果差值較大，最后經(jīng)過施工單位施工以后，和施工單位實(shí)際的填挖方量進(jìn)行比較，TFGC方法計(jì)算的結(jié)果最接近實(shí)際方量。實(shí)踐證明，在土地平整設(shè)計(jì)中采用TFGC方法是切實(shí)可行的，對(duì)比傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法，其有以下顯著特點(diǎn):1)在外業(yè)測(cè)繪中，方格網(wǎng)法需要使用測(cè)繪儀器在實(shí)地測(cè)出10×10等方格網(wǎng)的角點(diǎn)位置及高程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且計(jì)算工作量大。而使用TFGC方法只需要像測(cè)地形圖一樣采集碎步點(diǎn)即可;2)在內(nèi)業(yè)計(jì)算中，方格網(wǎng)法一般采用手工配合電腦進(jìn)行計(jì)算，由于數(shù)據(jù)量大，容易出錯(cuò)，而TFGC方法是把外業(yè)采集的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入電腦，利用TFGC軟件進(jìn)行計(jì)算，減少了出錯(cuò)的幾率;3)使用TFGC方法繪制平地設(shè)計(jì)圖，繪圖比例由用戶設(shè)定，縱橫向坡度都可調(diào)整。隨著項(xiàng)目的進(jìn)行，我們的軟件也越來越完善。我們用很少的投入，簡(jiǎn)單的解決了我單位在平整土地設(shè)計(jì)中的問題，保證了各個(gè)項(xiàng)目順利完成，為我單位帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，土方調(diào)運(yùn)與工程造價(jià)處理過程中自動(dòng)化程度尚有待進(jìn)一步提高，我們將在原有基礎(chǔ)上增加新的模塊進(jìn)行處理，對(duì)TFGC軟件予以不斷的完善。

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