田旦，成國輝，徐景，熊仕穩(wěn)

(長沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

方格網(wǎng)法土方計(jì)算精度提高的改進(jìn)方法

田旦*，成國輝，徐景，熊仕穩(wěn)

(長沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

用方格網(wǎng)法進(jìn)行土方計(jì)算，成果直觀，便于客戶對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢核，但傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法計(jì)算精度無法有效保證，尤其是在遇到特殊地形時(shí)(如較大陡坎、斜坡穿過格網(wǎng))，計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。為此，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的計(jì)算方法，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)地形構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)生成DEM模型，在遇到特殊地形時(shí)將方格網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)切割，同時(shí)通過模型自動(dòng)獲取各方格網(wǎng)點(diǎn)的高程，再對(duì)分割好的格網(wǎng)進(jìn)行土方計(jì)算。實(shí)例表明該方法提高了方格網(wǎng)法土方計(jì)算的精度。

方格網(wǎng)法；格網(wǎng)切割；不規(guī)則三角網(wǎng)；數(shù)字地面模型

1 引 言

傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法土方測(cè)量需要放樣出方格網(wǎng)點(diǎn)，然后測(cè)出每個(gè)方格網(wǎng)點(diǎn)的高程，再根據(jù)方格四個(gè)角點(diǎn)高進(jìn)行土方計(jì)算。由于該方法簡單實(shí)用，成果直觀，同時(shí)便于檢核，是客戶首選的土方計(jì)算方法[2]。但是該方法的外業(yè)工作效率較低，單個(gè)的方格網(wǎng)角點(diǎn)高程也無法準(zhǔn)確反映出周邊區(qū)域的地形高程特征，尤其是當(dāng)陡坎或者變坡從方格網(wǎng)中間穿過時(shí)(如圖1所示)，用傳統(tǒng)方格網(wǎng)法進(jìn)行方量計(jì)算會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的方格方量產(chǎn)生較大誤差，甚至錯(cuò)誤。為了既能滿足客戶需求方格網(wǎng)的計(jì)算成果的要求，同時(shí)又能保證土方計(jì)算的精度，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的方格網(wǎng)法土方測(cè)量計(jì)算方法：在野外作業(yè)時(shí)不需要進(jìn)行格網(wǎng)放點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行地形測(cè)量，內(nèi)業(yè)根據(jù)所測(cè)地形利用不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行建模，在遇到特殊地形時(shí)根據(jù)實(shí)際情況將方格網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)分割，同時(shí)通過模型自動(dòng)獲取各方格網(wǎng)點(diǎn)的高程，再對(duì)切割好的格網(wǎng)進(jìn)行土方計(jì)算。

圖1 土方放樣格網(wǎng)示意圖

2 改進(jìn)方法的作業(yè)流程及關(guān)鍵技術(shù)

改進(jìn)方法作業(yè)流程如圖2所示。

要實(shí)現(xiàn)上述改進(jìn)方法來提高土方計(jì)算的精度，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)以下兩點(diǎn)，一是要生成與實(shí)際地形相吻合的數(shù)字地面模型，以此來確保格網(wǎng)點(diǎn)取高正確合理，二是在遇到格網(wǎng)內(nèi)有特殊地形時(shí)，通過格網(wǎng)切割分塊計(jì)算來確保方量計(jì)算的正確性。下文將對(duì)如何實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的探討。

圖2 改進(jìn)方法作業(yè)流程

2.1 DEM模型的建立

要確保格網(wǎng)高程點(diǎn)獲取的正確，關(guān)鍵是要有一個(gè)準(zhǔn)確的DEM模型，而要建立一個(gè)準(zhǔn)確的DEM模型需要注意如下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集。外業(yè)數(shù)據(jù)采點(diǎn)時(shí)依據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)要到位，同時(shí)要特別注意坎下、池塘底、水溝底等等均需要采集高程點(diǎn)。

(2)內(nèi)業(yè)地形成圖。為了確保后續(xù)生成三角網(wǎng)的正確性，在繪制地形圖時(shí)首先要剔除粗差，同時(shí)必須確保繪制的每個(gè)地物地貌要素上要有正確的高程值。

(3)構(gòu)造合理的不規(guī)則三角網(wǎng)。為了生成與實(shí)際地形相吻合的數(shù)字高程模型，必須事先構(gòu)建合理的三角網(wǎng)，而通過軟件自動(dòng)構(gòu)建的三角網(wǎng)往往不合理，從圖3可以看出模型自動(dòng)生成的三角網(wǎng)穿過了斜坡及陡坎，顯然這樣的構(gòu)網(wǎng)是不合理的，因此在構(gòu)網(wǎng)時(shí)需要進(jìn)行必要的人工干預(yù)，比如添加特性線，即在坎下、坡下等添加帶有高程的特性線，避免三角形穿過地形特性線，使構(gòu)建的模型更加真實(shí)合理，需要添加特性線加以約束的地形地貌包括坎、坡、溝、自然形態(tài)的山等[3]。圖4經(jīng)過特征線的添加后，三角網(wǎng)未穿過斜坡及陡坎，構(gòu)網(wǎng)正確合理。

圖3 未進(jìn)行調(diào)整的三角網(wǎng)

圖4 調(diào)整后的三角網(wǎng)

2.2 特殊地形下的格網(wǎng)切割

從圖5可以看出，由于方格網(wǎng)法只考慮了四個(gè)角點(diǎn)的高程進(jìn)行土方計(jì)算，在遇到斜坡穿過格網(wǎng)時(shí)，導(dǎo)致方格網(wǎng)中間斜坡的方量被忽略，方量計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的偏差。為此，通過自編程序，對(duì)含有特殊地形的格網(wǎng)依據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行自動(dòng)分割，然后對(duì)格網(wǎng)分塊計(jì)算，以確保土方計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。圖6根據(jù)斜坡形狀將方格網(wǎng)進(jìn)行切割，通過DEM模型自動(dòng)獲取各格網(wǎng)點(diǎn)的高程，然后對(duì)切割后的格網(wǎng)進(jìn)行分塊方量的計(jì)算，確保了方量計(jì)算的正確性。

圖5 未進(jìn)行切割的方格網(wǎng)

圖6 切割后的方格網(wǎng)

3 實(shí) 例

本文以長沙某10*10土方測(cè)量項(xiàng)目為例，按照本文建立DEM模型需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行土方測(cè)量的外業(yè)數(shù)據(jù)采集。內(nèi)業(yè)計(jì)算軟件采用清華山維與我院共同開發(fā)的基于EPS2008平臺(tái)下的長沙土方計(jì)算模塊，同時(shí)通過自編程序?qū)崿F(xiàn)方格網(wǎng)的自動(dòng)切割及格網(wǎng)點(diǎn)高程自動(dòng)獲取，以提高土方量的計(jì)算效率和精度。

圖7 土方原地貌及三角網(wǎng)

在EPS2008長沙管線模塊中構(gòu)建三角網(wǎng)，生成與實(shí)際地面相吻合的DEM模型(原始地貌及三角網(wǎng)如圖7所示)。由于DEM法進(jìn)行土方計(jì)算不受場(chǎng)地地形限制，且精度較高，其計(jì)算結(jié)果接近真實(shí)值[4]，因此本文選取DEM計(jì)算結(jié)果作為本實(shí)例實(shí)際土方量的參考值，以檢核本文提出的改進(jìn)方法的有效性。

分別對(duì)未進(jìn)行格網(wǎng)切割及對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行切割后方量進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果與DEM法計(jì)算的參考方量進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表1、2所示。

未切割格網(wǎng)計(jì)算方量與參考值對(duì)比表(單位/m3) 表1

切割格網(wǎng)計(jì)算方量與參考值對(duì)比表(單位/m3) 表2

表1與表2結(jié)果表明，在遇到有陡坎及斜坡等特殊地形時(shí)，用格網(wǎng)法計(jì)算方量誤差較大，挖方量和填方量與參考值的相對(duì)誤差分別為17.89%和14.21%；而利用本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法，根據(jù)實(shí)際地形，按照較大陡坎及斜坡的走向自動(dòng)對(duì)方格網(wǎng)進(jìn)行切割，同時(shí)根據(jù)DEM模型獲取各格網(wǎng)點(diǎn)高程后，再進(jìn)行土方計(jì)算，挖方量和填方量與參考值的相對(duì)誤差下降為1.70%和5.00%，極大地提高了土方計(jì)算的精度。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的方格網(wǎng)土方量計(jì)算方法，能在特殊地形下依據(jù)地形對(duì)方格網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)切割，并依據(jù)DEM模型進(jìn)行格網(wǎng)點(diǎn)高程自動(dòng)獲取并進(jìn)行分塊土方計(jì)算，既滿足了客戶對(duì)方格網(wǎng)土方成果的實(shí)際需要，又保證了在復(fù)雜地形下土方計(jì)算結(jié)果的正確性。實(shí)例表明，該方法有效可靠，提高了場(chǎng)地內(nèi)含有較大陡坎、斜坡等特殊地形條件下土方計(jì)算的精度。

[1] CJJ/T 8-2011. 城市測(cè)量規(guī)范[S].

[2] 雷松，王海英，艾云毅. 方格網(wǎng)法與三角網(wǎng)法相結(jié)合準(zhǔn)確計(jì)算土方量[J]. 城市勘測(cè)，2011(6)：154～156.

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An Improved Method for the Accuracy of Earthwork Calculation from Grid Network

Tian Dan，Cheng Guohui，Xu Jing，Xiong Shiwen

(Changsha Planning & Desing Survey Research Institute，Changsha 410007，China)

Earthwork calculation with gird network makes the production more visual，which could be helpful for customers to easily look over the production quality，however，the traditional grid network is hard to effectively ensure the production accuracy，and especially with a low accuracy in a special terrain (e.g. steep scarp or slope across the grid network). In this paper，we develop an improved method for the earthwork calculation by grid network，which will take into account the real landform to construct the DEM model in the measuring region. In our new method，the grid can be automatically cut in the special terrain，and the elevation of the grid network can be automatically extracted by the model，then the earthwork volume was calculated. To assess this new method for the accuracy of earthwork calculation，we give a case study in this paper，and it demonstrates a greater improvement of accuracy than the traditional grid network.

grid network；grid cutting；triangulated irregular network；DEM

1672-8262(2017)03-148-04

P209，P258

B

2016—12—23

田旦(1984—)，男，工程師，碩士，主要從事城市測(cè)量方面的技術(shù)工作。

江西省數(shù)字國土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(DLLJ201705)