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        基于CASS與ArcGIS的土方量計(jì)算研究

        2018-03-10 03:12:55馬順霞楊亞平
        中國礦山工程 2018年1期
        關(guān)鍵詞:挖方土石方空間信息

        路 鑫,馬順霞,孟 杰,楊亞平

        (金川集團(tuán)礦山工程分公司,甘肅 金昌 737100)

        1 前言

        土方量定義為地表與初始地表之間土地體積值之差,由于建設(shè)需要計(jì)算建構(gòu)筑物土方量[1],計(jì)算過程中遵循填挖平衡、挖大于填的原則[2]。高線法、方格網(wǎng)法、三角網(wǎng)格法、斷面法等是常用的土方量計(jì)算方法,由于每種方法原理限制,導(dǎo)致每種方法的應(yīng)用范圍并不相同;并且計(jì)算過程的繁雜造成計(jì)算出的結(jié)果精度不高[3]。因此本文提出利用ArcGIS計(jì)算土方量的方法,并與CASS計(jì)算土方量進(jìn)行對照,檢驗(yàn)該方法的效果。

        2 研究方法

        2.1 CASS土方量計(jì)算

        對任意格網(wǎng)的土方量計(jì)算,都可以根據(jù)給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,土方分量可以表示為[4]:

        ΔX(g,h)=X(g,h)t-X(g,h)

        式中:X(g,h)t——地表DEM的格網(wǎng)點(diǎn)高程。

        對任意格網(wǎng)點(diǎn)(g,h)而言,若ΔX(g,h)>0,該格網(wǎng)為挖方;反之,該格網(wǎng)為填方。假設(shè)格網(wǎng)面積為S,則計(jì)算后該格網(wǎng)處的土方量為:

        V(g,h)=ΔX(g,h)×S

        然后由填挖方累加值設(shè)計(jì)目標(biāo)區(qū)域的填挖方量。

        2.1.1 DTM法

        首先利用已有的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)格和DTM模型;由實(shí)測得的地面點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z)和設(shè)計(jì)高程,可以解算出各三棱錐中的填挖土方量;然后累加得到目標(biāo)區(qū)域需要填挖的土方量;最后運(yùn)用插值法建立插值,繪制出填挖方分界線。

        2.1.2 方格網(wǎng)法

        由于地勢起伏程度不同和土方量的估算精度高低,將方格網(wǎng)的邊長控制在10m至20m之間;經(jīng)過內(nèi)插得出網(wǎng)格中各方格點(diǎn)的高程,記于方格的左右上角;計(jì)算填挖方平衡的設(shè)計(jì)高程;填方和挖方的分界線可以由內(nèi)插法畫出;最后總填挖土方量由各方格填挖量累加得到[5]。其中:

        填/挖高度=地面高程-設(shè)計(jì)高程當(dāng)計(jì)算結(jié)果為正時,表示挖方量;反之,表示填方量,記填挖土方量的高度于各方格點(diǎn)的右下角。

        2.2 ArcGIS土方量計(jì)算

        處理室外測量的數(shù)據(jù)高程點(diǎn),檢驗(yàn)是否存在錯誤數(shù)據(jù)并設(shè)計(jì)工作面高程;ArcMap加載高程點(diǎn),生成不規(guī)則三角網(wǎng);然后基于ArcGIS空間插值生成原始地形DEM,用3D analysis建立TIN,在DEM的基礎(chǔ)上用表面分析計(jì)算土石方量[6]。

        3 實(shí)例分析

        3.1 CASS計(jì)算土石方

        在CASS中加載特征高程點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)。在進(jìn)行DTM計(jì)算土石方時,設(shè)置一組5m的邊界采樣間距的直接法進(jìn)行比較[7]。

        在設(shè)置平場標(biāo)高與邊界采樣距離后計(jì)算土石方量,兩種方法計(jì)算出填挖方量見表1。

        表1 填挖方量 m3

        兩種方法確定的填挖邊界線如圖1。

        圖1 填挖邊界線示意圖

        土方量計(jì)算的差異分析,主要原因是DTM模型的差異,第一種設(shè)置了邊界取值5m,第二種直接建立DTM模型。具體如何選擇計(jì)算方法,則需要經(jīng)過多種因素結(jié)合后作出選擇。二者差異如圖2。

        圖2 土方量計(jì)算差異示意圖

        在方格網(wǎng)法中,選擇設(shè)計(jì)平面,調(diào)整目標(biāo)高程與方格寬度分別為25m和5m,土方量計(jì)算及填挖方量見圖3。

        圖3 土方量計(jì)算及填挖土方量圖

        3.2 ArcGIS計(jì)算土石方

        利用ArcGIS進(jìn)行土方量計(jì)算,首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后生成三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),利用三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立TIN,并將TIN轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)[8],如圖4。

        圖4 TIN模型及柵格模型圖

        利用3D cut/fill工具對TIN文件進(jìn)行填挖計(jì)算后生成一個圖層,紅色表示填充土方的范圍,藍(lán)色表示要挖掉土方的范圍[9],如圖5。

        圖5 填挖范圍圖

        統(tǒng)計(jì)后即可將填方量和挖方量計(jì)算出,挖方量為正值,填方量為負(fù)值[10],如表2。

        表2 填/挖方量

        由表2可知,需要挖掉5 109m3的土方量,需要填11 632m3的土方量。

        4 結(jié)論

        ArcGIS與CASS軟件在土石方量計(jì)算過程中各有優(yōu)點(diǎn)。ArcGIS根據(jù)具備的可視化功能,可忽略地勢起伏變化進(jìn)行土方量計(jì)算[11]。CASS軟件中格網(wǎng)法適應(yīng)性較強(qiáng),DTM方法主要適用于平面或是單一傾斜場地的情況。兩種方法所得到的土石方填挖值的差值并不大,在使用時可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

        [1] 吳立軍.斷面法土石方測量與計(jì)算的自動化[J].地理空間信息,2005,(5):58-62.

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

        [3] 馮瓊瑛,肖 敏,楊 峰.CASS7.0土石方量計(jì)算方法分析比較[J].地理空間信息,2014,(6):150-153.

        [4] 趙秉東.土石方計(jì)算軟件在CASS下的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].地理空間信息,2005,(1):59-61.

        [5] 沈 銘,肖建紅,張勤麗.淺析基于南方CASS軟件的土方量計(jì)算[J].資源環(huán)境與工程,2012,26(增刊):102-106.

        [6] 吳秀芹,張洪巖,李瑞改,等.ArcGIS 9地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐[D].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

        [7] 劉建英.南方CASS軟件土方量計(jì)算方法的探討及特殊地貌土方量的計(jì)算[J].城市勘測,2008,(5):108-115.

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        [10] 鄧曉斌.基于ArcGIS兩種空間插值方法的比較[J].地理空間信息,2008,(6).

        [11] 秦 濤,付宗堂.ArcGIS中幾種空間插值方法的比較[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2007,29(1).

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