屈婷，沈繼青

（長江航道測量中心，湖北 武漢 430010）

在“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”的綠色發(fā)展理念，大型挖泥船型號和數(shù)量迅速發(fā)展下，疏浚在航道工程中的地位越來越重要。而作為采用機具和人工進(jìn)行水下挖掘的土石方工程，疏浚在設(shè)計、施工、竣工各階段，都需要對疏浚量進(jìn)行計算，包括設(shè)計工程量、超挖工程量、掃淺工程量、回淤工程量等的計算，因此研究探討更為直觀、高效的疏浚量計算方法具有重要意義。

地理信息系統(tǒng)通用軟件ArcGIS 具備強大的3D 建模、編輯、分析和可視化能力，在疏浚工程中擁有廣泛的應(yīng)用潛力。

1 疏浚量計算原理及方法

疏浚量是同一區(qū)域疏浚前后泥土的體積變化量，常用的計算方法有：等高線法、斷面法、格網(wǎng)法以及基于數(shù)字高程模型（DEM）法。

等高線法利用繪有等高線的地形圖，計算相鄰等高線所圍面積的平均值乘以高差來計算土方量；斷面法通過布設(shè)斷面，計算相鄰兩斷面平均截面積后乘以斷面間距來計算土方量；方格網(wǎng)法將場地劃分為若干方格，計算角點平均高程之差后乘以方格面積來計算土方量。以上方法均基于矢量數(shù)據(jù)，操作復(fù)雜，較依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗水平，精度不穩(wěn)定。

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）是用數(shù)字形式（地面平面位置以X,Y、高程以Z 的坐標(biāo)值）表達(dá)的地形表面形態(tài)?；贒EM 法直接利用點數(shù)據(jù)建立DEM，再將開挖前、后兩個DEM 求差，來計算體積變化即疏浚量。該方法基于柵格數(shù)據(jù)，可對連續(xù)表面進(jìn)行自動的空間和統(tǒng)計分析，具有模型逼真、操作簡單、精確度高等特點，且數(shù)據(jù)點越密、模擬精度越高，計算結(jié)果越準(zhǔn)確。

ArcGIS 是當(dāng)前GIS 行業(yè)中體系完整、用戶最廣的一款地理信息系統(tǒng)軟件，生產(chǎn)的DEM 產(chǎn)品精度符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求，利用該軟件的數(shù)據(jù)管理、空間分析和3D 分析等模塊，能高效率、高精度的實現(xiàn)疏浚量可視化計算。

2 基于ArcGIS 的疏浚量可視化計算

基于ArcGIS 疏浚量可視化計算即在ArcGIS 平臺中根據(jù)實測地面點（碎部點、特征點）或設(shè)計數(shù)據(jù)，模擬實測地表或者設(shè)計地表，再分析實測地表之間或者實測地表與設(shè)計地表的差來計算體積變化的方法。

2.1 實測數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用Excel，按照ArcMap 數(shù)據(jù)管理模塊中創(chuàng)建XY事件圖層的要求，對點坐標(biāo)文本文件進(jìn)行預(yù)處理：

（1）將文本文件格式統(tǒng)一為三列，順序為yxz。

（2）分別以y，x，z 作為主要關(guān)鍵列進(jìn)行排序，剔除異常值。

（3）在頂部插入標(biāo)識y，x，z，保存為TXT 文件，列之間使用逗號隔開。

2.2 構(gòu)建實測地表

在ArcMap 中利用實測地面點坐標(biāo)數(shù)據(jù)（X,Y,Z）創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network,TIN），再將其轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)字高程模型，來模擬實測地表：

（1）使用數(shù)據(jù)管理模塊正確賦予空間參考、創(chuàng)建XY 圖層，投影到指定坐標(biāo)系，獲得點shp 文件。

（2）使用3D 分析模塊將點要素轉(zhuǎn)為柵格數(shù)字高程模型即利用點shp 文件創(chuàng)建tin，再將tin 轉(zhuǎn)為tingrid文件；或者使用空間分析模塊直接將點shp 文件插值為tingrid 文件，見圖1。

圖1 實測表面

2.3 構(gòu)建設(shè)計表面

疏浚工程設(shè)計中，為了維持挖槽兩側(cè)的穩(wěn)定，需根據(jù)沉積物的土力學(xué)性質(zhì)和水動力條件確定一定的邊坡坡度，即挖槽坡度。根據(jù)挖泥船的類型確定超寬和超深。因此在設(shè)計階段估算工程量需在ArcMap 中構(gòu)建斷面為倒梯形的設(shè)計表面，步驟如下：

（1）根據(jù)底寬、底標(biāo)高在ArcMap 中使用數(shù)據(jù)管理模塊創(chuàng)建帶有高程屬性的底邊線要素；再根據(jù)邊坡比、超深超寬、挖深等重要參數(shù)計算平移距離、高程屬性，使用ArcMap 編輯器的平行復(fù)制功能添加邊坡線要素，并賦予高程屬性，獲得線shp 文件，見圖2。

圖2 設(shè)計線要素

（2）使用ArcMap 的3D 分析模塊將線要素轉(zhuǎn)為柵格數(shù)字高程模型即利用線shp 文件創(chuàng)建tin，再將tin 轉(zhuǎn)為tingrid 文件，見圖3。

圖3 設(shè)計表面

2.4 計算疏浚量

在ArcMap 中計算實測地表之間或者實測地表與設(shè)計地表的差，來計算或者預(yù)測工程量。

（1）使用3D 分析模塊的柵格減法計算工具或者空間分析模塊的柵格計算器對開挖前、后兩個數(shù)字高程模型進(jìn)行減法運算，獲得工程tingrid 文件。

（2）使用數(shù)據(jù)管理模塊創(chuàng)建裁剪范圍面要素，對數(shù)字高程模型進(jìn)行幾何裁剪，即利用面shp 文件幾何裁剪tingrid 文件，獲得工程指定范圍內(nèi)的tingrid 文件。

（3）使用3D 分析模塊的表面體積工具來統(tǒng)計工程指定范圍內(nèi)數(shù)字高程模型的某高程以上或者以下體積，獲取疏浚量。

2.5 制作專題圖

（1）在ArcMap 中依次添加各圖層數(shù)據(jù)，編輯柵格文件的符號系統(tǒng)屬性進(jìn)行分類填色，再切換到布局視圖插入標(biāo)題、圖廓、圖例等內(nèi)容，整飾導(dǎo)出，獲得各類專題圖，如圖4。

圖4 疏浚（試驗數(shù)據(jù)）示意圖

（2）在ArcScene 中依次添加各圖層數(shù)據(jù)，編輯柵格文件的符號系統(tǒng)屬性進(jìn)行分類填色，編輯柵格文件的高度屬性進(jìn)行疊加對應(yīng)的tin 文件、自定義高程夸大系數(shù)等操作，獲得各種三維示意圖，如圖5。

圖5 三維示意圖

3 總結(jié)

本文介紹了基于ArcGIS 平臺航道疏浚量可視化計算的一種方法，這種方法經(jīng)過實踐證明，由于關(guān)鍵數(shù)據(jù)均為實測和設(shè)計數(shù)據(jù)，無需進(jìn)行斷面布設(shè)或者方格劃分等主觀性較強的分區(qū)操作，僅進(jìn)行了基于柵格數(shù)據(jù)的整體運算，因而能較大提高計算效率，最大程度地確保疏浚量計算精度的穩(wěn)定性，且簡單易行、可視化程度高，可為相關(guān)生產(chǎn)部門提供一定的制作參考。