CASS软件在土石方计算中的应用

李芳芳,牛书平

(1.西南交通大学希望学院,四川南充 637900;2.郑煤集团赵家寨煤矿,河南郑州 450002)

1 外业数据采集

外业数据采集时,对于范围稍大的测区要先建立测区控制网,精度要满足土方量计算的相关精度要求,平面控制一般采用图根导线的形式布设即可,高程采用三角高程测量的形式。对于范围较小的测区,可采用任意坐标系的方式建立控制网。

在采集野外数据时,采集点的密度应该适当,过疏不能真实反映地形,过密则增加野外工作量,造成不必要浪费。野外采点时,可以用一站多镜的方式进行,一般在地形线上要有足够密度的点,特征点也要尽量测到,这样才能真实地反应地形;在其它地形变化不大的地方,可以适当放宽采点密度。正确选择地形特征点(如地势变化比较大的陡坎处最好坎上坎下同时测点)是外业数据采集十分重要的工作,它是内业计算的基础。

采集的野外高程点适时手工记录或存储于全站仪数据文件中,为内业计算提供依据。当一测站不能全部测完所需地形点时,可转点至下一测站点。方法是直接用全站仪获取下一测站点坐标,到下一测站点时建站方式和前站基本一致,此时后视方向为上一测站点,这样才能保证所采集野外高程点在一个统一的坐标系统下,其原理即充分利用全站仪的精度优势来测支导线点。注意转站点不能太多,否则会使累积误差太大影响土方测算的精度。

用此法进行野外数据采集的优点是速度快效率高,缺点是只适宜小区域地形,测量过程对中途的转点要特别注意检核,因为没有检核易出错。

2 内业计算

内业处理的基本思想就是把野外采集的高程点转入CASS软件中,然后采用相关模型进行计算。CASS在工程应用中,计算土方量的方法有多种,最常用的有:DTM法土方计算、用断面法进行土方计算、方格网法土方计算,等高线法土方计算。下面就重点以 DTM法和方格网法进行阐述。

2.1 CASS基础数据

坐标数据文件是 CASS最基础的数据文件,扩展名是“DAT”。无论是从电子手簿传输到计算机还是用电子平板在野外直接记录数据,都生成一个坐标数据文件。

在全站仪不带内存且没有电子手簿的情况下,就要进行手工记录了。手工记录的野外数据在用CASS进行内业处理前,要改成符合 CASS数据格式。

2.2 DTM法土方计算

由 DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标(X,Y,Z)和设计高程,通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量,最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量,并绘出填挖方分界线。

DTM法土方计算共有两种方法,一种是进行完全计算,一种是依照图上的三角网进行计算。

完全计算法包含重新建立三角网的过程,又分为“根据坐标计算”和“根据图上高程点计算”两种方法;依照图上三角网法直接采用图上已有的三角形,不再重建三角网。

首先要展绘高程点,菜单“绘图处理”—“展高程点”,在弹出的“输入坐标数据文件名”对话框中选择数据文件“野外数据.dat”。

然后用复合线画出所要计算土方的区域,菜单“工程应用”—“DTM法土方计算”—“根据图上高程点计算”。

提示:选择边界线用鼠标点取所画的闭合复合线。

请输入边界插值间隔(m):<20>边界插值间隔的设定的默认值为 20m。

提示:选择高程点或控制点 此时可逐个选取要参与计算的高程点或控制点,也可拖框选择。如果键入“ALL”回车,将选取图上所有已经绘出的高程点或控制点。

关闭对话框后系统提示:

请指定表格左下角位置:<直接回车不绘表格 >用鼠标在图上适当位置点击,CASS5.0会在该处绘出一个表格,包含平场面积、最大高程、最小高程、平场标高、填方量、挖方量和图形。

2.3 方格网法土方计算

由方格网来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标(X,Y,Z)和设计高程,通过生成方格网来计算每一个长方体的填挖方量,最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量,并绘出填挖方分界线。

菜单“工程应用”—“方格网法土方计算”。

屏幕上将弹出选择高程坐标文件的对话框,在对话框中选择所需坐标文件。

提示:选择土方计算边界线,用鼠标点取所画的闭合复合线。

输入方格宽度:(m)<20>这是每个方格的边长,默认值为 20m。由原理可知,方格的宽度越小,计算精度越高。但如果给的值太小,超过了野外采集的点的密度也是没有实际意义的。

同时图上绘出所分析的方格网,并给出每个方格的填挖方,每行的挖方和每列的填方。

系统首先将方格的四个角上的高程相加(如果角上没有高程点,通过周围高程点内插得出其高程),取平均值与设计高程相减。然后通过指定的方格边长得到每个方格的面积,再用长方体的体积计算公式得到填挖方量。因此,用这种方法算出来的土石方量与用其它方法得出的结果会有较大的差异,一般说来,这种方法得出的结果精度不太高,这是由于这种方法“先天不足”——算法的局限性。但是方格网法简便直观,加上土方的计算本身对精度要求不是很高,因此这一方法在实际工作中还是非常实用的。用格网法算土方量,设计面可以是水平的,也可以是倾斜的。

注意:在用该方法时,用复合线画出所要计算土方的区域,一定要闭合,但是尽量不要拟合。因为拟合过的曲线在进行土方计算时会用折线迭代,影响计算结果的精度。

3 DTM法和方格网法对比分析

结合在用 CASS的工程应用中的实例,发现DTM法和方格网法计算土石方量时,这两种方法计算出来的结果有时却不是一样的。在哪种情况下用哪种方法更加合理是笔者在下面要讨论的内容。

3.1 两种方法的计算原理

DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标和设计高程,通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量,最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量,并绘出填挖方分界线。

方格网计算土方量是根据实地测定的地面点坐标和设计高程,通过生成方格网来计算每一个长方体的填挖方量,最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量,并绘出填挖方分界线。

3.2 两种方法相关分析

DTM法是使用实测的地形数据构成不规则三角 TIN,而非拟合的数据构网。只要地形变化较大的区域具有足够的地形点,DTM构成的TIN是绝对能够真实客观反映实际地形变化的。TIN相对方格网法构成的面片高程来说精度非常高。DTM法的精度较高,因为三角网能很好地适应复杂、不规则地形,从而更好地表达真实的地面特征。但是要注意的是 DTM方法计算土方量精度虽高,但其计算过程中数据量大,占用大量存储空间。因此,如果地图本身数据量大时就应慎重考虑是否采用该方法,而且TIN网要比构成方格网耗费的资源多。

地形点位置不合理,DTM法算土方肯定不精确的,可能比方格网法还差。这就要看地形点是打在什么地方。比如说,构成的三角型正好是陡坎削了或是一块凹塘填了,那构成的 TIN就不合理了。所以打地形点和修改TIN还是要加以注意。如果在地形支离破碎的地方合理打地形点和构成的 TIN真实反映地形,DTM法算的土方就十分准确。

方格网现场施测也是这样,与所选择的方格网宽度有很大的关系。由于不测格网中间的高程,一般的方格网,对于原地面起伏不大的地方,精度还可以,对于原地面起伏较大的地方,有很大的差别。

因此,采用DTM和方格网法计算土方,要看实际地形的起伏变化复杂程度,如果地形点数据的分布合理的话,DTM法绝对比方格网法准确;对于原地面起伏较大的地方,还是最好不要用方格网去算量,虽然这是大家比较认可的土方算量的方法,只是更适合地面比较平坦的地方。如果地形起伏不大,则是用方格网法比较简单划算。

4 结束语

在对土方量进行计算时,要考虑到地形特征、精度要求以及施工成本等方面的情况,选择合适的计算方法,达到最优的目的。在工程实践中要不断总结经验,创新方法从而使理论更好地服务于实践。

[1]李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉大学出版社,2000

[2]慕永峰,朱昌永,李建.三角网结构 DTM的土方计算及应用[J].测绘工程,2000,9(1)

[3]李殷,朱益虎.DTM在土方计算中的应用[J].地矿测绘,2006,22(4)

[4]陈少雄.公路工程勘察设计中影响路基土石方工程数量的因素分析[J].大众科技,2004(3)

[5]张杨,王铁滨,孙兆辉.影响土石方工程数量的因素分析[J].东北公路,1997,20(4)