土方工程辅助设计软件在土地平整设计中应用

干犁军 高永甲

在农业开发中，无论是开垦荒地、合并土地及低产田改造，经常要进行农田测量，而农田测量的一个主要任务是要进行土地平整测量并计算挖填土方量，保证挖、填平衡。传统的土地平整测量工作如何实施是由土方量的计算方法决定的，采用不同的计算方法也就意味着采用不同的测量工作实施方案。随着全站仪在测绘工作中越来越普及，传统的土地平整计算方法已经无法适应新型仪器实时高效的特点，不能充分发挥仪器的性能，必须找出一种能充分利用新型仪器的优点，提高测量及计算速度的方法。本文探讨利用我单位自行开发的《土方工程辅助设计》(TFGC)软件进行土地平整测量的计算方案，供同行参考。

1 TFGC软件介绍

TFGC软件是我单位自行开发的土地平整设计软件，是在绘图支撑软件AutoCAD上开发的。源程序用Visual Basic语言编写，适用于土方工程设计和平地工程设计。如修建高尔夫球场、人工园林、人工池塘和农田建设等。TFGC软件具备以下功能:

1)土方量计算。能接受多种文本格式的坐标数据文件。自动建立以地块为单元的土方量计算文件夹，并将后续地块土方计算数据自动导入本地块文件夹。能进行纵横坡度计算，并可根据给定的纵横坡度或地块四角高程，计算地块内每一个点的设计高程。可进行地块内各种地形的土方计算，并自动绘制出开挖线。

2)土方调运。可进行简单的土方调运设计。根据调运的方向自动计算出运距和运量。

3)土方工程量计算。在调运图的基础上自动提取图中的填挖方量，通过电子表格Excel完成土方量统计。针对不同的要素，采用不同的编程语言，程序中包含以下模块:数据调入、地块分区、自动建立地块目录，土方计算，土方设计图的绘制，土方调运图绘制，土方工程量的计算等。土方工程辅助设计操作流程图见图1。

该软件还具有界面友好，易于操作，数据间的传递具有一定的自动化程度，可以降低工作人员的劳动强度，缩短设计周期的特点。TFGC软件进行土方工程设计和平地工程设计都在一个工作单元中进行，一个工作单元中的点数最多600点。点的最近距离为3 m，小于3 m的点则自动删除。一个工作单元建立一个数据文件，文件格式为文本文件，一个点写一行，依次为:点号，纵坐标X，横坐标Y，高程H。数据文件可由键盘输入，也可在Auto-CAD系统中用属性提取功能提取数据文件。计算采用三角网法计算。由散点的三维坐标自动构成三角网，计算每个点的设计高、填挖数及每个三角形的挖、填方工程量。TFGC软件进行土方工程设计需要一个设计模型。设计模型是根据设计思想由若干设计模型点构建的一个多面体模型，它是进行设计的依据。一个工作单元设计模型点最多50点。平地设计不需要设计模型，用回归方法计算出纵向坡度、横向坡度。绘制平地设计图。绘图比例由用户设定。纵横向坡度都可调整。其数据处理流程为:[实测地面高程]→[TIN(三角网)]→[DEM]→[确定设计高程]→[计算土方量]。

2 土地平整的设计原则

2.1 总体规划原则

平整土地的主要工作是通过挖高填低，使土地表面在满足设计坡度的条件下尽可能达到较理想的平面状态。平整土地一方面是使田块满足灌溉要求，提高水肥利用效率和灌溉水均匀度有利于耕作、作物生长以及防止水土流失，从而提高耕地的质量;另一方面通过对沟、渠道、滴灌和田间道路的重新规划和整理，改善农业生产条件、增加有效耕地面积，促进土地的集约化利用，加快农业的现代化进程。在土地平整设计方案中，要充分考虑各种因素，以使设计方案符合当地的条件，切实可行，应遵循以下原则:

1)农田规格化，地面平整;2)在规划时应尽量利用田间原有的沟、渠道和田间道路，以节省费用;3)要调查清楚规划区的水系分布，以使水资源得到充分的利用。

2.2 土地平整高程设计原则

1)土地平整过程中，挖方处表土被取走，底土暴露，而填方处土质过于疏松等，会影响土壤的质量。所以，在确定设计高程时应以原有地貌高程为依据，尽量减少土方的填挖。2)平整后的田块的高程应在横向、纵向上有规律的递增或递减。3)平整后的田块之间的高差应尽可能的小，一般控制在30 cm～50 cm之间，以保证每个地块均能灌溉，满足灌溉要求。4)“挖方量=填方量”的原则。

3 传统计算方法

断面法、方格法、散点法及表格法。断面法主要适合山地及高差比较大的地形;方格法主要适合地形平坦及高差不太大的场地平整;散点法适用于地形有起伏，但变化比较均匀，不太复杂的地形。传统的土方量计算方法手工工作量大，不易在计算机上实现，不能有效利用现有的数据资源;而且，不同的计算方法均存在计算结果精度低，结果差异大的问题。许多研究表明，应用数字高程模型(DEM)能够比较精确地解决土地整理设计中涉及的土方量计算问题[1-9]。

在传统的计算方法中，无论是方格中点法还是方格角点法，都需要先测设观测点位再进行高程测量。在方格中点法中是测设各方格的中点，在方格角点法中是测设各方格的角点。因为要先测设点位再测量高程，使得土地平整的测量工作极为繁重，加之以前计算工具的落后，使得土地平整测量无论是外业测量还是内业计算都需要耗费大量的人力。在测量中将测区分成若干方格而不是分成任意图形也正是为了减少计算工作量。计算机在测绘中的应用使得计算工作大为减轻，新型仪器的使用使得外业工作量也相应地减轻。但在许多应用方面由于传统计算方法的束缚，并没有充分发挥出新型仪器的优势。只有不断改进传统的理论和计算方法，适应仪器的发展，才能真正使测绘工作者从繁重的劳动中解放出来。

4 用《土方工程辅助设计》(TFGC)软件进行土地平整测量的计算方案的优势

TFGC平地设计基于任意三角形法。其方法是:根据地块内地形，实地采集各地形特征点的三维坐标。将采集数据传入计算机，运行TFGC软件，对采集数据组成三角网，计算出地块地面自然的纵、横坡降，平均高程。依据设计人员输入的设计参数，如:纵、横坡降，地角高程等，计算出三角网中三维坐标点的设计高程、填、挖数和各三角形的面积。进而算出各三角形的挖、填土方量，并加以汇总。下面以兵团224团12万亩土地平整设计为例加以说明。

4.1 作业方案

外业进行地形图数据采集。依据地块坐标进行边桩测定。内业依据规划图进行地块划分，把每个条田分成五个地块。根据设计提供的地面高程，纵、横坡降对各地块进行设计高程控制，设计时条田落差控制在1.0 m内，地块间落差控制在0.5 m内，以保证每个地块均能灌溉，满足灌溉要求。依据采集数据、边桩测量、地块划分分区(分片)进行平整土地设计。

4.2 实施方法

1)外业数据采集。根据规划图提供的用地范围进行外业数据采集。用南方灵锐S82型RTK按规划图条田的坐标标定其边界位置，并打木桩。桩上注明条田边界和里程，如:449号条田右边界200 m处桩号为449R200。并在地块角点测量其桩顶三维坐标，打上方桩，作为控制点用作全站仪采集碎部点。相邻地块角点高程精度应达到，平面精度应达到±10 cm。碎部点的采集密度按1/1000比例尺地形图施测。野外数据采集采用极坐标法，高程注记点应密度恰当、位置合适，在地貌变化处均应有高程注记。设站要求和测站检查应符合以下规定:仪器对中偏差不大于5 mm。检查相邻图根测站点的高程，其较差不大于1/5基本等高距，即10 cm。检查远处控制点、图根点的方向偏差不应大于图上0.2 mm，即20 cm。检查相邻图根测站点的平距，其较差不应大于平距的1/3000。进行数据采集，必须统一数据文件的格式，数据文件格式如下:

2)平整土地设计图。平整土地设计采用TFGC软件，在计算机辅助制图软件AutoCAD2002进行数据展点，划分区域(条田)、区块(地块)，然后以区块为单元导出数据，建立DTM模型并修改DTM模型使之与地面尽可能相似，根据运距最短、挖填土方量最少的原则，设计每一地块的纵坡、横坡。计算各三角网角点的设计高程及挖填数，每三角网内计算挖、填土方量。平地设计图采用3号图尺寸绘制。按1∶1000比例尺绘出田块边界，土方量及田块编号、总挖方量、总填方量、横坡、纵坡及总面积和设计者姓名。

3)平整土地土方调运图。土方调配以地块为单元，内部调配，极个别为地块间调配。以“头对头，尾对尾，不交叉，不对流”的原则，设计土方调配图，图中方框中的数值为挖(填)方土方量，正值为挖方量，负值为填方量。箭头方向为土方调运方向，箭头上方为调运土方数(单位:立方米)，下方为运距(单位:米)。建立地块数据库，进行工程量汇总;总挖(填)土方量、总面积、20 m以内挖方量、20 m～50 m以内挖方量、50 m～100 m以内挖方量、100 m～200 m以内挖方量、300 m以上挖方量。用计算机辅助制图软件AutoCAD 2000绘出土地平整设计图。

5 结语

土方量计算的准确度与所建立的数字高程模型有着密切的关系，高程模型建立的越逼真，即越接近实地，计算出的土方量就越准确。《土方工程辅助设计》(TFGC)平地设计基于任意三角形法。我们于2002年5月～8月和2003年7月～9月在乌鲁瓦提水利枢纽皮墨垦区(兵团224团)一、二期共计12万亩土地平整设计中利用该软件进行平地设计。并和传统的方法(方格网法)进行了比较。在地势平坦的地块，TFGC方法和方格网法的计算结果比较接近，在地势起伏较大的地块，TFGC方法和方格网法的计算结果差值较大，最后经过施工单位施工以后，和施工单位实际的填挖方量进行比较，TFGC方法计算的结果最接近实际方量。实践证明，在土地平整设计中采用TFGC方法是切实可行的，对比传统的方格网法，其有以下显著特点:1)在外业测绘中，方格网法需要使用测绘仪器在实地测出10×10等方格网的角点位置及高程，费时费力，且计算工作量大。而使用TFGC方法只需要像测地形图一样采集碎步点即可;2)在内业计算中，方格网法一般采用手工配合电脑进行计算，由于数据量大，容易出错，而TFGC方法是把外业采集的数据直接导入电脑，利用TFGC软件进行计算，减少了出错的几率;3)使用TFGC方法绘制平地设计图，绘图比例由用户设定，纵横向坡度都可调整。随着项目的进行，我们的软件也越来越完善。我们用很少的投入，简单的解决了我单位在平整土地设计中的问题，保证了各个项目顺利完成，为我单位带来了很好的经济效益。目前，土方调运与工程造价处理过程中自动化程度尚有待进一步提高，我们将在原有基础上增加新的模块进行处理，对TFGC软件予以不断的完善。

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