ARCGIS在土方工程量计算中的应用

任燚 姚晓伟 房新玉

摘 要：土方计算在建设工程的土方工程中有着重要的意义和作用，是工程费用计算和工程施工方案优选的重要参考因素，直接关系到工程造价，如何更加客观、准确地计算土方量，减少或避免土方工程的争议，值得我们进行认真的探讨。在地形复杂区域时，利用传统的DTM方法需要手动勾绘每一个三角网，过程计算繁琐，而且容易出错；而利用ARCGIS中的TIN模块构建DEM不仅能够进行直观显示，而且具有计算速度快，计算精度高等优点。该文介绍了ARCGIS土方计算的原理，通过工程实例主要介绍利用ARCGIS中TIN进行土方计算的流程及注意事项，并得出相应的结论。

关键词：DEM TIN ARCGIS 土方量

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0030-03

土方计算在建设工程的土方工程中有着重要的意义和作用，土方量的大小与工程项目的投资直接相关，传统土方量计算方法包括断面法、方格网法、DTM法。断面法主要应用于道路、围埝等具有规则断面的地形和区域；方格网法主要应用于平坦地区和地形高差变化不大的地区；DTM法适用于各种地形，但要求特征点一定要采集到位，并且在地形复杂的区域，需要加密测量，并且计算时需要人工较大的干预，工作量比较大。数字地面模型（DEM）是地形表面的一个数学（或数字）模型，数字高程模型（DEM）是数字地面模型（DTM）的一种，它表示地面上的高程信息，其方式主要有规则格网（GRID）法和不规则三角网（TIN）法。规则格网法是根据给定的纵（横）方向和间距对研究区域进行划分，利用已知离散高程点内插出网格点的高程数据，形成一组规则的矩形网格数据点，用四棱柱的方法计算土方量。不规则三角网（TIN）是数字高程模型DEM的表现形式之一，TIN法是直接利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网，对计算区域按三棱柱法计算土方。随着GIS的迅速发展，GIS技术在土方工程量计算方面得到了广泛应用。TIN是GIS中常用的数学模型，它能够真实的逼近实际地形，反映现场的地形地貌，计算精度较高。本文探讨了基于ARCGIS的土方工程量计算方法，并将其应用于天津地区的一个工程项目中，取得了较好的效果。

1 技术流程

1.1 TIN计算的原理

基于TIN的土方计算一般采用三棱柱法，如图1，图2所示，首先由三角形顶点的坐标计算出三角形的面积S，每个三角形以三个顶点的高程平均值作为这个三角形的高程值。

H = （h1+h2+h3）/3 （1）

式中H为三角形的高程值，h（i=1，2，3）为三角形三个顶点的高程值。则该区域的填挖方为

V=（H-h0）×S （2）

式中V为三角形的填挖方，V为正值时表示开挖，为负值时表示回填。如果既有开挖又有回填区域，如圖3所示，则三角柱由交面截成一个椎体和一个楔体，椎体部分为回填，楔体部分为开挖，需要分别计算其开挖量和回填量。在统计每个三角形对应的体积后，统计工作区的总挖填方量，完成土方量计算。

1.2 利用ARCGIS计算土方流程

数据采集—— 数据编辑—— SHP文件的生成—— 对边界线进行赋值—— 生成TIN文件——工程量计算。

2 实例分析

该文以天津港区某一工程项目的土方工程量为实验依据，该工程区域为一L型的带状区域，整体形状呈台阶型，并且部分区域由堆土，整体比较复杂。用ARCGIS进行土方工程量计算，并与南方CASS计算的结果进行比较分析。取得了较好的效果。南方CASS计算时，每个三角网均手动勾绘，并由两人分别进行计算，认为是真值。

2.1 数据采集

利用Trimble R8 GPS-RTK（动态定位精度为±10mm+1ppm（水平）/±20mm+1ppm（垂直））测定了施工区域523个地面特征点，并在地面起伏出适当增加采样点密度，并将所有采样点输入计算集中，利用CASS绘制地形图，并利用CASS的DTM土方计算工程计算目标高程的工程量，以进行比较分析适用。

2.2 数据编辑

数据的准备包括原始数据、特征线图的准备和计算范围面域的准备。

（1）利用CASS软件将图中的数据生成DAT文件，并在文件中添加表头“ID，CODE，Y，X， H”，分别代表编号，代码，东坐标，北坐标，高程，并将后缀修改为TXT。（2）将CAD中的坡顶线，坡底线，垅线属性更改为多线段，并用explode命令将多线段分解（该步骤是为了以后给线段赋值），并单独储存为“线文件.DWG”。（3）利用pline命令在CAD中绘制计算面域，并闭合，储存为“面文件.DWG”。

2.3 SHP文件的生成

（1）POINT.SHP文件生成，打开ARCMAP，选择“ADD XY DATA”命令，出现以下界面，如图4，在界面中数据选择DATA.TXT，X Field选择“Y”，Y Field选择“X”，Z Field选择“H”，忽略警告，生成“data.txt events”，如图5。

右键“data.txt Events”，选择 “ Data——>Export Data”，如图6。

出现对应的对话框，见图7，在对话框中，将文件名修改为POINT.SHP，然后点击确定，并将生成的POINT.SHP添加进ARCMAP。并在ARCMAP中删除“data.txt events”。

（2）POLYLINE.SHP文件的生成，打开ArcCatalog，找到“线数据.dwg”，在“polyline”上右键“Export->To Shapefile（single）”，见图8。

弹出对话框9，如图9设置好位置和名称，点击OK即可。

（3）POLYGON.SHP文件的生成，POLYGON.SHP文件生成过程和“POLYLINE.SHP”，一样，只是在 “POLYGON”上点击右键。经过以上步骤，我们将SHP文件准备完成。关闭ArcCatalog。

2.4 将点高程属性附着在线上

在ARCMAP中点击“Add Data”按钮，如图10，将“POLYLINE.SHP”和“POLYGON.SHP”添加进ARCMAP中，

打开“ArcToolBox”，首先在EDIT命令中Start Editing，然后在命令Analysis Tool中找到“buffer”命令，在“Input Features”选择“POLYLINE”，”Linear unit”设置为0.1，点击确定（图11）。

然后在Analysis Tool中找到“identify”命令，在“Input Features”选择“POINT”， “Identify Feature”中选择刚才生成的“Buffer”文件，如图12所示。

在Analysis Tool中找到“SpatialJoin”命令，如图13，在“Target Features”选择生成的“buffer”文件，在“Join Features”选择”“POINT”，确定即可。

2.5 生成TIN文件

在EDIT命令中“Stop Editing”，并“Save Editing”。在“3D Analyst”找到“Create TIN From Features”命令，分别选择 “POINT”，“POINTLINE_Spatial”， “POLYGON”（图14）。

注意：选择“POINT”时，“Tag value filed”选择“H”；选择 “POINTLINE_Spatial”时，“Height source”選择“H”，“Tag value filed”选择“NONE”；选择“POLYGON”时，“Height source”选择“NONE”，“Tag value filed”选择“NONE”。则生成TIN文件，如图15。

2.6 工程量计算

在“3D Analyst”中找到“Area and volume statistics”命令，设置“Height of plane”中高程为5 m，点击“Calculate statistics”（图16），则可计算出5 m以上的工程量。经检核，该工程量与CASS计算的结果一致，误差为0.7%。

3 结论

TIN可表达任意形状的复杂地形，通过对TIN直接计算可提高土方量计算精度，克服传统土方计算方法精度不高的缺点。该文分析了TIN计算土方量的原理，利用ARCGIS进行了土方量计算，进行了比较分析，从分析结果看，计算精度较高，并且实现了计算过程的可视化。

参考文献

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