ARCGIS计算土方的实用性论证

庄春晓　王力涛　王秋成

摘 要：现实生产作业中经常会遇到一些土方量的计算，目前主要的计算方法是基于CAD平台利用CASS实现的断面法、方格法、等高线法、不规则三角网法等。其中不规则三角网法，在作者所从事的行业中应用较为广泛。但不规则三角网法也存在一定的缺点，构建好的三角网需与现场实际地形一致，由于可视化程度不好，在调整三角网的过程中容易疏漏出错。手工调整三角网，角点高程检查费时费力。当工程较大，地形较为复杂时，需要消耗较长的时间，严重影响工期及效益成本且出错率较高，准确度也相应降低。ArcGIS作为一款强大的地理信息软件，以其可视化，数据处理功能强大，建模准确快速等优点，使得土方计算变得更加简单、准确、快速。

关键词：Arcgis；土方计算；数字高程模型（DEM）；TIN不规则三角网

1 计算原理

Arcgis计算土方量是利用DEM提供的高程信息，结合Arcgis的3D Analyst，Spatial Analyst，叠合分析和统计分析等功能共同完成的。因此土方计算的精度主要依赖于各种模型的精度，而Arcgis因具有强大的建模，数据处理功能因此非常适合土方计算这种对建模要求精度较高的计算。

2 数字高程模型（DEM）

数字地形模型是以数学形式存储的地球表面地形信息的集合，地形信息包括高程，坡度、坡向等，其中高程信息是最基础的信息，专门存储高程信息的数字集合就是数字高程模型，它是DTM的基础。在土方量计算中要模拟地形，建立DEM，所建立的DEM的精度将影响土方量计算的精度。离散点、不规则三角网（TIN），等高线，断面线和规则格网是DEM的五种数据结构。在空间信息系统中，应用最多的是规则格网DEM和不规则三角网TIN及两者的混合应用。

3 土方量计算

在Arcgis中，为了实现土方量的计算，就需要将同一地域两期的DEM进行叠加，从而取得两个模型的交线，即为各个填、挖区的分界线。每一条分界线所围成的封闭区域都是一个单一的回填区或开挖区。通过分别统计回填区和开挖区的体积，就可以得到该区域填、挖的土方量。

4 数字建模

高质量的数字建模一般基于ARCGIS 生成TIN 的空间插值建模主要分成两种：（1）通过数字化地形线并赋予高程建模。在此ARCGIS Desktop 9.3提供了基于hard line＼soft line＼mass points三种模式；工作者应视具体情况合理选择以提高TIN的地面仿真度。（2）通过输入特征控制点空间插值建模。在此，ARCGIS Desktop 9.3 提供了Inverse Distance Weighted＼Spline＼Kriging＼Natural Neighbor Interplation四种建模方式。其中，使用较为广泛、普遍认为精度较高的为Kriging 空间插值的方法；为保证插值后模型表面连贯性，以更好拟合地表状况，在Kriging插值过程中要求控制点值应趋于符合正态分布，对于不符合正态分布的数值，应通过剔除和合理的数据转换方式等手段处理数据，以保证TIN 的仿真度。除此之外，ARCGIS Desktop 9.3的3D Analyst还提供了Add Features to TIN模块，即通过在TIN模型基础上进一步加入控制点和控制线等方式进一步提高TIN的精度。因此，工作者在数字建模过程中一定要注意这些细节工作的处理，以达到建立高质量DEM、计算的高质量、高精度要求。

5 工程实例

作者以天津市津南区天津海河教育园区内多个土方计算工程为例，将Arcgis与Cass 7.1土方计算进行比较。外业数据采集采用相同的数据，均采用同一套设备进行外业采集，数据采集后将同一套数据分别经过数据处理，制作成CAD与Arcgis可以利用的数据。土方计算采用两期土方计算的方法，因此数据采集需采集平整前与平整后的数据，为提高精度，数据采集主要采用全站仪进行。数据点为8-10米一个，遇到地形复杂地方可以适当增加。

6 土方量计算

构建TIN及其修正过程：

（1）TIN为不规则三角网的缩写，是数字高程模型的一种，是高度值（Z值）连同X，Y坐标一起存储在结点，通过一定的算法构成一系列无重叠的三角形来模拟陆地表面。由高程点构网生成的TIN，通常都需要从一个粗毛坯“修剪”到能表达真实地形的模型[1]。

（2）三角形是由最近高程点形成的，在这种约束下，三角形都沿等高线分布，这样在等高线曲率比较大的地方使得一些三角形的三个顶点都位于一根同高程的等高线上，进而在表现这个连续面上，使得结果更接近现实。研究区中的等高线可以通过构建的TIN内插生成，采样的等高距为0.5m。在容差为0.01m的范围内等高线经过平滑处理。

（3）添加平滑处理的等高线以及测内的实测有限制性的地形如沟坎等，作为修正TIN的断线要素。此过程一定要仔细，计算结果影响至关重要。对于起坡线的位置也需要仔细处理。

7 计算结果对比

为了验证结果的准确性，文章选取了多个工程进行验证，对比结果如下表：

由于无法得出填挖方真值，暂时以Cass与Arcgis对比差值作为一个比较对象，由以上结果可以看出，Arcgis计算结果与cass结果差别不是很大，计算结果比较精准。可以作为一个新方法进行实验推广。通过计算过程可以发现，Arcgis计算速度要明显优于Cass，尤其是对于数据量较大的计算，这方面的优势就更加明显，Cass需要对数据点与三角网的定点高程进行吻合检查，这就需要消耗大量时间，同时需要对生成的三角网网型进行检查，以确定网型是否合理，由于Cass为二维网型，因此需要大量时间的人工判读，而且很容易出错。而Arcgis为三维视图，比较直观，出错率相对降低。最后Cass生成三角网，需要对三角网自相交进行检查。当地形数据量较大时，这需要很长时间的检验。而Arcgis则相对计算简单，快速，自动化程度高，有较好的可视化，表现更为直观。且出错率相对较低。而且Arcgis可以对计算边界进行任意调整，便于将地块拆分，计算更为方便。业界已有许多同仁对Arcgis进行土方计算的技术进行了可行性研究，如徐婵[2]，潘红飞[3]，郭宽伟[4]， 沈名威[5]等都对Arcgis计算土方的实用性结合实际进行了研究，并都得出了可行的结论。

8 结束语

作者认为Arcgis计算土方的实用性已无可争议，接下来作者会对Arcgis计算土方的精度，以及如何应用Arcgis进行大面积，高复杂的地形土方计算进行研究，以及数据采集量的经济性进行研究。期待Arcgis土方计算方法的普及，也期待着更多新的方法的出现。

参考文献

[1]Ware J A，Kinder D B，RallingsP J.Parallel distributed viewshedanalysis[C].In：Proceedings of 6th ACMinternational symposium on advancedin geographical information systems，Washington D C，1998：151-156.

[2]基于ArcGIS的土方量計算[J].广西水利水电，2013（1）.

[3]基于TIN 模型较高精度土方量计算方法[J].价值工程.

[4]ArcGIS在机场土方计算中的应用分析[J].四川建筑科学研究，2012（2）.

[5]基于ArcGIS的土方量计算与可视化[J].城市勘测，2013（10）.