基于Microstation V8 与南方CASS 的土方工程计算方法研究

李明君，宋其聪，李宇博，韦 铖

（青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266000）

0 引言

随着城镇化的不断深入发展，新产业园区的建设，土石方量的计算关系到开发建设成本以及平场整治的难易，所以，土石方量成为政府与开发者共同关注的内容[1]。

目前，在各种建筑工程建设中，都需要将地面平整为倾斜或者水平面，使改造后的地面适用于修建建筑物、排水等工程需要。采用合适的方法测量并计算出土方数量，保证计算结果的准确性和合理性，能够为工程的预算提供数据支持，也是合理安排施工方案的重要依据。因此，在施工过程中进行土方计算是非常必要的。

1 土方量计算方法与原理

1.1 方格网法

方格网法是土方计算的代表性方法，与其他方法相比，方格网法有着直观简便、易于操作的特点，在实际工作中有着广泛的应用。根据计算方式不同，方格网法又分为算数平均法和加权平均法。

算数平均法的计算的基本原理为：把要计算的场地划分为若干个固定尺寸的方格（如5m×5m、10m×10m 等），根据实测的地面点坐标（X、Y、Z）（如角点无实测高程，则利用周边高程数据采用内插高程方法计算出各个方格四角的高程值[2]），取平均值计算出格网平均高程，再根据平均高程和设计高程求出各方格点的填挖数量，再计算整个区域的土方量。

加权平均法的计算原理为：将每个方格的4 个角点高程取平均即得该方格的平均高程。各方格的平均高程加在一起，除以方格数，即为该方格网的加权平均高程。各网点在计算平均高程使用时的次数即为该点的权。加权平均高程等于各网点的权乘以该点的高程的总和，除以各点权的总和[3]。

利用公式（1）求取各方格网点的加权平均值：

其中：H平均-各方格网点的加权平均值；Hi-各方格网点高程；Pi-各方格网点的权；n-方格网点的个数。再根据求出的加权平均高程和设计高程计算整个区域的土方量。

1.2 数字地面模型（DTM）法

数字地面模型（DTM）法是利用外业采集的数据建立DTM 模型，生成不规则三角网（TIN）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。不规则三角网（TIN）是数字地面模型DTM 的主要表示方法，该法利用外业实测的地形点、特征点进行构网，按三棱柱法计算测区土方。相对于规则格网，不规则三角网具有以下优点：构成网形的点线密度和结构与地表的特征一致，将实测数据作为网格结点，原始数据及精度不受影响，并且能形象的表达地表特征，更适用于不规则地形[4]。因此在利用不规则三角网（TIN）计算土方量能够提高计算结果的精度。

2 工程实例

下面根据某项目工程实例来介绍如何从外业数据采集，到外业实测数据导入Microstation V8 中并提取实测点坐标、高程值，在CASS7.0 中采用方格网法和数字地面模型（DTM）法分别计算土方量的操作步骤，通过对各种方法计算结果的分析和比较，最终得出各方法的优缺点和适用情况。

2.1 外业测量

根据工程需要，外业采用QDCORS 下的网络RTK 方式实测测区高程，在平缓区域高程点可按照委托方要求格的格网密度按5m 或10m 等间距测量，在地形变化较大的区域适当加密测量，特别是斜坡顶底高程及范围需要重点测量。外业测量也可以采用网络RTK 法布设图根控制点，通过全站仪极坐标法实测测区高程。

随着测量技术的发展，外业测量也有了许多新技术和新方法，如三维激光扫描技术、无人机倾斜摄影测量技术等。三维激光扫描技术在土石方测量中有着较好的应用前景，与传统测量方式相比较，三维激光扫描技术通过获取测区的激光点云数据能够更详细的描绘现场地形起伏情况，同时三维激光扫描技术还有着外业采集的效率更高，结果更准确的特点。此外，随着无人机技术的发展，无人机倾斜摄影测量技术在土石方测量中也有着越来越多的应用，特别是对于人员无法到达的险峻地区，在传统测量方式无法满足工程需要的情况下，采用无人机倾斜摄影测量就能够快速获得测区的影像数据，通过三维建模处理后的数据能够应用于土石方计算，在提高作业安全性的同时还能够有效提高工作效率和作业精度。

2.2 外业到内业

将外业采集的数据导入计算机中，利用GPS 处理软件和导线计算程序计算出实测点的坐标及高程数据，导入Microstation V8 软件中并展绘实测点的位置及高程。打开展高文件，将图中高程点全部选中，利用Microstation V8 中的提取XYZ 功能，在打开的对话框中，坐标来源项根据情况选择单元或者注记，导出格式选择CASS 格式，导出文件处键入文件名，点击执行即可在文件目录下建立CASS 坐标数据文件。根据委托方要求的范围，将地块范围线或者实测范围线生成闭合线，并将该计算范围线文件由Microstation V8 的DGN 格式转换为CAD 的dwg 格式。

2.3 CASS7.0 下的方格网法土方计算

在CASS 软件中打开之前生成的计算范围线文件，用鼠标点取计算边界范围线后弹出土方计算参数设置对话框，选择坐标数据文件，导入设计三角网文件，计算每一个方格内的填挖方量，最后累计得到总填挖方方量，并绘出填挖方分界线。将计算出的数据及图形文件转换到Microstation V8 中，修改字体大小并进行图面整饰并添加坐标格网后，编辑出图。

2.4 CASS7.0 下的DTM 法土方计算

数字地面模型（DTM）法土方计算共有三种方法：①由坐标数据文件计算；②依照图上高程点进行计算；③依照图上的三角网进行计算[5]。由坐标数据文件生成DTM 模型，将三角网中的每一个三角形看作是一个三棱锥。在CASS 软件中按提示选择计算边界线，用鼠标点取计算边界范围线后弹出土方计算参数设置对话框。在参数设置对话框内输入相应的计算参数，从而计算出每个三棱锥的填挖方量，最后累加得到总的填挖方量，并绘制出填挖方分界线。将计算出的数据及图形转换到Microstation V8 中进行图面整饰，编辑出图。

2.5 数据比较

在本次工程中，外业采集高程数据密度为10m 间隔，分别通过以上方法计算结果如下：

（1）利用方格网法按10m 格网计算的结果为98918.9m3。

（2）利用方格网法按20m 格网计算的结果为98543.5m3。

（3）利用DTM 法按10m 格网计算的结果为99116.3m3。

（4）将外业数据中斜坡区域进行高程加密后，利用DTM 方法计算的结果为99050.1m2。

根据以上个方法计算的到土方数据，整理分析见表1。

表1 DTM 法与方格网法土方成果比较

3 结论

通过对以上几种土方量计算方法的计算结果进行比较，我们可以总结出以下结论：

在较为平坦的平原区和地形起伏不大的场地，宜采用方格网法。这种方法与DTM 法相比，有着计算的数据量小，计算速度快的优点。在地形起伏较大、精度要求高的一些山区则需要用到DTM 的计算方法。DTM 方法数据的存储量较大，同时也要考虑当地图本身数据量较大时，数据储存量过大的问题。土石方测量计算结果的精度是由观测点的密度决定的，因此在条件允许时，外业测量时在条件允许的前提下应尽量提高实测点位的密度。还要注意对于特殊点和变坡点等重要特征点位的测量不要遗漏，通过这些方法能够尽量缩小测量误差。此外在内业计算前，除了对一般的地形进行适当高程点加密外，还需要重点对一些沟壑、陡坎、独立土堆、塘等地方进行实测高程点加密处理，一般对于参照的地形底图上以及现场实测的沟壑、陡坎等的坡上、坡底处进行高程点加密处理。经过以上方式对外业测量数据进行加密处理，能够在一定的程度上提高测量数据的精度。

在对土石方项目进行测量计算时，首先应该根据委托方的需求和项目场地情况等进行分析，选择合适的测量方法和计算方法，如采用无人机倾斜摄影测量、三维激光扫描等新技术，在外业测量和内业处理中采取一定的加密方式对数据进行加密处理，提高测量精度和效率，从而满足项目在精度、工期上的需求。