基于ArcGIS 的航道疏浚量可视化计算

屈婷，沈继青

（长江航道测量中心，湖北 武汉 430010）

在“共抓大保护，不搞大开发”的绿色发展理念，大型挖泥船型号和数量迅速发展下，疏浚在航道工程中的地位越来越重要。而作为采用机具和人工进行水下挖掘的土石方工程，疏浚在设计、施工、竣工各阶段，都需要对疏浚量进行计算，包括设计工程量、超挖工程量、扫浅工程量、回淤工程量等的计算，因此研究探讨更为直观、高效的疏浚量计算方法具有重要意义。

地理信息系统通用软件ArcGIS 具备强大的3D 建模、编辑、分析和可视化能力，在疏浚工程中拥有广泛的应用潜力。

1 疏浚量计算原理及方法

疏浚量是同一区域疏浚前后泥土的体积变化量，常用的计算方法有：等高线法、断面法、格网法以及基于数字高程模型（DEM）法。

等高线法利用绘有等高线的地形图，计算相邻等高线所围面积的平均值乘以高差来计算土方量；断面法通过布设断面，计算相邻两断面平均截面积后乘以断面间距来计算土方量；方格网法将场地划分为若干方格，计算角点平均高程之差后乘以方格面积来计算土方量。以上方法均基于矢量数据，操作复杂，较依赖技术人员的经验水平，精度不稳定。

数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）是用数字形式（地面平面位置以X,Y、高程以Z 的坐标值）表达的地形表面形态。基于DEM 法直接利用点数据建立DEM，再将开挖前、后两个DEM 求差，来计算体积变化即疏浚量。该方法基于栅格数据，可对连续表面进行自动的空间和统计分析，具有模型逼真、操作简单、精确度高等特点，且数据点越密、模拟精度越高，计算结果越准确。

ArcGIS 是当前GIS 行业中体系完整、用户最广的一款地理信息系统软件，生产的DEM 产品精度符合国家标准规定的精度要求，利用该软件的数据管理、空间分析和3D 分析等模块，能高效率、高精度的实现疏浚量可视化计算。

2 基于ArcGIS 的疏浚量可视化计算

基于ArcGIS 疏浚量可视化计算即在ArcGIS 平台中根据实测地面点（碎部点、特征点）或设计数据，模拟实测地表或者设计地表，再分析实测地表之间或者实测地表与设计地表的差来计算体积变化的方法。

2.1 实测数据预处理

利用Excel，按照ArcMap 数据管理模块中创建XY事件图层的要求，对点坐标文本文件进行预处理：

（1）将文本文件格式统一为三列，顺序为yxz。

（2）分别以y，x，z 作为主要关键列进行排序，剔除异常值。

（3）在顶部插入标识y，x，z，保存为TXT 文件，列之间使用逗号隔开。

2.2 构建实测地表

在ArcMap 中利用实测地面点坐标数据（X,Y,Z）创建不规则三角网（Triangulated Irregular Network,TIN），再将其转化为栅格数字高程模型，来模拟实测地表：

（1）使用数据管理模块正确赋予空间参考、创建XY 图层，投影到指定坐标系，获得点shp 文件。

（2）使用3D 分析模块将点要素转为栅格数字高程模型即利用点shp 文件创建tin，再将tin 转为tingrid文件；或者使用空间分析模块直接将点shp 文件插值为tingrid 文件，见图1。

图1 实测表面

2.3 构建设计表面

疏浚工程设计中，为了维持挖槽两侧的稳定，需根据沉积物的土力学性质和水动力条件确定一定的边坡坡度，即挖槽坡度。根据挖泥船的类型确定超宽和超深。因此在设计阶段估算工程量需在ArcMap 中构建断面为倒梯形的设计表面，步骤如下：

（1）根据底宽、底标高在ArcMap 中使用数据管理模块创建带有高程属性的底边线要素；再根据边坡比、超深超宽、挖深等重要参数计算平移距离、高程属性，使用ArcMap 编辑器的平行复制功能添加边坡线要素，并赋予高程属性，获得线shp 文件，见图2。

图2 设计线要素

（2）使用ArcMap 的3D 分析模块将线要素转为栅格数字高程模型即利用线shp 文件创建tin，再将tin 转为tingrid 文件，见图3。

图3 设计表面

2.4 计算疏浚量

在ArcMap 中计算实测地表之间或者实测地表与设计地表的差，来计算或者预测工程量。

（1）使用3D 分析模块的栅格减法计算工具或者空间分析模块的栅格计算器对开挖前、后两个数字高程模型进行减法运算，获得工程tingrid 文件。

（2）使用数据管理模块创建裁剪范围面要素，对数字高程模型进行几何裁剪，即利用面shp 文件几何裁剪tingrid 文件，获得工程指定范围内的tingrid 文件。

（3）使用3D 分析模块的表面体积工具来统计工程指定范围内数字高程模型的某高程以上或者以下体积，获取疏浚量。

2.5 制作专题图

（1）在ArcMap 中依次添加各图层数据，编辑栅格文件的符号系统属性进行分类填色，再切换到布局视图插入标题、图廓、图例等内容，整饰导出，获得各类专题图，如图4。

图4 疏浚（试验数据）示意图

（2）在ArcScene 中依次添加各图层数据，编辑栅格文件的符号系统属性进行分类填色，编辑栅格文件的高度属性进行叠加对应的tin 文件、自定义高程夸大系数等操作，获得各种三维示意图，如图5。

图5 三维示意图

3 总结

本文介绍了基于ArcGIS 平台航道疏浚量可视化计算的一种方法，这种方法经过实践证明，由于关键数据均为实测和设计数据，无需进行断面布设或者方格划分等主观性较强的分区操作，仅进行了基于栅格数据的整体运算，因而能较大提高计算效率，最大程度地确保疏浚量计算精度的稳定性，且简单易行、可视化程度高，可为相关生产部门提供一定的制作参考。