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ARCGIS在土方工程量計算中的應(yīng)用

2014-12-26 17:21:42任燚姚曉偉房新玉
科技資訊 2014年28期

任燚 姚曉偉 房新玉

摘 要:土方計算在建設(shè)工程的土方工程中有著重要的意義和作用,是工程費(fèi)用計算和工程施工方案優(yōu)選的重要參考因素,直接關(guān)系到工程造價,如何更加客觀、準(zhǔn)確地計算土方量,減少或避免土方工程的爭議,值得我們進(jìn)行認(rèn)真的探討。在地形復(fù)雜區(qū)域時,利用傳統(tǒng)的DTM方法需要手動勾繪每一個三角網(wǎng),過程計算繁瑣,而且容易出錯;而利用ARCGIS中的TIN模塊構(gòu)建DEM不僅能夠進(jìn)行直觀顯示,而且具有計算速度快,計算精度高等優(yōu)點。該文介紹了ARCGIS土方計算的原理,通過工程實例主要介紹利用ARCGIS中TIN進(jìn)行土方計算的流程及注意事項,并得出相應(yīng)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:DEM TIN ARCGIS 土方量

中圖分類號:P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)10(a)-0030-03

土方計算在建設(shè)工程的土方工程中有著重要的意義和作用,土方量的大小與工程項目的投資直接相關(guān),傳統(tǒng)土方量計算方法包括斷面法、方格網(wǎng)法、DTM法。斷面法主要應(yīng)用于道路、圍埝等具有規(guī)則斷面的地形和區(qū)域;方格網(wǎng)法主要應(yīng)用于平坦地區(qū)和地形高差變化不大的地區(qū);DTM法適用于各種地形,但要求特征點一定要采集到位,并且在地形復(fù)雜的區(qū)域,需要加密測量,并且計算時需要人工較大的干預(yù),工作量比較大。數(shù)字地面模型(DEM)是地形表面的一個數(shù)學(xué)(或數(shù)字)模型,數(shù)字高程模型(DEM)是數(shù)字地面模型(DTM)的一種,它表示地面上的高程信息,其方式主要有規(guī)則格網(wǎng)(GRID)法和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)法。規(guī)則格網(wǎng)法是根據(jù)給定的縱(橫)方向和間距對研究區(qū)域進(jìn)行劃分,利用已知離散高程點內(nèi)插出網(wǎng)格點的高程數(shù)據(jù),形成一組規(guī)則的矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)點,用四棱柱的方法計算土方量。不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)是數(shù)字高程模型DEM的表現(xiàn)形式之一,TIN法是直接利用實測地形碎部點、特征點進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng),對計算區(qū)域按三棱柱法計算土方。隨著GIS的迅速發(fā)展,GIS技術(shù)在土方工程量計算方面得到了廣泛應(yīng)用。TIN是GIS中常用的數(shù)學(xué)模型,它能夠真實的逼近實際地形,反映現(xiàn)場的地形地貌,計算精度較高。本文探討了基于ARCGIS的土方工程量計算方法,并將其應(yīng)用于天津地區(qū)的一個工程項目中,取得了較好的效果。

1 技術(shù)流程

1.1 TIN計算的原理

基于TIN的土方計算一般采用三棱柱法,如圖1,圖2所示,首先由三角形頂點的坐標(biāo)計算出三角形的面積S,每個三角形以三個頂點的高程平均值作為這個三角形的高程值。

H = (h1+h2+h3)/3 (1)

式中H為三角形的高程值,h(i=1,2,3)為三角形三個頂點的高程值。則該區(qū)域的填挖方為

V=(H-h0)×S (2)

式中V為三角形的填挖方,V為正值時表示開挖,為負(fù)值時表示回填。如果既有開挖又有回填區(qū)域,如圖3所示,則三角柱由交面截成一個椎體和一個楔體,椎體部分為回填,楔體部分為開挖,需要分別計算其開挖量和回填量。在統(tǒng)計每個三角形對應(yīng)的體積后,統(tǒng)計工作區(qū)的總挖填方量,完成土方量計算。

1.2 利用ARCGIS計算土方流程

數(shù)據(jù)采集—— 數(shù)據(jù)編輯—— SHP文件的生成—— 對邊界線進(jìn)行賦值—— 生成TIN文件——工程量計算。

2 實例分析

該文以天津港區(qū)某一工程項目的土方工程量為實驗依據(jù),該工程區(qū)域為一L型的帶狀區(qū)域,整體形狀呈臺階型,并且部分區(qū)域由堆土,整體比較復(fù)雜。用ARCGIS進(jìn)行土方工程量計算,并與南方CASS計算的結(jié)果進(jìn)行比較分析。取得了較好的效果。南方CASS計算時,每個三角網(wǎng)均手動勾繪,并由兩人分別進(jìn)行計算,認(rèn)為是真值。

2.1 數(shù)據(jù)采集

利用Trimble R8 GPS-RTK(動態(tài)定位精度為±10mm+1ppm(水平)/±20mm+1ppm(垂直))測定了施工區(qū)域523個地面特征點,并在地面起伏出適當(dāng)增加采樣點密度,并將所有采樣點輸入計算集中,利用CASS繪制地形圖,并利用CASS的DTM土方計算工程計算目標(biāo)高程的工程量,以進(jìn)行比較分析適用。

2.2 數(shù)據(jù)編輯

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備包括原始數(shù)據(jù)、特征線圖的準(zhǔn)備和計算范圍面域的準(zhǔn)備。

(1)利用CASS軟件將圖中的數(shù)據(jù)生成DAT文件,并在文件中添加表頭“ID,CODE,Y,X, H”,分別代表編號,代碼,東坐標(biāo),北坐標(biāo),高程,并將后綴修改為TXT。(2)將CAD中的坡頂線,坡底線,垅線屬性更改為多線段,并用explode命令將多線段分解(該步驟是為了以后給線段賦值),并單獨儲存為“線文件.DWG”。(3)利用pline命令在CAD中繪制計算面域,并閉合,儲存為“面文件.DWG”。

2.3 SHP文件的生成

(1)POINT.SHP文件生成,打開ARCMAP,選擇“ADD XY DATA”命令,出現(xiàn)以下界面,如圖4,在界面中數(shù)據(jù)選擇DATA.TXT,X Field選擇“Y”,Y Field選擇“X”,Z Field選擇“H”,忽略警告,生成“data.txt events”,如圖5。

右鍵“data.txt Events”,選擇 “ Data——>Export Data”,如圖6。

出現(xiàn)對應(yīng)的對話框,見圖7,在對話框中,將文件名修改為POINT.SHP,然后點擊確定,并將生成的POINT.SHP添加進(jìn)ARCMAP。并在ARCMAP中刪除“data.txt events”。

(2)POLYLINE.SHP文件的生成,打開ArcCatalog,找到“線數(shù)據(jù).dwg”,在“polyline”上右鍵“Export->To Shapefile(single)”,見圖8。

彈出對話框9,如圖9設(shè)置好位置和名稱,點擊OK即可。

(3)POLYGON.SHP文件的生成,POLYGON.SHP文件生成過程和“POLYLINE.SHP”,一樣,只是在 “POLYGON”上點擊右鍵。經(jīng)過以上步驟,我們將SHP文件準(zhǔn)備完成。關(guān)閉ArcCatalog。

2.4 將點高程屬性附著在線上

在ARCMAP中點擊“Add Data”按鈕,如圖10,將“POLYLINE.SHP”和“POLYGON.SHP”添加進(jìn)ARCMAP中,

打開“ArcToolBox”,首先在EDIT命令中Start Editing,然后在命令A(yù)nalysis Tool中找到“buffer”命令,在“Input Features”選擇“POLYLINE”,”Linear unit”設(shè)置為0.1,點擊確定(圖11)。

然后在Analysis Tool中找到“identify”命令,在“Input Features”選擇“POINT”, “Identify Feature”中選擇剛才生成的“Buffer”文件,如圖12所示。

在Analysis Tool中找到“SpatialJoin”命令,如圖13,在“Target Features”選擇生成的“buffer”文件,在“Join Features”選擇”“POINT”,確定即可。

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,分別選擇 “POINT”,“POINTLINE_Spatial”, “POLYGON”(圖14)。

注意:選擇“POINT”時,“Tag value filed”選擇“H”;選擇 “POINTLINE_Spatial”時,“Height source”選擇“H”,“Tag value filed”選擇“NONE”;選擇“POLYGON”時,“Height source”選擇“NONE”,“Tag value filed”選擇“NONE”。則生成TIN文件,如圖15。

2.6 工程量計算

在“3D Analyst”中找到“Area and volume statistics”命令,設(shè)置“Height of plane”中高程為5 m,點擊“Calculate statistics”(圖16),則可計算出5 m以上的工程量。經(jīng)檢核,該工程量與CASS計算的結(jié)果一致,誤差為0.7%。

3 結(jié)論

TIN可表達(dá)任意形狀的復(fù)雜地形,通過對TIN直接計算可提高土方量計算精度,克服傳統(tǒng)土方計算方法精度不高的缺點。該文分析了TIN計算土方量的原理,利用ARCGIS進(jìn)行了土方量計算,進(jìn)行了比較分析,從分析結(jié)果看,計算精度較高,并且實現(xiàn)了計算過程的可視化。

參考文獻(xiàn)

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