基于ArcGIS的土方量计算与可视化

沈名威，徐良，袁伟俊

(1.常州市测绘院，江苏常州 213002； 2.金坛市城乡测绘院，江苏金坛 213200)

基于ArcGIS的土方量计算与可视化

沈名威1∗，徐良1，袁伟俊2

(1.常州市测绘院，江苏常州 213002； 2.金坛市城乡测绘院，江苏金坛 213200)

利用ArcGIS三维构面的特性，形象的构建地表、河道现状立体模型，同时根据场地、河道的设计标高，构建立体模型，然后选定统一参考面，计算两个模型到参考面的体积之差，可以快捷、准确地计算出挖填土方量。实践证明，这一算法较传统的根据等高线、高程点计算土方量的方法更加严密、准确、便捷。同时这一方法能根据要求灵活调整、分割土方计算区域，不需要对调整后的边界进行外业高程点数据处理就能快速实现分区域土方量计算。

ArcGIS；TIN；DTM；土方量算；分割量算

1 引 言

工程土方量(挖方与填方)的精确性直接影响到工程费用概算和工程甲方、乙方的利益，甚至产生矛盾纠纷。笔者参与过多个工程的土方量计算工作，对断面法、方格网法、等高线[1]、DTM(不规则三角网)法[2]等几种常用的计算方法在不同的计算机软件(AutoCAD类软件与Arc-GIS类软件)中做了尝试和对比，实践证明，在这几种方法在AutoCAD类软件中实现土方量计算都有一个共同的缺陷:当需要对一个施工范围进行分区计算土方量时，分区计算的土方量之和跟直接计算的总施工范围土方量总是相差很大[3]。原因是在AutoCAD类软件中这几种算法都是依据外业测量数据构DTM，要实地在分区边界上测量采集高程信息，当边界发生变化时，需要对新的边界重新实测数据，从而增加工作量；而且会导致分区构建的计算模型与整个施工范围的总计算模型不一致。基于ArcGIS类软件从整个施工范围一次构建土方量计算模型，分区范围可以任意调整，可以有效克服AutoCAD类软件中计算的不足，还能为工程相关方提供形象、直观的图像表达。本文以ArcGIS为例，详细描述了整个计算过程，从中我们可以看出基于ArcGIS的土方量计算有其准确、便于调整分割等优势。

2 基于ArcGIS的工程土方计算原理

ArcGIS下土方计算的原理如下:①确定挖填方总边界；②外业采集高程数据并导入；③构TIN；④模型编辑与高程检核；⑤选择投影面，计算总的挖填方；⑥根据实际分割要求在不改变TIN的前提下任意计算分割部分的土方量。

ArcGIS软件的3D分析通过对离散高程点构建不规则三角网(TIN)，计算挖、填方时采用三棱柱法。在构建TIN的过程中，添加多种条件对即将生成的TIN进行约束和细分，根据TIN的形状，能很好地还原现场原貌，根据模型形状能发现外业测绘时高程数据采集中产生的粗差和遗漏，从而剔除外业粗差。以达到和实际情况尽可能接近的目的。

从整个过程可以看出ArcGIS在保持构TIN不变的情况下，根据标段分割计算各标段土方量相当快捷简便。最重要的是该方法能保持同一模型下的分割计算，而不会出现AutoCAD下分割计算需要调整构TIN边界、重新构TIN等步骤，最终导致总土方量跟分割后计算的土方量之和不一致的现象。

3 ArcGIS用于工程土方计算的过程

下面，以某一湖泊清淤工程为例，说明ArcGIS下土方计算过程。

某河道清淤工程，面积为1.51 km2。根据工程实施需要，该项工程分5个标段进行施工，需要对每个标段分别预算工程土方量。具体分割如图1所示，设计清淤后标准断面如图2所示。

图1 工程清淤前现状与标段划分

图2 工程设计清淤后断面

(1)确定挖填方边界

确定挖、填方边界很重要，边界确定后，就明确了外业采集离散高程点的大致范围，外业高程采集时，边界线上的每个顶点要有高程信息，确保在ArcGIS中建立的模型边界准确，插值后的计算模型在边界上准确。

(2)外业采集高程数据并导入

数据测量外业离散点高程精度是影响构建TIN的重要因素，所以在实地采集高程信息时，仪器精度要高，可以使用全站仪或RTK，同时注意以下几点:

①工程范围边界线上的高程点要能翔实反映高程变化，适当在范围线外采集高程点；

②工程范围内的高程点分布要均匀；

③对工程范围内的特征地物要采集范围线及地形变化处的高程等特征信息。

测量成果可以采用AutoCAD的dwg格式或Excel的sheet导入到ArcGIS中，形成高程离散点Shp点文件和特征范围线Shp线文件。

(3)构TIN

构TIN的过程在ArcGIS中操作起来相对简单，在这里不做具体的阐述，图3是对开挖前的测量成果构建的TIN的分色表达，蓝色部分的高程最低。

图3 开挖前高程离散点构建的TIN

(4)模型编辑与高程检核

该部分工作是在TIN建立后有了一个图像的界面，从分色图上可以明显的浏览出哪些高程点有异常的情况，对高程明显异常的点，要检查原始数据，确定高程值有误的话，要删除该高程点，再重新构TIN[4]。在该土方量计算项目中，我们在施工范围内选择了一些高程点不参与构TIN，然后在构建好的TIN的对应位置采集插值后的高程信息，和测量的高程离散点进行了对比后发现，除TIN边缘上的个别点插值后的高程与实测点的高程值有明显差异(最大高程差为1.8 cm)，其他区域的点与检查点的高程差不明显。

(5)挖填方计算

有了上面4步的成果，在ArcGIS的面积与体积统计界面中，输入计算参考面高程，即可快速计算出每个分区的挖方、填方体积，这里计算出来的挖、填方是该参考面高程中的挖、填方平衡后的一个净挖方、填方值。图4是根据设计标准断面构建的TIN模型，将现状TIN和设计标准断面TIN计算的高程基准面选择一致(这个值要小于设计的最低高程值)，用现状TIN计算的结果减去设计断面TIN计算结果即为该范围内的挖方量。给工程甲方提供的可视化模型图片，如图5所示。

图4 设计断面TIN

图5 开挖清淤后立体高程模型

(6)预算、实际测算的土方量如表1、表2所示。

钱资湖清淤工程一期土方预算量成果 表1

钱资湖清淤工程一期土方量算量成果 表2

由表1、表2结合清淤前后的模型可以看出，实际开挖清淤时，标段1和标段2由于保留了几个湖中岛屿，而设计时这几个岛屿是计划清淤一起挖掉的，所以在这个区域的实际清淤土方量明显少于预估土方量。标段3在湖的南边清淤不到位，所以实际工程土方量少于预估土方量。标段4由于实际淤泥厚度超过了设计标高，同时清淤比较到位，最终出现了超挖的情况，因此土方量也比预计的有所超出。标段5的实际清淤情况跟设计没有变化，因此实际清淤土方量也跟设计预估土方量比较接近。这些工程实际情况也反过来证明了ArcGIS下土方计算的可靠性。

4 ArcGIS模型纠错的特点

实践证明，这一方法能根据外业高程数据在构TIN的时候很好的控制土方边界范围，同时能很好还原现场原貌，根据模型形状能发现外业测绘时高程数据采集中产生的粗差和遗漏[5]。实际计算过程中，我们发现根据现场采集的测量数据在生成DTM时，在几个湖心岛处DTM与现实不一致，根据现场测绘的地形图形状，完整的复原了这几处湖心岛的DTM，从而使参与计算的三维模型与实际保持一致，再加上ArcGIS下构建三维立体的严密性，最终保证土方计算的正确性。

5 结 语

ArcGIS在工程土方量算上的应用，解决了工程土方量分区计算的一大难题。为工程量算提供了一种灵活的计算方法。该方法的优势有两点:一是能生成直观的三维模型，通过模型对比，能发现外业测绘的粗差，可以根据地形图数据调整DTM，从而使参与计算的三维模型与实际保持一致。二是ArcGIS提供了便捷的边界调整功能，能够在不调整数据的情况下，对总的工程范围进行任意分割，单独计算各个分区的工程土方量，真正实现在一个三维模型下的立体体积分割。保证了各个分区土方量与总土方量的严格一致，保证了计算成果的准确性。

[1] 龚键雅.地理信息系统基础[M].北京:科学出版社，2001.

[2] 慕永峰，朱昌永，李建.三角网结构DTM的土方计算及应用[J].测绘工程，2000，9(1):52～56.

[3] 王斌.DEM土方量计算的误差探讨[J].铁路航测，1999 (3):21～23.

[4] 王永明.地形可视化[J].中国图象图形学报，2000(6).

[5] 鲁成树，吴次芳，汪峰等.农地整理土方工程量计算及调配中地理信息系统的应用[J].农业工程学报，2003(6).

Earthwork Calculation and Visualization Base on ArcGIS

Shen Mingwei1，Xu Liang1，Yuan Weijun2
(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213002，China；2.Jintan Surveying and Mapping Institute of Urban and Rural，Jintan 213200，China)

Taking advantages of ArcGIS in 3D modeling，it is easy to construct 3D models of earth surface and the current situation of rivers according to the designed space and elevation of rivers.And with a selected reference plane，the volume differences between twomodels can be calculated，which can help figure out the amountof cut and fill earthworks quickly and accurately.It has been proved by practice that the algorithm in this article ismuch more accurate and convenient than the traditionalmethods using contours and elevation points in calculating the amounts of earthworks.At the same time，thismethod can be adjusted flexibly and spilt the areas for earthwork calculations as required.It can help achieve the calculations of subregional earthworks quickly without processing the elevation data points outside the industry for the adjusted boundary.

ArcGIS；TIN；DTM；earthwork calculation；segmentation and calculating

1672-8262(2013)05-140-03

P209

B

2013—01—06

沈名威(1958—)，男，工程师，主要从事工程测量与测量管理工作。