（自然地理学专业论文）gis在土地平整土方量计算中的应用.pdf

中文摘要 十方颦计算是十地开发整理项耳的重要绸成部分，快速而准确的汁葬 ：方苗在：1 0 整 理、项目投资中都发挥着巨人的作用。本文探讨了利h jg ls 技术t 掉十乃崩：的蟓理、方法、 计算流程，并以湖北省武穴市十地开发整理项目j , l 例，用不同的计算方法进行1 r 对：力皱讨算， 并对其结果进行比较，说明用g i s 技术计算十方罱是可行的，其中用ar c v i e w 和a r g g l s 训 算结果较为科学合理。 2 关键字：土方肇，典型地块，6 i s ，a r c v l e w ，a r c g is ，m a p g i s 英文摘要 t h e a p p l i c a t i o no fg l s i ne a r t h w o r kc a l c u l a t i n go f t h ee a r t hl e v e l i n go u t a b s t r a c t ：e a r t h w o r kc a l c u l a t i n gi s a n i m p o r t a n t s e c t i o no f l a n d c o n s o l i d a t i o n ，e a r t h w o r kc a l c u l a t i n gq u i c k l ya n dc o r r e c t l ye x e r t si m p o r t a n te f f e c ti n l a n dc o n s o l i d a t i o na n dp r o j e c ti n v e s t m e n t t h i sp a p e ra t t e m p tt o d i s c u s s i n gt h e p r i n c i p l e s ，m e t h o d sa n dp r o c e d u r eo fe a r t h w o r kc a l c u l a t i n gb yg i s ，a l s op u ti ti n t o p r a c t i c eb yd i f f e r e n tw a y so nt h ec a s eo ff a r m l a n dc o n s o l i d a t i o np r o j e c to fw u x u e b y c o m p a r i n gt h er e s u l t s ，i ti n d i c a t et h a te a r t h w o r kc a l c u l a t i n gb yg i si st h er i g h tw a y , a n d t h er e s u l t sc a l c u l a t e db ya r c v i e wo ra r c g i sw e r em o r er e a s o n a b l e k e y w o r d s ：e a r t h w o r k ，t y p i c a ls e c t i o n ，g i s ，a r e v i e w ，a r e g i s ，m a p g i s 3 g l s 在七地平整土方量计算中的应用 1 、绪论 1 1 研究背景及意义 中共中央国民经济和社会发展第十一个五年规划中明确“加强农田水利建 设，改造中低产田，搞好土地整理”。从国家使用新增建设用地有偿使用费投资 进行土地开发整理以来，土地整理事业经过几年探索，正在逐步走向成熟。土地 整理被农民称为真正为农民办实事、办好事的“民心工程”、“德政工程”。目前 土地整理的主要表现形式是工程项目。截至2 0 0 5 年，国家投资土地开发整理项 目已达1 7 6 5 个，涉及全国3 1 个省、自治区、直辖市，建设规模1 1 6 万公顷，新 增耕地3 0 万公顷，国家累计已经下达投资1 6 9 亿元。几年来，国家制定了一系 列办法、规程，如国家投资地开发整理项目管理暂行办法( 国土资发( 2 0 0 0 ) 3 1 6 号) 、关于加强和改进土地开发整理工作的通知( 国土资发( 2 0 0 5 2 9 号) 、 关于进一步规范国家投资土地开发整理项目报件的函( 国土资耕函( 2 0 0 5 ) 0 1 0 号) 、土地开发整理项目规划设计规范( t d tl o l 2 _ 2 0 0 0 ) 、国家投资土地 开发整理项目初步设计技术经济审查暂行办法等，真正做到严格项目申报、审 查制度，严把项目审查关。 在目前的土地开发整理项目中，土地平整的土方工程量和预算约占项目总工 程量及总预算的3 0 一6 0 ，是十分必要且重要的单项工程，也是项目设计审 查的重点内容。国家投资土地开发整理项目初步设计技术经济审查暂行办法 中对土地平整土方量计算审查标准包括：( 1 ) 审查选取的典型田块是否有代表性， 数量是否足够( 一般典型田块面积不低于项目区总面积的5 ) ；( 2 ) 审查典型田 块土方量计算是否采取以下方法中的一种：方格网法、横断面法、散点法或其他 方法，审查是否有计算过程以及计算公式、步骤；( 3 ) 审查项目现状图是否清晰 表示了现状高程，项目规划图是否清晰表示了设计高程，并根据现状高程和设计 高程校核土方量计算的合理性。然而，传统的土方量计算方法需要在测绘的基础 上进行，要求与测量工具相配合，工作量大，不易在计算机上实现，不能有效利 用现有的数据资源，而且不同的计算方法都存在着计算结果精度低，结果相差悬 殊的问题。因此，土地整理项目需要一种具有广泛用户基础、操作简单、能充分 利用现有数据资源且计算结果精度较高的土方量计算软件和方法。随着计算机技 g i s 订十地r 整十方量计算中的脚用 术、无线电技术以及地球科学的发展，g i s 技术已从最初的理论研究进入到应用 领域，并在资源调查、土地利用、城市规划、自然灾害和环境监测及预警预报等 方面得到了广泛的运用，但由于土地整理在我国开展的时间较短，很多地方在申 报项目时对土方工程量的计算仍采用估算的方法，g l s 技术在土地平整工程中的 应用还处于探索阶段。g i s 在土方工程量计算中的应用就是探索如何将先进技术 应用于土地整理项目中，为国家科学决策奠定基础，具有重大意义。 1 。2 国内外研究概况 1 2 1g i s 的应用与发展概况 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是在计算机软硬件支 持下，对具有空间位置和拓扑关系的空l 日j 数据及其相关属性进行输入、存储、查 询、运算、分析、表达的综合性技术系统，是集计算机科学、地理学、环境科学、 城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的一门新兴学科。g i s 将空问 的概念引入到传统的信息系统中，使空间信息的表达变得生动、直观和易于理解。 地理信息系统是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息 系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地 理位冒及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系 统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空 间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。这包括两个方面，一方面，地理信 息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方泫的。门新 兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空问数掘库 ( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空问的和 动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 地理信息系统具有以下三个方面特征：第一，具有采集、管理、分析和输出 多种地理信息的能力，具有空| 日j 性和动态性；第二，由计算机系统支持进行空间 地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间 数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；第三，计算机系统的支持是地 理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能快速、精确、综合的对复杂的 地理系统进行空问定位和过程动态分析。 g i s 在土地平整土方量计算中的应用 1 2 1 1 国外g i s 的应用与发展 随着日益广泛的应用领域，地理信息系统技术迅速发展。从1 9 6 2 年，麻省 理工学院的一名博士生在其学位论文中首次提出计算机图形学术语，论证了交互 式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确立了这一科学分支的独 立地位以来，地理信息系统的发展阶段大致可分为以下几个阶段： 6 0 年代初，计算机技术开始用于地图量算、分析和制作，随着对自然资源 和环境规划管理等研究以及计算机技术的发展，6 0 年代中后期，许多与g i s 有 关的组织和机构纷纷建立并开展工作。如美国城市和区域系统协会( u i u s a ) 、 美国州信息系统全国协会( n a s i s ) 、加拿大地理信息系统( c g i s ) 等，这一时 期可以称为地理信息系统的开拓发展阶段。 进入7 0 年代，由于计算机硬件和软件技术的提高，为g i s 的推广提供了条 件，发达国家相继建立了各自的g i s ，如美国的g i r a s 、日本的数字国土信息系 统、瑞典的区域统计数掘库等，使g i s 得以进一步的巩固和发展。 8 0 年代是g i s 的突破阶段，g i s 得到了迅速的普及和应用，如在基础设施规 划、土地开发利用、城市建设等领域。这一时期g i s 软件的研制与开发取得了很 大成绩，开发出了诸如a r c i n f o 等较有影响的g i s 软件。 9 0 年代以来，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及， g i s 正在深入到各行各业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不 可缺少的工具和助手。 1 2 1 2 国内g i s 的发展 我国g i s 的研究与应用起步较晚，但发展很快。以1 9 8 0 年中国科学院遥感 应用研究所成立了全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶 段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配置、软件研发、规范制定、局部系 统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了较丰富的经 验。可以说这个阶段是我国g i s 的起步和试验阶段。 9 0 年代，我国g i s 进入快速发展阶段。包括在大中小城市建立的信息系统， 如北海、常州、宁波等地的城市投资环境信息系统、深圳土地管理信息系统、北 京城市交通信息系统等，它们都不同程度的为国家和区域管理、规划和决策应用 g i s 廿十地p 整十方量计算中的脚用 提供了服务，取得了实际效益。同时，这个阶段是我国g i s 产业化发展阶段。涌 现出一批拥有自主产权的国产g i s 软件，如北京超图公司的s u p e r m a p 、武汉奥 发公司的m a p g i s 等。这些公司的g i s 软件在各行各业都得到了不同程度的应用， 为国民经济重大问题提供分析和决策依据。 1 2 2 土方量计算主要方法 目前常用的土方量计算方法主要有断面法、方格网法、散点法。 断面计算法是最传统的算法，其原理是在地形图上或碲部测量的平面图七， 按一定的间距将场地划分为若干个相互平行的横截面，量出各横断面之间的距 离，按照设计高程与地面线所组成的断面图，计算每条断面线所用成的面积，再 由两端横断面的平均面积乘以两端横断面之间的距离求出土方量。断面法适用于 下面三种情况：高差变化比较大、地形起伏变化较大，自然地面复杂的地i 父； 挖直深度较大，截面又不规则的地区；道路等带状地形。断面法计算方法较 为简单方便，便于检核，是土方计算的主要方法。 方格网法通常适用于平坦及高差不太大、地形比较平缓的地区。其基本原理 是将要平整的项目区地块，根据地形复杂程度、地形图比例尺以及精度要求划分 成边长为l o 1 0 0 m 的方格，在水平面上形成方格网，分别测出各方格网四个顶 点的高程，根据地面高程和设计高程计算各个格网挖填深度及土方量，最后汇总 格网挖填土方量和边坡土方量，即为土地平整总土方量。 散点法又称为算术平均法，原理简单，计算方便，尤其适用于虽有起伏但变 化比较均匀、不太复杂的地形，该方法的特点是测量不受限制，可以根据地形情 况御詈测点。 1 3 本文的研究目标、内容与方法 1 3 1 研究目标 在土地平整工程中，精确的计算土方量有利于合理安排工程进度、确切f t 箅 工程造价以及项目审查工作的开展。在工程施工时，土方量的计算精度会直接影 响到工程的进度及资舍的使用，为确保整个工程的顺利进行，应尽可能精确、快 速的计算土方量。为了精确计算土方量，我们要根据不同的地势地形，选择不同 4 g i s 在七地平整七方量计算中的应用 的计算方法，计算软件，这样可以提高计算精度，有利于土地平整工作的顺利进 行。对g i s 软件应用于土地平整土方量计算方法进行比较研究，目标是为项目设 计和预算编制及审查服务，提高土地丌发整理工作的科学化水平。 1 3 2 研究内容 本文根据土地整理规划设计要求的基础图件的特点，应用数字高程模型 ( d e m ) 原理，对g i s 软件应用于土地开发整理项目的土方量计算工作进行探 讨。主要研究内容一是对常用g i s 软件计算土方量的原理、适用条件、精度等进 行分析和比较，二是总结应用g i s 的技术流程，包括所需资料数据、操作流程、 有关问题及解决方法。 1 3 3 研究方法 在对目前常用的g i s 软件计算土方量的算法原理、适用条件等进行比较分析 的基础上，选择有代表性的国家投资项目，通过查阅资料、调研、数据收集整理， 对不同的g i s 软件测算结果进行分析比较和归纳总结，提出应用g i s 软件测算土 方量的流程及影响结果精度的因素。 2 、数字高程模型表面建模 土地平整工程土方工程量的计算是利用g i s 软件的空间分析功能，基于数字 高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简称d e m ) 原理进行操作的。g i s 软件的 空间分析功能是g i s 系统的重要功能之一，是g i s 系统与计算机辅助绘图系统的 主要区别，利用空间分析功能可以实现坡度提取、坡向提取、地形起伏度、水文 分析等操作。所谓d e m 是表示区域d 上地形的三维向量有限序列 巧：( 置，r ，互) ，i = l ，2 ，n ，其中( x ，z ) d 是平面坐标，互是( x ，髟) 对应的高程值，是一种用x ，y ，z 坐标表示地表形态的数学形式，当该有限序 列中各向量的平面点位呈规则格网排列时，则其平面坐标( z ，z ) 可省略，此时 d e m 就简化为一维向量序列 “，i = l ，2 ，n ，这也是d e m 或者d h m 名 称的由来。d e m 是对连续地面的个简单的统计表示，通过计算机的运算内插 出按一定要求分布的格网点的高程值，达到对地球表面地形地貌的曲面拟合。 g i s 存十地甲整十方量计算中的府用 2 1d e m 表面建模的数学函数 d e m 模型是对地形表面的近似粗略化的表示。用某种模型粗略化的表述复 杂地形表面，并易为计算机所接受的过程称为地形表面建模，或称作二三维荤建。 三维重建中常常要使用面内插( 二维内插) 法，以解决重建中进一步细化地形表 面结构的表述问题。地形表面建模的数学思想是用一个数学函数或多个数学函数 来描述地表的局部，将这些局部拼装起来，就构建了全部，这个数学函数称之为 内插函数。可供选择的内插函数用多项式表示，可写为： z = 口o + 口l + 口2 y + a 3 胛+ 口4 z2 + 口5 y 2 + 口6 x 1 + 口7 l ，3 + 口3 。y y 2 + 口9 x2 ，+ 一 ( 1 ) 这罩的口0 、q a n 为待定系数。 实际工作中，内插函数根据插值精度只选上式中的前几项。前几项所表达的 表面性质见表1 。 表1 多项式表达表明性质汇总表 独立项项次表面性质项数 z = 0 次项平面 l + 口l x + 口2 y 1 次项线性 2 + 口3 y y + 口4 x2 + 口5 y 22 次项_ 二次抛物面 3 + 口6 x 3 + 口7 y 3 + 口8 彬2 + 盯9 x 2 y 3 次项二次曲面 4 + 口l o x 4 + 口l l r 4 + 4 1 2 x 3 y + 4 1 3 x 2 r 2 + 。1 4 x y 4 次项四曲面 5 + a 1 5 x 5 5 次项百曲面 6 2 2d e m 表面建模的方法 d e m 是地形表面的一个数学( 或数字) 模型。地形表面的建模方法主要有 四种：基于点的建模方法、基于三角形的建模方法、基于格网的建模方法和将其 中任意两种结合起来的建模方法。这四种方法分别对应于某一特定的数掂结构， 在实际应用中，由于基于点的建模并不实用而混合表面往往也转换为三角形网 络，因此基于三角形和格网的建模方法使用较多，被认为是两种基本的建模方法。 下面对这两种方法进行介绍。 2 2 1 基于三角形的表面建模 当内插函数只取前三项，即z 2a o + 口t x + a 2 y ，可以发现它们能生成 g i s 在土地平整土方量计算中的应用 一个平面。为确定这三项的系数，最少需使用三个点。这三个点可生成一个平面 三角形，从而此三角形决定了一个平面。如果每个三角形所代表的平面只用于代 表三角形所覆盖的区域，则整个d e m 表面可由一系列相互连接的相邻三角形组 成。这种建模方法通常被称作基于三角形的表面建模。 由于正方形、矩形及其他任意形状的多变形都可以分解为一系列的三角形， 因此三角形被认为是在所有图形中最为基本的单元。由于三角形在形状和大小计 算方面有很大的灵活性，所以这种建模方法也能容易地融合断裂线、生成线或其 他任何数据。因此，基于三角形的方法在地形表面建模中已经成为表面建模的主 要方法之一。 在实际中，表达一个复杂的地表，根掘地形局部复杂程度的需要，用这些相 互邻接的三角形密布于地表表面上，去逼近复杂多变的地形地貌，这种三角形面 积大小不一，与地面水准面倾斜角度、方位不一的平面三角形网络，即通常称作 三角网，英文称作t i n - - t r i a n g u l a t e dl r r e g u l a rn e t w o r k 。就表达地形信息的角度 而言，t i n 模型的优点是它能以不同层次的分辨率来描述地形地面。特别当地形 包含有大量特征如断裂线、构造线时，t i n 模型能较好地顾及这些特征从而能更 精确合理地表达地表形态。 对于t i n 模型，其基本要求有三点：1 ) t i n 是唯一的；2 ) 力求最佳的三角 形几何形状，每个三角形尽量接近等边形状；3 ) 保证最邻近的点构成三角形， 即三角形的边长之和最小。 2 2 2 基于格网的表面建模 将内插函数取其前四项有：z = a o + 口- + a 2 y + a 3 x y ，则至少需要4 个点来 确定一个表面。该函数曲线构成二次曲面，用此曲面也可以重建地形表面，此时， 在z y 平面上任意取不在同一条直线上的四点，对应得有四个z ，则可解出 a o , a l , a 2 , a 3 ，用这四个点构成一个四边形，在三维空间中，一个四边界的曲面在 水平面上的投影即为四边形。将这样的四边形铺设整个平面，对应的三维空间形 成相互邻接的曲面单元网，即格网，这种方法也可近似地逼近地形表面。从实用 角度来看，格网数据在数据处理方面有很多优点，因此根据规则格网采样方法和 渐进采样方法获取的数据，特别是f 方形格网( g r i d ) 数据，最适合基于格网的 g 1 s 存十地平整十方量计算中的府用 表面建模。基于格网的建模常用于处理覆盖平缓地区的全局数掘，但对于有着陡 峭斜坡和大量断裂线等地形形态比较破碎的地区，如果不进行特殊处理( 增加特 征点、线或加大密度) ，这种方法并不适用。 2 2 3 t i n 与g r i d 的比较 t i n 和g r i d 都是应用最广泛的连续表面数字表示的数掘结构。与g r i d 数掘 相比，t i n 模型在某一特定分辨率下能用更少的空间、时间更精确地表示更加复 杂的表面。当地形包含有大量特征如断裂线、构造线时，t i n 模型能较好地顾及 这些地形特征，以达到更精确合理地表达地表形念的目的。另外，t i n 还具有考 虑重要表面数据点的能力。当然，这些优点也导致了其数掘存储与操作的复杂性。 g r i d 的主要优点是数据结构简单、数掘存储量小、各种分析与计算非常方便有效， 但是不能很好地体现地形特征及细节。 3 、应用g i s 软件计算土方量 随着g i s 技术不断成熟，特别是2 0 世纪7 0 年代众多商业机构纷纷介入地理 信息系统领域，开发和研制了众多地理信息系统软件，极大地推动了地理信息系 统的发展。目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种，它们大小不，风格各异。 国外较著名的有a r c i n f o ，g e n a m a p ，m g e 等：国内较著名的有m a p g i s ， g e o s t a r 和c i t y s t a r 等，虽然g i s 起步较晚，但它发展很快，已经成功地应用 到一百多个领域。例如在烟草行业，应用a r c g i s 解决了物流配送的问题：在区 域环境质量现状评价过程中，对整个区域的环境质量进行客观地，仝面地评价， 以反映出区域中受污染的程度以及空间分御状念：在地学方面，m a p g i s 在油气 勘探和在成矿预测中的应用，解决了肉眼不能看见的深部构造问题和指明矿产的 远景区等等。应用g i s 技术计算土方量也是g i s 软件空间分析功能的体现，利用 项目区的高程数掘生成d e m 。 3 1g l $ 软件计算土方量的原理 土地平整工程中的土方量计算运用g i s 软件空问分析扩展模块( s p a t i a l a n a l y s t ) 和3 d 分析模块( 3 da n a l y s t ) 进行。数字高程模型是空间分析模块的 核心内容和基础数据，应用g i s 软件计算土方量也可以称为“d e m 法”。应用 g i s 在七地平整土方量计算中的应用 g i s 软件计算土方量需要项目区的等高线、高程点等高程数据，一般项目区都具 有最新测量的数字化的地形图，为g i s 软件的应用提供了基础数据。 d e m 数据是以离散方式组织在一起的，用函数表示如下： z = 厂( 船，矽) ，i ：1 ，2 ，3 n 。( 2 ) 其中x i ，y i 为平面坐标；z i 为( x i ，y i ) 对应的高程。 应用d e m 模型计算土方量的基本原理是基于二重积分计算。设计水平地块 相当于x o y 平面上的区域d ，式( 2 ) 表示实际地面，构成曲顶柱体的顶面( 图1 ) 。 根据二重积分求解方法计算土方量。 x 图1 二重积分图示 栅格大小( l 也) 以单个地块为例介绍土方量求解原理。这罩假定地块设计高程为0 ，地面高 程( x i ，y i ) 0 。 1 ) 地块是由d e m 的栅格( c e l l ) 组成的，假定地块栅格数为n ，每个栅格大 小为a o l ，a 0 2 ，a o n 。如果栅格没有被地块分割，a o i = l * l ，l 为d e m 分 辨率或栅格大小。分别以栅格边界为准线，做母线平行于z 轴的柱面，这些柱面 把原连续曲面体分成n 个小曲顶体，记小曲顶体的体积为a v l ，a v 2 ，a v n 。 9 g i s 曲十地r 整十方量计算中的m 用 2 ) 近似代替。当栅格很小时，由于f ( x i ，y i ) 连续，对于同一个小区域束说 f ( x i ，y i ) 变化很小，这时小曲顶体可近似看作平顶体。以任一栅格( x - ，y o n 底， 以f ( x - ，y ，) 为高的小平顶体的体积为f ( x i ，y 1 ) a o i ， 于是有a v i - , f ( x i ，y 1 ) a a i ，i = l ，2 ，3 ，n 。 ( 3 ) 3 ) 求和。这n 个平顶柱体体积之和是整个曲顶柱体体积v 的近似值： 矿= 巧* f ( x ，y ，) a o i ， i = l ，2 ，3 ，n 。 ( 4 ) 4 ) 求极值。为了求得v 的精确值，令d e m 分辨率趋于零，通过这个极限 过程便得所求体积： v ：l i m 百f ( x ，。i ，i ：1 ，2 ，3 ，。n 。( 5 1 通常设计地块的设计标高不为0 ，原始地面也不一定高于设计杯高( 图2 ) ， 但计算原理相同，挖方为地面高程大于设计标高，填方为地面高程小于设计标高， 所以( 5 ) 式分解为( 6 ) 式和( 7 ) 式。 1 0 x 剀2 地块十方昔计算| 璺| 示 挖方量计算如下式： g i s 在士地平整方量计算中的应用 l i m 乏：( f ( x i , y i ) 一嚣) v 挖= ”一百 a o i ，i = l ，2 ，3 ，n ； ( 6 ) 填方量计算如下式： 1 i m 乏：( 日- f ( x i , ) ) v 填= “一= a o i ，i = l ，2 ，3 ，n ； 从式( 6 ) 和式( 7 ) 知，如果栅格很小，数据量会很大，因此确定栅格大小非常 重要。当栅格逐渐变小时，土方量变化越来越小。可以通过下式判定d e m 适宜 的分辨率： r = 圪 ( 8 ) 式中：r 为变化系数；a 和b 分别为d e m 不同的分辨率；圪为栅格大小a 时的地块土方量；k 为栅格大小为b 时的地块土方量。 当变化系数r 等于1 或接近于1 时，说明分辨率变化对土方量的影响非常小， 此时的分辨率为计算土方量所适宜的分辨率。通常取r = i 0 0 ，即可满足工程预 算的需求。 如果项目有m 个地块组成，则项目区土地平整工程的土方量： v a o t a t = _ q = l ，2 ，3 ，n l 。( 9 ) q = l 式中：v t o t a l 为项目土地平整总土方量；v q 为q 地块的土方量；m 为项目 区总规划地块数。 3 2g i s 软件计算土方量方法步骤 基于t i n 的优点，本文选择用t i n 模型计算土方量，在g i s 软件中可以通 过等高线和高程点生成t i n 模型，本文选择用高程点建立t i n 模型。 3 2 1 应用a r c v i e w 计算土方量 a r c v i e w 是由美国环境系统研究所( e s r i ) 研制的基于窗口的集成地理信息 系统和桌面制图系统软件。a r c v i e w 采用可视化图形用户界面，操作简单，功能 强大，并且提供了丰富的专题地图制作功能，能有效地对图形的属性和数据进行 查询、显示和管理。a r c v i e w 具有广泛的用户基础，应用十分方便。 a r c v i e w 采用可视化图形用户界厩，操作简单，功能强大。该软件还提供了 g i s 存十地平整十方量计算中的府用 面向对象的二次丌发语言a v e n u e ，通过对a r c v i e w 进行二次丌发町以向电f 地 图内加入声音、动画等多媒体效果，当然还可以实现许多用户自定义的功能。 a r c v i e w 支持多类型数据和多种数据库，具有强大的分析、统计功能，并且附带 有许多扩展模块，进而可以进行空间分析、网络分析，三维分析等，以满足多种 不同需求的用户需要。 a r c v i e w 计算土方量的步骤如下： 1 、添加分析模块 添加“3 da n a l y s t ”和“s p a t i a la n a l y s t ”分析模块。 2 、由高程数据和典型地块数据生成t i n ( 1 ) 将高程数据和典型地块s h a p e 格式文件调入a r c v i e w 中，如果不是s h a p e 格式文件则转换为s h a p e 格式文件； ( 2 ) 在视图目录表中激活高程数掘和典型地块文件： ( 3 ) 单击【c r e a t e t i n f r o m f e a t u r e s 】命令，通过高程值分别生成t i n 模掣。 3 、计算土方量 ( 1 ) 单击 c u t f i l l 】命令实现土方量的计算，生成显示填挖方量的层面； ( 2 ) 在视图目录表中激活该层面，查看该层面属性，即町得到此地块的添 挖土方量： ( 3 ) 将属性表输出，用于土方量汇总，计算项目区总的填挖土方量。 3 2 2 应用a r c g i s 计算土方量 a r c g i s 也是由e s r i 研制的基于窗口的集成地理信息系统和桌向制图系统软 件。e s r i 在全面整合了g i s 与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其它 多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表g i s 最高技术水平的全系列 g i s 平台a r c g i s 系列。a r e g i s 是一个统一的地理信息系统平台，由三个重 要部分组成：1 ) a r c g i s 桌面软件，一个一体化的高级的g i s 应用系统：2 ) a r c s d e 通路，一个用数据管理系统( r d b m s ) 管理空| 日j 数据库的接口；3 ) a r c l m s 软什， 基于i n t e m e t 的分布式数据和服务的g i s 系统。 a r c g i s 为单用户或多用户的g i s 应用提供了框架。a r c g i s 还可以通过其他 的软件如w i n d o w sc e 上的a r e p a d 进行扩展。 g i s 在七地平整七方量计算中的应用 a r c g i s 桌面软件包括a r e v i e w ，a r e e d i t o r 和a r c l n f o 。它们分享通用的结构， 通用的代码基础，通用的扩展模块和统一的开发环境。从a r e v i e w 到a r c e d i t o r 到a r c l n f o ，功能由简到繁。 所有的a r c g i s 桌面软件都由一组相同的应用环境构成：a r c m a p ，a r e c a t a l o g 和a r e t o o l b o x 。通过这三个应用的协调工作，工作人员可以完成任何从简单到复 杂的g i s 工作，包括制图，数据管理，地理分析和空间处理。还包括与i n t e r n e t 地图和服务的整合，地理编码，高级数据编辑，高质量的制图，动态投影，元数 据管理，基于向导的截面和对近4 0 种数据格式的直接支持。 a r c g i s 计算土方量的操作步骤如下： l 、a r e g s 的安装。必须用到c o m p l e t e 类型，这样才可以应用空间分折功能， 并且在a r c g i s 中打丌栅洛图象； 2 、由高程数据和典型地块数据生成t i n ( 1 ) 将高程数据和典型地块s h a p e 格式文件调入a r c g i s 中，如果不是s h a p e 格式文件则转换为s h a p e 格式文件： ( 2 ) 在视图目录表中激活高程数据和典型地块文件： ( 3 ) 单击 c r e a t et i nf r o mf e a t u r e s 命令，通过高程值分别生成t i n 模型； 3 、计算土方量 ( 1 ) 单击 c u t f i l l 】命令实现土方量的计算，生成显示填挖方量的层面； ( 2 ) 在视图目录表中激活该层面，查看该层面属性，即可得到此区域的土 方量。 ( 3 ) 将属性表输出，用于土方量汇总，计算项目区总的填挖土方量。 3 2 3 应用m a p g i s 计算土方量 m a p g i s 是由武汉中地信息工程有限公司研制的具有自主版权的大型基础 地理信息系统软件平台。它是一个集图形、图像、地质、地理、遥感、计算机科 学于一体的大型智能软件系统，可对空侧数掘进行采集、存储、检索、分析和图 形显示，是进行现代化管理与决策的先进工具。 与众多的g i s 软件一样，m a p g i s 主要实现制图、空间分析、属性管理等功 能，分为“输入”、“图形矢量化”、“库管理”、“空间分析”、“输出”、“实用服务” g i sn 十地p 整十方量汁箅中的脚用 六大部分，这几部分都是通过工作区与空间数据及属性数掘打交道。根据用户的 不同需要，可以选择六个部分内的各个子系统。目前，m a p g i s 以其独特的功能 广泛应用于城市规划、测绘、土地管理、交通、环境、国防、地质勘查、资源管 理等领域。 m a p g i s 计算土方量的操作步骤如下： l 、在数字地面模型子系统中打开高程点文件； 2 、通过提取高程点数据，生成项目区的t i n 模型； 3 、通过【蓄积量表面积】命令实现土方量的计算。 4 、应用实例 依据上述的计算原理和操作步骤，本文以国家投资湖北省武穴市花桥等3 个 镇基本农田土地丌发整理项目为例进行土方量计算结果比较。 4 1 项目区概况 湖北省武穴市位于湖北省东南部长江中游北岸，土地肥沃、水量丰富，足令 国重要的粮油生产地之一。武穴市地处长江中游平原，属亚热带季l x l 气候，冷暖 空气交替影响，光照充足，雨量充沛，四季分明总体地势由北向东南倾斜，其中 北部和东北部为低山区，南部和东南部为沿湖沿江冲积平原。项目区位于武穴市 东南部的沿江滨湖平原区，包括龙坪镇、花桥镇和石佛寺镇，共划分为三个片区： 刘六西片区、龙坪片区和郭德元片区。 刘六西片区地理坐标位于东经1 1 5 。4 4 2 7 ”1 1 5 。4 6 7 2 2 ”北纬 2 9 。5 7 4 8 ”2 9 。5 9 4 9 ”，总体地势北高南低；龙坪片区地理坐标位于东经 1 1 5 。4 2 7 1 7 ”1 1 5 。4 5 4 0 ”，北纬2 9 。5 3 1 4 ”2 9 。5 4 2 1 ”，地势南 高北低，最大高程差为2 8 m ；郭德元片区地理坐标位于东经1 1 5 。3 9 3 7 ”1 1 5 。4 1 1 1 ”，北纬2 9 。5 7 2 3 ”3 0 。0 0 4 3 ”，地势起伏相对较大，总体地 势西北高、东南低，最大高程差达1 0 2 m 。 该项目的建设规模为1 7 7 9 5 7 5 7 公顷，其中刘六西片区6 0 0 7 8 3 8 公顷，龙坪 片区6 7 9 6 6 7 9 公顷，郭德元片区4 9 9 1 2 4 公顷。项目实施后，将新增加6 6 0 0 0 2 公顷耕地，整理后可以改善该地区的农业生产条件和农田灌排系统，还可以降低 当地农民的农业生产成本。 1 4 g i s 在土地平整土方量计算中的应用 4 2 数据源 依据本项目的特点，本文仅计算了项目区典型地块的土方量。该项目区所提 供的现状图、规划图、典型地块图均为c a d 格式的文件，g i s 软件无法直接使 用这种格式的文件计算土方量，这就出现了从c a d 到g i s 数据格式的转换问题。 由于项目区基础图件中的等高线稀少，且不连续，所以选择通过高程点建立 该项目区的t i n 模型。对于典型地块设计高程数掘的提取，只有通过矢量化的方 法才能为g i s 软件所用。矢量化是将读入的栅格数据通过矢量跟踪，转换成矢量 数据。对于该项目而占，典型地块的矢量化操作就是以典型地块图为底图，在一 个新图层中划出地块的形状，并对其赋予设计高程值，生成一个s h a p e 格式的文 件。 4 2 1 提取高程点 在c a d 中，通常将相同地理特征的对象组织在同一层，例如高程点与水井 在一个层，等高线与电力线在一个层。对于计算土方量而言，只有高程点数据是 有意义的，所以只要提取项目区的高 程点数据，生成一个只具有高程点信 息的s h a p e 格式文件即可。以刘六西 片区为例，具体操作步骤如下： 1 ) 在a r c g i s 中打开刘六西片区 现状图，之后只显示点图层并将其它 图层关闭； 2 ) 点击【s e l e c t i o n 】菜单下的 【s e l e c tb ya t t r i b u t e si 命令，应用 “l a y e r = 高程点”语句，提取刘六西 片区高程点，如图3 所示； 3 ) 应用“e x p o r td a t a ”命令，将 数据输出，即可生成只具有高程点信 息的s h a p e 格式文件，由于典型地块 图3 刘六西片提取高程点过程图 g i s 存十地甲整十方量计算中的脚用 在该项目区中只占很小的一部分，距离典型地块较远的高程点对于计算典型地块 的土方量影响不大，所以仅保留典型地块周围的一定数量的高程点用于计算土方 量，这样可以提高计算效率。 4 2 2 矢量化典型地块 由于典型地块图也为c a d 格式的文件，且线状地物均在一个图层中，我们 仅需要典型地块的形状、边界、设计高程值这些数掘即可，所以要进行典型地块 矢量化工作。具体操作步骤如下： ( 1 ) 在a r c g l s 中打丌项目区典型地块图，只显示线图层，将其它图层关闭； ( 2 ) 在a r c c a t a l o g 中新建一个面类型的s h a p e 格式文件，在a r c g i s 中打丌 该文件； ( 3 ) 使新建的面图层处于编辑状态，以原项目区典型地块图为底图，进行 矢量化，划线应尽量沿着原束的边界线，使每个地块闭合，同时避免“双眼皮” 现象，最后编辑属性表给每个地块赋设计高程值，这样就完成了典型地块的矢量 化工作。 4 3 计算过程 4 3 1 a r c g i s 计算过程 在完成提取项目区高 程点、矢量化典型地块的 工作后，下一步工作就是 计算土方量。由于a r c g i s 与a r c v i e w 计算土方量的 过程相同，所以只介绍 a r c g i s 计算土方量的过 程。这罩以刘六西片区为 例，在a r c g i s 中打开高程 点文件，建立该项目区的 t i n 模型，如图4 所示。 图4 刘六西片区的t i n 模型 6 g i s 在七地甲整土方量计算中的应用 i ”一n 。_ _ 黼渊瓣黧黪糕瓣鬻燃糕秽翳嚣”一地l 越 io b 3 t 。t i dit - - lc o u t i- o l 硼tii i i o l 1 ； 6 4 4 2 4 5 20 6 9 1 j2 5 8 2 9 t l1 ，2 j1 2 6 1 ； 3 a a 5 i 5 0 04 9 0 9 i l 213 l io io * ，i 一 一 【a 籼c 坩d ! 旷_ 5 岫f 百s 1 m 。a i h d , s 船靠3s 山山山，眦，l 圈5 第4 8 号地块十方譬计算结果显示翻 选定第4 8 号地块，计算该地块的土方量，红色代表填入区域，蓝色代表挖 出区域，下面的属性表分 别对应着挖方和填方，显 示结果如图5 所示。 4 3 2 m a p g i s 计算 过程 ， 在数字地面模型子 系统中打开高程点文件 建立刘六西片区的三角 网如图6 所示： 图6 刘六西片区的三角网 7 g i s 在十地r 整十方量计算中的脚用 然后选定第4 8 号地块，计算该地块的土方量，结果显示如图7 。 图7 第4 8 号地块土方量计算结果显示图 4 4 计算结果 应用a r c v i e w 、a r c g i s 、m a p g i s 三种g i s 软件计算项目区典型地块的土方 量，具体计算结果如下表所示。其中应用a r c v i e w 、a r c g i s 计算土方量的栅格大 小为0 6 3 m 。由于m a p g i s 所用文件为a r c g i s 的s h a p e 格式文件转化而束，所 以地块面积为m a p g i s 所计算的面积值。 表2 刘六西片区典型地块土方量计算表 地块编号设计高程 软什地块面积挖方填方 3 i1 4a r e v i e wo6 0 92 3 a r c g f s3 5 1 9 0 6o6 0 5 2 7 m a p g i s o6 4 83 9 3 21 3 9 a r e v i e w1 0 5 87 7 8 6 2 a r c g i s4 2 5 7 5 2l o 7 27 7 5 9 4 m a p g i so 2 68 5 27 4 3 31 3 9 6a r e v i e w5 5 ，4 89 0 1 a r c g j s2 7 7 0 6 95 5 1 78 89 l m a p g i s4 2 4 91 1 07 9 3 41 3 8 6a r e v i e w5 46 01 5 1 4 4 a r c g j s2 5 6 1 6 65 5 1 71 5 0 4 3 m a p g i s3 9 9 86 5 5 3 3 51 3 8a r e v i e w3 4 32 7 l o 3 a r c g i s2 6 9 4 4 6 3 4 2 1 3 9 9 2 m a p g i s1 2 0 9 l2 37 9 3 6】3 7a r e v i e w1 8 2 1 62 5 24 4 a r c g l s2 6 7 4 t 3 3 1 8 3 3 72 4 8 8 6 m a p g i s1 7 4 4 62 8 62 9 3 7 1 3 5a r e v i e wo4 6 6 8 4 a r c g i s 1 3 9 0 3 5 o4 6 1 2 0 m a p g l s 0 4 9 6 7 7 g i s 存土地平整土方量计算中的应用 地块编号设计高程 软件地块面积挖方填方 3 8 1 3 9a r e v i e w3 6 6 02 2 4 5 6 a r c g i s 2 7 7 2