山地三维定量三维分析方法研究

山地三维定量三维分析方法研究

1基于gis的山地三维整地分析方法土地整理是缓解人类需求矛盾的重要手段，实现土地总面积动态平衡目标，解决城市发展问题。而土地平整则是其重要工作,投资量也常超过一半。山地平整工作的设计和施工难度都远大于平原地区的土地平整,因而更需关注。我国是多山国家,山地面积约占全国国土面积的2/3,山地城镇约占全国城镇总数的一半。山地自然环境和社会历史条件的特殊性与复杂性,山区经济发展和山地城市的建设较之其他地区面临的问题更多,矛盾更尖锐。因此在山地平整中,更要注重设计的科学性及经济可行性。基于GIS的山地三维平整定量分析是基于GIS系统的三维空间分析与山地统计分析模块,定量计算山地平整时设计标高、设计坡角、土方量、填挖线等指标,以期在不造成次生地质灾害及环境破坏的前提下实现最佳的经济与社会效益的一项工程技术。目前该技术的研究正从传统手工计算向运用数字高程模型(DEM)转换,其应用领域主要为起伏较小的农田土地平整与城市建设用地平整。2山区城市发展现状长汀是国家级历史文化名城,隶属龙岩市,位于福建省西南部,属中亚热带季风气候区,夏季易受台风和强对流天气影响,普降暴雨,水土流失严重,洪涝灾害发生频率极高。该县山地面积占总面积的93.4%,盆地仅为6.6%,“八山一水一分田”的自然地理格局,给城市建设带来极大的困难。长汀古城人口密度十分高,部分地区超过2.2万人/km2;同时,该县近年经济发展迅速,正处于工业化带动城市化的高速增长阶段,城市建成区从2005年底的11.2km2增长到2006年底的14.32km2,增加的建设用地80%以上均为工业用地。作为山区城市,其建设用地集中分布于长汀盆地,而适宜建设用地只剩下基本农田(基于国家政策不可用)和城市分洪区(出于城市公共安全考虑预留,属于城市总体规划强制性内容)。面临城市用地紧张,尤其是工业用地供应不足的局面,基于其多山的自然条件和目前的经济基础,借鉴其他山区城市发展的经验,当地政府规划对生态敏感性较低的低矮丘陵进行平整,以山补地。然其地形复杂,山地平整工作难度较大,且花费较高。因此,如何充分考虑山地现有地形条件,做到土方平衡,尽可能实现增加用地最大且投资最省,这是山地平整定量分析的重要问题,它对于节省工程费用、加快工程进度具有重要的实用价值。3执行原则3.1相关研究3.1.1模型的绘制难度难以协调传统测算土方量的方法多为现场实测,并在室内利用现势性好的大比例尺纸质地形图,通过求积仪或者将不规则地形简化近似为多个简单的棱柱体或三棱锥体进行计算,往往工作量比较大,在计算精度和计算速度之间难以协调(如表1所示)。3.1.2简化计算模式新式的测算方法基本上都运用DEM来模拟真实地表;通过计算机插值的方法来代替部分实测点,减少测绘工作量;并通过编程自动执行或进入Excel软件中进行计算简化传统的计算模式;利用专业的制图以及工程测绘软件来进行土方量的测算[7,8,9,10,11,12,13,14,15]。也有些研究不是基于DEM,而是用最小二乘法、三角微元法等方法,也取得了一定的成果。总的来说,土方量测算的趋势是运用DEM。3.1.3土壤有机碳的结构上述各研究方法,其核心都是在计算时将体积化整为零。这些方法实际操作的工作量都较大。此外以往的研究者往往忽视了一个重要的因素,即土壤的可松性系数2,他们在研究时提出的土方量填方挖方平衡,大多是基于数学几何体块,而没有落实到真正的地形实体。由于土壤可松性系数的存在,挖出来的土再重新填埋会有一定的剩余(如表2所示各类土的重修填埋均有剩余,其坚硬程度越高,则剩余量越多)。3.2学习方法3.2.1根据变化的体积和模型确定设梯台的具体形状山体平整后将形成目标梯台,梯台的底面和坡角确定后,由于梯台体积是一定的,所以梯台的具体形状也是确定的。这里存在以下的等式:目标梯台总体积=山体总体积-挖方+填方填方=挖方×土壤可松性系数3.2.2正切函数的计算设山体相对于周围平原的体积为V0,目标梯台总体积为V,上下底面积分别为S1与S2,上底面与下底面的水平投影间距为L,上底面与下底面的相对高程为H,坡角为α,土壤可松性系数为Ks,填方为Vt,挖方为Vw,见图1。根据上述基本原理可得到以下方程组:V=V0-Vw+Vt(1)Vt=Vw×Ks(2)tgα=H/L(3)V=(S1+S2+S1×S2−−−−−−√)H/3V=(S1+S2+S1×S2)Η/3(4)S1=f(L,S2)(5)公式(1)与(2)显而易见;公式(3)为正切函数反映的是坡比值,即两控制点间垂直高差与其水平距离的比值;公式(4)为梯台的体积计算公式;公式(5)所反映的是梯台的上底面积与水平投影间距以及梯台的下底面存在一定的函数关系,由于上下底面的不规则性,所以该函数无法准确表达。方程组中V0与Vw可以通过ArcGIS的area/volume分析模块获得,它们等于相应高程以上的山体体积,其中V0已知值,Vw需要根据H获得;Ks可以查表1获得;与此相应可得到Vt;坡角α需要预先设定(已知值);S2为已知值,可以通过CAD或ArcGIS的面积属性直接读取;S1为未知,其是与L和S2相关的函数,在计算中可以通过CAD软件获取;由于L和H相关,V需要根据L获得;最终该方程组的关键就在于解出L。这里有两种途径:一种是通过SPSS等统计软件近似计算:该区域的S1=f(L,S2)中的函数关系,再带入方程组;第二种是通过试算法求解:人工将下底面向内偏移距离L,提取对应的面积属性或者通过CAD二次开发自动偏移并提取面积属性,再带入方程组,最终得到结果。由于SPSS软件和CAD二次开发需要操作者具有较高的专业技能,不利于广泛推广,而人工试算借助Excel软件通过笔者实际运算只需4到5次,费时几分钟,即可得到比较精确的L值(小数点后三位),因此该方法简单易学便于推广。多梯台方案与分区分步实施原理与上述一致,笔者通过ArcGIS的相关模块提取地形特征线(山谷线),并用其划分地块,这样划分地块比格网、三角网式人为划分进行多梯台平整的方式,增加了科学性和可操作性。3.3技术方法本研究的技术路线如图2所示:4长胜河凉山地平衡发展分析4.1地基承载力验算通过多次的野外实地考察,我们直观的了解到长汀河梁山地的基本情况(表3),该区域的地基承载力较好,根据表2的分类标准属于次坚石,土的可松性系数为1.2。从长汀规划局获取了该区域的1∶1000电子地形图(DWG格式),该地形图等高距为1m,具有较高的精确度,且由于该图新近完成,所以具有良好的现势性。4.2上海合作中的demtin通过ArcCatlog将DWG格式的地形图转为SHP格式,再通过ArcMap将等高线与高程点一起生成DEM(TIN)(图3),再将TIN转成5m的栅格进行后续计算。4.3三维地形分析4.3.1周边平行海拔高度该处山体位于河梁工贸新城中部,现状海拔高度最高为367.4m,周边平原的海拔高度最低为292.3m,平均约为310m,相对高程约为57m。该地区是比较典型的丘陵地形,由多个小丘陵组成,总占地面积约为104.1hm2。4.3.2市域地区建设用地该处山体原始状态下坡度较陡,坡度小于15°的仅占29.8%,其余用地坡度较大,均不适宜作为城市建设用地使用,见表4。根据《城市用地竖向规划规范》城市用地坚向规划应遵循下列原则:安全、适用、经济、美观;充分发挥土地潜力,节约用地;合理利用地形、地质条件,满足城市各项建设用地的使用要求;减少土石方及防护工程量;保护城市生态环境,增强城市景观效果。城市建设用地有各自适宜的坡度,见表5。该区主要发展工业用地,坡度应小于5.7°。可以作为工业用地使用的的原始山体仅有10hm2,且分布散乱,无法真正利用。4.3.3山坡向分析该处山体坡向分布比较均匀适宜开发,见表6。4.4不规则梯子设计4.4.1砌筑型护坡的坡比值坡比值:两控制点间垂直高差与其水平距离的比值。土质护坡的坡比值应小于或等于0.5;砌筑型护坡的坡比值宜为0.5～1.0。若坡比值小于0.5,即坡角α取25°时,安全性较高、且可以直接做土质护坡,投资较省,但可用地面积小。若坡比值取1,即坡角α为45°时,需要做石质护坡,投资增多,但可用地面积大。4.4.2成一个梯台的设计单梯台:将山体视为整体,统一填挖方,形成一个梯台(见图4);多梯台:将山体按照主要山谷线划分为多个小山体,各自填挖方,形成标高不同的四个梯台(见图5)。4.5及其成本预测通过计算,划分好梯台,再对其进行路网用地以及管线规划设计,根据长汀规划局提供的有关资料,把成本代入方案,进行成本核算,见图6～7和表7～8。4.6基于网格高程面的土地利用计算结果综合比较以上方案,根据长汀城市总体规划,考虑道路设计纵坡与交通便捷安全性,结合长汀经济发展水平与水土流失特性,笔者推荐25°单梯台的方案为最终方案,该方案的设计标高为328.6m。长汀县规划建设局测量设计院,运用传统网格微分法对该区平整进行了土方测算,总计花费7天时间,共设计出25个不同的高程面,测算结果,网格高程分布于320m～335m不等,平均高程为328m,总计新增城市建设用地90hm2,但其方案高程面之间高差较大需要建设大量挡土墙防止塌方滑坡,且人工划分网格不易施工,后期进行城市道路市政建设等各项建设难度与投入均较大。与此同时南京大学采用本文方法仅用半天就完成推荐方案的规划设计,且二者土方计算结果相近,差距小于1%。由于运用了GIS信息技术,推荐方案决策科学且经济,社会生态效益较好,得到长汀县政府的肯定,并开始征地,按照该方案进行施工。4.7推荐计划分阶段实施措施4.7.1基地施工及土方平衡工程划分:以保证各工程队挖方基本相等为前提,依据山谷线将该处山体划分为4个地块分别让工程队施工(见图8)。工程协调:1、2、4地块经平整后,还有剩余土方。因此,在平整过程中,这3个地块需要将上表所示盈余土方运到第3地块,实现土方平衡,具体的填挖方案见图9,平整土方盈余见表9。实施建议:1、4地块的工程队可尽量先将土石往3处填埋。4.7.2地基承载体的填方和山体开挖首先,应该注意地基承载力的问题。挖方地基为山体原有地基,相对比较稳定;填方地基经填方压实,稳定较差,需要注意地块开裂、下雨渗漏等地质问题。其次,在进行山体挖方时,建议先将表层土壤收集,待山体平整后,统一覆土。最后,护坡应种植植被,且外环路不应紧贴梯台上表面边缘,应留足一定空间做防护绿地。5整体台体规划的建立本文研究的区域是易发生水土流失的、城市建设用地紧张,且正处于快速城市化阶段的山地丘陵地区,笔者认为该研究对类似的一些地区进行山地开发具有一定的借鉴意义。对土地平整开发研究的理论和方法的探讨已比较多,本研究试图在前人的研究基础上,通过整体试算法,而不是一般的微分求解法去研究土方量问题,合理确定山地平整的设计标高,达到土方量填挖基