CASS軟件在土石方計(jì)算中的應(yīng)用

李芳芳,牛書平

(1.西南交通大學(xué)希望學(xué)院,四川南充 637900;2.鄭煤集團(tuán)趙家寨煤礦,河南鄭州 450002)

1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),對(duì)于范圍稍大的測(cè)區(qū)要先建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng),精度要滿足土方量計(jì)算的相關(guān)精度要求,平面控制一般采用圖根導(dǎo)線的形式布設(shè)即可,高程采用三角高程測(cè)量的形式。對(duì)于范圍較小的測(cè)區(qū),可采用任意坐標(biāo)系的方式建立控制網(wǎng)。

在采集野外數(shù)據(jù)時(shí),采集點(diǎn)的密度應(yīng)該適當(dāng),過疏不能真實(shí)反映地形,過密則增加野外工作量,造成不必要浪費(fèi)。野外采點(diǎn)時(shí),可以用一站多鏡的方式進(jìn)行,一般在地形線上要有足夠密度的點(diǎn),特征點(diǎn)也要盡量測(cè)到,這樣才能真實(shí)地反應(yīng)地形;在其它地形變化不大的地方,可以適當(dāng)放寬采點(diǎn)密度。正確選擇地形特征點(diǎn)(如地勢(shì)變化比較大的陡坎處最好坎上坎下同時(shí)測(cè)點(diǎn))是外業(yè)數(shù)據(jù)采集十分重要的工作,它是內(nèi)業(yè)計(jì)算的基礎(chǔ)。

采集的野外高程點(diǎn)適時(shí)手工記錄或存儲(chǔ)于全站儀數(shù)據(jù)文件中,為內(nèi)業(yè)計(jì)算提供依據(jù)。當(dāng)一測(cè)站不能全部測(cè)完所需地形點(diǎn)時(shí),可轉(zhuǎn)點(diǎn)至下一測(cè)站點(diǎn)。方法是直接用全站儀獲取下一測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo),到下一測(cè)站點(diǎn)時(shí)建站方式和前站基本一致,此時(shí)后視方向?yàn)樯弦粶y(cè)站點(diǎn),這樣才能保證所采集野外高程點(diǎn)在一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下,其原理即充分利用全站儀的精度優(yōu)勢(shì)來測(cè)支導(dǎo)線點(diǎn)。注意轉(zhuǎn)站點(diǎn)不能太多,否則會(huì)使累積誤差太大影響土方測(cè)算的精度。

用此法進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點(diǎn)是速度快效率高,缺點(diǎn)是只適宜小區(qū)域地形,測(cè)量過程對(duì)中途的轉(zhuǎn)點(diǎn)要特別注意檢核,因?yàn)闆]有檢核易出錯(cuò)。

2 內(nèi)業(yè)計(jì)算

內(nèi)業(yè)處理的基本思想就是把野外采集的高程點(diǎn)轉(zhuǎn)入CASS軟件中,然后采用相關(guān)模型進(jìn)行計(jì)算。CASS在工程應(yīng)用中,計(jì)算土方量的方法有多種,最常用的有:DTM法土方計(jì)算、用斷面法進(jìn)行土方計(jì)算、方格網(wǎng)法土方計(jì)算,等高線法土方計(jì)算。下面就重點(diǎn)以 DTM法和方格網(wǎng)法進(jìn)行闡述。

2.1 CASS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件是 CASS最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)文件,擴(kuò)展名是“DAT”。無論是從電子手簿傳輸?shù)接?jì)算機(jī)還是用電子平板在野外直接記錄數(shù)據(jù),都生成一個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

在全站儀不帶內(nèi)存且沒有電子手簿的情況下,就要進(jìn)行手工記錄了。手工記錄的野外數(shù)據(jù)在用CASS進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理前,要改成符合 CASS數(shù)據(jù)格式。

2.2 DTM法土方計(jì)算

由 DTM模型來計(jì)算土方量是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z)和設(shè)計(jì)高程,通過生成三角網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)三棱錐的填挖方量,最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量,并繪出填挖方分界線。

DTM法土方計(jì)算共有兩種方法,一種是進(jìn)行完全計(jì)算,一種是依照?qǐng)D上的三角網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算。

完全計(jì)算法包含重新建立三角網(wǎng)的過程,又分為“根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算”和“根據(jù)圖上高程點(diǎn)計(jì)算”兩種方法;依照?qǐng)D上三角網(wǎng)法直接采用圖上已有的三角形,不再重建三角網(wǎng)。

首先要展繪高程點(diǎn),菜單“繪圖處理”—“展高程點(diǎn)”,在彈出的“輸入坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件名”對(duì)話框中選擇數(shù)據(jù)文件“野外數(shù)據(jù).dat”。

然后用復(fù)合線畫出所要計(jì)算土方的區(qū)域,菜單“工程應(yīng)用”—“DTM法土方計(jì)算”—“根據(jù)圖上高程點(diǎn)計(jì)算”。

提示:選擇邊界線用鼠標(biāo)點(diǎn)取所畫的閉合復(fù)合線。

請(qǐng)輸入邊界插值間隔(m):<20>邊界插值間隔的設(shè)定的默認(rèn)值為 20m。

提示:選擇高程點(diǎn)或控制點(diǎn) 此時(shí)可逐個(gè)選取要參與計(jì)算的高程點(diǎn)或控制點(diǎn),也可拖框選擇。如果鍵入“ALL”回車,將選取圖上所有已經(jīng)繪出的高程點(diǎn)或控制點(diǎn)。

關(guān)閉對(duì)話框后系統(tǒng)提示:

請(qǐng)指定表格左下角位置:<直接回車不繪表格 >用鼠標(biāo)在圖上適當(dāng)位置點(diǎn)擊,CASS5.0會(huì)在該處繪出一個(gè)表格,包含平場面積、最大高程、最小高程、平場標(biāo)高、填方量、挖方量和圖形。

2.3 方格網(wǎng)法土方計(jì)算

由方格網(wǎng)來計(jì)算土方量是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z)和設(shè)計(jì)高程,通過生成方格網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)長方體的填挖方量,最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量,并繪出填挖方分界線。

菜單“工程應(yīng)用”—“方格網(wǎng)法土方計(jì)算”。

屏幕上將彈出選擇高程坐標(biāo)文件的對(duì)話框,在對(duì)話框中選擇所需坐標(biāo)文件。

提示:選擇土方計(jì)算邊界線,用鼠標(biāo)點(diǎn)取所畫的閉合復(fù)合線。

輸入方格寬度:(m)<20>這是每個(gè)方格的邊長,默認(rèn)值為 20m。由原理可知,方格的寬度越小,計(jì)算精度越高。但如果給的值太小,超過了野外采集的點(diǎn)的密度也是沒有實(shí)際意義的。

同時(shí)圖上繪出所分析的方格網(wǎng),并給出每個(gè)方格的填挖方,每行的挖方和每列的填方。

系統(tǒng)首先將方格的四個(gè)角上的高程相加(如果角上沒有高程點(diǎn),通過周圍高程點(diǎn)內(nèi)插得出其高程),取平均值與設(shè)計(jì)高程相減。然后通過指定的方格邊長得到每個(gè)方格的面積,再用長方體的體積計(jì)算公式得到填挖方量。因此,用這種方法算出來的土石方量與用其它方法得出的結(jié)果會(huì)有較大的差異,一般說來,這種方法得出的結(jié)果精度不太高,這是由于這種方法“先天不足”——算法的局限性。但是方格網(wǎng)法簡便直觀,加上土方的計(jì)算本身對(duì)精度要求不是很高,因此這一方法在實(shí)際工作中還是非常實(shí)用的。用格網(wǎng)法算土方量,設(shè)計(jì)面可以是水平的,也可以是傾斜的。

注意:在用該方法時(shí),用復(fù)合線畫出所要計(jì)算土方的區(qū)域,一定要閉合,但是盡量不要擬合。因?yàn)閿M合過的曲線在進(jìn)行土方計(jì)算時(shí)會(huì)用折線迭代,影響計(jì)算結(jié)果的精度。

3 DTM法和方格網(wǎng)法對(duì)比分析

結(jié)合在用 CASS的工程應(yīng)用中的實(shí)例,發(fā)現(xiàn)DTM法和方格網(wǎng)法計(jì)算土石方量時(shí),這兩種方法計(jì)算出來的結(jié)果有時(shí)卻不是一樣的。在哪種情況下用哪種方法更加合理是筆者在下面要討論的內(nèi)容。

3.1 兩種方法的計(jì)算原理

DTM模型來計(jì)算土方量是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)坐標(biāo)和設(shè)計(jì)高程,通過生成三角網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)三棱錐的填挖方量,最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量,并繪出填挖方分界線。

方格網(wǎng)計(jì)算土方量是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)坐標(biāo)和設(shè)計(jì)高程,通過生成方格網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)長方體的填挖方量,最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量,并繪出填挖方分界線。

3.2 兩種方法相關(guān)分析

DTM法是使用實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)構(gòu)成不規(guī)則三角 TIN,而非擬合的數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)。只要地形變化較大的區(qū)域具有足夠的地形點(diǎn),DTM構(gòu)成的TIN是絕對(duì)能夠真實(shí)客觀反映實(shí)際地形變化的。TIN相對(duì)方格網(wǎng)法構(gòu)成的面片高程來說精度非常高。DTM法的精度較高,因?yàn)槿蔷W(wǎng)能很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)則地形,從而更好地表達(dá)真實(shí)的地面特征。但是要注意的是 DTM方法計(jì)算土方量精度雖高,但其計(jì)算過程中數(shù)據(jù)量大,占用大量存儲(chǔ)空間。因此,如果地圖本身數(shù)據(jù)量大時(shí)就應(yīng)慎重考慮是否采用該方法,而且TIN網(wǎng)要比構(gòu)成方格網(wǎng)耗費(fèi)的資源多。

地形點(diǎn)位置不合理,DTM法算土方肯定不精確的,可能比方格網(wǎng)法還差。這就要看地形點(diǎn)是打在什么地方。比如說,構(gòu)成的三角型正好是陡坎削了或是一塊凹塘填了,那構(gòu)成的 TIN就不合理了。所以打地形點(diǎn)和修改TIN還是要加以注意。如果在地形支離破碎的地方合理打地形點(diǎn)和構(gòu)成的 TIN真實(shí)反映地形,DTM法算的土方就十分準(zhǔn)確。

方格網(wǎng)現(xiàn)場施測(cè)也是這樣,與所選擇的方格網(wǎng)寬度有很大的關(guān)系。由于不測(cè)格網(wǎng)中間的高程,一般的方格網(wǎng),對(duì)于原地面起伏不大的地方,精度還可以,對(duì)于原地面起伏較大的地方,有很大的差別。

因此,采用DTM和方格網(wǎng)法計(jì)算土方,要看實(shí)際地形的起伏變化復(fù)雜程度,如果地形點(diǎn)數(shù)據(jù)的分布合理的話,DTM法絕對(duì)比方格網(wǎng)法準(zhǔn)確;對(duì)于原地面起伏較大的地方,還是最好不要用方格網(wǎng)去算量,雖然這是大家比較認(rèn)可的土方算量的方法,只是更適合地面比較平坦的地方。如果地形起伏不大,則是用方格網(wǎng)法比較簡單劃算。

4 結(jié)束語

在對(duì)土方量進(jìn)行計(jì)算時(shí),要考慮到地形特征、精度要求以及施工成本等方面的情況,選擇合適的計(jì)算方法,達(dá)到最優(yōu)的目的。在工程實(shí)踐中要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),創(chuàng)新方法從而使理論更好地服務(wù)于實(shí)踐。

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