工程土方計(jì)量系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

肖維 劉茗溪 周小錄

摘 要：在工程項(xiàng)目前期土建設(shè)計(jì)過(guò)程中，開發(fā)一套高精度、易操作的工程土方計(jì)量系統(tǒng)具有重要意義。本文結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等技術(shù)手段，采用C#語(yǔ)言對(duì)ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)TIN算法進(jìn)行改進(jìn)，并研發(fā)了工程土方計(jì)量系統(tǒng)。通過(guò)與南方CASS和ArcGIS傳統(tǒng)的TIN算法進(jìn)行對(duì)比分析得出：采用本系統(tǒng)計(jì)算出的土方量精度較高，大大提高了工程土方計(jì)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率，精簡(jiǎn)了數(shù)據(jù)處理流程。

關(guān)鍵詞：ArcGIS二次開發(fā) 改進(jìn)TIN方法 土方計(jì)量

中圖分類號(hào)：U415.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（a）-00-06

Abstract：In the process of civil engineering design in the early stage， it is of great significance to develop a set of engineering earthwork measurement system with high precision and easy operation.In this paper， combined with geographic information system technology， computer technology and database technology and other technical means， using C# language ArcGIS platform for secondary development， improvement of TIN algorithm， and the development of engineering earthwork measurement system.Through the comparison and analysis with the traditional TIN algorithm of CASS and ArcGIS in south China， it is concluded that the precision of earthwork calculated by this system is relatively high， which greatly improves the efficiency of the data processing of engineering earthwork measurement and simplifies the data processing process.

Key Words：ArcGIS secondary development； Improve TIN method； Soil quantity meter

工程土方計(jì)量是編制工程概預(yù)算、招標(biāo)標(biāo)底、投標(biāo)報(bào)價(jià)、簽訂施工合同以及工程結(jié)算、確定工程造價(jià)的最基本數(shù)據(jù)。工程建設(shè)中，針對(duì)復(fù)雜多變的地形地勢(shì)，通常需要根據(jù)建設(shè)要求進(jìn)行填挖，精準(zhǔn)地填挖方計(jì)算就顯得尤為重要。在傳統(tǒng)的土方計(jì)量中，往往先要進(jìn)行長(zhǎng)久的野外測(cè)量采樣，然后對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后才能進(jìn)行工程土方計(jì)算。整個(gè)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜繁重，外業(yè)需要采樣大量數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)計(jì)算存在重復(fù)的勞動(dòng)且效率較低，計(jì)算精度也較低。因此，如何提高工程土方計(jì)量的精度、減少內(nèi)外業(yè)勞動(dòng)量成為了現(xiàn)今研究的重點(diǎn)。

1 工程土方計(jì)量系統(tǒng)架構(gòu)

工程土方計(jì)量系統(tǒng)作為一個(gè)整體分為數(shù)據(jù)操作層、技術(shù)算法層、輸出層，如圖1所示。本系統(tǒng)主要由計(jì)量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、計(jì)量區(qū)域邊界繪制、工程土方計(jì)量（改進(jìn)的TIN方法）、剖面分析、空間量測(cè)、制作專題地圖等功能模塊組成。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于工程土方量的計(jì)算及地圖輸出，具體操作流程如下：首先，設(shè)置計(jì)量區(qū)域的空間參考系，將外業(yè)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)（dat文件或Excel文件）導(dǎo)入系統(tǒng)，并繪制將要計(jì)算的區(qū)域邊界，需要分別導(dǎo)入一期數(shù)據(jù)與二期數(shù)據(jù)。然后，選擇一種土方計(jì)量的方法（改進(jìn)的TIN方法）進(jìn)行土方計(jì)算，計(jì)算完成后，可以對(duì)一期地表和二期地表進(jìn)行剖面分析。最后，制作專題地圖并導(dǎo)出，本系統(tǒng)架構(gòu)流程圖如圖2所示。

2 工程土方計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作層

系統(tǒng)數(shù)據(jù)層主要包括了4個(gè)方面：一是設(shè)置地圖的空間參考系（投影坐標(biāo)系和高程系）；二是將計(jì)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，格式為dat文件或Excel數(shù)據(jù)；三是描繪計(jì)量區(qū)域的邊界；四是對(duì)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)的操作。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)算法層

系統(tǒng)技術(shù)層主要包括了4個(gè)方面：一是工程土方計(jì)量，本系統(tǒng)采用的是改進(jìn)的TIN方法；二是剖面分析，剖面分析是對(duì)一期地表與二期地表任意對(duì)應(yīng)區(qū)域前后變化情況查看；三是空間量測(cè)，主要是地表上點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離計(jì)算以及地表任意區(qū)域的面積量測(cè)；四是地圖操作，主要是專題圖的制作，為地圖添加基礎(chǔ)元素（圖名、圖例、比例尺指北針等）。

本系統(tǒng)的核心算法是改進(jìn)的TIN算法，TIN算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：三角網(wǎng)中的點(diǎn)和線的分布密度和結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，直接利用原始資料作為網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)；不改變?cè)紨?shù)據(jù)和精度；能夠插入地性線以保存原有關(guān)鍵的地形特征，以及能很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)則地形，從而將地表的特征表現(xiàn)得淋漓盡致等。但是，TIN算法原理是由測(cè)量點(diǎn)連線形成三角網(wǎng)，如果計(jì)算邊界上沒(méi)有測(cè)量點(diǎn)，則會(huì)導(dǎo)致邊界上沒(méi)有值，從而產(chǎn)生誤差。因此，針對(duì)TIN算法進(jìn)行了改進(jìn)，將TIN算法無(wú)法計(jì)算的邊界，采用克里金插值算法插值出邊界的值，用來(lái)填補(bǔ)TIN無(wú)法生成邊緣值的這一個(gè)問(wèn)題。這樣就可以很大程度上降低了TIN方法的計(jì)算誤差。本系統(tǒng)的核心算法即保留了TIN算法的所有優(yōu)點(diǎn)，又改進(jìn)了TIN算法的缺點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)的TIN算法是可行有效的。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如下。

利用新左旗8個(gè)實(shí)際地塊的測(cè)量數(shù)據(jù)，分別采用了克里金法、改進(jìn)的TIN、格網(wǎng)法進(jìn)行工程土方計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差對(duì)三種方法的精度進(jìn)行評(píng)定。相對(duì)誤差計(jì)算公式為：

（1）

其中，V分別為每種方法計(jì)算得到的土方量，V真為三種方法計(jì)算結(jié)果的平均值。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由上面實(shí)驗(yàn)可以得出：改進(jìn)的TIN法的相對(duì)誤差值低于格網(wǎng)法和克里金法，表明改進(jìn)的TIN法的精度高于格網(wǎng)法和克里金法，改進(jìn)的TIN法計(jì)量值更為可信。本系統(tǒng)的計(jì)算精度是完全符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的，可投入生產(chǎn)使用。

2.3 系統(tǒng)輸出層

系統(tǒng)輸出層主要是專題圖的輸出，可以選擇不同格式的圖片文件輸出。

3 工程土方計(jì)量系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的功能如圖3所示，主要包括了以下4個(gè)模塊：

（1）基本工具模塊：空間參考、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、編輯圖層、視圖控制、空間量測(cè)、地圖導(dǎo)出。

（2）計(jì)算土方量模塊：土方計(jì)算、地表插值。

（3）剖面分析模塊：地表選擇、查詢、剖面分析。

（4）視圖模塊：視圖控制、設(shè)置界面樣式。

下面將重點(diǎn)介紹以下3個(gè)功能：土方計(jì)算功能、剖面分析功能和地圖導(dǎo)出功能。

3.1 土方計(jì)算功能

土方計(jì)算功能包含了兩種土方計(jì)算方法，分別是克里金法和改進(jìn)的TIN方法。在確定計(jì)算區(qū)域后，添加一期地表數(shù)據(jù)、二期地表數(shù)據(jù)以及區(qū)域邊界，然后選擇任意一種計(jì)算方法，即可完成土方的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

3.2 剖面分析功能

剖面分析，首先，添加一期地表面和二期地表面，然后繪制剖面線，最后通過(guò)查看剖面，可以直觀地查看地形表面的變化情況，如圖6所示。

3.3 地圖導(dǎo)出功能

地圖導(dǎo)出功能主要是實(shí)現(xiàn)地圖的輸出，并可以為其添加地圖元素。包含了以下3個(gè)子功能。

（1）操作：導(dǎo)出地圖時(shí)需要的基本操作（放大、縮小平移、整個(gè)頁(yè)面、更改布局）；

（2）元素：導(dǎo)出地圖時(shí)，地圖基本元素的添加（文本、指北針、圖例、比例尺、）以及對(duì)添加的元素進(jìn)行修改操作。

（3）出圖：實(shí)現(xiàn)地圖的導(dǎo)出。

地圖導(dǎo)出結(jié)果如圖7所示。

4 創(chuàng)新點(diǎn)與結(jié)論

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)算，對(duì)數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)理論和內(nèi)插方法進(jìn)行了研究。解決了TIN方法在計(jì)算中的不足，對(duì)傳統(tǒng)的TIN方法加以改進(jìn)填補(bǔ)其在邊緣數(shù)據(jù)不足的情況下導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算的問(wèn)題。

（2）采用ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行了二次開發(fā)，定制了計(jì)算工程土方量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程土方計(jì)量過(guò)程的批量可視化處理，系統(tǒng)界面友好、運(yùn)行穩(wěn)健、計(jì)算結(jié)果可靠。

4.2 結(jié)論

總體上來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的土方計(jì)算軟件，計(jì)算土方量簡(jiǎn)單、快速、自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)了土方的可視化。同時(shí)，計(jì)算精度比較高且通用性強(qiáng)，適用于不同地形地貌區(qū)域的工程土方計(jì)量，不僅減小了外業(yè)工作量，還提高了內(nèi)業(yè)計(jì)算的效率，節(jié)約了工程成本。

本系統(tǒng)的功能還有待完善，下階段將在系統(tǒng)已有的兩種計(jì)算方法上添加“自然鄰域插值法”“樣條插值法”，“反距離加權(quán)插值法”等計(jì)算算法，以便于用戶能夠根據(jù)實(shí)測(cè)區(qū)域的地形來(lái)選擇不同的插值方法，使系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果更精準(zhǔn)可靠。同時(shí)，由于工程土方填挖方量的實(shí)際數(shù)據(jù)難以進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，精度難以進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，下階段應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)的具體情況，根據(jù)具體的地形智能選取插值方法，優(yōu)化方案。除此之外，下一步還可以結(jié)合ArcGIS的路網(wǎng)分析等功能，實(shí)現(xiàn)從挖填方施工到調(diào)配運(yùn)輸一體化的可視化過(guò)程，為工程土方計(jì)量及調(diào)配方案優(yōu)選提供了一種新方法。

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