三維GIS表面分析在公路建設(shè)中的應(yīng)用

羅紹仟

(國家林草局昆明勘察設(shè)計院,云南 昆明 650216)

0 引 言

隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，基于CAD平臺開發(fā)的許多公路設(shè)計軟件，如：緯地、海地、鴻業(yè)、路線大師等，都給公路設(shè)計師帶來極大的方便和精確的平、縱、橫設(shè)計指標(biāo)。由公路設(shè)計軟件計算出的填挖土石方工程量也基本被建設(shè)各方包括業(yè)主方、設(shè)計方、監(jiān)理方、施工方接受。上述設(shè)計軟件，在填挖土石方量計算中均采用平均面積法計算[1]，而每個斷面的面積是根據(jù)地形圖等高線線性插值計算出來的，因此地形圖的精確度將直接影響到填挖土石方工程的數(shù)量。在一些深溝或山嘴突兀的路段，地形圖難免存在精度不夠、無法準(zhǔn)確反映真實地形地貌的情況，而且軟件采用的平均面積法是按一定間距插值計算的，如果計算間距(樁號間隔)正好跨越了深溝或山嘴，則填挖土石方工程數(shù)量出入就會比較大，采用三維GIS的表面分析功能，就可以對局部存在爭議路段的填挖土石方工程數(shù)量進(jìn)行校核，給各方一個公平公正的量值。

1 三維GIS中表面分析的原理

數(shù)字地形模型是20世紀(jì)50年代由美國攝影測量試驗室主任米勒(C·L·Mitmiller)首次提出并成功解決了公路工程中土方估算等問題。此后它被應(yīng)用于各種線路選線(鐵路、公路、輸電線等)的設(shè)計以及各種工程的面積、體積、坡度的計算，任意兩點間的通視判斷及任意斷面圖繪制[2]。在測繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測，它是地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大基礎(chǔ)軟件。當(dāng)數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型(DEM)。不過，被描述的地形屬性也可以是地理空間上的地價、污染負(fù)荷量、綠化率、降雨量等[3]。

在公路建設(shè)中，三維GIS可以通過2個空間表面的相互關(guān)系，構(gòu)建結(jié)點和邊形成的三角面所組成的網(wǎng)格，以分析坡度、坡向、填挖方量等。所以只要能確定空間的2個面，就能確定他們之間的填挖土石方數(shù)量[4-7]，這就給公路建設(shè)過程中想要進(jìn)行填挖方校核的路段提供了方便。

2 選題背景

林周縣唐古鄉(xiāng)至旁多鄉(xiāng)公路改建工程，位于西藏林周縣境內(nèi)，全長 27.3 km，三級公路，7.5 m 路基寬，途經(jīng)著名的熱振寺，因為沿途地形陡峭、山嘴突兀，多年來項目建設(shè)一直未實質(zhì)性開展，直至2018年4月才開工建設(shè)。其中K7+700～K7+760段危峰兀立、懸崖峭壁，施工方一直糾纏于該段土石方數(shù)量不準(zhǔn)確，但是復(fù)核地形圖后控制點都是準(zhǔn)確的，經(jīng)過4方協(xié)商在該路段運用三維GIS的表面分析功能，復(fù)核這一路段的填挖土石方工程數(shù)量。

3 三維GIS表面分析模型

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的初始化

三維GIS的表面分析功能是基于數(shù)字高程模型的柵格表面進(jìn)行的，這個柵格表面可以通過CAD地形圖、等高線、高程點等矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到[5]。針對要進(jìn)行填挖土石方工程數(shù)量復(fù)核的路段(K7+700～K7+760)，首先用測繪儀器(RTK)測出開挖前該路段上的坐標(biāo)點，盡量做到多測、地形變化處必測，測出的點越多，模型中建立的開挖前山體表面越精確。其次，待開挖到設(shè)計標(biāo)高、設(shè)計坡率、填方完成后，再重復(fù)上述工序，用測繪儀器(RTK)測出地面的坐標(biāo)點，以備導(dǎo)入三維GIS中建立模型。一般RTK測出的坐標(biāo)點成果格式如表1所示。

表1 坐標(biāo)格式示意表

3.2 三維GIS表面分析模型的建立

打開ArcGIS的ArcScene模塊，并在軟件的處理環(huán)境中設(shè)置好相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)和工作目錄。

第一步：在軟件中加載坐標(biāo)點→把Excel文本轉(zhuǎn)化成.dbf格式的文件→右鍵點擊.dbf文件指定好X、Y、Z的坐標(biāo)高程值[8]。

第二步：查找到3D Analyst Tools.tbx→TIN→創(chuàng)建TIN,注意該步驟中要素類轉(zhuǎn)化為TIN時的高度字段(高程)要與.dbf文件中的高度字段相對應(yīng)，由施工前后的坐標(biāo)點創(chuàng)建出2個不同的TIN表面，如圖1所示。

至此TIN表面的模型已經(jīng)基本建成，但是用于表面分析的面必須得是DEM的柵格數(shù)據(jù)，所以要把TIN轉(zhuǎn)換成DEM的柵格數(shù)據(jù)才能進(jìn)行這2個面的空間表面分析。

第三步：查找到3D Analyst Tools.tbx→轉(zhuǎn)換→由TIN轉(zhuǎn)出→TIN轉(zhuǎn)柵格。該步驟注意采樣間距理論上越小越準(zhǔn)確，一般取10就能滿足工程需要[8]；因為坐標(biāo)和高程都是以米為單位的，計算出來的填挖方土石方體積單位正好為立方米，故比例因子取1即可。DEM格式的模型如圖2所示。

圖1 三維GIS中TIN表面模型

4 三維GIS表面分析結(jié)果

模型建好后，Spatial Analyst Tools→表面分析→填挖方→在此輸入填挖之前的表面和填挖之后的表面，即可進(jìn)行填挖分析，得出2個DEM面之間的填挖土石方工程數(shù)量。

為了驗證這個方法與公路設(shè)計軟件中的平均面積法存在多大出入，選擇了該項目的K8+040～ K8+240段同樣作表面分析，該段特點是基本為一面平順的坡率，沒有深溝或突兀的山嘴，詳細(xì)的計算結(jié)果如表2所示。

表2 計算結(jié)果對比表

5 結(jié)論與展望

通過上述計算結(jié)果對比表可以得出:在溝谷較深、山嘴突兀的路段，平均面積法計算的土石方數(shù)量存在一定程度的失真，工程量的偏大或偏小，應(yīng)該取決于各個設(shè)計樁號在地形圖中抓取的橫斷地面線；在坡面平順的路段，2種方法計算的結(jié)果基本一致。

在采用三維GIS模型進(jìn)行表面分析時，坐標(biāo)點的測量越多、越密，模型中的坡面越能反映真實的場景，表面分析的填挖土石方數(shù)量越貼近實際。對于一個工點，只要測好坐標(biāo)點，從建模到出結(jié)果最多 30 min，不僅方便快捷，而且更容易為業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工各方接受。

展望未來，GIS軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，而且各種數(shù)據(jù)均以圖示的方式表達(dá)，這對公路、水利、交通、建筑、林業(yè)等來說無疑是非常需要的。另外GIS軟件的數(shù)據(jù)接口非常友好[8-10]，能接受目前市面上大多數(shù)軟件的矢量數(shù)據(jù)，比如CAD、Execl、txt、3D Max、Sketch Up等，相信GIS軟件在各種工程領(lǐng)域中會得到越來越廣泛的應(yīng)用。