基于GIS技术的工程土方计算方法优化研究.pdf

2023 年 32 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application基于 GIS 技术的工程土方计算方法优化研究郑亚运1，赵美玲，黄振兴1，钱少璇2（1.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225007；2.盱眙县水务局，江苏 淮安 211700）数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是对地表形态的数字化表达，蕴含了丰富的地学应用分析所必需的地形地貌信息1。随着 GIS 逐渐成为地理学研究的第三代语言，DEM 也逐步替代等高线成为地形描述与分析的主要信息载体2。基于 DEM 数据与 GIS 技术相结合的理论、方法与应用，是地理学、土木工程、地质灾害分析等领域研究的热点。土方量计算是工程勘测设计的重要内容之一，准确快速地计算土方量对详细设计、工程量估算、资金分配等具有重要意义。近年来，DEM 被越来越多地应用在土方量计算中3-4，罗德仁等5、徐志敏等6的研究表明 DEM 法计算土方量精度较高、适用场景多，具有较高可行性。洪泽湖是淮河流域最大的浅水型湖泊，地处苏北平原中部偏西，位于淮河中下游结合部。近年来，大面积的围垦使得湖泊的调蓄、行洪、生态和供水等功能受到了影响，制约了区域经济社会的可持续发展。为落实江苏省洪泽湖保护规划 要求，提高洪泽湖防洪排涝能力，改善湖泊的水环境，解决历史遗留问题，推动区域经济社会和谐发展，开展洪泽湖退圩还湖工程。本文拟综合运用 DEM 数据和 GIS 技术，及工程规划和设计的理论，在 ArcGIS 软件平台上结合特定的 ArcPy 函数编写的土方计算工具，最后以洪泽湖（泗洪县）退圩还湖工程为例，进行自动化测算该工程中蓄水范围线内圩埂的土方量，为该工程规划设计方案选优、工程费用第一作者简介：郑亚运（1990-），男，硕士，工程师。研究方向为水利工程测量、水利信息化。摘要：在水利工程前期规划与设计中，土方量的计算方法不仅影响到方案布置，而且其计算结果还会直接影响到工程成本预算与项目组织问题。基于 GIS 技术计算工程土方量的方法是利用 DEM 提供的高程信息，结合 ArcGIS 平台的分析工具实现土方量快速、高效的计算，尤其是对于数据量大的计算尤为明显。针对传统 DEM 法计算工程土方量过程中存在重复作业、自动化程度低等问题，该文在 DEM 法基础上，在 ArcGIS 平台中基于 Python 语言结合特定的 ArcPy 函数编写一种工作流模式的应用工具，实现工程土方量计算的自动化处理。通过优化后的计算方法对洪泽湖（泗洪县）退圩环湖工程中清退圩埂的土方量进行计算和分析，并得到可靠的计算结果，为水利工程提供一种全新的土方算量解决方案。关键词：数字高程模型；土方量计算；ArcPy；自动化；DEM 法中图分类号院P208文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0054-04Abstract:In the early planning and design of water conservancy project,the calculation method of earthwork not only affectsthe scheme layout,but also directly affects the project cost budget and project organization.The method of calculating engineeringearthwork based on GIS technology is to use the elevation information provided by DEM,combined with the analysis tools ofArcGIS platform to achieve fast and efficient earthwork calculation,especially for the calculation of large amount of data.In orderto solve the problems of repeated work and low automation in the process of calculating engineering earthwork by traditional DEMmethod,on the basis of DEM method,this paper compiles an application tool of workflow pattern based on Python language andspecific ArcPy function in ArcGIS platform to realize the automatic processing of engineering earthwork calculation.Through theoptimized calculation method,the earthwork volume of the retreating polder ridge in the project around Hongze Lake(SihongCounty)is calculated and analyzed,and reliable calculation results are obtained,which provides a new earthwork calculationsolution for water conservancy projects.Keywords:digital elevation model;earthwork calculation;ArcPy;automation;DEM methodDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.01454-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期概算与施工组织提供数据基础。1DEM法1.1DEM 法的原理除传统的方格网法、断面法外，DEM 法是当前最常见的土方量计算方法。DEM 的建立主要基于不规则分布采样点、规则格网分布采样点和等高线分布采样点。本文 DEM 的建立是尝试在不规则分布采样点基础上加入具有高程属性的线状要素作为不规则三角网（TIN）模型的特征约束条件，然后在 TIN 上进行格网点的高程内插形成栅格数据。基于 DEM 土方量计算的原理实质上是计算现状地表面与规划设计地表面体积之差，负值在工程中为挖方量，反之正值称为填方量。1.2DEM 法的具体步骤DEM 法常利用研究区内现有数字线画图（DLG）成果提取高程要素，包括高程点、等高线和具有高程属性的其他线状要素。在 ArcGIS 软件平台中对高程要素进行矢量化处理，为确保数据质量，套合 DOM 及外业实测数据等成果再对矢量数据进行高程异常值的检查。使用 ArcGIS 的 3D Analyst 对研究区矢量数据进行拟合生成 TIN 模型，在此基础上，通过线性内插获取DEM。对需要进行范围约束的栅格数据需要进行裁剪。通过 Spatial-Analyst 模块的叠加分析和统计分析等功能对现状 DEM 和设计 DEM 进行分析和统计得到该区域的填挖方成果，本文总结的 DEM 法操作流程如图 1所示。图 1DEM 法计算流程图2自动化土方量计算的实现2.1研究思路和研究方法常规的基于 DEM 模型在 ArcGIS 平台上进行土方量计算有创建模型简单、可视化程度高等优势。但水利工程开展规划和设计过程中有着方案反复调整的特点，其中作业范围、设计高程的调整更是需要重新计算相应的土方量，生产实际过程中存在重复作业的问题。此外，当作业范围内分区较多时，人工方式作业效率较低、自动化程度不高。本文针对常规 DEM 法计算的这些不足，利用 ArcGIS 中的 Arcpy 站点包进行土方量自动计算工具编写，较大程度上避免了重复作业，减轻工作强度的同时也提高了作业效率和成果质量。站点包 ArcPy 是 ArcGIS10.0 之后版本推出的一个针对所有许可均可使用的 python 脚本模块，这个站点包把 ArcGIS 中所有功能都封装成一个个类库，只要在 Python 的编辑器中导入 Arcpy 站点包，使用者就可以调用里面的类库从而实现其需要的功能，并根据自己需要开发相应的工具7。文中所涉及工具大部分以ArcGIS 中自带分析工具为主，容易实现，可以为其他单位提供参考。2.2土方量自动计算的实现本研究以 ArcGIS 为平台，首先将计算区范围、现状 DEM 数据、约束范围数据（可选）预处理完毕，其中计算区范围矢量数据中需要新建属性字段，将工程方案提供的设计高程值根据分区名称批量赋值到该字段中，系统将根据设计高程值自动创建设计 DEM。在土方量自动计算工具中只需要输入分区范围矢量数据、现状 DEM 数据和约束范围数据（可选），最后设置好成果输出路径并输出处理成果。最终成果为 Excel 格式的工程各分区土方量统计表，过程数据统一存放在设定好的临时文件夹中。土方自动计算工具技术路线图如图 2 所示。土方量自动计算工具在洪泽湖（淮阴区）退圩还湖工程先导段中的应用验证了方法的可靠性，有较好的实际应用价值。3实例分析洪泽湖（泗洪县）退圩还湖工程规划主要对洪泽湖蓄水范围内的违章堤圩和埂围的圩埂土方进行清退，本次拟清退分区 54 个，主要涉及泗洪县临淮镇、半城镇、龙集镇和界集镇，面积约为 125.5 km2。笔者参与了该工程土方量计算工作，考虑到开挖范围内高程不一，DOM 成果规划设计方案DLG 成果提取高程要素建立三角网矢量化插值创建现状 DEM创建设计 DEM否是约束范围栅格裁剪成果输出统计分析填挖方模型叠加分析55-2023 年 32 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application靠近岸边高程相对较高，远离岸边相对较低，清退区底高程变化一般在 11.512.5 m。根据泗洪县洪泽湖地形、防洪、供水及水生态恢复需要，圩埂清退标准原则上清退至现状湖底高程。清退范围内养殖鱼塘密布，圩埂纵横交错，根据给定的设计高程值，采用了基于 DEM 的土方量自动计算工具进行土方量计算。3.1数据预处理建立 DEM 的第一步是获取地形数据，本文采用的DEM 地形数据主要来源于 2019 年研究区 1颐1 000 比例尺地形图。对地形图进行高程要素提取，获取特征点线并进行矢量化。利用 AcrGIS 软件的 3DAnalyst 模块根据现状图中矢量数据生成研究区域现状 TIN，线性内插获取现状 DEM。由于该工程规划未涉及到养殖鱼塘等水体部分的清退，因此需要对计算范围进行去除水体部分的处理，即创建圩埂矢量数据作为约束范围用于 DEM 的裁切。图 2土方自动计算工具技术路线图3.2工程填挖方计算在土方量自动计算工具中，首先输入研究区各分区范围（含有各分区设计高程属性字段），再输入前期构建好的现状 DEM，由于本次清退主体是圩埂，因此在圩埂范围中输入绘制好的圩埂矢量数据（可选项）用于裁剪，最后设置好过程数据存放路径和统计数据表存放路径点击运行完成，计算工具操作界面如图 3所示。3.3数据成果与分析土方量自动计算工具在内部对叠加分析得到的填挖方栅格数据面积属性字段数值进行统计。由于项目要求只需要计算挖方量，因此只需要选择净损失区域的土方量即可，工具对自动选择土方量数值大于 0 的求和，最终成果见表 1，表中包含序号、分区名称、设计标高以及土方量数据成果。由表 1 可知，项目区总的挖方量为 2 530.2 万 m3，其中分区 LH2、BC1、BC2、BC4、CW1、LJ2、LJ4、379BC3、25CT7 挖方量较大，超过 100 万 m3，清退重点主要集中在临淮镇和半城镇范围内。图 3土方自动计算工具界面图输入工程范围数据提取设计高程值创建设计 TIN输入现状 DEM创建设计 DEM创建设计 DEM输入现状 DEM成果输出输入约束范围数据成果输出56-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期4结束语基于 GIS 技术的工程土方计算方法是以 DEM法为基础，较之传统的土方量计算法有更真实反映现场地形地貌、计算简单快速、数据成果可视化的优势。基于 GIS 技术的工程土方计算方法优化是在工程规划设计方案反复调整需要重复计算、人工作业效率不高的背景下，较之常规的 DEM 法有自动化程度高、操作简单等优势。土方量自动计算工具以现状 DEM 数据为基础，通过一系列处理，再对每一个区域土方量进行统计，最后统计分析出整个工程的土方量。在应对工程规划范围调整、设计高程调整时更加灵活、高效，土方量成果为退圩还湖工程制定合法、合规、合理的补偿、补助标准和安置方式提供依据。参考文献院1 汤国安，李发源，刘学军.数字高程模型教程M.3 版.北京：科学出版社，2016.2 汤国安.我国数字高程模型与数字地形分析研究进展J.地理学报，2014（9）：1305-1325.3 刘锦霞，张超，邵林，等.Civil 3D 在退圩还湖设计项目中的应用J.江苏水利，2019（5）：12-15.4 廖伟华，徐彬.基于空间内插的场地平整土方工程量计算方法研究J.黑龙江工程学院学报（自然科学版），2007（4）：14-17.5 罗德仁，邹自力，汤江龙.工程土方量计算比较分析J.东华理工学院学报，2005（1）：59-64.6 徐志敏，林志勇，李雯静，等.基于填挖方分析的 DEM 精度评价模型J.武汉大学学报：信息科学版，2017（8）：1167-1171.7 余咏胜，彭艳丽，尹言军，等.基于 Arcpy 的影像地图自动处理技术研究J.测绘通报，2015（3）：82-85.表 1洪泽湖退圩还湖渊泗洪段冤各分区挖方量统计表序号分区名称设计标高/m土方量/m序号分区名称设计标高/m土方量/m1JJ112.571 860.4529LJ1212.578 629.302LH211.51 298 428.8130LJ1312.5292 396.253130JJ212.593 392.6231TP112.5460 413.124163LJ912.57 011.8132TP212.5516 629.925CT511.52 670.4233TP312.5219 365.436CT112.2330 087.7734JJ212.5608 670.277CT411.811 075.3435134CM112.5226 161.448CT312.016 579.343625CT712.01 673 446.139CT211.973 427.9837LH111.7501 246.4510LJ1012.542 780.843827LH211.5107 548.0511LJ1412.5700 990.4839BC311.5762 918.5912LH312.0948 954.4340BC511.8199 998.9513BC111.81 687 295.8641139LJ112.5156 191.5114CW111.51 725 035.3742144LJ212.068 599.8915CW211.7156 051.8943145LJ212.012 290.6816139BC511.8814 935.2044145LJ312.0399 819.0117BC211.71 529 084.0845149LJ511.8230 483.2118379BC311.31 537 698.5946150LJ511.868 167.2119BC411.51 437 390.5147161LJ812.0142 271.0320LJ812.0403 621.3448155LJ812.0275 574.6521LJ112.0637 050.8549160LJ812.0278 509.7222LJ211.61 469 436.4050153LJ611.8238 903.0223LJ312.0216 414.9051154LJ611.8116 322.1824LJ411.51 347 724.0652162LJ912.513 917.7525LJ511.8269 474.2953LJ912.513 867.0826LJ612.0125 353.7154141LJ1412.5241 265.7827LJ711.6227 625.6128LJ1112.5217 332.49合计25 302 392.0557-