城市信息系統(tǒng)實踐課程論文——關于土方量計算

1、武漢大學城市信息系統(tǒng)實踐課程論文 學號 密級 公開 城市信息系統(tǒng)實踐課程論文基于GIS填挖方計算的開發(fā)造價計算及對總體規(guī)劃的評價以某鎮(zhèn)總體規(guī)劃為例學 生 姓 名 ：蒙俊杰 二一五年七月鄭 重 聲 明本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產(chǎn)權歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要 土地平整工程在土地開發(fā)建設過程中處于非常重要的位置，特別是對于起伏較大的土地，

2、準確、快速、高精度的土方量計算對于合理安排工程進度、工程量大小計算和投資預算具有十分重要的意義。本文以大悟縣某某鎮(zhèn)總體規(guī)劃中鎮(zhèn)區(qū)填挖土方量計算為例，利用ArcGIS軟件平臺，通過不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)分別建立項目原始地面和規(guī)劃地面的數(shù)字高程模型(DEM)，利用其表面差異分析功能實現(xiàn)ArcGIS 在土方量計算中的應用。實驗結果表明，應用ArcGIS計算土方量，具有操作簡便、計算精度高、能夠實現(xiàn)三維可視化等優(yōu)點，對于指導項目的開發(fā)建設具有重要作用。關鍵詞：土地平整；土方量計算；ArcGIS地面模型；微丘地形AbstractLand levelling project has a very impo

3、rtant position in the process of land exploitation and construction. Especially for the much fluctuant lands, accurate, fast and precise calculation of earthwork calculation has very important significance for making the reasonable arrangement of the project schedule, the calculation of engineering

4、quantity and investment budget. This paper is based on the excavation and backfilling earthwork calculation within the township of The overall planning of Xincheng town in Dawu county, uses the software platform of ArcGIS, the triangulated irregular network (TIN) of the studied area was used to esta

5、blish the original and planned ground digital elevation model (DEM), then uses the surface difference analysis function of ArcGIS in the earthwork calculation. The results show that the application of ArcGIS in calculating earthwork, has the advantages of simple operation, calculation precision, and

6、 threedemon-signal visualization, and other advantages. It has important impact in conducting the development and construction of projects.Key words: land leveling; earthwork calculation; ArcGIS ground model; micro dune terrain目 錄摘 要1Abstract4第一章 緒 論61.1研究背景61.2 ArcGIS在填挖土方量計算中的應用現(xiàn)狀71.3本文研究的主要內容7第二章

7、 基于ArcGIS的挖填土方量計算原理72.1數(shù)字高程模型72.2 ArcGIS計算土方量的原理8第三章 某某鎮(zhèn)總體規(guī)劃挖填土方量預算83.1某某鎮(zhèn)概況83.2原始數(shù)據(jù)準備與檢查93.3創(chuàng)建原始地表面93.4輸入規(guī)劃地表面高程93.5創(chuàng)建規(guī)劃地表面103.6土石方量計算103.7對總體規(guī)劃的評價10第四章 應用ArcGIS計算土方量的要點114.1數(shù)據(jù)要點114.1.1對于地塊原始高程數(shù)據(jù)的收集114.1.2對于地塊規(guī)劃高程數(shù)據(jù)的獲取114.2操作要點114.2.1為規(guī)劃地塊邊界輸入高程114.2.2創(chuàng)建規(guī)劃地表面11第五章 ArcGIS計算土方量的優(yōu)點和不足125.1 ArcGIS計算土方量

8、的優(yōu)點125.1 ArcGIS計算土方量的不足12結 論13參 考 文 獻14致 謝15第一章 緒 論1.1研究背景隨著我國城市的快速發(fā)展，用地規(guī)模也在快速擴張，土方工程在各種開發(fā)建設的項目中占有越來越重要的地位。合理的土地開發(fā)整理是實現(xiàn)土地可持續(xù)利用與耕地總量動態(tài)平衡的一項重要工作；是保護農(nóng)耕地和生態(tài)環(huán)境的有效措施；也是提高土地利用率，促使土地集約化利用的重要手段。在目前的土地開發(fā)整理項目中，土地平整的土方工程量和工程預算約占項目總工程量及總預算的30%60%，因此，精確的計算填挖土方量是合理安排項目進程、準確估算項目造價以及順利審查項目工作的關鍵。土地平整主要包括土地開挖、運輸和回填等主要

9、施工過程，開挖土方的置放以及回填土方的來源是衡量項目設計是否合理的一個重要因素。特別是對于大型建設項目的場地平整，填挖土方工程量可達數(shù)百萬立方米甚至更多，土地平整的施工周期也會隨著土方量的增加而增加。目前存在許多以微丘地形為主的小城鎮(zhèn)，對于這些小城鎮(zhèn)的開發(fā)建設，一個比較理想的情況就是場地內開挖土方與回填土方的平衡，盡可能提高土地資源利用率，因此，簡便、快速、高效的填挖土方量計算對于微丘地形的小城鎮(zhèn)顯得尤為重要。目前，傳統(tǒng)的土方量計算方法有斷面法、方格網(wǎng)法、散點法和表格法。斷面法一般用于道路、溝渠和管線等地面起伏較大的帶狀地形，其前期野外測量工作量大，且計算方法較為繁瑣；方格網(wǎng)法則適用于大面積平

10、坦或高差變化不大的地區(qū)，其模型簡單，易于實現(xiàn)，但精度較低；散點法適用于變化均勻，不太復雜的地形；表格法計算土方量，測算范圍雖不受地形限制，但計算工作量大且效率不高1。傳統(tǒng)的計算方法對于微丘地形小城鎮(zhèn)的小型開發(fā)項目中填挖土方量計算會顯得比較簡單，但對于要用填挖土方量的平衡評價其總體規(guī)劃對于該小城鎮(zhèn)的發(fā)展是否具有正確的指導作用，就會顯得棘手。微丘地形往往情況復雜，對于大面積不規(guī)則的微丘地形無法使用傳統(tǒng)方法快速、精確地計算填挖土方量。隨著我國計算機科學和地理信息技術的發(fā)展和運用，ArcGIS的空間分析技術逐漸成熟，越來越多的運用在解決城市土木工程問題中,將ArcGIS技術與其他輔助手段結合，可以更為

11、精確、快速的解決復雜地形的填挖土方量計算問題。1.2 ArcGIS在填挖土方量計算中的應用現(xiàn)狀在國外，ArcGIS應用較為成熟，早在二十世紀六十年代，美國就已經(jīng)廣泛運用ArcGIS技術對土壤狀況、地質災害及土地適應性進行了評價。在同一時間，美國麻省理工學院的Chairs L Milter教授提出了數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,縮寫DEM)，應用這個模型可以直接生成等高線圖、地形透視圖、地形斷面圖以及地形可視化通視圖2。運用DEM還可以進行土方量計算，主要是利用其提供的高程相關信息，用矢量數(shù)據(jù)創(chuàng)建TIN，根據(jù)創(chuàng)建的三角網(wǎng)模型結合3D分析功能系統(tǒng)協(xié)作完成。該方式在理

12、論研究和應用實踐方面有了很大的進展，目前，DEM模型及TIN算法在土方量的計算中已被世界許多國家成熟應用。在我國，將ArcGIS應用到土地開發(fā)項目中的土方量計算還處在初級階段，但已有部分成功應用的案例。隨著我國由數(shù)字城市向智慧城市的轉型，越來越多先進的遙感技術可為城市的建設提供詳細的土地資料，為ArcGIS進行土方量計算提供良好的基礎數(shù)據(jù)。對于地形復雜，面積較大的建設項目，使用傳統(tǒng)方法進行土方量計算已顯得捉襟見肘，利用遙感技術獲取豐富的地形基礎資料，結合ArcGIS分析功能，快速、準確的計算土方量是未來發(fā)展的趨勢。1.3本文研究的主要內容基于以上傳統(tǒng)方法在填挖土方量計算中的存在的缺點以及國內外

13、ArcGIS的研究現(xiàn)狀，本文首先闡述應用ArcGIS計算填挖土方量的思路及原理，并以大悟縣某某鎮(zhèn)的總體規(guī)劃為例，計算某某鎮(zhèn)新一輪總體規(guī)劃對于現(xiàn)狀所需要進行的挖填方土方量，評價其合理性；并總結其操作過程所需要的重要數(shù)據(jù)及其分析結果存在的問題，為指導微丘地形的小城鎮(zhèn)發(fā)展建設提供新的借鑒方法。第二章 基于ArcGIS的挖填土方量計算原理2.1數(shù)字高程模型數(shù)字地形模型是以數(shù)字形式存儲的地球表面地形信息的集合，地形信息包括高程、坡度、坡向等，其中高程信息是最基礎的信息，專門存儲高程信息的數(shù)字集合就是數(shù)字高程模型。從數(shù)學的角度，DEM 是一種用X、Y、Z 坐標對地球表面地形地貌的一種離散數(shù)字表達，是表示區(qū)

14、域D上的三維向量有限序列，用函數(shù)的形式表述為：=(X，Y，Z)(i=1，2，3，n)(式中X、Y 為平面坐標，Z是（X，Y）所對應的高程值)。DEM模型按照數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式主要分為兩種：不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）和規(guī)則格網(wǎng)(GRID)3。TIN采用離散數(shù)據(jù)點生成的連續(xù)的不重疊的不規(guī)則三角形網(wǎng)格來表示地形表面，在地形平坦的區(qū)域，三角形面片數(shù)較少，可以有效減少數(shù)據(jù)存儲量。在生成三角形面片時，形狀和大小有很大的靈活性。TIN還能較容易地表示斷裂線和地形起伏較大的區(qū)域，較好地顧及地形地貌特征，逼真地表示復雜地形的高低起伏變化，克服地形平坦區(qū)域的數(shù)據(jù)冗余，適用于大比例尺的高精度地形建模4。因此TIN可以用于高

15、程信息表達、土方工程量計算、面積計算、坡度研究以及地學分析等，在土地平整、機場設計和城市規(guī)劃等多個領域應用廣泛。2.2 ArcGIS計算土方量的原理在ArcGIS上應用TIN模型計算項目地塊填挖土方量時，首先需要根據(jù)實地采集的地面高程點坐標和高程數(shù)據(jù)，建立原始地表面TIN模型；其次需要在相同坐標系中建立其規(guī)劃地表面的TIN模型；然后通過TIN 表面差異功能計算原始地表面TIN與規(guī)劃地表面TIN之間的體積差異。通過此方法不僅可以找到原始地表面TIN和規(guī)劃地表面TIN之間的交線，即為挖填分界線，還可以計算每個回填區(qū)或開挖區(qū)的體積。最后通過ArcGIS的統(tǒng)計分析功能，得到各區(qū)域挖填土方量的總和，可對

16、比得到平整該地塊所需要開挖的土方量和回填的土方量是否平衡，以評價規(guī)劃方案的合理性與可行性。第三章 某鎮(zhèn)總體規(guī)劃挖填土方量預算3.1某某鎮(zhèn)概況某某鎮(zhèn)位于大悟縣中部，其中心城區(qū)為微丘地貌，海拔在80150米之間，因為地形地貌的起伏，其建筑布置呈現(xiàn)一定的山地特色。某某鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)現(xiàn)狀建設用地為1.67平方公里，其于2015年4月編制新一輪的總體規(guī)劃，規(guī)劃建設用地規(guī)模擴大為4平方公里。規(guī)劃方案內有很多區(qū)域都有地勢較高的土丘與地勢低洼的沖溝，因此某某鎮(zhèn)若要將新一輪的總體規(guī)劃落實，進行新開發(fā)區(qū)建設，勢必要對土地填挖土方量進行一個整體預算，評價其總體規(guī)劃的可行性。3.2原始數(shù)據(jù)準備與檢查基于ArcGIS進行填挖土

17、方量計算需要高程點與等高線等源數(shù)據(jù)，將某某鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)規(guī)劃范圍內的高程點與等高線導入ArcGIS（圖3.2），檢查數(shù)據(jù)的Elevation屬性是否為空，同時對數(shù)據(jù)進行篩選，將高程有誤的高程點與等高線刪除。圖3.2 某某鎮(zhèn)高程點與等高線圖 圖3.3 某某鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)原始地表面3.3創(chuàng)建原始地表面通過ArcGIS工具箱中的3D Analyst模塊對鎮(zhèn)區(qū)原始地表面，利用鎮(zhèn)區(qū)高程點與等高線創(chuàng)建鎮(zhèn)區(qū)TIN模型（圖3.3）。3.4輸入規(guī)劃地表面高程圖3.5 某某鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)規(guī)劃地表面圖3.4 某某鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)規(guī)劃圖規(guī)劃道路中線將規(guī)劃區(qū)分成若干地塊，把道路中線作為地塊邊界，將其cad文件導入GIS（圖3.4），并轉換成具有Z值的s

18、hapefile格式的線文件，同時將新規(guī)劃鎮(zhèn)區(qū)的高程輸入。3.5創(chuàng)建規(guī)劃地表面在CAD中將鎮(zhèn)區(qū)在規(guī)劃建設范圍內的原始高程點與等高線刪除，并導入GIS中，結合鎮(zhèn)區(qū)新規(guī)劃高程生成某某鎮(zhèn)規(guī)劃地表面（圖3.5）。3.6土石方量計算根據(jù)GIS創(chuàng)建的原始地表面TIN模型與規(guī)劃地表面TIN模型，應用3D Analyst分析模塊中表面差異的功能計算以上兩個模型之間的差異，可以獲得填挖區(qū)域及相應的土方量，對結果進行剪裁可得到僅規(guī)劃范圍內的填挖區(qū)及土方量。然后運用GIS統(tǒng)計功能統(tǒng)計規(guī)劃范圍內挖方量及填方量，可得到規(guī)劃鎮(zhèn)區(qū)建設范圍內挖方量為13687491m³，填方量為13232517m³，由此

19、可以看出在微丘地形的地區(qū)進行開發(fā)建設需要進行較大規(guī)模的土方量工程。圖3.6 某某鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)規(guī)劃填挖方3.7對總體規(guī)劃的評價在以上獲得的填挖土方量的結果中可以看出，最終僅有454974m³的土方開挖后需另選區(qū)域置放，若考慮運用在城市公園的建設當中，則這部分多余的土方可以應用在營造城市公園的坡地景觀之中，形成該微丘地形的特色景觀。因此，從分析獲得的結果中可以知道該總體規(guī)劃方案的實施基本上可以保持建設區(qū)范圍內開挖和回填土方的平衡。若按照目前市場價格來計算（土方不外運的情況下平均為10元/平方米，外運的情況下將高達3040元/立方米），該總體規(guī)劃在土地平整的投資額約為1.5億元左右；按規(guī)劃期限1

20、5年來計算，則年均需投入1000萬元。對于某某鎮(zhèn)這樣一個微丘地形的城鎮(zhèn)，該結果屬于可接受的范圍。第四章 應用ArcGIS計算土方量的要點4.1數(shù)據(jù)要點ArcGIS計算填挖土方量是基于原始地表面與規(guī)劃地表面TIN模型之間的差異進行計算的，因此對于該種方法而言最重要的是地塊高程數(shù)據(jù)的獲取以及高程數(shù)據(jù)的豐富程度。4.1.1對于地塊原始高程數(shù)據(jù)的收集原始地塊的高程信息應當具有足夠的豐富度。隨著科學技術的進步，類似于GPS的測繪儀器可在短時間內獲得地塊豐富的高程信息；另一方面，隨著我國數(shù)字城市的發(fā)展，越來越多的地形基礎信息可通過遙感技術獲得，因此，對于原始地塊高程數(shù)據(jù)的收集應當充分運用先進的科學技術。4

21、.1.2對于地塊規(guī)劃高程數(shù)據(jù)的獲取規(guī)劃地塊的高程數(shù)據(jù)主要是根據(jù)道路與管道規(guī)劃等相關內容進行設計，在總規(guī)設計層次，可以從道路或者管道的交叉結點獲得初步的設計高程，并按道路或管道的坡度獲得相應地塊邊界的高程，以提高規(guī)劃地塊高程信息的豐富度。4.2操作要點4.2.1為規(guī)劃地塊邊界輸入高程在給規(guī)劃地塊邊界輸入高程時有兩個操作要點，一個是需要將規(guī)劃地塊的坐標與原始地塊的坐標一致，這樣才能保證后期進行表面差異分析計算土方量的準確性；二是需要在GIS編輯狀態(tài)下按邊界的結點依次輸入設計高程，該過程是運用ArcGIS計算土方量的關鍵步驟，也是工作量最大的。4.2.2創(chuàng)建規(guī)劃地表面創(chuàng)建規(guī)劃地塊TIN模型首先需要把

22、規(guī)劃范圍內的原始高程刪除，包括高程點與高程線，然后結合規(guī)劃地塊邊界更新原始地表面。該過程在GIS中操作會產(chǎn)生一定的誤差，因為GIS在描繪規(guī)劃用地邊界時無法捕捉邊界，因此可以在CAD中以規(guī)劃范圍為邊界，清除邊界以內的原始高程點與等高線，再導入GIS中結合規(guī)劃地塊創(chuàng)建規(guī)劃地表面模型。第五章 ArcGIS計算土方量的優(yōu)點和不足5.1 ArcGIS計算土方量的優(yōu)點通過以上實驗可以看出，應用ArcGIS計算挖填土方量有以下幾點優(yōu)勢：（1）邏輯思維清晰，過程簡單，速度快，自動化程度較高。先進的測繪技術可在短時間內活動豐富的高程數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方式無法利用這些數(shù)據(jù)進行更加精確的計算，而ArcGIS可靈活的運用這些

23、數(shù)據(jù)進行操作。（2）省去了由離散點到網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)轉換過程。ArcGIS直接利用精度高于內插網(wǎng)格點的離散點進行三角網(wǎng)的建立，創(chuàng)建逼真的三維地形模型。（3）TIN的邊長靈活，而較傳統(tǒng)方法則是以邊長較為固定且位于水平位置的四邊形來擬合真實地形，相比之下，ArcGIS創(chuàng)建的TIN模型更能真實反映地形地貌的狀況。因此，無論是從數(shù)據(jù)來源還是計算模型上看，應用ArcGIS來進行土方量的計算，精度較高，成果較可靠。（4）在高差較大或者復雜的微丘地形當中，只需在ArcGIS輸入設計高程，創(chuàng)建原始地表面與規(guī)劃地表面即可計算其開挖與回填的土方量，此方法還能將結果在ArcScene中實現(xiàn)土方模型三維化，形象逼真（圖5

24、.1）。 (a) （b） (c)圖5.1 ArcGIS土方量計算TIN模型5.1 ArcGIS計算土方量的不足在實驗的操作過程中，ArcGIS也存在如下幾點問題：（1）應用ArcGIS清除規(guī)劃邊界內的原始高程點與等高線，劃定清除邊界時，無法捕捉規(guī)劃邊界，容易造成誤刪邊界或者原始高程數(shù)據(jù)殘留，對于創(chuàng)建規(guī)劃地塊TIN模型造成一定影響。清除原始高程數(shù)據(jù)需結合CAD進行可使計算結果更為準確。（2）在ArcGIS中給規(guī)劃邊界輸入設計高程時需按邊界結點依次輸入，該過程未能實現(xiàn)智能化，需要花費較長時間。如果僅僅是對于某一開發(fā)建設地塊，設計高程點數(shù)據(jù)較少，任務并不繁重；但如果應用到較大面積，并且分成許多地塊，

25、像試驗中對某某鎮(zhèn)的總體規(guī)劃進行評價，則其對于設計高程點智能輸入有較大需求。結 論在本文中應用ArcGIS對某某鎮(zhèn)新一輪總體規(guī)劃的填挖土方量進行計算取得較好的結果，對于其微丘地形土方工程最重要的一點就是實現(xiàn)挖方與填方的平衡，從計算的結果表明新一輪的總體規(guī)劃對于土地平整工程中的成本投入處于可接受的范圍，并且對于多余的挖方可通過其他形式利用進行消化。本次實驗表明，將ArcGIS對于土方量計算的功能擴大到總規(guī)層次，可對總體規(guī)劃的合理性進行評價。但由于面積的擴大其也會帶來相應的問題，譬如設計高程點的輸入比較繁瑣，清除規(guī)劃范圍內的原始高程存在誤差。畢竟ArcGIS的編輯功能是短板，但對于數(shù)據(jù)的可識別范圍以

26、及數(shù)據(jù)的轉換有很大的優(yōu)勢，因此將CAD、Sketch up等數(shù)據(jù)編輯軟件與ArcGIS結合能使ArcGIS應用在更加廣闊的范圍里，發(fā)揮更強的分析運算能力。本次實驗也存在一定的誤差，新規(guī)劃地表面中未能將規(guī)劃保留區(qū)域保存，主要因為現(xiàn)狀保留區(qū)的范圍沒有明確，而總體規(guī)劃中的設計高程會改變保留區(qū)域的地形，因此在本次實驗中未出現(xiàn)不需進行填挖方的區(qū)域，只有開挖區(qū)與回填區(qū)，該實驗結果對評價有一定的誤差影響。若需減小該誤差，則需要對數(shù)據(jù)進行多次轉換與篩選，其對于ArcGIS有更高的操作需求。參 考 文 獻 1 陳朝霞，吳向南，朱記偉，馬斌. 基于ArcGIS 的土地開發(fā)整理挖填土方量計算研究及應用J.測繪與空間地理信息，2015，38（2）：63-65.2 沈百玲. ArcGIS server體系結構和開發(fā)簡介R. 北京：ESRI中國(北京)有限公司，2004.3 張成才，成昆等. GIS 空間分析理論與方法M. 武漢：武漢大學出版社， 2004.4 陳正威，李兆