土方幾種算法

1、內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院GIS專業(yè)2009級(jí)畢業(yè)論文目錄摘要 1關(guān)鍵詞 1引言 11 土方量計(jì)算的基本方法11.1 網(wǎng)格法 11.2 斷面法11.3 高程線法11.4 不規(guī)則三角網(wǎng)法21.5 ArcGIS空間疊加計(jì)算法22 土方計(jì)算方法和軟件操作過程22.1 網(wǎng)格法22.1.1 網(wǎng)格法計(jì)算原理22.1.2 運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行網(wǎng)格法土方量計(jì)算的過程.32.2 斷面法42.2.1 斷面法計(jì)算原理42.2.2 運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行斷面法土方計(jì)算的操作步驟 42.3 高程線法 102.3.1 高程線法計(jì)算原理 102.3.2 運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行等高線法土方計(jì)算的操作步驟102.4 不規(guī)則三

2、角網(wǎng)法 122.4.1 不規(guī)則三角網(wǎng)法計(jì)算原理 122.4.2 運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)法土方計(jì)算的操作過程122.5 ArcGIS空間疊加計(jì)算法162.5.1 ArcGIS空間疊加法的計(jì)算原理 162.5.2 ArcGIS軟件計(jì)算土方的操作過程163 結(jié)果與對(duì)比分析204結(jié)語21致謝 22參考文獻(xiàn)23附錄2424土方計(jì)算方法對(duì)比分析Comparative Analysis of the Earthwork Calculation Method摘要：土方計(jì)算一直是土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其在城區(qū)建設(shè)，道路橋梁工程等土地建設(shè)中對(duì)開展規(guī)劃設(shè)計(jì)，成本預(yù)算，資金分配等起到重要作用。本文是

3、以土方計(jì)算原理結(jié)合CASS軟件和ArcGIS軟件對(duì)幾種土方計(jì)算方法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)不同土方計(jì)算方法的分析，研究其實(shí)用價(jià)值和適用范圍，已達(dá)到更快捷更精確更方便的解決不同地形土方計(jì)算的問題。Abstract:The Earthwork Calculation,an important content of the land consolidation planning and design,plays a significant role in construction of urban construction, road and bridge engineering land to c

4、arry out planning and design, cost estimates, and the allocation of funds.This article is based on earthwork calculation principle, combined with CASS software and ArcGIS software compared the results of several earthwork calculation method,to solve the problem of different terrains earthwork calcul

5、ation faster and more accurate and more convenient through analysis of different earthwork calculation method and research the value and application range.關(guān)鍵詞：不規(guī)則三角網(wǎng)，數(shù)字高程模型；疊加分析；土方量Keywords: Triangulated Irregular Network, Digital Elevation Model,Overlay Analysis,Earthwork Volume引言：如今經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，土地建設(shè)項(xiàng)目多如

6、牛毛，因此土方計(jì)算在對(duì)工程成本預(yù)算，輔助決策，最優(yōu)方案選上，起到重大作用。特別是大型建設(shè)項(xiàng)目的場(chǎng)地平整，土方工程量可達(dá)數(shù)百立方米以上。本文對(duì)計(jì)算土方量的幾種方法原理的講述和利用CASS軟件和ArcGIS軟件計(jì)算土方量的具體步驟及實(shí)力計(jì)算從而得出，網(wǎng)格法，斷面法，等高線法和不規(guī)則三角網(wǎng)法。的優(yōu)缺點(diǎn)。1 土方計(jì)算的基本方法1.1 網(wǎng)格法 格網(wǎng)法常用于土石方估算，適于地形起伏較小，坡度變化平緩的場(chǎng)地，網(wǎng)格法就是將場(chǎng)地劃分為若干個(gè)具有一定間距的正方形方格。在格網(wǎng)點(diǎn)測(cè)定點(diǎn)位高程,對(duì)每一格網(wǎng)面按四角高程的平均值計(jì)算土方挖填方宜分別冠以“ - ”“ + ”號(hào)以示區(qū)別,然后分別計(jì)算每一方格的挖填土方并匯總，最

7、后獲得填挖方量。1.2 斷面法 斷面法適用于地形變化較大，場(chǎng)地狹窄的帶狀地區(qū)。沿場(chǎng)地ABCD中央設(shè)一軸線U，每隔一定距離設(shè)橫斷面 11,22等。間距越小 ，土石方的計(jì)算精度就越高。按等高線法確定場(chǎng)地的地面高程H，然后安設(shè)計(jì)坡度確定每一斷面處的設(shè)計(jì)高程和實(shí)地高程之差繪制地形圖。1.3 等高線法等高線法適用于地面起伏較大，坡度變換較多的場(chǎng)地，在地形圖精確度較高時(shí)更為實(shí)用。其可計(jì)算任兩條等高線之間的土方量,但一般情況下計(jì)算時(shí)等高線必須閉合,如等高線不閉合,可以先離散化等高線后再進(jìn)行計(jì)算。由兩條等高線所圍面積可求,兩條等高線之間的高差已知,可求出這兩條等高線之間的土方量。1.4不規(guī)則三角網(wǎng)法( TIN

8、)數(shù)字地面模型(DTM)計(jì)算土方量是利用實(shí)測(cè)地形碎部點(diǎn)、特征點(diǎn)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng),對(duì)計(jì)算區(qū)域按三棱柱法計(jì)算土方,最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量。其實(shí)質(zhì)就是在坐標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立不規(guī)則三角網(wǎng)( TIN)后，計(jì)算三角網(wǎng)中每個(gè)三棱柱的土方量，匯總再計(jì)算總土方量。1.5ArcGIS空間疊加計(jì)算法 ArcGIS將設(shè)計(jì)面和原地面生成TIN，轉(zhuǎn)成可處理的柵格數(shù)據(jù)（DEM）利用空間疊加計(jì)算，及算出填挖方。2土方量計(jì)算方法和軟件操作過程 2.1網(wǎng)格法2.1.1 網(wǎng)格法土方計(jì)算原理該方法是將場(chǎng)地分為若干個(gè)方格，用實(shí)測(cè)等方法獲得每個(gè)方格角點(diǎn)的自然標(biāo)高，再由給出的設(shè)計(jì)標(biāo)高，根據(jù)兩個(gè)標(biāo)高的差值得出各個(gè)交的施工高度，

9、從而算出挖填方。習(xí)慣用“+”表示填方，”-”表示挖方。一般方法為：測(cè)出方格網(wǎng)點(diǎn)的標(biāo)高，計(jì)算方格的平均標(biāo)高H及面積S，平均標(biāo)高的算法有多種如（1）算術(shù)平均法。將格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)高程相加求和再除以點(diǎn)數(shù)為平均標(biāo)高。（2）加權(quán)平均法。將各格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)高程相加求和再除以點(diǎn)數(shù)得出平均標(biāo)高，再將每個(gè)網(wǎng)格的平均標(biāo)高相加求和再除以網(wǎng)格數(shù)就為該網(wǎng)格的加權(quán)平均標(biāo)高。 H平均=式中：H平均為各方格網(wǎng)點(diǎn)的加權(quán)平均值；Hi為各方格網(wǎng)點(diǎn)的高程；Pi為各方格網(wǎng)點(diǎn)的權(quán)；n為方格網(wǎng)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。（3）用所得的加權(quán)平均標(biāo)高乘以網(wǎng)格的底面積得出土方量。V=H平均×SV為土方量。2.1.2 運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行網(wǎng)格法土方量計(jì)算

10、的過程 （1） 用閉合線畫出區(qū)域（2） 在cass7.0中打開工程應(yīng)用選項(xiàng)中網(wǎng)格法計(jì)算土方（如圖1所示）圖1（設(shè)置平場(chǎng)標(biāo)高）網(wǎng)格法計(jì)算土方，可以是平面，斜面還可以是三角網(wǎng)。（3） 單機(jī)確定，命令行會(huì)顯示：總填方，總挖方等數(shù)據(jù)；并繪出所分析的方格網(wǎng)，填挖方界限及每個(gè)方格每行每列的填挖方數(shù)據(jù)。（如圖2所示）圖2（土方計(jì)算結(jié)果）2.2 斷面法2.2.1斷面法計(jì)算原理 在地圖上或碎步測(cè)量的平面圖上，根據(jù)土方計(jì)算的范圍，以一定間距等分場(chǎng)地，將場(chǎng)地分為若干個(gè)相互平行的橫切面，按照高程與地面線所組成的斷面圖，將取每一個(gè)斷面劃分成若干個(gè)三角形和梯形，計(jì)算每條斷面線圍成的面積以相鄰兩個(gè)斷面的面積乘以等分的間距，

11、求出兩個(gè)斷面之間的體積，再將各個(gè)體積相加從而求出總體積。兩個(gè)斷面間體積公式為： V=½（A1+A2）LV為斷面間體積，A1，A2為兩個(gè)斷面的面積，L為斷面間的距離。2.2.2運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行斷面法土方計(jì)算的操作步驟.（1）生成里程文件1）在工程應(yīng)用下選擇生成里程文件再選擇由縱斷面線生成中的新建選項(xiàng)。（如圖3所示） 圖3（新建成里程文件）選擇中樁點(diǎn)獲取方式為等分，橫斷面間距為20米，橫斷面左右長(zhǎng)度為20米，單擊確定。（如圖4所示） 圖4（設(shè)置中樁點(diǎn)獲取方式及寬度）設(shè)置場(chǎng)地的寬度，橫斷面的間距，單擊確定完成新建。2）在工程應(yīng)用下選擇生成里程文件再選擇由縱斷面線生成中的生成選項(xiàng)。（如

12、圖5所示） 圖5（生成里程文件）設(shè)置好高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件名，選好文件生成路徑及名稱，單擊確定。（如圖6所示） 圖6（里程文件生成設(shè)置）3）查看生成的里程文件。（如圖7所示） 圖7（查看里程文件）（2）生成斷面 1）在工程應(yīng)用中選擇斷面法土方計(jì)算中的任意斷面。（如圖8所示） 圖8（選擇任意斷面計(jì)算土方）2）選擇里程文件，設(shè)置中樁高程，單擊確定。（如圖9所示） 圖9（設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)）3）選擇好繪制斷面圖的位置。（如圖10所示 ）圖10（設(shè)置縱斷面圖的位置）4）點(diǎn)擊工程應(yīng)用，選中其中的斷面法土方計(jì)算中的圖面土方計(jì)算（圖11） 圖11（準(zhǔn)備計(jì)算圖面上的土方）4）繪制出斷面圖（如圖12所示） 圖12（選擇位置

13、繪制縱斷面圖）(1)根據(jù)斷面圖算土方，在工程應(yīng)用下的斷面土方計(jì)算中選擇圖面土方計(jì)算。1） 在工程應(yīng)用下選擇斷面法土方計(jì)算中的土方量計(jì)算。（如圖13所示） 圖13 （3）選中斷面并選擇表格適當(dāng)?shù)奈恢脝螜C(jī)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)土方量表格。（如圖14所示） 圖14（得出計(jì)算結(jié)果表格） 2.3等高線法2.3.1等高線法的計(jì)算原理利用繪制好等高線的地形圖，計(jì)算等高線所圍成的面積，再根據(jù)兩條相鄰的等高線的高差按以下公式計(jì)算土方量 V=½（S1+S2）h式中：S1，S2為相鄰兩等高線所圍成的面積；h為兩相鄰等高線間的高差；V為兩等高線之間土方量。2.3.2 運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行等高線法土方計(jì)算的操作步驟（

14、1）在cass7.0中將文件生成三角網(wǎng)，在繪制等高線。再選取工程應(yīng)用中的等高線法土方計(jì)算。（如圖15所示） 圖15（先繪制出等高線的圖，然后準(zhǔn)備計(jì)算土方）（2）選取閉合的等高線，按屏幕顯示輸入最高點(diǎn)高程<直接回車不考慮最高點(diǎn)>（3）確定后屏幕彈出土方量結(jié)果。（如圖16所示）圖16（得出土方量）（4）在圖上空白區(qū)雙擊鼠標(biāo)左鍵系統(tǒng)將繪制出計(jì)算成果表格（如圖十五所示）圖17（繪制出填挖方表格）從而可得出相鄰兩條等高線之間的土方量和計(jì)算公式等。2.4不規(guī)則三角網(wǎng)法2.4.1 不規(guī)則三角網(wǎng)法土方計(jì)算的原理 由DEM來計(jì)算土方是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)坐標(biāo)（X,Y,Z）和設(shè)計(jì)高程生成三角網(wǎng)來計(jì)算計(jì)

15、算每個(gè)三棱錐的挖方量，最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)的填挖方量，并繪制出填挖方的界限。2.4.2 運(yùn)用CASS7.0進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)法土方計(jì)算的操作過程在cass7.0中用閉合線選中區(qū)域(1）選中工程應(yīng)用/DTM法土方計(jì)算/根據(jù)坐標(biāo)文件（如圖18所示） 圖18（根據(jù)圖上高程坐標(biāo)計(jì)算土方）(2）在屏幕彈出的對(duì)話框中設(shè)置平場(chǎng)標(biāo)高。（如圖19所示）圖19區(qū)域面積：為復(fù)合線圍成的多邊形投影面積面積。平場(chǎng)標(biāo)高：設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)高程。邊界采樣間距：可設(shè)定，也可默認(rèn)為20米。邊坡設(shè)置：可因?qū)嶋H場(chǎng)地條件設(shè)定。并輸入坡度值。(3）設(shè)置好參數(shù)后確定，屏幕會(huì)顯示填挖方的量；并且圖上會(huì)繪制出三角網(wǎng)和填挖方的分界線。（如圖20，

16、21所示 ）圖20（得出土方量）圖21（查看填挖方界限）(4）關(guān)閉對(duì)話框后軟件會(huì)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)在選好的位置上單擊，系統(tǒng)會(huì)彈出表格，有平常面積，最大高程值，最小高程值，平常標(biāo)高，填挖方量及圖形。（如圖20所示） 圖22（系統(tǒng)繪制出填挖方量表格）(5）系統(tǒng)自動(dòng)生成的記事本文件。（如圖23所示） 圖23（填挖方量的詳細(xì)文件）2.5 ArcGIS空間疊加計(jì)算法2.5.1 ArcGIS計(jì)算原理ArcGIS是將原地面和設(shè)計(jì)面疊加，根據(jù)兩地面的高程差進(jìn)行填挖方計(jì)算。從而得出填挖方量，并能夠做到可視化。2.5.2ArcGIS軟件計(jì)算土方的操作過程（1）在ar

17、cGIS10.0的arctoolbox打開3D analyst工具選中TIN管理中的創(chuàng)建TIN。將輸入要素中添加原地面的線要素和點(diǎn)要素并將線要素的SF_type改為硬斷線，給予輸出名。（如圖24所示） 圖24（選中點(diǎn)圖層和面圖層）（2）單擊確定系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建TIN并自動(dòng)加載到頁面上。用同種做法將設(shè)計(jì)面也轉(zhuǎn)換為TIN（如圖25所示） 圖25（生成的TIN圖像）（3）為了便于土方量的計(jì)算需要將TIN文件轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。在工具欄選中3Danaiyst工具中的轉(zhuǎn)換工具，打開轉(zhuǎn)換工具后，選擇由Tin轉(zhuǎn)出工具中的Tin轉(zhuǎn)柵格工具，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（如圖26所示）圖26（DEM圖像）（4）在工具欄中選擇Spatial

18、 Analyst工具下的表面分析工具中的填挖方工具。進(jìn)行兩個(gè)柵格數(shù)據(jù)的疊加計(jì)算，從而算出土方量。（如圖27，28所示） 圖27(將設(shè)計(jì)面和原地面兩個(gè)圖層選中) 圖28（生成的填挖方圖像）（5）圖上藍(lán)色為填方部分，紅色為挖方部分，灰色為不變部分。打開屬性變可見填挖方的表格。（如圖29所示） 圖29（查看填挖方圖像屬性表）3 結(jié)果與對(duì)比分析3.1結(jié)果對(duì)比土方計(jì)算方法總挖方量總填方量網(wǎng)格法23550.32338.2斷面法23791.92563.8高程線法185.7不規(guī)則三角網(wǎng)法24702.22768.4利用Arcgis的三角網(wǎng)法24613.62645.73.2結(jié)果分析(1)格網(wǎng)法操作簡(jiǎn)單，內(nèi)容直觀，

19、可增強(qiáng)測(cè)量計(jì)算的透明度，方格網(wǎng)法計(jì)算土方的誤差主要來源于方格頂點(diǎn)高程的測(cè)量誤差，場(chǎng)地面積的求積誤差等，同時(shí)也跟方格網(wǎng)的邊長(zhǎng)有關(guān)，邊長(zhǎng)越短誤差越小。同時(shí)也和地形的高差有關(guān)，高差越大誤差越大。(2)斷面法適用于狹長(zhǎng)的場(chǎng)地進(jìn)行平整測(cè)量，特別是線路的土方測(cè)量。該方法是采用相鄰兩斷面的面積和兩面的間距算土方量，所以間距越小誤差越小。外業(yè)操作相對(duì)復(fù)雜,工作量大, 斷面對(duì)地面描述不連續(xù), 精度也難以保證。(3)等高線法從實(shí)地直接傳入計(jì)算機(jī)，不經(jīng)過人工參與，可減少出錯(cuò)率。精度高，計(jì)算快捷，適用于任何地形。適用于地形起伏較大，坡度較平均的場(chǎng)地，并且可以生成足夠閉合的等高線，否則精度無法保障。(4)不規(guī)則三角網(wǎng)法

20、從實(shí)地直接以數(shù)據(jù)的形式傳入計(jì)算機(jī)，不經(jīng)過人工參與，可減少出錯(cuò)率。精度高，計(jì)算快捷，適用于任何地形。另外DEM能夠計(jì)算設(shè)計(jì)面是水平面，傾斜面，不規(guī)則面等的土方量。(5)AcrGIS空間疊加法是利用設(shè)計(jì)面和原地面疊加進(jìn)行計(jì)算，所以計(jì)算誤差較小。圖像可視化程度比較高 ，土方的填挖方量分界比較明顯。但是，操作對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求比較高，而且社會(huì)接受能力還比較弱。4結(jié)語：在幾種土方計(jì)算方法中每種算法都有適合的場(chǎng)地，但是隨著科技的發(fā)展發(fā)展，計(jì)算方法技術(shù)的進(jìn)步，以及軟件的輔助，有些方法逐漸被淘汰，土方計(jì)算方法也逐漸被軟件淡化?？傮w來說，越新的方法，越新的軟件，計(jì)算精度就越高，方法越簡(jiǎn)便，就會(huì)越適應(yīng)地形。致謝畢業(yè)論文就要寫完了，要感謝我的指導(dǎo)老師李老師，在論文中，老師給我提出了很多寶貴意見，認(rèn)真地指導(dǎo)我完成了整個(gè)論文內(nèi)容，是我的畢業(yè)論文順利完成。李老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，平易近人，在論文的寫作過程中也給了我很多