基于arcgisgeov的變電站挖填方量計(jì)算可行性分析

基于arcgisgeov的變電站挖填方量計(jì)算可行性分析

在不同的建設(shè)項(xiàng)目領(lǐng)域，土地平整是一個(gè)重要的組成部分，尤其是土壤回填量，這是影響項(xiàng)目成本的主要因素。在變電站土建設(shè)計(jì)過程中,當(dāng)涉及到復(fù)雜的地形時(shí),土方量的成本計(jì)算往往是影響投資估算的重要因子。因此,快速準(zhǔn)確的土方量計(jì)算對開展設(shè)計(jì)和控制成本均有非常重要的意義。目前,常用的計(jì)算土方量方法有斷面法、方格網(wǎng)法、散點(diǎn)法和表格法。斷面法主要適用于山地及高差比較大的地形,但計(jì)算較為繁瑣,野外工作量大;方格法適合于平坦地區(qū),其計(jì)算模型簡單,易于實(shí)現(xiàn)和操作,但精度不高;散點(diǎn)法適用于高差變化比較均勻,地形不太復(fù)雜的地區(qū);表格法測算范圍不受地形限制,但算法較繁瑣且效率不高。近年來,隨著遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展,ArcGIS軟件憑借其強(qiáng)大的空間分析功能在計(jì)算土方量方面得到應(yīng)用。尤其是利用地統(tǒng)計(jì)分析方法,由高程樣本點(diǎn)插值生成擬合地表表面,進(jìn)而計(jì)算土方量,在一定程度上計(jì)算精度和效率都得到較大提高。該方法在凈水廠、土地整理項(xiàng)目等方面得到成功應(yīng)用,并取得了理想的預(yù)測結(jié)果。但目前為止,利用地統(tǒng)計(jì)分析方法在變電站的設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用較少。鑒于此,筆者嘗試?yán)肁rcGIS軟件并基于地統(tǒng)計(jì)分析方法來模擬預(yù)測地表高程及計(jì)算土方量,并將其應(yīng)用到延川110kV文安驛變電站中,以期為土建設(shè)計(jì)工作作貢獻(xiàn),進(jìn)而說明利用ArcGIS軟件計(jì)算土方量在變電站設(shè)計(jì)中的可行性。1cif群地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)是數(shù)學(xué)地質(zhì)領(lǐng)域中一門發(fā)展迅速且有著廣泛應(yīng)用前景的新興科學(xué)。它以具有空間分布特點(diǎn)的區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ),借助于變異函數(shù),研究某種屬性空間變異、空間結(jié)構(gòu)、空間分布特征和變化趨勢的一種空間統(tǒng)計(jì)分析方法。地理信息系統(tǒng)(Geographicinformationsystem,簡稱GIS)是對地理空間信息進(jìn)行描述、采集、處理存儲(chǔ)、管理分析和應(yīng)用的一門新興學(xué)科。目前,美國ESRI公司推出的ArcGIS軟件具有集數(shù)據(jù)錄入、編輯處理、查詢分析、制圖輸出于一體的完善功能,尤其其強(qiáng)大的空間分析能力得到用戶的青睞,成為目前GIS行業(yè)中最具代表性的產(chǎn)品。近年來,隨著GIS學(xué)科的發(fā)展,GIS與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的聯(lián)系越來越緊密,其中ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊(GeostatisicalAnalyst)的出現(xiàn)為地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS架起了一座橋梁。它科學(xué)地運(yùn)用確定性方法和地統(tǒng)計(jì)方法,根據(jù)研究對象在不同坐標(biāo)位置上獲取的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)(高程點(diǎn)的矢量文件),進(jìn)行高程的建模(柵格DEM),從而準(zhǔn)確預(yù)測高程在地理景觀中的連續(xù)分布性,獲得其在任意空間位置上的高程值。2基于gps高程分帶的設(shè)計(jì)地表高程空間分布的描述關(guān)于變電站土方量的計(jì)算就是利用GPS提供不同坐標(biāo)位置離散點(diǎn)的高程信息,進(jìn)而預(yù)測整個(gè)空間區(qū)域面上的填挖量,其空間分布特征符合運(yùn)用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)特點(diǎn),這是計(jì)算土方量的基本原理所在。具體計(jì)算步驟:(1)基于變電站GPS高程離散點(diǎn)數(shù)據(jù),利用地統(tǒng)計(jì)方法插值生成基于柵格格式的原始地表高程空間分布數(shù)據(jù)圖(H1);(2)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和現(xiàn)場實(shí)際情況確定變電站設(shè)計(jì)標(biāo)高,同樣的方法生成設(shè)計(jì)地表高程空間分布數(shù)據(jù)圖(H2);(3)計(jì)算兩個(gè)高程的差(△H=H1-H2),即△H>0,為挖方區(qū);反之為填方區(qū);(4)土方量是原始地表與設(shè)計(jì)地表區(qū)域之間的體積值之差。對任意格網(wǎng)(i,j),假設(shè)格網(wǎng)面積為S,則該格網(wǎng)處的土方量為Vij=△Hij×S,分別對Vij>0和Vij<0的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加計(jì)算,即可求得該區(qū)域的挖方量和填方量。3一般圖表和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備3.1建設(shè)區(qū)地形擬建的延川110kV文安驛變電站位于陜西省延安市延川縣西南方向禹居鎮(zhèn)禹居村的農(nóng)田上。站址的地形呈西高東低、北高南低變化趨勢,其中南北向高差約20m。東側(cè)為規(guī)劃籌建的延川縣20萬t/aLNG液化站,西南北三側(cè)為農(nóng)田,北側(cè)靠近山體。擬建站區(qū)內(nèi)有通訊電纜兩條和墳?zāi)谷?需遷移,再無其他障礙性建筑物。該場地空曠,便于110kV出線,并處于負(fù)荷中心,適宜修建110kV變電站。3.2gps高程測量對變電站進(jìn)行選址時(shí),利用南方測繪全球定位系統(tǒng)(GPS)儀器對200m×200m范圍的地形進(jìn)行測量,得到了281個(gè)離散點(diǎn)的高程數(shù)據(jù),在ArcGIS軟件支持下,建立了高程點(diǎn)的矢量圖層。4基于土地分析的土壤體積計(jì)算方法4.1訓(xùn)練含檢測算子的比例首先,利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊下的生成數(shù)據(jù)集工具,通過滑塊設(shè)置訓(xùn)練子集和檢驗(yàn)子集的比例。筆者采用的比例為80%,即訓(xùn)練子集的樣本數(shù)為224個(gè)點(diǎn),檢驗(yàn)子集的樣本數(shù)為57個(gè)點(diǎn),并得到樣點(diǎn)隨機(jī)分布圖(圖1)。4.2性空間數(shù)據(jù)分析獲得訓(xùn)練樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)后,首先需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,檢查數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn),分析數(shù)據(jù)的變化趨勢等。探索性空間數(shù)據(jù)分析(ExploreSpatialDataAnalyst,ESDA)模塊提供了一系列的工具來檢查數(shù)據(jù)的分布特征,對后期數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)做出更科學(xué)合理的決策。筆者利用變電站場地內(nèi)的224個(gè)訓(xùn)練樣本高程點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析及擬合表面,即對數(shù)據(jù)的分布檢查和數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn)行分析。4.2.1基于正態(tài)抓出點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布特征當(dāng)數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布時(shí),利用克里格插值法生成表面的效果最佳。因而了解高程數(shù)據(jù)的分布狀況對創(chuàng)建空間區(qū)域的高程面十分重要。目前,在ArcGISGeostatisicalAnalyst工具中,主要提供了兩種檢查數(shù)據(jù)分布的方法:直方圖法和正態(tài)QQPlot圖法?；?24個(gè)高程點(diǎn),得到數(shù)據(jù)分布的直方圖及各種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值(圖2a)。從圖2a可見,樣本點(diǎn)近似成正態(tài)分布。同樣,利用正態(tài)QQPlot圖法檢查了224個(gè)樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布特征(圖2b)。圖2b表明,樣本點(diǎn)基本沿直線分布,同樣說明了樣本點(diǎn)近似服從正態(tài)分布。綜上所述,樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布特征符合使用地統(tǒng)計(jì)分析方法的前提條件。4.2.2地形因素的平面擬合趨勢分析工具可將研究區(qū)平面上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為以高度為屬性值的三維視圖,并將這些點(diǎn)按兩個(gè)方向投影到與地圖平面正交的平面上(X,Y平面),然后每個(gè)方向用一個(gè)多項(xiàng)式曲線來擬合。如圖3所示,出現(xiàn)圖中藍(lán)、綠線在Y、X方向呈下降趨勢,表明樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)存在西高東低及北高南低的變化趨勢,即在地形上表現(xiàn)為西高東低及北高南低的變化趨勢。使用趨勢分析這一工具來分析樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化走向,可為后續(xù)的表面擬合提供客觀的參考依據(jù),使擬合的結(jié)果具有更大的可信度。4.3基于普通菲爾德格插值法的高程預(yù)測普通克里格法是根據(jù)待插值高程點(diǎn)與臨近實(shí)測高程點(diǎn)的空間位置,對待插值點(diǎn)的高程值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì),生成一個(gè)關(guān)于高程的克里格插值圖,進(jìn)而得到表示研究區(qū)域的原始地形。公式為:Z(xO)=ni=ue10d1λiZ(xi)。式中,Z(xO)為預(yù)測點(diǎn)的高程值(m);Z(xi)為第i點(diǎn)處采集的樣本點(diǎn)實(shí)測高程值(m);n=224(樣本點(diǎn)個(gè)數(shù));λi為分配給每個(gè)實(shí)測樣本高程點(diǎn)的權(quán)重。普通克里格法不僅考慮待測樣點(diǎn)與臨近實(shí)測樣本點(diǎn)的距離,同時(shí)也考慮了各臨近實(shí)測樣本點(diǎn)彼此間的空間位置分布關(guān)系。這一特征是其他插值方法所欠缺的,如反距離加權(quán)法等。相比傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法,普通克里格法在地統(tǒng)計(jì)意義上具有更好的空間真實(shí)性?；贏rcGISGeostatisicalAnalyst模塊中的統(tǒng)計(jì)分析向?qū)еС窒?根據(jù)采集的224個(gè)樣本點(diǎn)高程數(shù)據(jù)基于普通克里格插值法得到了高程預(yù)測圖(圖4a)。利用實(shí)際測量值和預(yù)測值進(jìn)行相關(guān)性分析在一定程度上可評價(jià)模型的適用性?；贏rcGIS空間分析模塊,提取57個(gè)檢驗(yàn)樣本點(diǎn)預(yù)測高程值,并建立了實(shí)測值和預(yù)測值的關(guān)系,得到兩者的復(fù)相關(guān)系數(shù)r2=0.96(圖4b),由此驗(yàn)證了普通克里格插值法在預(yù)測高程方面的適用性,為后面變電站的土方量計(jì)算奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。4.4基于dem的分層填方空間結(jié)合電氣部門提供的電氣總平面布置方案,變電站的規(guī)模為88m×90m,從而得到變電站的邊界。在ArcGIS空間分析下,裁剪了變電站的高程圖,如圖5所示。從圖5可知,變電站的高程介于673.5~688.5m之間,在地形上表現(xiàn)為西高東低及北高南低的變化趨勢,總體表現(xiàn)為西北-東南降低的趨勢,與前面的趨勢分析的結(jié)果相一致。在計(jì)算設(shè)計(jì)地面高程時(shí),需根據(jù)具體情況和施工要求,并使建立的設(shè)計(jì)地表遵循一定的施工原則。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和站區(qū)排水通暢,確定了變電站設(shè)計(jì)標(biāo)高(677m)?；谏鲜龇治龇椒?生成設(shè)計(jì)地表DEM空間分布數(shù)據(jù)圖(圖6)。根據(jù)前面介紹的土方量的計(jì)算操作流程,利用ArcGIS空間分析模塊中的Cut/Fill工具,進(jìn)行了變電站挖填方計(jì)算,得到了填挖方空間分布圖(圖7)。從圖7可知,站區(qū)主要為挖方區(qū),面積為7684m2,占整個(gè)研究區(qū)面積的97%。根據(jù)生成的柵格圖屬性表值,分別對其中的正負(fù)數(shù)值進(jìn)行累加,得到了變電站區(qū)的挖填方量。經(jīng)計(jì)算得出,站區(qū)需挖土約42000m3,填土為300m3。5模型建立與驗(yàn)證土方量一直是變電站土建設(shè)計(jì)的重要組成部分,對變電站的投資預(yù)算具有較大的影響,因而快速準(zhǔn)確的土方量計(jì)算成為土建設(shè)計(jì)的重