土方的幾種算法

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

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

3、以土方計算原理結(jié)合CASS軟件和ArcGIS軟件對幾種土方計算方法所得結(jié)果進(jìn)行對比，通過對不同土方計算方法的分析，研究其實用價值和適用范圍，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)濟發(fā)展快速，土地建設(shè)項目多如

6、牛毛，因此土方計算在對工程成本預(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)項目的場地平整，土方工程量可達(dá)數(shù)百立方米以上。本文對計算土方量的幾種方法原理的講述和利用CASS軟件和ArcGIS軟件計算土方量的具體步驟及實力計算從而得出，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。1 土方計算的基本方法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，坡度變化平緩的場地，網(wǎng)格法就是將場地劃分為若干個具有一定間距的正方形方格。在格網(wǎng)點測定點位高程,對每一格網(wǎng)面按四角高程的平均值計算土方挖填方宜分別冠以“ - ”“ + ”號以示區(qū)別,然后分別計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，場地狹窄的帶狀地區(qū)。沿場地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 ，土石方的計算精度就越高。按等高線法確定場地的地面高程H，然后安設(shè)計坡度確定每一斷面處的設(shè)計高程和實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，坡度變換較多的場地，在地形圖精確度較高時更為實用。其可計算任兩條等高線之間的土方量,但一般情況下計算時等高線必須閉合,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)計算土方量是利用實測地形碎部點、特征點進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng),對計算區(qū)域按三棱柱法計算土方,最后累計得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量。其實質(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，計算三角網(wǎng)中每個三棱柱的土方量，匯總再計算總土方量。1.5ArcGIS空間疊加計算法 ArcGIS將設(shè)計面和原地面生成TIN，轉(zhuǎn)成可處理的柵格數(shù)據(jù)（DEM）利用空間疊加計算，及算出填挖方。2土方量計算方法和軟件操作過程 2.1網(wǎng)格法2.1.1 網(wǎng)格法土方計算原理該方法是將場地分為若干個方格，用實測等方法獲得每個方格角點的自然標(biāo)高，再由給出的設(shè)計標(biāo)高，根據(jù)兩個標(biāo)高的差值得出各個交的施工高度，

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：測出方格網(wǎng)點的標(biāo)高，計算方格的平均標(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)的四個角點高程相加求和再除以點數(shù)為平均標(biāo)高。（2）加權(quán)平均法。將各格網(wǎng)的四個角點高程相加求和再除以點數(shù)得出平均標(biāo)高，再將每個網(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)點的加權(quán)平均值；Hi為各方格網(wǎng)點的高程；Pi為各方格網(wǎng)點的權(quán)；n為方格網(wǎng)點的個數(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 運用CASS7.0進(jìn)行網(wǎng)格法土方量計算

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)用選項中網(wǎng)格法計算土方（如圖1所示）圖1（設(shè)置平場標(biāo)高）網(wǎng)格法計算土方，可以是平面，斜面還可以是三角網(wǎng)。（3） 單機確定，命令行會顯示：總填方，總挖方等數(shù)據(jù)；并繪出所分析的方格網(wǎng)，填挖方界限及每個方格每行每列的填挖方數(shù)據(jù)。（如圖2所示）圖2（土方計算結(jié)果）2.2 斷面法2.2.1斷面法計算原理 在地圖上或碎步測量的平面圖上，根據(jù)土方計算的范圍，以一定間距等分場地，將場地分為若干個相互平行的橫切面，按照高程與地面線所組成的斷面圖，將取每一個斷面劃分成若干個三角形和梯形，計算每條斷面線圍成的面積以相鄰兩個斷面的面積乘以等分的間距，

11、求出兩個斷面之間的體積，再將各個體積相加從而求出總體積。兩個斷面間體積公式為： V=½（A1+A2）LV為斷面間體積，A1，A2為兩個斷面的面積，L為斷面間的距離。2.2.2運用CASS7.0進(jìn)行斷面法土方計算的操作步驟.（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。（如圖3所示） 圖3（新建成里程文件）選擇中樁點獲取方式為等分，橫斷面間距為20米，橫斷面左右長度為20米，單擊確定。（如圖4所示） 圖4（設(shè)置中樁點獲取方式及寬度）設(shè)置場地的寬度，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。（如

12、圖5所示） 圖5（生成里程文件）設(shè)置好高程點數(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算中的任意斷面。（如圖8所示） 圖8（選擇任意斷面計算土方）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）點擊工程應(yīng)用，選中其中的斷面法土方計算中的圖面土方計算（圖11） 圖11（準(zhǔn)備計算圖面上的土方）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)用下的斷面土方計算中選擇圖面土方計算。1） 在工程應(yīng)用下選擇斷面法土方計算中的土方量計算。（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，系統(tǒng)會出現(xiàn)土方量表格。（如圖14所示） 圖14（得出計算結(jié)果表格） 2.3等高線法2.3.1等高線法的計算原理利用繪制好等高線的地形圖，計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 運用CASS7.0進(jìn)行等高線法土方計算的操作步驟（

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算。（如圖15所示） 圖15（先繪制出等高線的圖，然后準(zhǔn)備計算土方）（2）選取閉合的等高線，按屏幕顯示輸入最高點高程<直接回車不考慮最高點>（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)法土方計算的原理 由DEM來計算土方是根據(jù)實地測定的地面點坐標(biāo)（X,Y,Z）和設(shè)計高程生成三角網(wǎng)來計算計

15、算每個三棱錐的挖方量，最后累計得到指定范圍內(nèi)的填挖方量，并繪制出填挖方的界限。2.4.2 運用CASS7.0進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)法土方計算的操作過程在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)計算土方）(2）在屏幕彈出的對話框中設(shè)置平場標(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。平場標(biāo)高：設(shè)計要求的目標(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，屏幕會顯示填挖方的量；并且圖上會繪制出三角網(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)閉對話框后軟件會提示：請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空間疊加計算法2.5.1 ArcGIS計算原理ArcGIS是將原地面和設(shè)計面疊加，根據(jù)兩地面的高程差進(jìn)行填挖方計算。從而得出填挖方量，并能夠做到可視化。2.5.2ArcGIS軟件計算土方的操作過程（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（選中點圖層和面圖層）（2）單擊確定系統(tǒng)會創(chuàng)建TIN并自動加載到頁面上。用同種做法將設(shè)計面也轉(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)行兩個柵格數(shù)據(jù)的疊加計算，從而算出土方量。（如圖27，28所示） 圖27(將設(shè)計面和原地面兩個圖層選中) 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)果與對比分析3.1結(jié)果對比土方計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)法操作簡單，內(nèi)容直觀，

19、可增強測量計算的透明度，方格網(wǎng)法計算土方的誤差主要來源于方格頂點高程的測量誤差，場地面積的求積誤差等，同時也跟方格網(wǎng)的邊長有關(guān)，邊長越短誤差越小。同時也和地形的高差有關(guān)，高差越大誤差越大。(2)斷面法適用于狹長的場地進(jìn)行平整測量，特別是線路的土方測量。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)操作相對復(fù)雜,工作量大, 斷面對地面描述不連續(xù), 精度也難以保證。(3)等高線法從實地直接傳入計算機，不經(jīng)過人工參與，可減少出錯率。精度高，計算快捷，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、從實地直接以數(shù)據(jù)的形式傳入計算機，不經(jīng)過人工參與，可減少出錯率。精度高，計算快捷，適用于任何地形。另外DEM能夠計算設(shè)計面是水平面，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)計面和原地面疊加進(jìn)行計算，所以計算誤差較小。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，操作對計算機硬件要求比較高，而且社會接受能力還比較弱。4結(jié)語：在幾種土方計算方法中每種算法都有適合的場地，但是隨著科技的發(fā)展發(fā)展，計算方法技術(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，計算精度就越高，方法越簡便，就會越適應(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