利用ArcGis 空间分析扩展的二次运用计算土方量的方法
作者:张建妹时间:2016-01-19 14:46:31 来源:www.ksfbw.com 阅读次数:2204次 ]
【内容摘要】：土方量的计算一直是土地平整工程中的重点与难点, 对项目投资的影响较大, 因而准确、快速的计算土方量一直是近几年土地整理项目中的研究热点。GIS 技术在土地整理中的运用经过多年的探索, 其ArcGIS Geostatisical Analyst 工具土方计算中不断被运用，本文在前人努力的基础上进行再深入开发运用, 通过研究理论， 形成独特的计算土方量的方法, 在计算精度、计算效率与设计成图上都有了显著提高与改善。通过该方法可直接用于土地整理的设计、施工与成果验收。
【关键词】: 新增耕地 土方量 ArcGis 空间分析 土地整理 二次运用
土地整理是指通过采取各种措施，对田、水、路、林、村综合整治，提高耕地质量，增加有效耕地面积，改善农业生态条件和生态环境的行为。随着建设用地的不断增加，而未利用地越来越少，要实现占补平衡指标，需通过增减挂钩，因此新增耕地的数量越发重要。而在土地整理中增加有效耕地面积的有效途径为土地平整。因快速准确的计算平整中的土方量对规划设计的开展、总投资的控制、 田块的合理规划等都有重要的作用。
土地整理中的土地平整主要内容有1. 采用工程生物措施平整土地，归并零散地块，修筑梯田，整治养殖水面，规整农村居民点用地；2. 治理沙化地、盐碱地、污染土地、改良土壤、恢复植被；3. 重新界定土地权属、地类、面积，进行土地变更调查和登记。
目前土方量计算的方法较多，传统计算方法有方格网法、梯形法（断面法）、辛卜生法（抛物线法）、等高线法等。近年来随着计算机技术的发展，一些软件被广泛地应用到土方量计算中。常用的有MAPGIS 制图计算软件、TFT 土方计算绘图软件、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、南方CASS 中的土方计算，ArcGis 空间分析扩展模块等。采用相关软件计算土方量，精度高，速度快，效率高，但其运算原理，与传统计算方法并无实质性差异，而且必须以精度较高的地形图作为基础图件。目前，大多数土地整理项目区，总体地形平坦，但微地貌复杂，相邻田块之间的高差常常在1 米至2 米内，且地形图中甚至没有一条等高线。这样的地形图无法作为土方量计算的基础图件[1]。因此必须先按照一定规律采集项目区各离散点的地面标高，建立三维立体模型，模拟实际地形，才能土方量进行较为精确的计算。
根据对MAPGIS、南方CASS、ArcGis 等软件的土方计算成果及形成的图件的分析，采用基于ArcGis 空间分析扩展3D 分析模块并进行二次开发，通过3D 可视化处理能够清楚、直观地了解项目区的概况, 地势高低走向，也便于从整体的角度进行布局[4]，且其计算精度与图件的形成可以满足土地开发整理项目设计审查的程序及要求的规范要求。 在对福建省土地整理项目进行了初步应用，取得了良好的效果。不仅能较快地计算出挖填方，挖填方案、标示挖填方区域、按田块形成平整高程， 还能根据要求计算出表土剥离的方量。
1 技术路线
① 项目区土地平整工程量计算的原始依据为1 ：1000 实测地形图。
② 以项目区布置的格田为基本单位计算项目区土方平整工程量。
③ 利用计算机建立软件数字地面高程模型，并以格田为单位，利用软件土方量计算功能，对格田平整进行模拟，确定各格田的平整工程量。
④利用软件建立地面模型功能，建立原始地面三维数字模型。
⑤将田块规划方案转入计算机，并利用原始地面三维数字模型进行套合、模拟。
⑥将原始地面三维数字模型与规划田块叠加，基于ArcGis 空间分析扩展3D 分析模块的二次开发“WyxTinVolumeDLL. dll”模版, 计算田块内挖填平衡土方量，并尽量保证项目区挖方量最小。
⑦为满足灌溉需要和农业生产的需要，对部分有特殊灌溉要求、相邻田块高差大的格田平衡高程进行调整优化。
⑧输出相对应的土方计算成果与土方挖填图。
具体详见图1。
2 计算方法
以选取漳州市某县某项目区的部分田块为实例进行分析计算，：
2.1 以实测地形为依据按格田的面积大小以划画田块内能封闭为标准
利用CAD 圈画每一个规划格田，根据实测地形图对应高程。（详见图2）
2.2 利用散点法原理
按照GIS 数据库建立的要求进行编辑和处理，采用3D 分析模块建立TIN 模型（( digital elevation model, 数字高程 模型)， 对数据进行可视化处理。（详见图3）
2.3 初定设计高程
将TIN 模型与规划格田叠加、套合、运用GIS 中属性数据库功能对各网点和格网进行编号, 根据各田面设计高程确定各网点相应的设计地面标高，通过 GIS 中属性数据计算功能（详见图4）, 根据各格网在零线以上的形状确定相应的公式进行统计计算。
计算原理：先计算田面平均高程→计算挖填平均深度→ 计算挖填方面积→计算挖填土方量，运算方法如下：
田面平均高程计算： Ha=(H1S1+H2S2+...+HnSn)/S
式中：Ha 为田面平均高程(m) ；H1、H2...Hn 为实测点高程 (m) ；n 为高程点个数；S1 代表H1 高程的田块面积，S 表示总面积。
2.4 每个原始格田的挖填深度计算
挖方区挖深：hwn=Ha-Hwn 填方区填高：htn= Ha- Htn
式中：Hwn 为挖方高程(m) ；Htn 为填方高程(m) ；n 为原始格田的点号。
2.5 每个原始格田的挖填土方量计算
挖方量：Vw=Aan×hwn 填方量：Vt=Aan×htn
式中：Aan 为每个原始格田的测量面积。
2.6 比选设计高程
土方平整的原则：挖填土方尽可能平衡。因此根据挖方总量与填方总量的差值大小，不断比选设计高程，使挖填平衡最小化，根据需要进行，平原区挖填>0.2m 的，表土剥离0.1m ；山区丘陵挖填>0.18m 的表土剥离0.1m， 优化土方计算，当挖填平衡最小时，确定的高程即为设计高程。为满足灌溉需要和农业生产的需要，对部分有特殊灌溉要求、相邻田块高差大的格田平衡高程进行调整优化。以台地标准进行田面平整，同一台地的田块上下高差基本控制在不大于0.8m。并综合考虑对部分有特殊灌溉要求、相邻高差大的格田进行调整优化。
2.7 表土剥离量的确定
由于受季节、耕作条件的限制, 不可能像建设用地、场地平整等工程采用大型的机械设备进行推平、 压实, 为了保证整理后农田正常的水、肥、气等 物质和能量循环, 不仅要保护好肥沃的表土层, 同时也要尽可能保护好土壤物理结构, 因此, 在具体设计和实施农田土地平整时, 一般都是尽可能地在各田面上进行局部平整。表土剥离基本原则是：在挖填分界线的上下， 将表层的种植土转到耕地的一端堆积。土地平整后将转运到一端的种植土还原。规划设计对于挖填深度小于20cm 的田块和原地形较平坦的耕地，不进行表土剥离；对于挖填深度大于20cm 的田块，为保证表土层不被破坏，都应进行表土剥离。
每个原始格田的表土剥离量：Vb=Aan×hb hb: 为表土剥离厚度
2.8 汇总
分别将挖方区和填方区所有原始格田算出的土方量和面积进行汇总，即得该项目区挖方区和填方区的总土方量和格田的总面积。（详见图5）
2.9 检查数据准确性及形成挖填区域
对“ 挖填区错误分析”并对错误进行修改。（详见图 4）
2.10 结果输出
运行ARCGIS 中采用DXF 的格式输出最终成果，直接利用于设计中。（详见图6）
3 结语
开展土地整理是解决我国土地利用尤其是耕地资源可持续利用的生要手段之一，而土地平整在土地整理中为首要工程，土地平整的精度不仅影响到整理后的土地质量, 而且关系到投资大小与效益问题。基于此等重要性，利用“ ArcGis 空间分 析扩展模块计算法”的工作原理并进行二次运用，通过图、文结合的形式，本文重点介绍了土地平整工程量的计算方法，进行了重点步骤分析，闸述土方计算。
【参考文献】：
[1] 南志勇 . 土地整理项目中的土地平整工程量计算. 《黑 龙江水利科技》.2012 年08 期 .
[2] 陈丹 . 土地整理中土地平整问题探讨. 《现代农业科 技》.2012 年05 期.
[3] 江平, 周连, 卓荦, 贺中泰. 土地整理中土地平整工程的若干方法探讨. 《国土资源科技管理》.2007年第24卷第5期.
[4] 鲁成树, 吴次芳, 汪峰, 张献忠. 农地整理土方工程量计算及调配中地理信息系统的应用 《 农 业 工 程 学 报》 Transactions of the CSAE（第 19 卷 第 6 期 2003 年 11 月）.
【关键词】: 新增耕地 土方量 ArcGis 空间分析 土地整理 二次运用
土地整理是指通过采取各种措施，对田、水、路、林、村综合整治，提高耕地质量，增加有效耕地面积，改善农业生态条件和生态环境的行为。随着建设用地的不断增加，而未利用地越来越少，要实现占补平衡指标，需通过增减挂钩，因此新增耕地的数量越发重要。而在土地整理中增加有效耕地面积的有效途径为土地平整。因快速准确的计算平整中的土方量对规划设计的开展、总投资的控制、 田块的合理规划等都有重要的作用。
土地整理中的土地平整主要内容有1. 采用工程生物措施平整土地，归并零散地块，修筑梯田，整治养殖水面，规整农村居民点用地；2. 治理沙化地、盐碱地、污染土地、改良土壤、恢复植被；3. 重新界定土地权属、地类、面积，进行土地变更调查和登记。
目前土方量计算的方法较多，传统计算方法有方格网法、梯形法（断面法）、辛卜生法（抛物线法）、等高线法等。近年来随着计算机技术的发展，一些软件被广泛地应用到土方量计算中。常用的有MAPGIS 制图计算软件、TFT 土方计算绘图软件、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、南方CASS 中的土方计算，ArcGis 空间分析扩展模块等。采用相关软件计算土方量，精度高，速度快，效率高，但其运算原理，与传统计算方法并无实质性差异，而且必须以精度较高的地形图作为基础图件。目前，大多数土地整理项目区，总体地形平坦，但微地貌复杂，相邻田块之间的高差常常在1 米至2 米内，且地形图中甚至没有一条等高线。这样的地形图无法作为土方量计算的基础图件[1]。因此必须先按照一定规律采集项目区各离散点的地面标高，建立三维立体模型，模拟实际地形，才能土方量进行较为精确的计算。
根据对MAPGIS、南方CASS、ArcGis 等软件的土方计算成果及形成的图件的分析，采用基于ArcGis 空间分析扩展3D 分析模块并进行二次开发，通过3D 可视化处理能够清楚、直观地了解项目区的概况, 地势高低走向，也便于从整体的角度进行布局[4]，且其计算精度与图件的形成可以满足土地开发整理项目设计审查的程序及要求的规范要求。 在对福建省土地整理项目进行了初步应用，取得了良好的效果。不仅能较快地计算出挖填方，挖填方案、标示挖填方区域、按田块形成平整高程， 还能根据要求计算出表土剥离的方量。
1 技术路线
① 项目区土地平整工程量计算的原始依据为1 ：1000 实测地形图。
② 以项目区布置的格田为基本单位计算项目区土方平整工程量。
③ 利用计算机建立软件数字地面高程模型，并以格田为单位，利用软件土方量计算功能，对格田平整进行模拟，确定各格田的平整工程量。
④利用软件建立地面模型功能，建立原始地面三维数字模型。
⑤将田块规划方案转入计算机，并利用原始地面三维数字模型进行套合、模拟。
⑥将原始地面三维数字模型与规划田块叠加，基于ArcGis 空间分析扩展3D 分析模块的二次开发“WyxTinVolumeDLL. dll”模版, 计算田块内挖填平衡土方量，并尽量保证项目区挖方量最小。
⑦为满足灌溉需要和农业生产的需要，对部分有特殊灌溉要求、相邻田块高差大的格田平衡高程进行调整优化。
⑧输出相对应的土方计算成果与土方挖填图。
具体详见图1。
2 计算方法
以选取漳州市某县某项目区的部分田块为实例进行分析计算，：
2.1 以实测地形为依据按格田的面积大小以划画田块内能封闭为标准
利用CAD 圈画每一个规划格田，根据实测地形图对应高程。（详见图2）
2.2 利用散点法原理
按照GIS 数据库建立的要求进行编辑和处理，采用3D 分析模块建立TIN 模型（( digital elevation model, 数字高程 模型)， 对数据进行可视化处理。（详见图3）
2.3 初定设计高程
将TIN 模型与规划格田叠加、套合、运用GIS 中属性数据库功能对各网点和格网进行编号, 根据各田面设计高程确定各网点相应的设计地面标高，通过 GIS 中属性数据计算功能（详见图4）, 根据各格网在零线以上的形状确定相应的公式进行统计计算。
计算原理：先计算田面平均高程→计算挖填平均深度→ 计算挖填方面积→计算挖填土方量，运算方法如下：
田面平均高程计算： Ha=(H1S1+H2S2+...+HnSn)/S
式中：Ha 为田面平均高程(m) ；H1、H2...Hn 为实测点高程 (m) ；n 为高程点个数；S1 代表H1 高程的田块面积，S 表示总面积。
2.4 每个原始格田的挖填深度计算
挖方区挖深：hwn=Ha-Hwn 填方区填高：htn= Ha- Htn
式中：Hwn 为挖方高程(m) ；Htn 为填方高程(m) ；n 为原始格田的点号。
2.5 每个原始格田的挖填土方量计算
挖方量：Vw=Aan×hwn 填方量：Vt=Aan×htn
式中：Aan 为每个原始格田的测量面积。
2.6 比选设计高程
土方平整的原则：挖填土方尽可能平衡。因此根据挖方总量与填方总量的差值大小，不断比选设计高程，使挖填平衡最小化，根据需要进行，平原区挖填>0.2m 的，表土剥离0.1m ；山区丘陵挖填>0.18m 的表土剥离0.1m， 优化土方计算，当挖填平衡最小时，确定的高程即为设计高程。为满足灌溉需要和农业生产的需要，对部分有特殊灌溉要求、相邻田块高差大的格田平衡高程进行调整优化。以台地标准进行田面平整，同一台地的田块上下高差基本控制在不大于0.8m。并综合考虑对部分有特殊灌溉要求、相邻高差大的格田进行调整优化。
2.7 表土剥离量的确定
由于受季节、耕作条件的限制, 不可能像建设用地、场地平整等工程采用大型的机械设备进行推平、 压实, 为了保证整理后农田正常的水、肥、气等 物质和能量循环, 不仅要保护好肥沃的表土层, 同时也要尽可能保护好土壤物理结构, 因此, 在具体设计和实施农田土地平整时, 一般都是尽可能地在各田面上进行局部平整。表土剥离基本原则是：在挖填分界线的上下， 将表层的种植土转到耕地的一端堆积。土地平整后将转运到一端的种植土还原。规划设计对于挖填深度小于20cm 的田块和原地形较平坦的耕地，不进行表土剥离；对于挖填深度大于20cm 的田块，为保证表土层不被破坏，都应进行表土剥离。
每个原始格田的表土剥离量：Vb=Aan×hb hb: 为表土剥离厚度
2.8 汇总
分别将挖方区和填方区所有原始格田算出的土方量和面积进行汇总，即得该项目区挖方区和填方区的总土方量和格田的总面积。（详见图5）
2.9 检查数据准确性及形成挖填区域
对“ 挖填区错误分析”并对错误进行修改。（详见图 4）
2.10 结果输出
运行ARCGIS 中采用DXF 的格式输出最终成果，直接利用于设计中。（详见图6）
3 结语
开展土地整理是解决我国土地利用尤其是耕地资源可持续利用的生要手段之一，而土地平整在土地整理中为首要工程，土地平整的精度不仅影响到整理后的土地质量, 而且关系到投资大小与效益问题。基于此等重要性，利用“ ArcGis 空间分 析扩展模块计算法”的工作原理并进行二次运用，通过图、文结合的形式，本文重点介绍了土地平整工程量的计算方法，进行了重点步骤分析，闸述土方计算。
【参考文献】：
[1] 南志勇 . 土地整理项目中的土地平整工程量计算. 《黑 龙江水利科技》.2012 年08 期 .
[2] 陈丹 . 土地整理中土地平整问题探讨. 《现代农业科 技》.2012 年05 期.
[3] 江平, 周连, 卓荦, 贺中泰. 土地整理中土地平整工程的若干方法探讨. 《国土资源科技管理》.2007年第24卷第5期.
[4] 鲁成树, 吴次芳, 汪峰, 张献忠. 农地整理土方工程量计算及调配中地理信息系统的应用 《 农 业 工 程 学 报》 Transactions of the CSAE（第 19 卷 第 6 期 2003 年 11 月）.
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