土方量計算方法研究
土方量計算方法研究
摘要： 主要以CASS7.0數(shù)字化成圖軟件中的土方量計算方法為基礎來探討，并對幾種計算方法的精度進行了分析比較，每種方法都各有優(yōu)缺點。必須根據(jù)實際確定它們的適用范圍。
關鍵詞：土方量；DEM；TIN
Abstract： Calculation of the Digitization Earthwork in mapping software to CASS7.0 to explore the basis and the accuracy of several calculation methods were analyzed and compared， each method has advantages and disadvantages.Each method has its own scope o f application， must be in accordance application o f the actual situation.
Key words： Earth work； DEM； TIN
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一、引言
土方工程中土方量的計算是非常重要的工作。土方量計算的準確可以確定土方的工程造價，且施工過程中要經(jīng)常進行土方量測量來掌握施工進度，控制資金的使用，以確保工程的順利進行。在現(xiàn)實中的一些工程項目中，因土方量計算的精確性而產(chǎn)生的糾紛也是經(jīng)常遇到的。如何利用測量單位現(xiàn)場測出的地形數(shù)據(jù)或原有的數(shù)字地形數(shù)據(jù)快速準確的計算出土方量就成了人們?nèi)找骊P心的問題。隨著科技的發(fā)展，全站儀和計算機相結合的優(yōu)勢，能夠高效、準確地實現(xiàn)土方量的批量化計算。要想實現(xiàn)土方批量化計算， 必須使土方量的測、算、繪銜接恰到好處，CASS7.0軟件以達到這一點。
CASS7.0成圖軟件是基于Aut0CAD平臺技術的數(shù)字化測繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要包括地形成圖、地籍成圖、工程應用三大領域，隨著“GPS”、“GIS”、“RS”技術在測繪中的應用，CASS軟件進一步滲透入各個行業(yè)中，并成為信息化和數(shù)字化工作的一大得力幫手。CASS軟件的土方量計算方法常用的有DTM法、等高線法、方格法和斷面法。本文探討應用CASS7.0軟件進行土方測量計算的方法
及應用，為日后工作提供借鑒作用。
二、土方量的計算方法
1、基于斷面法的土方量計算
當?shù)匦螐碗s起伏變化較大，或地狹長、挖填深度較大且不規(guī)則的地段，宜選擇橫斷面法進行土方量計算。
根據(jù)設計原理，主要分為道路斷面、場地斷面、任意斷面土方計算、二斷面線間土方計算。一般都要經(jīng)歷4個步驟：
1)生成里程文件；
2)選擇土方計算類型；
3)給定計算參數(shù)；
4)計算工程量。
其中里程文件是用離散的方法描述了實際地形，接下來的所有工作都是在分析里程文件里的數(shù)據(jù)后才能完成，里程文件的生成主要是通過縱斷面、復合線、等高線、三角網(wǎng)、手工輸入和編輯等方法實現(xiàn)。選擇土方量類型的同時，給定計算參數(shù)，便可以在圖上繪出道路的縱橫斷面，然后再以此為依據(jù)，進行土方量計算，系統(tǒng)將自動在圖上繪出土石方計算表。
上圖為一渠道的測量圖形，利用橫斷面法進行計算土方量時，可根據(jù)渠LL，按一定的長度L設橫斷面A1、A2、A3……Ai等。
斷面法的表達式為(1)
在（1）式中，Ai-1，Ai分別為第i單元渠段起終斷面的填(或挖)方面積；Li為渠段長；Vi為填(或挖)方體積。
土石方量精度與間距L的長度有關，L越小，精度就越高。但是這種方法計算量大， 尤其是在范圍較大、精度要求高的情況下更為明顯；若是為了減少計算量而加大斷面間隔，就會降低計算結果的精度； 所以斷面法存在著計算精度和計算速度的矛盾。
2、基于格網(wǎng)的土方量計算
方格網(wǎng)法土方計算適用于地形變化比較平緩的地形情況，用于計算場地平整
的土方量計算較為精確。這種方法是將場地劃分成若干個正方形格網(wǎng)，然后計算每個四棱柱的體積，從而將所有四棱柱的體積匯總得到總的土方量。
計算過程是：
1)建立地形的坐標方格網(wǎng)，方格網(wǎng)的一邊與地形等高線或場地坐標網(wǎng)平行，大小根據(jù)地形變化的復雜程序和設計要求的精度確定，邊長一般常采用5m、10m、20m等。
2)然后求出方格各個角點的自然標高、設計標高以及施工高程。
3)計算各個方格網(wǎng)的高程值。
4)匯總高程值。
如果，土方量計算的面積為不規(guī)則邊界的多邊形。那么在面積進行計算時，先對判斷方格網(wǎng)中心點是否在多邊形內(nèi)，如果在，那么就要計算該格網(wǎng)的面積，否則可以將該格網(wǎng)面積略去。
3、基于TIN的土方量計算
不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)是數(shù)字地面模型DTM表現(xiàn)形式之一，該法利用實測地形碎部點、特征點進行三角構網(wǎng)，對計算區(qū)域按三棱柱法計算土方。
基于不規(guī)則三角形建模是直接利用野外實測的地形特征點(離散點)構造出鄰接的三角形，組成不規(guī)則三角網(wǎng)結構。相對于規(guī)則格網(wǎng)，不規(guī)則三角網(wǎng)具有以下優(yōu)點： 三角網(wǎng)中的點和線的分布密度和結構完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，直接利用原始資料作為網(wǎng)格結點；不改變原始數(shù)據(jù)和精度；能夠插入地性線以保存原有關鍵的地形特征，以及能很好地適應復雜、不規(guī)則地形，從而將地表的特征表現(xiàn)得淋漓盡致等。因此在利用 T1N 算出的土方量時就大大提高了計算的精度。
1)三角網(wǎng)的構建
對于不規(guī)則三角網(wǎng)的構建在這里采用兩級建網(wǎng)方式。
第一步，進行包括地形特征點在內(nèi)的散點的初級構網(wǎng)。
一般來說，傳統(tǒng)的TIN生成算法主要有邊擴展法，點插入法，遞歸分割法等，以及它們的改進算法。在此僅簡單介紹一下邊擴展法。
所謂邊擴展法，就是指先從點集中選擇一點作為起始三角形的一個端點，然后找離它距離最近的點連成一個邊，以該邊為基礎，遵循角度最大原則或距離最小原則找到第三個點，形成初始三角形。由起始三角形的三邊依次往外擴展，
并進行是否重復的檢測，最后將點集內(nèi)所有的離散點構成三角網(wǎng)，直到所有建立的三角形的邊都擴展過為止。在生成三角網(wǎng)后調(diào)用局部優(yōu)化算法，使之最優(yōu)。
2)三角網(wǎng)的調(diào)整
第二步，根據(jù)地形特征信息對初級三角網(wǎng)進行網(wǎng)形調(diào)整。這樣可使得建模流程思路清晰，易于實現(xiàn)。
a、地性線的特點及處理方法
所謂地性線就是指能充分表達地形形狀的特征線地性線不應該通過TIN中的任何一個三角形的內(nèi)部，否則三角形就會“進入”或“懸空”于地面，與實際地形不符，產(chǎn)生的數(shù)字地面模型(DTM)有錯。
當?shù)匦跃�與一般地形點一道參加完初級構網(wǎng)后，再用地形特征信息檢查地性線是否成為了初級三角網(wǎng)的邊，若是，則不再作調(diào)整；否則，作出調(diào)整�？傊獎毡乇ＷCTIN所表達的數(shù)字地面模型與實際地形相符。
b、地物對構網(wǎng)的影響及處理方法
等高線在遭遇房屋、道路等地物時需要斷開，這樣在地形圖生成TIN時，除了要考慮地性線的影響之外，更應該顧及到地物的影響。一般方法是：先按處理地形結構線的類似方法調(diào)整網(wǎng)形；然后，用“垂線法”判別閉合特征線影響區(qū)域內(nèi)的三角形重心是否落在多邊形內(nèi)，若是，則消去該三角形(在程序中標記該三角形記錄)；否則保留該三角形。經(jīng)測試后，去掉了所有位于地物內(nèi)部之三角形，從而在特征線內(nèi)形成“空白地”。
c、陡坎的地形特點及處理方法
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