利用ArcGis 空間分析擴展的二次運用計算土方量的方法

【內容摘要】：土方量的計算一直是土地平整工程中的重點與難點, 對項目投資的影響較大, 因而準確、快速的計算土方量一直是近幾年土地整理項目中的研究熱點。GIS 技術在土地整理中的運用經過多年的探索, 其ArcGIS Geostatisical Analyst 工具土方計算中不斷被運用，本文在前人努力的基礎上進行再深入開發運用, 通過研究理論， 形成獨特的計算土方量的方法, 在計算精度、計算效率與設計成圖上都有了顯著提高與改善。通過該方法可直接用于土地整理的設計、施工與成果驗收。
【關鍵詞】: 新增耕地 土方量 ArcGis 空間分析 土地整理 二次運用
土地整理是指通過采取各種措施，對田、水、路、林、村綜合整治，提高耕地質量，增加有效耕地面積，改善農業生態條件和生態環境的行為。隨著建設用地的不斷增加，而未利用地越來越少，要實現占補平衡指標，需通過增減掛鉤，因此新增耕地的數量越發重要。而在土地整理中增加有效耕地面積的有效途徑為土地平整。因快速準確的計算平整中的土方量對規劃設計的開展、總投資的控制、 田塊的合理規劃等都有重要的作用。
土地整理中的土地平整主要內容有1. 采用工程生物措施平整土地，歸并零散地塊，修筑梯田，整治養殖水面，規整農村居民點用地；2. 治理沙化地、鹽堿地、污染土地、改良土壤、恢復植被；3. 重新界定土地權屬、地類、面積，進行土地變更調查和登記。
目前土方量計算的方法較多，傳統計算方法有方格網法、梯形法（斷面法）、辛卜生法（拋物線法）、等高線法等。近年來隨著計算機技術的發展，一些軟件被廣泛地應用到土方量計算中。常用的有MAPGIS 制圖計算軟件、TFT 土方計算繪圖軟件、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、南方CASS 中的土方計算，ArcGis 空間分析擴展模塊等。采用相關軟件計算土方量，精度高，速度快，效率高，但其運算原理，與傳統計算方法并無實質性差異，而且必須以精度較高的地形圖作為基礎圖件。目前，大多數土地整理項目區，總體地形平坦，但微地貌復雜，相鄰田塊之間的高差常常在1 米至2 米內，且地形圖中甚至沒有一條等高線。這樣的地形圖無法作為土方量計算的基礎圖件[1]。因此必須先按照一定規律采集項目區各離散點的地面標高，建立三維立體模型，模擬實際地形，才能土方量進行較為精確的計算。
根據對MAPGIS、南方CASS、ArcGis 等軟件的土方計算成果及形成的圖件的分析，采用基于ArcGis 空間分析擴展3D 分析模塊并進行二次開發，通過3D 可視化處理能夠清楚、直觀地了解項目區的概況, 地勢高低走向，也便于從整體的角度進行布局[4]，且其計算精度與圖件的形成可以滿足土地開發整理項目設計審查的程序及要求的規范要求。 在對福建省土地整理項目進行了初步應用，取得了良好的效果。不僅能較快地計算出挖填方，挖填方案、標示挖填方區域、按田塊形成平整高程， 還能根據要求計算出表土剝離的方量。
1 技術路線
① 項目區土地平整工程量計算的原始依據為1 ：1000 實測地形圖。
② 以項目區布置的格田為基本單位計算項目區土方平整工程量。
③ 利用計算機建立軟件數字地面高程模型，并以格田為單位，利用軟件土方量計算功能，對格田平整進行模擬，確定各格田的平整工程量。
④利用軟件建立地面模型功能，建立原始地面三維數字模型。
⑤將田塊規劃方案轉入計算機，并利用原始地面三維數字模型進行套合、模擬。
⑥將原始地面三維數字模型與規劃田塊疊加，基于ArcGis 空間分析擴展3D 分析模塊的二次開發“WyxTinVolumeDLL. dll”模版, 計算田塊內挖填平衡土方量，并盡量保證項目區挖方量最小。
⑦為滿足灌溉需要和農業生產的需要，對部分有特殊灌溉要求、相鄰田塊高差大的格田平衡高程進行調整優化。
⑧輸出相對應的土方計算成果與土方挖填圖。
具體詳見圖1。
2 計算方法
以選取漳州市某縣某項目區的部分田塊為實例進行分析計算，：
2.1 以實測地形為依據按格田的面積大小以劃畫田塊內能封閉為標準
利用CAD 圈畫每一個規劃格田，根據實測地形圖對應高程。（詳見圖2）
2.2 利用散點法原理
按照GIS 數據庫建立的要求進行編輯和處理，采用3D 分析模塊建立TIN 模型（( digital elevation model, 數字高程 模型)， 對數據進行可視化處理。（詳見圖3）
2.3 初定設計高程
將TIN 模型與規劃格田疊加、套合、運用GIS 中屬性數據庫功能對各網點和格網進行編號, 根據各田面設計高程確定各網點相應的設計地面標高，通過 GIS 中屬性數據計算功能（詳見圖4）, 根據各格網在零線以上的形狀確定相應的公式進行統計計算。
計算原理：先計算田面平均高程→計算挖填平均深度→ 計算挖填方面積→計算挖填土方量，運算方法如下：
田面平均高程計算： Ha=(H1S1+H2S2+...+HnSn)/S
式中：Ha 為田面平均高程(m) ；H1、H2...Hn 為實測點高程 (m) ；n 為高程點個數；S1 代表H1 高程的田塊面積，S 表示總面積。
2.4 每個原始格田的挖填深度計算
挖方區挖深：hwn=Ha-Hwn 填方區填高：htn= Ha- Htn
式中：Hwn 為挖方高程(m) ；Htn 為填方高程(m) ；n 為原始格田的點號。
2.5 每個原始格田的挖填土方量計算
挖方量：Vw=Aan×hwn 填方量：Vt=Aan×htn
式中：Aan 為每個原始格田的測量面積。
2.6 比選設計高程
土方平整的原則：挖填土方盡可能平衡。因此根據挖方總量與填方總量的差值大小，不斷比選設計高程，使挖填平衡最小化，根據需要進行，平原區挖填>0.2m 的，表土剝離0.1m ；山區丘陵挖填>0.18m 的表土剝離0.1m， 優化土方計算，當挖填平衡最小時，確定的高程即為設計高程。為滿足灌溉需要和農業生產的需要，對部分有特殊灌溉要求、相鄰田塊高差大的格田平衡高程進行調整優化。以臺地標準進行田面平整，同一臺地的田塊上下高差基本控制在不大于0.8m。并綜合考慮對部分有特殊灌溉要求、相鄰高差大的格田進行調整優化。
2.7 表土剝離量的確定
由于受季節、耕作條件的限制, 不可能像建設用地、場地平整等工程采用大型的機械設備進行推平、 壓實, 為了保證整理后農田正常的水、肥、氣等 物質和能量循環, 不僅要保護好肥沃的表土層, 同時也要盡可能保護好土壤物理結構, 因此, 在具體設計和實施農田土地平整時, 一般都是盡可能地在各田面上進行局部平整。表土剝離基本原則是：在挖填分界線的上下， 將表層的種植土轉到耕地的一端堆積。土地平整后將轉運到一端的種植土還原。規劃設計對于挖填深度小于20cm 的田塊和原地形較平坦的耕地，不進行表土剝離；對于挖填深度大于20cm 的田塊，為保證表土層不被破壞，都應進行表土剝離。
每個原始格田的表土剝離量：Vb=Aan×hb hb: 為表土剝離厚度
2.8 匯總
分別將挖方區和填方區所有原始格田算出的土方量和面積進行匯總，即得該項目區挖方區和填方區的總土方量和格田的總面積。（詳見圖5）
2.9 檢查數據準確性及形成挖填區域
對“ 挖填區錯誤分析”并對錯誤進行修改。（詳見圖 4）
2.10 結果輸出
運行ARCGIS 中采用DXF 的格式輸出最終成果，直接利用于設計中。（詳見圖6）
3 結語
開展土地整理是解決我國土地利用尤其是耕地資源可持續利用的生要手段之一，而土地平整在土地整理中為首要工程，土地平整的精度不僅影響到整理后的土地質量, 而且關系到投資大小與效益問題。基于此等重要性，利用“ ArcGis 空間分 析擴展模塊計算法”的工作原理并進行二次運用，通過圖、文結合的形式，本文重點介紹了土地平整工程量的計算方法，進行了重點步驟分析，閘述土方計算。
【參考文獻】：
[1] 南志勇 . 土地整理項目中的土地平整工程量計算. 《黑 龍江水利科技》.2012 年08 期 .
[2] 陳丹 . 土地整理中土地平整問題探討. 《現代農業科 技》.2012 年05 期.
[3] 江平, 周連, 卓犖, 賀中泰. 土地整理中土地平整工程的若干方法探討. 《國土資源科技管理》.2007年第24卷第5期.
[4] 魯成樹, 吳次芳, 汪峰, 張獻忠. 農地整理土方工程量計算及調配中地理信息系統的應用 《 農 業 工 程 學 報》 Transactions of the CSAE（第 19 卷 第 6 期 2003 年 11 月）.