三角网法下常用土方计算软件的计算结果比较

土方工程论文第七篇：三角网法下常用土方计算软件的计算结果比较

 

　　摘要：以榆林市榆阳区岔河则乡为研究区域,选取现阶段常用的CASS10.1、ArcGIS10.1、Surfer13、Civil 3D 2016和飞时达12.1五款土方计算软件,对土方计算结果进行对比分析。结果表明:五款软件通过三角网法计算的土方量基本相同,ArcGIS10.1和Surfer13的插值计算方法没有提高土方计算精度,原始数据的分布和密度能从根本上保证土方计算的精度;相对于基于CAD平台的软件(CASS10.1、Civil 3D 2016和飞时达12.1),基于地理信息系统的软件(ArcGIS10.1和Surfer13)数据处理速度快,可视化程度高,建模准确快速,从而使得土方计算变得更加快速准确。

 

　　关键词：土方计算; 对比分析; 三角网法; 插值计算; 高程点;

 

　　The discussion and comparative analysis on the accuracy of common earthwork calculation software

 

　　WANG Jiafeng

 

　　Land Surveying, Planning and Design Institute of Shaanxi Land Engineering Construction Group Co., Ltd.

 

　　Abstract：Taking Chaheze township,Yuyang District,Yulin city as the study area,this paper analyzes the calculation results based on the five commonly earthwork calculation software, namely CASS10.1, ArcGIS 10.1, Surfer13, Civil 3 D 2016 and Fast TFT 12.1. the triangular network method is used to calculate earthwork. The results show that the precision of earthwork calculated by the above five software are basically the same. The interpolation calculation methods of ArcGIS 10.1 and Surfer 13 cannot improve the accuracy of earthwork calculation. The distribution and density of the original data can fundamentally guarantee the accuracy of earthwork calculation. Compared with earthwork calculation software(CASS10.1 Civil 3 D 2016 and FastTFT 12.1)based on the CAD platform, the geographic information system-based software(ArcGIS10.1 and Surfer13) has fast data processing speed, high visualization degree, accurate and fast modeling, etc., thus making the earthwork calculation more rapid and accurate.

 

　　0 引 言

 

　　土方工程是工程建设中的重要内容,土方量精度对工程造价和保证施工精度有着重要的意义,土方计算的软件和方法引起了广大技术员工和科研人员的极大兴趣。随着测绘科学技术的不断发展,土方计算的软件和方法也越来越多,现阶段比较常用的土方计算软件有ArcGIS、Surfer、南方CASS、飞时达和AutoCAD Civil 3D。

 

　　目前研究人员关于土方计算主要集中在两个方面:一是基于地理信息系统的软件来计算土方量,例如ArcGIS和Surfer此类软件的优点是可以利用空间插值的方法来计算土方量,李春梅利用ArcGIS软件通过一个实例解决了不规则设计面的土方计算问题,并且指出如何得出DEM的最佳分辨率,如何保证基于DEM空间分析的精度[1];方俊利用ArcGIS软件的克里格插值法生成DEM,从而计算其挖方和填方量,应用于土地整理项目[2];徐婵将ArcGIS软件和南方CASS软件计算土方量的结构进行了对比分析,结果表明ArcGIS可以提供更加立体直观的效果[3];陈朝霞将ArcGIS软件应用于土地平整工程中,利用数字高程模型(DEM)进行土方计算,并且和断面法进行了对比,结果表明ArcGIS计算精度高于断面法[4]。二是基于CAD平台的软件计算土方量,例如南方CASS、飞时达土方计算软件和Civil 3D,吴清海对南方CASS的三种计算方法进行了详细的比较分析,发现DTM法三角网计算土方量精度最高[5];陆龙坤介绍了如何利用Civil 3D进行土方计算,并且制作了土石方的三维效果图[6];朱静伦利用飞时达12.1软件和CASS9.1软件,采用三角网法对土方计算的结果进行了对比分析,实验表明飞时达12.1软件功能强大,而CASS9.1软件相对简单,易操作[7]。

 

　　土方计算的方法主要有断面法、格网法和不规则三角网法,其中不规则三角网法是目前精度较高的计算方法。土方计算的软件层出不穷,许多学者对各种软件的计算方法和精度进行了广泛的研究,但是,对于各个不同软件计算的土方结果进行对比研究的关注较少,因此本文提出对常用的土方计算软件采用三角网法,分别对不同高程点间距的数据进行土方计算,对计算结果比较分析,以期为相关研究和实践工作提供有益参考。

 

　　1 数据处理与研究方法

 

　　1.1 数据采集与处理

 

　　研究数据采用项目区实测地形图,格式为DWG。坐标系统:平面采用1980西安坐标系统,高程采用1985国家高程基准;平面投影与分带方式:采用高斯—克吕格投影,3°分带,中央子午线为111°。

 

　　文中旨在以实测高程数据为基础资料,利用南方CASS10.1软件在相同的范围内将原始数据抽稀成高程点间距分别为5、15、20、40 m的实验数据,分别利用五款软件对其进行土方计算。首先,采用高程点间距为5 m的数据通过五款土方软件分别计算其填挖方量,取其计算结果的平均值作为精度比较的参考值;其次,对高程点间距为15、20、40 m的数据利用五款软件分别进行计算,并对其计算结果进行对比分析,从中得出相关结论。

 

　　数据预处理是对比分析过程中的一个重要步骤,尤其是对各种不同高程点间距的实验数据进行比较分析时就显得尤为重要。由于数据源的不统一,从而导致了各种土方计算软件计算结果无法进行对比分析,为了保证实验结论的可靠性和正确性,应该对数据进行预处理,以便达到对比分析的目的。数据预处理主要是对各种高程点点距数据的生成以及数据范围线的统一。预处理采用的是南方CASS软件,利用其高程点过滤功能,按照距离过滤将原始数据分别生成5、15、20、40 m的实验数据。为了保证边界数据的完整性,需要对数据范围线进行加密,利用软件的插值功能将范围线上的高程点进行加密,使其距离不大于5 m,并且单独形成一个数据文件,即范围线上的高程点不参与距离过滤,以保证边界的完整性及其结果的可靠性。

 

　　1.2 研究方法

 

　　土方计算的常用方法有DTM(数字地面模型)法、断面法、方格网法和等高线法。 DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标(X,Y,Z)和设计高程,通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量,累计得到指定范围内填方和挖方的土方量;断面法土方计算主要用在公路土方计算和区域土方计算,断面法土方计算的方法有道路断面、场地断面和任意断面三种计算土方量的方法;方格网法计算土方量是根据实地测量的地面点坐标(X,Y,Z)和设计高程生成方格网来计算每一个方格内的填挖方量,累计得到指定范围内填方和挖方的土方量,其计算原理是根据每个方格的四角高程的平均值与设计高程相减,再利用长方体的体积计算公式得到填挖方量,方格网法简便直观,易于操作,因此在实际工作中应用非常广泛;等高线法主要应用于白纸图经过扫描矢量化得到的图形,这样的图没有高程数据文件,无法用其他方法计算土方量,但这些图上一般都会有等高线,等高线法利用两条等高线所围面积和等高线之间的高差,利用数学体积公式计算出这两条等高线之间的土方量。

 

　　三角网法是目前土方计算研究的热点之一,陈爱梅等对以上的四种土方计算的方法进行了对比分析, 发现三角网法计算土方量精度最高,而且适合各种复杂区域的土方计算[8];王鹏飞也对以上四种方法进行了深入的研究,对四种土方计算方法的适用性进行了分析,表明三角网法计算土方量的误差最小精度最高[9];刘耀斌利用ArcGIS平台,通过建立不规则三角网对土方计算进行了探讨,并通过实例证明其具有可行性[10];陶继峰利用误差传播定律对三角网法土方计算的结果进行了精度评定,结果表明高程精度相比坐标精度对土方计算的结果影响较大[11]。本文采用三角网法进行土方量的计算并对其计算结果进行对比分析。

 

　　2 实例与分析

 

　　2.1 数据来源

 

　　本文用于研究和分析的数据选取陕西省榆林市榆阳区岔河则乡的高程点数据,项目区位于榆林市区西北36 km处,北与内蒙古乌审旗黄陶勒盖乡接壤,是典型的风沙草滩区。其中,项目区内高程最高处为1 181 m,最低处为1 153 m,平均高程为1 167 m,项目区总面积为724 810.7 m2,高程点间距为5 m,高程数据的获取主要采用无人机航空摄影测量获得,局部地区采用RTK测量所得。

 

　　2.2 土方计算

 

　　本文选取CASS10.1、ArcGIS10.1、Surfer13、Civil 3D 2016和飞时达12.1作为对比分析的土方计算软件,土方计算的方法均为三角网法。

 

　　2.2.1 参数分析

 

　　(1)在土方量对比分析中,选择合适的基准数据是保证对比分析有效性的必要前提。高程点的分布和密度决定了土方计算的精度,高程点越密集,计算结果精度越高;另外,考虑到各个土方计算软件三角网算法的差异性,本文选取高程点间距为5 m的高程数据作为基准数据,五个软件全部利用三角网法进行挖填方量的计算,最后取其平均值作为对比的基准数据。

 

　　(2)范围线和范围线上的高程点对于土方计算的精度有着直接的影响,为了各个软件土方计算量的精确比较,需要对范围线进行处理:一方面保证范围线上点的密度,另一方面保证边界上的点必须带有高程值。文中对范围线进行了高程点加密处理,确保其折点全部带有高程属性,并且单独形成一个边界数据文件方便后续处理。

 

　　2.2.2 计算结果分析

 

　　土方计算方法中,关键的一步是生成软件对比的基础数据,即高程点间距分别为5、15、20、40 m的高程点数据。实验数据如图1～4所示,论文选取CASS10.1软件生成所需数据,其具体流程如下所示:

 

　

　　图1 5 m高程点间距   

　

　　图2 15 m高程点间距   

 

　

　　图3 20 m高程点间距   

 

　

　　图4 40 m高程点间距   

 

　　(1)采用“绘图处理”—“展高程点”,将高程点间距为5 m的实测数据导入。

 

　　(2)利用“绘图处理”—“高程点过滤”—,“依距离过滤”功能,分别生成所需的15、20、40 m基础数据,并且单独形成各自数据文件。

 

　　(3)通过“工程应用”—“DTM法计算土方量”-“根据图上高程点”功能,确定土方平衡高程,本文采用的设计高程(即土方平衡高程)为1 165.61 m。

 

　　对比分析主要有二个方面:一方面是软件自身对比分析,当高程点间距分别为 5、15、20、40 m时,土方挖填方量进行对比分析;另一方面进行软件之间的对比分析:当高程点间距分别为 5、15、20、40 m时,土方挖填方量进行对比分析。

 

　　2.2.3 对比分析

 

　　利用五款软件分别对高程点间距为5、15、20、40 m进行土方计算,设计高程统一为1 165.61 m。关于土方计算的详细步骤,这里就不再赘述。

 

　　本文重点对其计算结果进行比较分析,其中表1为各个软件在不同高程点间距的土方计算结果。为了更加形象地反映不同高程点间距与偏差之间的关系,论文对土方计算差值占参考值的百分比进行了统计(如表2所示)。从表2中可以得出,当高程点间距为5 m时,各个软件挖方量差值百分比均为0,填方量差值最大的Surfer13占比为1%,其余软件计算差值占比均为0%;当高程点间距为15 m时,挖方量差值最小的为ArcGIS10.1 占比为1%,其余软件计算差值占比均为2%,填方量差值最小的Surfer13 占比为1%,其余软件计算差值占比均为2%;当高程点间距为20 m时,挖方量差值最小的Civil3D2016 占比为7%,最大的Surfer13占比为9%,其余软件计算差值占比均为8%,填方量差值最大的为Civil3D 2016 占比为9%,其余软件计算差值占比均为7%;当高程点间距为40 m时,挖方量差值最小的ArcGIS10.1和飞时达12.1 占比为13%,最大的为Civil3D 2016占比为17%,其余软件计算差值占比均为14%,填方量差值最小的为Civil3D 2016 占比为13%,其余软件计算差值占比均为17%。

 

　　表1 土方计算结果 

 

　　3 结论与展望

 

　　本文采用现阶段常用的五种土方计算软件,根据不同高程点间距的高程点数据进行土方计算,利用南方CASS10.1软件生成5、15、20、40 m的高程点数据,将高程点间距为5 m的土方计算的平均值作为对比分析的参考值。结果表明:高程点间距为5 m时五种软件计算结果最大差值占比为1%;高程点间距为15 m时五种软件计算结果最大差值占比为2%;高程点间距为20 m时五种软件计算结果最大差值占比为9%;高程点间距为40 m时五种软件计算结果最大差值占比为17%;随着高程点间距的不断增大,土方量的计算结果与参考值的偏差也随之增大,并且五种软件的差值占比基本相同。实验表明,ArcGIS10.1和Surfer13的计算方法并没有提高土方计算的精度,原始高程数据决定了土方量计算的精度。在以后的土方量计算过程当中,应该更大侧重于原始数据的分布和密度这样才能从根本上保证土方计算的精度。

 

　　表2 土方计算结果对比百分比 导出到EXCEL

 

　　本文主要是根据土方计算软件内置的三角网法对土方量的计算结果进行了对比分析,后续有以下两点需要进一步完善:一是对各个软件三角网法的建模参数进行深入分析,利用高精度测量仪器实地采集高程数据,以验证其三角网法建模的正确性;二是将探索利用不同的插值方法生成三角网,从而对比分析其土方计算的精度。

 

　　参考文献

 

　　[1] 李春梅,景海涛.基于ArcGIS的土方量计算及可视化[J].测绘科学,2010,35(02):186-187,116.

　　[2] 方俊,郭丽红,夏淑芳.基于ARCGIS的土方量计算方法探讨[J].科技创新导报,2012(30):24-25.

　　[3] 徐婵,徐汉超,包德高.基于ArcGIS的土方量计算[J].广西水利水电,2013(01):81-83.

　　[4] 陈朝霞,吴向南,朱记伟,等.基于ArcGIS的土地开发整理挖填土方量计算研究及应用[J].测绘与空间地理信息,2015,38(02):63-65,68.

　　[5] 吴清海.基于CASS的土方量计算精度分析[J].工程勘察,2017,45(02):61-63.

　　[6] 陆龙坤,徐宁.Civil 3D在某项目平基土石方精确算量的应用[J].土木建筑工程信息技术,2016,8(06):60-63.

　　[7] 朱静伦,张健,梅鹏飞.FastTFTV12.1软件与CASS9.1软件计算土方比较[J].中国金属通报,2018(02):197-198.

　　[8] 陈爱梅,吴昊,吴北平,等.四种土方量计算方法的对比研究与应用[J].北京测绘,2015(01):104-108.

　　[9] 王鹏飞.几种土石方量测算方法的对比与研究[J].黑龙江科技信息,2017(06):105.

　　[10] 刘耀斌.基于ArcGIS的土方量计算及可视化[J].计算技术与自动化,2015,34(03):115-117.

　　[11] 陶继峰,王格.不规则三角网土方量计算数学模型及精度分析[J].北京测绘,2018,32(7):869-872.