论文部分内容阅读
摘要：本文以高尔夫球场为例，从土方量计算原理、数据采集、不规则三角网数字高程模型的建立、土方量计算精度分析以及与现有技术对比所具有的优点等几个方面，较为详尽地叙述了大型土石方搬运工程量的计算原理，为科学指导施工提供了有益的帮助。
中图分类号：U416.1+11文献标识码： A
1该技术目前状况及发展趋势
在土方造型工程、园林工程、公路工程以及大型土石方搬运工程施工中，土方量的计算目前常常延用较为传统的格网法、等高线法和纵、横断面图法进行计算，此类方法不但工作效率低，而且精确度也没有保证，因此，在施工管理过程中没有体现出灵活、高效、便捷、准确的特点。在大型土石方搬运施工过程中，要想科学合理的组织施工，做好土方平衡工作，就必须在施工前和施工后对搬运的土方量进行较为准确测算。
近年来随着一些专业计量软件的相继推出并应用到实际施工中去，也充分发挥了高效、便捷的作用。但是，对于象土方造型以及带有园林景观效果的大型土石方工程来讲，其计算结果的精确度稍显不足，而且实际应用过程中也不够灵活。本文仅以湖州南太湖温泉高尔夫球场土方造型为例，阐述该项新技术计算方法。
2工程实例概况
湖州南太湖温泉高尔夫球场位于浙江省湖州市。该项目场内地势起伏变化复杂且落差较大,最大高程为120米，最小高程仅20米。总占地面积约为3500亩，其中球道占地面积约为1500亩，球道土方搬运量约80万m3。
对于如此大的土方搬运量，如何寻求灵活、高效、便捷、准确的土方量计算方法，确保科学的指导现场土方作业，避免场内出现施工死角区域及重复搬运，提高施工机械的有效利用率，是该项目组织施工的难点。
3 高尔夫球场建造土方量计算的研究
在一般工程计算土方量相对较容易。但是在高尔夫球场（山地型）土方造型施工中，其设计面与原地面均为高低起伏变化复杂的空间曲面，如下图所示：
采用传统的格网法、等高线法和纵、横断面图法进行计算两个相交空间曲面间的土方量，无法满足本项目的需要。为此，针对土方造型工程的施工特点研究总结一套土方量计算方法，科学指导现场土方施工作业，从而达到安全施工,节约成本，保证质量，提高效益。
3.1 土方量计算的工作原理
利用全站仪或GPS现场实地采集原地面和设计面的离散三维坐标点(x,y,z)的数据，要按照一定间隔采集两个复杂空间曲面上的三维坐标点(x,y,z)，点间隔距离根据实际地形地貌而定，但要保证能准确反应地形地貌的特征。根据数据文件，建立设计空间曲面的不规则三角网数字高程模型（DTM模型），然后结合方格网法计算土方量。
3.2 数据采集
3.2.1 数据采集方式
一般而言，为计算土方量需对施工区域内的原地面和施工后的设计面进行数据采集，其数据主要是通过地面测量、已有地图数字化、摄影测量等方式获得数据。然而，对于局部的土方量计算而言，采用摄影测量的方式获取数据不大可能。为直接、准确获得第一手数据通常选用地面测量，即利用全站仪、电子速测经纬仪或GPS按照所需原则现场实地采集数据，通过此种方式获得的计算数据更准确、直观。在土方造型施工中，通常都选择地面测量的方式获得所需数据，但是此种方法野外作业工作量大，工作周期较长。
3.2.2 数据采集原则
若要进行土方量的计算，首先要获取场地内原始地貌和按照设计图纸施工后地貌的离散高程数据。为使采集的离散高程点所代表的地貌具有足够的精度和可信度，需根据地面采样理论确定合理的采样间隔（表示采样点密度的指标）和采样方法。对于采样点的间隔，采样理论认为如果地形剖面可用一系列正弦波和余弦波的和来表示，该剖面内以及相邻剖面之间的采样间隔是D，波长小于2D的地形信息将完全损失。因此，可以根据采样理论确定具体地形条件下的采样点间隔，从而确定采样点的数量。
现场实地采集原地面、设计面的三维坐标点时，总体上依据采样间隔按规则三角网采样。对于地势平坦地区，点间距不大于10米，对于地形地貌起伏较大区域要增加采样点的密度，点间距不大于5米，使得采样点的密度足够，分布合理，能够准确描述地形地貌的实际状况，当需要增加三角网时，可采用内插法增加三角网。
4 不规则三角网数字高程模型的建立
数字地面模型——DTM（Digital Terrain Model）是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
DTM和DEM 从数学的角度，高程模型是高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函数，数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）只是它的一个有限的离散表示。高程模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又叫地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。 数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
数字高程模型的表示方法通常有数学方法和图形法，其中图形法又分为线模式和点模式两种，本文主要选用点模式建立数字高程模型。用离散采样数据点建立DEM是DEM建立常用的方法之一。
在地理信息系统中，DEM最主要的三种表示模型是：规则格网模型，等高线模型和不规则三角网模型。本文选用不规则三角网模型，该种模型的优点是能够更准确描述地形地貌，减少数据冗余量，而且现场实际操作也更加灵活。在高尔夫球场建造工程中常常选用不规则三角网数字高程模型进行土方量计算。
5土方量的计算方法
在高尔夫球场建造过程中，由于其占地面积较大，国际标准18洞球道占地面积一般为70万m2左右，利用手工进行土方量计算其工作太过繁重。随着近些年计算机技术的发展，一些土方计算软件也相继出现并被实际应用，就目前国内来讲，CASS软件是较常用的土方计算软件之一。
与一般大型土木工程相比较而言，高尔夫球场的特点是原地面与设计面均为不规则复杂的两个相交空间曲面。直观利用CASS给出计算方法进行计算不但精度无法保证，而且实际施工运用中可操作性不强，为此我公司经过反复运用与总结，得出可利用不规则三角网数字高程模型与格网法相结合进行土方量计算，通过计算精度分析，该种计算方法可满足施工及相关规范要求。
5.1 选择“等高线”菜单栏中“由数据建立DTM”命令；弹出“輸入数据文件名”对话框，在对话框中选择并打开设计面*dat格式的数据文件；生成不规则三角网数字高程模型。
5.2 选择“工程应用”菜单栏中“方格网法土方计算”命令；弹出“输入高程坐标数据文件名”对话框，选择并打开原地面*dat格式的数据文件；选择土方计算边界线；输入计算格网宽度，该宽度与实地采样宽度无关，仅是生成格网行、列间隔；然后提示选择设计面*sjw格式的三角网文件，弹出对话框选择并打开已生成设计面三角网文件名；显示土方挖填量计算结果。见下图：
计算结果显示图
6土方量计算精度分析
由计算结果显示图可以看出，对原地面和设计面的离散高程点数据进行格网化后，除显示土方挖填量外，还显示第i行、j列点的原地面高程H原（i,j）、设计面高程H设（i,j），△h = H设（i,j）- H原（i,j）, 若△h>0，则该网格点为挖方；若△h<0，则该网格点为填方。各网格点高程中误差mh独立不相关，而土方计算量的中误差mv与网格点高程中误差有关。根据误差传播定律可推出土方量计算中误差公式，如表所示。
土方量计算中误差公式
由公式可以看出，土方量计算精度主要由格网化行列间距△L和网格化点高程精度决定。其中△L是在计算时输入数字，可控性强，一般选择△L =2米、3米、5米即可。而网格化点高程精度受原始数据精度如采样密度、采样点分布、测量误差和地形类别等因素影响，其中以采样密度即采样点间隔最为主要。
计算时网格化行列间距选择2米，以不大于5米为主。但是影响两个空间相交复杂曲面土方量计算精度很多，很难对其定量研究。只要按照采样理论及相关规范要求进行操作，可以认为该种土方量计算方法能够满足工程上需要。
7与现有技术对比所具有的优点或积极效果
7.1、该土方量计算方法易于工程技术人员掌握，实际运用起来比较灵活，在工程中可操作性强，当存在设计变更而需重新计算土方量时，使原本复杂的计算过程变得相对简便。
7.2、适用面广，可用于高尔夫球场土方造型、园林绿化、公路工程以及大型土石方搬运工程中的土方量计算。
7.3、利用不规则三角网模拟设计面建立DTM模型能够减少数据冗余量，并准确直观反映设计面的地形地貌特征；
7.4、该土方量计算方法可以解决原地面与设计面均为复杂空间曲面时的土方量计算；
7.5、该土方量计算方法精度高、具有灵活、高效、便捷等特点，便于科学指导大型土石方搬运施工，节约施工成本，保证工期。
8、结束语
以上是对土方量计算新技术的初步探索，有很多不成熟之处，需在今后的工作中不断学习，不断总结。在此敬请各位专家予以关怀与指导。
中图分类号：U416.1+11文献标识码： A
1该技术目前状况及发展趋势
在土方造型工程、园林工程、公路工程以及大型土石方搬运工程施工中，土方量的计算目前常常延用较为传统的格网法、等高线法和纵、横断面图法进行计算，此类方法不但工作效率低，而且精确度也没有保证，因此，在施工管理过程中没有体现出灵活、高效、便捷、准确的特点。在大型土石方搬运施工过程中，要想科学合理的组织施工，做好土方平衡工作，就必须在施工前和施工后对搬运的土方量进行较为准确测算。
近年来随着一些专业计量软件的相继推出并应用到实际施工中去，也充分发挥了高效、便捷的作用。但是，对于象土方造型以及带有园林景观效果的大型土石方工程来讲，其计算结果的精确度稍显不足，而且实际应用过程中也不够灵活。本文仅以湖州南太湖温泉高尔夫球场土方造型为例，阐述该项新技术计算方法。
2工程实例概况
湖州南太湖温泉高尔夫球场位于浙江省湖州市。该项目场内地势起伏变化复杂且落差较大,最大高程为120米，最小高程仅20米。总占地面积约为3500亩，其中球道占地面积约为1500亩，球道土方搬运量约80万m3。
对于如此大的土方搬运量，如何寻求灵活、高效、便捷、准确的土方量计算方法，确保科学的指导现场土方作业，避免场内出现施工死角区域及重复搬运，提高施工机械的有效利用率，是该项目组织施工的难点。
3 高尔夫球场建造土方量计算的研究
在一般工程计算土方量相对较容易。但是在高尔夫球场（山地型）土方造型施工中，其设计面与原地面均为高低起伏变化复杂的空间曲面，如下图所示：
采用传统的格网法、等高线法和纵、横断面图法进行计算两个相交空间曲面间的土方量，无法满足本项目的需要。为此，针对土方造型工程的施工特点研究总结一套土方量计算方法，科学指导现场土方施工作业，从而达到安全施工,节约成本，保证质量，提高效益。
3.1 土方量计算的工作原理
利用全站仪或GPS现场实地采集原地面和设计面的离散三维坐标点(x,y,z)的数据，要按照一定间隔采集两个复杂空间曲面上的三维坐标点(x,y,z)，点间隔距离根据实际地形地貌而定，但要保证能准确反应地形地貌的特征。根据数据文件，建立设计空间曲面的不规则三角网数字高程模型（DTM模型），然后结合方格网法计算土方量。
3.2 数据采集
3.2.1 数据采集方式
一般而言，为计算土方量需对施工区域内的原地面和施工后的设计面进行数据采集，其数据主要是通过地面测量、已有地图数字化、摄影测量等方式获得数据。然而，对于局部的土方量计算而言，采用摄影测量的方式获取数据不大可能。为直接、准确获得第一手数据通常选用地面测量，即利用全站仪、电子速测经纬仪或GPS按照所需原则现场实地采集数据，通过此种方式获得的计算数据更准确、直观。在土方造型施工中，通常都选择地面测量的方式获得所需数据，但是此种方法野外作业工作量大，工作周期较长。
3.2.2 数据采集原则
若要进行土方量的计算，首先要获取场地内原始地貌和按照设计图纸施工后地貌的离散高程数据。为使采集的离散高程点所代表的地貌具有足够的精度和可信度，需根据地面采样理论确定合理的采样间隔（表示采样点密度的指标）和采样方法。对于采样点的间隔，采样理论认为如果地形剖面可用一系列正弦波和余弦波的和来表示，该剖面内以及相邻剖面之间的采样间隔是D，波长小于2D的地形信息将完全损失。因此，可以根据采样理论确定具体地形条件下的采样点间隔，从而确定采样点的数量。
现场实地采集原地面、设计面的三维坐标点时，总体上依据采样间隔按规则三角网采样。对于地势平坦地区，点间距不大于10米，对于地形地貌起伏较大区域要增加采样点的密度，点间距不大于5米，使得采样点的密度足够，分布合理，能够准确描述地形地貌的实际状况，当需要增加三角网时，可采用内插法增加三角网。
4 不规则三角网数字高程模型的建立
数字地面模型——DTM（Digital Terrain Model）是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
DTM和DEM 从数学的角度，高程模型是高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函数，数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）只是它的一个有限的离散表示。高程模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又叫地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。 数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
数字高程模型的表示方法通常有数学方法和图形法，其中图形法又分为线模式和点模式两种，本文主要选用点模式建立数字高程模型。用离散采样数据点建立DEM是DEM建立常用的方法之一。
在地理信息系统中，DEM最主要的三种表示模型是：规则格网模型，等高线模型和不规则三角网模型。本文选用不规则三角网模型，该种模型的优点是能够更准确描述地形地貌，减少数据冗余量，而且现场实际操作也更加灵活。在高尔夫球场建造工程中常常选用不规则三角网数字高程模型进行土方量计算。
5土方量的计算方法
在高尔夫球场建造过程中，由于其占地面积较大，国际标准18洞球道占地面积一般为70万m2左右，利用手工进行土方量计算其工作太过繁重。随着近些年计算机技术的发展，一些土方计算软件也相继出现并被实际应用，就目前国内来讲，CASS软件是较常用的土方计算软件之一。
与一般大型土木工程相比较而言，高尔夫球场的特点是原地面与设计面均为不规则复杂的两个相交空间曲面。直观利用CASS给出计算方法进行计算不但精度无法保证，而且实际施工运用中可操作性不强，为此我公司经过反复运用与总结，得出可利用不规则三角网数字高程模型与格网法相结合进行土方量计算，通过计算精度分析，该种计算方法可满足施工及相关规范要求。
5.1 选择“等高线”菜单栏中“由数据建立DTM”命令；弹出“輸入数据文件名”对话框，在对话框中选择并打开设计面*dat格式的数据文件；生成不规则三角网数字高程模型。
5.2 选择“工程应用”菜单栏中“方格网法土方计算”命令；弹出“输入高程坐标数据文件名”对话框，选择并打开原地面*dat格式的数据文件；选择土方计算边界线；输入计算格网宽度，该宽度与实地采样宽度无关，仅是生成格网行、列间隔；然后提示选择设计面*sjw格式的三角网文件，弹出对话框选择并打开已生成设计面三角网文件名；显示土方挖填量计算结果。见下图：
计算结果显示图
6土方量计算精度分析
由计算结果显示图可以看出，对原地面和设计面的离散高程点数据进行格网化后，除显示土方挖填量外，还显示第i行、j列点的原地面高程H原（i,j）、设计面高程H设（i,j），△h = H设（i,j）- H原（i,j）, 若△h>0，则该网格点为挖方；若△h<0，则该网格点为填方。各网格点高程中误差mh独立不相关，而土方计算量的中误差mv与网格点高程中误差有关。根据误差传播定律可推出土方量计算中误差公式，如表所示。
土方量计算中误差公式
由公式可以看出，土方量计算精度主要由格网化行列间距△L和网格化点高程精度决定。其中△L是在计算时输入数字，可控性强，一般选择△L =2米、3米、5米即可。而网格化点高程精度受原始数据精度如采样密度、采样点分布、测量误差和地形类别等因素影响，其中以采样密度即采样点间隔最为主要。
计算时网格化行列间距选择2米，以不大于5米为主。但是影响两个空间相交复杂曲面土方量计算精度很多，很难对其定量研究。只要按照采样理论及相关规范要求进行操作，可以认为该种土方量计算方法能够满足工程上需要。
7与现有技术对比所具有的优点或积极效果
7.1、该土方量计算方法易于工程技术人员掌握，实际运用起来比较灵活，在工程中可操作性强，当存在设计变更而需重新计算土方量时，使原本复杂的计算过程变得相对简便。
7.2、适用面广，可用于高尔夫球场土方造型、园林绿化、公路工程以及大型土石方搬运工程中的土方量计算。
7.3、利用不规则三角网模拟设计面建立DTM模型能够减少数据冗余量，并准确直观反映设计面的地形地貌特征；
7.4、该土方量计算方法可以解决原地面与设计面均为复杂空间曲面时的土方量计算；
7.5、该土方量计算方法精度高、具有灵活、高效、便捷等特点，便于科学指导大型土石方搬运施工，节约施工成本，保证工期。
8、结束语
以上是对土方量计算新技术的初步探索，有很多不成熟之处，需在今后的工作中不断学习，不断总结。在此敬请各位专家予以关怀与指导。