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摘 要：土方量的计算是土地整治项目规划设计的重要内容之一，准确快速地计算土方量对开展规划设计、控制总投资及分配资金具有重要意义，直接关系到土地整治项目的科学性和投资预算的合理性。本文以新建县流湖乡新塘村屈家垄里土地开发项目为例，应用ArcGIS进行土方量的计算，通过计算分析得出， ArcGIS计算土方量的精度受地形、坡度以及象元大小等因素影响，一般情况下，象元越小精度越高。
关键词：土方工程量计算 ArcGIS DEM
1、前言
土地整治项目由土地平整、农田水利、田间道路和其他工程等部分组成。土地平整工程是土地整治项目的核心内容，是实现农田标准化、农业机械化的重要前提，是建设旱涝保收、稳产高产基本农田的重要措施。土方量计算精度的高低直接关系到项目规划和投资预算的合理性，因此，土方量的计算在土地整治工作中尤为重要。然而，土方量计算具有主观性，只有计算准确，才能进行合理的土方调配，准确计算工程费用，加快工程进度，提高工程质量。因此，选择适当的计算方法，在土地整治项目中具有重要的意义。如何利用现场测出的地形数据或原有的地形数据快速准确的计算出土方工程量就成了土地整治工作一个关键问题。
随着地理信息系统的发展，ArcGIS等软件在土方量计算中得到应用，特别是在ArcGIS 中克里格插值空间插值方法的帮助下，精确的数字地面模型的建立变得简便易行，使土方量计算的操作日益简便、精度日益提高。
2、土方工程量计算原理与方法
2.1 土方量计算的原理
求取地表物质体积差是土方量计算的目标，而其关键在于对原始地形和改造后地形的表述。改造后地形是人为设计的结果，而且往往是规则的，易于清楚、准确地表述出来。原始地形的表述则存在一个矛盾：地表是由无数个点组成的表面，而我们所获得的只是离散的有限数据。因此对于原始地形的任何表述只能是模拟和近似。各种模拟和近似的方法，都是基于地表连续和渐变的假定，这也是连续和渐变这一朴素的哲学思想在地理学领域的应用。微积分就是描述连续变化的数学方法，这里通过其借鉴思维方法，将研究区域分成微小的单元，并在地表渐变的假定下将各微元的地形特征作简化处理，以现有数据或经空间插值后的数据去近似表述各微元的地形，分别求取各微元体积差，然后求和，就得到总的土方量。于洪俊和宁越敏借用微积分的思维方法作为城市地理学研究的重要方法论，土石方计算的原理同样也只是借用微积分的思维方法，而非具体运算程序。
2.2土方量计算的方法
常用的计算土方量方法有:断面法 、方格网法 、散点法和表格法 。断面法主要适应山地及高差比较大的地形,但计算较为繁琐,野外工作量大;方格法适合平整平坦地区,其模型简单,易于实现,但精度不高;散点法适用于地形虽有起伏,但变化比较均匀,不太复杂的地形 ;表格法计算土方量,测算范围不受地形限制,既适用于平坦地区,也适用于地形变化较大的地区,但核法比较繁琐,且效率不高实践表明,利用地统计分析方法,由样本点插值生成拟合表面,进而计算土方量,无论是计算精度还是计算效率都比较高。
3 、ARCGIS土方量计算方法
美国ESRI公司在20世纪90年代推出全新的基于桌面的地理信息系统，称为ArcGIS。它支持多类型数据和多种数据库，具有强大空间分析、统计分析功能。并且附带许多扩展模块。ArcGIS计算土方量是利用DEM提供的高程信息，结合ArcGIS的Geostatistical Analyst ，3D Analyst，Spatial Analyst，叠合分析和统计分析等功能共同完成。
3.1 资料准备
基于GIS进行土方量计算需要收集项目区测量图、现状图、规划图。从测量图中提取提取高程点、范围线、水系、道路等数据。
这里是以ArcGIS 9.2为平台，在ArcMap中进行计算，所以要将其他格式的数据转为Shapefile格式，将高程点从测量图提取出来转为Shapefile格式,从现状图里提取项目红线、项目区转为Shapefile格式。
3.2 现状DEM的建立
DEM一般可由离散高程点、遥感影像以及等高线来生成。本文以外业测量高程点来建立现状DEM。通过普通克里格（Ordinary Kringing）进行Box-cox变换后插值，在输出栅格单元大小时，分别进行了1m×1m、5m×5m、10m×10m三种不同大小栅格单元插值。最后把项目范围区图和DEM栅格图叠加在一起进行裁剪（Exctract by Mask）,然后得到项目区现状DEM图。
3.3 平整单元的确定
根据地形可将一个田块分成几个平整区,以一个或几个格田作为一个平整单元。
这里主要根据现状图里道路、河流、沟渠的分布和规划图里新建道路新建沟渠的规划状况来划分。通过项目区的地形分析看规划是否合理，利用3D Analyst模块下的Surface Analyst工具对DEM数据进行坡度坡向分析，将高差不大的区域划分为同一个平整单元，同时要保证平整范围之间的高差在合理范围之内。然后利用图形编辑工具生成规划田块也就是平整单元。
3.4规划田块的设计高程的确定
在ArcMap中调入规划田块和之前生成的三种栅格大小的现状DEM，利用Zonal Statistics as Table工具统计出各个田块的平均高程作为设计高程。
3.5 规划DEM的建立
利用Joins and Relates把统计表联接回规划田块，然后将规划田块中的设计高程作为规划高程用ARCToolsBox中的Polygon to Raster工具生成规划DEM。规划DEM的输出栅格也要设为相应的大小。
3.6 基于ArcGIS的土方计算
通过DEM，运用栅格相减的计算方法实现平整田块土方量计算，其计算原理为二次积分求取体积。利用现状Grid（栅格）的高程与规划Grid高程之差作为积分高度，以单位网格的面积为积分单元，再将开挖范围内的这些体积累加后即为所求田块的开挖量。
这里利用空间分析模块的栅格计算器（Raster Calculator）功能，完成拓扑相减，相减之后的栅格值为负的提取出来，为需要填方的区域；栅格值为正的提取出来，为需要填方的区域。填挖深度乘以相应的栅格面积，其运算结果就是填挖体积，以属性表形式加以存储，再以设计田块的编号为统计单元，用Zonal Statistics as Table进行统计，从而得到待平整田块的填挖土方量。
4、实例研究分析
本文以新建县流湖乡新塘村屈家垄里土地开发项目为例，怀忠项目片区现状地类为其他草地，项目区土地开发建设规模为28.93公顷（433.95亩），预计新增耕地26.69公，待平整面积28.64公顷，规划田块共有16块。
4.1现状DEM的建立
本文以5m×5m的栅格单元进行插值，建立现状DEM。
4.2规划DEM的建立
不同的栅格大小统计出来的规划高程也各不相同。下面是根据现状DEM栅格统计出的16个田块的规划高程。
4.3计算土方量
通过利用空间分析模块的栅计算器（Raster Calculator）功能，完成拓扑相减，其运算结果以属表形式加以存储，再以设计田块的编号为统计单元，从而得到待平整田块的土方量。土方量统计结果如表2所示：
在土方计算中，精度越低，计算的土方量越大。在计算过程中，随着GRID或者格网变大，每田块的设计高程会发生变化，土方量也不断增大，其数据精度不断降低。
5、结论与讨论
通过实证研究证明，ArcGIS计算土方量尽管操作上繁琐，对基础数据的要求也较高，但是其计算的精度也高，通过建立模型可以将ArcGIS的土方计算变得更加简单，便于推广应用。
参 考 文 献：
[1] 王笑峰，郑丽娜，刘淑. 水利工程中土方量计算的快速方法[J].黑龙江水专学报，2000（2）：22-23
[2] 柳长顺，杜丽娟.ArcView 在土地整理项目土方量计算中的运用[J].农业工程学报，2003，19（2）：224-227
[3] 汤国安，杨昕编著.ArcGIS 地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：土方工程量计算 ArcGIS DEM
1、前言
土地整治项目由土地平整、农田水利、田间道路和其他工程等部分组成。土地平整工程是土地整治项目的核心内容，是实现农田标准化、农业机械化的重要前提，是建设旱涝保收、稳产高产基本农田的重要措施。土方量计算精度的高低直接关系到项目规划和投资预算的合理性，因此，土方量的计算在土地整治工作中尤为重要。然而，土方量计算具有主观性，只有计算准确，才能进行合理的土方调配，准确计算工程费用，加快工程进度，提高工程质量。因此，选择适当的计算方法，在土地整治项目中具有重要的意义。如何利用现场测出的地形数据或原有的地形数据快速准确的计算出土方工程量就成了土地整治工作一个关键问题。
随着地理信息系统的发展，ArcGIS等软件在土方量计算中得到应用，特别是在ArcGIS 中克里格插值空间插值方法的帮助下，精确的数字地面模型的建立变得简便易行，使土方量计算的操作日益简便、精度日益提高。
2、土方工程量计算原理与方法
2.1 土方量计算的原理
求取地表物质体积差是土方量计算的目标，而其关键在于对原始地形和改造后地形的表述。改造后地形是人为设计的结果，而且往往是规则的，易于清楚、准确地表述出来。原始地形的表述则存在一个矛盾：地表是由无数个点组成的表面，而我们所获得的只是离散的有限数据。因此对于原始地形的任何表述只能是模拟和近似。各种模拟和近似的方法，都是基于地表连续和渐变的假定，这也是连续和渐变这一朴素的哲学思想在地理学领域的应用。微积分就是描述连续变化的数学方法，这里通过其借鉴思维方法，将研究区域分成微小的单元，并在地表渐变的假定下将各微元的地形特征作简化处理，以现有数据或经空间插值后的数据去近似表述各微元的地形，分别求取各微元体积差，然后求和，就得到总的土方量。于洪俊和宁越敏借用微积分的思维方法作为城市地理学研究的重要方法论，土石方计算的原理同样也只是借用微积分的思维方法，而非具体运算程序。
2.2土方量计算的方法
常用的计算土方量方法有:断面法 、方格网法 、散点法和表格法 。断面法主要适应山地及高差比较大的地形,但计算较为繁琐,野外工作量大;方格法适合平整平坦地区,其模型简单,易于实现,但精度不高;散点法适用于地形虽有起伏,但变化比较均匀,不太复杂的地形 ;表格法计算土方量,测算范围不受地形限制,既适用于平坦地区,也适用于地形变化较大的地区,但核法比较繁琐,且效率不高实践表明,利用地统计分析方法,由样本点插值生成拟合表面,进而计算土方量,无论是计算精度还是计算效率都比较高。
3 、ARCGIS土方量计算方法
美国ESRI公司在20世纪90年代推出全新的基于桌面的地理信息系统，称为ArcGIS。它支持多类型数据和多种数据库，具有强大空间分析、统计分析功能。并且附带许多扩展模块。ArcGIS计算土方量是利用DEM提供的高程信息，结合ArcGIS的Geostatistical Analyst ，3D Analyst，Spatial Analyst，叠合分析和统计分析等功能共同完成。
3.1 资料准备
基于GIS进行土方量计算需要收集项目区测量图、现状图、规划图。从测量图中提取提取高程点、范围线、水系、道路等数据。
这里是以ArcGIS 9.2为平台，在ArcMap中进行计算，所以要将其他格式的数据转为Shapefile格式，将高程点从测量图提取出来转为Shapefile格式,从现状图里提取项目红线、项目区转为Shapefile格式。
3.2 现状DEM的建立
DEM一般可由离散高程点、遥感影像以及等高线来生成。本文以外业测量高程点来建立现状DEM。通过普通克里格（Ordinary Kringing）进行Box-cox变换后插值，在输出栅格单元大小时，分别进行了1m×1m、5m×5m、10m×10m三种不同大小栅格单元插值。最后把项目范围区图和DEM栅格图叠加在一起进行裁剪（Exctract by Mask）,然后得到项目区现状DEM图。
3.3 平整单元的确定
根据地形可将一个田块分成几个平整区,以一个或几个格田作为一个平整单元。
这里主要根据现状图里道路、河流、沟渠的分布和规划图里新建道路新建沟渠的规划状况来划分。通过项目区的地形分析看规划是否合理，利用3D Analyst模块下的Surface Analyst工具对DEM数据进行坡度坡向分析，将高差不大的区域划分为同一个平整单元，同时要保证平整范围之间的高差在合理范围之内。然后利用图形编辑工具生成规划田块也就是平整单元。
3.4规划田块的设计高程的确定
在ArcMap中调入规划田块和之前生成的三种栅格大小的现状DEM，利用Zonal Statistics as Table工具统计出各个田块的平均高程作为设计高程。
3.5 规划DEM的建立
利用Joins and Relates把统计表联接回规划田块，然后将规划田块中的设计高程作为规划高程用ARCToolsBox中的Polygon to Raster工具生成规划DEM。规划DEM的输出栅格也要设为相应的大小。
3.6 基于ArcGIS的土方计算
通过DEM，运用栅格相减的计算方法实现平整田块土方量计算，其计算原理为二次积分求取体积。利用现状Grid（栅格）的高程与规划Grid高程之差作为积分高度，以单位网格的面积为积分单元，再将开挖范围内的这些体积累加后即为所求田块的开挖量。
这里利用空间分析模块的栅格计算器（Raster Calculator）功能，完成拓扑相减，相减之后的栅格值为负的提取出来，为需要填方的区域；栅格值为正的提取出来，为需要填方的区域。填挖深度乘以相应的栅格面积，其运算结果就是填挖体积，以属性表形式加以存储，再以设计田块的编号为统计单元，用Zonal Statistics as Table进行统计，从而得到待平整田块的填挖土方量。
4、实例研究分析
本文以新建县流湖乡新塘村屈家垄里土地开发项目为例，怀忠项目片区现状地类为其他草地，项目区土地开发建设规模为28.93公顷（433.95亩），预计新增耕地26.69公，待平整面积28.64公顷，规划田块共有16块。
4.1现状DEM的建立
本文以5m×5m的栅格单元进行插值，建立现状DEM。
4.2规划DEM的建立
不同的栅格大小统计出来的规划高程也各不相同。下面是根据现状DEM栅格统计出的16个田块的规划高程。
4.3计算土方量
通过利用空间分析模块的栅计算器（Raster Calculator）功能，完成拓扑相减，其运算结果以属表形式加以存储，再以设计田块的编号为统计单元，从而得到待平整田块的土方量。土方量统计结果如表2所示：
在土方计算中，精度越低，计算的土方量越大。在计算过程中，随着GRID或者格网变大，每田块的设计高程会发生变化，土方量也不断增大，其数据精度不断降低。
5、结论与讨论
通过实证研究证明，ArcGIS计算土方量尽管操作上繁琐，对基础数据的要求也较高，但是其计算的精度也高，通过建立模型可以将ArcGIS的土方计算变得更加简单，便于推广应用。
参 考 文 献：
[1] 王笑峰，郑丽娜，刘淑. 水利工程中土方量计算的快速方法[J].黑龙江水专学报，2000（2）：22-23
[2] 柳长顺，杜丽娟.ArcView 在土地整理项目土方量计算中的运用[J].农业工程学报，2003，19（2）：224-227
[3] 汤国安，杨昕编著.ArcGIS 地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文