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摘要：在水利水电工程的施工建设中，土石方开挖是施工建设中的重要环节，尤其在施工组织及设计中占据重要的关键性地位，因为土石方开挖会对土石方工程概预算的编制、施工进度的安排以及土石方二期工程中填挖平衡等设计工作具有着较大的影响，而传统的土石方开挖设计方法受到平面地形图的可视性条件差、各个网格点的高程值的求取工作较为复杂等因素的限制，在具体的土石方开挖设计中往往造成后续的工作量增加显著等问题。文章提出基于可视化技术的水利水电工程土石方开挖可视化设计方法，希望可以解决传统设计方法的弊端并在土石方设计中得到广泛应用。
Abstract: in the construction of water conservancy and Hydropower Engineering, earthwork excavation is an important link of construction, especially occupies a key position of importance in the construction organization and design, because the preparation of construction schedule, earthwork excavation of earthwork project budget arrangement to earth and stone works in two cut and fill balance design has a great influence, but traditional earthwork excavation design method by elevation visibility conditions plane topography difference, each grid point value for more complex constraints, in earth rock excavation often result in specific design follow-up workload increased significantly and other problems. This paper presents visual design method of excavation visualization technology based on water conservancy and Hydropower Engineering earthwork, hope can solve the disadvantages of traditional designing method and to be widely used in earthwork design.
關键词：水利水电工程；土石方开挖；可视化设计
Keywords: Water Conservancy and Hydropower Engineering; earthwork excavation; visual design
中图分类号：TV541 文献标识码：A 文章编号：
在水利水电工程的规划设计中，土石方的开挖设计及具体施工是个非常重要的设计及施工处理环节，尤其是面对可利用的土地资源逐渐缩减的社会现实下，土石方开挖中的挖土弃土及借土填方等，均会给水利水电工程的施工建设占用地面积造成较大的影响；并且会因为网格规法缺乏合理性而造成土石方开挖设计误差的增大，使得土石方的实际开挖量与工程设计量上的较大的误差，从而影响到整个水利水电工程的造价及施工进度等。因此，更为优化合理的水利水电工程土石方开挖设计方法非常急需。
水利水电工程土石方开挖可视化设计方法产生背景
在进行水利水电工程的施工建设中，土石方的开挖设计是非常重要的设计及施工环节，在具体的土石方工程中需要进行横纵断面上的测绘、土石方开挖总工程量的计算等工作，以往所采用的较为传统的手工式计算及绘图方法，普遍存在着工作量大、流程长、工作效率低下、计算结果的准确性较低、计算结果与实际开挖工程量相差较大、设计图纸及计算资料等的保存困难等弊端，要想对各种设计方式、施工组织方案等进行全面系统的比较分析，最终实现设计方案的优化较为困难，土石方开挖传统的设计方法已经无法满足现代化的水利水电工程施工建设的现实需求。作为水利水电工程的管理人员及决策者，需要对开挖之后的土石方与水利水电工程的协调适宜关系进行系统的掌握，进行水利水电工程中各个基础性的建筑物之间的布局、面积等进行协调处理，土石方开挖中常规的设计方法并不具有该种功能，使得传统的设计方法更显的不足。
水利水电工程土石方开挖可视化设计方法
1.水利水电工程土石方开挖可视化设计理念
水利水电工程领域内的设计人员就是基于以上考量，进行着土石方开挖设计方法的研究工作，提出土石方可视化开挖理念及具体的设计方法，而该种设计方法是以地理信息系统作为技术平台，对地形进行适当的数字化的处理，组建起数字地面的相关模型，然后以传统的土石方的计算过程进行与数字地面对应模型的结合，进而实现开挖工程量准确性及精准度尽可能大的数值计算，也可以采用以图元布尔的运算操作进行土方开挖工程量的计算，之后计算结果将经由计算机的图形处理技术进行三维处理，进而形成与水利水电工程土石方工程完成之后的实际状况几乎相同布局的三维形态式的仿真图，实现不同的工程项目、不同的开挖部位、不同的断面特征等内容的具体呈现，以期能够为土石方开挖工程提供更为全面可靠的可视化的决策支持信息。
水利水电工程土石方开挖可视化设计方法
在开展水利水电工程的土石方开挖设计中所采用的可视化的设计方法，是建立在现代化的计算机技术、图形图像处理技术、数字化技术及地理信息系统技术等的基础上，设计方法涉及到的较为重点的技术有地形的数字化技术、土石方开挖的数字化技术及三维图形的显示技术。其中地形数值化技术是进行土石方开发的数字化处理及三维图形的显示技术实现的基础；而土石方开挖的数字化的最终实现要以数字地形为基础，对细部开挖所采用的具体的设计及开挖方法；三维图形的显示技术是要将开挖形态所对应的三维仿真图显示在计算机的显示器上，下面就水利水电工程土石方开挖设计方法从地形的数字化技术、土石方开挖的数字化技术及三维图形的显示技术三个方面进行阐述。
地形的数字化技术方法。地形数字化处理是实现土石方开挖可视化设计的首道工序，该阶段多采用数字地面模型，所谓的数字地面模型就是进行地面特性空间描述的由有序数列组成的阵列，是种带有空间位置等特点的地形属性的数字化描述，同时也是实现土石方开挖的数字化处理及工程开挖后的三维仿真的实现基础。在具体的土石方设计工程实践中，在开挖区域内设置的数字地形图的等高线的密度越大，开挖工程量的计算精度就会越高，而断面的形态也会越真实，最终的三维仿真图就会更加的逼真。因此在具体的设计环节中，对于等高线的密度较小的情况，适当的采用内插拟合台的方式进行适合的地形线的生成，此时要重视进行穿插值计算以及穿插值在计算机的图形处理系统中的运行顺序，可以选用的等高线的加密方法有等高线的先行加密法及实时的内插加密法，其中的先行加密法是进行重点关注地形区域的等高线的加密处理，利用传统地形所普遍适用的等高线的加密方法进行先行插值，也就是在将等高线输入到系统前就进行加密；而实施内插法是在等高线的相关信息被输入到计算机系统之后，利用设计好的插值及图形显示方法等，在综合地形数据的显示精度要求后，进行实际所需的等高线密度的实时计算，并最终以三维图形显示。
3.土石方开挖数字化
在地形数字化的基础上，可以利用两种方法来实现土石方开挖的数字化传统的土石方量计算根据地形不同，有横断面近似计算法、分块局部计算法和水平剖面法 各种方法的基本思路都是将开挖区域分成小网格，在网格内将断面近似作为梯形（实质是在小范围内，将起伏不平的地形线处理成直线），并利用下式计算
在实现上述方法时，工作人员都是针对平面等高线图来划分小网格并求出各个网格交点的高程值 由于平面地形图可视性差以及求各网格点高程值的烦琐性，使得这项工作量很大，并且有时会因为网格划分的不合理，而产生较大的误差，增加（或减少）了开挖工程的预算，对工程施工的进度亦会产生影响.结合前面生成的数字地面模型，将划分网格和计算网格点高程值的工作放到 系统平台上处理，可以提高工作的可视性和网格划分的灵活性，从而达到有效地减少体积计算误差的目的 具体的方法是，在三维显示的数字地面模型上，直观地根!据地形的实际起伏程度划分网格大小间距，使同一网格内的地
面基本处于同一高程值附近；利用 系统中的工具，沿网格边线作切割运算，并计算和绘制出切割面的形态图，利用形态图，可以方便地获取各网格点的高程值；然后，结合传统计算公式计算出工程的开挖方量
总结：
土石方开挖可视化设计方法相较于传统的设计方法，直观性及高效性特点非常明显，有效的解决掉传统设计方法的弊端，能够为水利水电工程土石方设计方案的制定提供更为全面、更具可视化的支持信息。
参考文献：
[1]宋凤莲,刘全,邬志.水利水电工程施工土石方调配方法及其应用[J].南水北调与水利科技,2012(01)
[2]钟登华,毛寨汉,朱惠蓉,周锐.水利水电工程土石方开挖可视化设计方法初探[J].水利水电技术,2007(12)
[3]李若铭.水利土石方工程施工质量控制规范整合与汇编[J].工程管理,2011(02)
[4]杨进博,陈新,蒲元威,廖元元,庹金松,寨科,梁博.基于动态规划的土石方调配系统研究与应用[J].西北水电,2012(03)
[5]杨彪,李浩.基于普通数码摄像的DTM数据采集系统研究与开发[J].工程勘察,2007(06)
作者简介
严后山 (1965.5-) 湖北江陵 水利工程规划 武汉水利电力学院 韦富瀛（1978.12-） 广西环江 水利工程建筑 武汉水利电力大学
Abstract: in the construction of water conservancy and Hydropower Engineering, earthwork excavation is an important link of construction, especially occupies a key position of importance in the construction organization and design, because the preparation of construction schedule, earthwork excavation of earthwork project budget arrangement to earth and stone works in two cut and fill balance design has a great influence, but traditional earthwork excavation design method by elevation visibility conditions plane topography difference, each grid point value for more complex constraints, in earth rock excavation often result in specific design follow-up workload increased significantly and other problems. This paper presents visual design method of excavation visualization technology based on water conservancy and Hydropower Engineering earthwork, hope can solve the disadvantages of traditional designing method and to be widely used in earthwork design.
關键词：水利水电工程；土石方开挖；可视化设计
Keywords: Water Conservancy and Hydropower Engineering; earthwork excavation; visual design
中图分类号：TV541 文献标识码：A 文章编号：
在水利水电工程的规划设计中，土石方的开挖设计及具体施工是个非常重要的设计及施工处理环节，尤其是面对可利用的土地资源逐渐缩减的社会现实下，土石方开挖中的挖土弃土及借土填方等，均会给水利水电工程的施工建设占用地面积造成较大的影响；并且会因为网格规法缺乏合理性而造成土石方开挖设计误差的增大，使得土石方的实际开挖量与工程设计量上的较大的误差，从而影响到整个水利水电工程的造价及施工进度等。因此，更为优化合理的水利水电工程土石方开挖设计方法非常急需。
水利水电工程土石方开挖可视化设计方法产生背景
在进行水利水电工程的施工建设中，土石方的开挖设计是非常重要的设计及施工环节，在具体的土石方工程中需要进行横纵断面上的测绘、土石方开挖总工程量的计算等工作，以往所采用的较为传统的手工式计算及绘图方法，普遍存在着工作量大、流程长、工作效率低下、计算结果的准确性较低、计算结果与实际开挖工程量相差较大、设计图纸及计算资料等的保存困难等弊端，要想对各种设计方式、施工组织方案等进行全面系统的比较分析，最终实现设计方案的优化较为困难，土石方开挖传统的设计方法已经无法满足现代化的水利水电工程施工建设的现实需求。作为水利水电工程的管理人员及决策者，需要对开挖之后的土石方与水利水电工程的协调适宜关系进行系统的掌握，进行水利水电工程中各个基础性的建筑物之间的布局、面积等进行协调处理，土石方开挖中常规的设计方法并不具有该种功能，使得传统的设计方法更显的不足。
水利水电工程土石方开挖可视化设计方法
1.水利水电工程土石方开挖可视化设计理念
水利水电工程领域内的设计人员就是基于以上考量，进行着土石方开挖设计方法的研究工作，提出土石方可视化开挖理念及具体的设计方法，而该种设计方法是以地理信息系统作为技术平台，对地形进行适当的数字化的处理，组建起数字地面的相关模型，然后以传统的土石方的计算过程进行与数字地面对应模型的结合，进而实现开挖工程量准确性及精准度尽可能大的数值计算，也可以采用以图元布尔的运算操作进行土方开挖工程量的计算，之后计算结果将经由计算机的图形处理技术进行三维处理，进而形成与水利水电工程土石方工程完成之后的实际状况几乎相同布局的三维形态式的仿真图，实现不同的工程项目、不同的开挖部位、不同的断面特征等内容的具体呈现，以期能够为土石方开挖工程提供更为全面可靠的可视化的决策支持信息。
水利水电工程土石方开挖可视化设计方法
在开展水利水电工程的土石方开挖设计中所采用的可视化的设计方法，是建立在现代化的计算机技术、图形图像处理技术、数字化技术及地理信息系统技术等的基础上，设计方法涉及到的较为重点的技术有地形的数字化技术、土石方开挖的数字化技术及三维图形的显示技术。其中地形数值化技术是进行土石方开发的数字化处理及三维图形的显示技术实现的基础；而土石方开挖的数字化的最终实现要以数字地形为基础，对细部开挖所采用的具体的设计及开挖方法；三维图形的显示技术是要将开挖形态所对应的三维仿真图显示在计算机的显示器上，下面就水利水电工程土石方开挖设计方法从地形的数字化技术、土石方开挖的数字化技术及三维图形的显示技术三个方面进行阐述。
地形的数字化技术方法。地形数字化处理是实现土石方开挖可视化设计的首道工序，该阶段多采用数字地面模型，所谓的数字地面模型就是进行地面特性空间描述的由有序数列组成的阵列，是种带有空间位置等特点的地形属性的数字化描述，同时也是实现土石方开挖的数字化处理及工程开挖后的三维仿真的实现基础。在具体的土石方设计工程实践中，在开挖区域内设置的数字地形图的等高线的密度越大，开挖工程量的计算精度就会越高，而断面的形态也会越真实，最终的三维仿真图就会更加的逼真。因此在具体的设计环节中，对于等高线的密度较小的情况，适当的采用内插拟合台的方式进行适合的地形线的生成，此时要重视进行穿插值计算以及穿插值在计算机的图形处理系统中的运行顺序，可以选用的等高线的加密方法有等高线的先行加密法及实时的内插加密法，其中的先行加密法是进行重点关注地形区域的等高线的加密处理，利用传统地形所普遍适用的等高线的加密方法进行先行插值，也就是在将等高线输入到系统前就进行加密；而实施内插法是在等高线的相关信息被输入到计算机系统之后，利用设计好的插值及图形显示方法等，在综合地形数据的显示精度要求后，进行实际所需的等高线密度的实时计算，并最终以三维图形显示。
3.土石方开挖数字化
在地形数字化的基础上，可以利用两种方法来实现土石方开挖的数字化传统的土石方量计算根据地形不同，有横断面近似计算法、分块局部计算法和水平剖面法 各种方法的基本思路都是将开挖区域分成小网格，在网格内将断面近似作为梯形（实质是在小范围内，将起伏不平的地形线处理成直线），并利用下式计算
在实现上述方法时，工作人员都是针对平面等高线图来划分小网格并求出各个网格交点的高程值 由于平面地形图可视性差以及求各网格点高程值的烦琐性，使得这项工作量很大，并且有时会因为网格划分的不合理，而产生较大的误差，增加（或减少）了开挖工程的预算，对工程施工的进度亦会产生影响.结合前面生成的数字地面模型，将划分网格和计算网格点高程值的工作放到 系统平台上处理，可以提高工作的可视性和网格划分的灵活性，从而达到有效地减少体积计算误差的目的 具体的方法是，在三维显示的数字地面模型上，直观地根!据地形的实际起伏程度划分网格大小间距，使同一网格内的地
面基本处于同一高程值附近；利用 系统中的工具，沿网格边线作切割运算，并计算和绘制出切割面的形态图，利用形态图，可以方便地获取各网格点的高程值；然后，结合传统计算公式计算出工程的开挖方量
总结：
土石方开挖可视化设计方法相较于传统的设计方法，直观性及高效性特点非常明显，有效的解决掉传统设计方法的弊端，能够为水利水电工程土石方设计方案的制定提供更为全面、更具可视化的支持信息。
参考文献：
[1]宋凤莲,刘全,邬志.水利水电工程施工土石方调配方法及其应用[J].南水北调与水利科技,2012(01)
[2]钟登华,毛寨汉,朱惠蓉,周锐.水利水电工程土石方开挖可视化设计方法初探[J].水利水电技术,2007(12)
[3]李若铭.水利土石方工程施工质量控制规范整合与汇编[J].工程管理,2011(02)
[4]杨进博,陈新,蒲元威,廖元元,庹金松,寨科,梁博.基于动态规划的土石方调配系统研究与应用[J].西北水电,2012(03)
[5]杨彪,李浩.基于普通数码摄像的DTM数据采集系统研究与开发[J].工程勘察,2007(06)
作者简介
严后山 (1965.5-) 湖北江陵 水利工程规划 武汉水利电力学院 韦富瀛（1978.12-） 广西环江 水利工程建筑 武汉水利电力大学