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摘要：土方量计算一直是工程界探讨的话题，本文阐述了ArcGIS计算土方量的原理、方法及实现步骤，并以某水利工程为实例，对比了ArcGIS法、断面法及南方cass栅格法的土方量计算结果，说明了ArcGIS在计算小范围土方量方面的优越性，最后对ArcGIS土方量计算法的实际应用提出了独特的见解。
关键词：ArcGIS；土方量计算；DEM；3D Analyst；断面法；南方cass栅格法
中图分类号：TL372+.2 文献标识码：A文章编号：
1 引言
在水利水电、土地整理和道路选线等工程应用领域，土方工程是重要组成部分，准确、快速、高精度地计算土方量对于合理安排工程进度、准确计算工程费用、提高工程质量等具有十分重要的意义[1][2]。
为了使工程人员从繁重的手工计算中解脱出来，许多学者和工程人员对土方量的计算方法进行了持续研究，并在AutoCAD基础上开发出了一系列成熟的计算方法和应用程序。常用的土方量计算方法有断面法、方格网法、散点法和表格法[3]，但是这些计算方法工作量大，不易在计算机上实现，也不能有效利用现有的数据资源。而且，不同的计算方法都存在计算结果精度低、结果相差悬殊等问题[4]。
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，特别是在克里格空间插值方法的帮助下，利用ArcGIS软件建立精确的数字地面模型变得简便易行，土方量计算的操作也日益简便。本文即以水利工程项目数据为例，阐述了基于ArcGIS计算土方量的原理、流程和具体实现步骤。
2 计算原理
土方量计算的目标在于求取地面物质体积差，而其关键在于对现状地形和改造后地形的表述。数字高程模型（DEM）是数字地面模型（DTM）的一种，它是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形高低起伏和地形大小特征的空间分布模型[5]。
ArcGIS计算土方量就是以DEM为基础，通过开挖前后模型叠加找出填挖边界，再对每一个区域通过多次建模求体积差来统计每一个回填和开挖区域的土方量，最后统计分析出整个工程的土方量的一种方法[6]。其实现流程如图1所示。
图1 土方量计算流程图
3 实现步骤
3.1 数据准备
基于ArcGIS进行土方量计算需要高程点、等高线等数据，而一般的测量数据都是cad格式，因此要将dwg格式的数据转换为Shapefile格式。
将dwg格式的等高线、高程点导出成shape格式，有如下两种导出方式：
（1）使用Autocad Map中的数据导出工具，分别将高程点以点模式、等高线以线模式导出为Shapefile格式。导出时注意将高程属性值也导出。
（2）直接使用ArcCatolog中的导出工具，将高程点、等高线导出为Shapefile格式。
3.2 数据检查
用ArcMap打开高程点和等高线的Shapefile数据，查看相关的高程值是否正确。如，查看Elevation字段是否为空等。
3.3 生成DEM
使用ArcGIS中的三维分析模块进行DEM的构建。首先通过ArcToolBox工具中的3D Analyst Tools–>Create TIN工具，创建一个空的TIN文件。其中，可通过Spatial Reference来设置空间参考。
然后再利用Edit TIN工具，通过选择等高线与高程点数据，来生成Tin。此处需要注意的是，要在tag_field选择存放高程值的字段。
3.4 表面积及体积计算
对于构建完成的TIN文件，我们可以通过3D Analyst–>Surface Analysis–>Area and Volume工具来计算指定高程面以上或高程面以下的面积及体积。
如在Height of plane中输入填挖后的平面高程值；如果要计算某一平面以上的体积，则选择“Calculate statistics above plane”；如果要计算某一平面以下的体积，则选择“Calculate statistics below plane”。
点击Calculate statistics按钮，即可对该TIN进行表面积及体积计算，图中，Surface area显示的是表面积（单位：平方米），Volume显示的是体积（单位：立方米）。
图2 面积及体积计算
3.5 土方量计算
如果已知工程填挖前后的地形，则可以直接计算出填挖量。首先根据施工前的高程点和等高线生成施工前原始的DEM，即TIN1；再根据施工后或设计的高程点和等高线，生成施工后的DEM，即TIN2；最后利用3D Analyst–>Surface Analysis–>Cut/Fill工具对TIN文件进行填挖计算。对于填挖后是某一平面的施工区，则可以根据高程制作一个平面作为TIN2。
经过填挖计算后，会直接生成一个图层，红色表示要填充土方的范围，蓝色表示要挖掉土方的范围。其属性表中，正值表示要挖掉的土方量，负值表示要填充的土方量，通过统计，即可分别计算出填方值和挖方值。
4 结论及建议
计算土方量的方法层出不穷，计算精度和计算效率也在逐步得到提高，但是大量的实践证明，基于ArcGIS计算土方量不仅方法简单、快速，而且其计算与地形无关，可以适用于各种地形项目。同时，此方法还可应用于方案评价或项目验收评定。
在应用ArcGIS计算過程中，笔者有如下建议：1）在生成DEM模型之前一定要对原始底图进行检查，例如：Elevation字段为空，将产生A类错误的结果；2）对DEM有效的范围要进行裁切，即土方量比较前后的范围应该是一致的，笔者认为应该将TIN模型转化成DEM模型来裁切；3）在生成TIN的过程中人工无法干预，因此一定要在底图过程中对等高线值或高程值进行干预，笔者认为底图的比例尺重要性就不大了，最重要的是等高距。如果要达到的精度不能满足要求，那么可以通过加密等高距的方法来实现。4）底图的制作，在比较范围内等高距最优选是闭合的，意味着等高线可以穿过陡坎、道路、房屋等地物。理想情况下等高距再最优成0.1m或更精确，那么将得到接近于真值的结果。
但是ArcGIS计算土方量对基础数据要求较高,其精度受地形、坡度以及像元大小等因素影响，一般情况下，像元越小，精度越高。对于有些人认为ArcGIS计算土方量操作繁琐，这些可以通过编写程序，调用ArcGIS中的相关功能模块，设定处理流程，对DEM数据进行自动处理。总的来说，该方法简单、可靠，程序编制工作量小，适用范围较广，可推广性极强。
参考文献：
[1] 潘红飞，赵翠薇. 基于TIN模型较高精度土方量计算方法[J]. 价值工程，2012,31（5）：P63-65.
[2] 王先鹏，曹荣林. 土方量计算的原理与方法及ArcGIS的应用前景[J]. 地理空间信息，2009,7（4）：P139-141.
[3] 刘美娥，乐晶，叶明珠. ARCGIS在农村土地整治项目土方计算中的应用[J]. 金色年华(下)，2011（7）：P204.
[4] 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）：P224-227.
[5] 李志林，朱庆. 数字高程模型[M]. 武汉：武汉大学出版社，2001．
[6] 郭宽伟，岑国平，马文轩，李强. ArcGIS在机场土方计算中的应用分析[J]. 四川建筑科学研究，2012（2）：P115-117.
关键词：ArcGIS；土方量计算；DEM；3D Analyst；断面法；南方cass栅格法
中图分类号：TL372+.2 文献标识码：A文章编号：
1 引言
在水利水电、土地整理和道路选线等工程应用领域，土方工程是重要组成部分，准确、快速、高精度地计算土方量对于合理安排工程进度、准确计算工程费用、提高工程质量等具有十分重要的意义[1][2]。
为了使工程人员从繁重的手工计算中解脱出来，许多学者和工程人员对土方量的计算方法进行了持续研究，并在AutoCAD基础上开发出了一系列成熟的计算方法和应用程序。常用的土方量计算方法有断面法、方格网法、散点法和表格法[3]，但是这些计算方法工作量大，不易在计算机上实现，也不能有效利用现有的数据资源。而且，不同的计算方法都存在计算结果精度低、结果相差悬殊等问题[4]。
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，特别是在克里格空间插值方法的帮助下，利用ArcGIS软件建立精确的数字地面模型变得简便易行，土方量计算的操作也日益简便。本文即以水利工程项目数据为例，阐述了基于ArcGIS计算土方量的原理、流程和具体实现步骤。
2 计算原理
土方量计算的目标在于求取地面物质体积差，而其关键在于对现状地形和改造后地形的表述。数字高程模型（DEM）是数字地面模型（DTM）的一种，它是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形高低起伏和地形大小特征的空间分布模型[5]。
ArcGIS计算土方量就是以DEM为基础，通过开挖前后模型叠加找出填挖边界，再对每一个区域通过多次建模求体积差来统计每一个回填和开挖区域的土方量，最后统计分析出整个工程的土方量的一种方法[6]。其实现流程如图1所示。
图1 土方量计算流程图
3 实现步骤
3.1 数据准备
基于ArcGIS进行土方量计算需要高程点、等高线等数据，而一般的测量数据都是cad格式，因此要将dwg格式的数据转换为Shapefile格式。
将dwg格式的等高线、高程点导出成shape格式，有如下两种导出方式：
（1）使用Autocad Map中的数据导出工具，分别将高程点以点模式、等高线以线模式导出为Shapefile格式。导出时注意将高程属性值也导出。
（2）直接使用ArcCatolog中的导出工具，将高程点、等高线导出为Shapefile格式。
3.2 数据检查
用ArcMap打开高程点和等高线的Shapefile数据，查看相关的高程值是否正确。如，查看Elevation字段是否为空等。
3.3 生成DEM
使用ArcGIS中的三维分析模块进行DEM的构建。首先通过ArcToolBox工具中的3D Analyst Tools–>Create TIN工具，创建一个空的TIN文件。其中，可通过Spatial Reference来设置空间参考。
然后再利用Edit TIN工具，通过选择等高线与高程点数据，来生成Tin。此处需要注意的是，要在tag_field选择存放高程值的字段。
3.4 表面积及体积计算
对于构建完成的TIN文件，我们可以通过3D Analyst–>Surface Analysis–>Area and Volume工具来计算指定高程面以上或高程面以下的面积及体积。
如在Height of plane中输入填挖后的平面高程值；如果要计算某一平面以上的体积，则选择“Calculate statistics above plane”；如果要计算某一平面以下的体积，则选择“Calculate statistics below plane”。
点击Calculate statistics按钮，即可对该TIN进行表面积及体积计算，图中，Surface area显示的是表面积（单位：平方米），Volume显示的是体积（单位：立方米）。
图2 面积及体积计算
3.5 土方量计算
如果已知工程填挖前后的地形，则可以直接计算出填挖量。首先根据施工前的高程点和等高线生成施工前原始的DEM，即TIN1；再根据施工后或设计的高程点和等高线，生成施工后的DEM，即TIN2；最后利用3D Analyst–>Surface Analysis–>Cut/Fill工具对TIN文件进行填挖计算。对于填挖后是某一平面的施工区，则可以根据高程制作一个平面作为TIN2。
经过填挖计算后，会直接生成一个图层，红色表示要填充土方的范围，蓝色表示要挖掉土方的范围。其属性表中，正值表示要挖掉的土方量，负值表示要填充的土方量，通过统计，即可分别计算出填方值和挖方值。
4 结论及建议
计算土方量的方法层出不穷，计算精度和计算效率也在逐步得到提高，但是大量的实践证明，基于ArcGIS计算土方量不仅方法简单、快速，而且其计算与地形无关，可以适用于各种地形项目。同时，此方法还可应用于方案评价或项目验收评定。
在应用ArcGIS计算過程中，笔者有如下建议：1）在生成DEM模型之前一定要对原始底图进行检查，例如：Elevation字段为空，将产生A类错误的结果；2）对DEM有效的范围要进行裁切，即土方量比较前后的范围应该是一致的，笔者认为应该将TIN模型转化成DEM模型来裁切；3）在生成TIN的过程中人工无法干预，因此一定要在底图过程中对等高线值或高程值进行干预，笔者认为底图的比例尺重要性就不大了，最重要的是等高距。如果要达到的精度不能满足要求，那么可以通过加密等高距的方法来实现。4）底图的制作，在比较范围内等高距最优选是闭合的，意味着等高线可以穿过陡坎、道路、房屋等地物。理想情况下等高距再最优成0.1m或更精确，那么将得到接近于真值的结果。
但是ArcGIS计算土方量对基础数据要求较高,其精度受地形、坡度以及像元大小等因素影响，一般情况下，像元越小，精度越高。对于有些人认为ArcGIS计算土方量操作繁琐，这些可以通过编写程序，调用ArcGIS中的相关功能模块，设定处理流程，对DEM数据进行自动处理。总的来说，该方法简单、可靠，程序编制工作量小，适用范围较广，可推广性极强。
参考文献：
[1] 潘红飞，赵翠薇. 基于TIN模型较高精度土方量计算方法[J]. 价值工程，2012,31（5）：P63-65.
[2] 王先鹏，曹荣林. 土方量计算的原理与方法及ArcGIS的应用前景[J]. 地理空间信息，2009,7（4）：P139-141.
[3] 刘美娥，乐晶，叶明珠. ARCGIS在农村土地整治项目土方计算中的应用[J]. 金色年华(下)，2011（7）：P204.
[4] 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）：P224-227.
[5] 李志林，朱庆. 数字高程模型[M]. 武汉：武汉大学出版社，2001．
[6] 郭宽伟，岑国平，马文轩，李强. ArcGIS在机场土方计算中的应用分析[J]. 四川建筑科学研究，2012（2）：P115-117.