地理信息系统专业 两个TIN 如何做减法

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-12-22 01:43 标签： 地理信息系统原理
　　[摘要]利用GPS接收机获取三维地形点数据，然后运用Arcgis的3D analyst模块生成TIN模型，计算填挖土方" />
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基于GIS的土方量填挖计算方法及应用
　　[摘要]利用GPS接收机获取三维地形点数据，然后运用Arcgis的3D analyst模块生成TIN模型，计算填挖土方量。填挖土方量的计算结果与实际结果比较，挖方误差约为-4.7%，填方误差约-1%。与cass相比具有较高的精度和可视化效果，可作为工程造价土方计算的方法。 中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-5318167.htm　　[关键词]Arcgis TIN 土方量计算 　　[中图分类号] U416.1+1[文献码] B[文章编号] X（2013）-10-260-2 　　在水利水电工程，土地整理和道路选线等领域，往往要对原地貌进行改造以便于布置各类建筑物；平整土地以便于农田管理?铺设地下管线等。而对所改造区域进行填挖土方量计算是工程造价的重要组成部分。特别是在土地整理项目中，填挖土方占据工程总投资的约40%-80%[4]。传统的土方量计算方法主要有断面法?方格法?等高线法等[6-8]，主要利用cass软件实现。随着计算机技术与现代测绘技术日臻成熟，利用地理信息系统软件计算填挖土方量成为可能。本文基于Arcgis软件的强大功能，在对其原理、方法论述的基础上，通过工程实例进行了填挖土方量的准确计算。 　　1计算原理 　　Arcgis是美国环境系统研究所（ESRI）开发的新一代基于窗口的集成GIS软件，支持多种类型的数据和大型数据库，有强大的空间分析、统计分析功能[2]。运用Arcgis的3D analyst模块生成TIN模型之后，可以通过cut/fill命令计算生成填挖土方量。 　　1.1数字高程模型（DEM） 　　DEM是对地形地貌的一种离散的数字表达。从数学的角度，DEM是一种用X、Y、Z坐标对地球表面地形地貌的一种离散数字表达，是表示区域D上的三维向量有限序列，用函数的形式表述为：β=（X，Y，Z）（i=1，2，3，…，n）（式中X、Y为平面坐标，Z是（X，Y）所对应的高程值）。DEM模型按照数据的表现形式主要分为两种：不规则三角网（Triangulated Irregular Network简称TIN）和规则格网（简称GRID）[1]。 　　TIN采用离散数据点生成的连续的不重叠的不规则三角形网格来表示地形表面，在地形平坦的区域，三角形面片数较少，可以有效减少数据存储量。在生成三角形面片时，形状和大小有很大的灵活性。TIN还能较容易地表示断裂线和地形起伏较大的区域，较好地顾及地形地貌特征，逼真地表示复杂地形的高低起伏变化，克服地形平坦区域的数据冗余，适用于大比例尺的高精度地形建模。常常用做坡度、坡向、体积、土方量填挖量等计算的基础数据。 　　1.2TIN数据结构 　　如图1-（a）中每一个三角形都由三个顶点三条边构成。图1-（b）中每一个顶点都对应着三个字段，分别存储X、Y、Z三个坐标值。1-（c）中第一列表示三角形编号；第2、3、4列表示组成三角形的顶点编号；第6、7、8列表示三角形的邻接三角形，X表示空集。这种存储方式有较高效率[1，2]。 　　1.3填挖土方量计算原理（三棱柱法） 　　设已知高程面为三角形A1B1C1规划水平高程面为三角形A2B2C2（如图2）。ZAi、ZBi、ZCi分别是Ai、Bi、Ci高程值，Hi是ΔAiBiCi平均高程值。 　　Hi=（ZAi+ZBi+ZCi）/3 　　S是ΔABC的面积。根据规划水平面和已知高程面的关系可以分为三种情形。 　　第一种如图2-（a）所示。规划水平面完全在已知高程面之上。此时只是进行填方处理。 　　V填=S*（H1-H2）（负值表示填方） 　　第二种情形如图2-（b）所示。规划水平面完全在已知高程面之下。此时只是进行挖方处理。 　　V挖=S*（H1-H2）（正值表示挖方） 　　第三种情形如图2-（c）所示。Hi是ΔAiBiCi平均高程值，当H1>H2 属于第二种情形；当H1<H2属于第一种情形 　　实际地形可以抽象成N个由图2所示的小棱柱组成。填（挖）方量求和就是总填（挖）方量。 　　令 V填=V挖=0，K=1 　　While（K<=N） 　　{ 　　V=S*（H1-H2） 　　If（V>0） 　　V挖=V挖+V 　　Else 　　V填=V填+V 　　} 　　2数据处理与结果分析 　　2.1数据采集与处理 　　本文利用GPS动态测量方式于渑池红花窝采集1904个地形点。地形点选择在地物轮廓线上的转折点?交叉点，沿着山脊线?山谷线?倾斜变换线等分布。地形较为复杂时，适当增加采样点密度，确保正确反映真实的地形地貌[3]。 　　在渑池县红花窝采集得到的地形点数据如表1，Y表示东坐标，X表示北坐标，Z表示独立坐标系系下高程。 　　数据经过一定处理导入Arcgis软件后，选择3D analyst模块下CREATE TIN FROM FEATURES命令生成原始地形数据视图（图3）规划地形数据视图（图4）。由点数据生成TIN数据采用曲面移动拟合法。 　　2.2对两个TIN数据进行运算 　　点击3D analyst----surface analyis----cut/fill命令。在弹出的对话框里面，Before surface选择原始地形数据，After surface选择规划高程面，点击OK。生成结果如图5，浅灰色Net Gain表示填方部分，黑色Net Loss表示挖方部分。 　　打开生成填挖数据库（如表2），字段ROWID是系统自动产生的编号。字段VALUE表示一个标记值，与字段ROWID一样可以唯一标识填挖生成的区域数目。字段COUNT与字段AREA标识填挖区域面积，单位是平方米。字段VOLUME标识填挖的土方数量，小于0表示要填土，大于0表示要挖土，单位是立方米。 　　2.3计算结果对比 　　为了验证计算结果正确性，本文与与cass计算结果以及实际填挖方量进行了比较（如表3）。通过对比分析，我们可以得到Arcgis具有计算精确，速度快的优点。 　　3结语 　　Arcgis有强大的三维空间分析处理能力，并且地形数据三维可视化，界面美观，操作简单，计算速度相对较快。利用Arcgis计算土方量，应合理采集地形点数据。当数据点分布相对合理时，不仅可以减少计算机存储量而且可以精确地计算填挖土方量。此外，Arcgis还能够对地形数据进行动画漫游浏览，分层设色，将填挖方量选择性生成表格和图表。与其他土方计算方法方法相比有明显的优势。 　　参考文献 　　[1]张成才，成昆等.GIS空间分析理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2004. 　　[2]汤国安，杨昕.地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006. 　　[3]王铁生等.测绘学基础[M].郑州：黄河水利出版社，2008. 　　[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）： 224-227. 　　[5]胡振琪等.ERDAS在土地整理土方量计算中的运用[J].中国土地科学，）：50-54. 　　[6]陈勇.利用Arcgis地统计分析进行土地平整土方量计算的研究[J].安徽农业科学，）：70-71. 　　[7]陈勇等.DEM在丘陵地区土地整理项目中的应用研究[J].测绘科学，）：170-172. 　　[8]张超等.平原区土地整理中的土方量计算方法比较[J].测绘科学，）：84-87.
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