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1、武汉大学城市信息系统实践课程论文 学号 密级 公开 城市信息系统实践课程论文基于GIS填挖方计算的开发造价计算及对总体规划的评价以某镇总体规划为例学 生 姓 名 ： 二一五年七月郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要 土地平整工程在土地开发建设过程中处于非常重要的位置，特别是对于起伏较大的土地，准确、
2、快速、高精度的土方量计算对于合理安排工程进度、工程量大小计算和投资预算具有十分重要的意义。本文以大悟县某某镇总体规划中镇区填挖土方量计算为例，利用ArcGIS软件平台，通过不规则三角网(TIN)分别建立项目原始地面和规划地面的数字高程模型(DEM)，利用其表面差异分析功能实现ArcGIS 在土方量计算中的应用。实验结果表明，应用ArcGIS计算土方量，具有操作简便、计算精度高、能够实现三维可视化等优点，对于指导项目的开发建设具有重要作用。关键词：土地平整；土方量计算；ArcGIS地面模型；微丘地形AbstractLand levelling project has a very importa
3、nt position in the process of land exploitation and construction. Especially for the much fluctuant lands, accurate, fast and precise calculation of earthwork calculation has very important significance for making the reasonable arrangement of the project schedule, the calculation of engineering qua
4、ntity and investment budget. This paper is based on the excavation and backfilling earthwork calculation within the township of The overall planning of Xincheng town in Dawu county, uses the software platform of ArcGIS, the triangulated irregular network (TIN) of the studied area was used to establi
5、sh the original and planned ground digital elevation model (DEM), then uses the surface difference analysis function of ArcGIS in the earthwork calculation. The results show that the application of ArcGIS in calculating earthwork, has the advantages of simple operation, calculation precision, and th
6、reedemon-signal visualization, and other advantages. It has important impact in conducting the development and construction of projects.Key words: land leveling; earthwork calculation; ArcGIS ground model; micro dune terrain目 录摘 要1Abstract4第一章 绪 论61.1研究背景61.2 ArcGIS在填挖土方量计算中的应用现状71.3本文研究的主要内容7第二章 基于
7、ArcGIS的挖填土方量计算原理72.1数字高程模型72.2 ArcGIS计算土方量的原理8第三章 某某镇总体规划挖填土方量预算83.1某某镇概况83.2原始数据准备与检查93.3创建原始地表面93.4输入规划地表面高程93.5创建规划地表面103.6土石方量计算103.7对总体规划的评价10第四章 应用ArcGIS计算土方量的要点114.1数据要点114.1.1对于地块原始高程数据的收集114.1.2对于地块规划高程数据的获取114.2操作要点114.2.1为规划地块边界输入高程114.2.2创建规划地表面11第五章 ArcGIS计算土方量的优点和不足125.1 ArcGIS计算土方量的优点
8、125.1 ArcGIS计算土方量的不足12结 论13参 考 文 献14致 谢15第一章 绪 论1.1研究背景随着我国城市的快速发展，用地规模也在快速扩张，土方工程在各种开发建设的项目中占有越来越重要的地位。合理的土地开发整理是实现土地可持续利用与耕地总量动态平衡的一项重要工作；是保护农耕地和生态环境的有效措施；也是提高土地利用率，促使土地集约化利用的重要手段。在目前的土地开发整理项目中，土地平整的土方工程量和工程预算约占项目总工程量及总预算的30%60%，因此，精确的计算填挖土方量是合理安排项目进程、准确估算项目造价以及顺利审查项目工作的关键。土地平整主要包括土地开挖、运输和回填等主要施工过
9、程，开挖土方的置放以及回填土方的来源是衡量项目设计是否合理的一个重要因素。特别是对于大型建设项目的场地平整，填挖土方工程量可达数百万立方米甚至更多，土地平整的施工周期也会随着土方量的增加而增加。目前存在许多以微丘地形为主的小城镇，对于这些小城镇的开发建设，一个比较理想的情况就是场地内开挖土方与回填土方的平衡，尽可能提高土地资源利用率，因此，简便、快速、高效的填挖土方量计算对于微丘地形的小城镇显得尤为重要。目前，传统的土方量计算方法有断面法、方格网法、散点法和表格法。断面法一般用于道路、沟渠和管线等地面起伏较大的带状地形，其前期野外测量工作量大，且计算方法较为繁琐；方格网法则适用于大面积平坦或高
10、差变化不大的地区，其模型简单，易于实现，但精度较低；散点法适用于变化均匀，不太复杂的地形；表格法计算土方量，测算范围虽不受地形限制，但计算工作量大且效率不高1。传统的计算方法对于微丘地形小城镇的小型开发项目中填挖土方量计算会显得比较简单，但对于要用填挖土方量的平衡评价其总体规划对于该小城镇的发展是否具有正确的指导作用，就会显得棘手。微丘地形往往情况复杂，对于大面积不规则的微丘地形无法使用传统方法快速、精确地计算填挖土方量。随着我国计算机科学和地理信息技术的发展和运用，ArcGIS的空间分析技术逐渐成熟，越来越多的运用在解决城市土木工程问题中,将ArcGIS技术与其他辅助手段结合，可以更为精确、
11、快速的解决复杂地形的填挖土方量计算问题。1.2 ArcGIS在填挖土方量计算中的应用现状在国外，ArcGIS应用较为成熟，早在二十世纪六十年代，美国就已经广泛运用ArcGIS技术对土壤状况、地质灾害及土地适应性进行了评价。在同一时间，美国麻省理工学院的Chairs L Milter教授提出了数字高程模型(Digital Elevation Model,缩写DEM)，应用这个模型可以直接生成等高线图、地形透视图、地形断面图以及地形可视化通视图2。运用DEM还可以进行土方量计算，主要是利用其提供的高程相关信息，用矢量数据创建TIN，根据创建的三角网模型结合3D分析功能系统协作完成。该方式在理论研究
12、和应用实践方面有了很大的进展，目前，DEM模型及TIN算法在土方量的计算中已被世界许多国家成熟应用。在我国，将ArcGIS应用到土地开发项目中的土方量计算还处在初级阶段，但已有部分成功应用的案例。随着我国由数字城市向智慧城市的转型，越来越多先进的遥感技术可为城市的建设提供详细的土地资料，为ArcGIS进行土方量计算提供良好的基础数据。对于地形复杂，面积较大的建设项目，使用传统方法进行土方量计算已显得捉襟见肘，利用遥感技术获取丰富的地形基础资料，结合ArcGIS分析功能，快速、准确的计算土方量是未来发展的趋势。1.3本文研究的主要内容基于以上传统方法在填挖土方量计算中的存在的缺点以及国内外Arc
13、GIS的研究现状，本文首先阐述应用ArcGIS计算填挖土方量的思路及原理，并以大悟县某某镇的总体规划为例，计算某某镇新一轮总体规划对于现状所需要进行的挖填方土方量，评价其合理性；并总结其操作过程所需要的重要数据及其分析结果存在的问题，为指导微丘地形的小城镇发展建设提供新的借鉴方法。第二章 基于ArcGIS的挖填土方量计算原理2.1数字高程模型数字地形模型是以数字形式存储的地球表面地形信息的集合，地形信息包括高程、坡度、坡向等，其中高程信息是最基础的信息，专门存储高程信息的数字集合就是数字高程模型。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
14、的三维向量有限序列，用函数的形式表述为：=(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（TIN）和规则格网(GRID)3。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4。因此TIN可以用于高程信息
15、表达、土方工程量计算、面积计算、坡度研究以及地学分析等，在土地平整、机场设计和城市规划等多个领域应用广泛。2.2 ArcGIS计算土方量的原理在ArcGIS上应用TIN模型计算项目地块填挖土方量时，首先需要根据实地采集的地面高程点坐标和高程数据，建立原始地表面TIN模型；其次需要在相同坐标系中建立其规划地表面的TIN模型；然后通过TIN 表面差异功能计算原始地表面TIN与规划地表面TIN之间的体积差异。通过此方法不仅可以找到原始地表面TIN和规划地表面TIN之间的交线，即为挖填分界线，还可以计算每个回填区或开挖区的体积。最后通过ArcGIS的统计分析功能，得到各区域挖填土方量的总和，可对比得到
16、平整该地块所需要开挖的土方量和回填的土方量是否平衡，以评价规划方案的合理性与可行性。第三章 某镇总体规划挖填土方量预算3.1某某镇概况某某镇位于大悟县中部，其中心城区为微丘地貌，海拔在80150米之间，因为地形地貌的起伏，其建筑布置呈现一定的山地特色。某某镇镇区现状建设用地为1.67平方公里，其于2015年4月编制新一轮的总体规划，规划建设用地规模扩大为4平方公里。规划方案内有很多区域都有地势较高的土丘与地势低洼的冲沟，因此某某镇若要将新一轮的总体规划落实，进行新开发区建设，势必要对土地填挖土方量进行一个整体预算，评价其总体规划的可行性。3.2原始数据准备与检查基于ArcGIS进行填挖土方量计
17、算需要高程点与等高线等源数据，将某某镇镇区规划范围内的高程点与等高线导入ArcGIS（图3.2），检查数据的Elevation属性是否为空，同时对数据进行筛选，将高程有误的高程点与等高线删除。图3.2 某某镇高程点与等高线图 图3.3 某某镇镇区原始地表面3.3创建原始地表面通过ArcGIS工具箱中的3D Analyst模块对镇区原始地表面，利用镇区高程点与等高线创建镇区TIN模型（图3.3）。3.4输入规划地表面高程图3.5 某某镇镇区规划地表面图3.4 某某镇镇区规划图规划道路中线将规划区分成若干地块，把道路中线作为地块边界，将其cad文件导入GIS（图3.4），并转换成具有Z值的shap
18、efile格式的线文件，同时将新规划镇区的高程输入。3.5创建规划地表面在CAD中将镇区在规划建设范围内的原始高程点与等高线删除，并导入GIS中，结合镇区新规划高程生成某某镇规划地表面（图3.5）。3.6土石方量计算根据GIS创建的原始地表面TIN模型与规划地表面TIN模型，应用3D Analyst分析模块中表面差异的功能计算以上两个模型之间的差异，可以获得填挖区域及相应的土方量，对结果进行剪裁可得到仅规划范围内的填挖区及土方量。然后运用GIS统计功能统计规划范围内挖方量及填方量，可得到规划镇区建设范围内挖方量为13687491m，填方量为13232517m，由此可以看出在微丘地形的地区进行开
19、发建设需要进行较大规模的土方量工程。图3.6 某某镇镇区规划填挖方3.7对总体规划的评价在以上获得的填挖土方量的结果中可以看出，最终仅有454974m的土方开挖后需另选区域置放，若考虑运用在城市公园的建设当中，则这部分多余的土方可以应用在营造城市公园的坡地景观之中，形成该微丘地形的特色景观。因此，从分析获得的结果中可以知道该总体规划方案的实施基本上可以保持建设区范围内开挖和回填土方的平衡。若按照目前市场价格来计算（土方不外运的情况下平均为10元/平方米，外运的情况下将高达3040元/立方米），该总体规划在土地平整的投资额约为1.5亿元左右；按规划期限15年来计算，则年均需投入1000万元。对于
20、某某镇这样一个微丘地形的城镇，该结果属于可接受的范围。第四章 应用ArcGIS计算土方量的要点4.1数据要点ArcGIS计算填挖土方量是基于原始地表面与规划地表面TIN模型之间的差异进行计算的，因此对于该种方法而言最重要的是地块高程数据的获取以及高程数据的丰富程度。4.1.1对于地块原始高程数据的收集原始地块的高程信息应当具有足够的丰富度。随着科学技术的进步，类似于GPS的测绘仪器可在短时间内获得地块丰富的高程信息；另一方面，随着我国数字城市的发展，越来越多的地形基础信息可通过遥感技术获得，因此，对于原始地块高程数据的收集应当充分运用先进的科学技术。4.1.2对于地块规划高程数据的获取规划地块
21、的高程数据主要是根据道路与管道规划等相关内容进行设计，在总规设计层次，可以从道路或者管道的交叉结点获得初步的设计高程，并按道路或管道的坡度获得相应地块边界的高程，以提高规划地块高程信息的丰富度。4.2操作要点4.2.1为规划地块边界输入高程在给规划地块边界输入高程时有两个操作要点，一个是需要将规划地块的坐标与原始地块的坐标一致，这样才能保证后期进行表面差异分析计算土方量的准确性；二是需要在GIS编辑状态下按边界的结点依次输入设计高程，该过程是运用ArcGIS计算土方量的关键步骤，也是工作量最大的。4.2.2创建规划地表面创建规划地块TIN模型首先需要把规划范围内的原始高程删除，包括高程点与高程
22、线，然后结合规划地块边界更新原始地表面。该过程在GIS中操作会产生一定的误差，因为GIS在描绘规划用地边界时无法捕捉边界，因此可以在CAD中以规划范围为边界，清除边界以内的原始高程点与等高线，再导入GIS中结合规划地块创建规划地表面模型。第五章 ArcGIS计算土方量的优点和不足5.1 ArcGIS计算土方量的优点通过以上实验可以看出，应用ArcGIS计算挖填土方量有以下几点优势：（1）逻辑思维清晰，过程简单，速度快，自动化程度较高。先进的测绘技术可在短时间内活动丰富的高程数据，传统方式无法利用这些数据进行更加精确的计算，而ArcGIS可灵活的运用这些数据进行操作。（2）省去了由离散点到网格点
23、的数据转换过程。ArcGIS直接利用精度高于内插网格点的离散点进行三角网的建立，创建逼真的三维地形模型。（3）TIN的边长灵活，而较传统方法则是以边长较为固定且位于水平位置的四边形来拟合真实地形，相比之下，ArcGIS创建的TIN模型更能真实反映地形地貌的状况。因此，无论是从数据来源还是计算模型上看，应用ArcGIS来进行土方量的计算，精度较高，成果较可靠。（4）在高差较大或者复杂的微丘地形当中，只需在ArcGIS输入设计高程，创建原始地表面与规划地表面即可计算其开挖与回填的土方量，此方法还能将结果在ArcScene中实现土方模型三维化，形象逼真（图5.1）。 (a) （b） (c)图5.1
24、ArcGIS土方量计算TIN模型5.1 ArcGIS计算土方量的不足在实验的操作过程中，ArcGIS也存在如下几点问题：（1）应用ArcGIS清除规划边界内的原始高程点与等高线，划定清除边界时，无法捕捉规划边界，容易造成误删边界或者原始高程数据残留，对于创建规划地块TIN模型造成一定影响。清除原始高程数据需结合CAD进行可使计算结果更为准确。（2）在ArcGIS中给规划边界输入设计高程时需按边界结点依次输入，该过程未能实现智能化，需要花费较长时间。如果仅仅是对于某一开发建设地块，设计高程点数据较少，任务并不繁重；但如果应用到较大面积，并且分成许多地块，像试验中对某某镇的总体规划进行评价，则其对
25、于设计高程点智能输入有较大需求。结 论在本文中应用ArcGIS对某某镇新一轮总体规划的填挖土方量进行计算取得较好的结果，对于其微丘地形土方工程最重要的一点就是实现挖方与填方的平衡，从计算的结果表明新一轮的总体规划对于土地平整工程中的成本投入处于可接受的范围，并且对于多余的挖方可通过其他形式利用进行消化。本次实验表明，将ArcGIS对于土方量计算的功能扩大到总规层次，可对总体规划的合理性进行评价。但由于面积的扩大其也会带来相应的问题，譬如设计高程点的输入比较繁琐，清除规划范围内的原始高程存在误差。毕竟ArcGIS的编辑功能是短板，但对于数据的可识别范围以及数据的转换有很大的优势，因此将CAD、S
26、ketch up等数据编辑软件与ArcGIS结合能使ArcGIS应用在更加广阔的范围里，发挥更强的分析运算能力。本次实验也存在一定的误差，新规划地表面中未能将规划保留区域保存，主要因为现状保留区的范围没有明确，而总体规划中的设计高程会改变保留区域的地形，因此在本次实验中未出现不需进行填挖方的区域，只有开挖区与回填区，该实验结果对评价有一定的误差影响。若需减小该误差，则需要对数据进行多次转换与筛选，其对于ArcGIS有更高的操作需求。参 考 文 献 1 陈朝霞，吴向南，朱记伟，马斌. 基于ArcGIS 的土地开发整理挖填土方量计算研究及应用J.测绘与空间地理信息，2015，38（2）：63-65
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29、.13 李登富，张建帅，王光彦. ArcGIS在土方计算中的应用探讨J. 黑龙江科技信息，2011(08)：56.致 谢在论文完成之际，我要感谢我的指导老师许小兰、周俊老师的悉心指导。在我撰写论文的过程中,许小兰、周俊老师给我无论在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,都提供了细致的教诲和无私的帮助，特别是他们广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在这三年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此一并致以诚挚的谢意，感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。谢谢我的家人，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们!本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬!感谢!15