辽宁省有色地质一〇四队有限责任公司 辽宁省营口市 115007
摘要:本文运用不同方法，对京沈高铁K39段的土方量计算进行处理分析。基于MS50扫描型全站仪三维建模，后期运用三角网DTM法、方格网法、断面法以及等高线法分别计算比较。算得的数据土方量真值进行比较，同时对结果分析，找出最佳方案。
关键词:土方量；MS50扫描型全站仪；Cyclong；
0 引言
土方计算应用广泛，主要用于开挖坑槽、基坑回填、场地平整等，是工程的重要步骤，施工之前需对土方量的填挖进行预算，便于估算费用和施工方案。
针对不同的土方工程可以获取不同的计算模型，在此领域已有很多国内外研究成果。例如，利用电子地形图，建立数字地形模型，以便进行勘察设计[1]。利用数字测绘技术，以土方量为研究对象，采用泊松分布模型对土方量数据进行拟合，建立曲线模型，并进行精度评定[2]。
1 不同土方量计算原理
1.1 断面法原理
断面法将待测量的土方以一定的间距进行等分并根据等分的间距将测量区域按竖直方向截成互相平行的横截面，使得每两个横截面组成一个梯形，计算每一个梯形的面积并计算总土方体积。
1.2 方格网法原理
网格法根据范围确定绘制网格，利用等高线插值方法得到实际高程各网格节点的实际情况h实际，以确定每一个网格的投影高度h预计[3]，计算出每个格网点处的挖方或填方高度h，若h>0则需要挖方，若h＜0则需要填方。
1.3 等高线法土方量计算方法原理
等高线法将纸图扫描并运用CASS软件进行数字化并计算图上每两条等高线所围城的封闭区域Sn，图中每两等高线高程和Vn土方每两轮廓线之间的高差hn相乘最后，积累所有的土方量，得出总土方量。
1.4 DEM土方量计算方法及原理
在Delaunay三角剖分中距离一个点pi最近的点pj，将pj连接到pi，在所有这些线的中点画垂线。这些垂线组成一个闭合多边形，被命名为“泰森”多边形，如果这个“泰森”多边形是由周围所有点的点集构造的，就会得到“Voronoi”图，连接泰森多边形内部的临近点，结果就会生成Delaunay三角网[4]。
1.5 MS50全站仪测量原理
徕卡MS50全站仪集成了多种程序，有放样、测量、自由设站以及三维点云扫描功能等。可以收集可视化地形测量数据并进行详细的高精度扫描。MS50全站仪附有丰富多样的机载程序，集成了高速三维扫描技术，高分辨率数字图像测量技术等，其扫描的精度很高，扫描速度可达1000米每秒，扫描距离约1000米，100米处的点位精度为0.8mm。
2 京沈高铁K36段土方量测量方案
2.1 工程概况
京沈高铁是一条连接北京和沈阳的高速铁路，是京哈铁路客运专线的一部分。 其中京沈高铁K36段位于阜新北部，呈现长矩形，海拔高度约为176米，东西长大约1300米，南北宽大约300米，总面积约为169000平方米。地势西部和北部偏高，东部和南部偏低。
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图2-1高铁地区航拍图
2.2 测量技术方案
2.2.1测量方案
1、已有资料
1) K36段范围内1：1000原状地形图；2) 京沈高铁K36段已知点两个；3) 京沈高铁K36段施工期部分范围填挖方量真实值。
2、质量控制和质量检查
利用MS50全站仪进行的土方测量的扫描范围覆盖整个测区，全站仪和GPS RTK测量点需要足够多，尽可能满足土方测量面积和选择测量点均匀分布在整个区域。
2.3 测量数据处理
2.3.1 CASS
CASS软件能够计算四种方法分别需要根据测得的高程点坐标数据建立DEM三角网模型、方格网模型、等高线模型以及横断面模型。对于不同的工程条件可以挑选不同的土方计算模型。
2.3.2 Cyclone
LeicaCyclone软件是三维激光扫描领域专用工程软件，相比于其他软件的主要特点可以输出多种地形图，如二维图、三维图、三维模型、线画图、点云图。点云数据采集可以批量处理。Cyclone软件也可以将采集的数据分批进行处理，依据标靶对点云进行拼接。
3 不同数据源计算方法数据处理分析
3.1 基于常规建模方法的数据处理
1、建立DTM三角网
1) 在CASS中展出高程点，检查并删除错误测量点；2) 画出待测土方高程点的复合边界线；3) 建立DTM三角网；4) 删除或过滤多余三角形以符合地形；5) 保存三角网文件设置保存路径保存文件，将文件保存为.sjw格式。
2、等高线法计算：
1) 打开已经建立好的DTM三角网；2) 绘制等高线（等高距选择为1米，拟合方式选择三次B样条拟合）；3) 删除三角网，保留等高线；4) 运用CASS中的工程应用进行等高线法土方计算。
3、方格网法
1) 画出计算区域复合边界线；2) 命令行输入命令fgwtf_getpt；3) 选择计算区域边界线；4) 输入原状高程点坐标数据，设计面选择三角网文件，输入已绘制好的现状地形三角网，格网宽度选择10米；
5) 确定方格起始位置，即可生成方格网模型，计算填挖方量。
4、DTM法土方计算
1) 展出原状地面高程点，画出原状土方区域复合边界线，选择高程点的范围和建模区域边界建立DTM三角网；2) DTM法计算两期土方。
5、断面法土方计算
1) 绘图处理，展高程点；2) 从垂直剖面线生成里程文件，设置横截面间距为20米，左侧横截面的长度150米，右侧横截面的长度长度为250米；3) 将横断面线按边界将多余部分剪切。4) 在现状数据文件中添加原状断面的横断面线；5) 在断面法土方计算中选择两断面线间土方计算，分别选择第一期和第二期的横断面线，得出断面法土石方计算结果。
3.2 基于cyclone的建模方法与数据处理
1、建立扫描空间
通过Import MultiStation MS50 Project的方式导入扫描文件，以Open Temporary ModelSpace View的方式打开Modelspace[5]。
2、点云处理
用Cyclone进行体积计算，首先建立网格。在Tool工具中选择Mesh，Create Mesh创建Tin Mesh，在View工具中选择View as，打开View Propertries对话框，在View as选项卡中选择Wrefrome，并进行Aply运用，可以换一种显示模式来显示出创建的不规则三角形。
计算参考面体积，可以设置参考平面的原点从而确定参考平面的高度。体积可以按照三角网或者格网来计算，选择采样间隔为1米，采样间隔的有效范围为0.01米至1米。
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图3-1创建参考面
4 总结
CASS断面法算得土方结果为挖方量797311.4m3，填方量1643.2 m3，方格网法结果为挖方量801387.4m3，填方量4149.4 m3，DTM方法结果为挖方量781308.7m3，填方量1431.7 m3，等高线法计算结果为总方量29392.281 m3。MS50全站扫描仪，使用Cyclone软件进行点云数据处理，土方量计算结果挖方量为802006.8 m3，填方量为零，根据已知资料数据土方量真值挖方量为801797.6 m3，可以得出断面法土方量计算结果与实际相比相差4486.2 m3，方格网法与实际相差410.2 m3，DTM法与实际结果相差20488.9 m3，Cyclone点云数据处理结果与实际相差209 m3。
通过结果分析，全站仪扫描数据，用点云处理方法结果最为精确，方格网法与Cyclone计算结果接近，但没有Cyclone的结果精确。MS50全站扫描仪扫描的分辨率高，扫描精度在10mm之内，能够精确的反映物体真实情况。Cyclone软件可以对土方量迅速计算并给出填挖方量信息，建立的Tin Mesh模型比较简单，并且适用于大量数据的计算处理。
参考文献：
[1] 程会超,张永珍.DTM法土方计算与误差分析[J].测绘科学,2011,No.103～121.
[2] 常青.工程土石方量计算方法的对比研究[J].中国勘察设计,2013,(4):82～84.
[3] 王洪光,程进明.浅谈土石方测算方法及其在工程中的应用[J].现代测绘,2012,v.3504.
[4] 范玉平.南方CASS在土方计算中的应用[J].测绘与空间地理信息,2011,34(4):49～50.
[5]Applied Mechanics and Materials,2012.Vol.1975 (204),pp.618-621TransTech.
作者简介（姓名：台淼、出生：1983年11月23日、性别：男、民族：汉族、籍贯：辽宁营口盖州人、