中国水利水电第九工程局有限公司 贵州贵阳 550081
摘要：南方CASS地形地藉成图软件是基于AutoCAD平台技术的数字化测绘数据采集系统,广泛应用于地形成图,地藉成图、工程测量应用三大领域。在土石方工程量的计算中,CASS工程应用中的DTM法土石方工程量计算被广大测量人员所采用,因DTM法土石方工程量的计算有“根据坐标文件”计算、“根据图上高程点”计算、“根据图上的三角网”计算和“计算两期间土方”计算的四种方法,每种计算方法都有在特定环境下的优越性与适用性,如何掌握各种方法的计算和根据实际情况采用对应的方法来进行土石方工程量的计算,保证计算精度,是测量人员必须掌握的基本技能。
关键词：CASS;DTM;土石方计算;应用实例
1 前言
在工程建设中,不管是工业建筑、民用建筑、水利工程、道路建设还是其它的工程建设中,土石方工程量的测量和土方石方工程量的计算在工程设计与施工中是非常广泛,因土石方工程量的外业测量和内业计算工作量大而烦琐,为了提高工作效率,目前全站仪,GPS等测量仪器和CASS、CAD、天正、飞时达等各种土石方工程量计算相关软件应运面生。南方测绘的CASS系列软件,20O0年被国土资源部作为全国测绘软件推荐使用,南方CASS软件的土石方工程量计算方法中,包括DTM法、断面法、方格网法、等高线法,其中 DTM 法是一种基于不规则三角网结构的土石方工程量计算方法,因其计算精度高而越来越被广泛采用,本文将以CASS 7.1为例介绍DTM法土石方工程量计算的应用。
2 DTM 模型法的适用范围及计算原理
DTM法土石方工程量的计算有四种计算模块，分别是“根据坐标文件”计算、“根据图上高程点”计算、“根据图上三角网”计算和“计算两期间土方”这四种方法,这四种方法根据原始地面.设计面和已知参数等,适用范围都各不相同,DTM 法各计算方法适用范围见表1。
表1 DTM法土石方工程量计算的使用范围
DTM 法土石方工程量的计算实际上就是计算原始地表与设计面之间的体积值或原始地表与开挖(回填)后的体积值,因此在 DTM法中,只需在计算区建立两个DTM模型,一个为原始地表DTM模型，另一个为设计地表DTM模型(或施工后的模型)，根据两个DTM模型差值即可求出计算区域内的土石方工程量。
DTM模型是CASS软件直接根据测量人员在区域内通过全站仪或GPS等测量仪器采集的原始数据特征点(x、y、z)构建成一系列互不交叉、互不重叠的三角形面组成的网络来近拟描述地形表面起伏变化特征,通过建立的三角网计算每一个三棱锥的挖填方量,由此累计得到计算范围内的挖方和填方量。三角网中的点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调,不改变原始数据和精度,能很好地适应起伏较大、不规则地形,从而将地表的特征再现,土石方的计算精度较高。
3 DTM 法土石方工程量的计算操作实例
有一深基坑开挖工程,根据设计图纸可知,原始地面高程约1 128m至1142m,需要开挖至设计面高程为1120m的长为120m,宽为70m的基坑，1 120m高程的设计面场地各角点坐标为a1（x3911.5m,y7716.5m）、
a2(x3911.5m,y7836.5m）、
a3（x3841.5m,y7836.5m）、
a4(x3841.5m,y7716.5m），设计边坡为1:0.5。土方开挖前,测量队根据坐标控制点用全站仪第一次对原始地形进行了坐标测量,共测了149个坐标点,当高程挖至1 127 m左右,测量队对开挖后进行了第二次坐标测量,共测了106个坐标点。现需要计算出基坑的设计开挖量和从原如地面挖至1 127 m左右时的实际开挖量,下面分别用“根据坐标计算”、“根据图上高程点计算”“根据图上的三角网计算”和“两期土方计算”的四种方法来介绍各种方法的计算实例。
3.1根据坐标计算法计算操作实例
(1)在施工单位进场对土石方进行开挖或回填前,测量队要复测设计单位提供的测量控制点,经复测无误后,进行测量控制点的加密工作,并利用控制点对原始地形特征点进行测量,依据设计开挖范围和设计开挖高程,计算土石方设计的开挖量。在开挖过程中,可随时对地形特征点进行坐标测量工作，利用坐标计算法来进行土石方开挖期间已完成工程量的计算或土石方未完工程量的计算工作。
(2)设计开挖量的计算方法
第一步:导入坐标文件
将外业通过全站仪或GPS等测量仪器对原始地形测量的第一次坐标数据文件(149个坐标点)导人到装有CASS软件的计算机里,导入第一次测量的原始坐标数据文件命名为“开挖前坐标. dat”文件,格式为(序号,编码, Y,X,H)。
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图1输入高程点数据文件名
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图2DTM土方计算参数设置
第二步:画出需要计算土石方工程量的区域线用鼠标点取在CASS最上面工具栏里的“工具”→“画复合线”功能,根据设计面的4个角点坐标，用复合线画出所要计算土石方长120m、宽70 m的区域,一定要用C闭合复合线,尽量不要拟合,因为拟合过的曲线在进行土石方计算时会用折线迭代，会影响计算结果的精度。
第三步:调用“根据坐标文件”的计算方法
用鼠标点取在CASS最上面工具栏里的“工程应用”一“DTM法土方计算”→“根据坐标文件”后，提示显示:选择计算区域边界线时,用鼠标点取所画的闭合复合线后,弹出如图1“输入高程点数据文件名”对话框,在查找范围里找到“开挖前坐标.dat”的文件,按“打开”。
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图3工程量计算结果
第四步:填入相关参数设置
在上步按“打开”后,屏幕弹出如图2“DTM土方计算参数设置”对话框,在“平场标高”里输入开挖(回填)后设计面的高程1 120,在“边界采样间距”输入10的间距(默认为20 m) ,因给了设计边坡值,鼠标要勾选“处理边坡”,根据设计要求点选“向上放坡”(注意不能计算向内放坡),并在“坡度”后填入设计的坡度值0.5 ,按“确定”。
三角网法土石方计算
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图4填挖方量计算结果表
第五步:自动计算土石方开挖量
1)在上步按“确定”后，屏幕自动绘出复合线内的三角网，填挖方的分界线(白色线条)图,并同时显示如图3“工程量计算结果”图，从图上可知基坑的计算挖方量为184 765.1 m3。每个三角网的土石方工程量计算表dtmtf.iog(记事本文件)在CASS的安装盘里的Program Files/ cass70/SYSTEM里。
2)在图3“工程量计算结果”的对话框里按“确定”后，用鼠标在图上适当位置点击，软件自动在鼠标处绘出一个计算表格如图4“填挖方量计算结果表”，表格包含平场面积(8 400 m2)、最小高程( 1 128.3 m)、最大高程( 1 142.7 m)、平场标高( 1 120 m)、挖方量( 184 765.1 m3)、填方量( 0.00 m3)，表的上方是区域线内三角网图形。
通过以上五步，就可计算出基坑土石方工程的设计开挖量。
(3)实际开挖量的计算方法
在开挖期间，测量队第二次对开挖后的地形进行了坐标测量(106个坐标点)，可将第二次的坐标测量当成是第一次的坐标测量，采用上面“设计开挖量的计算方法”相同的步骤来计算实际开挖量的计算。
3.2据根据图上高程点计算操作实例
(1)设计开挖量的计算方法
第一步:展绘高程点
用鼠标点取在CASS最上面工具栏里的“绘图处理”→“展高程点”功能，弹出如图1“输入高程点数据文件名”对话框，在查找范围里找到“开挖前坐标.dat”的文件，按“打开”后,点鼠标右键，就将“开挖前坐标.dat”文件里的所有坐标点展绘出来。
第二步: 画出需要计算土石方工程量的区域线
同上面的“根据坐标计算法计算操作实例”相同。
第三步:调用“根据图上高程点”的计算方法用鼠标点取在CASS最上面工具栏里的“工程应用”→“DTM法土方计算”→“根据图上高程点”后,提示栏显示:“选择计算区域边界线”时,用鼠标点取所画的闭合复合线。
第四步:填入相关参数设置
弹出如图2“DTM土方计算参数设置”对话框，参数的设置同上面的“根据坐标计算法计算操作实例”相同。
第五步:自动计算土石方开挖量
具体操作方法与上面“根据坐标计算法计算操作实例”的方法相同。
(2)实际开挖量的计算方法
在开挖期间,测量队第二次对开挖后的地形进行了坐标测量(106个坐标点) ，可将第二次的坐标测量当成是第一次的坐标测量，采用上面“设计开挖量的计算方法”相同的步骤来计算实际开挖量的计算。
3.3据根据图上三角网计算操作实例
(1)设计开挖量的计算方法
第一步:整理三角网
根据实际地形，对在CASS软件上已生成的三角网进行必要的添加和删除，使结果更接近实际地形。
第二步:调用“根据图上三角网”的计算方法用鼠标点取在CASS最上面工具栏里的“工程应用”一“DTM法土方计算”→“根据图三角网”后，提示显示:“平场标高(米)”时,输入设计面高程1120。
第三步:选择图上选取三角网
提示栏显示:“请在图上选取三角网”，鼠标可以逐个选取也可拉框批量选取参与计算的三角网，按鼠标右键或回车键，屏幕弹出如图5所示“工程量计算结果”。
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图5工程量计算结果
(2)实际开挖量的计算方法
在开挖期间，测量队第二次对开挖后的地形进行了坐标测量( 106个坐标点)，可将第二次的坐标测量当成是第一次的坐标测量，采用上面“设计开挖量的计算方法”相同的步骤来计算实际开挖量的计算。
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图6 建立DTM
3.4两期间土方计算操作实例
两期间土方计算指的是对同一区域进行了两期测量，利用两次观测得到的高程数据建模后叠加，计算出两期之中的区域内土方的变化情况。适用的情况是两次观测时该区域都是不规则表面。
(1)土方量的计算方法
第一步:导入坐标文件
将外业通过全站仪或GPS等测量仪器对原始地形测量的第两次坐标数据文件(第一次为149个坐标点，第二次为106个坐标点)导入到装有CASS软件的计算机里，导入的坐标数据文件可命名为“开挖前坐标. dat”文件，格式为(序号,编码,Y，X，H)和“开挖后坐标. dat”文件。
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图7 三角形网图
第二步:建立三角网
1)建立开挖前三角网
用鼠标点取在CASS最上面工具栏里的“等高线”→“建立DTM”后，弹出如图6“建立DTM”，点选“由数据文件生成”，并在“从标数据文件名”下选中“开挖前坐标”的文件，按“打开”→“确定”，自动绘出了三角网图见图7“三角网图”，并同时自动生成“开挖前坐标.sjw”三角网文件，该三角网文件保存在“开挖前坐标.dat”文件的同一个文件夹里。
2)建立开挖后三角网
具体操作方法采用与上面相同的方法可建立开挖后的三角网。
第三步:调用“计算两期间土方”的计算方法用鼠标点取在CASS最上面工具栏里的“工程应用”→“DTM 法土方计算”→“计算两期间土方”后，提示栏显示:“第一期三角网:(1)图面选择(2)三角网文件<2>”，按鼠标右键或回车键来选择“三角网文件”的方法，屏幕弹出图8“输人三角网文件名”，选中“开挖前坐标”文件并按“打开”。提示栏显示:“第二期三角网:( 1)图面选择(2)三角网文件<1>”，输人1 ，按确认后，在弹出的如图8“输人三角网文件名”里，选中“开挖后坐标”文件并按“打开”，CASS自动计算出两期间土石方开挖的工程量为59761.2 m3，填方量为86.5 m3，见图9“方量计算结果表”所示，鼠标按图9中的“确定”后，屏幕自动绘出两期三角网图。
图9 方量计算结果表
4结束语
(l)通过上面的实例可知，“根据坐标文件”的计算方法，此方法不需要在CASS上展高程点，当绘出设计面的范围闭合复合线后，模块可直接根据坐标文件自动生成三角网，就可计算出土石方工程量。
(2)“根据图上高程点”的计算方法，此方法需要先在CASS上展绘高程点，也需要绘出设计面的范围闭合复合线后，模块可直接图上高程点自动生成三角网，就可自动计算出土石方工程量。
(3)“根据图上的三角网”的计算方法，此方法需要先在CASS上建立三角网，不需要绘出设计面的范围闭合复合线，模块根据三角网自动计算出土石方工程量。
(4)“计算两期间土方”的计算方法，此方法需要先在CASS上分别建立开挖前和开挖后两次三角网，也不需要绘出设计面的范围闭合复合线，模块根据两次的三角网文件自动计算出土石方工程量。
(5)根据表1“DTM 法土石方工程量计算的适用范围”可知，DTM模型法中的“根据坐标文件”计算和“根据图上高程点”计算只适用于设计面为平面，设计面的边坡都为同一个坡度的情况下，而“根据图上的三角网”计算的方法，只适应用设计面为平面，设计面的边坡都为垂直边坡的情况。当设计面为斜面、设计边坡为不同的坡度或边坡上有马道等复杂的设计面时，就不能用DTM模型法的前三种方法来计算土石方的设计工程量，我们可以根据设计图纸，先计算出复杂设计面、马道。边坡等的特征点的坐标和高程点，生成. dat类型的设计面坐标数据文件，采用DTM模型法中的第四种“计算两期间土方”的计算方法，将生成的. dat设计面的坐标数据文件作为第二期坐标数据文件，就可计算出复杂设计面情况下的设计工程量。
南方CASS 软件中的DTM 模型法的四种土方计算精度高，内业操作简便,计算快速高效，DTM模型法在工程应用中得到广泛的应用，特别是“计算两期间土方”的方法适用范围更广。4种计算方法有各自的优点和局限性,根据不同情况选择一种更为有利的计算方法，准确的反映现场的实际情况,保证计算精度。
参考文献:
[1]南方测绘仪器有限公司.数字化地形地籍成图系统7.O用户用册.
[2]工程测量规范(GB 50026—2007).