ArcGIS在生态清淤工程量计算的应用研究

黄俊杰，陈 威，乔 胜

(上海勘测设计研究院有限公司，上海市 200335)

1 引言

湖区清淤工程量是排泥场规模及工程投资估算的重要依据，工程量计算的准确性直接影响到项目的进展及施工组织，关系到甲方、乙方的利益，甚至导致后期产生矛盾纠纷。目前常用的方法是断面面积法[1-2]，但是以断面中心截面的平均清淤厚度代替整个分条带的清淤厚度，在地形复杂多变的湖区会产生一定的误差，以及在勘测断面不平行的河、湖拐弯区域也存在忽略权重分配的问题。随着遥感技术和地理信息系统的发展，ArcGIS等软件也在土方量计算中得到应用[4]，而通过ArcGIS的栅格计算模块，可快速、准确、可视化地计算工程量，为设计工作提供更准确的计算依据，方便及时调整及验算。

2 计算步骤与原理

2.1 ArcGIS计算工程量步骤

图1 清淤设计高程H的导入及栅格化Fig.1 Import and rasterization of designed elevation (surface H)

(1)以岳阳南北港河生态清淤为例，将清淤前水下地形高程点数据导入ArcMap，通过插值的方式生成数字高程模型(DEM)[3]，水下地形数据一般由多普勒测深仪测得，轨迹为测量船自然航迹，采样间隔一般为数米至数十米不等，插值精度即像元大小为正方形网格，在计算机性能允许的情况下应尽量小，一般以<1 m为宜，视湖区大小而定，以保证处理精度；

图2 现状水下地形G的插值及裁剪Fig.2 Interpolation and clip of underwater topography(surface G)

(2)将初步设计的清淤控制高程及对应范围(清淤后泥面)导入ArcMap，并通过数据连接工具将标注的高程值赋值给不同清淤分块，使软件读取及指示设计清淤高程；利用矢量转栅格工具将以上数据栅格化，其精度及像元位置应与原水下地形一致并对齐，即形成清淤工程完成后的水下地形，如图1；并将现状水下地形按照以上范围裁剪，如图2，其中空白处为一直径约20米小岛。

(3)通过栅格计算器工具将上述两个栅格相减得到清淤厚度分布(G-H)，如图3所示，一般情况下利用表面体积工具以0米为基准计算此栅格体积，即可得到清淤工程量。

图3 清淤前后地形差值(清淤厚度)Fig.3 The difference between surface H&G(dredging depth)

图4 填方与挖方示意图Fig.4 Two alternative modes of reference plane setting

2.2 ArcGIS计算工程量原理

ArcMap的表面体积工具计算参数选择above时只计算挖方体积，选择below时只计算填方体积，如图4。由于清淤控制高程是根据分条断面中心情况决定的，因此在水下地形复杂、变化梯度大的局部湖区，依据断面中心地形得到的清淤控制高程在远离断面中心线的两侧可能会存在负值，即填方，这是由于设计断面间距不可能足够小导致的，实际工程此处不填方。

因此，如图5两种计算方法所示，若将上下两栅格直接以地平面为基准算出体积再相减(方法一：Vg-Vh)，会把填方量以负值计入总工程量，导致计算值低于实际(图为夸大误差示意)，此时应该计算新面(G-H)距离地平面的体积(方法二：Vg-h)，由方法一计算应该补加面(G-H)的填方量。

此外，由于ArcMap不能很方便地表述一个斜面，需要在放坡的分区中采用斜坡中点高程代表整个斜坡的平均高程，如图6。当坡较长而清淤厚度比较薄时，使用方法二会出现填方量，导致计算结果比实际高，此时应减去填方量，该值与方法一结果一致。

此时，使用方法一考虑了斜坡的影响，但将地形低洼处的填方量以负值计入总工程量，由此结果偏小。而采用方法二考虑了低洼处的影响但多算了斜坡处的工程量，计算结果则偏大。因此真值介于两者之间，此时应重点考察填方出现主要来自哪一种情况，若主要出现在远离断面分条中心线，则方法二的计算方法较为准确；若多数填方贯穿整个断面分条中心线，呈现沿程一侧挖方量大、一侧填方量大，这种情况是较长坡面取平导致的，此时采用方法一计算方法较为准确。

图5 两种计算方法示意(低洼处)Fig.5 Diagrams of two different calculation methods (among depressions)

图6 两种计算方法示意(坡面处)Fig.6 Diagrams of two different calculation methods (among slopes)

参考相关标准JTJ/T 321-96《疏浚工程土石方计量标准》，若不同计算方法差异过大，应该复核计算过程，以避免合同双方计量超过相关规定。以南北港河清淤为例，某一面积为59.4 hm2湖区两种计算方法得到的结果分别为28.4×104m3、27.2×104m3，两值之间相差超过4%，主要原因是存在较明显的主河槽蜿蜒贯穿清淤区而产生。为取得更高精度，可以在一开始直接将斜坡与平底分开后分别采用两种计算方法计算，操作上也较为便捷。

一般情况下，在湖区生态清淤工程设计中，填方或放坡同时出现的情况往往比较少，或者小范围局部出现，在泥深较浅、坡度较大的湖区，也可在研究清淤范围阶段就将其排除。以巢湖试点清淤区为例，由于湖区地形起伏小，清淤方案不含放坡及低洼区，清淤断面也较为规整，其552 hm2湖区工程量计算结果为158.80×104m3，与断面法结果158.93×104m3相差仅为0.08%。

2.3 结果与讨论

以上的清淤工程在方案研究阶段通过断面法设计时不能充分考虑地形的三维变化，如主河槽处于两断面之间，若按照临近断面设计的高程施工，河槽处将有大量的填方出现，会对工程量的计算和设计的合理性造成很大影响，这是在断面图上很难发现的，这是因为勘测阶段并没有从全局考虑断面的间隔、方向、相位等参数，相邻断面形成后无法在平面空间上建立联系。第二，一般断面的布置方向基本垂直于河道中心线，在河道转弯处存在不平行的断面，因而断面范围呈现扇形状，此时断面凸岸端较窄凹岸端较宽，因此使用断面法计算断面中心线的平均深度忽略了不同位置的分配权重。第三，湖区普遍存在具有点状辐射特点的岛或坑，如正好在断面上也只能呈现出岛或坑的某一个截面，并不能很好的代表整体分布。

因此，在工程量计算方法选择上，使用ArcGIS系统在大面积的平坦湖区可以更加简便，不需要人工计算且不易出错，而在地形复杂的河道需要额外一些步骤及分析，但准确性比断面法高。

3 结论

ArcGIS在生态清淤设计中的应用具有如下优点：(1)利用全湖区水下地形数据，建立完整的三维数字高程模型，相比利用某一个断面平均清淤厚度代表相对应分条更为准确，特别是在应对水下地形起伏较多及出现岛、坑、槽的情况；(2)河道转弯处存在相邻断面不平行的情况，在这种情况下计算考虑了扇形区不同位置的权重，结果也更为准确。(3)结果更为直观，实现了清淤厚度可视化效果，利于发现高程设计不合理的断面，便于设计参数的调整和优化。(4)自动化程度高，不需要手动计算每个断面的面积，可实时快速计算整个范围内的工程量，不易出错，方便修改及实时更新。ArcGIS除了在工程量计算的优势以外，在分析和规划方面也有很多长处，下一步应研究在方案设计阶段的应用，使断面设计的布置方式及结果更为合理。