《基于ArcGIS的航道疏浚方量计算及可视化研究》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

基于ArcGIS的航道疏浚方量计算及可视化研究

范文

王亚章于海波

摘要：多波束测深系统是一种高效率、高分辨率的水下地形测量设备，能够对测区进行全方位的扫测。人们可以使用多波束测深系统对指定水域进行水下地形测量，获得较为详细的水深数据，然后通过对水深数据进行分析，研究和了解水下地质地貌等特征，最终将其应用于工程实践。基于ArcGIS平台，本文应用航道疏浚项目的基础数据，通过不规则三角网（TIN）建立研究区的数字高程模型（DEM），探讨ArcGIS在疏浚方量计算中的应用，并对研究区的挖填量进行计算。结果表明，应用ArcGIS计算疏浚方量的原理简单，速度快，其能够实现三维可视化，具有可行性。

關键词：ArcGIS;疏浚方量计算;TIN;DEM

中图分类号：P208;TU751文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）03-0025-03

Research on Calculation and Visualization of Channel

Dredging Volume Based on ArcGIS

WANG Yazhang YU Haibo

（Ningbo Shanghang Surveying and Mapping Co.， Ltd.，Ningbo Zhejiang 315200）

Abstract： The multi-beam sounding system is a high-efficiency， high-resolution underwater topographic measurement equipment that can perform a full range of surveying areas. People can use the multi-beam sounding system to perform underwater topographic surveys on designated waters to obtain more detailed water depth data， and then analyze the water depth data to study and understand the characteristics of underwater geology and landforms， and finally apply it to engineering practice.Based on the ArcGIS platform， this paper used the basic data of the channel dredging project， established the digital elevation model （DEM） of the research area through the irregular triangulated network （TIN）， discussed the application of ArcGIS in the calculation of the dredging volume， and calculated the amount of excavation and filling in the study area. The results show that the principle of using ArcGIS to calculate dredging volume is simple and fast， which can realize three-dimensional visualization and is feasible.

Keywords： ArcGIS;dredging volume calculation;TIN;DEM

近年来，随着信息技术的飞速发展，测量技术也不断进步，为诸多行业提供基础服务。ArcGIS软件凭借其强大的数据库数据管理功能和空间分析功能，在航道疏浚方量计算方面得到广泛的应用。其利用空间统计分析方法，由外业实测高程点三维建模插值生成拟合地表表面数据，进而计算航道疏浚方量，在一定程度上提高了疏浚方量计算精度和效率[1]。

为了提高方量计算精度，许多学者和工程人员在工程应用中持续研究多种方量计算方法并开发了多种方量计算软件，比如，目前，AutoCAD和Hypack等商业软件都有一系列成熟的计算方法。常用的方量计算方法有断面法、方格网法、散点法和表格法，但是这些计算方法工作量大，一般一次只能计算两期数据之间的方量，数据保存分散，也不能有效利用现有的数据资源。不同的计算方法存在计算结果精度低、结果相差悬殊及可视化效果差等问题。

1 计算原理

疏浚方量计算的目标在于准确计算出航道疏浚后的疏浚方量或者航道疏浚前设计规划函告疏浚量，为航道开发或运营提供准确的基础数据。疏浚方量计算关键在于对现状地形和疏浚后地形的表述。数字高程模型（DEM）是数字地面模型（DTM）的一种，它是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形高低起伏和地形大小特征的空间分布模型。

ArcGIS计算疏浚方量就是以DEM为基础，通过开挖前后模型叠加分析计算出填挖边界，再对每一个区域通过多次建模求体积差来统计每一个回填和开挖区域的方量，最后统计分析出整个疏浚工程方量的一种方法。

2 实例分析

2.1 研究区概况

本地块位于浙江省舟山市某航道水域，地处东经122°22′10″～122°29′30″、北纬29°41′30″～29°43′52″，航道东西跨度约为16 km，南北跨度约为5 km，航道宽约为500 m，航道疏浚面积约为8.1 km2。

2.2 数据的获取

本研究利用多波束测深系统全覆盖测量了施工区域的水深数据，并经内业处理得到施工区域范围的水深点坐标及水深值。疏浚前测量水下高程，最高处高程为-18.8 m，最低处高程为-23.9 m;疏浚后测量水下高程，最高处高程为-19 m，最低处高程为-24.4 m。航道总体地势表现为航道水槽低、两边高，将所有实测的高程点数据导入ArcGIS软件数据库中[2-3]。

2.3 数据的处理

2.3.1 疏浚前后TIN的建立。在将水深数据导入ArcMap后，人们可以通过Display XY Data将坐标及水深展开。然后，人们可以利用ArcMap软件中的三维分析模块，根据疏浚前后的水深点的高程信息分别建立TIN模型：启动ArcMap系统中的3D Analyst/Data Management/Create TIN模块，分别生成疏浚前后的TIN模型，如图1所示。图中，高程单位为米（m）。

2.3.2 疏浚前后DEM的建立。在将疏浚前后TIN模型建好后，本研究利用ArcMap系统中的三维分析模块，根据疏浚前后水深点的TIN模型建立DEM模型：启动ArcMap系统中的3D Analyst/Conversion/From TIN/TIN To Rast模块，分别生成疏浚前后的DEM模型，如图2所示。图中，高程单位为米（m）。下面将生成的DEM在ArcScene中展开：在ArcScene系统中，Layer Propertres将Base Heights中Elevation From Feature的系数适度提高[4-5]，这里将其扩大5倍，如图3所示。图中，高程单位为米（m）。

在ArcScene中，加载航道疏浚区域DEM模型，人們可以直观地观察到航道海域水下地形地貌情况，西北-东南航道中线方向存在一条比较明显的航道沟槽。这为疏浚施工中直观显示水底地表的地形地貌提供了一种很好的可视化方法，提高航道疏浚效率。

2.3.3 疏浚量的计算。通过ArcGIS三维分析模块，本文分别建立航道疏浚前后的DEM模型，利用ArcMap系统的3D Analyst/Syrface Analysis/Cut Fill模块[6]，将疏浚前DEM模型和疏浚后DEM模型进行叠加，识别出疏浚区域内的填挖分界线。最终将疏浚前水下表面和疏浚后水下表面分割成三个区域，开挖、回填和不挖不填区域分别用不同颜色显示，显示净填方、不挖不填、净挖方的数据，填挖方成果图，如图4所示[7]。

疏浚填挖方数据由其要素属性表表示，Volume值大于0表示填方，Volume值小于0表示挖方，Volume等于0表示不挖不填。由于获取的填挖方数据由连续的块状图斑组成，因此首先获取净挖方数据，然后启动ArcMap系统的Spatial Analyst Tools/Extraction/Extract by Attributes模块，提取出Volume值小于0的图斑区域，其即为净挖方数据。下面分别对其属性表中Volume数据和Area数据进行统计运算，二者即为挖方体积与挖方区域面积。

2.4 多波束数据插值计算

波束测深数据能反映全覆盖的水下地形，但实际测量中会出现漏测小范围区域、内业资料误删等情况，致使数据完整性下降。传统多波束采用人工插值或其他插值方法，下面就利用ArcGIS插值数据功能来分析多波束数据。

ArcGIS插值数据在插值后既能输出二维DEM数据，又能利用栅格转点功能提取格网数据。具体方法如下：启动Conversion Tools>From Raster>Raster to Point，将插值后的栅格数据导入，即可输出同栅格网格像元大小正相关的点云数据，由于该数据点提取方法仅能提取高程数据，因此该点云数据属性中没有坐标数据，人们需要添加两列坐标数据菜单，随后通过几何工具将坐标数据提取出来。该点云数据的密度大小取决于插值数据的栅格像元大小，该方法可将原始数据抽稀或加密，可根据需求点云数据点间距来设置插值像元间距。例如，将原始多波束数据（12 m间距的点云数据）加密为7 m间距的格网数据，并将加密成果展现在CASS软件中，如图5所示。

3 结语

ArcGIS计算航道疏浚方量是以DEM为基础，通过模型叠加找出填挖边界，再对每一个区域通过多次建模求体积差来统计每一个回填和开挖区的土方量，最后统计分析出整个疏浚工程土方量的一种方法[8-9]。ArcGIS数据库可以将疏浚期间多期测量基础数据单独录入数据库进行独立保存，可以随时计算任意两期数据之间的疏浚方量。较之传统的疏浚方量计算方法，这种方法有明显的优势，比如，它的计算精度和计算效率大大提高。此外，三角网模型法几乎适用于任何场地的方量计算，较之断面法和散点法有更为广阔的用武之地。三角网模型法依托计算机辅助设计软件来建立三角网地形模型与统计模型体积，其自动化程度不言而喻。需要指出的是，在利用该方法进行方量计算时，所建立的模型是否足够真实地反映现场地形是影响成果精度的关键因素，尤其是在地形变化比较明显的区域，外业数据采集应尽量采用多波束全覆盖数据采集方法，保障数据采集密度，提高疏浚方量计算精度。

参考文献：

[1]汤国安，刘学军，闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].北京：科学出版社，2005：36-38.

[2]潘红飞，赵翠薇.基于TIN模型较高精度土方量计算方法[J].价值工程，2012（5）：63-65.

[3]王先鹏，曹荣林.土方量计算的原理与方法及ArcGIS的应用前景[J].地理空间信息，2009（4）：139-141.

[4]赵玲云.基于嵌入式ARM9架构的机房环境监控系统的设计与实现[J].信息与电脑（理论版），2019（20）：93-96.

[5]周锦阳，宋广.基于嵌入式的移动自组织网络通信平台设计[J].无线电工程，2019（4）：288-292.

[6]郝常秀.基于嵌入式ARM的电动汽车智能充电系统的设计[J].科技创新导报，2019（6）：80-81.

[7]蔡敏.嵌入式智能机器人路径规划应用[J].中国新通信，2018（24）：117-118.

[8]贾如春.基于ArcGIS动态数据模拟导航智能交通系统的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2018（11）：155-159.

[9]罗楚江，李锐豪.基于ARM和DSP处理器的无人搜救船船载控制系统设计[J].装备制造技术，2018（11）：35-38.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。