疏浚中基于matlab的土方量计算方法

'138第5期地理空间信息GEOSPATIALINFORMATIONOct.,2010Vol.8,No.5疏浚中基于Matlab的土方量计算方法张翠峰1，万计2（1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079；2.天津航道局勘察设计研究院，天津304500）摘要：通过比较疏浚测量中计算土方量所采用的平均水深方法和不规则三角网法，结合工程实例，提出了一种基于插值运算的软件算法，并对三者进行了对比分析，得出程序算法在疏浚测量计算土方量工作中的特点和优势。关键词：土方量计算；疏浚；分块算法；插值算法中图分类号：P258文献标志码:B文章编号:1672-4623(2010)05-0138-03MethodsfortheEarthworkCalculationBasedonMatlabinDredgingZHANGCuifeng，WANJi（1.SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUnivercity,Wuhan430079,China;2.TianjinWaterwayBureauofInvestigationandDesignInstitute,Tianjin304500,China)Abstract:ThepaperintroducedthemethodsofmeanwaterdepthandTIN.Combiningcasesofproject,thepaperbroughtforwardanewmethodwhichwasaprogrambasedoninterpolationalgorithm.Afteranalysisofthreeme-thods,characteristicandsuperiorityweregetinprogrammethodoftheearthworkcalculation.Keywords:earthworkcalculation；dredge；blockalgorithm；interpolationalgorithm在疏浚工程中用到的测量方法水深测量都是按照大大增加，有时候需要2个工作日才能算好各种土方事先设定好的路线来分条带测量水深、采集数据的，即量，因为计算人员的判读错误也容易导致结果错误，且获取按照一定间隔分布的水深数据。内业处理计算土不易察觉；②当水深值分布不均匀，或者数值相差很方量时，一般采用的方法是分块求平均水深法或者不大的时候利用这种方法算出来的土方量与真实的土方规则三角形格网法（TIN），本文提出一种基于Matlab量相差大；③实际测量中因为施工干扰会出现测量船的插值算法。无法接近的区块，分块过程中，该区域得到的水深数据值会大大减少，准确度也会随之降低。测量中第二1平均水深算法种和第三种情况发生的可能性比较大，例如碰到正在在施工区域的测量过程中，所选用的方法一般是施工的船舶，那么在算量的过程中该分块能够利用的对施工区域分块的水深值取平均值，得到平均水深值，[2]数据可能没有或者很少。然后按照公式(1)、(2)计算体积。2TIN(1)数字高程模型根据子域划分的方式可分为两大类:规则格网和不规则三角网(T1N)。其中TIN的构网任(2)意性可将地表的特征表现得淋漓尽致,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,AB其中，V、V为总土方量；i为分块的编号；Si为分块因此在利用T1N算出土方量时就大大提高了计算的精i的面积；Dj为第j分块内的水深值；ni为分块i内覆盖度。基于TIN来计算土方量是根据实地测定的地面点[1]的水深值数量；即为两土层之间的土方量。坐标（X，Y，Z）和设计高程，通过生成三角网来计该算法有以下几个缺点：①计算过程都是手工配算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围合Excel实现，当施工范围较大且分块较小时，计算量内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。此方收稿日期：2009-06-04 Oct.,2010Vol.8,No.5地理空间信息第5期139GEOSPATIALINFORMATION[3]法的缺点是算法复杂，计算时间量大。处理，对应求差就可以得到每种土质在该点的厚度，乘以面积值即为该分块的土质方量；最后对每个点所处3插值算法的思路单元面积内不同土质土方量求和，得到的就是每种土本文针对疏浚的算量的特点提出如下思路编程算质的总工程量。设计程序流程如图2所示。法:①根据测量出来的数据可以得到水深值的*.xyz文件。②利用matlab按照较密的间隔d对该数据进行插值运算得到一组均匀分布的*.xyz坐标文件。该数据根据疏浚测量规范应覆盖整个施工范围且有多出部分，超出约20m的范围。③划定施工的范围线，判断每个水深点是否在范围内，对于在内部的点按公式(3)计算其所处分块的体积，对于边上的点按(4)式计算，角上的点对照其权值求解，见公式(5)。(3)(4)(5)其中，Pi对照i点四周相邻的点在范围内的个数n。有。如图1所示，P解算示意图中PA=1/8,PB=3/8,PC=2/8,PD=1/8图1P解算示意图④计算所有内部小分块的总和。(6)该算法在原始值的基础上作了三维插值运算，得图2程序流程图到的计算结果比初始值更贴近真实情况，相当于在原始数据的基础上加密了分块[4]。4实例分析根据以上算法，由浚前测量数据和浚后测量数据2假定一范围大小为100100m的施工区域(数据取可以计算出浚前的工程量，浚后的工程量，两者之差自东莞市虎门港麻涌新沙南作业区2#、3#泊位陆域形即为两次测量时间间隔内的工程量。但仅仅得到了总成及疏浚工程)，范围由K个点顺时针（或逆时针）构量还不够，因不同的土质，船舶的施工效率不同，工成的K边形，数据文件格式如下：程单价也不同，所以还要对每种土质的工程量作统计。x1y1在施工准备工作中通过钻探可以得施工区域内分散点x2y2的土质土层分布数据，通过这些原始钻探数据我们可⋯以将每层土质的厚度计算出来。xkyk首先需要对不同的土质做插值运算，插值中用到原始水深、淤泥面底标高、粘土底标高、强风化的格网和之前水深值的格网一致，即要求每种土质底岩底标高、中风化底标高、浚后底标高数据如下格式：标高和测量水深数据(包括浚前和浚后的数测量据)拟x1y1z1合得到的水深值对应到同一个位置；然后对同一点位x2y2z2的土质标高、浚前水深、浚后水深、设计水深做排序⋯ 140第5期地理空间信息Oct.,2010Vol.8,No.5GEOSPATIALINFORMATIONxjyjzj设计深度为单一固定深度值，如整体设计水深为14.0m。程序界面设计如图3所示。采用分块法计算得到的结果如表1所示。图3程序界面图表1分块法计算结果编号面积浚前水深淤泥粘土中风化浚后淤泥量粘土量中风化量1625-0.634.57.6517.112.83206.251968.752406.252625-0.84.98.917.112.73562.502500.001937.503625-0.824.959.351712.553606.252750.001687.504625-0.64.47.851712.93125.002156.252171.885625-0.74.859.0517.112.83468.752625.001781.256625-0.84.5258.67517.112.63328.132593.751671.887625-0.534.4258.717.22133096.882671.881640.638625-0.664.59.217.113.033225.002937.501550.009625-0.83.8257.72517.1132890.632437.501718.7510625-0.823.0255.817.110.952403.131734.38656.25116250.14.59.5517.213.12750.003156.251718.7512625-0.64.19.217.113.12937.503187.501875.00合计(m3)48143.7539500.0024421.883平均水深法得到的总工程量为131425.01m。采用程序计算的结果为：淤泥总量silt_vol=48236.67量的过程中，采用程序算法能极大地节约人工计算的时33[5]m；粘土总量clunch_vol=39753.75m；强风化岩石总间，提高工作效率，降低人工计算时候出现的误差。3量overdecayed_vol=19904.49m；中风化岩石总量hal-同时采用的插值拟合算法与平均水深算法相比较更符3fdecayed_vol=24892.30m；该算法得到的总工程量为合工程算量实际情况，得到的结果更为合理。同时该3132787.21m。如果以平均水深法为标准算法，程序算程序算法需要改进的地方有以下几点：①计算的速度法得到的误差如表2所示。慢，对电脑配置要求高；②不能脱离Matlab独立运表2程序算法误差表行；③界面与用户对话性能需要提高，比如调整插值淤泥量粘土量强风化量中风化量总量格网的大小，针对不同的错误弹出提示对话框等。分块算法48143.7539500.0019359.3824421.88131425.01程序算法48236.6739753.7519904.4924892.30132787.21参考文献误差量为92.92253.75545.11470.421362.2[1]张正禄.工程测量学［M］.武汉:武汉大学出版社，2005误差[2]罗德仁，邹自力.工程土方量计算比较分析［J］.东华理工学0.19%0.64%2.82%1.93%1.04%百分比院学报，2005(28):22-24[3]王之江，程建川.利用Gauss插值积分计算道路土方量［J］.交从上表的比较中可以看出各种土质的总量最高和通与计算机，2004，2:22平均水深法相差2.82％，总量相差1.04％。对于工程[4]张宽地，吕宏兴，基于MATLAB的渠道土方计算［J］.西北农中需要计算的范围较大，特别是分块比较复杂的时候林科技大学学报:自然科学版，2006，6(34):6[5]鲁雷，崔秀琴.土方量计算公式的应用分析［J］.焦作大学学这种算法就体现了其出错率小和计算精度较高的优势，报，2001，3:14-16避免了因为人的判读失误导致的错误。第一作者简介:张翠峰，硕士，研究方向为工程测量。5结语通过以上的分析比较我们可以看出，在计算土方'