DEM支持下的土方量计算与分析 - 提交-终稿

.昆明理工大学津桥学院毕业设计（论文）题 目 DEM支持下的土方量计算与分析 系 别 工学系 专 业 地理信息系统 年 级 2010级 学生姓名 学号 2010160581 指导教师 日 期 教 务 处 制Title: Calculation and Analysis of Filling or Cutting Earthwork Engineering Based on DEMDepartment Department of Labor Subject Geographic Information System Grade The class of 2010 Name Student ID 2010160581 Teacher 目录摘要IAbstractII前言1第一章 绪论21.1 国内外相关研究进展21.1.1 数字高程模型（DEM）研究进展21.1.2 地理信息系统（GIS）发展现状31.1.3 土方量计算方法及研究进展51.2 研究目的与意义61.3 主要研究内容及研究方法61.4 论文可行性分析7第二章 地理信息系统（GIS）软件简述82.1 地理信息系统（GIS）概述82.1.1 地理信息系统基本概念82.1.2 地理信息系统的主要功能92.1.3 我国地理信息系统发展简史及展望112.2 常用地理信息系统特点简述122.2.1 MAPGIS的特点122.2.2 ARCGIS的特点132.2.3 南方CASS的特点142.2.4 前述几种GIS软件的应用优缺点142.3 南方CASS软件在地图矢量化中的应用15第三章 数字高程模型（DEM）的构建过程163.1 数字高程模型（DEM）简介163.2 数字高程模型（DEM）构建163.2.1 数字高程模型（DEM）构建方法163.2.2 数字高程模型的构建流程173.3 数字高程模型（DEM）的分辨率18第四章 应用数字高程模型（DEM）进行土方量计算194.1 工程进行土方量计算的主要方法194.1.1 断面法194.1.2 方格网法194.1.3 DTM法（不规则三角网格法）224.1.4 平均高程法264.2 DEM支持下的土方量计算与分析方法274.2.1 前述各土方量计算方法的应用特点274.2.2 几种土（石）量计算方法的实例比较27第五章 结论与建议29参考文献30致 谢32.DEM支持下的土方量计算与分析摘要随着国内GIS技术的发展，越来越多的项目采用基于地理信息系统（GIS）和数字高程模型（DEM）的高端评估计算方法。近年来，工程上对基于DEM的填（或者挖）土方量计算与分析日益重视。为了后续进行基于DEM的工程土方量计算与分析研究，本论文在第二、三章主要整理和归纳了地理信息系统GIS的概念、特点和不同的系统平台软件特色，并重点介绍了南方CASS软件在地质地形图矢量化中的应用。基于前述分析，本论文在第三章中主要介绍了数字高程模型（DEM）的构建方法和以南方CASS为基础的简单应用。分析认为，在数字高程模型（DEM）的构建过程中，对内插值算法和不规则三角法生成方法的设计是关键点。通过对前三章所述内容进行的深入研究和分析，论文第四章开始论述以数字高程模型（DEM）为基础的工程土方量计算方法，总结了土方量计算的几种方法，并对其使用范围和精确程度进行了初步分析；提出了基于数字高程模型TIN算法的土方量计算方法；最后用实例说明了该方法的实际可行性。就总体来讲，作者在本论文中实现了基于数字高程模型（DEM）的土方量计算方法，以简单实例验证了该方法是确实可行的。为工程土方量计算分析提供了更多思路，可供其他土方量计算研究者提供借鉴。关键词：数字高程模型，土方量计算，GIS，DEM，CASSCalculation and Analysis of Filling or Cutting Earthwork Engineering Based on DEMAbstractWith the development of domestic GIS technology, more and more projects based on high-end estimate calculation method such as geographic information system (GIS) and the digital elevation model (DEM). In recent years, people pay more attention on the analysis and calculation based on DEM in the engineering of fill (or cut) of earthwork.In order to further the earthwork volume calculation and analysis based on DEM, the second and three chapter of this paper summed up the concept, characteristics and software feature of different system platform of geographical information systems, and introduces the application of South CASS software in the vectorization of geologic map.Based on the above analysis, the third chapter of this thesis mainly introduces the method to constructing of digital elevation model (DEM) and a simple application to the south of CASS. Our analysis shows that, in the process of building a digital elevation model (DEM), the interpolation algorithm and the design of Irregular Triangulation generation method is the key point.Through in-depth study and analysis of the former three chapters, the fourth chapter of this thesis began the discussion of earthwork volume based on digital elevation model (DEM) calculation method. We summarize several methods for earthwork calculation, and give a preliminary analysis for the using range and accuracy of these methods. Then, we put forward a calculation method of earthwork as TIN algorithm based on Digital Elevation Model. Finally, the practical feasibility of the method is proved by the example.Key word: Digital Elevation Model，Earthwork Calculation，GIS，DEM，CASS.前言数字高程模型（简称DEM）的概念从上世纪50年代后期被提出以来就受到了极大的关注。随着各种相关技术的发展，数字高程模型也经历了一个循序渐进的发展过程。上世纪50年代中页到60年代初，数字高程模型的建立还仅仅是为了某种特定的应用。自上世纪60年代伊始，随着世界上数据库技术和环境遥感技术的快速发展，部分发达国家在机器辅助制图技术的基础上，逐步的建立起国家范围或者区域范围的地理信息系统（GIS），DEM作为标准的基础地理信息产物也开始大规模的产生。数字高程模型的建立与应用的研究，近来越来越受到人们的重视，特别是地形的可视化的研究更是倍受关注。本论文写作过程中，所运用到的知识包括地理信息系统（GIS）在地图矢量化中的应用、数字高程模型（DEM）的构建、以及基于数字高程模型（DEM）的土方量计算理论及实例。为了后续内容的顺利写作，本章节将对论文所涉及的关键内容需要的理论知识研究现状进行梳理。第一章 绪论1.1 国内外相关研究进展地理信息系统（GIS）在国内外的研究较早，早在二十世纪六十年代国外便进行了相关理论和方法的研究工作，而我国国内在上世纪八十年代也开始了地理信息系统的理论和应用研究。数字高程模型（DEM）是建立在地理信息系统基础上的一门应用学科，相关研究起步较晚，但是进展迅速。1.1.1 数字高程模型（DEM）研究进展早在1999年，江苏省测绘局的虞继进就已经在其文章中介绍DEM的基本概念和以不同的数据源、仪器设备生产DEM的工艺流程，也简单介绍DEM在测绘中的一些应用2。2005年，成都理工大学遥感与GIS研究所的张瑞军等研究了DEM的构建方法及利用地形图生成的DEM的技术路线和数据转换的问题，讨论了DEM在数字区调中的应用，认为该技术在一定程度上解决了高原区调面临的难题，为地质工作提供了一种新途径3。2006年，中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室的张会平和杨农等也曾就DEM在构造地貌研究中的应用进行梳理，给出了DEM的基本概念，系统总结了近些年来DEM空间分析技术在构造地貌研究中的最新进展，列举并讨论了DEM相关数据和技术在典型地貌特征分析和宏观构造地貌演化研究中的典型应用实例4。他们研究分析认为，DEM及其空间分析技术与相关地学研究手段相结合的复合分析，必将为构造地貌研究实现定量化提供强有力的技术支持。2004年，东南大学硕士研究生何辉明在其硕士论文中对DEM的建模及其三维可视化进行了系统研究，分析了基于离散点构建不规则三角网 TIN 的算法、不规则三角网TIN 基础上的内插算法，以及其基于VB编程平台的算法实现，并且开发构建数字地面模型的系统，利用数字地面模型系统生成的DEM格网在全数字摄影测量系统VirtuoZo上实现其三维透视图5。2007年，中南大学硕士研究生黄晶晶，则在其硕士论文中对DTIN和等高线建模进行了研究，常用于TIN生成的Delannay三角网生成算法、基于TIN的等高线的生成和等高线的处理算法和基于等高线建立TIN的算法；他们在对凸壳生成算法进行了优化的基础上，提出Delaunay三角网凸壳生成算法，得出这种算法的时间复杂度表示为O(nlogn)；在光滑等高线的问题上，使用张力样条函数解决了等高线光滑时的相交问题；完善了TIN算法中平坦区域的修正算法，补充了平坦区域搜索法没有完成的部分，同时还能保证修正了平坦区域后的TIN算法能较好地虚拟现实地表的真实形状，并且提高修正速度6。总体上讲，数字高程模型（DEM）是多学科交叉与渗透的高科技产物，它的重要特征是任何一个可转换为数字的地面特征数据，都与特定的三维地理坐标相结合，在国防建设和国民生产中有很多的利用价值。与传统地形图比较，数字高程模型作为地形表面的一种数字表达形式有许多优点:地形信息显示形式多样、地形信息精度不会随时间损失、容易实现自动化等。其应用十分广泛，几乎遍及整个地形领域：（1）在测绘中可用于绘制地图的等高线、坡度和坡向图；（2）用于立体透视和立体景观图，并可以应用于制作正投射影像图，在立体匹配片和立体地形模型构建上也有应用，后期在地图的修测上用途也广泛；（3）在多种工程项目中用于建筑物体积或者建筑物面积的计算，也可以用作多种剖面图绘制以及项目的线路设计；（4）在军事上，可以方便用于地图导航、军事通讯，也可以作战模拟以及辅助制定作战计划；（5）在遥感上，可以用作分析多方面提供分类的辅助数据；（6）土地和城市环境规划方面，可用作分析土地现状、辅助制定各种类型的土地和城市规划及洪水险情预报等7。总之，我国的大部分地区都绘制有高质量的地形图，这些地图无疑为DEM提供了丰富、廉价的数据源。因此，基于等高线构建数字高程模型就变得十分有意义。1.1.2 地理信息系统（GIS）发展现状随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，GIS（Geographic Information System）技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和接受。近年来，地理信息系统（GIS）普遍被世界多数国家重视。随着“数字地球”概念的提出，使得该概念的核心技术GIS更加被多数国家政府加以关注。地理信息系统（GIS）以管理空间数据见长，当前已经在世界气候变化与监测、军事前沿动态、各种资源的管理、城市发展和规划、土地资源管理等方面有着高度应用，在环境科学研究、农作物产量评估、地质灾害预测、交通科学管理、矿产资源评估、古文物的保护以及生态湿地的制图等诸多领域都发挥着愈来愈显得重要的作用8。国外GIS的发展开始于上世纪六十年代初：加拿大的Tomlinson等人建立了世界上第一个地理信息系统CGIS。在这之后，世界著名高校哈佛大学（美国）研究出类似的SYMAP软件系统。但是，限于当时计算机技术水平，当时发展的地理信息系统（GIS）功能简单且带有较多的机器辅助制图的色彩。 在七零年代以后，随着计算机硬件组件、软件技术的快速发展，趋势促使地信系统（GIS）朝着实用方向发展，不同专题、规模和类型的GIS在世界各地纷纷研制，国际发达国家大多在七零年代前后建立了很多专业性的土地信息（或者地理信息）的系统，诸如：加拿大、联邦德国、瑞典以及日本等国也相继发展了自已的地理信息系统（GIS），部分商业公司的地信系统（GIS）软件开始在软件市场上活跃起来并受到欢迎9。据不完全统计，在七零年代大约有300多个类似的地理信息系统（GIS）投入到实际应用中；许多开设相关专业的大学和科研机构也逐渐重视地理信息系统（GIS）的软件设计和应用研究，GIS技术受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视，其发展得到了巩固。八十年代是国外地信系统（GIS）普及和逐步推广到各领域应用的阶段：由于计算机硬件技术、地信系统（GIS）软件、实用工具软件的迅速发展，使得它的应用从解决基础设施的规划（如道路、输电线）转向更加复杂的区域规划和开发中，诸如：（1）农业土地的合理利用、城市规划的发展，人口增长规模规划与区域安置等；（2）地理信息系统（GIS）与当时发展的卫星遥感技术结合，地理信息系统（GIS）开始应用到全球化的问题，诸如：全球各地的沙漠化进程、全球各地的可居区评价，在全球气候性问题厄尔尼诺现象、酸雨规模及发展，臭氧层的变化、核污染和核废料处理，以及需要对大范围（区域）进行监测的其他项目等类似的全球性议题与10。在地理信息系统（GIS）的持续发展下，其应用业已从基础信息管理与规划转向更加复杂的区域规划和开发、监测、灾害预测预报，结合遥感技术用作全球性环境和核污染的监测，成为重要的辅助决策工具。国外较著名的GIS软件产品有：Autodesk系列产品、Arc/Info、MapInfo及其构件产品、Intergraph、Microstation等，Web环境下矢量地图发布标准，如XML、GML、SVG等11。我国的地理信息系统（GIS）软件研制起步相对较晚，目前相对发展较快的测量测绘系统主要有MapGIS、南方CASS、GeoStar和SuperMap等。虽然我国出现的地理信息系统（GIS）软件有很多，但是关于GIS的系统研究和实际应用研究还有所欠缺，当前研究的焦点归纳概括起来不外乎以下两项内容：（1）怎么应用当前地理信息系统（GIS）处理用户的数据；（2）在地理信息系统（GIS）基础之上，如何应用GIS系统平台的开放函数库进行再开发研究，形成针对特定用户、能实现特定功能的专用地信系统软件。现阶段，我国已经能够进行成功应用的功能包括：机器自助制图、（土地或者矿产）资源管理、公用设施（设备）管理、城市（区域）发展规划、人口规模和商业区划管理等方面；（3）目前地理信息系统（GIS）在国家交通运输行业、石油和天然气勘探和区块开发、教育质量区域评估等九个大类下属的超过一百项诸领域。在以美国为代表的西方发达国家中，地理信息系统（GIS）的运用已经涉及环境生态保护、地质灾害预报预测、城市（或土地）规划、政府事物管理等几乎涉及国计民生的所有领域12。与此相比，随着近年来我国社会经济的快速进步，地理信息系统（GIS）在城市规划、土地管理、测量测绘、环境保护、地质灾害预测、生态农业规划等重要领域起到了更加不可或缺的作用，也获得了良好的经济效益和社会效益。1.1.3 土方量计算方法及研究进展土方量计算是建筑工程进行施工规划的一个主要程序在工程设计阶段（施工之前的设计）有必要对开挖的土（石）方区域进行规划和方量进行初步的估算（预算），这直接影响到工程的规划费用和设计方案的选取。在现实中，我们经常遇到某个工程或者某个项目由于土（石）方量计算的精确程度而引发双方的纠纷。因此，怎样合理运用测量部门在工程现场测绘出来的地表形状数据或者已经有的数字测量数据进行快速而且准确的计算，得出需要开挖区块的土（石）方量就成了工程相关人员所关心的普遍问题。目前，比较常见的几种进行土（石）方量计算的方法包括：方格网方法、等高线方法、预设断面法、DTM法、DEM法、区域土（石）方量平衡法和平均高程法等13。一般来讲，采用上述几种主要的土方量的计算方法应遵循如下特点：（1） 在相对坦荡的平原区域和地表形状起伏较小的场块，适合使用方格网方法，使用这个方法计算得出的数据量很小而且计算速度快，可以节省其他方法形成巨大数据所需要的存储空间；（2）在公路、水渠等显得狭而且长的地域和区带，应当采用断面方法进行土（石）方量的计算；（3）在地表形状高低起伏，而土（石）方计算精度要求相对较高的部分山区，有必要采用TIN法进行计算；同时也需要考虑这样的情形：如果测量得到的数字地图的数据量很大，则采用该方法产生的数据量需要巨大的存储空间，这也容易与现有硬件技术条件产生矛盾性问题14。综上所述，在采用以上方法计算土（石）方量的时候，需要考虑所要计算区块的地表形态特征、计算对精度的要求和具体施工需要的技术、人力成本等方面的情况。所谓选择合适的方法进行土（石）方量的计算，即是通过考虑诸方面的影响因素尽可能达到经济效益最好和技术成本最低的目的。1.2 研究目的与意义近几年以来，随着与“城市数字化”相关的研究和应用在国内外受到普遍的关注，数字高程模型（DEM）作为“城市数字化”重要支撑技术之一，得到了快速的发展。运用数字高程模型（DEM）进行土方量计算的努力也逐渐得到了更大程度的投入研究，土方量计算方法的多样化使得计算的精确程度也越来越受到工程研究人员的认可。 本论文在上述背景下，在介绍地理信息系统（GIS）地图矢量化基础上，以数字高程模型（DEM）为技术支撑，尝试进行研究DEM支持下的土方量计算及分析，是为了探索以GIS为平台的“数字地球”、“数字城市”的管理手段的自动化和数字化，达到土方量计算精度与实际开方量相近的目的。进行相关研究的主要意义是，为实现前述目的提供新的技术难题解决方法和解决思路；为当前阶段提高城市的管理和发展水平，实现“数字地球”和“数字城市”提供技术支撑。1.3 主要研究内容及研究方法本论文的主要研究内容包括：地理信息系统（GIS）在地图矢量化中的应用、数字高程模型（DEM）的构建方法、土方量计算方法及其理论依据、基于数字高程模型的土方量计算特点及原理分析等方面。论文在第一、二章部分对GIS系统进行系统的、简要的叙述，在论文的第三章对南方CASS地理信息系统软件及其在地图矢量化中的应用作简要分析，在论文的第四章对数字高程模型（DEM）的构建过程进行研究，在论文第五章这部分对DEM支持下的土方量计算方法进行梳理和实例验证。 本论文写作主要采用的研究方法包括：相关理论的整理归纳、参考借鉴已有成果、查阅相关文献以及向论文指导老师请教等。最终攻克论文开题中要求的GIS平台在地图矢量化上的应用、数字高程模型（DEM）构建方法等难题，完成论文的全部内容。1.4 论文可行性分析本论文写作过程中，在查阅相关文献、总结归纳前人在采用GIS平台进行地图矢量化、数字高程模型（DEM）构建方法及应用特点等方面的研究成果。在此基础之上，主要运用南方CASS系统，以云南省华宁县福禄德磷矿地形地质图的矢量化及土方量计算过程为例，实现了基于数字高程模型（DEM）的土方量计算方法。论文的专业基础为：GIS技术、Auto CAD技术、地图矢量化、数字高程模型的构建以及土方量计算的基本原理等专业课程内容，通过在本科四年期间的学习和课余实践锻炼，我已对此有了较多了解和简单的应用。我校图书馆内有大量相关书籍可供我参考。除此之外，在本论文写作的过程中，我的指导老师能够给予我提供及时有效的帮助。再者，对土方量计算有亲身经历，熟悉常见的土方量计算方法及其计算的理论依据。因此，无论从我自身知识掌握程度、还是校园知识外界条件，都能够有效的支持本论文的顺利完成。综上所述，本论文的研究内容和研究方法是可行的。第二章 地理信息系统（GIS）软件简述 地理信息系统（GIS）起始于上世纪六十年代的加拿大，初期具有机器辅助制图的特点。上世纪七十年代，其功能和定义得以扩展，很多国家开始了自己的GIS系统研究范畴，形成了迅速发展的高潮期。自上世纪八十年代开始，GIS系统开始在关系国计民生的各行各业得以大规模的应用，逐渐形成商业化的软件开发和交易市场公司。基础平台GIS的发展关系到数字高程模型和土方量计算的自动化和便捷化程度，本章节主要对当前我国的GIS软件进行全面介绍。2.1 地理信息系统（GIS）概述 我们所处的真实世界（或者自然世界），通常由许多的地理要素组成，这些要素可以用一系列相关的数据层表示。根据不完整统计，我们使用的所有数据中，有80%都包含有位置信息。我们认知地理世界的模型一般包含三种模型，即：基于对象的认知（Object-based）、基于网络的认知（Network-based）、基于场域的认知（Field-based）。而无论我们认识的世界具体基于哪种形式的认知模型，我们都需要对这些认知进行有效的分类、合理的存储和方便的传播，这是我们进行GIS开发研究的需求基础。2.1.1 地理信息系统基本概念地理信息系统（以下简称GIS，英文名称Geographic Information System或Geo-Information system的简称）有时又称为“地学信息系统”，是一种特定的十分重要的空间信息系统。北京师范大学刘锐教授曾指出，地理信息是与空间相关的任何信息，地理信息系统（GIS）正是指能够获取、存储、处理、分析和显示地理信息的硬件、软件、人员和程序的总和。而实际上，地理信息系统（GIS）是指随着计算机技术发展、硬件和软件系统不断更新的支撑之下对全部或者部分地球表面浅层（包含大气层）空间里的相关地理分布数据进行系统的采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统15。地理信息系统在相关行业有着广泛、不可取代的应用，其硬件、软件和功能组成如下图2-1所示。图2-1 地理信息系统的组成无论哪种版本、哪家公司出版的地理信息系统（GIS）软件，其通常都具有以下四个基本的目的特点：（1）公共的地理定位基础；（2）具有信息采集、技术管理、功能分析和成图输出等多种地理空间信息的特点；（3）系统应该以功能分析模型作为驱动，具备很强的空间综合分析的能力和根据目前数据进行动态预测的能力，能够生成高层次的信息数据；（4）系统应该以地理信息分析和地理信息模型决策为主要的目的，在个人与机器之间充当合理交互模式的空间信息决策辅助系统16。2.1.2 地理信息系统的主要功能常用的地理信息系统（GIS）软件一般包括以下几项主要功能：信息来源、信息识别、资料展现、资料采集、资料操作、系统转换和空间分析等功能。（1）信息来源和信息识别我们都曾有过这样的设想，如何能将你所在州的降雨和你所在县上空的照片联系起来，这样我们就可以判断出哪块湿地在一年的哪些时候会干涸。一个完善的GIS系统就能够进行这样的分析，它能够将不同来源的信息以不同的形式展示应用。对于源数据的基本要求是确定变量的位置，这些位置可能由经度、纬度和海拔的x、y、z坐标来标注，或是由其他地理编码系统比如ZIP码，又或是高速公路英里标志来表示。任何可以定位存放的变量都能被反馈到GIS：一些政府机构和非政府组织正在生产制作能够直接访问GIS的计算机数据库，也可以将地图中不同类型的数据格式输入GIS系统，GIS系统同时能将不是地图形式的数字信息转换可识别利用的形式17。例如，通过分析由遥感生成的数字卫星图像，可以生成一个与地图类似的有关植被覆盖的数字信息层。同样，人口调查或水文表格数据也可在GIS系统中被转换成作为主题信息层的地图形式。在本论文中，基于数字高程模型（DEM）的土方量计算及分析，将数字化的地图与空间三维坐标对应起来，然后根据一定的算法对选择区域的挖方量进行计算，即是对GIS技术的方便应用。（2）资料采集、操作和展现数据采集，即向系统内输入数据，占据了GIS从业者的大部分时间。有多种方法向GIS中输入数据，在其中它以数字格式存储：印在纸或聚酯薄膜地图上的现有数据可以被数字化或扫描来产生数字数据；数字化仪从地图中产生向量数据作为操作符轨迹点、线和多边形的边界；扫描地图可以产生能被进一步处理生成向量数据的光栅数据；测量数据可以从测量器械上的数字数据收集系统中被直接输入到GIS中，全球定位系统（GPS）中得到的位置，也可以被直接输入到GIS中，遥感数据同样在数据收集中发挥着重要作用，并由附在平台上的多个传感器组成。遥感收集可以进一步处理来标识感兴趣的对象和类例如土地覆盖的光栅数据。除了收集和输入空间数据之外，属性数据也要输入到GIS中。对于向量数据，这包括关于在系统中的对象的附加信息。输入数据到GIS中后，通常还要编辑以消除明显错误或进一步处理。对于向量数据必须要“拓扑正确”才能进行一些高级分析，比如在公路网中，线必须与交叉点处的结点相连；像反冲或过冲的错误也必须消除，对于扫描的地图源地图上的污点可能需要从生成的光栅中消除，例如污物的斑点可能会把两条本不该相连的线连在一起；GIS可以执行数据重构来把数据转换成不同的格式，例如可以通过在具有相同分类的所有单元周围生成线，同时决定单元的空间关系，如邻接和包含，来将卫星图像转换成向量结构18。GIS数据以数字的形式展现了现实世界中的客观对象（如公路、土地利用分区和海拔）。GIS展现现实世界的客观对象可划分为二个抽象概念：离散对象（比如房屋）和连续对象领域（比如降雨量）。这二种抽象的概念对应着在GIS系统中数据主要的存储方法：栅格（或成网格）和矢量。栅格数据与栅格（网格）图像类似，在GIS系统中由存放着唯一值的存储单元的行和列组成，各个单元记录的数值也可能是一个分类组（例如土地使用状况）、一个连续的值（例如降雨量）或是数据不可用时的一个空值表示；矢量数据，则利用几何图形诸如：点、线或者面来表示客观的对象，比如在住房信息的细分中可以用多边形来表示物产的边界，而以点位精确表示其位置；与此相同，矢量也可以用来表达具备连续性变化的区域，例如运用等高线、不规则的三角网格（即TIN法）来表示海拔或者其他连续变化的值19。（3）系统转换由于数字数据以不同的方法收集和存储，两种数据源可能会不完全兼容。因此GIS必须能够将地理数据从一种结构转换到另一种结构。举个例子来说，有时候我们需要对财产所有权的地图与土壤分布地图以不同的比例尺显示出数据。这时候，成熟的GIS系统中的地图数据必须实现这样的操作，以使得其与从其它地图中得到的数据对齐或者相配合，这样的操作主要包括：投影与坐标变换；投影是制作地图的基础工作，是指从地球的一种数字表示模型中转换信息的数学手段，经过投影可以将三维的弯曲面转换成二维的显示媒介，例如，纸或者电脑的屏幕等；坐标变换则是GIS系统中的数据从一种数据表示模型转换到另外一种表示模型的方法20。（4）空间数据分析空间数据分析能力即是地理信息系统（GIS）的主要功能，这种能力也是地理信息系统（GIS）与计算机辅助制图软件主要的特征区别。空间数据分析既是指以空间物体的空间位置、空间物体之间的联系等诸多方面为入口，探索研究空间事物的特征，定义对空间事物的定量描述；然而，对空间数据进行分析需要及其繁杂的数学方法和工具，其中最重要的是空间统计、计算机图形编辑、图形拓扑学、算法几何等，对空间数据进行分析的主要任务是对空间的数据构成进行定量表述和研究，进而获得、表述、认知、理解空间的数据信息；理解地理数据、解释地形图案的产生过程，进行空间信息过程的反馈模拟和超前预估，进而调整和控制在监控空间内发生的信息事件21。2.1.3 我国地理信息系统发展简史及展望目前中国处于高速发展阶段，它是数字城市的支撑技术之一，很多行业都引入了GIS软件平台，提高信息化水平，多数高校都开设了该学科，培养的学生就业率也高，国内GIS公司有数千家，国产GIS软件占据国内市场份额75%以上，打破了国外GIS软件垄断市场的局面。就现阶段来说，国内诸多学科的发展受益于地理信息系统技术。活跃的地理信息系统交易市场导致了GIS组件的硬件和软件的低成本化和持续改进，GIS组件技术的发展又反过来导致这项技术在科学、政府、企业和产业等方面得到更广泛的应用，目前包括房地产、公共卫生、犯罪地图、国防、可持续发展、自然资源、景观建筑、考古学、社区规划、运输和物流22。不得不提的是，由于移动互联网的发展而延伸出的基于位置的服务（LBS），即是通过电信移动运营商的无线电通讯网络（如GSM网、CDMA网）或外部定位方式（如GPS）获取移动终端用户的位置信息（地理坐标，或大地坐标），在地理信息系统平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务；随着GPS功能与日益强大的移动电子（手机、pad、笔记本电脑）整合，地理信息系统研究分化出定位服务（LBS），即使用GPS通过所在地与固定基站的关系用移动设备显示其位置（离定点最近的餐厅、加油站、消防栓），移动设备（朋友、孩子、一辆警车）或回传他们的位置到一个中央服务器显示或作其他处理23。2.2 常用地理信息系统特点简述为了方便用户选择合适的地理信息系统，本章节对目前市场上用户量较多的各种地理信息系统的特点进行简要的比较和叙述。2.2.1 MAPGIS的特点MapGIS是中地数码集团的产品名称，是中国具有完全自主知识版权的地理信息系统，是全球唯一的搭建式GIS数据中心集成开发平台，实现遥感处理与GIS完全融合，支持搜索空中、地上、地表、地下全空间真三维一体化的GIS开发平台，被广泛应用于多个省市省份土地二次调查和土地利用规划。MAPGIS系统具有以下基本特点：（1）采用分布式的、跨平台的多层次多级别的体系构成，运用面向“用户”和“服务”的设计思路；（2）具备面向诸多地理实物的空间信息数据结构模型，可用来表示任何复杂程度的空间的特点和非空间的特点，完整的表达地理空间（非空间）、地理实体以及他们之间关系的空间共生性、多重性等联系；（3）具备大量空间信息数据的存储和管理的能力，能够形成矢量图、栅格图、影像资料和三维图形四中格式的大量数据存储，实现高效率的空间信息索引；（4）应用版样和增量统一的时间空间信息数据处理模型，采用“元组级基态+增量修正法”的设计方案，可以达到单实体随着时间动态演变的实现；（5）能够实现板本管理的机制，实现以冲突检测机制为关键的超长事件处理模式；（6）依靠网络发展，灵活运用拓扑学构建数据模型，实现工作流模式管理与控制引擎机制，具体业务可以灵活调整和个性化定制，达到GIS和OA的无缝结合；（7）依靠标准化、自适应的空间元信息数据管理，实现信息元数据迅速采集、合理存储、动态建库、简便查询以及共享发布等高端功能，系统可完整支撑SRW协议，具备分布空间索引得能力；（8）可以进行真实的三维模型构建和三维动态可视化，能够运行巨大数量三维数据的有效存储和便捷管理，实现专业化三维动态模型的迅速建模、数据的多样可视化与综合分析；（9）系统支持基于SOAP、XML的空间信息服务协议，遵守Open GIS各项标准，完美支撑基于WMS、WFS、WCS、GLM3的信息服务；（10）系统可以方便的在互联网、无线网络以及各种智能移动终端上传播和应用24。2.2.2 ARCGIS的特点ArcGIS是美国环境系统研究所（英文名称：Environmental Systems Research Institute，简称ESRI）在全面归纳融合了地理信息系统（GIS）与数据库技术、软件工程技术、人工智能处理技术、网络支持服务技术以及其他各种方面的计算机最新技术之后，ESRI公司推出的代表地理信息系统（GIS）最新技术的完全版本系列的GIS产品。ArcGIS构建了一个完整的、可伸缩的地理信息系统（GIS）应用平台，内部构造了一种完善的地理信息系统（GIS）向不同类别的公司用户提供完备的解决方案。ArcGIS的基础平台能够提供给用户无论在何种需要的地方都可以部署地理信息系统（GIS）诸项功能与业务的逻辑概念，不管是处于桌面、服务器或者网络环境中，还是在现场野外环境。ArcGIS提供的基础平台主要包括以下三种基本的ArcGIS概念：（1）桌面GIS（ArcGIS Desktop），桌面地理信息系统（GIS）产品被设计者定义为可以提供编辑数据、设计结构、提供共享、信息管理与发布地理信息的概念，ArcGIS桌面可扩展的设计结构模式容纳从ArcReader、逐步扩展到ArcView、ArcEditor和ArcInfo；（2）嵌入式GIS（Embedded GIS），ArcGIS Engine包含一个完全的嵌入式地理信息系统（GIS）组件库，提供完整的用户应用工具包，用户中致力于开发功能的人员可以应用这个平台建立全新的或者二次开发业有的、可以定制的桌面功能应用程序，开发者还可以运用ArcGIS Engine将地理信息系统（GIS）的繁多功能按照一定模式嵌入到其他原有的应用程序中来，比如把GIS的功能运用到建立在工业标准上的产品和其他ArcGIS Engine支持的商业应用中，开发者也能够按照ArcGIS Engine提供的标准建立自己定义功能的应用程序，为其需要提供服务的用户提供GIS的功能；（3）服务器GIS（Server GIS），包括ArcGIS Server、ArcIMS和ArcSDE，提供创建、管理基于GIS信息服务的应用程序，比如，运用该项服务可以在大型公司或者其他组织机构或者互联网络上的众多用户之间共享地理位置信息，移动GIS（英文称为Mobile GIS），ArcPad支持GPS的无线移动设备，越来越多地应用在野外数据采集和信息访问中25。ArcGIS桌面和ArcGIS Engine可以运行在便携式电脑或平板电脑上，用户可以在野外进行数据采集、分析和乃至制定决策。2.2.3 南方CASS的特点南方CASS地形地藉成图软件是广州南方测绘仪器有限公司基于机器辅助制图（CAD）平台而开发的一套集地形、地籍、空间数据库建立、工程制图应用、土石方量计算等功能为一体的软件系统。南方CASS（全称：南方CASS地形地藉成图软件）系统是一款基于国外机器辅助制图软件Auto CAD的平台技术的数字测绘数据管理软件，在国内被普遍运用到地形图制图、地藉测图和工程测量三大实际应用领域。南方CASS全面接通地理信息系统（GIS）和原图矢量化程序，软件包含完整的数字化测图系统、与各种GIS软件接口，使用骨架线实时编辑、简码用户化、GIS无缝接口等先进技术。自广州南方测绘公司推出该软件以来，它业已迅速成为我国首款用户规模最大、更新速度最快、服务支持最好的主流数字化测图成图软件；其用户遍及全国各地，涵盖了测绘、国土、规划、房产、市政、环保、地质、交通、水利、电力、矿山及相关行业26。2.2.4 前述几种GIS软件的应用优缺点MapGIS是我国具有完全自主知识产权、具备我国用户使用特点的地理信息系统（GIS），也是世界唯一一款以搭建式地理信息系统（GIS）数据处理中心集成开发的平台；软件实现了前期遥感数据的处理与地理信息系统（GIS）平台的完全融合，可以提供空间、底层、地表和地下等全空域真实三维集成统一化的地理信息系统（GIS）开发平台。ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台；ArcObjects包含了大量的可编程组件，从细粒度的对象（如单个几何对象）到粗粒度的对象（如与库存ArcMap文档交互的地图对象）涉及面极广，这些对象为开发者集成了全面的GIS功能。南方CASS地形地藉成图软件是一款基于Auto CAD平台技术的数字测绘数据采集系统，特点是全面面向GIS，包含数字化成图系统与GIS接口，使用骨架线实时编辑、简码用户化、GIS无缝接口等最先进的GIS理念，适合应用于地质地形图绘制成图、地藉成图、工程测量应用等领域。综上所述，我们可以清楚了解三款GIS系统软件的特点和使用简便程度，这样可以根据需要选择不同的GIS系统以方便进行工作。2.3 南方CASS软件在地图矢量化中的应用南方CASS地形地藉成图软件是一款基于Auto CAD平台技术的数字测绘数据采集系统，特点是全面面向GIS，包含数字化成图系统与GIS接口，使用骨架线实时编辑、简码用户化、GIS无缝接口等最先进的GIS理念，适合应用于地形成图、地藉成图、工程测量应用等领域。第三章 数字高程模型（DEM）的构建过程数字高程模型（DEM）构建是基于DEM进行土方量计算的基础。为了探索基于DEM进行土方量计算的计算方法、细节处理和精确程度，有必要对高程数字模型（DEM）的构建过程进行详细的分析和研究。3.1 数字高程模型（DEM）简介数字高程模型（英文名称：Digital Elevation Model，简称DEM)，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面数字化模型，其实质是数字地形模型（英文名称：Digital Terrain Model，简称DTM）的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生；一般认为，数字地形模型（DTM）是描述包括高程在内的各种地形地貌信息元素，例如斜坡坡度、斜坡坡向、斜坡坡度变化率等信息元素在内的线性或者非线性信息元素组合的空间分布模型，而且数字地形模型是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他例如斜坡坡度、斜坡坡向、斜坡坡度变化率等地形特点均可以在数字地形模型的基础上通过派生产生27。由于数字地形模型（DEM）描述的是地面高程信息，使得该模型在工程测量绘图、水文调查、气候气象分析、地质地貌特征、土壤环境分布等属于各项工程、卫星或基站通讯和军事发展等经济、国防、人文以及自然科学各个行业都有普遍的运用。工程测量上可以用作诸如：土（石）方量的计算、施工布局分析等方面；在预防洪水和减少地质灾害方面，数字地形模型（DEM）是进行诸如：汇水区域、水系网络和降雨量分析，计算蓄洪能力、划分淹没区域等关系国计民生的行业技术基础27。3.2 数字高程模型（DEM）构建数字高程模型（DEM）的构建主要考虑数据的来源、数据的采集方式和构建内插点的计算方法等关键点。构建实现过程主要包括规则网络结构算法和不规则三角网算法两种，构建时需要根据各方法的特点进行选择。3.2.1 数字高程模型（DEM）构建方法当前研究显示，建立数字高程模型（DEM）的方法有多种。从数据来源和数据采集方式上划分有：（1）直接将地面测量获取的数据作为数据来源，例如现场采用GPS仪器、全站仪器和其他野外测量设备；（2）将航空（或航天）摄取的影像作为数据来源，从摄影测量的方法获取数据，例如利用立体坐标仪器观测、空三加密方法、解析测图和数字摄影测量等；（3）将现有的地质地形图作为数据来源，诸如采用格网划分读点法、数字化扫描仪、手扶跟踪仪等半自动的进行数据采集，然后通过内插生成数字高程模型（DEM）等方法28。数字高程模型构建的内插生成方法也较多，其中应用成熟的主要包括整体内插方法、分块内插方法和逐点内插方法三种。整体内插法采用的是拟合模型，该模型通常根据研究区块里面所有采样点的观测值构建起来的；分块内插法是指将研究区块里的参考空间划分成几个大小相同的区块，对不同特点的区块采用不同的模型函数进行构建；逐点内插法（移动拟合法）是指把需要插值得点作为研究的中心，然后据此定义不同的局部函数去拟合该点周围的要素点，要素点的范围会随着需要插值点的位置变化而变化，所以该方法又被称作移动拟合法。数字高程模型的构建算法包括规则网格结构和不规则三角网格结构（英文全名：Triangular Irregular Network，简称TIN算法）两种算法。就目前来讲，我们最常用的算法是TIN算法。构建时，通常在TIN算法的基础上通过线性和双线性内插构建数字高程模型的基础构建框架。两种数据构建结构在实际应用中都有其优劣性，具体说来，在用规则方格网高程数据记录地表起伏的优点是：（X，Y）位置信息可隐含，无需全部作为原始数据存储由于是规则网高程数据，以后在数据处理方面比较容易；其缺点也很明显：数据采集相对比较麻烦，这是因为规则方格网高程数据结构中的网格点不是特征点，在实际测量中一些微地形可能根本没有记录；而采用TIN结构数据的优点是：能以不同层次的分辨率来描述地表形态；与格网数据模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面，尤其是当地形包含有大量特征如断裂线、构造线时，采用TIN数据结构模型能更好地顾及这些特征29。3.2.2 数字高程模型的构建流程根据前述第3.1节的内容，建立数字高程模型的方法有多种，总体可以按照以下三个步骤逐步施行：首先是数据的采集；其次，选择合适的算法进行高程点之间的插值运算；然后，根据已选定的算法对采集的数据进行高程数据的构建，以构成完整可输出的地形图数据资料。详细的数字高程模型（DEM）建立流程如下图3-1所示。数字高程模型构建方法数据来源（旧图数字化）插值算法（TIN算法）数字高程模型（DEM）TIN生成方法（分割-归并与三角）图3-1 数字高程模型的构建流程3.3 数字高程模型（DEM）的分辨率数字高程模型的分辨率是描述数字高程模型刻画地形精确程度的一个重要指标，同时也是决定数字高程模型具体使用范围的一个最重要的影响因素。数字高程模型的分辨率即是指数字高程模型（DEM）最小单元格的长度。由于数字高程模型实质上是记录离散的数据要素，因此（X，Y）点的坐标实际上都代表着一个又一个的小方格，我们只是在各个小方格（我们认为的点）上识别标识其数字高程，我们一般采用小方格的实际长度表示数字高程模型（DEM）的分辨率。我们同样可以由此而预见，分辨率的数值越小，数字高程模型的实际分辨率也就越高，所表述区块的地形数据精确程度就越高；与此同时，由此产生的数据大小也将呈现几何倍数的增长。因此，在数字高程模型的制作与选取工程中，应该依据对精度的需要，提前在精确程度和数据大小之间做出平衡的选择。综上所述，数字高程模型（DEM）的分辨率是由输出的栅格大小设定所致的，用高精度的地图生成小栅格数据，用低精度的地图生成大栅格数据。DEM的分辨率越大，包含的信息量越多，数据量也呈现猛烈的增长。实际工作中，根据需要什么精度的地图就输出成什么分辨率的DEM。第四章 应用数字高程模型（DEM）进行土方量计算在详细分析了地理信息系统（GIS）的应用特点和数字高程模型（DEM）的构建过程之后，再尝试结合数字高程模型（DEM）进行土方量的计算与分析，是本论文的写作目的，也是论文的主要研究内容。4.1 工程进行土方量计算的主要方法 工程土方量计算的方法有多种，常用的计算方法包括断面法、方格网法、等高线法（或者平均高程法）、DTM（DEM）法等。本节下面即将对这些计算方法的计算过程和精确程度特点进行分析。4.1.1 断面法当地形复杂起伏变化较大，或地狭长、挖填深度较大且不规则的地段，宜选择横断面法进行土方量计算。如下图4-1所示：图4-1 断面法计算土方量过程示意图在图（4-1）展示的是一渠道的测量图形。当利用横断面法进行土方量的计算时，可根据渠LL，按一定的长度L设横断面A1、A2、A3Ai等。则断面法的表达式为V=i=2nVi=i=2nAi-1+ViLi2 （4-1）在（4-1）式中，Ai-1，Ai分别表示第i单元渠段起终断面的填充（或开挖）方的面积；Li为渠段长；Vi为填充（或开挖）方体积。土石方量精度与间距L的长度有关，L越小，精度就越高。但是这种方法计算量大，尤其是在范围较大、精度要求高的情况下更为明显；若是单纯为了叨叨减少计算机工作量的目的而增加断面之间的间隔，将会导致计算结果精确程度的降低；这即为采用断面法计算土（石）方量时所存在的计算精确程度与实际计算快慢之间的矛盾30。4.1.2 方格网法方格网法适用于对较大面积的土（石）方开挖（或者填充量）进行估算，在某些地形起伏较小、坡度变化舒缓的场地也经常采用。方格网方法具体操作中将预计要开挖的区块划分为几个正方形的网格，根据划分好的网格和开挖深度形成四棱柱的大小计算各个四棱柱的体积大小，然后将全部的