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dem支持下的土方量计算与分析
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:
CalculationandAnalysisofFillingorCuttingEarthworkEngineeringBasedonDEM
DepartmentDepartmentofLabor
SubjectGeographicInformationSystem
GradeTheclassof2010
Name
StudentID2010160581
Teacher
目录
摘要I
AbstractII
前言1
第一章绪论2
1.1国内外相关研究进展2
1.1.1数字高程模型（DEM）研究进展2
1.1.2地理信息系统（GIS）发展现状3
1.1.3土方量计算方法及研究进展5
1.2研究目的与意义6
1.3主要研究内容及研究方法6
1.4论文可行性分析7
第二章地理信息系统（GIS）软件简述8
2.1地理信息系统（GIS）概述8
2.1.1地理信息系统基本概念8
2.1.2地理信息系统的主要功能9
2.1.3我国地理信息系统发展简史及展望11
2.2常用地理信息系统特点简述12
2.2.1MAPGIS的特点12
2.2.2ARCGIS的特点13
2.2.3南方CASS的特点14
2.2.4前述几种GIS软件的应用优缺点14
2.3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16
3.1数字高程模型（DEM）简介16
3.2数字高程模型（DEM）构建16
3.2.1数字高程模型（DEM）构建方法16
3.2.2数字高程模型的构建流程17
3.3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19
4.1工程进行土方量计算的主要方法19
4.1.1断面法19
4.1.2方格网法19
4.1.3DTM法（不规则三角网格法）22
4.1.4平均高程法26
4.2DEM支持下的土方量计算与分析方法27
4.2.1前述各土方量计算方法的应用特点27
4.2.2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，CASS
CalculationandAnalysisofFillingorCuttingEarthworkEngineeringBasedonDEM
Abstract
WiththedevelopmentofdomesticGIStechnology,moreandmoreprojectsbasedonhigh-endestimatecalculationmethodsuchasgeographicinformationsystem（GIS）andthedigitalelevationmodel（DEM）.Inrecentyears,peoplepaymoreattentionontheanalysisandcalculationbasedonDEMintheengineeringoffill（orcut）ofearthwork.
InordertofurthertheearthworkvolumecalculationandanalysisbasedonDEM,thesecondandthreechapterofthispapersummeduptheconcept,characteristicsandsoftwarefeatureofdifferentsystemplatformofgeographicalinformationsystems,andintroducestheapplicationofSouthCASSsoftwareinthevectorizationofgeologicmap.
Basedontheaboveanalysis,thethirdchapterofthisthesismainlyintroducesthemethodtoconstructingofdigitalelevationmodel（DEM）andasimpleapplicationtothesouthofCASS.Ouranalysisshowsthat,intheprocessofbuildingadigitalelevationmodel（DEM）,theinterpolationalgorithmandthedesignofIrregularTriangulationgenerationmethodisthekeypoint.
Throughin-depthstudyandanalysisoftheformerthreechapters,thefourthchapterofthisthesisbeganthediscussionofearthworkvolumebasedondigitalelevationmodel（DEM）calculationmethod.Wesummarizeseveralmethodsforearthworkcalculation,andgiveapreliminaryanalysisfortheusingrangeandaccuracyofthesemethods.Then,weputforwardacalculationmethodofearthworkasTINalgorithmbasedonDigitalElevationModel.Finally,thepracticalfeasibilityofthemethodisprovedbytheexample.
Keyword:
DigitalElevationModel，EarthworkCalculation，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（GeographicInformationSystem）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、AutoCAD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GeographicInformationSystem或Geo-Informationsystem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
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