南方CASS软件土方量计算方法和精度分析

摘要：本文采用南方CASS软件，结合土方工程事例，对土方进行不同的计算方法进行比较分析，并着重分析了DTM法和方格网法的计算方法和精度。

关键词： CASS软件；土方计算； DTM法；方格网法；精度分析

1引言

随着沿海地带经济的高速发展，土地的利用越发觉得紧张。滩涂围垦、填海造地工程在这种背景下应运而生。温岭市东海塘围涂工程是浙江省在建的三大围垦工程之一，也是温岭市有史以来的最大水利工程。该工程项目的实施，使温岭市石料场采石工程量和东海塘填方量工程越来越大。为确保整个工程的顺利进行，土石方量的测量计算必须快速准确。本文主要介绍南方CASS软件中几种常用的土石方计算方法及其精度。

2土方施测方法

土石方外业测绘分施工前测绘和施工后测绘。在土石方测量开始前，首先要了解测区内的现场情况和现有测绘资料（主要是控制点情况）。如果附近有保存较好的高等级控制点，且在施工区外，经复测检验合格后应尽量利用原有控制点。如果附近没有控制点，也可以自己设立独立坐标系和高程系。控制点应设在施工范围以外基础稳定且施工影响不到的地方，控制点数量不应少于4个，视场地情况均匀分布。控制测量工作完成后就要进行原始地形的碎部测量，土方原始地形的特征点必须要有足够多的、位置适当的实测高程点。原始地形测量的范围一定要大于填/挖的范围。

施工后测绘要在待填挖方工程完成后，便可以测量。施工后测量一定要利用施工前测量所利用的控制点（平面、高程要采用同一系统）。控制点之间要先进行复测，防止控制点遭破坏以至测绘成果有误。测量中，一定要对填挖方的施工边界要测绘仔细。

3土方几种计算方法

3.1 DTM法土方计算

DTM即数字地面模型，是在一定区域范围内规格格网点或三角网点的平面坐标（x,y）和其地物性质的数据集合，如果此地物性质是该点的高程Z，则此数字地面模型又称为数字高程模型（DEM）。这个数据集合是从微分角度三维的描述该区域地形地貌的空间分布。

由DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标（X，Y，Z）和设计高程，通过生成不规则三角网(TIN)来计算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。

DTM法土方计算共有三种方法，一种是由坐标数据文件计算，一种是依照图上的高程点进行计算，第三种是依照图上的三角网进行计算。前两种算法包含重新建立三角网过程，第三种方法直接采用图上已有的三角形，不再重建三角网。DTM法常用在矿场开采等山地土方量计算。DTM法是计算机测绘软件计算土方量的主要方法，精度高，计算方便。但是DTM法对外业外业特征点测设有一定要求，碎部点应能反映地形细部特征、地形变换等特征。

3.2 方格网法土方计算

方格网来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标（X,Y,Z）和设计高程，通过生成方格网来计算每一个方格内的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。

系统首先将方格的四个角上的高程相加（如果角上没有高程点，通过周围高程点内插得出其高程），取平均值与设计高程相减。然后通过指定的方格边长得到每个方格的面积，再用长方体的体积计算公式得到填挖方量。方格网法简便直观、通用性强、适用面广，但美中不足的是复杂的土方量计算精度相对不高，不及DTM法的精度。在南方CASS软件中方格网法计算的设计面可以是平面或斜面。这样，可以满足不同情况下的土方计算，解决土方计算中的很多难题。

3.3 断面法土方计算

估算道路、管道等狭长工程土方量的常规方法，是实测沿线路的横断面，按照设计坡度和横断面的尺寸，计算相邻两横断面的填挖方量，然后分别累加各段的填方和挖方，即得到总的填方和挖方。断面法土方计算主要有：道路断面、场地断面和任意断面三种计算土方量的方法。断面法土方计算主要用在道路土方计算和区域土方计算，对于特别复杂的地方可以用任意断面设计方法。

3.4 等高线法土方计算

等高线法可计算任两条等高线之间的土方量，但所选等高线必须闭合。由于两条等高线所围面积可以算出，两条等高线之间的高差已知，即可求出这两条等高线之间的土方量。用户将白纸图扫描矢量化后可以得到图形。但是这样的图都没有高程数据文件，所以无法用前面的几种方法计算土方量。一般来说，这些图上都会有等高线，所以CASS开发了由等高线计算土方量的功能，专为这类用户设计。

4实例分析DTM和方格网的使用方法及精度

精度比较方法：当一个场地的填挖方量平衡时，它挖掉的土方量刚好等于填方量。以填挖方边界线为界，从较高处挖得的土石方直接填到区域内较低的地方，就可完成场地平衡。这就是南方CASS中的区域土方量平衡法。以区域土方量平衡法求出土方平衡高度，它所得到的填挖方量基本相等。我们以此法得到的结果设为真值，来比较南方CASS中几种常用的土方计算方法的精度。

4.1 区域土方量平衡

在南方CASS软件中的步骤为工程应用区域土方量平衡根据图上高程点输入边界插值间隔绘制表格

回车后弹出对话框：

计算结果：土方平衡高度为5.022米。

我们以5.022米为平场标高，来检验DTM法和方格网法计算结果的精度。

4.2 DTM法

在南方CASS软件中的步骤为工程应用DTM法土方计算根据图上高程点选择计算区边界线输入平场标高和边界采样间距绘制表格。

计算结果如图：

计算结果为：平场面积6151.0平方米，最小高程为2.925米，最大高程为5.263米，平场标高为5.022米，挖方量为333.5立方米，填方量为331.7立方米。

4.3 方格网法

在南方CASS软件中的步骤为工程应用方格网法土方计算选择计算区域边界线输入高程点坐标数据文件和设计面高程，输入方格宽度。

计算结果如图：

计算结果为：平场面积6151.0平方米，挖方量为328.5立方米，填方量为313.6立方米。

4.4 精度比较

计算方法 平场标高 挖方量（m³） 填方量（m³） 精度比较

挖方误差 填发误差

区域平衡法 5.022 332.0 332.0 0 0

DTM法 5.022 333.5 331.7 0.5％ 0.1％

方格网法 5.022 313.6 328.5 5.5％ 1.1％

例：挖方误差为（332.0-313.6）÷332.0=5.5％

填方误差为（332.0-328.5）÷332.0=1.1％

5结果

（1）南方CASS计算土方量，一般根据高程点文件或者图面数据进行计算。土方量的精度主要取决于采集数据的精度（地形图的精度）和数据采集的密度。在采集数据时，应注意地貌特征点及地形变换点，坎上与坎下，坡脚与坡顶。高程点分布要均匀，对高程不足的地方必须根据实际情况补注高程。

（2）计算方法的选择，DTM法和方格网法的计算原理是不同的，他们有各自的优缺点，在工作中，我们应根据计算区域的地形地貌实际情况对计算方法作出选择。由于方格网法将它的每个方格均视为独立的规则面，这与计算场地的实际地形是有差别的，有其局限性。所以在实际生产中，为保证土方计算的准确性，方格网法多应用于场地较平坦的土方计算。而DTM法在点位密度满足的情况下，适用于各类的地貌。

（3）方格网法的精度取决于数据采集的密度大小，同时和方格网的大小有关。理论上讲，方格网的宽度越小，计算精度越高。但如果给的值太小，超过了野外采集点的密度也是没有实际意义的。如果任意输入一个值，可能与实地测设的方格又不重合，所以在设置方格网宽度时，必须同时满足以下二点：①必须是实地布设方格网宽度的约数；②必须与实际采集高程密度基本相近。

（4）由上图分析可知，DTM法的精度要稍高于方格网法。但在DTM法中，由于电脑生成三角网的连接时随即的，不排除有一些三角形的连接时不满足计算要求的，所以需要对生成的三角网进行处理，剔除不符合要求的但交往，然后按照实际地形的变化对三角网进行手工连接，使得生成的模型更加符合地形的实际情况，提高计算土方量的精度。

（5）在提交数据成果给委托方之前，我们应做好成果的检校工作。检校方法为：用多种（不少于两种）计算土方量的方法来进行成果对比，如果成果误差范围小于3％。说明我们计算出的数据成果是可信的。然后选择精度较高的成果提交给委托方。

参 考 文 献

【1】 浙江测绘：周革修，等。计算机技术在土石方测量中的应用，2005.1

【2】 安徽农业科学：张婷婷、王铁良，土方量计算方法研究，2006.8

【3】 浙江测绘：吴伟理、杨丽敏，土方量的计算方法与精度分析，2007.2

【4】城市勘测：刘建英，南方CASS软件土方量计算方法的探讨以及特殊地貌土方量的计算，2008.6

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。