surfer软件在土石开挖方量可视化计算中的运用

贾志敏 刘剑峰

(1.三峡大学，湖北 宜昌 443000； 2.贵州黔源电力股份有限公司，贵州 贵阳 550002)



·计算机技术及应用·

surfer软件在土石开挖方量可视化计算中的运用

贾志敏1,2刘剑峰2

(1.三峡大学，湖北 宜昌 443000； 2.贵州黔源电力股份有限公司，贵州 贵阳 550002)

以马马崖水电站工程为例，采用surfer软件，对坝基开挖土石方量进行了三维可视化计算，并介绍了具体的计算过程与数据处理方法，指出该软件提高了计算精度，满足复杂情况下大规模土石方工程的计算需要。

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1 概况

1.1 现有计算方法

土石方工程作为工程建设领域最基础的施工项目，其工程量计算方法却一直停留在断面法、等高线法等传统方法，在实际工作中仍大量采用人工计算。对小规模工程尚能满足要求，但对于大规模、较复杂的土石方工程，存在断面选择随意性大，计算精度较低等问题。尽管有了一些基于AutoCAD的土石方工程量计算程序，但计算过程缺乏直观性，精度一般。

1.2 surfer在土石方计算中的优势

surfer软件是Golden Software公司开发的一款插值绘图软件，具有各种图形图像文件格式接口，可以方便的进行文件和数据的交流与交换，在气象行业运用较为广泛。Excel数据或用户给出的无规则数据，都可以用软件插值快速地绘出等值线图和三维表面。利用该软件进行土石开挖方量三维可视化计算的方法，可以弥补现有方法的不足，满足复杂情况下的计算需要，其可视化效果更方便了对测量数据的检查与分析。

1.3 马马崖电站工程概况

马马崖一级水电站位于北盘江中下游，属二等大(2)型工程。电站枢纽布置方案为碾压混凝土重力坝(如图1所示)，坝顶高程592.0 m，最大坝高109.0 m，坝顶长250.2 m，坝顶宽12.0 m，最大坝底宽100.5 m。河床坝段布置3孔开敞式溢流表孔，表孔尺寸为14.5 m×19 m(宽×高)，堰顶高程566.00 m，设计最大下泄流量为10 866 m3/s。采用“X”形宽尾墩、台阶坝面与戽式消力池相结合的消能方式，消力池长60.0 m，宽51.5 m。大坝工程由水电十六局负责施工。

2 基于surfer的土石方计算方法

2.1 计算原理

土石方工程量计算一般是在施工一段时间后，计算完成的工程量；或者按照土石分界线表面对土方量和石方量进行计算，确定土石比等。由于阶段性挖填施工或确定土石分界线后，相关表面仍然是不规则的曲面，采用传统方法计算较为困难，而利用surfer却可以快速进行相关计算，在保证计算精度的同时还可实现计算过程的三维可视化。基于surfer的土石方量计算是以surfer作为软件平台，对已有测量数据进行网格化处理，建立数字高程模型，通过计算原始表面与完工表面两个不规则曲面之间的组合体积来实现，从而计算出两个曲面定义之间的精确体积。

2.2 数据处理

surfer丰富的数据接口，可以方便地处理Excel,txt等各种格式保存的数据。数据的来源一般为通过全站仪直接采集的地表离散高程点数据，采样点密度、分布等无特殊要求。有了原始数据，还不能直接生成可供计算使用的三维表面，需要将包含有点位坐标(X，Y坐标)及属性项(高程)的数据通过网格化处理，转换成surfer特有的grd格式网格文件，才能够绘制三维表面。在surfer中提供了12种插值方法，如反距离加权插值法、最小曲率法、克里金插值法等。选用合适的插值方法并设置行列间距后，即可将原始离散的数据转换生成网格化的数据文件(如图2所示)。需要注意的是，surfer对离散高程点数据进行网格化时，网格化的区域往往要超过需要计算的区域。因此，需要利用白化边界文件将需计算区域以外的网格数据进行“白化”，即“白化”区域的数据将不进行计算和显示。

2.3 三维曲面可视化

经过上述过程生成的网格化文件(边界白化后)已经是可用来进行土石方计算的数字化三维模型，但利用surfer软件的绘图功能，我们可以更直观的检视数据完整性和正确性。对于土石方开挖和地形地貌，3D线框图和3D曲面图较为实用。图3为马马崖一级水电站大坝坝址的原始地形图(河道水面以下部位为大江截流后测量)，图4,图5为马马崖一级水电站大坝坝肩及基坑开挖完成后地形图。在初次处理中，错误数据导致了个别位置三维地貌发生突变；缺失数据导致局部地貌因不含高程属性而凹陷，方便了数据检查。

2.4 方量计算及精度分析

经过上述过程生成的网格化文件(边界白化后)已经可用来进行土石方计算。点击“网格”菜单下的“体积”功能，将生成的网格化文件分别作为计算体积的上表面、下表面，点击确定即可生成体积计算报告，如图6所示。

采用surfer软件计算的马马崖大坝开挖方量与监理单位采用传统方式计算的开挖方量进行比较后发现，误差约2.8%，高于国家土石方计算标准3 %的相对误差标准，可靠性满足要求。

3 结语

利用surfer软件进行三维可视化土石方量计算，形象直观，简单高效，计算精度较高。另外surfer 软件提供了编程脚本语言Scripter，可以利用其编写规范化、系统化的土石方量三维可视化计算软件，方便使用。

[1] 陈欢欢,李 星,丁文秀,等.Surfer8.0等值线绘制中的十二种插值方法[J].工程地球物理学报,2007(2):52-57.

[2] 罗亦泳,张立亭,陈竹安,等.基于surfer的数据网格化与体积计算精度分析[J].测绘科学,2009(9):97-99.

[3] 胡润希,唐争气.基于Surfer软件的高精度土方量计算[J].企业技术开发,2013(5):32-34.

[4] 白世彪,王军见,闾国年.Surfer软件在水下地形三维可视化与分析中的应用[J].海洋测绘,2004(9):51-53.

On application of surfer software in visualized calculation of earthwork excavation volume

Jia Zhimin1,2Liu Jianfeng2

(1.ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000,China; 2.GuizhouQianyuanPowerCo.,Ltd,Guiyang550002,China)

Taking Mamaya Hydropwer Project as the example, the paper adopts surfer software to undertake the three-dimension visualized calculation of the excavation earthwork volume of the dam base, introduces the calculation process and data processing method, and points out the software can improve the calculation accuracy and meet the calculation demands for the large-scale earthwork project in complicated circumstances.

surfer software, earthwork volume, dam, three-dimension model

1009-6825(2017)06-0257-02

2016-12-06

贾志敏(1986- )，男，工程师； 刘剑峰(1991- )，男，助理工程师

TP319

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