基于Arc Engine的土方量计算设计与实现

仵 阳，樊宝霞

(1.陕西省第一测绘工程院，陕西 西安 710054;2. 广武镇路网办,河南 郑州 450000)

基于国家建设日趋加快，国内工程建造的原料需求量也不断增大。其中的砂石料，作为各地方高速路、高铁等基础建设中不可或缺的物料，其需求量也在急剧增大。在如此大的市场需求环境下，砂石的出厂价相比往年出现了大幅上涨，其利润空间之大，导致各地开设了许多的采石场进入采石赚钱的领域[1]。为了贯彻资源开采的合理化与可持续化发展，政府定期要对采石场进行资源/储量核实工作，递交储量核实报告，其目的是调查矿山开采现状，估算矿山保有资源量，为下步开发提供地质依据。在这样的发展背景下，如何运用新的测量技术来快速有效地对储量变化总量进行计算，就是本次论文研究的主题内容[2]。

本次研究的扫描数据是从某城市的四个露天采石场通过三维激光扫描仪获取的。控制点的布设采用RTK完成，精度上完全满足要求。RTK的基站是某城市当地的CORS基站[3]，选用的坐标系为1980西安坐标系。本次研究的数据由两方面组成，一方面是用传统的手段获取数据并且经过后期处理得到的石料矿地形地质图，信息较为全面[4]。另一方面是通过三维激光扫描仪测得的矿山开采面的点云数据，信息量比较大。石方检测方案的设计就是围绕这些数据展开的[5]。

1 监测方案设计

本研究所使用的三维激光扫描仪是拓普康GLS-1000，其独立操作模式适用于露天矿监测数据的采集工作。软件方面主要涉及到了5款软件，ScanMaster用于点云数据的预处理，CASS用于图纸数据提取，Visual Studio 2010为程序开发提供环境[6]，ArcGIS为AE的二次开发提供组件基础，HTCAD用于程序可靠性的检验。各软件分工明确，设计流程清晰明朗。

2 石方储量监测数据处理

2.1 实测石方点云数据处理

打开ScanMaster，新建项目并导入工程项目文件, 输入参考坐标，测量的点云位于一个任意坐标系下，不同坐标系统应当统一，以实现“注册”(匹配)。这项操作需要参考点来实现。使用测站/后视方法时，输入所有需要的点坐标。可识别的输入格式是TXT、DWG和DXF格式。这里导入的是TXT格式文件。设置坐标文件属性。将扫描得到的测站名与输入的坐标文件中的测站名相对应，并选择相应的后视点，使得点云构成一个具有绝对坐标的整体。由于数据量过于庞大，需要将点云数据进行重采样处理，也可将部分点云数据框选后单独输出。以DWG的格式导出点云数据，以便于在CAD中进行编辑处理。将数据导出后就可以用CAD打开查看，如图1所示。

图1 重采样后的点云数据

2.2 地形地质图处理

本次处理过程以某矿的地形地质图为例，该图的比例尺为1:5 000，坐标系是1980西安坐标系，基准面采用1985国家高程基准。用南方CASS7.0打开2017年12月和2018年12月该矿的地形地质图进行比较。对一年内有所变化的区域进行初步的判断，并用多段线进行框选，通过CASS工具栏里的“地物编辑”，进行数据批量删减，删减掉指定区域外多余的数据，实现开采范围的初步选取。通过CASS工具栏里的“建立DTM”功能，进行DTM的创建[7]，选择“由图面高程点生成”，并且勾选“建模过程考虑陡坎”和“建模过程考虑地性线”两个选项。得到三角网并对其进行修改，最后导出点数据文件。如图2所示。

图2 点数据导入CASS中显示

2.3 TIN模型的构建

打开ArcScene软件，点击ArcToolbox，选择“TIN管理”中的“创建TIN”，选择设置数据空间参考属性，XY坐标系选择1980西安坐标系，Z坐标系选择黄海1985(国家高程基准)，将两期数据进行叠加显示，框选出储量变化的范围，制作框选范围的CAD图层文件，将两期的TIN数据和扫描得到的TIN数据通过范围文件进行裁剪后，TIN模型构建完毕，如图3所示。

图3 裁剪后的模型

3 基于AE的石方储量变化监测系统设计

3.1 程序开发环境配置

这次的Arc Engine二次开发是基于.NET平台开发的，借助了Visual Studio2010的.NET平台，因Visual Studio .NET是一个非常全面的开发工具，可用于快速构建面向Microsoft Windows并与Microsoft .NET建立连接的应用程序，所以它的开发效率非常高。本次研究开发的小程序是在Windows 窗体应用程序中实现的，这种应用程序是基于图形界面接口GUI的，可以实现用户在本地计算机上的运行。Windows 窗体应用程序中的代码用C#语言编写，它是一种由微软公司专门为.NET平台设计的语言， C#从C，C++和Java发展而来，可以说C#继承了这三种语言最优秀的特点，同时它又具备自己的特性，C#语言比较简洁和自由，适用于快速应用开发，同时开发平台很友好，所以C#已经成为了编程热潮中的主流语言[8]。

ArcEngine 是一个完整的基于嵌入式GIS组件的类库[9]，开发人员可以用这些组件建立自定义的应用程序。ArcEngine安装包中包括了一个软件开发包(Developer Kit)和一个ArcGIS Engine运行时(Runtime)[10]。ArcGIS Engine的组件库中有多个组件，大致可以分为基本服务、开发组件、地图表达、数据存取以及扩展功能5个部分，其中包含了ArcGIS中绝大部分的功能应用。

3.2 程序功能模块设计

本次研究所开发的程序(取名为Reserve Calculation)是一个基于Visual Studio 2010 .NET平台开发的，以C#为编程语言，以ArcGIS Engine为组件类库的Windows应用程序，如图4所示。

Reserve Calculation可以实现的功能主要有：

(1)TIN模型的加载。

(2)TIN模型的三维可视化，以及放大、缩小、平移、旋转等操作。

(3)TIN模型的渲染，可以根据TIN模型的高程属性对模型各高度层进行颜色区分显示。

(4)渲染属性选择，用户可以根据自己需求对模型渲染的颜色以及高程分层数进行设置。

(5)可以计算两个TIN模型之间的体积差，也就是两期数据的储量变化值。

政府采购管理专业的人员，首先应该具备较高的思想、品行要求，要做好服务工作。这对专业学生的思想素质提出了一定的要求，尤其是新的发展时期，学生受到多种思想文化的影响，自身的服务意识比较淡薄，该专业要求人员能贯彻执行党的方针要求，并具有强烈的社会服务意识，遵纪守法，为民服务，在工作中能以身作则，按照具体的工作规范，抵制不良风气的影响，做好本职工作。

图4 程序模块设计

3.3 程序界面设计

程序窗口的实现是基于Visual Studio 2010 的 .NET Framework 3.5框架下的Windows窗体应用程序创建下完成的，左侧的小窗口是TOCControl控件窗口，可用于图层显示控制，右侧是Scene Control控件窗口，可用于三维数据显示，如图5所示。

3.4 程序运行过程展示

程序运行过程展示如图6、图7所示。

图5 程序界面

图6 储量变化凸显

图7 储量变化计算结果

如图7(a)所示，以两张图纸数据为基础计算的储量变化值为 204 301.01 m3。如图7(b)所示，以点云数据作为二期数据计算的储量变化值为 226 115.65 m3。

4 储量变化计算及其评价

通过HTCAD计算储量变化值，从而对编写的程序可靠性进行检验。如图8所示。

数据结果分析如下：

(1)数据a=203 184.586 m3(由挖方量减去填方量得到)；数据b=204 301.01 m3

这两个数据结果的数据基础相同，但计算方式有所不同，数据a是用HTCAD这个专业的土石方计算软件所计算得到的，可视为两期储量变化值的标准值，数据b是用二次开发编程实现的程序(Reserve Calculation)所计算出来的结果。

由(b-a)/b=0.546% ，可看出数据a与数据b的值相差很小，这说明用Reserve Calculation程序计算出的结果是精确可行的，具有可靠性。

(2)数据b=204 301.01 m3；数据c=226 115.65 m3

图8 数据比较图

这两个数据的计算方式相同，不同点在于二期数据的来源，数据c的二期数据基于点云数据。从浙江省工程勘察院获取的关于该矿在2017年12月～2018年12月的储量变化计算结果是50万t，石料的平均密度是 2.5 t/m3，转换成体积是20万m3，所以可以把数据b作为传统监测手段获得的数据结果。而数据c又可以视为基于三维激光扫描技术的石方储量变化监测值。由(c-b)/b=10.68%，可看出数据b与数据c的值相差较大，基于三维激光扫描技术的数据要比传统监测的数据多出10个百分点，多出2万m3左右的采石量。该组数据证明基于三维激光扫描技术的石方储量变化结果要比传统监测结果更为全面，更能够反映出采石场的真实开采量。

经检验，本次研究开发的程序计算结果精度较高，具有一定的可靠性。通过程序计算对新旧监测方式作出比较，结果就是通过三维激光扫描技术可测得更为详细的采石壁信息，得到的储量变化总量也要多于通过全站仪监测得到的值，最终的研究成果基本达到预期目的。

5 结 语

本研究完成了多项内容，其中包括使用三维激光扫描仪获取实测数据，点云数据预处理，地形地质图数据提取与处理，开采范围的框选，TIN数据集的生成，监测系统程序的开发以及结果分析评价。最终验证了本文石方监测系统的可靠性，同时又获得了具有参考价值的数据。

本研究也存在一些不足之处，比如为了提高计算精度需要对开采范围进行框选，框选的方式是通过CAD多次逼近式操作得到的，因为是人为判断操作，效率不高。其次是数据量不足，因为受条件和时间限制，采石场的第二次点云数据采集工作还没有进行。

对于基于三维激光扫描技术的石方储量变化监测这项研究还将继续进行，未来的一段时间，将会对监测系统进一步完善，解决这种人为框选范围的限制，争取将监测系统做到效率最大化。这次研究是在露天矿测量领域中的一种尝试，希望这种监测方式可以逐渐走向成熟，并在不久的将来被生产监测单位所认可。