CN109584365B - 一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地质分层模型构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地质分层模型构建方法，其针对海洋吹填造陆工程，通过构建钻孔采样点所在局部分块的Voronoi图地质分层模型，并联合双层三角网模型，实现了海洋吹填造陆工程中不同地质层的土方量造价准确、快速计算。本发明步骤是首先构建施工前与施工后海底表面地形的双层三角网模型，然后基于Voronoi图的最邻近特性构建中间地质层的Voronoi图分层模型，得到各地质层的土方量，最后根据不同地质层的单位土方计价得到海洋吹填造陆工程土方量的总造价。

Description

一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地 质分层模型构建方法
技术领域
本发明属于地理信息系统(GIS)中空间分析研究领域，涉及到一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地质分层模型构建方法。
背景技术
土方量造价核算是工程建设方和施工方结算工程量、避免经济纠纷的主要依据，直接关系到建设方和施工方的经济利益。当前，土方量造价核算方法都是根据施工前与施工后区域的表面地形数据，利用等高线、方格网、断面或三角网等测算方法计算出该区域的土方量，并根据单位土方的计价得出该施工区域的土方量造价。然而，现有土方量造价核算方法应用于海洋吹填造陆工程极易产生经济纠纷，这是因为海底沉积物从上至下容易形成砂砾、碎块、岩石等颗粒大小不同的地质层，不同地质层的开挖方法和使用的船只工具不尽相同，导致不同地质层的施工难度和计价成本均不同。
为了准确核算出海洋吹填造陆工程土方量造价，除了利用多波束测深系统获取施工前与施工后区域的表面地形数据外，还需利用打桩钻孔测量技术获取施工前采样点处不同地质层的深度值。由于每打桩钻孔测量一个采样点所花费的时间、财力、物力等成本非常昂贵，所以采样的钻孔点数量就相当稀少。利用小样本的钻孔点全局插值计算施工后区域表面地形的大样本采样点处的不同地质层深度值，再利用现有土方量测算方法虽然能够核算出海洋吹填造陆工程土方量造价，但存在分层计算过程复杂、计算量大等问题，同时，利用小样本采样点全局插值计算大样本采样点已不具有实际应用意义。因此，本发明提出了一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地质分层模型构建方法，通过构建钻孔采样点所在局部分块的Voronoi图地质分层模型，并基于Voronoi图的最邻近特性，即位于Voronoi图中同一多边形分块内的点具有相同的特性，利用钻孔点的地质分层属性值表示其所在局部分块的地质分层属性值，实现了海洋吹填造陆工程中不同地质层的土方量造价准确、快速计算。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，提出了一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地质分层模型构建方法，其能够以较快的速度准确计算不同地质层的土方量造价，为海洋吹填造陆工程建设方和施工方结算工程量提供了可靠的依据。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地质分层模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1，数据输入，读取施工前的海底表面水深点集数据、施工后的海底表面水深点集数据、钻孔点集数据和施工边界数据，所述点数据具有各自的序号、坐标数据和水深值数据，所述施工边界数据为简单多边形数据，由多个点数据经首尾顺次相连而成；
步骤2，空间内插，利用施工前的海底表面水深点集数据、施工后的海底表面水深点集数据分别插值计算施工前与施工后的施工边界上点坐标的水深值；
步骤3，剔除判定，分别将施工前的海底表面水深点集数据、施工后的海底表面水深点集数据中位于施工边界范围外的点数据剔除；
步骤4，构建双层三角网模型，方法为：先利用施工边界及其内的施工前的海底表面水深点集数据，构建第零层三角网模型；再利用施工边界及其内的施工后的海底表面水深点集数据，构建最底层三角网模型，所述双层三角网模型构建完毕后，采用三角网法分别计算第零层三角网、最底层三角网与基准海平面构成的体积；
步骤5，构建基于泰森多边形Voronoi图的中间地质层分层模型，方法为：利用施工边界及其内的钻孔点集数据，构建中间地质层的Voronoi图分层模型，得到中间各地质层与基准海平面构成的体积。该方法主要包括构建钻孔点的Voronoi图、构建地质分层模型两个处理环节；
步骤6，土方量造价计算，在计算得到第零层、中间各地质层、最底层与基准海平面构成的体积后，利用两期体积相减法，即下一层体积减去上一层体积，得到不同地质层的真实土方量，并根据不同地质层的单位土方计价，计算各地质层的土方量造价，累加得到海洋吹填造陆工程土方量的总造价。
进一步地所述步骤5中，构建基于泰森多边形Voronoi图的中间地质层分层模型的方法如下：
步骤a，利用钻孔点集数据，构建钻孔点的Voronoi图，并与施工边界进行空间叠置裁剪，得到施工边界范围内钻孔点的Voronoi图；
步骤b，基于Voronoi图的最邻近特性，利用钻孔点的地质分层属性值表示其所在局部分块的地质分层属性值，从而建立Voronoi图中多边形的地质分层模型，得到Voronoi图中每个多边形内的不同地质层的水深属性值。根据多边形的面积和某一地质层的水深属性值可得到该层的体积，并按照分层次序进行体积累加，得到各地质层与基准海平面构成的体积。
本发明与现有技术相比的优点在于：现有土方量造价核算方法通常都忽视了地质分层的影响，即使在海洋吹填造陆工程中考虑了地质分层的影响，但利用小样本的钻孔点全局插值计算施工后区域表面地形的大样本采样点，再利用现有土方量测算方法核算出整体施工区域内不同地质层的土方量造价，存在分层计算过程复杂、计算量大等问题，同时，利用小样本采样点全局插值计算大样本采样点已不具有实际应用意义。本发明构建钻孔采样点的Voronoi图地质分层模型，采用局部分块、分层模型替代了全局整体模型，并联合双层三角网模型，能够准确计算不同地质层的土方量造价，减小了计算量，为海洋吹填造陆工程建设方和施工方结算工程量提供了可靠的计算结果。
附图说明
图1为本发明的方框示意图；
图2为本发明中钻孔采样点的地质层结构及其相应水深值；
图3为本发明中施工边界及其上的坐标点；
图4为本发明基于施工边界的约束三角网；
图5为本发明中基于钻孔点集的Voronoi图区域划分；
具体实施方式
为了更好地实现上述发明目的，下面将结合图1的方框图对本发明中的各个步骤做进一步描述：
步骤1，数据输入，读取施工前的海底表面水深点集数据、施工后的海底表面水深点集数据、钻孔点集数据和施工边界数据，所述数据具有各自的存储结构：施工前与施工后的海底表面水深点集数据都具有相同的存储结构，每个点数据都由序号、x与y坐标、单一水深值组成；钻孔点数据由序号、x与y坐标、多个水深值组成。图2显示的是某钻孔点处的三层地质层结构，其存储结构表示为(id,x,y,h0,h1,h2,h3)，对应于海底沉积物从海底表面向下更深地质层依次是砂砾层(第1层)、碎块层(第2层)和岩石层(第3层)，第0层为基准海平面到海底表面这一立体空间，h0表示钻孔点处基准海平面到海底表面的水深值，h1、h2、h3分别表示砂砾层(第1层)、碎块层(第2层)和岩石层(第3层)的水深值。施工边界数据为简单多边形数据，由多个点数据经首尾顺次相连而成，每个点的存储结构与海底表面水深点存储结构相同。图3显示的是施工边界多边形及其上的坐标点。
步骤2，空间内插，利用施工前的海底表面水深点集数据，通过反距离权重插值方法计算施工边界上点数据的水深值。同理，利用施工后的海底表面水深点集数据，通过反距离权重插值方法计算施工边界上点数据的水深值。
步骤3，剔除判定，叠加施工前的海底表面水深点集数据和施工边界，通过点-面包含判定方法剔除位于施工边界范围外的水深点数据，得到施工边界范围内的施工前的海底表面水深点集数据。同理，剔除施工后的海底表面水深点集数据中位于施工边界范围外的点数据，得到施工边界范围内的施工后的海底表面水深点集数据。
步骤4，构建双层三角网模型，首先利用施工边界及其内的施工前的海底表面水深点集数据，构建施工边界约束范围内的三角网模型，即第零层三角网模型，如图4所示；再采用公式(1)计算每个三角形与基准海平面构成的三棱柱体积；最后累加三棱柱体积得到第零层三角网与基准海平面构成的体积。同理，利用施工边界及其内的施工后的海底表面水深点集数据，构建最底层三角网模型，得到最底层三角网与基准海平面构成的体积。
Figure BDA0001884515130000041
上述公式(1)中，vi表示第i个三角形Δabc与基准海平面构成的三棱柱体积，si表示第i个三角形Δabc的面积，za、zb、zc分别表示三角形Δabc的三个顶点a、b、c处的水深值。
步骤5，构建Voronoi图地质分层模型，首先利用钻孔点集数据，构建钻孔点的Voronoi图，并与施工边界进行空间叠置裁剪，得到施工边界范围内钻孔点的Voronoi图，如图5所示；然后，基于Voronoi图的最邻近特性，即位于Voronoi图中同一多边形分块内的点具有相同的特性，利用钻孔点的地质分层的水深属性值表示其所在多边形分块的地质分层属性值，从而建立Voronoi图中多边形的地质分层模型，得到Voronoi图中每个多边形内的不同地质层的水深属性值，并计算多边形内的不同地质层与基准海平面构成的体积；最后采用公式(2)累加各层次体积，得到中间各地质层与基准海平面构成的体积。
Figure BDA0001884515130000042
上述公式(2)中，Vk表示施工边界范围内的第k地质层与基准海平面构成的体积，Si表示Voronoi图中第i个多边形的面积，hk表示钻孔点的第k地质层的水深值，M表示钻孔点或Voronoi图中多边形的数量，K表示地质层数量。
步骤6，土方量造价计算，利用两期体积相减法，如公式(3)所示，得到不同地质层的土方量，并根据不同地质层的单位土方计价，计算各地质层的土方量造价，累加得到海洋吹填造陆工程土方量的总造价。
V'k＝Vk-Vk-1(1≤k≤K) (3)
上述公式(3)中，V'k表示第k地质层的土方量。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种用于海洋吹填造陆工程土方量造价核算的Voronoi图地质分层模型构建方法，其特征在于：先构建双层三角网模型，精确计算海洋吹填造陆工程总的土方量，再构建Voronoi图地质分层模型，准确计算各地质层的土方量，最后根据不同地质层的单位土方计价得到海洋吹填造陆工程的土方量总造价，具体步骤如下：
步骤1，数据输入，读取施工前的海底表面水深点集数据、施工后的海底表面水深点集数据、钻孔点集数据和施工边界数据，所述点数据具有各自的序号、坐标数据和水深值数据，所述施工边界数据为简单多边形数据，由多个点数据经首尾顺次相连而成；
步骤2，空间内插，利用施工前的海底表面水深点集数据、施工后的海底表面水深点集数据，分别插值计算施工前与施工后的施工边界上点坐标的水深值；
步骤3，剔除判定，分别将施工前的海底表面水深点集数据、施工后的海底表面水深点集数据中位于施工边界范围外的点数据剔除；
步骤4，构建双层三角网模型，方法为：先利用施工边界及其内的施工前的海底表面水深点集数据，构建第零层三角网模型；再利用施工边界及其内的施工后的海底表面水深点集数据，构建最底层三角网模型，所述双层三角网模型构建完毕后，采用三角网法分别计算第零层三角网、最底层三角网与基准海平面构成的体积；
步骤5，构建基于泰森多边形Voronoi图的中间地质层分层模型，包括构建钻孔点的Voronoi图、构建地质分层模型两个处理环节，具体实现为：利用施工边界及其内的钻孔点集数据，构建中间地质层的Voronoi图分层模型，得到中间各地质层与基准海平面构成的体积；
步骤6，土方量造价计算，在计算得到第零层、中间各地质层、最底层与基准海平面构成的体积后，利用两期体积相减法，即下一层体积减去上一层体积，得到不同地质层的真实土方量，并根据不同地质层的单位土方计价，计算各地质层的土方量造价，累加得到海洋吹填造陆工程土方量的总造价；
所述步骤5中，构建基于泰森多边形Voronoi图的中间地质层分层模型的方法如下：
步骤a，利用钻孔点集数据，构建钻孔点的Voronoi图，并与施工边界进行空间叠置裁剪，得到施工边界范围内钻孔点的Voronoi图；
步骤b，基于Voronoi图的最邻近特性，利用钻孔点的地质分层属性值表示其所在局部分块的地质分层属性值，从而建立Voronoi图中多边形的地质分层模型，得到Voronoi图中每个多边形内的不同地质层的水深属性值；根据Voronoi图中多边形的面积和某一地质层的水深属性值得到该层的体积，并按照分层次序进行体积累加，得到各地质层与基准海平面构成的体积。
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