CN112733215A - 基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法 - Google Patents

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姚艳
周东杰
刘洋
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Abstract

本发明公开了一种基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法，其包括：根据高程数据点生成无约束的Delaunay三角网；在无约束的Delaunay三角网中将工程区域边界作为约束插入；进行局部优化，生成约束不规则三角网；将地面高程完整投射在约束三角网区域上得到原始地形三角网模型；指定场平工程设计高程后，计算出每个三角网单元上的土方填挖量；累加工程区域内三角网土方量得到总的土方填挖量。优点是：本发明，可以避免由于地形高差起伏大导致的土方工程量计算误差大的问题，实现适用于浙东山地区域复杂地形地貌的土方工程量精确计算，有效减小土方量计算的误差，优化场平工程土方量计算精度。

Description

基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法
技术领域
本发明属于涉及土木工程建设中场地平整土方工程量计算方法领域，尤其涉及一种适用于高差起伏较大的浙东山地区域地形条件下的基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法。
背景技术
场地平整工程是指根据建设需要改造工程场地原有地貌。其中，利用地形测量结果精确计算土方量，进而平衡土方填挖量，合理选择施工人力、机械配备，是控制现场施工方案和进度的可靠依据，是影响工程项目造价和投资的关键，切实关系到工程建设各个方面。
浙东区域电网工程站址所处地大都处于丘陵地带，地形地貌较为复杂。浙江省地理特征丰富，山河湖海兼备。地势自西南向东北呈阶梯状倾斜，全省大致可以分为浙北平原、浙西丘陵、浙东沿海丘陵、中部金衢盆地、浙南山地、东南沿海平原及滨海岛屿七个地形区。全省地形起伏较大，西南多为千米以上的群山盘结，境内山地和丘陵约占70.4％。
同时，考虑到电网工程场地的区域生态环境影响与所处区域，场地平整工程中通常采用的余土外运和购土方案的实施具有较大难度。因此，研究适用于浙东山地区域复杂地形地貌的精确土方工程量计算方法，对优化土方施工方案、缩短施工工期、降低工程造价具有显著的经济效益和重要的现实意义。
目前工程上计算土方量通常采用方格网法、断面法、等高线法或数字高程模型(DEM)法等。上述方法计算方法各异，在不同类型场地条件下的计算精度也存在较大差异，具有特定的适用范围。已有研究表明，在复杂地形地貌条件下，DEM法相对其他方法在计算精度和稳定性上具有一定优势。
数字高程模型(DEM)一类将三维地理坐标与可参数化的地形表面特征相结合的数字地图，其实质是一组定义在区域上的三维向量有限序列，因此具备计算机信息化处理的所有优势。土木工程是最早应用DEM方法的领域，Miller等人于1958年在道路横断面模型设计中提出DEM概念后，这一概念被迅速推广到其他土木工程设计领域。
数字高程模型(DEM)主要通过规则格网模型和不规则三角网(TIN)模型来实现对一定区域内地形地貌的描述。其中，TIN模型是将区域内不规则分布的数据点通过特定的三角剖分规则构建三角网，形成连续的三角单元从而描述特定的地形地貌。
由于TIN模型可以利用有限的离散点实现特定区域的地形地貌描述，因此可以非常好的与工程中地形采样测量方式结合，并根据地形地貌复杂程度调整采样测量方案，准确描述复杂条件下的地形地貌。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适用于浙东山地区域复杂地形地貌的基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法，其在Delaunay剖分法构造约束TIN算法的基础上，发展了改进的约束不规则三角构建算法，在无约束的Delaunay三角网中将工程区域边界作为约束进行插入，并进行局部优化，生成用于土方量计算的约束TIN模型，进而精确计算土方工程量。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法，其方法如下，
根据高程数据点生成无约束的Delaunay三角网；在无约束的Delaunay三角网中将工程区域边界作为约束插入；进行局部优化，生成约束不规则三角网；将地面高程完整投射在约束不规则三角网区域上得到原始地形三角网模型；指定场平工程设计高程后，计算出每个三角网单元上的土方填挖量；累加工程区域内三角网土方量得到总的土方填挖量。
生成约束不规则三角网的具体步骤包括：
a、定位约束边界线起始端点处三角单元：定义边界线端点坐标，并定义三角单元三个顶点坐标，根据点与三角单元的几何关系，定义出点与三角单元边的位置关系判断式，根据判断结果判断边界端点在三角单元的内部或某一侧边线外侧，边界区域确定后，指定边界的起始点，不断重复上述过程遍历三角网；
b、确定约束边界影响域边线：在初始定位完成后，从该三角单元处开始寻找下一个边界端点所处三角单元。根据两线段相交的判断准则，即两条线段端点分别同时位于其中另一条两侧时，可知在使用前述步骤方法继续进行三角单元遍历过程中可以同时筛选出所有被该边界线穿越的三角单元，以及由这些三角单元外边包围形成的影响区域的外包络线；
c、优化约束边界影响域三角网：在完成上述两个步骤后，已约束边界线作为起始边，在边界影响区域内进行三角网重建，针对约束边界进行三角网的优化，构建将工程区域边界作为约束的TIN模型。
计算约束不规则三角网模型上的土方填挖量的具体内容包括：计算工程区域内的原始及设计地形TIN模型中每对对应三角单元之间形成的三棱柱体积的计算与累加。
本发明和现有技术相比所具有的优点是：
1、本发明提供的土方工程量计算方法建立在不规则三角形网模型上，可以利用有限的离散点实现特定区域的地形地貌描述，因此可以非常好的与工程中地形采样测量方式结合，并根据地形地貌复杂程度调整采样测量方案，准确描述复杂条件下的地形地貌；
2、本发明提供的土方工程量计算方法，将工程区域边界作为约束重建不规则三角网，建立起包含边界约束的不规则三角形模型，具备了准确描述工程区域边界上的复杂地形地貌的优势，在此基础上进一步实现场平工程区域内土方量的精确计算。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的约束不规则三角网端点与三角单元坐标定义示意图。
图3是本发明约束不规则三角网优化遍历过程示意图，
图4是本发明约束不规则三角网约束边界影响域边线示意图。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例，见图1至图4所示：一种基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法，其具体步骤如下：
定位约束边界线起始端点处三角单元：
要实现工程区域作为约束边界插入到无约束三角网中，首先需要将边界线端点所在的三角单元定位出来，本发明定义了如下算法来实现该功能；
定义边界线端点坐标为Pn(X,Y)，n为端点编号；定义三角单元Dm三个顶点坐标为Dm(xi,yi)，其中m为三角单元编号，i为顶点编号，如图1所示；根据点与三角单元的几何关系，可以定义出点与三角单元边ij的位置关系判断式为：
ξij=(xi-xj)Y-(yi-yj)X-xiyj+xjyi
当计算结果ξij＝0时，说明点Pn在三角单元边ij上，若ξij≠0，则根据符号可以判断在边ij的相应一侧；于是利用点P与三角单元D三条边的位置关系，可以判断出P在三角单元D的内部或者在某一侧边线外侧。
边界区域确定后，指定边界的起始点，不断重复上述过程遍历三角网，如图2所示，即可将约束边界起始端点所处的三角单元位置找到。
确定约束边界影响域边线：
在初始定位完成后，从该三角单元处开始寻找下一个边界端点所处三角单元。根据两线段相交的判断准则，即两条线段端点分别同时位于其中另一条两侧时，可知在使用式(1)继续进行三角单元遍历过程中可以同时筛选出所有被该边界线穿越的三角单元，以及由这些三角单元外边包围形成的影响区域的外包络线，如图3中黑色实线所示。
优化约束边界影响域三角网：
在完成上述两个步骤后，已约束边界线作为起始边，在边界影响区域内进行三角网重建，针对约束边界进行三角网的优化，构建将工程区域边界作为约束的TIN模型。
本发明利用上述改进的约束不规则三角构建算法，将工程区域边界作为约束重建三角网，建立起包含边界约束的TIN模型。该约束TIN模型具备准确描述工程区域边界上的复杂地形地貌的优势。
在此基础上，可以进一步确定所有包含在工程区域边界内的三角网，将地面高程完整投射在约束区域上可以得到原始地形TIN模型，将设计高程投射后即可得到设计地形TIN模型。利用DEM方法进行土方量计算的本质就是计算工程区域内的原始及设计地形TIN模型中每对对应三角单元之间形成的三棱柱体积的计算与累加，如下式所示。
Figure BDA0002901131980000061
其中V代表土方量，S代表三角单元面积，Δhi代表三角单元i顶点处的高程差。
在指定场平工程设计高程后，即可根据边界约束TIN模型计算出每个三角单元上的土方填挖量，进而累加得到总的土方填挖量，实现场平工程区域内土方量的精确计算。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法，其特征在于：其方法如下，
根据高程数据点生成无约束的Delaunay三角网；在无约束的Delaunay三角网中将工程区域边界作为约束插入；进行局部优化，生成约束不规则三角网；将地面高程完整投射在约束不规则三角网区域上得到原始地形三角网模型；指定场平工程设计高程后，计算出每个三角网单元上的土方填挖量；累加工程区域内三角网土方量得到总的土方填挖量。
2.根据权利要求1所述的基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法，其特征在于：生成约束不规则三角网的具体步骤包括：
a、定位约束边界线起始端点处三角单元：定义边界线端点坐标，并定义三角单元三个顶点坐标，根据点与三角单元的几何关系，定义出点与三角单元边的位置关系判断式，根据判断结果判断边界端点在三角单元的内部或某一侧边线外侧，边界区域确定后，指定边界的起始点，不断重复上述过程遍历三角网；
b、确定约束边界影响域边线：在初始定位完成后，从该三角单元处开始寻找下一个边界端点所处三角单元。根据两线段相交的判断准则，即两条线段端点分别同时位于其中另一条两侧时，可知在使用前述步骤方法继续进行三角单元遍历过程中可以同时筛选出所有被该边界线穿越的三角单元，以及由这些三角单元外边包围形成的影响区域的外包络线；
c、优化约束边界影响域三角网：在完成上述两个步骤后，已约束边界线作为起始边，在边界影响区域内进行三角网重建，针对约束边界进行三角网的优化，构建将工程区域边界作为约束的TIN模型。
3.根据权利要求1所述的基于改进约束不规则三角网构建法的土方工程量计算方法，其特征在于：计算约束不规则三角网模型上的土方填挖量的具体内容包括：计算工程区域内的原始及设计地形TIN模型中每对对应三角单元之间形成的三棱柱体积的计算与累加。
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