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摘要：本文对土地整理设计的现状进行了分析，提出了基于civil 3d的土地综合整治设计的系统设计方案；系统研究了辅助设计系统数据库和规划布局、工程量自动统计等功能的设计；建立了各单体工程设计的各种数学模型以及土地平整工程中基于块田归并法的土方量计算模型，实现工程量的自动统计，极大的提高了规划设计编制效率。
关键词：civil3d、土地综合整治整理规划设计、单体工程、块田归并法
1、引言
土地开发整理是保护耕地的有效措施，科学的土地整理规划设计是项目成功的根本保障。常规的设计方法是先在具有土地利用建库的GIS软件中进行分析、规划布局；然后在CAD软件中进行单体工程的设计；最后手工综合统计规划布局中各类工程的数量（长度、个数）、单体设计中各类型工程的分项工程量，得到工程量统计数据。这种方案由于规划要素在布局与单体工程中缺乏关联，导致数据统计效率低下，而且容易出错。一旦规划布局调整，所有数据需要重新统计，不利于适时动态更新。针对该问题，本文研究提出了一套基于Civil3d的涵盖规划设计全流程的设计及工程量自动统计解决方案。
2、系统体系结构
本系统选择通用微机环境，Windows XP操作系统,软件开发平台为Civil3d，开发环境Visual studio 2005，数据库为Access。
根据系统需求分析，系统的功能包括预处理子系统、规划布局子系统、单体工程子系统、工程量统计输出子系统。
其中预处理子系统实现基础地形图数据分层导入；编辑各类要素属性模板，建立数据字典和相应属性结构；进行图形拓扑检查，交互修改拓扑错误，保证基础数据入库正确无误；建立空的初始数据库，导入正确的初始数据。
图3.1 系统总体框架图
规划布局子系统以模板库中各规划要素模板为原型，实现以相应参数绘制布局要素，在数据库中以模板要素的属性结构为依据建立新的记录，并根据绘制图形要素的参数和相关特征填充记录中相应字段数值，其余字段初始化为零。
单体工程设计子系统调用各布局要素相应的单体工程设计模型库程序，实现单体工程参数计算及纵横断面图的绘制，计算各项单体工程的单位数量或长度的工程量，通过与规划布局子系统交互获取布局要素的唯一标识码（要素代码），并将各项单位工程量填入数据库中该要素代码相应数据记录的相应字段中。
工程量统计输出子系统根据各要素字段编码，实现工程量分项分类汇总统计并生成相应的表格输出。
3、系统数据组成
系统数据分为基础地形数据与规划专题数据。基础地形数据包括道路及名称、水系、地物、等高线、高程点、注记等数据，比例尺通常采用1：1000，根据基础资料确定。
规划专题数据指系统中描述规划要素空间几何位置分布以及相关属性数据。如规划要素类别、模型参数、设计规格、用地类型以及描述其相互关系的数据等。借助于基础地形数据可确定其空间分布位置，进行空间分析，确定不同专题数据之间相互联系和相互制约的空间关系。
规划专题数据包括几何数据和属性数据。空间几何数据包括土地平整、灌溉与排水、田间路桥、农田防护与生态环境保护、其他工程等各类工程位置分布数据，采用比例尺与基础地形数据一致。属性数据主要包括模型参数、设计参数及设计规格详细数据。
4、要素分类与编码
系统涉及要素包括：基础地理信息、规划布局及土地利用要素。为保证系统数据交互，基础地理信息要素分类与编码采用《基础地理信息要素分类与代码 GB/T 13923-2006》；土地利用要素分类与编码采用《土地利用数据库标准 TD/T 1016-2007》中土地利用要素部分编码的后5位，补充第六位（最高位）数字9替换，以便与基础地理信息要素分类与编码衔接；规划布局要素主要用于规划布局，且与单体工程对应，分类与编码采用《土地开发整理项目规划设计规范》（TD/T1012—2000）附录工程体系表三级分类4位编码（单位工程+子单位工程+分部工程），前面补充两位数字99，与基础地理信息要素、土地利用要素编码衔接。
5、数据库结构定义
系统矢量要素分三类：点、线和面数据。通过对图形数據的结构进行分层，统一管理这些数据。所有基础地理要素、规划布局要素、土地利用要素依据其存在特性分为点、线、面三种表示方式。
基础地理数据共分九个数据集，三十四个数据类。数据分层的命名采用四个字符，第一个字符代表数据分类，第二三个字符是数据内容的缩写，第四个字符代表几何类型；土地利用要素在基础地理数据基础上增加1个土地利用数据集，5个数据类；规划布局要素在基础地理数据基础上增加五个规划布局数据集，79个数据类。
空间要素属性结构：基础地理要素属性结构引用《基础地理信息要素分类与代码 GB/T 13923-2006》中基础地理要素属性结构表；规划布局要素属性结构根据土地综合整治工程体系要素分类制定。主要属性为选择定额的参数及要素对应工程相关的定额项；土地利用要素在基础地理数据基础上增加1个土地利用数据集，5个数据类。土地利用要素属性结构根据土地利用数据库标准经扩充制定。
属性项名称及定义：基础地理要素、规划布局、土地利用要素属性结构表属性项名称、定义、数据类型等要求参照规范执行。
6、主要功能模块实现
单体设计：本系统根据规划设计需要分别建立了沟渠路及涵洞（管）、跌水等常用单体工程参数计算模型，包括斗沟斗渠、农沟农渠的水利模型，根据灌排面积计算相应断面规格参数，交互确定纵断面坡度，从而实现单体工程图的绘制，计算各项单体工程的单位数量或长度的工程量，通过与规划布局子系统交互获取布局要素的唯一标识码（要素代码），将各项单位工程量填入数据库中该要素代码相应数据记录的相应字段中。
田块构面：土地整理大部分区域为水田，地表高程不连续，表现为具有离散高程的面。土地平整时，利用TIN模型就很难描述这种类型区域，如通过陡壁线来描述，则会增加计算和表达的复杂度。对于该类型区域土地平整工程土方挖填平衡的计算，可通过构造以这些田块边界构成的面，建立拓扑关系，将田块高程压入田块面中高程属性字段的块田归并法土方计算方式解决，从而需要任意线段自动构面功能。因为DWG数据中不存在“面”这种几何实体类型，因此必须对一个存储了任一条数无规则折线的要素类，自动将其中折线相交的面域提取出来。通常的步骤：
①将线网中所有的折线组合成一个Polyline，将新生成的Polyline打散。获得任意线网中所有的起点、终点、中间节点和相交点。
②根据节点集和边集构造有向图。
③基于左转算法，即根据输入节点和节点线段的方位角，按逆时钟方向和多边形最小角法则，由系统自动搜索出一个闭合面域，从而生成多边形。
④剔除无效多边形。
⑤处理岛和洞。
块田归并法土方计算：待归并的田块面积分别为S1、S2、…Sn，高程(若田面平坦，则为有代表性一点的高程，若田面有均匀坡度，则为平均高程)分别为H1、H2、…Hn。设平整后田面高程为Ha，则各田块的挖填高度为：H1－Ha、H2－Ha、…Hn－Ha。根据土方平衡原则，填挖方量总和应等于零，即：
S1（H1－Ha）＋S2（H2－Ha）＋…Sn（Hn－Ha）﹦0
Hn﹦
平整后的田面高程Ha计算出来后，即可逐个求出各田块的填高或挖深值，并计算出土方量。
工程量统计：土地整理设计中，对各规划要素有统一的要素代码与相应的单体工程关联。因此，工程量的自动分类统计比较简单，主要过程如下：
（1）获取同一要素代码的规划布局要素数量或长度；
（2）获取相应要素代码的单体工程量；
（3）计算该要素的工程量；
（4）统计同类要素的合计工程量。
曲面建模：调用Civil 3D的相应API 创建或导入曲面模型，作为道路、土方平整等工程计算土方挖填量的基础。包括如下功能：
（1）创建三角网曲面
①从TIN 文件创建三角网曲面。通过使用AeccSurfaces.ImportTIN方法实现。
②用AddTinSurface创建曲面。使用AeccSurfaces. AddTinSurface方法在文档的曲面集合中添加一个新的空白TIN曲面对象。
（2）创建栅格曲面
①从DEM 文件创建曲面。通过使用AeccSurfaces.ImportDEM方法实现。
②用AddGridSurface创建曲面。使用AeccSurfaces. AddGridSurface方法在文档的曲面集合中添加一个新的空白栅格曲面对象。
（3）创建体量曲面
體量曲面描述了两个TIN曲面或者栅格曲面之间的精确差异，任何点的Z值都等于对照曲面和基准曲面在该点处的Z值之差。对照曲面和基准曲面可以同时为栅格曲面、三角网曲面，或一个栅格曲面，一个三角网曲面。在Civil 3D中，使用AeccSurfaces. AddTinVolumeSurface方法或者AeccSurfaces. AddGridVolumeSurface方法都可以创建体量曲面。
（4）编辑三角网（TIN）曲面
①添加点数据到TIN曲面，通过使用AeccTinSurface.PointFiles方法实现。
②添加特征线到TIN曲面。 AeccTinSurfaces.Breaklines属性包含了每个TIN曲面中的特征线集合。Civil 3D支持三种不同类型的特征线：标准、近似和陡壁。
③添加等高线到TIN曲面。AeccTinSurfaces.Contours属性是Tin曲面中等高线集合。
（5）执行曲面分析
调用Civil 3DAPI对曲面进行多种类型的分析，包括等高线、方向、高程、坡度、径流路径等。
7、总结与展望
本文针对规划设计的数据管理、单体工程设计建模和工程量自动统计进行了系统分析、研究，通过civil3D有效集成了规划设计全流程工作，提升了设计效率和可靠性。
本系统仅考虑规划设计阶段需要，选择Autocad图形数据库管理图形，利用对象数据机制或小型关系数据库管理属性数据。如何通过大型关系数据库实现土地行政部门对于区域土地整理建库资料的管理、保证数据安全，这些都需要进一步研究。专业模型的设计参数的进一步优化，有待竣工运营中收集数据来检验完善。另外，模型的多样性以及各自的适应范围有待进一步研究和完善。
关键词：civil3d、土地综合整治整理规划设计、单体工程、块田归并法
1、引言
土地开发整理是保护耕地的有效措施，科学的土地整理规划设计是项目成功的根本保障。常规的设计方法是先在具有土地利用建库的GIS软件中进行分析、规划布局；然后在CAD软件中进行单体工程的设计；最后手工综合统计规划布局中各类工程的数量（长度、个数）、单体设计中各类型工程的分项工程量，得到工程量统计数据。这种方案由于规划要素在布局与单体工程中缺乏关联，导致数据统计效率低下，而且容易出错。一旦规划布局调整，所有数据需要重新统计，不利于适时动态更新。针对该问题，本文研究提出了一套基于Civil3d的涵盖规划设计全流程的设计及工程量自动统计解决方案。
2、系统体系结构
本系统选择通用微机环境，Windows XP操作系统,软件开发平台为Civil3d，开发环境Visual studio 2005，数据库为Access。
根据系统需求分析，系统的功能包括预处理子系统、规划布局子系统、单体工程子系统、工程量统计输出子系统。
其中预处理子系统实现基础地形图数据分层导入；编辑各类要素属性模板，建立数据字典和相应属性结构；进行图形拓扑检查，交互修改拓扑错误，保证基础数据入库正确无误；建立空的初始数据库，导入正确的初始数据。
图3.1 系统总体框架图
规划布局子系统以模板库中各规划要素模板为原型，实现以相应参数绘制布局要素，在数据库中以模板要素的属性结构为依据建立新的记录，并根据绘制图形要素的参数和相关特征填充记录中相应字段数值，其余字段初始化为零。
单体工程设计子系统调用各布局要素相应的单体工程设计模型库程序，实现单体工程参数计算及纵横断面图的绘制，计算各项单体工程的单位数量或长度的工程量，通过与规划布局子系统交互获取布局要素的唯一标识码（要素代码），并将各项单位工程量填入数据库中该要素代码相应数据记录的相应字段中。
工程量统计输出子系统根据各要素字段编码，实现工程量分项分类汇总统计并生成相应的表格输出。
3、系统数据组成
系统数据分为基础地形数据与规划专题数据。基础地形数据包括道路及名称、水系、地物、等高线、高程点、注记等数据，比例尺通常采用1：1000，根据基础资料确定。
规划专题数据指系统中描述规划要素空间几何位置分布以及相关属性数据。如规划要素类别、模型参数、设计规格、用地类型以及描述其相互关系的数据等。借助于基础地形数据可确定其空间分布位置，进行空间分析，确定不同专题数据之间相互联系和相互制约的空间关系。
规划专题数据包括几何数据和属性数据。空间几何数据包括土地平整、灌溉与排水、田间路桥、农田防护与生态环境保护、其他工程等各类工程位置分布数据，采用比例尺与基础地形数据一致。属性数据主要包括模型参数、设计参数及设计规格详细数据。
4、要素分类与编码
系统涉及要素包括：基础地理信息、规划布局及土地利用要素。为保证系统数据交互，基础地理信息要素分类与编码采用《基础地理信息要素分类与代码 GB/T 13923-2006》；土地利用要素分类与编码采用《土地利用数据库标准 TD/T 1016-2007》中土地利用要素部分编码的后5位，补充第六位（最高位）数字9替换，以便与基础地理信息要素分类与编码衔接；规划布局要素主要用于规划布局，且与单体工程对应，分类与编码采用《土地开发整理项目规划设计规范》（TD/T1012—2000）附录工程体系表三级分类4位编码（单位工程+子单位工程+分部工程），前面补充两位数字99，与基础地理信息要素、土地利用要素编码衔接。
5、数据库结构定义
系统矢量要素分三类：点、线和面数据。通过对图形数據的结构进行分层，统一管理这些数据。所有基础地理要素、规划布局要素、土地利用要素依据其存在特性分为点、线、面三种表示方式。
基础地理数据共分九个数据集，三十四个数据类。数据分层的命名采用四个字符，第一个字符代表数据分类，第二三个字符是数据内容的缩写，第四个字符代表几何类型；土地利用要素在基础地理数据基础上增加1个土地利用数据集，5个数据类；规划布局要素在基础地理数据基础上增加五个规划布局数据集，79个数据类。
空间要素属性结构：基础地理要素属性结构引用《基础地理信息要素分类与代码 GB/T 13923-2006》中基础地理要素属性结构表；规划布局要素属性结构根据土地综合整治工程体系要素分类制定。主要属性为选择定额的参数及要素对应工程相关的定额项；土地利用要素在基础地理数据基础上增加1个土地利用数据集，5个数据类。土地利用要素属性结构根据土地利用数据库标准经扩充制定。
属性项名称及定义：基础地理要素、规划布局、土地利用要素属性结构表属性项名称、定义、数据类型等要求参照规范执行。
6、主要功能模块实现
单体设计：本系统根据规划设计需要分别建立了沟渠路及涵洞（管）、跌水等常用单体工程参数计算模型，包括斗沟斗渠、农沟农渠的水利模型，根据灌排面积计算相应断面规格参数，交互确定纵断面坡度，从而实现单体工程图的绘制，计算各项单体工程的单位数量或长度的工程量，通过与规划布局子系统交互获取布局要素的唯一标识码（要素代码），将各项单位工程量填入数据库中该要素代码相应数据记录的相应字段中。
田块构面：土地整理大部分区域为水田，地表高程不连续，表现为具有离散高程的面。土地平整时，利用TIN模型就很难描述这种类型区域，如通过陡壁线来描述，则会增加计算和表达的复杂度。对于该类型区域土地平整工程土方挖填平衡的计算，可通过构造以这些田块边界构成的面，建立拓扑关系，将田块高程压入田块面中高程属性字段的块田归并法土方计算方式解决，从而需要任意线段自动构面功能。因为DWG数据中不存在“面”这种几何实体类型，因此必须对一个存储了任一条数无规则折线的要素类，自动将其中折线相交的面域提取出来。通常的步骤：
①将线网中所有的折线组合成一个Polyline，将新生成的Polyline打散。获得任意线网中所有的起点、终点、中间节点和相交点。
②根据节点集和边集构造有向图。
③基于左转算法，即根据输入节点和节点线段的方位角，按逆时钟方向和多边形最小角法则，由系统自动搜索出一个闭合面域，从而生成多边形。
④剔除无效多边形。
⑤处理岛和洞。
块田归并法土方计算：待归并的田块面积分别为S1、S2、…Sn，高程(若田面平坦，则为有代表性一点的高程，若田面有均匀坡度，则为平均高程)分别为H1、H2、…Hn。设平整后田面高程为Ha，则各田块的挖填高度为：H1－Ha、H2－Ha、…Hn－Ha。根据土方平衡原则，填挖方量总和应等于零，即：
S1（H1－Ha）＋S2（H2－Ha）＋…Sn（Hn－Ha）﹦0
Hn﹦
平整后的田面高程Ha计算出来后，即可逐个求出各田块的填高或挖深值，并计算出土方量。
工程量统计：土地整理设计中，对各规划要素有统一的要素代码与相应的单体工程关联。因此，工程量的自动分类统计比较简单，主要过程如下：
（1）获取同一要素代码的规划布局要素数量或长度；
（2）获取相应要素代码的单体工程量；
（3）计算该要素的工程量；
（4）统计同类要素的合计工程量。
曲面建模：调用Civil 3D的相应API 创建或导入曲面模型，作为道路、土方平整等工程计算土方挖填量的基础。包括如下功能：
（1）创建三角网曲面
①从TIN 文件创建三角网曲面。通过使用AeccSurfaces.ImportTIN方法实现。
②用AddTinSurface创建曲面。使用AeccSurfaces. AddTinSurface方法在文档的曲面集合中添加一个新的空白TIN曲面对象。
（2）创建栅格曲面
①从DEM 文件创建曲面。通过使用AeccSurfaces.ImportDEM方法实现。
②用AddGridSurface创建曲面。使用AeccSurfaces. AddGridSurface方法在文档的曲面集合中添加一个新的空白栅格曲面对象。
（3）创建体量曲面
體量曲面描述了两个TIN曲面或者栅格曲面之间的精确差异，任何点的Z值都等于对照曲面和基准曲面在该点处的Z值之差。对照曲面和基准曲面可以同时为栅格曲面、三角网曲面，或一个栅格曲面，一个三角网曲面。在Civil 3D中，使用AeccSurfaces. AddTinVolumeSurface方法或者AeccSurfaces. AddGridVolumeSurface方法都可以创建体量曲面。
（4）编辑三角网（TIN）曲面
①添加点数据到TIN曲面，通过使用AeccTinSurface.PointFiles方法实现。
②添加特征线到TIN曲面。 AeccTinSurfaces.Breaklines属性包含了每个TIN曲面中的特征线集合。Civil 3D支持三种不同类型的特征线：标准、近似和陡壁。
③添加等高线到TIN曲面。AeccTinSurfaces.Contours属性是Tin曲面中等高线集合。
（5）执行曲面分析
调用Civil 3DAPI对曲面进行多种类型的分析，包括等高线、方向、高程、坡度、径流路径等。
7、总结与展望
本文针对规划设计的数据管理、单体工程设计建模和工程量自动统计进行了系统分析、研究，通过civil3D有效集成了规划设计全流程工作，提升了设计效率和可靠性。
本系统仅考虑规划设计阶段需要，选择Autocad图形数据库管理图形，利用对象数据机制或小型关系数据库管理属性数据。如何通过大型关系数据库实现土地行政部门对于区域土地整理建库资料的管理、保证数据安全，这些都需要进一步研究。专业模型的设计参数的进一步优化，有待竣工运营中收集数据来检验完善。另外，模型的多样性以及各自的适应范围有待进一步研究和完善。