1 引言

Golden Software的軟件是最古老的科學(xué)與工程數(shù)據(jù)處理軟件, 在微軟還沒有EXECL繪圖的年代, Golden Software就開發(fā)出二維的科學(xué)繪圖軟件Grapher(1983年), 國內(nèi)一些高校甚至為研究生開設(shè)了Grapher課程, 來普及Grapher的使用。Grapher主要用于二維數(shù)據(jù)處理和圖形顯示以及擬合X與Y之間的關(guān)系式, 后來Golden Software推出了三維數(shù)據(jù)處理軟件Surfer, 最近發(fā)布了最新版本Surfer V23.1.162 (1/02/2022)。這個筆記簡要回顧了Surfer最常用的Map Wizard功能。

2 等值線圖

地圖向?qū)?Map Wizard)提供了一種快速生成地圖的方法。其中等值線圖是科學(xué)和工程領(lǐng)域最常用的一種三維數(shù)據(jù)表示方法。盡管云圖看起來更好看一些，但有時等值線圖更能清晰地顯示和表達數(shù)據(jù)，特別是一些局部數(shù)據(jù)，例如在地下開挖圍巖的應(yīng)力集中區(qū)域。等值線圖是三維數(shù)據(jù)的二維表示。前兩個維度是X和Y坐標，第三維(Z)是由X,Y對應(yīng)的值來表示的。等值線的相對間距表示數(shù)據(jù)表面之間的相對坡度。等值線圖可以由數(shù)據(jù)、圖像或網(wǎng)格文件創(chuàng)建，它也可以與任何其它地圖層進行疊加。

地圖向?qū)Э梢詣?chuàng)建12種類型的地圖，在此選擇等值圖(Contour)。對于XY不規(guī)則的間距，Surfer需要進行插值以便形成光滑的表面，理論上來說，間距越小表面越光滑，計算結(jié)果相對來說越精確。有13種插值方法可供選擇，根據(jù)以前的使用經(jīng)驗，對于一般的土木工程地形，不同的插值方法對結(jié)果(開挖與回填體積計算)的影響并不大，最常使用的插值方法是Kriging法。當(dāng)生成等值線圖后，可以改變圖形的各種顯示屬性。

3 地圖工具

使用地圖工具(Map Tools)可以對上述創(chuàng)建的等值線圖進行修改，其中一個工具是設(shè)置限制(Set Limits), 即前言中提到的局部區(qū)域顯示，我們可以通過設(shè)置新的范圍來顯示感興趣的部分(X 3000,Y 7000)。3D View 工具能夠顯示出數(shù)據(jù)的3D模型。另一個非常有用的功能是Profile，即畫斷面(Cross Section)。

4 結(jié)束語

在土木工程特別是工業(yè)場地設(shè)計過程中, 需要計算場地的開挖和回填量。傳統(tǒng)的計算方法根據(jù)地形圖在AutoCAD中取典型剖面, 然后粗略計算剖面之間土的體積。對于地形不太復(fù)雜的場地來說, 這個計算過程不是很復(fù)雜, 但對于地形起伏較大的場地來說, 需要切割許多剖面, 計算量非常大, 而且很顯然計算結(jié)果不準確。

在工業(yè)場地設(shè)計中, 我們需要滿足兩個條件: 第一個條件是設(shè)計坡度要求, 通常在2%到4%；第二個條件是需要留出構(gòu)筑Berm(一種小型的壩基Embankment, 用于圍堰)的土方量，因此這是一個土方開挖和回填的優(yōu)化問題。大約10年前左右, AutoDesk的Civil3D剛剛推出, 一方面價格太貴, 另一方面學(xué)習(xí)曲線(Learning Curve)太大, 因此我使用Surfer來解決這個問題。第一步需要準備地形的三維數(shù)據(jù)，不得不說在早期這是一個非常耗時的過程，對于有電子圖形的項目來說可以在AutoCAD中直接取出地形坐標, 相對容易一些, 而對于一些只有紙質(zhì)版的地形圖來說, 首先需要使用數(shù)字化軟件提取點的坐標, 然后進行坐標轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為真實的地形坐標；第二步在Surfer中建立三維地形圖, 然后與場地設(shè)計平面進行疊加, 計算開挖和回填體積。 幾乎在所有情況下, 計算都不會一次完成, 需要進行多次循環(huán)操作, 以取得最優(yōu)的設(shè)計方案。

現(xiàn)在Surfer的數(shù)據(jù)處理功能已經(jīng)變得非常強大, 其中最顯著的一個特性是點云功能(LiDAR Point Clouds)。LiDAR是一種越來越流行的數(shù)據(jù)收集方法，用于許多領(lǐng)域，包括考古學(xué)、測量學(xué)、地理信息系統(tǒng)等。使用Surfer廣泛的LiDAR處理和可視化功能，以利用LiDAR所提供的所有優(yōu)勢。