露天礦土地復(fù)墾三維可視化研究

李小光 魯明星 李科心 李富平1

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063210；3.河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北唐山063210；4.唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，河北唐山063004；5.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北唐山063000）

由于礦產(chǎn)資源開采造成土地破壞和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，近年來礦區(qū)土地復(fù)墾已成為我國環(huán)境治理的重點(diǎn)內(nèi)容之一。隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，礦區(qū)二維土地復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)已無法滿足要求。礦區(qū)土地復(fù)墾三維建模不僅在規(guī)劃方案評(píng)價(jià)、規(guī)劃效果展示、規(guī)劃前后效果對(duì)比等方面發(fā)揮著重要作用，在土地復(fù)墾項(xiàng)目立項(xiàng)、論證、評(píng)審等環(huán)節(jié)所發(fā)揮的作用也較大。隨著無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展以及GIS軟件3D功能不斷豐富，礦區(qū)土地復(fù)墾效果的展示方法已由二維轉(zhuǎn)為三維。

目前，礦區(qū)復(fù)墾效果三維建模主要是基于GIS軟件實(shí)現(xiàn)的。岳境等［1］應(yīng)用ArcView軟件實(shí)現(xiàn)了土地填挖方計(jì)算和土地復(fù)墾三維景觀模擬；陳秋計(jì)等［2］應(yīng)用ArcView軟件的3Danalyst模塊實(shí)現(xiàn)了煤炭開采區(qū)的DEM和三維景觀模型構(gòu)建；丁玉龍［3］研究了基于Sketchup和ArcScene的土地復(fù)墾規(guī)劃快速三維可視化方法；吳超等［4］應(yīng)用ArcGIS軟件進(jìn)行了建筑物、植被、地形的三維建模研究。上述研究主要基于單一的GIS軟件，模型的真三維效果不理想，不利于礦區(qū)土地復(fù)墾前后的對(duì)比研究。近年來，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，具有成本低、高效、靈活等優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)［5-8］可以從4個(gè)傾斜拍攝角度進(jìn)行信息采集，從而能夠獲取到更加豐富的側(cè)面紋理信息，通過Smart3D、PhotoScan、PhotoMesh、Pix4D、Skyline等軟件［9-13］可以快速進(jìn)行三維實(shí)景建模。本研究以唐山市某露天礦區(qū)為例，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，并結(jié)合Smart3D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和處理，得到礦區(qū)現(xiàn)狀三維數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土地復(fù)墾規(guī)劃，并結(jié)合SuperMap軟件實(shí)現(xiàn)土地復(fù)墾三維可視化展示。本研究重點(diǎn)解決以下兩個(gè)問題：①多種GIS數(shù)據(jù)間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，空間參考始終保持正確；②三維精細(xì)模型在相互轉(zhuǎn)換過程中保持紋理貼圖不丟失。

1 建模步驟

本研究采用無人機(jī)攝影測(cè)量方獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，主要流程如圖1所示。

三維建模具體步驟為：

（1）無人機(jī)航拍獲取現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，并進(jìn)行前期數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件（Pix4D mapper和Smart3D軟件）對(duì)無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到礦區(qū)的數(shù)字正射影像、三維現(xiàn)狀模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)［14-15］。

（2）三維現(xiàn)狀模型導(dǎo)入GIS軟件。將無人機(jī)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入到SuperMap軟件。

（3）礦區(qū)三維規(guī)劃模型生成。在ArcGIS軟件下，根據(jù)礦區(qū)土地復(fù)墾數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維模型創(chuàng)建。以點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為規(guī)劃邊界，以規(guī)劃復(fù)墾方案數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照TIN模型進(jìn)行三維建模，最終生成地面模型。

（4）三維規(guī)劃模型進(jìn)行紋理渲染。將GIS三維模型導(dǎo)出，轉(zhuǎn)換為3DMax軟件格式，進(jìn)行精細(xì)建模和紋理渲染。

（5）將帶有紋理渲染的精細(xì)三維模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入SuperMap軟件。在保障空間參考不變的情況下，將帶有紋理渲染的精細(xì)三維模型轉(zhuǎn)入SuperMap軟件中。在SuperMap軟件中對(duì)規(guī)劃區(qū)的礦區(qū)三維現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行壓平處理，使三維規(guī)劃模型與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無縫拼接，便于直觀地對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，并實(shí)現(xiàn)規(guī)劃前后效果對(duì)比［16-18］。

2 礦山規(guī)劃現(xiàn)狀數(shù)據(jù)獲取

2.1 現(xiàn)狀數(shù)據(jù)獲取方法比較

礦區(qū)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)常用的獲取方法有：

（1）實(shí)測(cè)方法。通過常規(guī)的測(cè)繪儀器（GPS或全站儀）外業(yè)采集數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)成圖。這種方法獲取數(shù)據(jù)的精度高，但測(cè)繪成果單一，往往只是二維的正射平面圖，無法直觀地展示礦區(qū)的地形變化，并且時(shí)效性差，在量算規(guī)劃坡面綠化面積時(shí)既不準(zhǔn)確也不方便。

（2）谷歌地圖。是Google公司提供的電子地圖服務(wù)，主要可以提供矢量地圖、不同分辨率的衛(wèi)星照片和可以用來顯示地形和等高線的地形視圖。該方法數(shù)據(jù)獲取成本較低，但數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性不足。礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)首先要求數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的現(xiàn)勢(shì)性，因此該方法無法滿足要求。

（3）無人機(jī)測(cè)繪。通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，可以獲得DOM數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型OSGB數(shù)據(jù)等［19］。

2.2 現(xiàn)狀數(shù)據(jù)獲取

本研究以唐山市某露天礦土地復(fù)墾工程為例，采用無人機(jī)傾斜測(cè)量的方法獲取現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。礦區(qū)面積約7 km2，根據(jù)礦區(qū)及周邊實(shí)際情況，并依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，共布設(shè)了航線7條，控制點(diǎn)12個(gè)，航攝相片的航向重疊度為85%，旁像重疊度為75%，共拍攝了照片676張。采用CGCS2000坐標(biāo)系，投影方式采用高斯-克呂格投影（3°帶，中央子午線117°），高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。本研究采用Pix4D Mapper軟件進(jìn)行影像處理，獲得的數(shù)字正射影像如圖2所示。

2.3 傾斜攝影數(shù)據(jù)OSGB加載到SuperMap中

本研究采用Smart3D軟件進(jìn)行三維建模，將三維建模處理結(jié)果存儲(chǔ)為成OSGB（Open Scene Gragh Bi?nary）格式文件。該文件格式是由三維引擎定義的數(shù)據(jù)格式，使用二進(jìn)制Binary存儲(chǔ)，可以加快計(jì)算機(jī)讀取［20-22］。OSGB格式的傾斜攝影數(shù)據(jù)是由多個(gè)包含OSGB數(shù)據(jù)的文件夾、一個(gè)“s3c”后綴的文件和一個(gè)metadata.xml的文件組成。*.s3c文件為Smart3D軟件的工程文件，在SuperMap軟件中無需使用Data文件夾(存放傾斜攝影三維數(shù)據(jù)的文件夾(即目錄))；metadata.xml文件存放傾斜攝影三維數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和坐標(biāo)值信息［19-22］，打開.xml文件即可獲得礦區(qū)的坐標(biāo)信息（圖3）。

SuperMap軟件中可以根據(jù)EPSG的編號(hào)新建坐標(biāo)系，具體步驟為：首先打開“新建配置文件”對(duì)話框，填寫源數(shù)據(jù)路徑、目標(biāo)文件路徑和路徑名、插入點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)后，勾選“投影設(shè)置”；在“投影設(shè)置”對(duì)話框中選擇“新建”，根據(jù)EPSG編碼新建坐標(biāo)系。在SuperMap軟件工作空間文件管理器的場景節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“新建球面場景”，加載相應(yīng)的.scp配置文件［23-24］，即可實(shí)現(xiàn)在SuperMap軟件中瀏覽OSGB數(shù)據(jù)。

3 規(guī)劃數(shù)據(jù)建模流程

露天礦開采后需對(duì)開采平臺(tái)和邊坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。唐山某露天礦區(qū)按高差10～15 m設(shè)置一個(gè)6～10 m寬的平臺(tái)，平臺(tái)外側(cè)修建擋墻，平臺(tái)、邊坡分別進(jìn)行覆土，平臺(tái)上栽植火炬樹、刺柏等喬灌木。在邊坡上種植葛根、爬山虎等植物。

目前，三維GIS軟件對(duì)于紋理貼圖的處理功能比較薄弱，較理想的紋理貼圖處理通常需要借助第三方建模軟件完成。本研究針對(duì)平臺(tái)和邊坡生態(tài)修復(fù)方式的不同，設(shè)計(jì)采用了不同的建模方式。對(duì)于礦區(qū)規(guī)劃的平臺(tái)、坡面，可在ArcGIS軟件下進(jìn)行TIN地形建模，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在3DMax軟件中進(jìn)行紋理貼圖精細(xì)化建模。

3.1 ArcGIS軟件中生成TIN

ArcGIS軟件對(duì)各種GIS數(shù)據(jù)具有良好的兼容性，平臺(tái)和邊坡是.dwg格式的CAD數(shù)據(jù)，直接加載到ArcGIS平臺(tái)下，進(jìn)行TIN模型構(gòu)建。由于平臺(tái)坡面地面模型與一般地形不同，本研究CAD數(shù)據(jù)不采用高程點(diǎn)或等高線的形式，而是采用三維多段線（3DPo?ly），線上的每個(gè)點(diǎn)都有X、Y、Z三維坐標(biāo)信息。在ArcGIS軟件中選擇“創(chuàng)建TIN”工具，選擇“CAD數(shù)據(jù)”并選擇“高程字段Z”，同時(shí)選擇“遵守Delaunay準(zhǔn)則”，選擇“隔斷線（Breakline）生成TIN”的方式實(shí)現(xiàn)TIN生成。如果生成的TIN有明顯不正確的部分，可通過“編輯TIN”功能進(jìn)行修改和刪除。礦區(qū)東部規(guī)劃區(qū)的TIN如圖4所示。

3.2 ArcGIS TIN轉(zhuǎn)SketchUp

由于ArcGIS軟件中紋理貼圖功能不強(qiáng)，需要將ArcGIS平臺(tái)下構(gòu)建的TIN模型導(dǎo)入到第三方建模軟件中時(shí)進(jìn)行相關(guān)操作。目前，三維渲染效果較好的主流軟件是3DMax軟件和SketchUp軟件。為避免ArcGIS TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至3DMax軟件產(chǎn)生空間位置錯(cuò)誤，先將ArcGIS TIN轉(zhuǎn)為SketchUp數(shù)據(jù)，再由SketchUp數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3DMax數(shù)據(jù)。應(yīng)用SketchUp6 ESRI插件可以方便地將ArcGIS TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SketchUp格式，具體參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

3.3 SketchUp文件轉(zhuǎn)3DMax文件

ArcGIS TIN模型轉(zhuǎn)成Sketchup（.Skp）文件只是一個(gè)中間過程，目標(biāo)是轉(zhuǎn)成3DMax格式。Sketchup和3DMax文件通用的格式非常多，如.fbx、.kmz、.dae等文件格式。為了保證在轉(zhuǎn)換過程中空間位置的正確性，通過試驗(yàn)對(duì)比分析，本研究采用.fbx文件格式。同時(shí)為了查看模型的中心點(diǎn)坐標(biāo)，本步驟同時(shí)還要生成.kml格式文件。

3.4 紋理貼圖

首先在3DMax軟件中導(dǎo)入.fbx數(shù)據(jù)，并保存為3DMax數(shù)據(jù)格式。導(dǎo)入的模型主要分為工作平臺(tái)和坡面兩部分，平臺(tái)面主要是覆蓋耕作土，坡面以種植爬山虎為例。本研究對(duì)平臺(tái)面、坡面分別進(jìn)行了紋理貼圖精細(xì)化建模，結(jié)果如圖6所示。

4 規(guī)劃模型在SuperMap中展示數(shù)據(jù)建模流程

4.1 模型導(dǎo)出

3DMax精細(xì)模型導(dǎo)出到SuperMap軟件的主要方法是使用超圖公司的max插件。最新的3DMax2014插件提供兩種導(dǎo)出模型，一種是生成數(shù)據(jù)集，另一種是BIM生成數(shù)據(jù)集，后者兼容性更好，不容易出錯(cuò)且不易丟紋理信息。SuperMap軟件參數(shù)設(shè)置中最重要是球面坐標(biāo)設(shè)置，如果球面坐標(biāo)設(shè)置不正確，導(dǎo)出的模型在SuperMap軟件中的空間位置就不正確，并且無法進(jìn)行二次設(shè)置。因此，為了保證模型空間位置的正確性，需要輸入正確的模型球面坐標(biāo)。模型球面坐標(biāo)的獲取方法是通過Sketch up軟件導(dǎo)出的.kml模型直接加載到SuperMap軟件，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵查看“屬性”獲得。對(duì)于紋理信息，需確保渲染的多種紋理圖片存在同一目錄下。通過上述操作，可以保證導(dǎo)出的三維模型位置正確，紋理貼圖不會(huì)丟失?！癇IM生成數(shù)據(jù)集”參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖7所示。

4.2 SuperMap中平臺(tái)樹栽植

平臺(tái)上種植樹的空間位置需要在AutoCAD軟件中進(jìn)行設(shè)置。在AutoCAD軟件中根據(jù)平臺(tái)的高程值和水平間距通過“點(diǎn)的輸入”進(jìn)行布置。將布置后帶有空間位置的點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SuperMap軟件中的點(diǎn)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行點(diǎn)狀符號(hào)設(shè)置。SuperMap軟件自帶的三維點(diǎn)狀符號(hào)實(shí)質(zhì)是2.5維符號(hào)，三維效果不理想。SuperMap軟件支持第三方軟件模型導(dǎo)入點(diǎn)模型，將已設(shè)置后的火炬樹的3DMmax模型導(dǎo)入為.SGM格式，生成SuperMap軟件的真正的三維點(diǎn)符號(hào)。平臺(tái)栽植火炬樹的建模效果如圖8所示。

4.3 SuperMap軟件成果展示

SuperMap軟件對(duì)傾斜數(shù)據(jù)的處理方法主要有兩種，一種是對(duì)模型壓平，一種是裁切。本研究生態(tài)修復(fù)規(guī)劃采用模型壓平方式對(duì)規(guī)劃部分的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在SuperMap軟件球面三維?？臻g下，加載相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)、3DMax轉(zhuǎn)換后模型數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，按規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行模型壓平處理，得到整個(gè)礦區(qū)的規(guī)則模型。在規(guī)劃模型中可以查看規(guī)劃的整體空間分布、量算空間距離和面積、展示規(guī)劃效果等操作。在SuperMap中設(shè)置了兩個(gè)左右視口，便于將原始地貌和礦區(qū)土地復(fù)墾后的效果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

5 結(jié)語

基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的礦山現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，進(jìn)行了唐山某露天礦區(qū)土地復(fù)墾設(shè)計(jì)的三維建模研究。應(yīng)用SuperMap軟件取得了建模數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)無縫拼接的真三維效果。礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃建模分為平臺(tái)、坡面地形建模和平臺(tái)栽植樹木兩個(gè)步驟。平臺(tái)、坡面建模通過多種GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，保證三維紋理渲染效果和空間參考不變。建模過程中的注意點(diǎn)為：

（1）Sketchup數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 3DMax數(shù)據(jù)。Sketchup數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)3DMax數(shù)據(jù)有多種格式，將Sketchup數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.fbx數(shù)據(jù)格式，再導(dǎo)入到3DMax軟件中，能夠保證空間參考不變、模型大小不變且位置正確。

（2）3DMax數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)SuperMap數(shù)據(jù)。利用Super-Map 3DMax插件將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為“BIM生成數(shù)據(jù)集”模型，模型中心點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)應(yīng)根據(jù)Sketchup軟件轉(zhuǎn)出的.kml格式文件確定。