礦山環(huán)境治理實景三維設計軟件的開發(fā)與應用*

楊 帆

(山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250002)

0 引言

近年來，隨著“新型基礎測繪”“實景三維中國”“數(shù)字孿生城市”等新型項目的實施，測繪地理信息行業(yè)正經(jīng)歷前所未有的變革。表現(xiàn)形式從“象形符號”“比例尺地圖”“4D產(chǎn)品”到“三維地圖”；數(shù)據(jù)結構從固定的地理對象到可擴展、無尺度的實體單元；應用場景從靜態(tài)數(shù)據(jù)到實時大數(shù)據(jù)等方向轉(zhuǎn)變。三維可視化技術作為數(shù)據(jù)底圖成為不可或缺的一部分，其中，以三維激光掃描、無人機傾斜攝影測量為代表的三維可視化技術得到充分發(fā)展和應用。

隨著“綠水青山就是金山銀山”理念的持續(xù)推行，礦山生態(tài)環(huán)境保護與恢復治理相關的需求日益增多。但在礦山環(huán)境治理方向，大量高精度、強表達、多應用的源數(shù)據(jù)沒有被充分利用，多數(shù)技術人員仍然使用大比例尺地形圖進行設計。例如，依然根據(jù)密集的等高線、高程點、各種抽象的地形符號進行土石方量計算、量取剖面、布置治理工程；提供二維圖紙成果用于專家評審、現(xiàn)場調(diào)查、成果匯報等工作。本文以礦山環(huán)境治理實景三維設計軟件的開發(fā)與應用為案例，詳細介紹三維可視化技術在礦山治理設計方向的思路與實現(xiàn)方法。實現(xiàn)了在實景三維模型、點云上進行全自主空間量算、自定義削坡覆土、一鍵植被綠化、參數(shù)化三維建模、工程量計算、地質(zhì)剖面建模等功能。從三維設計、方案展示、數(shù)據(jù)管理3個層面，為礦山治理工程設計、方案評審、政府管理等提供了全面解決思路。

1 實景三維設計軟件開發(fā)

1.1 基礎數(shù)據(jù)源

傳統(tǒng)礦山環(huán)境恢復治理設計人員普遍使用CAD格式電子地形圖進行設計，新型測繪地理信息技術提供4D產(chǎn)品、實景三維模型、點云等成果。為實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的充分利用，保持設計工作的連貫性與共享性。系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)源包含OSGB 實景模型、MAX 模型、LAS 點云、矢量SHP數(shù)據(jù)、DXF二維地圖、KML數(shù)據(jù)、MDB數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)。其中，三維模型是功能開發(fā)重點，包含傾斜攝影模型和人工模型兩大類。其他類格式數(shù)據(jù)從對比參照、存儲調(diào)用、表達渲染等方向開發(fā)。

1.1.1 傾斜攝影模型

傾斜攝影建模是通過攝影測量原理，將多源航片轉(zhuǎn)化為高分辨率的、帶有紋理圖像的網(wǎng)格三維模型。通過對獲得的相片數(shù)據(jù)進行像控點布測、空三解算、三角網(wǎng)(TIN)構建、自動賦予紋理等步驟，最終得到實景三維模型。

1.1.2 人工模型

人工建模步驟如下：

1)幾何網(wǎng)格搭建，通過部件標準尺寸圖、地形圖等相關圖件在建模軟件中實現(xiàn)；

2)紋理貼圖，通過航空航天遙感、街景地圖以及地面相機拍照等手段進行紋理采集；

3)模型渲染，通過對材質(zhì)、燈光等調(diào)節(jié)，實現(xiàn)模型紋理貼圖的光影表達。

通過以上步驟實現(xiàn)標準化的人工模型，為功能開發(fā)階段的三維模型庫提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 設計目標

依靠二維平面圖設計，數(shù)據(jù)的采集手段較為落后，采樣點間隔較大，難以表現(xiàn)出礦區(qū)準確的地物地貌狀況。即使是經(jīng)過專業(yè)技術人員二次加工的平面圖、剖面圖等資料，它們所反映的數(shù)據(jù)依然是離散的、有局限性的。設計人員不能直觀地觀察設計方案，實際效果僅能通過實地操作驗證。原型設計階段，將測繪地理信息、地質(zhì)專業(yè)的技術文檔轉(zhuǎn)化為可操作的功能原型。搭建用戶與開發(fā)人員之間溝通的橋梁，設計開發(fā)目標。

1)直接在實景三維礦山模型上進行設計，解決二維數(shù)據(jù)空間分析局限性問題；

2)為設計人員開發(fā)自動化、參數(shù)化一鍵建模工具，實現(xiàn)快速實景三維設計；

3)基于實景模型的自定義削坡覆土和工程量計算，提高計算精度；

4)實現(xiàn)設計成果三維展示，專家評審一目了然。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)

1.3.1 系統(tǒng)模塊與開發(fā)流程

該系統(tǒng)使用C++語言、基于OpenGL圖形庫，經(jīng)過需求調(diào)研、概要設計、詳細設計、開發(fā)測試、實施維護等開發(fā)流程，實現(xiàn)了礦山環(huán)境治理實景三維設計軟件的開發(fā)與應用。將多源數(shù)據(jù)無縫疊加融合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、空間分析、治理工程、匯報展示等功能(見圖1)。從三維設計、方案展示、數(shù)據(jù)管理三個層面，為礦山治理工程設計、方案評審、政府管理等提供全面解決方案，達到三維地理信息成果替代二維測繪數(shù)據(jù)的效果。

圖1 礦山環(huán)境治理實景三維設計系統(tǒng)模塊組成

1.3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

該軟件實現(xiàn)了在實景三維模型上進行快速三維設計，通過設置角度、材質(zhì)、高度、寬度、大小、類型等參數(shù)，在三維模型上快速搭建參數(shù)化擋土墻、排水溝、格構、掛網(wǎng)等治理工程；實現(xiàn)了基于三維模型的土石方量、削坡工程量、土建工作量計算；可使用筆刷工具，批量布置綠化工程；打通與CAD軟件的交互功能，方便斷面、等高線的導入導出；可批量導入鉆孔數(shù)據(jù)，生成三維地質(zhì)剖面。設計人員可利用此軟件快速完成設計工作(見表1)。

表1 礦山環(huán)境治理實景三維設計軟件的主要功能描述

2 軟件應用優(yōu)勢

2.1 提升礦山治理工程三維建模效率

傳統(tǒng)的三維建模方法通常使用3dsMax、AutoCAD等建模軟件，基于影像數(shù)據(jù)、CAD平面圖或者拍攝圖片估算輪廓與高度等信息進行治理工程搭建。這種方式制作的模型數(shù)據(jù)精度較低，紋理與實際效果偏差較大，需要大量的人工參與，數(shù)據(jù)制作周期較長。礦山治理設計人員普遍不具備三維建模技術功底，加大了傳統(tǒng)建模技術在礦山設計行業(yè)的應用難度。

本文所開發(fā)的軟件利用基于多源異構數(shù)據(jù)的參數(shù)化三維建模技術，能在三維模型上快速實現(xiàn)擋土墻、排水溝、格構、掛網(wǎng)等治理工程布設的功能，提高了約50%的三維建模效率。

2.2 提高土石方量計算的精度

傳統(tǒng)土石方量計算方法多是以1∶500比例尺地形圖為基礎，使用方格網(wǎng)、斷面線、幾何體等方法計算土石方量，按照制圖標準高程點間距為15 m，以此為基礎進行的土石方量計算誤差較大。本軟件開發(fā)了基于實景三維模型三角網(wǎng)進行工程量計算的算法，模型三角網(wǎng)間距為15 cm(滿足1∶500比例尺地形圖要求的航攝圖分辨率為5 cm，以此分辨率搭建的模型分辨率通常是航攝分辨率的3倍)。該方法從數(shù)據(jù)源頭提高了方量計算精度。以某項目為例進行實地開挖驗證，結果見表2。

表2 開挖驗證數(shù)據(jù)對比

礦山治理施工開挖過程受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，評價驗證階段開挖面積有所偏差，但通過表2數(shù)據(jù)對比可看出，三維模型法計算的土石方量較傳統(tǒng)方法精度更高，達到了替代傳統(tǒng)計算方法的目的。

2.3 展示三維可視化設計方案

近年來，三維可視化技術發(fā)展迅速，但是在礦山環(huán)境治理方向，直接利用實景三維成果進行設計工作的同類產(chǎn)品不多。通過軟件搭建三維設計方案，達到了直觀、便捷、快速、美觀的效果。礦山治理效果見圖2。

圖2 礦山治理效果圖

3 結束語

礦產(chǎn)資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要資源，礦山開采為人類經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻，但同時也破壞著人類賴以生存的自然環(huán)境。充分利用本文研究成果進行礦山環(huán)境恢復治理設計，能直觀、便捷、快速實現(xiàn)露天開采礦的方案設計，同時能精準計算工程量，對于礦山環(huán)境治理恢復有著傳統(tǒng)設計方法無可比擬的優(yōu)勢。主要有以下兩點：

1)根據(jù)多源異構數(shù)據(jù)整合的增值信息，利用三維GIS軟件開發(fā)技術，打破了傳統(tǒng)依靠二維地形圖分析、設計的作業(yè)方式，提高了數(shù)據(jù)空間分析與工程量計算的效率和準確性，實現(xiàn)了設計方案的直觀展示。

2)突破使用單一數(shù)據(jù)源的局限，發(fā)展多源異構數(shù)據(jù)無縫疊加與融合方法。實現(xiàn)不同尺度、不同語義的多源數(shù)據(jù)的融合展示，解決成果交付方式單一、信息資源共享率低的問題。

隨著軟件研究的不斷升級，未來可拓展服務于自然資源監(jiān)測，高標準農(nóng)田建設、美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃、山水林田湖草等工作。此外，將實景三維數(shù)據(jù)作為底圖，疊加建筑BIM、民生數(shù)據(jù)等多種類別數(shù)據(jù)服務圖層后，還可在交通、人防、農(nóng)業(yè)、水利、消防、電力、應急、環(huán)保、醫(yī)療等各個領域拓展相關應用，能夠為城鄉(xiāng)政府提供決策參考，為企業(yè)和居民提供相關服務，大幅減少政企相關領域的重復投入，并增強決策和民生服務的現(xiàn)實性和時效性。