虛擬現實技術在礦山景觀修復中的應用研究

黃磊昌 李長磊

(大連工業大學，遼寧 大連 116034)

關鍵字：礦山景觀；景觀修復；虛擬現實技術；模擬環境

一、序言

近些年，為滿足需求，對自然資源的大量開采，嚴重影響了自然生態景觀的發展，以至于遺留下來大量的廢棄礦山。為促進可持續發展、順應時代要求、重視自然生態的動態發展和靜態發展，對廢棄礦山景觀進行修復成為生態修復中的不可忽視的重要問題。隨著計算機技術的發展，人們逐漸認識虛擬技術并探索以虛擬技術來營造和改善我們的生存環境，同時高效的解決工程實際應用中的問題。即可進行礦山景觀修復的過程虛擬，擬自然景觀修復環境，虛擬化重構生態體系。加強礦山地質環境保護，加快礦山地質環境恢復和綜合治理。

二、主要應用技術概念

（一）虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術是仿真技術地一個方向，它綜合了計算機圖形技術、仿真技術學、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，沉浸性、交互性、多感知性是其主要特征。

在礦山景觀中，主要是對氣候、地形、水體、構筑物、植物、動物等要素的信息數據進行采集，在一個虛擬環境中對他們進行重構和分析。形成一種人與自然進行交互的過程，獲取三維環境的數據，根據應用的需要，建立數據體系，模擬實際的場景環境或模擬想象中的環境恢復自然形成過程。形成一種以自然環境因素重構的虛擬化自然生態系統、坡體災害防護以及土質層次結構等。

其中數據分析技術和全息影像技術起到了重要作用，數據分析是指用適當的分析方法對收集來的大量數據進行分析，提取有用信息和形成結論而對數據加以詳細研究和概括總結的過程。

全息影像技術，是一種在三維空間中投射三維立體影像（影像為物理上的“立體”而非單純視覺上的“立體”）的次世代顯示技術。全息技術是利用干涉和衍射原理來記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產生干涉，最后利用數字圖像基本原理再現的全息圖進行進一步處理，去除數字干擾，得到清晰的全息圖像。全息影像技術投影成像原理如圖2.1.2所示。

圖1 全息影像技術投影成像

（二）礦山景觀修復的理論

礦山修復即對礦業廢棄地污染進行修復，實現對土地資源的再次利用。礦山景觀修復是在修復的基礎上對自然景觀進行修復，解決環境污染問題，改善自然生態環境，提高資源的可再生、可持續發展利用。對礦山開采產生的不同程度的破壞進行改善，主要破壞方面體現在：地形地貌破壞、水系平衡破壞、地質構造破壞、土壤成分破壞，物種多樣性破壞等。礦山景觀修復主要是從這幾個方面進行修復，虛擬現實技術在修復過程中起到很好的環境虛擬作用。

三、礦山景觀修復現狀難點與應用研究

（一）現狀難點

全國廢棄的礦山之多，修復工程困難。粗放的開發方式對礦山地質環境造成的影響仍然嚴重，地面塌陷、土地損毀、植被和地形地貌景觀破壞等一系列問題突出。當前廢棄礦山治理修復共性的難題在于修復廢棄礦山需要投入大量資金，用常規的手段進行獲取和分析，耗時費力，效率極低，再次土質傷害無法避免、生態鏈斷失等問題，已經無法滿足現代科技文明社會的需求。

（二）國內外應用研究

虛擬現實技術的空間的動態性和時間的實時性是這項技術的主要焦點。新技術被國外廣泛應用于景觀修復中，大大降低成本，避免風險，通過環境數據的采集進行模擬環境。國內技術相對于國外落后，沒有廣域的應用，關于前期的空間數據采集、存儲、處理、應用等問題不夠完善。

四、礦山景觀修復的基本原則

（一）安全性原則

安全性原則是不可忽視的原則。從多方面進行分析：一是地質安全問題，礦山經過多年的開采，地質結構已經受到嚴重影響，易發生自然災害和二次災害。例如，山體滑坡、泥石流、空洞塌陷、洪水等，存在著不可估量的安全性隱患。二是環境污染問題，開采過程中產生了大量金屬元素粉和有害廢氣，都不同程度的造成了空氣的污染，嚴重危害進行修復過程中人員身體安全。三是工程修復中的防護問題，任何工程中的流程都必須做好防護措施和應急措施。

（二）保護性原則

保護性原則主要從兩個方面進行保護：一是保護原有物種，防止進行修復過程中再次破壞物種而造成的物種二次傷害，維持物種的多樣性和生態系統；二是保護遺留文化，礦山景觀集中體現了礦山及鐵礦等悠久的采礦歷史和深厚的文化底蘊，是工業旅游的景觀代表，承載著歷史的發展和記憶，代表著時代的變化，我們要對礦山文化進行選擇性保留和保護遺留文化。

（三）生態性原則

重視礦產資源可再生、可持續發展、植物配置生態性等問題，這樣才能使我們的社會可持續發展。在植物配置方面上也要依據各類植物的生長習性和條件進行選配栽植，這樣可持續效應會對環境優化，加快了修復的自然進程和穩定了生態體系。

（四）技術性原則

要重視技術實用性、技術局限性、技術可操控性、技術前瞻性，對所應用到的技術進行分解式分析其特點。是否受不確定因素的影響而產生的局限性，在不同狀況或突發狀況時的可操控性。

五、虛擬現實技術應用方法

（一）整體布局

1.前期分析

分析主要修復問題：（一）地形景觀問題，地形土壤結構破壞，破壞原有的生態系統的自動修復功能，多種上層結構破壞，不利于植物生長。（二）水系景觀問題，水流污染化，致使生物不宜生存，使稀有生物大量滅種。（三）植被景觀問題，生長速度慢，成林速度慢，人工栽植苗木需要在苗圃中培育一定時間之后再進行栽植，而且采用人工栽植的方式使用范圍較窄，僅適用于地形，地貌和土壤條件較好的區域。（四）遺留景觀問題，開采礦山工程遺留下來場地、大型設備等閑置。修復景觀模擬，如圖5.1.1所示。

圖5.1.1 修復景觀模擬

2.礦山景觀修復治理目標

礦山景觀修復治理主要是對政策問題、環境問題、工程問題和社會問題的解決，虛擬現實技術在環境問題和工程問題中應用廣泛。主要體現在三個修復治理目標：地質工程目標、景觀修復目標。礦山修復治理目標如圖5.1.2所示。

圖5.1.2 礦山景觀修復治理目標

3.整體布局修復過程

在保護現有的景觀生態環境基礎上，開始對現狀礦山地形進行虛擬構造，展現完整的礦山現狀。其次對現有氣候、土壤、植被、水系、空間形態等資源進行數據采集分析，進行擬種自然環境狀態，分析現有資源和原有景觀資源對比。然后進行整體規劃虛擬，擬概念化的礦山景觀修復形態。細化虛擬近自然狀態下的礦山土質內部構造，實現環境資源的可持續恢復和生態修復。最后進行全息影響技術碎片整理，保持地區自然資源平衡，保護山體的結構的完整性、原始性，實現礦山景觀修復。整體布局修復過程如圖5.1.3所示。

圖5.1.3 整體布局修復過程

（二）具體技術修復應用

1.地形景觀修復應用

礦山開采后，地形土壤結構破壞，破壞了原有的生態系統的自動修復功能，不利于植物生長，同時難以形成地形景觀。地形景觀修復的內容就是地形地貌的修復，通過虛擬現實技術對土壤剖面進行重構和土地的重新整理。要通過各種修復方法和措施來重新構造地形的形態、地質條件、地表物質以及生物系統，使景觀地形各個構成要素間相互協調并與周邊景觀相融合。虛擬化地貌、虛擬山坡走向和河道布局，并通過數字高程模型軟件實現景觀地形設計，建立一個穩定的景觀地形。回填地形和模擬土壤生態結構（虛擬淋洗層、沉積層、土壤母質層、母質層），形成起伏錯落的自然景觀。邊坡固定處理（虛擬生物法），模擬自然災害，虛擬化學過程進行土壤排毒，使其地形地貌可加強生態可持續。

2.水系景觀修復應用

礦山采礦擾動了水文系統，水文系統紊亂，引發了一些列的環境問題。致使水生生物不宜生存，使稀有生物大量滅種，波及河岸生物生長，形成荒漠化境況。在修復規劃中有灌排系統的設計、配套建筑物的設計等。恢復區滿足與周圍排水系統相似，水流能無障礙并控制性地流經恢復區。模擬自然形成水道，將礦坑進行河道引流或堤壩圍合，形成水系景觀。模擬水系的旱澇季節對環境的影響，并作出防護。

3.植被景觀修復應用

植被生長速度慢，成林速度慢，人工栽植苗木需要在苗圃中培育一定時間之后再進行栽植，而且采用人工栽植的方式使用范圍較窄，僅適用于地形，地貌和土壤條件較好的區域，并通過人工栽植的苗木不能保證足夠的成活率，需經過精心養護。植被景觀修復對礦山修復有重要意義，礦山植被景觀修復可以采用直接種植及覆土種植兩種措施，利用虛擬現實技術對這兩種措施進行虛擬設計，首先虛擬植被生長的土壤條件，且土壤結構可以滿足植物生長的基本條件，虛擬化節約實際的栽植、種植中的成本，提高了操作靈活性。其次，對土壤內部微生物及其它有益生物虛擬化成分，根據生長情況進行調節一定成分。

4.遺留景觀修復應用

開采礦山工程遺留下來場地、大型設備等閑置。修復景觀模擬，對可利用的大型設備進行改造設計。改造工程量大，虛擬現實技術可虛擬化、真實的展現改造過程。將可實施的方案工程進行數字虛擬化，從不同視角對數據空間進行觀察，通過全息影像技術投射出來，讓人們親身感受，并模擬自然環境的小氣候和災害進行測控演示實驗，可預期的達到效果，減少了工程量。

六、結論

在礦山景觀修復中，主要涉及地形地貌景觀修復、水系景觀修復、植被景觀修復、遺留景觀修復四個方面。對于礦山景觀修復中出現的難題可以通過虛擬現實技術進行模擬化解決。實現整體規劃礦山景觀布局、分析自然環境數據、勘測分析、虛擬礦山內部構造、全息影像技術碎片整理、還原修復景觀的過程。虛擬現實技術還進行環境虛擬、工程系統虛擬、防護系統虛擬等工程，例如，對于地形、水層結構、次生地質災害、自然演替、排水系統、遺留設施改造、施工難點演示的虛擬。虛擬現實技術能虛擬化、數字化的應用到礦山景觀修復工程中，減少了財力、物力，縮短了工期，對可預測的災害進行預測防護。在修復建設施工過程中，可預防事故的發生，提前虛擬事故的檢修和排除工作。對大量的數據進行獲取、分析，工作量大，行為數據分析繁瑣，礦山環境復雜多樣，其中諸多因素難以避免，結構破壞嚴重。

最終，讓廢棄的礦山有源可尋，隨著科技的進步，相信對虛擬現實技術高度重視，更多的科研項目科技改變自然，構建一個科技引導、文明自然的和諧社會。