虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下礦山生態(tài)修復(fù)初探

任冬煥 楊旭照 劉煥 魏琳

摘要：指出了隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迅速應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。通過(guò)虛擬礦山要素山體、植被的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件下對(duì)礦山地形設(shè)計(jì)及植被恢復(fù)進(jìn)行了探討，以周邊自然地形為模板建立科學(xué)穩(wěn)定的水文盆地，逐步發(fā)展先鋒一過(guò)渡一穩(wěn)定的植被群落以達(dá)到良好的礦山修復(fù)效果。初探結(jié)果表明：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山生態(tài)恢復(fù)的應(yīng)用，可以直觀地審視設(shè)計(jì)對(duì)象，提高設(shè)計(jì)效率，有助于管理部門正確決策和提高公眾參與設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);植被設(shè)計(jì);礦山修復(fù);初探

中圖分類號(hào)：X32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）18-0055-02

1引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualReality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)是一門綜合性信息技術(shù)。它集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的最新發(fā)展成果。利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境，通過(guò)給用戶提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等各種直觀的事實(shí)感知的交互手段，達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)的效果，為人類探索和研究宏觀世界與微觀世界提供了極大的便利。

傳統(tǒng)的礦山修復(fù)設(shè)計(jì)多采用抽象的形式表達(dá)豐富的內(nèi)容，如用平面圖、立面圖、剖面圖和一些規(guī)定的符號(hào)來(lái)表達(dá)地形、道路、植被，只有經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員才能完成，嚴(yán)重阻礙了方案設(shè)計(jì)和施工的交流。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生成三維的虛擬礦山，直觀的顯示礦山邊坡與植物分布情況，便于相關(guān)人員進(jìn)行互交式的觀察、討論、分析，為礦山生態(tài)修復(fù)的探討提供了便利的條件。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下礦山要素的實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件技術(shù)是實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，隨著計(jì)算機(jī)的性能突飛猛進(jìn)、VR軟件迅速發(fā)展，使得VR技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用成為可能。目前虛擬現(xiàn)實(shí)軟件種類繁多，較為流行的有MultiGen Greator、Vegaprime、OpenGL、VRML等，它們?cè)诓煌念I(lǐng)域有其不同的特點(diǎn)。研究礦山生態(tài)恢復(fù)主要體現(xiàn)在地形改造及植被恢復(fù)狀況，所以本文側(cè)重于地形及植物景觀的表現(xiàn)。

2.1礦山要素的虛擬實(shí)現(xiàn)

在礦山治理中，體現(xiàn)一個(gè)礦山生態(tài)修復(fù)的成功與否，最重要的是建立一個(gè)安全穩(wěn)定的地形及其植被的恢復(fù)情況，因此對(duì)地形及植物要素的虛擬技術(shù)表現(xiàn)是探討礦山生態(tài)修復(fù)的必要條件。

2.2.1地形要素虛擬實(shí)現(xiàn)

地形是景觀的載體，地形設(shè)計(jì)奠定了礦山生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地形設(shè)計(jì)直觀性差的特點(diǎn)。在vpr三維互動(dòng)仿真平臺(tái)的建模是基于3dmax軟件基礎(chǔ)下的模型構(gòu)建，因此常見(jiàn)的地形建模有2種方法：一是如果地形變化不是很復(fù)雜則可以選用手工生成地形的方式。根據(jù)地形圖在3dmax中跟蹤繪制等高線，然后根據(jù)每根等高線的高程移動(dòng)相應(yīng)的高度，應(yīng)用幾何體下——復(fù)合對(duì)象——地形命令將各條等高線加入地形型中，這樣地形就大體形成了。二是對(duì)于復(fù)雜的地形，采用繪制等高線方法將會(huì)非常困難，因此在建模過(guò)程中常常借助灰度圖像，利用圖像的灰度明暗變化來(lái)改變對(duì)象的表面結(jié)構(gòu)以形成高低錯(cuò)落的地形地貌?？梢詫⒃O(shè)計(jì)的地形用Photoshop處理成一張灰度圖，在3DSMAX中建立可編輯的面片，通過(guò)位移（displace）修改器命令加載處理的地形灰度圖，使三維物體對(duì)應(yīng)圖上亮的地方產(chǎn)生凸起，而亮度的不同會(huì)導(dǎo)致凸起的程度不同，就可以得到想要的地形模型，最后對(duì)建立的模型加入紋理貼圖就可以完成對(duì)礦山的虛擬實(shí)現(xiàn)。

2.2.2植物的景觀模擬

植物是體現(xiàn)礦山生態(tài)恢復(fù)的重要元素，為生成可從不同角度觀察的虛擬景觀，采用Billboard公告板技術(shù)，對(duì)場(chǎng)景中樹(shù)木進(jìn)行建模。由于樹(shù)木的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用基于幾何的建模方式會(huì)增加場(chǎng)景的復(fù)雜度。通過(guò)采用Billboard技術(shù)，可以達(dá)到真實(shí)感和場(chǎng)景復(fù)雜度的折中，一部分Billboard物體，可以在使用者瀏覽時(shí)動(dòng)態(tài)的改變自己的坐標(biāo)，以坐標(biāo)的Z軸為Axis of Rotation旋轉(zhuǎn)從而使物體永遠(yuǎn)面向?yàn)g覽者;另一部分使用十字相交建模方式，令使用者從各個(gè)方向觀看都能基本全面的看見(jiàn)完整的物體。根據(jù)不同的情況分別使用兩種方式，以達(dá)到最佳的視覺(jué)虛擬效果。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下礦山生態(tài)的修復(fù)初探

3.1地形與生態(tài)修復(fù)

水土資源是生態(tài)修復(fù)保護(hù)的對(duì)象，也是植被衍生繁殖的最基礎(chǔ)條件。離開(kāi)了水和土，開(kāi)展生態(tài)修復(fù)也就沒(méi)有條件，因此對(duì)礦山的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)，成敗主要取決于地形的重建。許多恢復(fù)工程的失敗就在于其地形設(shè)計(jì)不能維持生態(tài)系統(tǒng)的功能或者造成地表徑流和沉積物的輸出嚴(yán)重污染下游生態(tài)系統(tǒng)。地形設(shè)計(jì)的影響因素很多，應(yīng)該針對(duì)不同的情況，因地制宜的制定合理的改造方案。

地形設(shè)計(jì)的目在于使土壤表面的侵蝕力（水流）和土壤物質(zhì)產(chǎn)生的保持力（土壤物質(zhì)的構(gòu)造力、表面沉積物的粘合力和植被效應(yīng)）之間找到一個(gè)平衡。目前地形設(shè)計(jì)常用的方法是以恢復(fù)到地理形態(tài)學(xué)上的穩(wěn)定為目的，對(duì)礦山邊坡進(jìn)行削坡，形成30°斜坡并帶有排水溝的形式發(fā)展。這種形式的地形存在一些問(wèn)題，如不能有效地保持水分和抵抗強(qiáng)烈水侵因而不能支持自然或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。此外，這種地形還增加了徑流量和河道沉積物，這會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。因此，這種在地理形態(tài)上穩(wěn)定的地形在生態(tài)學(xué)上是不穩(wěn)定的。目前我國(guó)的的地形設(shè)計(jì)形式都趨向于地理學(xué)形態(tài)上的穩(wěn)定，而且設(shè)計(jì)過(guò)程中更多的是依賴于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。這種缺乏理論指導(dǎo)的設(shè)計(jì)理念就是許多裸露采礦山恢復(fù)工程失敗的原因之一。把地形和土壤性質(zhì)、植被因素綜合起來(lái)考慮是重建穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)所必需的思想，才能達(dá)到系統(tǒng)的自我維持并且與周圍環(huán)境有機(jī)結(jié)合起來(lái)，改善環(huán)境。

城市周邊的自然山體是各種生物生存的場(chǎng)所，為人類提供了良好的生活環(huán)境，為人類從事地形的改造提供了自然的模板。科學(xué)的地形設(shè)計(jì)應(yīng)該基于地貌學(xué)和水文學(xué)原理，把水文學(xué)盆地當(dāng)作重建地形中一個(gè)自然單元。地形其實(shí)是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的水文學(xué)盆地組成的，盆地又由許多坡面和水道構(gòu)成，這樣的地形具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)防止強(qiáng)烈降雨的破壞。需要進(jìn)行管理的主要是盆地表面，水道的密布程度和類型，坡面和水渠形態(tài)以及用以控制徑流量和沉積物輸出的一些工程措施（沉積物收集器、調(diào)節(jié)池、水道保護(hù)系統(tǒng)等）。因此，重建具有自然功能動(dòng)態(tài)成熟地形可以通過(guò)對(duì)周邊自然景觀的比較分析以確定自然地形保持穩(wěn)定所具有的坡面尺度、坡長(zhǎng)、凸度等，從而在這些方面以及排水溝等進(jìn)行模仿。這樣。如果土壤能恢復(fù)到自然狀態(tài)而且復(fù)墾效果明顯的話，重建景觀的水文學(xué)和侵蝕特征就會(huì)和自然地形相似，以達(dá)到礦山生態(tài)修復(fù)的目的。

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件下，對(duì)礦山地形的設(shè)計(jì)，能夠很直觀地表現(xiàn)改造后的效果，以及隨時(shí)隨地的可以對(duì)地形設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，避免決策的失誤，為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)和施工提供了極大的便利，減少一些不必要的損失。

3.2礦山植被的生態(tài)修復(fù)

生態(tài)環(huán)境修復(fù)應(yīng)在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，采取工程措施與植物措施相結(jié)合方式進(jìn)行，主要措施就是植樹(shù)種草，因此利用生態(tài)學(xué)原理營(yíng)造一個(gè)良好的植被恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于改善礦山景觀起著重要的作用。

豐富的植被類型和高綠化覆蓋率對(duì)礦山景觀恢復(fù)有重要作用，喬灌草綜合綠化比單一草本綠化視覺(jué)效果更好。四川大學(xué)辜彬教授對(duì)sd評(píng)價(jià)方法進(jìn)行因子分析，選取“協(xié)調(diào)性、舒適性、綠化量、美觀性”作為礦山評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)。綠量多少、有無(wú)層次感、變化豐富與否都很大程度影響到公眾對(duì)礦山評(píng)價(jià)的主觀判斷。因此，一個(gè)良好的礦山植被生態(tài)恢復(fù)方案，必須從時(shí)間、空間、植物多樣性等方面綜合考慮，建立一個(gè)喬木、灌木、草本相結(jié)合，層次分明、物種多樣的穩(wěn)定植物群落，才能夠達(dá)到理想的效果。

4結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生成逼真的礦山虛擬環(huán)境（virtual Environment），真實(shí)的反應(yīng)礦山的地形地貌，這樣在礦山生態(tài)修復(fù)的研究中，設(shè)計(jì)者可以置身于礦山虛擬環(huán)境下直觀的審視礦山，擬定合理的生態(tài)綠化方案，為礦山生態(tài)恢復(fù)設(shè)計(jì)和施工提供實(shí)時(shí)修正，也為從事礦山生態(tài)修復(fù)的管理部門提供直觀而科學(xué)的決策依據(jù)。