露天礦土地復墾三維可視化研究

李小光 魯明星 李科心 李富平1

（1.華北理工大學礦業工程學院，河北唐山063210；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北唐山063210；3.河北省礦區生態修復產業技術研究院，河北唐山063210；4.唐山學院土木工程學院，河北唐山063004；5.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北唐山063000）

由于礦產資源開采造成土地破壞和環境污染日趨嚴重，近年來礦區土地復墾已成為我國環境治理的重點內容之一。隨著計算機建模技術和GIS技術的快速發展，礦區二維土地復墾規劃設計已無法滿足要求。礦區土地復墾三維建模不僅在規劃方案評價、規劃效果展示、規劃前后效果對比等方面發揮著重要作用，在土地復墾項目立項、論證、評審等環節所發揮的作用也較大。隨著無人機傾斜攝影測量技術快速發展以及GIS軟件3D功能不斷豐富，礦區土地復墾效果的展示方法已由二維轉為三維。

目前，礦區復墾效果三維建模主要是基于GIS軟件實現的。岳境等［1］應用ArcView軟件實現了土地填挖方計算和土地復墾三維景觀模擬；陳秋計等［2］應用ArcView軟件的3Danalyst模塊實現了煤炭開采區的DEM和三維景觀模型構建；丁玉龍［3］研究了基于Sketchup和ArcScene的土地復墾規劃快速三維可視化方法；吳超等［4］應用ArcGIS軟件進行了建筑物、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，不利于礦區土地復墾前后的對比研究。近年來，無人機航測技術發展迅速，具有成本低、高效、靈活等優勢。無人機傾斜攝影測量技術［5-8］可以從4個傾斜拍攝角度進行信息采集，從而能夠獲取到更加豐富的側面紋理信息，通過Smart3D、PhotoScan、PhotoMesh、Pix4D、Skyline等軟件［9-13］可以快速進行三維實景建模。本研究以唐山市某露天礦區為例，基于無人機傾斜攝影技術，并結合Smart3D軟件進行數據獲取和處理，得到礦區現狀三維數據，在此基礎上進行土地復墾規劃，并結合SuperMap軟件實現土地復墾三維可視化展示。本研究重點解決以下兩個問題：①多種GIS數據間進行相互轉換，空間參考始終保持正確；②三維精細模型在相互轉換過程中保持紋理貼圖不丟失。

1 建模步驟

本研究采用無人機攝影測量方獲取數據進行三維建模，主要流程如圖1所示。

三維建模具體步驟為：

（1）無人機航拍獲取現狀數據，并進行前期數據處理。應用無人機數據處理軟件（Pix4D mapper和Smart3D軟件）對無人機航拍數據進行處理，得到礦區的數字正射影像、三維現狀模型和點云數據［14-15］。

（2）三維現狀模型導入GIS軟件。將無人機三維數據進行格式轉換，導入到SuperMap軟件。

（3）礦區三維規劃模型生成。在ArcGIS軟件下，根據礦區土地復墾數據，進行三維模型創建。以點云數據作為規劃邊界，以規劃復墾方案數據為基礎，按照TIN模型進行三維建模，最終生成地面模型。

（4）三維規劃模型進行紋理渲染。將GIS三維模型導出，轉換為3DMax軟件格式，進行精細建模和紋理渲染。

（5）將帶有紋理渲染的精細三維模型進行轉換并導入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三維模型轉入SuperMap軟件中。在SuperMap軟件中對規劃區的礦區三維現狀數據進行壓平處理，使三維規劃模型與現狀數據實現無縫拼接，便于直觀地對規劃方案進行實時評價，并實現規劃前后效果對比［16-18］。

2 礦山規劃現狀數據獲取

2.1 現狀數據獲取方法比較

礦區現狀數據常用的獲取方法有：

（1）實測方法。通過常規的測繪儀器（GPS或全站儀）外業采集數據，內業成圖。這種方法獲取數據的精度高，但測繪成果單一，往往只是二維的正射平面圖，無法直觀地展示礦區的地形變化，并且時效性差，在量算規劃坡面綠化面積時既不準確也不方便。

（2）谷歌地圖。是Google公司提供的電子地圖服務，主要可以提供矢量地圖、不同分辨率的衛星照片和可以用來顯示地形和等高線的地形視圖。該方法數據獲取成本較低，但數據現勢性不足。礦區土地復墾規劃設計首先要求數據具有較強的現勢性，因此該方法無法滿足要求。

（3）無人機測繪。通過無人機傾斜攝影測量，可以獲得DOM數據、DEM數據、點云數據、三維模型OSGB數據等［19］。

2.2 現狀數據獲取

本研究以唐山市某露天礦土地復墾工程為例，采用無人機傾斜測量的方法獲取現狀數據。礦區面積約7 km2，根據礦區及周邊實際情況，并依據相關技術規范要求，共布設了航線7條，控制點12個，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°），高程基準采用1985國家高程基準。本研究采用Pix4D Mapper軟件進行影像處理，獲得的數字正射影像如圖2所示。

2.3 傾斜攝影數據OSGB加載到SuperMap中

本研究采用Smart3D軟件進行三維建模，將三維建模處理結果存儲為成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據格式，使用二進制Binary存儲，可以加快計算機讀取［20-22］。OSGB格式的傾斜攝影數據是由多個包含OSGB數據的文件夾、一個“s3c”后綴的文件和一個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據的文件夾(即目錄))；metadata.xml文件存放傾斜攝影三維數據的坐標系和坐標值信息［19-22］，打開.xml文件即可獲得礦區的坐標信息（圖3）。

SuperMap軟件中可以根據EPSG的編號新建坐標系，具體步驟為：首先打開“新建配置文件”對話框，填寫源數據路徑、目標文件路徑和路徑名、插入點坐標點后，勾選“投影設置”；在“投影設置”對話框中選擇“新建”，根據EPSG編碼新建坐標系。在SuperMap軟件工作空間文件管理器的場景節點上點擊鼠標右鍵，選擇“新建球面場景”，加載相應的.scp配置文件［23-24］，即可實現在SuperMap軟件中瀏覽OSGB數據。

3 規劃數據建模流程

露天礦開采后需對開采平臺和邊坡進行生態修復。唐山某露天礦區按高差10～15 m設置一個6～10 m寬的平臺，平臺外側修建擋墻，平臺、邊坡分別進行覆土，平臺上栽植火炬樹、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。本研究針對平臺和邊坡生態修復方式的不同，設計采用了不同的建模方式。對于礦區規劃的平臺、坡面，可在ArcGIS軟件下進行TIN地形建模，通過數據轉換在3DMax軟件中進行紋理貼圖精細化建模。

3.1 ArcGIS軟件中生成TIN

ArcGIS軟件對各種GIS數據具有良好的兼容性，平臺和邊坡是.dwg格式的CAD數據，直接加載到ArcGIS平臺下，進行TIN模型構建。由于平臺坡面地面模型與一般地形不同，本研究CAD數據不采用高程點或等高線的形式，而是采用三維多段線（3DPo?ly），線上的每個點都有X、Y、Z三維坐標信息。在ArcGIS軟件中選擇“創建TIN”工具，選擇“CAD數據”并選擇“高程字段Z”，同時選擇“遵守Delaunay準則”，選擇“隔斷線（Breakline）生成TIN”的方式實現TIN生成。如果生成的TIN有明顯不正確的部分，可通過“編輯TIN”功能進行修改和刪除。礦區東部規劃區的TIN如圖4所示。

3.2 ArcGIS TIN轉SketchUp

由于ArcGIS軟件中紋理貼圖功能不強，需要將ArcGIS平臺下構建的TIN模型導入到第三方建模軟件中時進行相關操作。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數據轉至3DMax軟件產生空間位置錯誤，先將ArcGIS TIN轉為SketchUp數據，再由SketchUp數據轉換為3DMax數據。應用SketchUp6 ESRI插件可以方便地將ArcGIS TIN數據轉換為SketchUp格式，具體參數設置如圖5所示。

3.3 SketchUp文件轉3DMax文件

ArcGIS TIN模型轉成Sketchup（.Skp）文件只是一個中間過程，目標是轉成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。為了保證在轉換過程中空間位置的正確性，通過試驗對比分析，本研究采用.fbx文件格式。同時為了查看模型的中心點坐標，本步驟同時還要生成.kml格式文件。

3.4 紋理貼圖

首先在3DMax軟件中導入.fbx數據，并保存為3DMax數據格式。導入的模型主要分為工作平臺和坡面兩部分，平臺面主要是覆蓋耕作土，坡面以種植爬山虎為例。本研究對平臺面、坡面分別進行了紋理貼圖精細化建模，結果如圖6所示。

4 規劃模型在SuperMap中展示數據建模流程

4.1 模型導出

3DMax精細模型導出到SuperMap軟件的主要方法是使用超圖公司的max插件。最新的3DMax2014插件提供兩種導出模型，一種是生成數據集，另一種是BIM生成數據集，后者兼容性更好，不容易出錯且不易丟紋理信息。SuperMap軟件參數設置中最重要是球面坐標設置，如果球面坐標設置不正確，導出的模型在SuperMap軟件中的空間位置就不正確，并且無法進行二次設置。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。模型球面坐標的獲取方法是通過Sketch up軟件導出的.kml模型直接加載到SuperMap軟件，點擊鼠標右鍵查看“屬性”獲得。對于紋理信息，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，可以保證導出的三維模型位置正確，紋理貼圖不會丟失。“BIM生成數據集”參數設置對話框如圖7所示。

4.2 SuperMap中平臺樹栽植

平臺上種植樹的空間位置需要在AutoCAD軟件中進行設置。在AutoCAD軟件中根據平臺的高程值和水平間距通過“點的輸入”進行布置。將布置后帶有空間位置的點數據轉為SuperMap軟件中的點數據，再進行點狀符號設置。SuperMap軟件自帶的三維點狀符號實質是2.5維符號，三維效果不理想。SuperMap軟件支持第三方軟件模型導入點模型，將已設置后的火炬樹的3DMmax模型導入為.SGM格式，生成SuperMap軟件的真正的三維點符號。平臺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軟件對傾斜數據的處理方法主要有兩種，一種是對模型壓平，一種是裁切。本研究生態修復規劃采用模型壓平方式對規劃部分的現狀數據進行處理。在SuperMap軟件球面三維模空間下，加載相應的矢量數據、3DMax轉換后模型數據和現狀傾斜攝影測量數據，按規劃設計對現狀數據進行模型壓平處理，得到整個礦區的規則模型。在規劃模型中可以查看規劃的整體空間分布、量算空間距離和面積、展示規劃效果等操作。在SuperMap中設置了兩個左右視口，便于將原始地貌和礦區土地復墾后的效果進行對比，如圖9所示。

5 結語

基于無人機傾斜攝影測量獲取的礦山現狀數據，進行了唐山某露天礦區土地復墾設計的三維建模研究。應用SuperMap軟件取得了建模數據與現狀數據無縫拼接的真三維效果。礦區土地復墾規劃建模分為平臺、坡面地形建模和平臺栽植樹木兩個步驟。平臺、坡面建模通過多種GIS平臺數據轉換，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為：

（1）Sketchup數據轉 3DMax數據。Sketchup數據轉3DMax數據有多種格式，將Sketchup數據導出為.fbx數據格式，再導入到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數據轉SuperMap數據。利用Super-Map 3DMax插件將數據導出為“BIM生成數據集”模型，模型中心點坐標參數應根據Sketchup軟件轉出的.kml格式文件確定。