基于地形图与GIS的矿区地表三维快速可视化技术

张国俊 曹金龙 于长斌 杨可明

（1.神华蒙西煤化股份有限公司棋盘井煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 016100；2.中国矿业大学（北京）地测学院，北京 100083）

基于地形图与GIS的矿区地表三维快速可视化技术

张国俊1曹金龙1于长斌2杨可明2

（1.神华蒙西煤化股份有限公司棋盘井煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 016100；2.中国矿业大学（北京）地测学院，北京 100083）

地形三维可视化技术是当今GIS应用的热点，地形三维可视化可有利于提高地表地形的认知、分析、管理和工程实施等。本文基于日常工作中常用的纸质或CAD矿山地形图，利用ArcGIS的空间分析与可视化技术，通过数据转换、等高线修复及高程赋值，生成地表不规则三角网，然后结合纠正后的矿区影像可实现地形图的快速三维显示。

地形图；ArcGIS；三维可视化；数字矿山

1 引言

21世纪是信息化的世纪，数字化已成为知识经济的时代标志[1]。在数字化的大背景下，“数字矿山”成为时代的必然产物[2]。矿山信息的平面图形表达方式无法使采矿地质工作者直观地看到地质现象的几何形态，相互关系和分布，不利于准确地对矿山进行信息的管理[3]。因此，对矿山进行三维立体表达具有十分重要的意义。

“数字矿山”应具有三维的实时显示、虚拟地表实景的功能。矿山的三维定量化表达和逼真描述，有助于更好地理解矿体的空间信息及矿体与地表地形之间的空间位置关系，提高空间分析的能力。由此可见，三维可视化是数字化矿山的理论及其技术研究领域的关键核心技术之一[4]。本文以神华蒙西煤化股份有限公司棋盘井煤矿某采区的CAD地形图为例，实现结合CAD地形图与遥感影像的矿区地面ArcGIS三维信息表达。

2 地形图高程信息的GIS数据表达

利用纸质或CAD地形图中的高程点和等高线在ArcGIS中实现三维立体表达，主要有图形数据转换、等高线数据处理、高程点数据提取、遥感影像校正和快速三维可视化表达等步骤。地形图如果是纸质图，首先要进行数据化扫描，然后根据地形图中的地理坐标进行几何校正处理；本文利用棋盘井煤矿提供的矿区CAD地形图，系统介绍基于地形图与ArcGIS的地表三维信息快速表达技术。

2.1 CAD图的shapfile文件转换

在ArcGIS中，空间信息通常是通过图形文件（shp文件）来管理，属性信息是通过于shp文件图层中各图素相关联的数据库来管理。

CAD数据与GIS数据的不同特点决定了两者的转换存在一定难度。CAD数据强调图形信息的输出，其空间信息和属性信息都用可视化的形式表达在地图上，而GIS数据属性信息则通过与空间信息相关联的数据库来表达[5]。在两者进行转换时，就要将CAD直接表达的属性信息转换成与空间信息相关联的数据库。图1为棋盘井煤矿一采煤工作面上覆地表的CAD地形图，其转化为ArcGIS图形文件的实现步骤为：系统工具→conver⁃sion tools→转换为shapfile（shp文件），输入转换文件路径及输出文件，即生成shapfile文件。

2.2 GIS文件中等高线的处理

等高线数据需要用GIS图形文件的线图层模式来管理。用CAD生成的shapfile文件中存在很多非等高线，并且很多等高线都断线（如图2）。因此，需要删除文件中的非等高线，对断线等高线进行处理并将同一高程的等高线进行连接，如图3所示，如此为等高线的赋值提供方便。

图1 地形图的CAD数据

对等高线进行连接合并后，就需要在ArcGIS中打开属性列表，根据CAD中标注值对各条等高线的高程字段进行高程赋值。如果没有标注高程值，该等高线的高程值可根据CAD中控制点进行插值得到。根据控制点计算等高距，则容易得到每条等高线的高程，然后在等高线GIS图层属性表中进行相应等高线的高程赋值。等高线的GIS图层及其高程值属性表如图4所示。

图 2 修复前的等高线

图 3 进行连接合并后的等高线

图 4 GIS的等高线图层及其高程值属性表

2.3 高程点GIS数据的提取

高程点数据需要用GIS图形文件的点图层模式来管理。高程点提取过程是利用FME软件转化的shp文件。FME把CAD的文件转化成了点的shp文件，高程点的地理坐标代表了各点的位置。在为各高程点的高程赋值时，同样需要在ArcGIS中打开高程点图层的属性列表，根据CAD中标注值对各高程点的高程字段进行高程赋值。如果没有标注高程值，该高程点的高程值可根据CAD中控制点进行插值得到。图5所示为从CAD地形图中提取的高程点GIS图层。

图 5 提取的高程点GIS图层

3 基于地形图的地表三维可视化

本文在进行快速的地表三维可视化时，主要是实现地表高程数据的三维可视化和叠加遥感影像的地形信息表达。地表高程数据来自CAD地形图中的高程点和等高线数据；相应的遥感影像是根据棋盘井煤矿研究区的坐标范围从国际科学数据服务平台等系统上下载。

3.1 由等高线生成TIN或DEM

图 6 基于高程点和等高线图层生成的TIN

三维显示中最重要的一步是获取TIN或DEM。TIN是不规则三角网，它由不规则分布的数据点连接的三角网构成。在ArcGIS的ArcMap中生成TIN有两种方式：由高程点和等高线的图层创建TIN，或生成栅格图层后转为DEM。棋盘井煤矿I020902工作面地表的三维可视化生成方法为：在ArcMap中加载3D Analyst模块，选择地面高程点和等高线的图层生成TIN，如图6所示；在3D Analyst模块中选择TIN转化为栅格数据，则生成DEM，如图7所示。

图7 基于TIN数据生成的DEM

3.2 矿区影像下载与影像纠正

国际科学数据服务平台等多家系统能为我们提供全国免费的高清影像。影像下载后需要对影像进行校正。校正时可在CAD地形图和遥感影像上寻找同名像点，同名像点尽量在矿区范围内均匀分布。找到同名像点后，记录该点的坐标。影像校正所用的软件可以选择ERDAS或ENVI，校正模型和重采样方法可以根据实际情况进行选择。图8为棋盘井煤矿I020902工作面地表的校正影像。

图 8 校正后的棋盘井煤矿部分地表影像

3.3 叠加影像的地表信息三维显示

根据图6和图7所示的TIN或DEM数据，在ArcGIS中的ArcScene模块中可进行地表信息三维显示。打开ArcScene窗口，添加校正后的影像和TIN（或DEM）数据。设置影像属性，在基于高度选项中选择“高程”获取方式，可实现叠合遥感影像的三维可视化效果，如图9所示。为了使三维效果更加明显，可在三维可视化的场景属性中选择适当的“高程放大系数”，进行垂直夸大。

4 三维快速可视化存在的不足

本文利用CAD地形图在ArcGIS中实现三维地表快速显示，影响快速可视化表达的问题主要有：

图 9 叠合遥感影像的三维可视化效果

4.1 转换后的等高线不能够自动修复，即不能进行断线的处理及同一高程值的等高线连接。对于断线的连接，可以通过ArcGIS Engine开发相关功能，进行断线的自动连接。现有的断线连接方法主要有基于最小距离或方向差异最小的局部连接法、基于费曼码的断线连接、基于数学形态学膨胀与收缩原理的断线连接法、基于高等空间关系结构约束的最大集团图搜索法以及估计拓扑关系的连接方法等[6]。

4.2 等高线不能够进行高程的自动赋值。对于等高线高程值的提取目前主要是人工交互或利用已知控制点进行高程插值自动提取。

5 结束语

随着全球矿山信息化的不断深入，“数字矿山”这一概念逐步被明确，其中矿山的三维立体表达是数字矿山的重要组成部分。然而就矿山地表而言，传统地图形的平面表达方式并没能够对测量数据的三维信息进行充分利用，这对正确地做出决策和规划，发现问题、解决问题十分不利，进而不能够对矿山生产的顺利进行提供相应的指导。本文开展的基于地形图与GIS的三维地表快速可视化研究就是“数字矿山”中的一项重要应用技术。

目前，我国采矿业的信息化水平还不高，各个地区发展状况参差不齐，矿山的三维化水平与发达国家仍有很大的差距。开发矿山数字化专用软件平台，实时对井下井上做三维可视化监测，以便能够及时地发现问题，保证井下开采安全。

[1]吴立新，朱旺喜，张瑞新.数字矿山与我国未来矿山发展[J].科技导报，2004（7）：28-31.

[2]李春民，李仲学，王云海.“数字矿山”的三维可视化研究[J].系统仿真学报，2006，18（2）：515-518.

[3]李一帆，李枫，王慧萍.三维可视化技术在矿山工程中的应用[J].中国钨业，2009，24（1）：24-27.

[4]吴立新，张瑞新，戚宜欣，等.3维地学模拟与虚拟矿山系统[J].测绘学报，2002，31（1）：28-33.

[5]王铁军.从CAD到GIS数据的转换[J].东北测绘，1999，22（3）：12-13.

[6]陈丹，龙毅.基于知识的等高线断点连接方法[J].测绘信息与工程，2003，28（3）：31-33.

P2

A

1671-0037（2014）07-64-2.5

神华蒙西煤化股份有限公司委托项目（MK-13-798）和国家自然科学基金项目（41271436）。

张国俊（1982-），男，本科，高级工程师，研究方向：矿山测量与GIS应用。