露天矿土地复垦三维可视化研究

李小光 鲁明星 李科心 李富平1

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063210；3.河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北唐山063210；4.唐山学院土木工程学院，河北唐山063004；5.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山063000）

由于矿产资源开采造成土地破坏和环境污染日趋严重，近年来矿区土地复垦已成为我国环境治理的重点内容之一。随着计算机建模技术和GIS技术的快速发展，矿区二维土地复垦规划设计已无法满足要求。矿区土地复垦三维建模不仅在规划方案评价、规划效果展示、规划前后效果对比等方面发挥着重要作用，在土地复垦项目立项、论证、评审等环节所发挥的作用也较大。随着无人机倾斜摄影测量技术快速发展以及GIS软件3D功能不断丰富，矿区土地复垦效果的展示方法已由二维转为三维。

目前，矿区复垦效果三维建模主要是基于GIS软件实现的。岳境等［1］应用ArcView软件实现了土地填挖方计算和土地复垦三维景观模拟；陈秋计等［2］应用ArcView软件的3Danalyst模块实现了煤炭开采区的DEM和三维景观模型构建；丁玉龙［3］研究了基于Sketchup和ArcScene的土地复垦规划快速三维可视化方法；吴超等［4］应用ArcGIS软件进行了建筑物、植被、地形的三维建模研究。上述研究主要基于单一的GIS软件，模型的真三维效果不理想，不利于矿区土地复垦前后的对比研究。近年来，无人机航测技术发展迅速，具有成本低、高效、灵活等优势。无人机倾斜摄影测量技术［5-8］可以从4个倾斜拍摄角度进行信息采集，从而能够获取到更加丰富的侧面纹理信息，通过Smart3D、PhotoScan、PhotoMesh、Pix4D、Skyline等软件［9-13］可以快速进行三维实景建模。本研究以唐山市某露天矿区为例，基于无人机倾斜摄影技术，并结合Smart3D软件进行数据获取和处理，得到矿区现状三维数据，在此基础上进行土地复垦规划，并结合SuperMap软件实现土地复垦三维可视化展示。本研究重点解决以下两个问题：①多种GIS数据间进行相互转换，空间参考始终保持正确；②三维精细模型在相互转换过程中保持纹理贴图不丢失。

1 建模步骤

本研究采用无人机摄影测量方获取数据进行三维建模，主要流程如图1所示。

三维建模具体步骤为：

（1）无人机航拍获取现状数据，并进行前期数据处理。应用无人机数据处理软件（Pix4D mapper和Smart3D软件）对无人机航拍数据进行处理，得到矿区的数字正射影像、三维现状模型和点云数据［14-15］。

（2）三维现状模型导入GIS软件。将无人机三维数据进行格式转换，导入到SuperMap软件。

（3）矿区三维规划模型生成。在ArcGIS软件下，根据矿区土地复垦数据，进行三维模型创建。以点云数据作为规划边界，以规划复垦方案数据为基础，按照TIN模型进行三维建模，最终生成地面模型。

（4）三维规划模型进行纹理渲染。将GIS三维模型导出，转换为3DMax软件格式，进行精细建模和纹理渲染。

（5）将带有纹理渲染的精细三维模型进行转换并导入SuperMap软件。在保障空间参考不变的情况下，将带有纹理渲染的精细三维模型转入SuperMap软件中。在SuperMap软件中对规划区的矿区三维现状数据进行压平处理，使三维规划模型与现状数据实现无缝拼接，便于直观地对规划方案进行实时评价，并实现规划前后效果对比［16-18］。

2 矿山规划现状数据获取

2.1 现状数据获取方法比较

矿区现状数据常用的获取方法有：

（1）实测方法。通过常规的测绘仪器（GPS或全站仪）外业采集数据，内业成图。这种方法获取数据的精度高，但测绘成果单一，往往只是二维的正射平面图，无法直观地展示矿区的地形变化，并且时效性差，在量算规划坡面绿化面积时既不准确也不方便。

（2）谷歌地图。是Google公司提供的电子地图服务，主要可以提供矢量地图、不同分辨率的卫星照片和可以用来显示地形和等高线的地形视图。该方法数据获取成本较低，但数据现势性不足。矿区土地复垦规划设计首先要求数据具有较强的现势性，因此该方法无法满足要求。

（3）无人机测绘。通过无人机倾斜摄影测量，可以获得DOM数据、DEM数据、点云数据、三维模型OSGB数据等［19］。

2.2 现状数据获取

本研究以唐山市某露天矿土地复垦工程为例，采用无人机倾斜测量的方法获取现状数据。矿区面积约7 km2，根据矿区及周边实际情况，并依据相关技术规范要求，共布设了航线7条，控制点12个，航摄相片的航向重叠度为85%，旁像重叠度为75%，共拍摄了照片676张。采用CGCS2000坐标系，投影方式采用高斯-克吕格投影（3°带，中央子午线117°），高程基准采用1985国家高程基准。本研究采用Pix4D Mapper软件进行影像处理，获得的数字正射影像如图2所示。

2.3 倾斜摄影数据OSGB加载到SuperMap中

本研究采用Smart3D软件进行三维建模，将三维建模处理结果存储为成OSGB（Open Scene Gragh Bi⁃nary）格式文件。该文件格式是由三维引擎定义的数据格式，使用二进制Binary存储，可以加快计算机读取［20-22］。OSGB格式的倾斜摄影数据是由多个包含OSGB数据的文件夹、一个“s3c”后缀的文件和一个metadata.xml的文件组成。*.s3c文件为Smart3D软件的工程文件，在SuperMap软件中无需使用Data文件夹(存放倾斜摄影三维数据的文件夹(即目录))；metadata.xml文件存放倾斜摄影三维数据的坐标系和坐标值信息［19-22］，打开.xml文件即可获得矿区的坐标信息（图3）。

SuperMap软件中可以根据EPSG的编号新建坐标系，具体步骤为：首先打开“新建配置文件”对话框，填写源数据路径、目标文件路径和路径名、插入点坐标点后，勾选“投影设置”；在“投影设置”对话框中选择“新建”，根据EPSG编码新建坐标系。在SuperMap软件工作空间文件管理器的场景节点上点击鼠标右键，选择“新建球面场景”，加载相应的.scp配置文件［23-24］，即可实现在SuperMap软件中浏览OSGB数据。

3 规划数据建模流程

露天矿开采后需对开采平台和边坡进行生态修复。唐山某露天矿区按高差10～15 m设置一个6～10 m宽的平台，平台外侧修建挡墙，平台、边坡分别进行覆土，平台上栽植火炬树、刺柏等乔灌木。在边坡上种植葛根、爬山虎等植物。

目前，三维GIS软件对于纹理贴图的处理功能比较薄弱，较理想的纹理贴图处理通常需要借助第三方建模软件完成。本研究针对平台和边坡生态修复方式的不同，设计采用了不同的建模方式。对于矿区规划的平台、坡面，可在ArcGIS软件下进行TIN地形建模，通过数据转换在3DMax软件中进行纹理贴图精细化建模。

3.1 ArcGIS软件中生成TIN

ArcGIS软件对各种GIS数据具有良好的兼容性，平台和边坡是.dwg格式的CAD数据，直接加载到ArcGIS平台下，进行TIN模型构建。由于平台坡面地面模型与一般地形不同，本研究CAD数据不采用高程点或等高线的形式，而是采用三维多段线（3DPo⁃ly），线上的每个点都有X、Y、Z三维坐标信息。在ArcGIS软件中选择“创建TIN”工具，选择“CAD数据”并选择“高程字段Z”，同时选择“遵守Delaunay准则”，选择“隔断线（Breakline）生成TIN”的方式实现TIN生成。如果生成的TIN有明显不正确的部分，可通过“编辑TIN”功能进行修改和删除。矿区东部规划区的TIN如图4所示。

3.2 ArcGIS TIN转SketchUp

由于ArcGIS软件中纹理贴图功能不强，需要将ArcGIS平台下构建的TIN模型导入到第三方建模软件中时进行相关操作。目前，三维渲染效果较好的主流软件是3DMax软件和SketchUp软件。为避免ArcGIS TIN数据转至3DMax软件产生空间位置错误，先将ArcGIS TIN转为SketchUp数据，再由SketchUp数据转换为3DMax数据。应用SketchUp6 ESRI插件可以方便地将ArcGIS TIN数据转换为SketchUp格式，具体参数设置如图5所示。

3.3 SketchUp文件转3DMax文件

ArcGIS TIN模型转成Sketchup（.Skp）文件只是一个中间过程，目标是转成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。为了保证在转换过程中空间位置的正确性，通过试验对比分析，本研究采用.fbx文件格式。同时为了查看模型的中心点坐标，本步骤同时还要生成.kml格式文件。

3.4 纹理贴图

首先在3DMax软件中导入.fbx数据，并保存为3DMax数据格式。导入的模型主要分为工作平台和坡面两部分，平台面主要是覆盖耕作土，坡面以种植爬山虎为例。本研究对平台面、坡面分别进行了纹理贴图精细化建模，结果如图6所示。

4 规划模型在SuperMap中展示数据建模流程

4.1 模型导出

3DMax精细模型导出到SuperMap软件的主要方法是使用超图公司的max插件。最新的3DMax2014插件提供两种导出模型，一种是生成数据集，另一种是BIM生成数据集，后者兼容性更好，不容易出错且不易丢纹理信息。SuperMap软件参数设置中最重要是球面坐标设置，如果球面坐标设置不正确，导出的模型在SuperMap软件中的空间位置就不正确，并且无法进行二次设置。因此，为了保证模型空间位置的正确性，需要输入正确的模型球面坐标。模型球面坐标的获取方法是通过Sketch up软件导出的.kml模型直接加载到SuperMap软件，点击鼠标右键查看“属性”获得。对于纹理信息，需确保渲染的多种纹理图片存在同一目录下。通过上述操作，可以保证导出的三维模型位置正确，纹理贴图不会丢失。“BIM生成数据集”参数设置对话框如图7所示。

4.2 SuperMap中平台树栽植

平台上种植树的空间位置需要在AutoCAD软件中进行设置。在AutoCAD软件中根据平台的高程值和水平间距通过“点的输入”进行布置。将布置后带有空间位置的点数据转为SuperMap软件中的点数据，再进行点状符号设置。SuperMap软件自带的三维点状符号实质是2.5维符号，三维效果不理想。SuperMap软件支持第三方软件模型导入点模型，将已设置后的火炬树的3DMmax模型导入为.SGM格式，生成SuperMap软件的真正的三维点符号。平台栽植火炬树的建模效果如图8所示。

4.3 SuperMap软件成果展示

SuperMap软件对倾斜数据的处理方法主要有两种，一种是对模型压平，一种是裁切。本研究生态修复规划采用模型压平方式对规划部分的现状数据进行处理。在SuperMap软件球面三维模空间下，加载相应的矢量数据、3DMax转换后模型数据和现状倾斜摄影测量数据，按规划设计对现状数据进行模型压平处理，得到整个矿区的规则模型。在规划模型中可以查看规划的整体空间分布、量算空间距离和面积、展示规划效果等操作。在SuperMap中设置了两个左右视口，便于将原始地貌和矿区土地复垦后的效果进行对比，如图9所示。

5 结语

基于无人机倾斜摄影测量获取的矿山现状数据，进行了唐山某露天矿区土地复垦设计的三维建模研究。应用SuperMap软件取得了建模数据与现状数据无缝拼接的真三维效果。矿区土地复垦规划建模分为平台、坡面地形建模和平台栽植树木两个步骤。平台、坡面建模通过多种GIS平台数据转换，保证三维纹理渲染效果和空间参考不变。建模过程中的注意点为：

（1）Sketchup数据转 3DMax数据。Sketchup数据转3DMax数据有多种格式，将Sketchup数据导出为.fbx数据格式，再导入到3DMax软件中，能够保证空间参考不变、模型大小不变且位置正确。

（2）3DMax数据转SuperMap数据。利用Super-Map 3DMax插件将数据导出为“BIM生成数据集”模型，模型中心点坐标参数应根据Sketchup软件转出的.kml格式文件确定。