礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃三維可視化技術(shù)

吳 超 王海峰 王世東

(1.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450016)

礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃三維可視化技術(shù)

吳 超1王海峰2王世東1

(1.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450016)

為了解決傳統(tǒng)的二維礦區(qū)復(fù)墾平面規(guī)劃不能滿足用戶對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行表達和分析的問題，研究了基于ArcGIS的礦區(qū)土地復(fù)墾三維景觀模型的構(gòu)建及可視化方法。利用ArcGIS 平臺的3D Analyst模塊，建立礦區(qū)土地復(fù)墾區(qū)的三維景觀模型，并對復(fù)墾區(qū)進行坡度、坡向分析和挖填方分析，根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)確定耕地、林地、居民區(qū)、道路、魚塘等景觀實體在三維景觀模型中的位置、面積及范圍，并對三維模型整體區(qū)域進行科學(xué)合理的景觀規(guī)劃，實現(xiàn)了較大程度的真實場景規(guī)劃。以焦作市馮營礦區(qū)為例，研究了通過復(fù)墾區(qū)景觀三維可視化技術(shù)進行規(guī)劃的應(yīng)用過程。結(jié)果表明，所研究的基于ArcGIS的礦區(qū)土地復(fù)墾三維景觀模型的構(gòu)建方法直接準(zhǔn)確，有助于提高礦區(qū)整體土地復(fù)墾效率及景觀規(guī)劃的科學(xué)性和真實性。

ArcGIS 三維可視化 土地復(fù)墾 規(guī)劃 馮營礦區(qū)

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，二維GIS在表達數(shù)據(jù)的空間信息屬性上已經(jīng)遠遠不能滿足人們的需要。二維GIS技術(shù)在礦區(qū)土地復(fù)墾中的工作方法越來越不適應(yīng)當(dāng)前數(shù)字化發(fā)展的趨勢，迫切需要三維GIS在土地復(fù)墾中的研究和應(yīng)用。三維GIS可以通過建立三維模型實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的三維可視化，直觀地表達真實世界的地理要素。伴隨著計算機軟硬件技術(shù)的進一步發(fā)展，傳統(tǒng)的二維平面規(guī)劃圖的數(shù)據(jù)表達方式已經(jīng)不能滿足土地復(fù)墾科學(xué)規(guī)劃的需要[1]。

目前我國對礦山土地復(fù)墾所作的規(guī)劃大都是平面二維規(guī)劃圖。在礦區(qū)復(fù)墾規(guī)劃方面，三維空間規(guī)劃與二維平面規(guī)劃相比，可以直觀地分析研究區(qū)域的地形變化和差異，同時在礦區(qū)復(fù)墾規(guī)劃的表現(xiàn)形式上更加真實[2]。利用GIS的三維可視化技術(shù)來反映經(jīng)過復(fù)墾規(guī)劃后的研究區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀，并對規(guī)劃方案進行評價、對復(fù)墾效果進行展示，為進一步制定合理的土地復(fù)墾規(guī)劃方案和進行科學(xué)的管理提供了有力的技術(shù)支持[3]。本研究基于ArcGIS 平臺的 3D Analyst擴展模塊來建立河南省焦作市馮營礦復(fù)墾區(qū)的三維模型，并在其三維場景中對復(fù)墾區(qū)進行規(guī)劃，使其滿足復(fù)墾的各項要求、保證各項指標(biāo)的合理性和科學(xué)性[4-5]。

1 基于ArcGIS的三維可視化技術(shù)

1.1 ArcGIS 3D Analyst簡介

ArcGIS 3D Analyst擴展模塊的核心是 ArcScene應(yīng)用，用于創(chuàng)建、修改和分析TIN、柵格及terrain 表面，并從這些對象中提取信息和要素。然后通過3D符號系統(tǒng)以及紋理制圖，對3D要素和表面數(shù)據(jù)進行疊加，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)動態(tài)表達，與二維數(shù)據(jù)靜態(tài)平面圖相比，三維數(shù)據(jù)更容易為人們所接受和理解。ArcGIS 3D Analyst的主要功能包括表面創(chuàng)建、表面分析和三維可視化等[5]。

1.1.1 表面創(chuàng)建

一定范圍內(nèi)具有空間連續(xù)特征的地理要素可以構(gòu)成連續(xù)的表面。通過對研究區(qū)域內(nèi)具有不同空間特征值的點進行插值生成連續(xù)的表面模型，以此對真實的地理現(xiàn)象進行模擬。表面模型是三維空間具有空間特征值的連續(xù)要素的一種數(shù)字表達形式。

柵格表面(Grid)的創(chuàng)建。柵格表面以柵格數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)，每個柵格表面單元均表示實際信息的某個值，該值可以是高程數(shù)據(jù)、地下水位高度等。創(chuàng)建柵格表面模型的主要方法為插值法，也可以通過TIN表面轉(zhuǎn)換得到。

不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)的創(chuàng)建。TIN是利用各種矢量數(shù)據(jù)源進行創(chuàng)建的，其中點、線與多邊形要素作都可以為創(chuàng)建TIN的數(shù)據(jù)源。TIN是DEM的一個主要數(shù)據(jù)模型[6]。

1.1.2 表面分析

表面是由具有各種屬性和信息的點組成的區(qū)域。在表面創(chuàng)建后，就可以進行表面分析、區(qū)域表面特征分析、計算表面坡度信息等分析操作。

1.1.3 三維可視化

ArcGIS 3D Analyst 工具中的ArcScence 擴展模塊可以在三維場景中對數(shù)據(jù)進行瀏覽和交互。

ArcScence 支持3D符號系統(tǒng)和紋理制圖，支持多種方式的動畫創(chuàng)建，支持表面創(chuàng)建，支持快速導(dǎo)航、平移和縮放功能，還支持對3D要素和表面數(shù)據(jù)進行疊加等[7]。

1.2 復(fù)墾區(qū)三維景觀模型的建立

土地復(fù)墾規(guī)劃的三維景觀模型主要包括地形表面三維模型、建筑物三維模型、道路三維模型和植被三維模型。

1.2.1 地形三維表面模型的建立

地形表面三維模型是建立礦山復(fù)墾區(qū)三維景觀模型的基礎(chǔ)。地形表面三維模型實際上是對研究區(qū)域地形信息的三維可視化。地形表面三維模型可以通過基于研究區(qū)域內(nèi)的高程數(shù)據(jù)建立研究區(qū)域的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，然后在不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)上進行格網(wǎng)點的高程內(nèi)插，最終得到不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型。圖1是利用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)在3D Analyst中建立的研究區(qū)域的地形表面三維景觀。

圖1 研究區(qū)DEM模型Fig.1 DEM model in research area

1.2.2 建筑物三維模型的建立

對于相對簡單的批量的建筑物，如房屋，只要使用要素屬性中的高程值直接在三維場景中進行三維可視化操作就可以得到建筑物的三維模型。圖2是利用表示建筑物的點要素所建立的房屋三維模型。

圖2 房屋三維景觀模型Fig.2 Three-dimensional landscape model of buildings

1.2.3 植被三維模型的建立

在 ArcScence中，通過符號選擇器對表示植被的點要素進行3D符號化來對植被樹木進行建模。在土地復(fù)墾規(guī)劃中一般都存在不同的樹木,如林地、路旁樹、復(fù)墾后矸石山上的草本植物和灌木植物等,同時對于同一個區(qū)域的大量同一樹種可以批量生成。圖3是利用表示植被的點要素類型進行3D符號化建立的樹木模型。

圖3 樹木三維景觀模型Fig.3 Three-dimensional landscape model of trees

1.2.4 道路三維模型的建立

道路的三維模型主要是通過對表示道路的線要素進行矢量化編輯實現(xiàn)，并在其屬性中定義高程表面。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

焦作煤礦作為中國較早一批創(chuàng)建的煤礦，經(jīng)過百余年的開采，許多老的煤炭資源已經(jīng)枯竭，其中就包括馮營礦礦區(qū)。馮營礦區(qū)位于焦作市馬村區(qū)安陽鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)在北緯35°10′～35°21′，東經(jīng)113°4′～113°26′。研究區(qū)處于平原與丘陵過渡區(qū)，地勢由西北向東南傾斜，由北向南漸低。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照充足，冬冷夏熱、春暖秋涼，四季分明。研究區(qū)總面積達1 484.12 hm2，煤礦開采所造成的塌陷地面積達 577.93 hm2。

2.2 建立研究區(qū)三維景觀模型

通過對研究區(qū)域內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀及礦區(qū)土地破壞現(xiàn)狀進行實地調(diào)查，采用“因地制宜，綜合整治，宜耕則耕，宜林則林，宜漁則漁”的原則，滿足土地可持續(xù)利用的要求。在塌陷荒山上種植林木；被塌陷破壞的農(nóng)用地通過整治后，恢復(fù)耕地生產(chǎn)力；煤矸石可用作建筑的原料；塌陷積水區(qū)可發(fā)展?jié)O業(yè)。為了更加真實地反映礦區(qū)規(guī)劃后的復(fù)墾效果，在二維規(guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用上述的三維可視化方法技術(shù)對馮營礦復(fù)墾區(qū)進行空間三維景觀模型構(gòu)建[8-9]。

圖4為馮營礦復(fù)墾區(qū)初始的二維平面規(guī)劃圖，圖5為進一步規(guī)劃后最終的復(fù)墾區(qū)三維景觀模型。圖6為復(fù)墾區(qū)部分景觀三維模型，其中包括林地景觀，矸石山景觀，魚塘景觀和居民區(qū)景觀[10]。

2.3 研究區(qū)三維景觀規(guī)劃

利用馮營礦復(fù)墾區(qū)三維景觀模型對研究區(qū)整體區(qū)域進行合理的空間景觀規(guī)劃，能夠使研究區(qū)規(guī)劃方案更具科學(xué)合理性。通過3D Analyst和Spatial Analyst模塊可以實現(xiàn)三維空間分析，如土方量計算、視域分析、緩沖區(qū)分析、坡度坡向分析等。馮營礦礦區(qū)景觀的規(guī)劃目標(biāo)是將該園設(shè)計成為集耕地、林地、居民區(qū)、魚塘等景觀于一體，兼顧土地恢復(fù)與耕地保護的綜合性景觀規(guī)劃。研究區(qū)的景觀規(guī)劃是在完成整個研究區(qū)內(nèi)的三維景觀模型之后進行的，規(guī)劃的原則是注重治理恢復(fù)，科學(xué)生態(tài)重建，使整個研究區(qū)域復(fù)墾效果、景觀規(guī)劃更加科學(xué)合理美觀[11-12]。

圖4 復(fù)墾區(qū)二維平面規(guī)劃圖Fig.4 Two dimensional planning of the reclamation area

圖6 部分景觀三維模型Fig.6 Three dimensional model of parts of landscape

2.3.1 坡度、坡向分析

規(guī)劃方案對研究區(qū)域的現(xiàn)狀進行了一些改變，對研究區(qū)進行坡度、坡向分析，可以確定區(qū)域內(nèi)高程值改變量的最大變化方向，可以較直觀地觀察研究區(qū)域內(nèi)坡度的變化情況，結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果，選擇合適坡度的區(qū)域，鋪設(shè)公路，建設(shè)居民區(qū)。同時也可以計算一定坡度范圍內(nèi)的區(qū)域的面積，如坡度在0°～10°的區(qū)域面積為1 088.90 hm2，占研究區(qū)域總面積的82%；坡度在10°～20°的區(qū)域的面積為169.25 hm2，占研究區(qū)總面積的13%；坡度在20°～30°的區(qū)域的面積為12.74 hm2，占研究區(qū)總面積的1%；剩下的區(qū)域面積為51.1 hm2，占研究區(qū)總面積的4%，其坡度在30°～45°之間。

2.3.2 填挖方分析

對研究區(qū)內(nèi)進行坡度分析，并基于該區(qū)域內(nèi)填/挖前后的2個表面進行填挖方分析，根據(jù)填挖函數(shù)生成的柵格數(shù)據(jù)，可以觀察出研究區(qū)內(nèi)表面物質(zhì)變化的區(qū)域以及表面未發(fā)生變化的區(qū)域。研究區(qū)域內(nèi)需要恢復(fù)的耕地、居民區(qū)和魚塘的面積占了很大的一部分，對耕地、居民區(qū)和魚塘所在區(qū)域規(guī)劃前后的柵格表面進行挖填方分析，以此來確定居民區(qū)和魚塘的填挖區(qū)域及其體積。最終經(jīng)過計算，研究區(qū)內(nèi)搬去土方量為3 594萬 m3，填入土方量為 2 527萬 m3，外運土方量為 1 067萬m3。

2.3.3 研究區(qū)規(guī)劃總結(jié)

在對研究區(qū)三維景觀進行規(guī)劃時，將研究區(qū)域分為5個部分，分別是北部丘陵地區(qū)建設(shè)為林地，西南部的矸石山建設(shè)為矸石山游覽景區(qū)，東部建設(shè)為居民區(qū)，東北到西南和西南到東南2條道路，剩下的區(qū)域全部規(guī)劃為農(nóng)用地。其中林地的規(guī)劃總面積為345.41 hm2，綠化植被選擇槐樹、白楊等樹種，植被栽植的排列方式采用正方形栽植，便于施工和撫育管理；矸石山游覽區(qū)的規(guī)劃面積為27.01 hm2，綠化植被選擇紫穗槐；居民區(qū)的規(guī)劃面積為186.59 hm2，房屋建筑采用5排×7列的排列方式，考慮到礦區(qū)居民傳統(tǒng)生活方式，房屋均建設(shè)為低層樓房；魚塘總面積為35.15 hm2，采用1排×3列的排列方式，魚塘周圍種植柳樹；東北到西南方面的道路規(guī)劃長度為4 758 m，西南到東南的道路規(guī)劃長度為2 525 m，路寬均為40 m，道路邊綠化植物選擇耐濕防火并且耐化工氣體的樹種白楊，可以吸收一些有害氣體，樹間距為3 m，東北到西南方面的道路規(guī)劃種植1 586棵楊樹，西南到東南的道路規(guī)劃種植841棵楊樹。

將ArcGIS的三維可視化技術(shù)應(yīng)用于土地復(fù)墾規(guī)劃和區(qū)域景觀規(guī)劃中，通過建立研究區(qū)的三維景觀模型，直觀地反映了研究區(qū)域內(nèi)地理現(xiàn)象的分布和變化特征，如研究區(qū)的地形、地貌變化，復(fù)墾前后用地類型的變化以及分布特點等等。實現(xiàn)了圖形圖像間的密切配合，減少了土地復(fù)墾規(guī)劃中的不確定性，在研究區(qū)內(nèi)一體化的環(huán)境中分析三維景觀模型的空間屬性和空間關(guān)系。方便了解復(fù)墾區(qū)的土地資源分布狀況，為制定合理的土地復(fù)墾規(guī)劃提供技術(shù)支持和決策支持，便于實現(xiàn)土地可持續(xù)發(fā)展、保護耕地等要求。同時也可以通過建立3D GIS系統(tǒng)，利用3D數(shù)據(jù)庫查詢?nèi)S地理數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化區(qū)域空間配置，提高復(fù)墾規(guī)劃的效率，實現(xiàn)數(shù)字化土地復(fù)墾規(guī)劃。

3 結(jié) 論

本研究通過ArcGIS軟件平臺，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用到礦區(qū)土地復(fù)墾的規(guī)劃中，實現(xiàn)了城市規(guī)劃、土地復(fù)墾、生態(tài)重建、GIS技術(shù)、三維建模等多個學(xué)科的交叉應(yīng)用。對復(fù)墾區(qū)進行三維可視化處理突破了傳統(tǒng)意義上的二維平面規(guī)劃圖的設(shè)計思想和內(nèi)容表達方式，通過建立復(fù)墾區(qū)初步的三維規(guī)劃景觀模型，并在 ArcScence的三維場景中對復(fù)墾區(qū)進行空間規(guī)劃，得到復(fù)墾區(qū)最終的三維規(guī)劃景觀模型。這樣可以準(zhǔn)確地反映礦區(qū)復(fù)墾規(guī)劃中的整體空間分布情況，更加直觀地展示礦區(qū)的復(fù)墾效果和規(guī)劃效果，也對復(fù)墾工作的施工管理提供了可視化管理和分析決策的功能，同時在三維模型中規(guī)劃可以進一步對礦區(qū)原有的自然環(huán)境進行保護，更好地治理和恢復(fù)被破壞的礦山生態(tài)環(huán)境。本次研究在一定程度上說明了通過GIS技術(shù)來建立三維模型，并在三維空間中對復(fù)墾區(qū)進行二次規(guī)劃來提高復(fù)墾效果、科學(xué)規(guī)劃的可行性，同時也對實現(xiàn)科學(xué)合理的土地復(fù)墾規(guī)劃具有重要意義。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

3D Visualization Technology of the Mining Area Land Reclamation Plan

Wu Chao1Wang Haifeng2Wang Shidong1

(1.SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China;2.HenanProvincialCoalfieldGeologyBureau，Zhengzhou450016，China)

In order to solve the problem that the traditional two-dimensional mine reclamation plan can not express and analyze the spatial data and attribute data required by user，the construction and visualization methods of land reclamation of three-dimensional landscape model in mining area based on ArcGIS is investigated.The ArcGIS 3D analyst module is used to establish the 3D landscape models of land reclamation area，and analyze the slope ingredient，slope aspect and cut and fill in reclamation area.According to the data，the location，size and scope of landscape entities in the 3D landscape model，including farmland，woodland，residential areas，roads，ponds and others，are identified so as to make a scientific and reasonable landscape planning.A greater degree of real scene planning was achieved.Taking the Fengying Mine in Jiaozuo as a case，the application of 3D visualization technology in the landscape planning was studied.The results showed that the three-dimensional landscape model construction methods of land reclamation based on ArcGIS is real and correct.It can help to improve overall mining efficiency of land reclamation and scientificity and authenticity of landscape planning.

ArcGIS，3D Visualization，Land reclamation，Planning，F(xiàn)engying Mine area

2015-09-22

國家自然科學(xué)基金項目(編號：41301617)，河南省科技攻關(guān)項目(編號：142102310033，142102310513)，中國煤炭工業(yè)協(xié)會指導(dǎo)性計劃項目(編號：MTKJ-2013-310)，河南理工大學(xué)博士基金項目(編號：B2014-016)，河南省高校科技創(chuàng)新團隊支持計劃項目(編號：13IRTSTHN029)。

吳 超(1990—)，男，碩士研究生。

T208

A

1001-1250(2015)-11-128-05