農(nóng)地整治的三維建模及可視化研究

鄒富+李愛(ài)迪++林勇剛

摘 要：將GIS、三維建模及可視化技術(shù)與農(nóng)地整治工程相結(jié)合，探索真實(shí)模擬農(nóng)村土地整治規(guī)劃前后景觀的方法。以重慶現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)為研究區(qū)，采用GIS建立地形模型，然后對(duì)地形模型進(jìn)行編輯表現(xiàn)出真實(shí)水田、道路、溝渠等現(xiàn)狀地貌特征，嵌入3ds Max構(gòu)建的單體模型，獲得土地整治前的三維景觀場(chǎng)景。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖來(lái)構(gòu)建土地整治規(guī)劃后的虛擬場(chǎng)景。將整治前后的三維場(chǎng)景導(dǎo)入Skyline中，通過(guò)距離量測(cè)、坡度查詢等功能判斷規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性，以便對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行調(diào)整并加以完善。結(jié)果表明，此方法可以對(duì)農(nóng)村土地整治三維場(chǎng)景進(jìn)行直觀真實(shí)表達(dá)，在土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中起到重要輔助作用，提高土地整治的效率以及規(guī)劃結(jié)果的科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：農(nóng)地整治；三維可視化；Skyline；3ds Max

中圖分類號(hào)：F299 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170133161

引言

土地整治是指對(duì)低效利用、不合理應(yīng)用、未利用的土地進(jìn)行治理，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)破壞和自然災(zāi)害損毀的土地進(jìn)行恢復(fù)利用，提高土地利用率的活動(dòng)[1]。土地整治是區(qū)域規(guī)劃的重要一環(huán)，是建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的重要組成部分。如何科學(xué)的、直觀的進(jìn)行土地整治，確定最佳合理的整治方案，是擺在土地整治工作部門的一個(gè)重要課題[2]。傳統(tǒng)的土地整治項(xiàng)目中大多采用CAD軟件在二維的土地利用現(xiàn)狀圖和地形圖上來(lái)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，但由于二維平面規(guī)劃設(shè)計(jì)的不直觀，使得規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)受設(shè)計(jì)者的主觀性影響較大。同時(shí)，基于CAD的規(guī)劃設(shè)計(jì)成果單一，并且專業(yè)性強(qiáng)，非專業(yè)人員在無(wú)專業(yè)人員指導(dǎo)下很難看懂。因此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)、成果展示方面應(yīng)突破二維平面設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出田、水、路、林、村等地理信息的空間特性，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃成果的三維立體化、直觀化，使得規(guī)劃成果讓非專業(yè)人員也能輕易看懂。

近年來(lái)，已有一些學(xué)者將GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)引入到農(nóng)村土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)中[3-9]，雖然在成果展示等方面取得了不錯(cuò)的效果，但還是存在一些不足之處，主要在于土地整治三維場(chǎng)景效果表現(xiàn)一般以及場(chǎng)景細(xì)節(jié)展示不夠，無(wú)法完全體現(xiàn)出三維GIS能夠真實(shí)表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的優(yōu)勢(shì)。本文從這點(diǎn)出發(fā)，力求在土地整治規(guī)劃基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)村土地整治前后的三維地表景觀進(jìn)行真實(shí)表達(dá)，使土地整治變得科學(xué)化、直觀化，能夠?qū)ν恋卣我?guī)劃設(shè)計(jì)起到重要輔助作用，從而提高土地整理規(guī)劃的效率。

1 前期準(zhǔn)備

1.1 農(nóng)地整治規(guī)劃主要內(nèi)容

農(nóng)村土地整治規(guī)劃包括土地平整工程規(guī)劃、田間道路工程規(guī)劃、灌溉與排水工程規(guī)劃、農(nóng)田防護(hù)與生態(tài)環(huán)境保持工程規(guī)劃和其他工程規(guī)劃。農(nóng)地整治規(guī)劃的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)田、水、溝、渠、路、林、村等土地上各大要素的進(jìn)行統(tǒng)一安排，做到田成方、樹(shù)成行、路相通、渠相連、旱能澆、澇能排，增加有效耕地面積，提高耕地綜合生產(chǎn)能力。

1.2 技術(shù)路線

通過(guò)地形圖提取高程點(diǎn)構(gòu)建整治區(qū)地形模型，在地形上疊加高分辨率影像紋理，對(duì)地形模型進(jìn)行編輯表現(xiàn)出真實(shí)水田、道路、溝渠等現(xiàn)狀地貌特征，并嵌入其他三維地物模型，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行組織整合，完成農(nóng)村真實(shí)三維農(nóng)田景觀的構(gòu)建與展現(xiàn)。根據(jù)土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)狀場(chǎng)景的基礎(chǔ)完成農(nóng)地整治規(guī)劃的三維地表景觀，表現(xiàn)出道路、條田、水平梯地、坡式梯地、單體工程等工程的整治效果，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃前后農(nóng)村土地整治景觀的可視化。

1.3 數(shù)據(jù)處理及平臺(tái)選取

1.3.1 數(shù)據(jù)的收集與處理

本文收集到試驗(yàn)區(qū) 1：500地形圖及在地形圖上進(jìn)行的土地整治工程規(guī)劃設(shè)計(jì)圖以及0.26m的Google最新影像。

對(duì)地形圖進(jìn)行高程點(diǎn)、現(xiàn)狀道路等數(shù)據(jù)的提取，根據(jù)需要通過(guò)ArcMap完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)投影變換和影像配準(zhǔn)處理等操作。建立地形之前，在ArcMap中對(duì)地形圖中的高程點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行檢查，對(duì)有異常的高程點(diǎn)進(jìn)行處理。異常情況包括高程點(diǎn)為0以及該點(diǎn)高程值和周圍相差很大等。

1.3.2 平臺(tái)選取

操作平臺(tái)是建立三維可視化的基礎(chǔ)。本文選取ArcGIS作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，選取3ds Max作為場(chǎng)景構(gòu)建的基礎(chǔ)平臺(tái)以及選取Skyline作為三維場(chǎng)景的展示平臺(tái)。ArcGIS主要用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理、地形模型構(gòu)建及輸出。3ds Max作為功能強(qiáng)大的建模、動(dòng)畫制作軟件，主要用于對(duì)地形模型進(jìn)行編輯以表現(xiàn)出真實(shí)水田、道路、溝渠等農(nóng)田景觀特征。skyline主要用于構(gòu)建地形數(shù)據(jù)庫(kù)、農(nóng)地規(guī)劃前后三維場(chǎng)景的展示、功能應(yīng)用、場(chǎng)景出圖、發(fā)布、打包及共享等。

2 地物三維可視化的表達(dá)

2.1 農(nóng)地整治現(xiàn)狀三維場(chǎng)景的構(gòu)建

2.1.1 地形不規(guī)則三角網(wǎng)

不規(guī)則三角網(wǎng) （TIN） 以數(shù)字方式來(lái)表示表面形態(tài)，是基于矢量的數(shù)字地理數(shù)據(jù)的一種形式，通過(guò)將一系列折點(diǎn)采用某種插值方法組成三角形來(lái)構(gòu)建，通常采用 Delaunay 三角測(cè)量法。離散多點(diǎn)是 TIN 中的主要輸入要素，它們將作為 TIN 網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)，由它們來(lái)決定表面的總體形狀。在表面變化程度較大的區(qū)域使用較多的離散點(diǎn)來(lái)模擬，而在表面變化程度較小的區(qū)域使用較少的離散點(diǎn)來(lái)模擬，這樣可以對(duì)非均勻表面進(jìn)行有效建模。TIN 通常用于較小區(qū)域的高精度表面建模。本文利用ArcMap中的 3D Analyst 工具箱對(duì)高程點(diǎn)內(nèi)插生成試驗(yàn)區(qū)的TIN文件。

2.1.2 影像紋理映射

地形表面模型生成后，在ArcScene中疊加Google影像可以瀏覽地形表面形態(tài)，了解地勢(shì)高低起伏情況。將場(chǎng)景導(dǎo)出為.wrl的3D數(shù)據(jù)格式并導(dǎo)入3ds Max中，將影像以貼圖的形式映射在地形模型之上，構(gòu)建出初步的土地整治現(xiàn)狀場(chǎng)景，可以觀察當(dāng)前土地利用分布情況，便于從整體上對(duì)區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃布局。

2.1.3 現(xiàn)狀場(chǎng)景要素構(gòu)建

根據(jù)土地整治規(guī)劃的內(nèi)容來(lái)看，農(nóng)地場(chǎng)景對(duì)象要素主要包括山坪塘、水田、地塊、道路設(shè)施、溝渠、建筑物等。其中山坪塘、水田、地塊、道路、溝渠等對(duì)象的建模方法相似，即根據(jù)影像或者導(dǎo)入地形圖中相關(guān)要素cad數(shù)據(jù)來(lái)確定對(duì)象邊界線，在3ds Max內(nèi)對(duì)地形三角網(wǎng)進(jìn)行切割、擠出、內(nèi)插、移動(dòng)等操作，然后賦予貼圖材質(zhì)，表現(xiàn)出真實(shí)的農(nóng)村景觀。其中，多余線和頂點(diǎn)的移除可以減少數(shù)據(jù)量，多邊形的內(nèi)插和移動(dòng)形成了水田的田坎模型，局部頂點(diǎn)調(diào)整確保水田的地面基本是一個(gè)水平面，以模擬實(shí)際真實(shí)情況。

2.1.4 獨(dú)立地物模型構(gòu)建

獨(dú)立地物主要包括居民點(diǎn)、建筑物、農(nóng)田水利設(shè)施、橋梁、電桿等。這類地物一般都屬于單獨(dú)的建筑體，使用建模軟件3ds Max對(duì)其進(jìn)行建模，配合使用Photoshop進(jìn)行紋理圖片的處理。

2.2 農(nóng)地整治規(guī)劃后三維場(chǎng)景的構(gòu)建

結(jié)合現(xiàn)狀三維場(chǎng)景，對(duì)土地整治區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘并記錄，了解現(xiàn)場(chǎng)地形起伏情況，結(jié)合土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)需求，在土地整治設(shè)計(jì)中依據(jù)規(guī)劃思想，遵循規(guī)劃目標(biāo)、原則和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)土地利用方向、農(nóng)田水利工程、道路工程、防護(hù)林工程等規(guī)劃的重要方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，確定整治規(guī)劃布局思路，并在基礎(chǔ)地形圖上進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。農(nóng)地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)圖可以從宏觀上查看土地整治規(guī)劃后的道路走向、土地利用分布情況、村落位置布局等內(nèi)容。提取土地整治規(guī)劃后的地塊范圍線、臺(tái)面高程設(shè)計(jì)線、土地平整區(qū)、條田整治區(qū)、道路、田坎等數(shù)據(jù)，在現(xiàn)狀三維場(chǎng)景基礎(chǔ)上，利用上述模型構(gòu)建方法完成規(guī)劃后虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建。

2.3 農(nóng)地整治場(chǎng)景的組織與整合

地物與地表的整合就是處理不同要素類的覆蓋問(wèn)題以及對(duì)地形的局部修改，使場(chǎng)景要素和地形的銜接更加自然。通過(guò)影像或現(xiàn)場(chǎng)踏勘記錄以及規(guī)劃設(shè)計(jì)的需要，將構(gòu)建的村莊房屋模型、道路、橋梁、ArcGIS自帶的模型庫(kù)等模型嵌入到相應(yīng)三維場(chǎng)景地形之上，并對(duì)地物與地形的具體關(guān)系進(jìn)行一定的組織整合，對(duì)地形或建筑物進(jìn)行局部修改，使地形與地物模型的銜接更加自然。對(duì)各類地物的關(guān)系進(jìn)行一定的規(guī)劃組織，形成合理、美觀的農(nóng)村土地整治三維場(chǎng)景，真實(shí)地反映地物之間的關(guān)系。

3 應(yīng)用

本文選取重慶現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)土地整治示范項(xiàng)目為試驗(yàn)區(qū)。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)原土地利用類型主要以耕地、園地為主，現(xiàn)原有農(nóng)村居民點(diǎn)已拆除，采石場(chǎng)已廢棄，現(xiàn)狀園地和林地因利用效果差已經(jīng)整體砍伐；區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏不平，部分區(qū)域土質(zhì)條件差，利用程度低；田塊分散、小塊，加之基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，機(jī)械化程度低。

本項(xiàng)目土地平整工程規(guī)劃主要包括水田條田整治、旱地水平梯地整治和坡式梯地整治。根據(jù)地形在項(xiàng)目區(qū)的南園和北園因地制宜的縱向布置主干道，由各個(gè)產(chǎn)業(yè)功能分區(qū)至主干道的連接為次干道，再根據(jù)各個(gè)分區(qū)內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械類型和機(jī)械化程度的要求，布置相應(yīng)機(jī)耕道、耕作道和便道，確保項(xiàng)目區(qū)田間道路通達(dá)到每個(gè)田塊。灌溉排水設(shè)施主要以區(qū)內(nèi)的7口山坪塘為骨干水源，構(gòu)建以“山坪塘—泵站—蓄水池—供水管網(wǎng)”的供水系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)新建景觀生態(tài)溝使北園的兩口山坪塘連通，構(gòu)建園區(qū)的水資源生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。

綜合利用GIS、三維建模及可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有強(qiáng)烈真實(shí)感的農(nóng)地整治三維立體場(chǎng)景的構(gòu)建，將農(nóng)地整治前后三維場(chǎng)景導(dǎo)入Skyline進(jìn)行展示，通過(guò)距離量測(cè)、坡度查詢等功能以判斷規(guī)劃的合理性，以便對(duì)規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整并加以完善。圖1、圖2分別為土地整治規(guī)劃前后對(duì)比效果。

4 結(jié)果與討論

本文借助ArcGIS、3ds Max和Skyline平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)地整治試驗(yàn)區(qū)土地利用現(xiàn)狀三維的地表模型與規(guī)劃設(shè)計(jì)后的三維地表場(chǎng)景，直觀展現(xiàn)園區(qū)規(guī)劃前后的變化情況，真實(shí)地反映地物之間的關(guān)系，體現(xiàn)了園區(qū)田、水、路、林、村等地理信息的空間特性。農(nóng)地整治的三維可視化突破了二維平面設(shè)計(jì)的局限性，減少了平面設(shè)計(jì)時(shí)的主觀性，對(duì)規(guī)劃成果的展示做了有益的補(bǔ)充與完善，為高效率、高質(zhì)量、高水平的完成土地整治規(guī)劃工作以及施工前的可行性論證提供了可靠的保證。研究成果在土地整治項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)匯報(bào)、評(píng)審中發(fā)揮了重要作用，得到了與會(huì)專家和領(lǐng)導(dǎo)的一致好評(píng)。

農(nóng)村土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)與三維GIS技術(shù)的結(jié)合是其未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。三維GIS平臺(tái)為土地整治中涉及農(nóng)田、村莊、道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)、土方量計(jì)算、資金預(yù)算等工作提供了更為科學(xué)的解決方案，為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會(huì)主義新農(nóng)村提供了重要的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)土資源部土地整治中心.土地整治100問(wèn)[M].北京：地質(zhì)出版社，2012.

[2]張志譚.淺述三維GIS在土地整治中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2010 （8）：65-67.

[3]朱海勇.土地整理規(guī)劃三維地形模型編輯研究[D].北京：北京建筑工程學(xué)院，2012.

[4]肖輝平.基于CityEngine的農(nóng)村土地整治三維設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[5]張曉環(huán).基于GIS的土地整治工程設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西北大學(xué)，2013.

[6]李曉燕，姜廣輝，胡磊，等.基于GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)的土地利用總體規(guī)劃仿真展示平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].國(guó)土資源遙感，2014，26（4）：

195-200.

[7]徐榕焓，張海濤，陳家贏.基于GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的土地整理規(guī)劃研究[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2010，40（4）：33-38.

[8]張聰.基于三維可視化技術(shù)的土地整治建設(shè)研究[J].城市規(guī)劃，2015，5（10）：33-38.

[9]李睿璞，盧新海，馬才學(xué).基于GIS的農(nóng)地整理三維可視化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：302-305.

作者簡(jiǎn)介：鄒富（1989-），男，工程師，主要從事國(guó)土資源和房屋管理的三維可視化應(yīng)用研究。