虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山景觀修復(fù)中的應(yīng)用研究

黃磊昌 李長(zhǎng)磊

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034)

關(guān)鍵字：礦山景觀；景觀修復(fù)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；模擬環(huán)境

一、序言

近些年，為滿足需求，對(duì)自然資源的大量開(kāi)采，嚴(yán)重影響了自然生態(tài)景觀的發(fā)展，以至于遺留下來(lái)大量的廢棄礦山。為促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展、順應(yīng)時(shí)代要求、重視自然生態(tài)的動(dòng)態(tài)發(fā)展和靜態(tài)發(fā)展，對(duì)廢棄礦山景觀進(jìn)行修復(fù)成為生態(tài)修復(fù)中的不可忽視的重要問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)虛擬技術(shù)并探索以虛擬技術(shù)來(lái)營(yíng)造和改善我們的生存環(huán)境，同時(shí)高效的解決工程實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題。即可進(jìn)行礦山景觀修復(fù)的過(guò)程虛擬，擬自然景觀修復(fù)環(huán)境，虛擬化重構(gòu)生態(tài)體系。加強(qiáng)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，加快礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)和綜合治理。

二、主要應(yīng)用技術(shù)概念

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)地一個(gè)方向，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，沉浸性、交互性、多感知性是其主要特征。

在礦山景觀中，主要是對(duì)氣候、地形、水體、構(gòu)筑物、植物、動(dòng)物等要素的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在一個(gè)虛擬環(huán)境中對(duì)他們進(jìn)行重構(gòu)和分析。形成一種人與自然進(jìn)行交互的過(guò)程，獲取三維環(huán)境的數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)用的需要，建立數(shù)據(jù)體系，模擬實(shí)際的場(chǎng)景環(huán)境或模擬想象中的環(huán)境恢復(fù)自然形成過(guò)程。形成一種以自然環(huán)境因素重構(gòu)的虛擬化自然生態(tài)系統(tǒng)、坡體災(zāi)害防護(hù)以及土質(zhì)層次結(jié)構(gòu)等。

其中數(shù)據(jù)分析技術(shù)和全息影像技術(shù)起到了重要作用，數(shù)據(jù)分析是指用適當(dāng)?shù)姆治龇椒▽?duì)收集來(lái)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取有用信息和形成結(jié)論而對(duì)數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和概括總結(jié)的過(guò)程。

全息影像技術(shù)，是一種在三維空間中投射三維立體影像（影像為物理上的“立體”而非單純視覺(jué)上的“立體”）的次世代顯示技術(shù)。全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理來(lái)記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)。全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，最后利用數(shù)字圖像基本原理再現(xiàn)的全息圖進(jìn)行進(jìn)一步處理，去除數(shù)字干擾，得到清晰的全息圖像。全息影像技術(shù)投影成像原理如圖2.1.2所示。

圖1 全息影像技術(shù)投影成像

（二）礦山景觀修復(fù)的理論

礦山修復(fù)即對(duì)礦業(yè)廢棄地污染進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源的再次利用。礦山景觀修復(fù)是在修復(fù)的基礎(chǔ)上對(duì)自然景觀進(jìn)行修復(fù)，解決環(huán)境污染問(wèn)題，改善自然生態(tài)環(huán)境，提高資源的可再生、可持續(xù)發(fā)展利用。對(duì)礦山開(kāi)采產(chǎn)生的不同程度的破壞進(jìn)行改善，主要破壞方面體現(xiàn)在：地形地貌破壞、水系平衡破壞、地質(zhì)構(gòu)造破壞、土壤成分破壞，物種多樣性破壞等。礦山景觀修復(fù)主要是從這幾個(gè)方面進(jìn)行修復(fù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在修復(fù)過(guò)程中起到很好的環(huán)境虛擬作用。

三、礦山景觀修復(fù)現(xiàn)狀難點(diǎn)與應(yīng)用研究

（一）現(xiàn)狀難點(diǎn)

全國(guó)廢棄的礦山之多，修復(fù)工程困難。粗放的開(kāi)發(fā)方式對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境造成的影響仍然嚴(yán)重，地面塌陷、土地?fù)p毀、植被和地形地貌景觀破壞等一系列問(wèn)題突出。當(dāng)前廢棄礦山治理修復(fù)共性的難題在于修復(fù)廢棄礦山需要投入大量資金，用常規(guī)的手段進(jìn)行獲取和分析，耗時(shí)費(fèi)力，效率極低，再次土質(zhì)傷害無(wú)法避免、生態(tài)鏈斷失等問(wèn)題，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代科技文明社會(huì)的需求。

（二）國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的空間的動(dòng)態(tài)性和時(shí)間的實(shí)時(shí)性是這項(xiàng)技術(shù)的主要焦點(diǎn)。新技術(shù)被國(guó)外廣泛應(yīng)用于景觀修復(fù)中，大大降低成本，避免風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行模擬環(huán)境。國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)于國(guó)外落后，沒(méi)有廣域的應(yīng)用，關(guān)于前期的空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、應(yīng)用等問(wèn)題不夠完善。

四、礦山景觀修復(fù)的基本原則

（一）安全性原則

安全性原則是不可忽視的原則。從多方面進(jìn)行分析：一是地質(zhì)安全問(wèn)題，礦山經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，地質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到嚴(yán)重影響，易發(fā)生自然災(zāi)害和二次災(zāi)害。例如，山體滑坡、泥石流、空洞塌陷、洪水等，存在著不可估量的安全性隱患。二是環(huán)境污染問(wèn)題，開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生了大量金屬元素粉和有害廢氣，都不同程度的造成了空氣的污染，嚴(yán)重危害進(jìn)行修復(fù)過(guò)程中人員身體安全。三是工程修復(fù)中的防護(hù)問(wèn)題，任何工程中的流程都必須做好防護(hù)措施和應(yīng)急措施。

（二）保護(hù)性原則

保護(hù)性原則主要從兩個(gè)方面進(jìn)行保護(hù)：一是保護(hù)原有物種，防止進(jìn)行修復(fù)過(guò)程中再次破壞物種而造成的物種二次傷害，維持物種的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)；二是保護(hù)遺留文化，礦山景觀集中體現(xiàn)了礦山及鐵礦等悠久的采礦歷史和深厚的文化底蘊(yùn)，是工業(yè)旅游的景觀代表，承載著歷史的發(fā)展和記憶，代表著時(shí)代的變化，我們要對(duì)礦山文化進(jìn)行選擇性保留和保護(hù)遺留文化。

（三）生態(tài)性原則

重視礦產(chǎn)資源可再生、可持續(xù)發(fā)展、植物配置生態(tài)性等問(wèn)題，這樣才能使我們的社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。在植物配置方面上也要依據(jù)各類植物的生長(zhǎng)習(xí)性和條件進(jìn)行選配栽植，這樣可持續(xù)效應(yīng)會(huì)對(duì)環(huán)境優(yōu)化，加快了修復(fù)的自然進(jìn)程和穩(wěn)定了生態(tài)體系。

（四）技術(shù)性原則

要重視技術(shù)實(shí)用性、技術(shù)局限性、技術(shù)可操控性、技術(shù)前瞻性，對(duì)所應(yīng)用到的技術(shù)進(jìn)行分解式分析其特點(diǎn)。是否受不確定因素的影響而產(chǎn)生的局限性，在不同狀況或突發(fā)狀況時(shí)的可操控性。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用方法

（一）整體布局

1.前期分析

分析主要修復(fù)問(wèn)題：（一）地形景觀問(wèn)題，地形土壤結(jié)構(gòu)破壞，破壞原有的生態(tài)系統(tǒng)的自動(dòng)修復(fù)功能，多種上層結(jié)構(gòu)破壞，不利于植物生長(zhǎng)。（二）水系景觀問(wèn)題，水流污染化，致使生物不宜生存，使稀有生物大量滅種。（三）植被景觀問(wèn)題，生長(zhǎng)速度慢，成林速度慢，人工栽植苗木需要在苗圃中培育一定時(shí)間之后再進(jìn)行栽植，而且采用人工栽植的方式使用范圍較窄，僅適用于地形，地貌和土壤條件較好的區(qū)域。（四）遺留景觀問(wèn)題，開(kāi)采礦山工程遺留下來(lái)場(chǎng)地、大型設(shè)備等閑置。修復(fù)景觀模擬，如圖5.1.1所示。

圖5.1.1 修復(fù)景觀模擬

2.礦山景觀修復(fù)治理目標(biāo)

礦山景觀修復(fù)治理主要是對(duì)政策問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題、工程問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題的解決，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在環(huán)境問(wèn)題和工程問(wèn)題中應(yīng)用廣泛。主要體現(xiàn)在三個(gè)修復(fù)治理目標(biāo)：地質(zhì)工程目標(biāo)、景觀修復(fù)目標(biāo)。礦山修復(fù)治理目標(biāo)如圖5.1.2所示。

圖5.1.2 礦山景觀修復(fù)治理目標(biāo)

3.整體布局修復(fù)過(guò)程

在保護(hù)現(xiàn)有的景觀生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)上，開(kāi)始對(duì)現(xiàn)狀礦山地形進(jìn)行虛擬構(gòu)造，展現(xiàn)完整的礦山現(xiàn)狀。其次對(duì)現(xiàn)有氣候、土壤、植被、水系、空間形態(tài)等資源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，進(jìn)行擬種自然環(huán)境狀態(tài)，分析現(xiàn)有資源和原有景觀資源對(duì)比。然后進(jìn)行整體規(guī)劃虛擬，擬概念化的礦山景觀修復(fù)形態(tài)。細(xì)化虛擬近自然狀態(tài)下的礦山土質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)環(huán)境資源的可持續(xù)恢復(fù)和生態(tài)修復(fù)。最后進(jìn)行全息影響技術(shù)碎片整理，保持地區(qū)自然資源平衡，保護(hù)山體的結(jié)構(gòu)的完整性、原始性，實(shí)現(xiàn)礦山景觀修復(fù)。整體布局修復(fù)過(guò)程如圖5.1.3所示。

圖5.1.3 整體布局修復(fù)過(guò)程

（二）具體技術(shù)修復(fù)應(yīng)用

1.地形景觀修復(fù)應(yīng)用

礦山開(kāi)采后，地形土壤結(jié)構(gòu)破壞，破壞了原有的生態(tài)系統(tǒng)的自動(dòng)修復(fù)功能，不利于植物生長(zhǎng)，同時(shí)難以形成地形景觀。地形景觀修復(fù)的內(nèi)容就是地形地貌的修復(fù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)土壤剖面進(jìn)行重構(gòu)和土地的重新整理。要通過(guò)各種修復(fù)方法和措施來(lái)重新構(gòu)造地形的形態(tài)、地質(zhì)條件、地表物質(zhì)以及生物系統(tǒng)，使景觀地形各個(gè)構(gòu)成要素間相互協(xié)調(diào)并與周邊景觀相融合。虛擬化地貌、虛擬山坡走向和河道布局，并通過(guò)數(shù)字高程模型軟件實(shí)現(xiàn)景觀地形設(shè)計(jì)，建立一個(gè)穩(wěn)定的景觀地形。回填地形和模擬土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)（虛擬淋洗層、沉積層、土壤母質(zhì)層、母質(zhì)層），形成起伏錯(cuò)落的自然景觀。邊坡固定處理（虛擬生物法），模擬自然災(zāi)害，虛擬化學(xué)過(guò)程進(jìn)行土壤排毒，使其地形地貌可加強(qiáng)生態(tài)可持續(xù)。

2.水系景觀修復(fù)應(yīng)用

礦山采礦擾動(dòng)了水文系統(tǒng)，水文系統(tǒng)紊亂，引發(fā)了一些列的環(huán)境問(wèn)題。致使水生生物不宜生存，使稀有生物大量滅種，波及河岸生物生長(zhǎng)，形成荒漠化境況。在修復(fù)規(guī)劃中有灌排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配套建筑物的設(shè)計(jì)等?；謴?fù)區(qū)滿足與周圍排水系統(tǒng)相似，水流能無(wú)障礙并控制性地流經(jīng)恢復(fù)區(qū)。模擬自然形成水道，將礦坑進(jìn)行河道引流或堤壩圍合，形成水系景觀。模擬水系的旱澇季節(jié)對(duì)環(huán)境的影響，并作出防護(hù)。

3.植被景觀修復(fù)應(yīng)用

植被生長(zhǎng)速度慢，成林速度慢，人工栽植苗木需要在苗圃中培育一定時(shí)間之后再進(jìn)行栽植，而且采用人工栽植的方式使用范圍較窄，僅適用于地形，地貌和土壤條件較好的區(qū)域，并通過(guò)人工栽植的苗木不能保證足夠的成活率，需經(jīng)過(guò)精心養(yǎng)護(hù)。植被景觀修復(fù)對(duì)礦山修復(fù)有重要意義，礦山植被景觀修復(fù)可以采用直接種植及覆土種植兩種措施，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)這兩種措施進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，首先虛擬植被生長(zhǎng)的土壤條件，且土壤結(jié)構(gòu)可以滿足植物生長(zhǎng)的基本條件，虛擬化節(jié)約實(shí)際的栽植、種植中的成本，提高了操作靈活性。其次，對(duì)土壤內(nèi)部微生物及其它有益生物虛擬化成分，根據(jù)生長(zhǎng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)一定成分。

4.遺留景觀修復(fù)應(yīng)用

開(kāi)采礦山工程遺留下來(lái)場(chǎng)地、大型設(shè)備等閑置。修復(fù)景觀模擬，對(duì)可利用的大型設(shè)備進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。改造工程量大，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可虛擬化、真實(shí)的展現(xiàn)改造過(guò)程。將可實(shí)施的方案工程進(jìn)行數(shù)字虛擬化，從不同視角對(duì)數(shù)據(jù)空間進(jìn)行觀察，通過(guò)全息影像技術(shù)投射出來(lái)，讓人們親身感受，并模擬自然環(huán)境的小氣候和災(zāi)害進(jìn)行測(cè)控演示實(shí)驗(yàn)，可預(yù)期的達(dá)到效果，減少了工程量。

六、結(jié)論

在礦山景觀修復(fù)中，主要涉及地形地貌景觀修復(fù)、水系景觀修復(fù)、植被景觀修復(fù)、遺留景觀修復(fù)四個(gè)方面。對(duì)于礦山景觀修復(fù)中出現(xiàn)的難題可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬化解決。實(shí)現(xiàn)整體規(guī)劃礦山景觀布局、分析自然環(huán)境數(shù)據(jù)、勘測(cè)分析、虛擬礦山內(nèi)部構(gòu)造、全息影像技術(shù)碎片整理、還原修復(fù)景觀的過(guò)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還進(jìn)行環(huán)境虛擬、工程系統(tǒng)虛擬、防護(hù)系統(tǒng)虛擬等工程，例如，對(duì)于地形、水層結(jié)構(gòu)、次生地質(zhì)災(zāi)害、自然演替、排水系統(tǒng)、遺留設(shè)施改造、施工難點(diǎn)演示的虛擬。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能虛擬化、數(shù)字化的應(yīng)用到礦山景觀修復(fù)工程中，減少了財(cái)力、物力，縮短了工期，對(duì)可預(yù)測(cè)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)防護(hù)。在修復(fù)建設(shè)施工過(guò)程中，可預(yù)防事故的發(fā)生，提前虛擬事故的檢修和排除工作。對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、分析，工作量大，行為數(shù)據(jù)分析繁瑣，礦山環(huán)境復(fù)雜多樣，其中諸多因素難以避免，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

最終，讓廢棄的礦山有源可尋，隨著科技的進(jìn)步，相信對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高度重視，更多的科研項(xiàng)目科技改變自然，構(gòu)建一個(gè)科技引導(dǎo)、文明自然的和諧社會(huì)。