礦區土地復墾規劃三維可視化技術

吳 超 王海峰 王世東

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

礦區土地復墾規劃三維可視化技術

吳 超1王海峰2王世東1

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

為了解決傳統的二維礦區復墾平面規劃不能滿足用戶對空間數據和屬性數據進行表達和分析的問題，研究了基于ArcGIS的礦區土地復墾三維景觀模型的構建及可視化方法。利用ArcGIS 平臺的3D Analyst模塊，建立礦區土地復墾區的三維景觀模型，并對復墾區進行坡度、坡向分析和挖填方分析，根據分析得到的數據確定耕地、林地、居民區、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域進行科學合理的景觀規劃，實現了較大程度的真實場景規劃。以焦作市馮營礦區為例，研究了通過復墾區景觀三維可視化技術進行規劃的應用過程。結果表明，所研究的基于ArcGIS的礦區土地復墾三維景觀模型的構建方法直接準確，有助于提高礦區整體土地復墾效率及景觀規劃的科學性和真實性。

ArcGIS 三維可視化 土地復墾 規劃 馮營礦區

隨著大數據時代的到來，二維GIS在表達數據的空間信息屬性上已經遠遠不能滿足人們的需要。二維GIS技術在礦區土地復墾中的工作方法越來越不適應當前數字化發展的趨勢，迫切需要三維GIS在土地復墾中的研究和應用。三維GIS可以通過建立三維模型實現空間數據的三維可視化，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的進一步發展，傳統的二維平面規劃圖的數據表達方式已經不能滿足土地復墾科學規劃的需要[1]。

目前我國對礦山土地復墾所作的規劃大都是平面二維規劃圖。在礦區復墾規劃方面，三維空間規劃與二維平面規劃相比，可以直觀地分析研究區域的地形變化和差異，同時在礦區復墾規劃的表現形式上更加真實[2]。利用GIS的三維可視化技術來反映經過復墾規劃后的研究區域的土地利用現狀，并對規劃方案進行評價、對復墾效果進行展示，為進一步制定合理的土地復墾規劃方案和進行科學的管理提供了有力的技術支持[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墾區的三維模型，并在其三維場景中對復墾區進行規劃，使其滿足復墾的各項要求、保證各項指標的合理性和科學性[4-5]。

1 基于ArcGIS的三維可視化技術

1.1 ArcGIS 3D Analyst簡介

ArcGIS 3D Analyst擴展模塊的核心是 ArcScene應用，用于創建、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符號系統以及紋理制圖，對3D要素和表面數據進行疊加，實現三維數據動態表達，與二維數據靜態平面圖相比，三維數據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建、表面分析和三維可視化等[5]。

1.1.1 表面創建

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

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

不規則三角網(TIN)的創建。TIN是利用各種矢量數據源進行創建的，其中點、線與多邊形要素作都可以為創建TIN的數據源。TIN是DEM的一個主要數據模型[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域。在表面創建后，就可以進行表面分析、區域表面特征分析、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據進行瀏覽和交互。

ArcScence 支持3D符號系統和紋理制圖，支持多種方式的動畫創建，支持表面創建，支持快速導航、平移和縮放功能，還支持對3D要素和表面數據進行疊加等[7]。

1.2 復墾區三維景觀模型的建立

土地復墾規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墾區三維景觀模型的基礎。地形表面三維模型實際上是對研究區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域內的高程數據建立研究區域的不規則三角網(TIN)，然后在不規則三角網(TIN)上進行格網點的高程內插，最終得到不規則三角網的數字高程模型。圖1是利用不規則三角網(TIN)在3D Analyst中建立的研究區域的地形表面三維景觀。

圖1 研究區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。在土地復墾規劃中一般都存在不同的樹木,如林地、路旁樹、復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，并在其屬性中定義高程表面。

2 實例分析

2.1 研究區概況

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

2.2 建立研究區三維景觀模型

通過對研究區域內的土地利用現狀及礦區土地破壞現狀進行實地調查，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，滿足土地可持續利用的要求。在塌陷荒山上種植林木；被塌陷破壞的農用地通過整治后，恢復耕地生產力；煤矸石可用作建筑的原料；塌陷積水區可發展漁業。為了更加真實地反映礦區規劃后的復墾效果，在二維規劃相關數據的基礎上，采用上述的三維可視化方法技術對馮營礦復墾區進行空間三維景觀模型構建[8-9]。

圖4為馮營礦復墾區初始的二維平面規劃圖，圖5為進一步規劃后最終的復墾區三維景觀模型。圖6為復墾區部分景觀三維模型，其中包括林地景觀，矸石山景觀，魚塘景觀和居民區景觀[10]。

2.3 研究區三維景觀規劃

利用馮營礦復墾區三維景觀模型對研究區整體區域進行合理的空間景觀規劃，能夠使研究區規劃方案更具科學合理性。通過3D Analyst和Spatial Analyst模塊可以實現三維空間分析，如土方量計算、視域分析、緩沖區分析、坡度坡向分析等。馮營礦礦區景觀的規劃目標是將該園設計成為集耕地、林地、居民區、魚塘等景觀于一體，兼顧土地恢復與耕地保護的綜合性景觀規劃。研究區的景觀規劃是在完成整個研究區內的三維景觀模型之后進行的，規劃的原則是注重治理恢復，科學生態重建，使整個研究區域復墾效果、景觀規劃更加科學合理美觀[11-12]。

圖4 復墾區二維平面規劃圖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

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

2.3.2 填挖方分析

對研究區內進行坡度分析，并基于該區域內填/挖前后的2個表面進行填挖方分析，根據填挖函數生成的柵格數據，可以觀察出研究區內表面物質變化的區域以及表面未發生變化的區域。研究區域內需要恢復的耕地、居民區和魚塘的面積占了很大的一部分，對耕地、居民區和魚塘所在區域規劃前后的柵格表面進行挖填方分析，以此來確定居民區和魚塘的填挖區域及其體積。最終經過計算，研究區內搬去土方量為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 研究區規劃總結

在對研究區三維景觀進行規劃時，將研究區域分為5個部分，分別是北部丘陵地區建設為林地，西南部的矸石山建設為矸石山游覽景區，東部建設為居民區，東北到西南和西南到東南2條道路，剩下的區域全部規劃為農用地。其中林地的規劃總面積為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；矸石山游覽區的規劃面積為27.01 hm2，綠化植被選擇紫穗槐；居民區的規劃面積為186.59 hm2，房屋建筑采用5排×7列的排列方式，考慮到礦區居民傳統生活方式，房屋均建設為低層樓房；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劃長度為4 758 m，西南到東南的道路規劃長度為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劃種植1 586棵楊樹，西南到東南的道路規劃種植841棵楊樹。

將ArcGIS的三維可視化技術應用于土地復墾規劃和區域景觀規劃中，通過建立研究區的三維景觀模型，直觀地反映了研究區域內地理現象的分布和變化特征，如研究區的地形、地貌變化，復墾前后用地類型的變化以及分布特點等等。實現了圖形圖像間的密切配合，減少了土地復墾規劃中的不確定性，在研究區內一體化的環境中分析三維景觀模型的空間屬性和空間關系。方便了解復墾區的土地資源分布狀況，為制定合理的土地復墾規劃提供技術支持和決策支持，便于實現土地可持續發展、保護耕地等要求。同時也可以通過建立3D GIS系統，利用3D數據庫查詢三維地理數據信息，優化區域空間配置，提高復墾規劃的效率，實現數字化土地復墾規劃。

3 結 論

本研究通過ArcGIS軟件平臺，將三維可視化技術應用到礦區土地復墾的規劃中，實現了城市規劃、土地復墾、生態重建、GIS技術、三維建模等多個學科的交叉應用。對復墾區進行三維可視化處理突破了傳統意義上的二維平面規劃圖的設計思想和內容表達方式，通過建立復墾區初步的三維規劃景觀模型，并在 ArcScence的三維場景中對復墾區進行空間規劃，得到復墾區最終的三維規劃景觀模型。這樣可以準確地反映礦區復墾規劃中的整體空間分布情況，更加直觀地展示礦區的復墾效果和規劃效果，也對復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劃可以進一步對礦區原有的自然環境進行保護，更好地治理和恢復被破壞的礦山生態環境。本次研究在一定程度上說明了通過GIS技術來建立三維模型，并在三維空間中對復墾區進行二次規劃來提高復墾效果、科學規劃的可行性，同時也對實現科學合理的土地復墾規劃具有重要意義。

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(責任編輯 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，Fengying Mine area

2015-09-22

國家自然科學基金項目(編號：41301617)，河南省科技攻關項目(編號：142102310033，142102310513)，中國煤炭工業協會指導性計劃項目(編號：MTKJ-2013-310)，河南理工大學博士基金項目(編號：B2014-016)，河南省高校科技創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