基于ArcScene的丘陵地區土地整治三維可視化方法

張桀滈 李江風 譚旭

摘要：隨著經濟社會的發展和耕地保護壓力的增大，土地整治作為提高耕地數量和質量的有效措施，將處于越來越重要的地位。因此，有效提高土地整治規劃設計質量，也變得尤為重要。運用三維建模技術，研究在地理信息系統（geographic information system，GIS）平臺上構建土地整治三維場景的技術方法，在總結現有研究成果的基礎上，針對低山丘陵地區的土地整治項目，提出了1套土地整治項目三維場景的構建方案;并且以湖北省黃岡市紅安縣高橋鎮土地整治項目為例，建立土地整治三維場景，實現了土地整治三維可視化。研究結果表明，該方案可以有效生成土地整治三維場景，地形地物匹配情況較好，三維可視化效果好;最后，對基礎數據獲取、三維建模等方面的技術進行討論，提出了未來對該領域研究的展望。

關鍵詞：ArcScene;地理信息系統;土地整治;規劃設計;三維建模;三維可視化

土地資源是國家經濟社會發展的物質基礎。當前，我國城市化進程加快，對土地的需求越來越大，同時，保護耕地的壓力也與日俱增。土地整治是對田、水、路、林、村的綜合整治[1]，它作為提高耕地數量和質量的有效措施，將處于越來越重要的地位。因此，提高土地整治規劃設計的可行性和合理性，具有重要的現實意義。當前的土地整治規劃設計大多是基于二維計算機輔助設計（computer aided design，CAD）平臺進行的，具有很多局限性。實現土地整治規劃設計成果的三維可視化可以更直觀地展現規劃設計場景，輔助技術人員進行規劃設計，并且有利于公眾參與，以增強規劃設計的科學性和合理性。

目前，國內已經有眾多學者對基于地理信息系統（geographic information system，GIS）的三維可視化技術作了很多探索，并嘗試性地用于土地整治規劃設計。對基于GIS的三維可視化最早的探索是在三維數字城市領域，一些學者利用3Ds Max[2-4]、Sketch Up[5-7]或Multigen Creator[2，8]等手工建模軟件構建三維模型，并在ArcGIS[2，3，5-7]、Skyline[4，9]等三維平臺上生成三維場景，以建立三維數字城市景觀。還有學者將參數化建模（parametric modeling）方法用于三維數字城市，用專業知識和規則來確定幾何參數和約束，通過簡單地改變模型中的參數值就能建立和分析新的模型[10]，避免了大量重復式的手工建模，大大提高了建模效率[11-13]。賈明超等將三維可視化技術引入到土地整治規劃設計中，通過建立空間數據庫和數字表面模型，探索了可視化技術在土地整治規劃設計中的應用[14]。也有學者探索了利用3Ds Max軟件建模，并在三維GIS平臺上生成三維場景，實現土地整治規劃設計的三維可視化[15-16]。肖輝平將參數化建模方法引入土地整治建模中，在CityEngine平臺上，利用CGA（the computer generated architecture）語言編寫建模規則，通過設定參數自動生成土地整治三維場景[17]。石若明等嘗試使用面向對象的方法來表達土地整治規劃設計，通過編寫規則生成規則庫與土地整治規劃三維要素表達模型相關聯，并利用規則在三維場景下智能輔助規劃設計[18]。

這些研究采用了多種方法實現土地整治三維可視化，作出了很多有益的探索，但是主要選取地形平坦的平原區作為研究區域，較少針對不同地形類型的特點，提出適合較復雜地形的土地整治三維可視化方法，導致研究成果的應用具有一定的局限性。而對丘陵地區的土地整治項目三維可視化進行探索，可以擴大成果應用的范圍，使該技術在更多的情況下可以適用。

丘陵地區地形具有一定起伏，在起伏的地形上布設三維模型，容易出現穿插的情況，所以實現地形和地物的匹配接合就尤為重要。本研究試圖以無人機航測數據和二維土地整治規劃設計成果為基礎，利用手工建模的方法，采用數字高程模型（digital elevation model，DEM）修改等數據處理技術，在GIS平臺上構建三維場景，實現低山丘陵地區土地整治三維可視化。

1 技術路線和前期準備

1.1 技術路線

土地整治三維建模分為2個部分，一是三維地形建模，二是三維要素建模[19]。三維地形建模是指現狀地表形態的三維場景生成;三維要素建模是指土地整治規劃涉及的各類地物要素的三維建模。根據各要素的布設結果，將要素三維模型匹配鑲嵌至三維地形場景中，以此構建規劃三維場景。三維可視化技術路線如圖1所示。

1.2 工具與平臺選擇

目前主流的三維建模軟件主要有3Ds Max、SketchUp、Maya等。3Ds Max是目前世界上應用最廣的三維建模軟件，具有功能強大、操作簡單、兼容性好的特點[20]，所以本研究選擇3Ds Max作為三維要素建模工具。三維GIS平臺具有強大的空間分析和數據管理功能，三維可視化平臺選擇三維GIS平臺。主流的三維GIS平臺主要有國外的ArcGIS、Google Earth、Skyline，國內的SuperMap、GeoGlobe等。ArcGIS作為最成熟的GIS平臺，各類功能最為強大和全面。ArcScene是ArcGIS提供的一個三維可視化環境，非常適合生成三維要素和柵格數據交互的透視圖場景[21]，所以選擇ArcGIS為三維可視化平臺。

1.3 數據獲取與預處理

本研究涉及到的數據主要有數字高程模型、數字正射影像（digital orthophoto map，DOM）、土地整治工程規劃圖及各種單體工程設計圖、單體工程紋理圖片等。

DEM是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。DEM的數據格式有很多種，目前為止還沒有形成統一的數據標準，國內外主要的DEM文件格式有中國國家標準地球空間數據交換格式（CNSDTF-DEM）、美國地質調查局格式（USGS DEM）、美國環境系統研究所公司（ESRI）的ESRI Grid數據格式。不同格式的DEM數據，高程點的記錄順序都相同，只是文件頭格式不同。ArcGIS軟件無法讀取CNSDTF-DEM格式的數據，通過修改文件頭的方式進行數據格式的轉換，得到可被讀取的數據格式。

土地整治規劃設計成果矢量圖件均是CAD文件，需轉換為ArcGIS標準的Shp格式。通過ArcGIS軟件，利用分層轉換的方法，逐層提取每種規劃要素的點、線、面矢量圖。

單體工程紋理圖片是在進行要素三維建模時貼在實體模型表面的紋理，通過網絡搜索收集和實地拍攝2種途徑采集。

2 要素模型構建

2.1 建模內容

要素建模內容主要包括土地整治項目所涉及的所有工程的建模。土地整治所涉及的工程主要包括土地平整工程、田間道路工程、灌溉與排水工程和其他工程。要素模型按模型類型可分為點狀要素模型、線狀要素模型、面狀要素模型。

點狀要素模型主要指土地整治單體工程模型，如機耕橋、渡槽、節制閘、涵洞、涵管和泵站等，也包括樹木、電線桿等獨立地物。線狀要素模型主要是指土地整治項目中的溝渠、道路、田埂、管線等線狀對象模型。面狀要素模型是指田塊、河流、坑塘等要素模型。三維要素模型分類情況見表1。

2.2 要素模型構建

根據對要素模型的分類，不同類型的要素模型采用不同的建模方法。對于點狀要素，農田水利設施、橋梁等幾何模型可根據單體設計圖來控制主體結構，在3Ds Max中制作出初級模型。然后以規劃設計圖、《湖北省土地整治工程宣傳示范圖冊》及實地現場采集相片為依據，對初級模型進行進一步的細化處理。線狀要素模型構建時將模型沿線狀地物走向線性放樣即可。對于面狀要素模型，由于其結構較為簡單，為減少數據量和簡化建模步驟，面狀要素僅采用貼紋理的方式進行三維顯示。

另外，ArcGIS中自帶的三維符號庫提供了很多現成的三維模型。如點狀的樹木、電桿、房屋，面狀的田塊、水面等在建模時可直接調用。

3 三維場景生成

3.1 DEM修改

低山丘陵地區地表形態具有一定起伏，但起伏和緩，絕對高程在500 m以下，相對高差在200 m以下。面狀地物覆蓋面的范圍較大，它的基準面是水平的，但地形有一定起伏。因此，當面狀要素模型疊加到地形上時，建筑物與地表會出現穿插的情況[22]。而且，原始DEM數據是項目區的現狀地形數據，但是實施土地整治工程后，由于實施土地平整工程及新建基礎設施，會導致表面地形的變化。因此，就須要對原始DEM進行編輯和修改。

DEM修改是一個區域性的操作過程，考慮到這一特性，采取切割重構的方式進行DEM修改[23]，即將編輯區域內的原有地形進行剔除，通過將面狀地物基準面的高程值作為約束條件對編輯區地形進行重構，填補剔除的三維地形模型，達到對地形的局部改造，從而實現地物和地形的匹配。改變區域內三維地形模型的形狀和特征，并不改變區域外三維地形的原貌。DEM修改利用ArcMap軟件，提取待修改范圍內的DEM，再把修改范圍內的DEM賦予新的高程值，最后將修改好的DEM鑲嵌至原DEM。這樣就得到了規劃后的DEM。

3.2 地形場景生成

將DEM和DOM在ArcScene平臺上進行匹配。以DEM為實體，DOM為紋理，將DEM攜帶的高程數據賦予到DOM上，生成表現地面高低起伏的三維地表。

3.3 要素模型導入

模型制作完成后，可從3Ds Max軟件導出*.3DS文件。將*.3DS文件導入ArcGIS有2種方式。第1種方式是將*.3DS文件導入ArcGIS符號庫中，生成三維符號。將各規劃要素保存為點，點要素可選擇以相應的三維模型符號顯示，然后根據二維規劃數據中的位置、高程信息，將點要素放置到相應的位置，并賦予其高程值[15]。這種方式便于大批量生成三維模型，但對模型的編輯較為不便，不適宜進行精細化操作。第2種方式是在ArcScene中，將*.3DS文件導入多面體類型的Shp文件。多面體要素可在ArcScene中通過移動、旋轉、縮放等操作放置在二維規劃數據中相應的位置。這種方式便于對模型進行編輯，可以較精細地編輯模型，但需逐個模型編輯，難以批量生成。可根據具體情況，結合要素模型類型選擇適當的導入方式。

3.4 要素模型匹配處理

地物要素與地形的匹配大體有2種方式：一是調整地物要素以適應地形，即通過調整要素模型布設的姿態和位置來實現匹配;二是修改地形以適應地物，即根據地物約束對DEM進行編輯修改，以實現匹配。點狀地物模型地形的關系是相對位置關系，主要起示意作用。此類地物要素與地形匹配需要采用調整地物要素的方式，只須要根據位置和高程使空間和地形保持一致，然后根據實際情況調整擺放姿態即可。面狀要素模型主要適合采用修改地形的方式進行匹配。線狀要素模型在三維環境中主要表現為以原始線矢量為中心線向兩邊擴展的面，故采用與面要素匹配相同的方式。

4 實例研究

本研究以2015年湖北省黃岡市紅安縣高橋鎮高標準基本農田土地整治項目為例，該項目分為六家邊和吳家大灣2個項目片，本研究以六家邊項目片為研究區域，研究區總面積 251.98 hm2，現有耕地152.06 hm2，建設規模174.26 hm2。項目區為低山地，一條河流從研究區中心穿過，將研究區分為南北2個部分。研究區內土地利用現狀以灌溉水田為主，旱地次之，土地利用類型主要有耕地、溝渠用地、道路用地、坑塘用地、田坎、河流水面。

本研究根據上面提出的技術流程，以無人機航測數據和二維規劃設計成果為基礎，利用3DsMax軟件和ArcGIS 10.2中的ArcMap、ArcScene軟件，進行研究區的三維建模和三維場景構建，實現土地整治三維可視化。

4.1 數據準備與處理

研究區基礎數據來源于所依托的課題項目，主要包括無人機航測獲取的研究區DEM、DOM以及研究區土地整治規劃設計成果。原始DEM數據為CNSDTF-DEM格式，通過修改文件頭的方法轉換為USGS DEM格式。將原始規劃圖通過分層轉換的方法，分別將路、溝渠、農橋、坑塘、房屋等規劃要素導出為Shp文件。

4.2 DEM編輯和修改

由于土地整治項目中土地平整工程的實施和各種設施的新建，使項目區地形發生變化，需要對原始DEM進行編輯。DEM修改前后情況對比見圖2。

4.3 地形三維場景構建

將項目區DEM和DOM在ArcScene 10.2平臺上進行匹配，設置DOM從DEM獲取高程值，構建三維地表，如圖3所示。

4.4 要素模型建模

ArcGIS系統符號庫中包含了三維模型，如樹木、電桿、房屋等，本研究盡量直接使用符號庫中現成的模型。對于一些復雜的單體利用3Ds Max軟件進行建模，再導入到ArcScene中。

從3Ds Max中導出建好的模型為*.3DS文件，在ArcScene中導入為多面體類型的Shp文件，并設置好模型位置參數，完成地物模型與地形的匹配;將坑塘水面、曬谷場垂直拉升，實現二維到三維的轉變，并添加相應的紋理;對于行道樹等簡單點要素，在符號選擇器中將點設置成對應的三維符號，并根據需要調整模型大小、方向等參數，使其與地形及周圍地物匹配。如此，就生成了土地整治三維場景，生成效果如圖4所示。

5 結論與討論

本研究提出了基于ArcScene的丘陵地區土地整治三維可視化方法，可以針對地面起伏平緩的低山丘陵地區有效構建土地整治三維場景，實現規劃設計成果的直觀表達。同時，以紅安縣高橋鎮土地整治項目為研究對象，建立項目區土地整治規劃三維場景，可視化效果較好。對土地整治規劃設計成果進行三維可視化可以提高規劃設計表達的直觀性，讓非專業人士也能看懂規劃設計成果，更有利于公眾參與，以提高規劃設計的合理性。

土地整治所涉及的規劃設計要素三維模型種類范圍不大，可以在后續研究中嘗試運用三維模型庫技術[24]，構建土地整治三維模型庫。在進行三維建模時，可直接調用標準三維模型，并根據實際情況對模型的各種參數進行修改，以提高建模效率。同時，還可以提高土地整治三維場景的標準化程度。

本研究討論的低山丘陵地區具有地表起伏平緩的特點，須要對DEM進行修改，以完成地形和地物的匹配。若要對地形更為復雜的地區進行三維建模，則須要進一步優化地形和地物的匹配方法，以使該方案滿足不同條件下土地整治三維建模的需求。

本研究是基于GIS平臺構建三維場景，但沒有充分應用GIS空間分析功能，對地形和各規劃要素進行分析，以輔助規劃設計。這一點在后續的研究中要進一步探索。

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