三維可視化技術在礦山環境修復中的應用與研究

張耀，肖超，鐘鑫，張赫然

（美麗華夏生態環境科技有限公司，北京 100176）

0 引言

近年來，隨著科學技術的不斷進步，三維可視化技術以其諸多的優勢而廣泛應用于景觀、建筑、室內、規劃等領域（楊瓊，2015）。由于其可視化的空間視覺體驗與礦山治理方面需求相吻合，從而也向生態環境修復領域發展（沙金磊，2019）。可視化軟件強大之處在于它是將出色的高精度圖像展示和快速高效的工作流程相結合（王娟等，2012），為用戶節省了時間、精力和成本，既能夠為設計者快速制作出高級別影視動畫和靜幀作品，同時它也可以完成現場演示工作（李海海，2017）。

本文以山西省忻州市寧武縣礦山環境治理為例，地理坐標：東經112°03′～112°07′，北緯38°47′～38°51′。用原始高程點在Rhino 軟件生成原始地形，再運用CASS 軟件將設計好的地形正射在原始地形之中，Sketchup 建模及分層，最終使用Lumion軟件來展現三維可視化模型。

本文運用3 種各有千秋的可視化軟件還原治理后的礦山地質環境，把景觀設計中的表現手法運用到礦山環境治理中，解決了礦山環境治理在三維可視化中的表現問題，使礦山環境治理也有景觀設計的表現形式，增加更直觀的感受（趙晶等，2013）。

1 研究目的

我國的工業化一直處于高速發展的階段，快速發展的同時，對生態環境破壞也異常的嚴重（錢倩媛和吳國源，2020）。廢棄礦山作為工業廢棄地的一類，礦山對土地、生態、環境、水系等危害很大，工礦廢棄地長期占用土地資源，嚴重地制約著當地的經濟發展。

長期以來對礦山環境多以農學、地質學、林學、土壤學、城市規劃、環境科學等相關學科進行研究的（李琳琳，2018），本文將景觀設計專業軟件應用到礦山環境治理過程中，目的是以景觀設計的角度直觀地呈現修復前后的礦山環境，形成鮮明的對比，進而提高各地區的生態環境保護意識，改善區域的生存環境質量（唐良智等，2018），提高當地居民生活的幸福指數，為當地吸引更多的社會投資，提高區域的經濟效益，實現生態環境、經濟社會、民俗文化、景觀美學的和諧統一（秦麗霞，2016）。

運用景觀設計專業進行效果表達的方案最重要的內容為建模和分析方法，可以完美呈現治理思路及景觀效果（李欣娟，2019）。一般而言，建模的技術手段較多，其各類建模軟件所擅長的領域也不盡相同。經過現場調查及技術分析，本文將選用Rhino 軟件來進行數據可視化，選用SketchUp 軟件進行三維模型的構建，選用Lumion 軟件進行效果圖、視頻的可視化呈現。

2 三維可視化制作步驟

2.1 軟件介紹與優勢

Rhino 軟件可創建、分析、轉換NURBS 曲線、曲面和實體，可以在復雜的角度、尺寸隨意編輯。用戶界面?？焖俚膶祿硎境蓤D形，3D 制圖法，無限制的圖形視見區，工作中的透視視窗，指定的視區，制圖設計界面，設計圖符界面，小到珠寶，大到地形建模都可以很快捷地建出模型，而最便捷的是可以將數據可視化、數據量化。

SketchUp 是一款簡潔實用的設計工具，它同時具備了目前市場上常用設計軟件如AutoCAD、3Dmax、Revit 等的特點，將三維建模、空間模式展示、模型編輯修改等功能集于一身。Sketchup 軟件界面簡潔，工具調用方面，可以快速地構建、展示、編輯三維模型。同時該軟件運行快捷，與其他軟件之間具有良好的兼容性，設計者可以通過導入CAD 文件進行三維建模，省去了重復畫圖的繁瑣步驟（彭鳳，2008）。另外Sketchup 軟件還可以與其他渲染軟件暢通地銜接，可以將Sketchup 中的模型導入到Lumion 中，修正材質和模型以及重新布光等，可以輕松地制作出高質量的模型。Sketchup 軟件作為一款免費使用的軟件，其功能能夠滿足平法識圖課程建模需要（卜偉，2020）。

Lumion 軟件的可視化具有制作效率高、輸出畫質清晰的優點。由于搭載了Quest3D 引擎，在使用全過程中，Lumion 為用戶提供一種實時交互的工作模式，方便用戶進行實時修改，上手性極強（李相，2020）。Lumion 具有完善的地形要素以及模型庫。通過Lumion 的山水地形（Landscape）控制項內的命令，可以輕松改變和塑造地形，且富于變化，可塑造微地形（張兆長和楊立宅，2020）。同時，利用Lumion 庫中數千個高質量的對象和效果逼真的材質，可以在短時間內構建項目所需的精細場景（李相，2020）。

2.2 構建地表模型

構建地表模型是可視化的核心步驟，在拿到CAD 圖紙之后，需詳細了解CAD 圖紙中的內容，將不需要的部分進行清理，保留建模需要的要素結構再導入sketchup 軟件中，然后通過推拉、縮放、偏移等一系列工具完成模型的搭建工作。本文模型制作主要依據無人機航測生成等高線、高程點。在Auto CAD 軟件中獲得的地形數據進行處理，導出高程點文件，在Rhino 軟件中導入高程點信息，利用：Delaunay Mesh 三角剖分算法格網即可。

圖1 高程點生成地形電池組

圖2 電池組生成原始白膜

三角剖分算法格網，Delaunay Mesh（圖1），輸入項有點和參考平面，DelaunayMesh組件所建立的Mesh 具有一定的方向性，即輸入點都應該位于一個參考平面的附近，趨向于平面的趨勢，隨后生成原始地形的三維模型（吳建明，2020）。

三角剖分算法格網可以把所有的高程點連成線形成面，生成一個個閉合的三角網（圖2）。本文中的底圖比例尺為1 ∶500，所以生成的原始地形沒有和周邊聯系，看起來只是單獨的白膜。

2.3 設計地形覆蓋

使用CASS 軟件把已經設計好的地形導出三角網，三角網可以輕松避免封面封不上、有沒有閉合的線條、在不在一個圖層上等問題，從而節省了大量的時間，提高效率。導入SketchUp 后需要原始地形與設計地形相結合，因設計地形中涉及挖方作業，因此需要通過手動刪除突出三角網的方式來調整模型，使三角網與設計地形相重合。

因在Lumion 軟件里需要進行生態復綠和景觀建設，且設計地形中平臺、邊坡的方案不同，因此需要運用兩種不同材質來區分平臺與邊坡，這樣在效果圖和視頻的呈現時，也能更直觀地呈現和區分（圖3）。

2.4 效果制作

效果制作是選用景觀和建筑行業中運用較多的Lumion 軟件，該軟件可實時渲染，且出圖速率和質量較高效（孫天竹等，2019）。Lumion 軟件是一款實時的3D 可視化工具軟件，它不僅能場景建模，也能對三維模型進行實時渲染，轉化成視頻、圖片或360°全景圖，其軟件本身包含了一個豐富而龐大的模型庫，里面包含建筑、人物、動物、街飾、石頭、植物等大量模型，且可從Sketch Up，Autodesk 產品和許多其他的3D 軟件導入3D 模型（宋秀英，2012）。

由于Lumion 軟件不具備建模功能，因此，整個工作都必須通過Sketchup 或者3Dmax 等三維建模軟件實現。建模過程中需嚴格按照圖紙的尺寸和結構進行創建，并注意結構的合理性和細節的刻畫，而精確的模型是也是創建漫游動畫的首要前提和基礎。

在完成模型導入后，需要在Lumion 軟件中對設計好的地形進行貼圖處理，針對設計后的方案，進行草地、林地、耕地、道路、擋墻等貼圖（汪結明等，2019）。雖然Lumion 軟件中有非常強大的貼圖庫，但為了更好地呈現景觀效果，有時需要獲取更適合且更能還原實景的貼圖材質，調整相對應的參數，進而來實現所需要的效果，且具有非常高的編輯性。

此外，Lumion 軟件的另一大優勢是在其軟件中具有各類常規喬木、灌木、草本植被的模型，且可以根據需求編輯顏色、大小和位置；同時，在特效中可選擇季節、天氣狀況及呈現風格等。

圖3 調整好的原始地類模型

本文所制作的模型是以寧武縣礦山環境治理為例，其植被選擇包含油松、山桃、山杏、紫花苜蓿及灌草植被，其中山桃、山杏、油松栽植于平臺區域，灌草植被播種于坡面區域，紫花苜蓿播種于耕地區域。通過原始地形的測量、設計地形的整理、模型的建立、效果的呈現于模擬，最終形成了所期望的治理效果。下圖為治理前后效果對照圖，直觀地呈現了項目實施前后的景觀效果，增加了設計方案的生動性。

Rhino 的優點是數據可視化，SketchUp 軟件的特性是操作簡單，以獲取所需要的三維白膜，且在導入Lumion 軟件后，能夠更好地區分不同的要素貼圖。通過上述各項軟件的綜合運用，最終運用Lumion 軟件，在模型的基礎上，通過種樹、貼圖、添加濾鏡、調整參數等技術手段（許家瑞等，2016），最終形成設計效果圖（圖4～9）。

3 結論

上述3 類軟件，雖然也有具備在從數據導入到建模出圖全流程操作的軟件，但也分別具有各自的局限性。其中，Rhino 是曲面建模的佼佼者，可利用插件生成較好的光影效果，但植物物種和貼圖的缺少，使得具有完善植物物種和貼圖庫的Lumion 軟件在生態環境治理領域更為有效和適用（徐慶勇，2015）。SketchUp 軟件，可用等高線來生成地形，但由于等高線生成地形的抽稀問題，使其無法更真實地還原原始地形，且對設備的硬件要求極高；另外，可用插件來呈現植物效果和貼圖，但較為僵硬，呈現效果真實性差。Lumion 軟件是主導渲染引擎的一個軟件，不具備建模功效，但在植物物種的多樣性、貼圖的真實性、濾鏡參數可編輯性方面均具有極大的優勢。

因此，我們綜合運用Rhino、SketchUp、Lumion3款軟件，利用其各自的優勢，彌補其各自的缺陷，最終可以較為完美地呈現寧武縣礦山環境治理的效果圖及視頻。同時，也建議在今后的生態環境治理行業領域，可以推廣應用上述3 種軟件結合的技術，形成規范化、優質化的景觀環境效果。

圖4 寺耳溝現狀地形圖

圖5 寺耳溝治理后效果圖

圖6 寺耳溝采坑現狀地形圖

圖7 寺耳溝采坑治理后效果圖

圖8 車道溝現狀地形圖

圖9 車道溝治理后效果圖