露天矿土地复垦三维可视化研究_李小光(1).pdf

收稿日期2019-08-02 基金项目河北省重点研发计划项目 （编号 19224204D） ， 华北理工大学研究生创新项目 （编号 2019B26） ， 唐山市矿区生态修复研究基础创新团 队基金项目 （编号 19130206C） ， 唐山市科技计划项目 （编号 19150247E） 。 作者简介李小光 （1976） ， 男， 讲师， 博士研究生。通讯作者李富平 （1965） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 露天矿土地复垦三维可视化研究 李小光 1， 2， 3 鲁明星 4 李科心 5 李富平 1， 2， 31 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063210； 2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山 063210； 3. 河北省矿区生态修复产业技术研究院， 河北 唐山 063210； 4. 唐山学院土木工程学院， 河北 唐山 063004； 5. 中煤科工集团唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063000） 摘要随着无人机摄影测量技术和GIS技术的快速发展， 倾斜摄影测量及三维建模技术被广泛应用于国土、 城市规划， 智慧城市建设等领域。传统的矿区二维复垦规划不利于实现高效的规划方案评价、 规划成果展示以及 规划前后效果对比。通过无人机倾斜摄影测量获取三维数据， 基于SuperMap软件， 对矿区土地复垦三维景观建模 及可视化方法进行了研究。以唐山市某露天矿为例， 利用无人机倾斜摄影测量进行数据采集， 分别使用 Pix4D mapper 和 Smart3D Capture 软件进行数据处理， 从而获取矿区的现状数据。根据现状数据和规划方案， 使用 Auto- CAD 软件完成平台和边坡的土地复垦方案设计。将 AutoCAD 复垦方案转到 ArcGIS 平台下进行不规划三角网 （TIN） 地形建模， 将构建后的TIN网转为中间软件Sketchup格式后再转为3DMax格式， 在3DMax软件中进行纹理贴 图精细建模。将 3DMax精细三维模型在保证空间参考不变的前提下转为 SuperMap软件格式， 最终在 SuperMap软 件中实现了土地复垦方案评价、 规划效果展示以及规划前后对比。研究表明 在无人机倾斜摄影测量数据的基础 上， 将规划模型在不丢失三维纹理渲染效果、 空间参考不变的前提下经过多种GIS平台转化， 实现了基于SuperMap 软件规划数据与现状数据的无缝拼接的真三维可视化， 对于基于无人机矿山生态修复规划的三维建模有一定的借 鉴意义。 关键词生态修复倾斜摄影测量无人机TINSuperMap空间参考 中图分类号TD167， P231文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-199-07 DOI10.19614/ki.jsks.202007029 Three-dimensional Visualization Study of Land Reclamation for Open Pit Mines Li Xiaoguang1， 2， 3Lu Mingxing4Li kexin5Li Fuping1， 2， 32 （1. College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China； 2. Hebei Key Laboratory of Mining Development and Security Technology， Tangshan 063210， China； 3. Hebei Industrial Technology Institute of Mine Ecological Remediation， Tangshan 063210 ， China； 4. College of Civil EngineeringTangshan University， Tangshan 063004， China； 5. CCTEG Tangshan Research Institute， Tangshan 063000， China） AbstractWith the rapid development of UAV photogrammetry technology and GIS technology， oblique photogramme⁃ try and three-dimensional modeling have been widely used in territorial planning， city planning， smart cities，etc..Traditional reclamation planning of two-dimensional mining areas is not conducive to the uation of the planning scheme， cannot show the planning effect and the comparison of the effect before and after the planning.Three-dimensional data is obtained by UAB oblique photogrammetry， and the three-dimensional modeling and visualization of landscapes of land reclamation of mining area are studied by SuperMap software.Taking an open-pit mine in Tangshan City as an example， dates of the mining area is collected by UAV oblique photogrammetry， and processed by Pix4D mapper and Smart3D Capture softwares， so as to obtain the present data of the mining area.According to the present data and planning scheme， reclamation plans of the plat⁃ and slope are designed by using AutoCAD software.The AutoCAD reclamation scheme is transferred to the ArcGIS plat⁃ for unplanned triangular network（TIN）terrain modeling， the TIN mesh is converted to Sketchup in the intermediate software and then 3DMax， and the texture mapping is modeled in 3DMax.The 3DMax fine 3D model is transed into Su⁃ 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 529 July2020 199 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 perMap software at on the premise that the spatial reference is not changed.Finally， the land reclamation plan uation， planning effect display and planning before and after comparison are realized in the SuperMap software.The study results show that on the basis of tilt photogrammetric data of UAV， the planning model is transed through a variety of GIS plat⁃ s without losing 3D texture rendering effect and constant spatial reference， realizing the true 3D visualization of seamless splicing of planning data and current data based on SuperMap software， which can be used for the reference for 3D modeling of mine ecological restoration planning based on UAV. KeywordsEcological Restoration， Oblique photogrammetry， UAV， TIN， SuperMap， Spatial reference 由于矿产资源开采造成土地破坏和环境污染日 趋严重， 近年来矿区土地复垦已成为我国环境治理 的重点内容之一。随着计算机建模技术和GIS技术 的快速发展， 矿区二维土地复垦规划设计已无法满 足要求。矿区土地复垦三维建模不仅在规划方案评 价、 规划效果展示、 规划前后效果对比等方面发挥着 重要作用， 在土地复垦项目立项、 论证、 评审等环节 所发挥的作用也较大。随着无人机倾斜摄影测量技 术快速发展以及GIS软件3D功能不断丰富， 矿区土 地复垦效果的展示方法已由二维转为三维。 目前， 矿区复垦效果三维建模主要是基于GIS软 件实现的。岳境等 ［1］应用 ArcView 软件实现了土地 填挖方计算和土地复垦三维景观模拟； 陈秋计等 ［2］ 应用ArcView软件的3Danalyst模块实现了煤炭开采 区的DEM和三维景观模型构建； 丁玉龙 ［3］研究了基 于Sketchup和ArcScene的土地复垦规划快速三维可 视化方法； 吴超等 ［4］应用ArcGIS软件进行了建筑物、 植被、 地形的三维建模研究。上述研究主要基于单 一的GIS软件， 模型的真三维效果不理想， 不利于矿 区土地复垦前后的对比研究。近年来， 无人机航测 技术发展迅速， 具有成本低、 高效、 灵活等优势。无 人机倾斜摄影测量技术 ［5-8］可以从4个倾斜拍摄角度 进行信息采集， 从而能够获取到更加丰富的侧面纹 理信息， 通过 Smart3D、 PhotoScan、 PhotoMesh、 Pix4D、 Skyline 等软件 ［9-13］可以快速进行三维实景建模。本 研究以唐山市某露天矿区为例， 基于无人机倾斜摄 影技术， 并结合Smart3D软件进行数据获取和处理， 得到矿区现状三维数据， 在此基础上进行土地复垦 规划， 并结合SuperMap软件实现土地复垦三维可视 化展示。本研究重点解决以下两个问题 ①多种GIS 数据间进行相互转换， 空间参考始终保持正确； ②三 维精细模型在相互转换过程中保持纹理贴图不丢 失。 1建模步骤 本研究采用无人机摄影测量方获取数据进行三 维建模， 主要流程如图1所示。 三维建模具体步骤为 （1） 无人机航拍获取现状数据， 并进行前期数据 处理。应用无人机数据处理软件 （Pix4D mapper 和 Smart3D软件） 对无人机航拍数据进行处理， 得到矿 区的数字正射影像、 三维现状模型和点云数据 ［14-15］。 （2） 三维现状模型导入GIS软件。将无人机三维 数据进行格式转换， 导入到SuperMap软件。 （3） 矿区三维规划模型生成。在ArcGIS软件下， 根据矿区土地复垦数据， 进行三维模型创建。以点 云数据作为规划边界， 以规划复垦方案数据为基础， 按照TIN模型进行三维建模， 最终生成地面模型。 （4） 三维规划模型进行纹理渲染。将GIS三维模 型导出， 转换为3DMax软件格式， 进行精细建模和纹 理渲染。 （5） 将带有纹理渲染的精细三维模型进行转换 并导入SuperMap软件。在保障空间参考不变的情况 下， 将带有纹理渲染的精细三维模型转入SuperMap 软件中。在SuperMap软件中对规划区的矿区三维现 状数据进行压平处理， 使三维规划模型与现状数据 实现无缝拼接， 便于直观地对规划方案进行实时评 价， 并实现规划前后效果对比 ［16-18］ 。 2矿山规划现状数据获取 2. 1现状数据获取方法比较 矿区现状数据常用的获取方法有 （1） 实测方法。通过常规的测绘仪器 （GPS或全 站仪） 外业采集数据， 内业成图。这种方法获取数据 的精度高， 但测绘成果单一， 往往只是二维的正射平 200 ChaoXing 2020年第7期李小光等 露天矿土地复垦三维可视化研究 面图， 无法直观地展示矿区的地形变化， 并且时效性 差， 在量算规划坡面绿化面积时既不准确也不方便。 （2） 谷歌地图。是Google公司提供的电子地图服 务， 主要可以提供矢量地图、 不同分辨率的卫星照片 和可以用来显示地形和等高线的地形视图。该方法 数据获取成本较低， 但数据现势性不足。矿区土地 复垦规划设计首先要求数据具有较强的现势性， 因 此该方法无法满足要求。 （3） 无人机测绘。通过无人机倾斜摄影测量， 可 以获得 DOM 数据、 DEM 数据、 点云数据、 三维模型 OSGB数据等 ［19］ 。 2. 2现状数据获取 本研究以唐山市某露天矿土地复垦工程为例， 采用无人机倾斜测量的方法获取现状数据。矿区面 积约7 km2， 根据矿区及周边实际情况， 并依据相关技 术规范要求， 共布设了航线7条， 控制点12个， 航摄 相片的航向重叠度为85， 旁像重叠度为75， 共拍 摄了照片676张。采用 CGCS2000坐标系， 投影方式 采用高斯-克吕格投影 （3带， 中央子午线117） ， 高 程基准采用1985国家高程基准。本研究采用Pix4D Mapper软件进行影像处理， 获得的数字正射影像如 图2所示。 2. 3倾斜摄影数据OSGB加载到SuperMap中 本研究采用Smart3D软件进行三维建模， 将三维 建模处理结果存储为成OSGB （Open Scene Gragh Bi⁃ nary） 格式文件。该文件格式是由三维引擎定义的数 据格式， 使用二进制Binary存储， 可以加快计算机读 取 ［20-22］。OSGB 格式的倾斜摄影数据是由多个包含 OSGB 数据的文件夹、 一个 “s3c” 后缀的文件和一个 metadata.xml 的文件组成。*.s3c 文件为 Smart3D 软 件的工程文件， 在 SuperMap 软件中无需使用 Data 文件夹存放倾斜摄影三维数据的文件夹即目录； metadata.xml文件存放倾斜摄影三维数据的坐标系和 坐标值信息 ［19-22］， 打开.xml文件即可获得矿区的坐标 信息 （图3） 。 SuperMap软件中可以根据EPSG的编号新建坐标 系， 具体步骤为 首先打开 “新建配置文件” 对话框， 填 写源数据路径、 目标文件路径和路径名、 插入点坐标 点后， 勾选 “投影设置” ； 在 “投影设置” 对话框中选择 “新建” ， 根据EPSG编码新建坐标系。在SuperMap软 件工作空间文件管理器的场景节点上点击鼠标右键， 选择 “新建球面场景” ， 加载相应的.scp配置文件 ［23-24］， 即可实现在SuperMap软件中浏览OSGB数据。 3规划数据建模流程 露天矿开采后需对开采平台和边坡进行生态修 复。唐山某露天矿区按高差10～15 m设置一个6～10 m宽的平台， 平台外侧修建挡墙， 平台、 边坡分别进行 覆土， 平台上栽植火炬树、 刺柏等乔灌木。在边坡上 种植葛根、 爬山虎等植物。 目前， 三维GIS软件对于纹理贴图的处理功能比 较薄弱， 较理想的纹理贴图处理通常需要借助第三 方建模软件完成。本研究针对平台和边坡生态修复 方式的不同， 设计采用了不同的建模方式。对于矿 区规划的平台、 坡面， 可在ArcGIS软件下进行TIN地 形建模， 通过数据转换在3DMax软件中进行纹理贴 图精细化建模。 3. 1ArcGIS软件中生成TIN ArcGIS软件对各种GIS数据具有良好的兼容性， 平台和边坡是 .dwg 格式的 CAD 数据， 直接加载到 ArcGIS平台下， 进行TIN模型构建。由于平台坡面地 面模型与一般地形不同， 本研究CAD数据不采用高 程点或等高线的形式， 而是采用三维多段线 （3DPo⁃ ly） ， 线上的每个点都有 X、 Y、 Z 三维坐标信息。在 ArcGIS软件中选择 “创建TIN” 工具， 选择 “CAD数据” 并选择 “高程字段 Z” ， 同时选择 “遵守 Delaunay 准 则” ， 选择 “隔断线 （Breakline） 生成 TIN” 的方式实现 TIN生成。如果生成的TIN有明显不正确的部分， 可 通过 “编辑TIN” 功能进行修改和删除。矿区东部规 划区的TIN如图4所示。 3. 2ArcGIS TIN转SketchUp 由于ArcGIS软件中纹理贴图功能不强， 需要将 ArcGIS平台下构建的TIN模型导入到第三方建模软 件中时进行相关操作。目前， 三维渲染效果较好的 主流软件是 3DMax 软件和 SketchUp 软件。为避免 ArcGIS TIN数据转至3DMax软件产生空间位置错误， 先将 ArcGIS TIN 转为 SketchUp 数据， 再由 SketchUp 201 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 数据转换为3DMax数据。应用SketchUp6 ESRI插件 可以方便地将 ArcGIS TIN 数据转换为 SketchUp 格 式， 具体参数设置如图5所示。 3. 3SketchUp文件转3DMax文件 ArcGIS TIN模型转成Sketchup （.Skp） 文件只是一 个中间过程， 目标是转成 3DMax 格式。Sketchup 和 3DMax文件通用的格式非常多， 如.fbx、 .kmz、 .dae等 文件格式。为了保证在转换过程中空间位置的正确 性， 通过试验对比分析， 本研究采用 .fbx文件格式。 同时为了查看模型的中心点坐标， 本步骤同时还要 生成.kml格式文件。 3. 4纹理贴图 首先在 3DMax 软件中导入 .fbx 数据， 并保存为 3DMax数据格式。导入的模型主要分为工作平台和 坡面两部分， 平台面主要是覆盖耕作土， 坡面以种植 爬山虎为例。本研究对平台面、 坡面分别进行了纹 理贴图精细化建模， 结果如图6所示。 4规划模型在SuperMap中展示数据建模流 程 4. 1模型导出 3DMax精细模型导出到SuperMap软件的主要方 法是使用超图公司的max插件。最新的3DMax2014 插件提供两种导出模型， 一种是生成数据集， 另一种 是BIM生成数据集， 后者兼容性更好， 不容易出错且 不易丢纹理信息。SuperMap软件参数设置中最重要 是球面坐标设置， 如果球面坐标设置不正确， 导出的 模型在SuperMap软件中的空间位置就不正确， 并且 无法进行二次设置。因此， 为了保证模型空间位置 的正确性， 需要输入正确的模型球面坐标。模型球 面坐标的获取方法是通过Sketch up软件导出的.kml 模型直接加载到SuperMap软件， 点击鼠标右键查看 “属性” 获得。对于纹理信息， 需确保渲染的多种纹 理图片存在同一目录下。通过上述操作， 可以保证 导出的三维模型位置正确， 纹理贴图不会丢失。“BIM 生成数据集” 参数设置对话框如图7所示。 4. 2SuperMap中平台树栽植 平台上种植树的空间位置需要在AutoCAD软件 中进行设置。在AutoCAD软件中根据平台的高程值 和水平间距通过 “点的输入” 进行布置。将布置后带 有空间位置的点数据转为 SuperMap 软件中的点数 据， 再进行点状符号设置。SuperMap软件自带的三 202 ChaoXing 2020年第7期李小光等 露天矿土地复垦三维可视化研究 维点状符号实质是 2.5 维符号， 三维效果不理想。 SuperMap软件支持第三方软件模型导入点模型， 将 已设置后的火炬树的 3DMmax 模型导入为 .SGM 格 式， 生成SuperMap软件的真正的三维点符号。平台 栽植火炬树的建模效果如图8所示。 4. 3SuperMap软件成果展示 SuperMap软件对倾斜数据的处理方法主要有两 种， 一种是对模型压平， 一种是裁切。本研究生态修 复规划采用模型压平方式对规划部分的现状数据进 行处理。在SuperMap软件球面三维模空间下， 加载 相应的矢量数据、 3DMax转换后模型数据和现状倾斜 摄影测量数据， 按规划设计对现状数据进行模型压 平处理， 得到整个矿区的规则模型。在规划模型中 可以查看规划的整体空间分布、 量算空间距离和面 积、 展示规划效果等操作。在SuperMap中设置了两 个左右视口， 便于将原始地貌和矿区土地复垦后的 效果进行对比， 如图9所示。 5结语 基于无人机倾斜摄影测量获取的矿山现状数 据， 进行了唐山某露天矿区土地复垦设计的三维建 模研究。应用SuperMap软件取得了建模数据与现状 数据无缝拼接的真三维效果。矿区土地复垦规划建 模分为平台、 坡面地形建模和平台栽植树木两个步 骤。平台、 坡面建模通过多种GIS平台数据转换， 保 证三维纹理渲染效果和空间参考不变。建模过程中 的注意点为 （1） Sketchup 数据转 3DMax 数据。Sketchup 数 据转 3DMax 数据有多种格式， 将 Sketchup 数据导出 为 .fbx数据格式， 再导入到3DMax软件中， 能够保证 203 ChaoXing 空间参考不变、 模型大小不变且位置正确。 （2） 3DMax 数据转 SuperMap 数据。利用 Super- Map 3DMax插件将数据导出为 “BIM生成数据集” 模 型， 模型中心点坐标参数应根据 Sketchup软件转出 的.kml格式文件确定。 参 考 文 献 岳境， 刘善军， 张元彩， 等.基于ArcView 3D Analyst的矿山环 境治理恢复的三维景观模拟 ［J］ .矿业安全与环保， 2007 （4） 43- 45， 54. 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