矿区土地复垦规划三维可视化技术

吴 超 王海峰 王世东

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；2.河南省煤田地质局，河南 郑州 450016)

矿区土地复垦规划三维可视化技术

吴 超1王海峰2王世东1

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；2.河南省煤田地质局，河南 郑州 450016)

为了解决传统的二维矿区复垦平面规划不能满足用户对空间数据和属性数据进行表达和分析的问题，研究了基于ArcGIS的矿区土地复垦三维景观模型的构建及可视化方法。利用ArcGIS 平台的3D Analyst模块，建立矿区土地复垦区的三维景观模型，并对复垦区进行坡度、坡向分析和挖填方分析，根据分析得到的数据确定耕地、林地、居民区、道路、鱼塘等景观实体在三维景观模型中的位置、面积及范围，并对三维模型整体区域进行科学合理的景观规划，实现了较大程度的真实场景规划。以焦作市冯营矿区为例，研究了通过复垦区景观三维可视化技术进行规划的应用过程。结果表明，所研究的基于ArcGIS的矿区土地复垦三维景观模型的构建方法直接准确，有助于提高矿区整体土地复垦效率及景观规划的科学性和真实性。

ArcGIS 三维可视化 土地复垦 规划 冯营矿区

随着大数据时代的到来，二维GIS在表达数据的空间信息属性上已经远远不能满足人们的需要。二维GIS技术在矿区土地复垦中的工作方法越来越不适应当前数字化发展的趋势，迫切需要三维GIS在土地复垦中的研究和应用。三维GIS可以通过建立三维模型实现空间数据的三维可视化，直观地表达真实世界的地理要素。伴随着计算机软硬件技术的进一步发展，传统的二维平面规划图的数据表达方式已经不能满足土地复垦科学规划的需要[1]。

目前我国对矿山土地复垦所作的规划大都是平面二维规划图。在矿区复垦规划方面，三维空间规划与二维平面规划相比，可以直观地分析研究区域的地形变化和差异，同时在矿区复垦规划的表现形式上更加真实[2]。利用GIS的三维可视化技术来反映经过复垦规划后的研究区域的土地利用现状，并对规划方案进行评价、对复垦效果进行展示，为进一步制定合理的土地复垦规划方案和进行科学的管理提供了有力的技术支持[3]。本研究基于ArcGIS 平台的 3D Analyst扩展模块来建立河南省焦作市冯营矿复垦区的三维模型，并在其三维场景中对复垦区进行规划，使其满足复垦的各项要求、保证各项指标的合理性和科学性[4-5]。

1 基于ArcGIS的三维可视化技术

1.1 ArcGIS 3D Analyst简介

ArcGIS 3D Analyst扩展模块的核心是 ArcScene应用，用于创建、修改和分析TIN、栅格及terrain 表面，并从这些对象中提取信息和要素。然后通过3D符号系统以及纹理制图，对3D要素和表面数据进行叠加，实现三维数据动态表达，与二维数据静态平面图相比，三维数据更容易为人们所接受和理解。ArcGIS 3D Analyst的主要功能包括表面创建、表面分析和三维可视化等[5]。

1.1.1 表面创建

一定范围内具有空间连续特征的地理要素可以构成连续的表面。通过对研究区域内具有不同空间特征值的点进行插值生成连续的表面模型，以此对真实的地理现象进行模拟。表面模型是三维空间具有空间特征值的连续要素的一种数字表达形式。

栅格表面(Grid)的创建。栅格表面以栅格数据形式呈现，每个栅格表面单元均表示实际信息的某个值，该值可以是高程数据、地下水位高度等。创建栅格表面模型的主要方法为插值法，也可以通过TIN表面转换得到。

不规则三角网(TIN)的创建。TIN是利用各种矢量数据源进行创建的，其中点、线与多边形要素作都可以为创建TIN的数据源。TIN是DEM的一个主要数据模型[6]。

1.1.2 表面分析

表面是由具有各种属性和信息的点组成的区域。在表面创建后，就可以进行表面分析、区域表面特征分析、计算表面坡度信息等分析操作。

1.1.3 三维可视化

ArcGIS 3D Analyst 工具中的ArcScence 扩展模块可以在三维场景中对数据进行浏览和交互。

ArcScence 支持3D符号系统和纹理制图，支持多种方式的动画创建，支持表面创建，支持快速导航、平移和缩放功能，还支持对3D要素和表面数据进行叠加等[7]。

1.2 复垦区三维景观模型的建立

土地复垦规划的三维景观模型主要包括地形表面三维模型、建筑物三维模型、道路三维模型和植被三维模型。

1.2.1 地形三维表面模型的建立

地形表面三维模型是建立矿山复垦区三维景观模型的基础。地形表面三维模型实际上是对研究区域地形信息的三维可视化。地形表面三维模型可以通过基于研究区域内的高程数据建立研究区域的不规则三角网(TIN)，然后在不规则三角网(TIN)上进行格网点的高程内插，最终得到不规则三角网的数字高程模型。图1是利用不规则三角网(TIN)在3D Analyst中建立的研究区域的地形表面三维景观。

图1 研究区DEM模型Fig.1 DEM model in research area

1.2.2 建筑物三维模型的建立

对于相对简单的批量的建筑物，如房屋，只要使用要素属性中的高程值直接在三维场景中进行三维可视化操作就可以得到建筑物的三维模型。图2是利用表示建筑物的点要素所建立的房屋三维模型。

图2 房屋三维景观模型Fig.2 Three-dimensional landscape model of buildings

1.2.3 植被三维模型的建立

在 ArcScence中，通过符号选择器对表示植被的点要素进行3D符号化来对植被树木进行建模。在土地复垦规划中一般都存在不同的树木,如林地、路旁树、复垦后矸石山上的草本植物和灌木植物等,同时对于同一个区域的大量同一树种可以批量生成。图3是利用表示植被的点要素类型进行3D符号化建立的树木模型。

图3 树木三维景观模型Fig.3 Three-dimensional landscape model of trees

1.2.4 道路三维模型的建立

道路的三维模型主要是通过对表示道路的线要素进行矢量化编辑实现，并在其属性中定义高程表面。

2 实例分析

2.1 研究区概况

焦作煤矿作为中国较早一批创建的煤矿，经过百余年的开采，许多老的煤炭资源已经枯竭，其中就包括冯营矿矿区。冯营矿区位于焦作市马村区安阳乡，地理坐标在北纬35°10′～35°21′，东经113°4′～113°26′。研究区处于平原与丘陵过渡区，地势由西北向东南倾斜，由北向南渐低。研究区属于温带大陆性季风气候，日照充足，冬冷夏热、春暖秋凉，四季分明。研究区总面积达1 484.12 hm2，煤矿开采所造成的塌陷地面积达 577.93 hm2。

2.2 建立研究区三维景观模型

通过对研究区域内的土地利用现状及矿区土地破坏现状进行实地调查，采用“因地制宜，综合整治，宜耕则耕，宜林则林，宜渔则渔”的原则，满足土地可持续利用的要求。在塌陷荒山上种植林木；被塌陷破坏的农用地通过整治后，恢复耕地生产力；煤矸石可用作建筑的原料；塌陷积水区可发展渔业。为了更加真实地反映矿区规划后的复垦效果，在二维规划相关数据的基础上，采用上述的三维可视化方法技术对冯营矿复垦区进行空间三维景观模型构建[8-9]。

图4为冯营矿复垦区初始的二维平面规划图，图5为进一步规划后最终的复垦区三维景观模型。图6为复垦区部分景观三维模型，其中包括林地景观，矸石山景观，鱼塘景观和居民区景观[10]。

2.3 研究区三维景观规划

利用冯营矿复垦区三维景观模型对研究区整体区域进行合理的空间景观规划，能够使研究区规划方案更具科学合理性。通过3D Analyst和Spatial Analyst模块可以实现三维空间分析，如土方量计算、视域分析、缓冲区分析、坡度坡向分析等。冯营矿矿区景观的规划目标是将该园设计成为集耕地、林地、居民区、鱼塘等景观于一体，兼顾土地恢复与耕地保护的综合性景观规划。研究区的景观规划是在完成整个研究区内的三维景观模型之后进行的，规划的原则是注重治理恢复，科学生态重建，使整个研究区域复垦效果、景观规划更加科学合理美观[11-12]。

图4 复垦区二维平面规划图Fig.4 Two dimensional planning of the reclamation area

图6 部分景观三维模型Fig.6 Three dimensional model of parts of landscape

2.3.1 坡度、坡向分析

规划方案对研究区域的现状进行了一些改变，对研究区进行坡度、坡向分析，可以确定区域内高程值改变量的最大变化方向，可以较直观地观察研究区域内坡度的变化情况，结合实地调查结果，选择合适坡度的区域，铺设公路，建设居民区。同时也可以计算一定坡度范围内的区域的面积，如坡度在0°～10°的区域面积为1 088.90 hm2，占研究区域总面积的82%；坡度在10°～20°的区域的面积为169.25 hm2，占研究区总面积的13%；坡度在20°～30°的区域的面积为12.74 hm2，占研究区总面积的1%；剩下的区域面积为51.1 hm2，占研究区总面积的4%，其坡度在30°～45°之间。

2.3.2 填挖方分析

对研究区内进行坡度分析，并基于该区域内填/挖前后的2个表面进行填挖方分析，根据填挖函数生成的栅格数据，可以观察出研究区内表面物质变化的区域以及表面未发生变化的区域。研究区域内需要恢复的耕地、居民区和鱼塘的面积占了很大的一部分，对耕地、居民区和鱼塘所在区域规划前后的栅格表面进行挖填方分析，以此来确定居民区和鱼塘的填挖区域及其体积。最终经过计算，研究区内搬去土方量为3 594万 m3，填入土方量为 2 527万 m3，外运土方量为 1 067万m3。

2.3.3 研究区规划总结

在对研究区三维景观进行规划时，将研究区域分为5个部分，分别是北部丘陵地区建设为林地，西南部的矸石山建设为矸石山游览景区，东部建设为居民区，东北到西南和西南到东南2条道路，剩下的区域全部规划为农用地。其中林地的规划总面积为345.41 hm2，绿化植被选择槐树、白杨等树种，植被栽植的排列方式采用正方形栽植，便于施工和抚育管理；矸石山游览区的规划面积为27.01 hm2，绿化植被选择紫穗槐；居民区的规划面积为186.59 hm2，房屋建筑采用5排×7列的排列方式，考虑到矿区居民传统生活方式，房屋均建设为低层楼房；鱼塘总面积为35.15 hm2，采用1排×3列的排列方式，鱼塘周围种植柳树；东北到西南方面的道路规划长度为4 758 m，西南到东南的道路规划长度为2 525 m，路宽均为40 m，道路边绿化植物选择耐湿防火并且耐化工气体的树种白杨，可以吸收一些有害气体，树间距为3 m，东北到西南方面的道路规划种植1 586棵杨树，西南到东南的道路规划种植841棵杨树。

将ArcGIS的三维可视化技术应用于土地复垦规划和区域景观规划中，通过建立研究区的三维景观模型，直观地反映了研究区域内地理现象的分布和变化特征，如研究区的地形、地貌变化，复垦前后用地类型的变化以及分布特点等等。实现了图形图像间的密切配合，减少了土地复垦规划中的不确定性，在研究区内一体化的环境中分析三维景观模型的空间属性和空间关系。方便了解复垦区的土地资源分布状况，为制定合理的土地复垦规划提供技术支持和决策支持，便于实现土地可持续发展、保护耕地等要求。同时也可以通过建立3D GIS系统，利用3D数据库查询三维地理数据信息，优化区域空间配置，提高复垦规划的效率，实现数字化土地复垦规划。

3 结 论

本研究通过ArcGIS软件平台，将三维可视化技术应用到矿区土地复垦的规划中，实现了城市规划、土地复垦、生态重建、GIS技术、三维建模等多个学科的交叉应用。对复垦区进行三维可视化处理突破了传统意义上的二维平面规划图的设计思想和内容表达方式，通过建立复垦区初步的三维规划景观模型，并在 ArcScence的三维场景中对复垦区进行空间规划，得到复垦区最终的三维规划景观模型。这样可以准确地反映矿区复垦规划中的整体空间分布情况，更加直观地展示矿区的复垦效果和规划效果，也对复垦工作的施工管理提供了可视化管理和分析决策的功能，同时在三维模型中规划可以进一步对矿区原有的自然环境进行保护，更好地治理和恢复被破坏的矿山生态环境。本次研究在一定程度上说明了通过GIS技术来建立三维模型，并在三维空间中对复垦区进行二次规划来提高复垦效果、科学规划的可行性，同时也对实现科学合理的土地复垦规划具有重要意义。

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(责任编辑 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

国家自然科学基金项目(编号：41301617)，河南省科技攻关项目(编号：142102310033，142102310513)，中国煤炭工业协会指导性计划项目(编号：MTKJ-2013-310)，河南理工大学博士基金项目(编号：B2014-016)，河南省高校科技创新团队支持计划项目(编号：13IRTSTHN029)。

吴 超(1990—)，男，硕士研究生。

T208

A

1001-1250(2015)-11-128-05