农地整治的三维建模及可视化研究

邹富+李爱迪++林勇刚

摘 要：将GIS、三维建模及可视化技术与农地整治工程相结合，探索真实模拟农村土地整治规划前后景观的方法。以重庆现代农业高科技园区为研究区，采用GIS建立地形模型，然后对地形模型进行编辑表现出真实水田、道路、沟渠等现状地貌特征，嵌入3ds Max构建的单体模型，获得土地整治前的三维景观场景。根据规划设计图来构建土地整治规划后的虚拟场景。将整治前后的三维场景导入Skyline中，通过距离量测、坡度查询等功能判断规划设计的合理性，以便对规划方案进行调整并加以完善。结果表明，此方法可以对农村土地整治三维场景进行直观真实表达，在土地整治规划设计工作中起到重要辅助作用，提高土地整治的效率以及规划结果的科学性。

关键词：农地整治；三维可视化；Skyline；3ds Max

中图分类号：F299 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170133161

引言

土地整治是指对低效利用、不合理应用、未利用的土地进行治理，对生产建设活动破坏和自然灾害损毁的土地进行恢复利用，提高土地利用率的活动[1]。土地整治是区域规划的重要一环，是建设社会主义新农村的重要组成部分。如何科学的、直观的进行土地整治，确定最佳合理的整治方案，是摆在土地整治工作部门的一个重要课题[2]。传统的土地整治项目中大多采用CAD软件在二维的土地利用现状图和地形图上来进行规划设计，但由于二维平面规划设计的不直观，使得规划设计时受设计者的主观性影响较大。同时，基于CAD的规划设计成果单一，并且专业性强，非专业人员在无专业人员指导下很难看懂。因此，在规划设计、成果展示方面应突破二维平面设计，体现出田、水、路、林、村等地理信息的空间特性，实现规划成果的三维立体化、直观化，使得规划成果让非专业人员也能轻易看懂。

近年来，已有一些学者将GIS和虚拟现实等技术引入到农村土地整治规划设计中[3-9]，雖然在成果展示等方面取得了不错的效果，但还是存在一些不足之处，主要在于土地整治三维场景效果表现一般以及场景细节展示不够，无法完全体现出三维GIS能够真实表现现实世界的优势。本文从这点出发，力求在土地整治规划基础上，对农村土地整治前后的三维地表景观进行真实表达，使土地整治变得科学化、直观化，能够对土地整治规划设计起到重要辅助作用，从而提高土地整理规划的效率。

1 前期准备

1.1 农地整治规划主要内容

农村土地整治规划包括土地平整工程规划、田间道路工程规划、灌溉与排水工程规划、农田防护与生态环境保持工程规划和其他工程规划。农地整治规划的目的是实现对田、水、沟、渠、路、林、村等土地上各大要素的进行统一安排，做到田成方、树成行、路相通、渠相连、旱能浇、涝能排，增加有效耕地面积，提高耕地综合生产能力。

1.2 技术路线

通过地形图提取高程点构建整治区地形模型，在地形上叠加高分辨率影像纹理，对地形模型进行编辑表现出真实水田、道路、沟渠等现状地貌特征，并嵌入其他三维地物模型，对场景进行组织整合，完成农村真实三维农田景观的构建与展现。根据土地整治规划设计数据，在现状场景的基础完成农地整治规划的三维地表景观，表现出道路、条田、水平梯地、坡式梯地、单体工程等工程的整治效果，实现规划前后农村土地整治景观的可视化。

1.3 数据处理及平台选取

1.3.1 数据的收集与处理

本文收集到试验区 1：500地形图及在地形图上进行的土地整治工程规划设计图以及0.26m的Google最新影像。

对地形图进行高程点、现状道路等数据的提取，根据需要通过ArcMap完成数据格式转换、坐标投影变换和影像配准处理等操作。建立地形之前，在ArcMap中对地形图中的高程点数值进行检查，对有异常的高程点进行处理。异常情况包括高程点为0以及该点高程值和周围相差很大等。

1.3.2 平台选取

操作平台是建立三维可视化的基础。本文选取ArcGIS作为基础数据处理平台，选取3ds Max作为场景构建的基础平台以及选取Skyline作为三维场景的展示平台。ArcGIS主要用于基础数据的处理、地形模型构建及输出。3ds Max作为功能强大的建模、动画制作软件，主要用于对地形模型进行编辑以表现出真实水田、道路、沟渠等农田景观特征。skyline主要用于构建地形数据库、农地规划前后三维场景的展示、功能应用、场景出图、发布、打包及共享等。

2 地物三维可视化的表达

2.1 农地整治现状三维场景的构建

2.1.1 地形不规则三角网

不规则三角网 （TIN） 以数字方式来表示表面形态，是基于矢量的数字地理数据的一种形式，通过将一系列折点采用某种插值方法组成三角形来构建，通常采用 Delaunay 三角测量法。离散多点是 TIN 中的主要输入要素，它们将作为 TIN 网中的结点，由它们来决定表面的总体形状。在表面变化程度较大的区域使用较多的离散点来模拟，而在表面变化程度较小的区域使用较少的离散点来模拟，这样可以对非均匀表面进行有效建模。TIN 通常用于较小区域的高精度表面建模。本文利用ArcMap中的 3D Analyst 工具箱对高程点内插生成试验区的TIN文件。

2.1.2 影像纹理映射

地形表面模型生成后，在ArcScene中叠加Google影像可以浏览地形表面形态，了解地势高低起伏情况。将场景导出为.wrl的3D数据格式并导入3ds Max中，将影像以贴图的形式映射在地形模型之上，构建出初步的土地整治现状场景，可以观察当前土地利用分布情况，便于从整体上对区域进行规划布局。

2.1.3 现状场景要素构建

根据土地整治规划的内容来看，农地场景对象要素主要包括山坪塘、水田、地块、道路设施、沟渠、建筑物等。其中山坪塘、水田、地块、道路、沟渠等对象的建模方法相似，即根据影像或者导入地形图中相关要素cad数据来确定对象边界线，在3ds Max内对地形三角网进行切割、挤出、内插、移动等操作，然后赋予贴图材质，表现出真实的农村景观。其中，多余线和顶点的移除可以减少数据量，多边形的内插和移动形成了水田的田坎模型，局部顶点调整确保水田的地面基本是一个水平面，以模拟实际真实情况。

2.1.4 独立地物模型构建

独立地物主要包括居民点、建筑物、农田水利设施、桥梁、电杆等。这类地物一般都属于单独的建筑体，使用建模软件3ds Max对其进行建模，配合使用Photoshop进行纹理图片的处理。

2.2 农地整治规划后三维场景的构建

结合现状三维场景，对土地整治区域进行现场踏勘并记录，了解现场地形起伏情况，结合土地整治规划设计需求，在土地整治设计中依据规划思想，遵循规划目标、原则和标准，对土地利用方向、农田水利工程、道路工程、防护林工程等规划的重要方向进行结构调整，确定整治规划布局思路，并在基础地形图上进行规划设计。农地整治规划设计图可以从宏观上查看土地整治规划后的道路走向、土地利用分布情况、村落位置布局等内容。提取土地整治规划后的地块范围线、台面高程设计线、土地平整区、条田整治区、道路、田坎等数据，在现状三维场景基础上，利用上述模型构建方法完成规划后虚拟场景的构建。

2.3 农地整治场景的组织与整合

地物与地表的整合就是处理不同要素类的覆盖问题以及对地形的局部修改，使场景要素和地形的衔接更加自然。通过影像或现场踏勘记录以及规划设计的需要，将构建的村庄房屋模型、道路、桥梁、ArcGIS自带的模型库等模型嵌入到相应三维场景地形之上，并对地物与地形的具体关系进行一定的组织整合，对地形或建筑物进行局部修改，使地形与地物模型的衔接更加自然。对各类地物的关系进行一定的规划组织，形成合理、美观的农村土地整治三维场景，真实地反映地物之间的关系。

3 应用

本文選取重庆现代农业高科技园区土地整治示范项目为试验区。项目区内原土地利用类型主要以耕地、园地为主，现原有农村居民点已拆除，采石场已废弃，现状园地和林地因利用效果差已经整体砍伐；区内地势起伏不平，部分区域土质条件差，利用程度低；田块分散、小块，加之基础设施薄弱，机械化程度低。

本项目土地平整工程规划主要包括水田条田整治、旱地水平梯地整治和坡式梯地整治。根据地形在项目区的南园和北园因地制宜的纵向布置主干道，由各个产业功能分区至主干道的连接为次干道，再根据各个分区内部种植结构对农业机械类型和机械化程度的要求，布置相应机耕道、耕作道和便道，确保项目区田间道路通达到每个田块。灌溉排水设施主要以区内的7口山坪塘为骨干水源，构建以“山坪塘—泵站—蓄水池—供水管网”的供水系统。同时，通过新建景观生态沟使北园的两口山坪塘连通，构建园区的水资源生态循环系统。

综合利用GIS、三维建模及可视化技术实现了具有强烈真实感的农地整治三维立体场景的构建，将农地整治前后三维场景导入Skyline进行展示，通过距离量测、坡度查询等功能以判断规划的合理性，以便对规划进行调整并加以完善。图1、图2分别为土地整治规划前后对比效果。

4 结果与讨论

本文借助ArcGIS、3ds Max和Skyline平台，实现了农地整治试验区土地利用现状三维的地表模型与规划设计后的三维地表场景，直观展现园区规划前后的变化情况，真实地反映地物之间的关系，体现了园区田、水、路、林、村等地理信息的空间特性。农地整治的三维可视化突破了二维平面设计的局限性，减少了平面设计时的主观性，对规划成果的展示做了有益的补充与完善，为高效率、高质量、高水平的完成土地整治规划工作以及施工前的可行性论证提供了可靠的保证。研究成果在土地整治项目规划设计汇报、评审中发挥了重要作用，得到了与会专家和领导的一致好评。

农村土地整治规划设计与三维GIS技术的结合是其未来发展的必然趋势。三维GIS平台为土地整治中涉及农田、村庄、道路的规划设计、土方量计算、资金预算等工作提供了更为科学的解决方案，为建设资源节约型、环境友好型的社会主义新农村提供了重要的技术支撑。

参考文献

[1]国土资源部土地整治中心.土地整治100问[M].北京：地质出版社，2012.

[2]张志谭.浅述三维GIS在土地整治中的应用[J].测绘通报，2010 （8）：65-67.

[3]朱海勇.土地整理规划三维地形模型编辑研究[D].北京：北京建筑工程学院，2012.

[4]肖辉平.基于CityEngine的农村土地整治三维设计技术研究[D].南昌：江西农业大学，2014.

[5]张晓环.基于GIS的土地整治工程设计辅助系统设计与实现[D].西安：西北大学，2013.

[6]李晓燕，姜广辉，胡磊，等.基于GIS与虚拟现实的土地利用总体规划仿真展示平台设计[J].国土资源遥感，2014，26（4）：

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[7]徐榕焓，张海涛，陈家赢.基于GIS与虚拟现实技术的土地整理规划研究[J].数学的实践与认识，2010，40（4）：33-38.

[8]张聪.基于三维可视化技术的土地整治建设研究[J].城市规划，2015，5（10）：33-38.

[9]李睿璞，卢新海，马才学.基于GIS的农地整理三维可视化[J].农业工程学报，2010，26（5）：302-305.

作者简介：邹富（1989-），男，工程师，主要从事国土资源和房屋管理的三维可视化应用研究。