虚拟现实技术下矿山生态修复初探

任冬焕 杨旭照 刘焕 魏琳

摘要：指出了随着计算机技术的快速发展，虚拟现实技术迅速应用于各个行业。通过虚拟矿山要素山体、植被的技术实现，在虚拟现实技术条件下对矿山地形设计及植被恢复进行了探讨，以周边自然地形为模板建立科学稳定的水文盆地，逐步发展先锋一过渡一稳定的植被群落以达到良好的矿山修复效果。初探结果表明：虚拟现实技术在矿山生态恢复的应用，可以直观地审视设计对象，提高设计效率，有助于管理部门正确决策和提高公众参与设计能力。

关键词：虚拟现实技术;植被设计;矿山修复;初探

中图分类号：X32 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0055-02

1引言

虚拟现实（virtualReality，简称VR）技术是一门综合性信息技术。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络等技术的最新发展成果。利用计算机创建一种虚拟环境，通过给用户提供视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等各种直观的事实感知的交互手段，达到模拟现实的效果，为人类探索和研究宏观世界与微观世界提供了极大的便利。

传统的矿山修复设计多采用抽象的形式表达丰富的内容，如用平面图、立面图、剖面图和一些规定的符号来表达地形、道路、植被，只有经验丰富的专业人员才能完成，严重阻碍了方案设计和施工的交流。应用虚拟现实技术可以生成三维的虚拟矿山，直观的显示矿山边坡与植物分布情况，便于相关人员进行互交式的观察、讨论、分析，为矿山生态修复的探讨提供了便利的条件。

2虚拟现实技术下矿山要素的实现

虚拟现实的软件技术是实现VR技术应用的关键，随着计算机的性能突飞猛进、VR软件迅速发展，使得VR技术在各行业的广泛应用成为可能。目前虚拟现实软件种类繁多，较为流行的有MultiGen Greator、Vegaprime、OpenGL、VRML等，它们在不同的领域有其不同的特点。研究矿山生态恢复主要体现在地形改造及植被恢复状况，所以本文侧重于地形及植物景观的表现。

2.1矿山要素的虚拟实现

在矿山治理中，体现一个矿山生态修复的成功与否，最重要的是建立一个安全稳定的地形及其植被的恢复情况，因此对地形及植物要素的虚拟技术表现是探讨矿山生态修复的必要条件。

2.2.1地形要素虚拟实现

地形是景观的载体，地形设计奠定了矿山生态修复的基础，虚拟现实技术的应用弥补了传统地形设计直观性差的特点。在vpr三维互动仿真平台的建模是基于3dmax软件基础下的模型构建，因此常见的地形建模有2种方法：一是如果地形变化不是很复杂则可以选用手工生成地形的方式。根据地形图在3dmax中跟踪绘制等高线，然后根据每根等高线的高程移动相应的高度，应用几何体下——复合对象——地形命令将各条等高线加入地形型中，这样地形就大体形成了。二是对于复杂的地形，采用绘制等高线方法将会非常困难，因此在建模过程中常常借助灰度图像，利用图像的灰度明暗变化来改变对象的表面结构以形成高低错落的地形地貌。可以将设计的地形用Photoshop处理成一张灰度图，在3DSMAX中建立可编辑的面片，通过位移（displace）修改器命令加载处理的地形灰度图，使三维物体对应图上亮的地方产生凸起，而亮度的不同会导致凸起的程度不同，就可以得到想要的地形模型，最后对建立的模型加入纹理贴图就可以完成对矿山的虚拟实现。

2.2.2植物的景观模拟

植物是体现矿山生态恢复的重要元素，为生成可从不同角度观察的虚拟景观，采用Billboard公告板技术，对场景中树木进行建模。由于树木的结构复杂，采用基于几何的建模方式会增加场景的复杂度。通过采用Billboard技术，可以达到真实感和场景复杂度的折中，一部分Billboard物体，可以在使用者浏览时动态的改变自己的坐标，以坐标的Z轴为Axis of Rotation旋转从而使物体永远面向浏览者;另一部分使用十字相交建模方式，令使用者从各个方向观看都能基本全面的看见完整的物体。根据不同的情况分别使用两种方式，以达到最佳的视觉虚拟效果。

3虚拟现实技术下矿山生态的修复初探

3.1地形与生态修复

水土资源是生态修复保护的对象，也是植被衍生繁殖的最基础条件。离开了水和土，开展生态修复也就没有条件，因此对矿山的生态系统进行恢复，成败主要取决于地形的重建。许多恢复工程的失败就在于其地形设计不能维持生态系统的功能或者造成地表径流和沉积物的输出严重污染下游生态系统。地形设计的影响因素很多，应该针对不同的情况，因地制宜的制定合理的改造方案。

地形设计的目在于使土壤表面的侵蚀力（水流）和土壤物质产生的保持力（土壤物质的构造力、表面沉积物的粘合力和植被效应）之间找到一个平衡。目前地形设计常用的方法是以恢复到地理形态学上的稳定为目的，对矿山边坡进行削坡，形成30°斜坡并带有排水沟的形式发展。这种形式的地形存在一些问题，如不能有效地保持水分和抵抗强烈水侵因而不能支持自然或农业生态系统。此外，这种地形还增加了径流量和河道沉积物，这会对自然环境产生不利的影响。因此，这种在地理形态上稳定的地形在生态学上是不稳定的。目前我国的的地形设计形式都趋向于地理学形态上的稳定，而且设计过程中更多的是依赖于实际经验。这种缺乏理论指导的设计理念就是许多裸露采矿山恢復工程失败的原因之一。把地形和土壤性质、植被因素综合起来考虑是重建稳定生态系统所必需的思想，才能达到系统的自我维持并且与周围环境有机结合起来，改善环境。

城市周边的自然山体是各种生物生存的场所，为人类提供了良好的生活环境，为人类从事地形的改造提供了自然的模板。科学的地形设计应该基于地貌学和水文学原理，把水文学盆地当作重建地形中一个自然单元。地形其实是由一个个独立的水文学盆地组成的，盆地又由许多坡面和水道构成，这样的地形具有稳定的结构防止强烈降雨的破坏。需要进行管理的主要是盆地表面，水道的密布程度和类型，坡面和水渠形态以及用以控制径流量和沉积物输出的一些工程措施（沉积物收集器、调节池、水道保护系统等）。因此，重建具有自然功能动态成熟地形可以通过对周边自然景观的比较分析以确定自然地形保持稳定所具有的坡面尺度、坡长、凸度等，从而在这些方面以及排水沟等进行模仿。这样。如果土壤能恢复到自然状态而且复垦效果明显的话，重建景观的水文学和侵蚀特征就会和自然地形相似，以达到矿山生态修复的目的。

在虚拟现实技术条件下，对矿山地形的设计，能够很直观地表现改造后的效果，以及随时随地的可以对地形设计进行调整，避免决策的失误，为项目开发的设计和施工提供了极大的便利，减少一些不必要的损失。

3.2矿山植被的生态修复

生态环境修复应在保证边坡稳定的前提下，采取工程措施与植物措施相结合方式进行，主要措施就是植树种草，因此利用生态学原理营造一个良好的植被恢复生态系统，对于改善矿山景观起着重要的作用。

丰富的植被类型和高绿化覆盖率对矿山景观恢复有重要作用，乔灌草综合绿化比单一草本绿化视觉效果更好。四川大学辜彬教授对sd评价方法进行因子分析，选取“协调性、舒适性、绿化量、美观性”作为矿山评价的综合指标。绿量多少、有无层次感、变化丰富与否都很大程度影响到公众对矿山评价的主观判断。因此，一个良好的矿山植被生态恢复方案，必须从时间、空间、植物多样性等方面综合考虑，建立一个乔木、灌木、草本相结合，层次分明、物种多样的稳定植物群落，才能够达到理想的效果。

4结语

应用虚拟现实技术，生成逼真的矿山虚拟环境（virtual Environment），真实的反应矿山的地形地貌，这样在矿山生态修复的研究中，设计者可以置身于矿山虚拟环境下直观的审视矿山，拟定合理的生态绿化方案，为矿山生态恢复设计和施工提供实时修正，也为从事矿山生态修复的管理部门提供直观而科学的决策依据。