矿山环境治理实景三维设计软件的开发与应用*

杨 帆

(山东省地质测绘院，山东 济南 250002)

0 引言

近年来，随着“新型基础测绘”“实景三维中国”“数字孪生城市”等新型项目的实施，测绘地理信息行业正经历前所未有的变革。表现形式从“象形符号”“比例尺地图”“4D产品”到“三维地图”；数据结构从固定的地理对象到可扩展、无尺度的实体单元；应用场景从静态数据到实时大数据等方向转变。三维可视化技术作为数据底图成为不可或缺的一部分，其中，以三维激光扫描、无人机倾斜摄影测量为代表的三维可视化技术得到充分发展和应用。

随着“绿水青山就是金山银山”理念的持续推行，矿山生态环境保护与恢复治理相关的需求日益增多。但在矿山环境治理方向，大量高精度、强表达、多应用的源数据没有被充分利用，多数技术人员仍然使用大比例尺地形图进行设计。例如，依然根据密集的等高线、高程点、各种抽象的地形符号进行土石方量计算、量取剖面、布置治理工程；提供二维图纸成果用于专家评审、现场调查、成果汇报等工作。本文以矿山环境治理实景三维设计软件的开发与应用为案例，详细介绍三维可视化技术在矿山治理设计方向的思路与实现方法。实现了在实景三维模型、点云上进行全自主空间量算、自定义削坡覆土、一键植被绿化、参数化三维建模、工程量计算、地质剖面建模等功能。从三维设计、方案展示、数据管理3个层面，为矿山治理工程设计、方案评审、政府管理等提供了全面解决思路。

1 实景三维设计软件开发

1.1 基础数据源

传统矿山环境恢复治理设计人员普遍使用CAD格式电子地形图进行设计，新型测绘地理信息技术提供4D产品、实景三维模型、点云等成果。为实现多源数据的充分利用，保持设计工作的连贯性与共享性。系统开发数据源包含OSGB 实景模型、MAX 模型、LAS 点云、矢量SHP数据、DXF二维地图、KML数据、MDB数据库等数据。其中，三维模型是功能开发重点，包含倾斜摄影模型和人工模型两大类。其他类格式数据从对比参照、存储调用、表达渲染等方向开发。

1.1.1 倾斜摄影模型

倾斜摄影建模是通过摄影测量原理，将多源航片转化为高分辨率的、带有纹理图像的网格三维模型。通过对获得的相片数据进行像控点布测、空三解算、三角网(TIN)构建、自动赋予纹理等步骤，最终得到实景三维模型。

1.1.2 人工模型

人工建模步骤如下：

1)几何网格搭建，通过部件标准尺寸图、地形图等相关图件在建模软件中实现；

2)纹理贴图，通过航空航天遥感、街景地图以及地面相机拍照等手段进行纹理采集；

3)模型渲染，通过对材质、灯光等调节，实现模型纹理贴图的光影表达。

通过以上步骤实现标准化的人工模型，为功能开发阶段的三维模型库提供数据支撑。

1.2 设计目标

依靠二维平面图设计，数据的采集手段较为落后，采样点间隔较大，难以表现出矿区准确的地物地貌状况。即使是经过专业技术人员二次加工的平面图、剖面图等资料，它们所反映的数据依然是离散的、有局限性的。设计人员不能直观地观察设计方案，实际效果仅能通过实地操作验证。原型设计阶段，将测绘地理信息、地质专业的技术文档转化为可操作的功能原型。搭建用户与开发人员之间沟通的桥梁，设计开发目标。

1)直接在实景三维矿山模型上进行设计，解决二维数据空间分析局限性问题；

2)为设计人员开发自动化、参数化一键建模工具，实现快速实景三维设计；

3)基于实景模型的自定义削坡覆土和工程量计算，提高计算精度；

4)实现设计成果三维展示，专家评审一目了然。

1.3 系统开发

1.3.1 系统模块与开发流程

该系统使用C++语言、基于OpenGL图形库，经过需求调研、概要设计、详细设计、开发测试、实施维护等开发流程，实现了矿山环境治理实景三维设计软件的开发与应用。将多源数据无缝叠加融合，实现了数据管理、空间分析、治理工程、汇报展示等功能(见图1)。从三维设计、方案展示、数据管理三个层面，为矿山治理工程设计、方案评审、政府管理等提供全面解决方案，达到三维地理信息成果替代二维测绘数据的效果。

图1 矿山环境治理实景三维设计系统模块组成

1.3.2 系统实现的主要功能

该软件实现了在实景三维模型上进行快速三维设计，通过设置角度、材质、高度、宽度、大小、类型等参数，在三维模型上快速搭建参数化挡土墙、排水沟、格构、挂网等治理工程；实现了基于三维模型的土石方量、削坡工程量、土建工作量计算；可使用笔刷工具，批量布置绿化工程；打通与CAD软件的交互功能，方便断面、等高线的导入导出；可批量导入钻孔数据，生成三维地质剖面。设计人员可利用此软件快速完成设计工作(见表1)。

表1 矿山环境治理实景三维设计软件的主要功能描述

2 软件应用优势

2.1 提升矿山治理工程三维建模效率

传统的三维建模方法通常使用3dsMax、AutoCAD等建模软件，基于影像数据、CAD平面图或者拍摄图片估算轮廓与高度等信息进行治理工程搭建。这种方式制作的模型数据精度较低，纹理与实际效果偏差较大，需要大量的人工参与，数据制作周期较长。矿山治理设计人员普遍不具备三维建模技术功底，加大了传统建模技术在矿山设计行业的应用难度。

本文所开发的软件利用基于多源异构数据的参数化三维建模技术，能在三维模型上快速实现挡土墙、排水沟、格构、挂网等治理工程布设的功能，提高了约50%的三维建模效率。

2.2 提高土石方量计算的精度

传统土石方量计算方法多是以1∶500比例尺地形图为基础，使用方格网、断面线、几何体等方法计算土石方量，按照制图标准高程点间距为15 m，以此为基础进行的土石方量计算误差较大。本软件开发了基于实景三维模型三角网进行工程量计算的算法，模型三角网间距为15 cm(满足1∶500比例尺地形图要求的航摄图分辨率为5 cm，以此分辨率搭建的模型分辨率通常是航摄分辨率的3倍)。该方法从数据源头提高了方量计算精度。以某项目为例进行实地开挖验证，结果见表2。

表2 开挖验证数据对比

矿山治理施工开挖过程受现场环境影响较大，评价验证阶段开挖面积有所偏差，但通过表2数据对比可看出，三维模型法计算的土石方量较传统方法精度更高，达到了替代传统计算方法的目的。

2.3 展示三维可视化设计方案

近年来，三维可视化技术发展迅速，但是在矿山环境治理方向，直接利用实景三维成果进行设计工作的同类产品不多。通过软件搭建三维设计方案，达到了直观、便捷、快速、美观的效果。矿山治理效果见图2。

图2 矿山治理效果图

3 结束语

矿产资源是人类社会赖以生存和发展的重要资源，矿山开采为人类经济发展做出了重要贡献，但同时也破坏着人类赖以生存的自然环境。充分利用本文研究成果进行矿山环境恢复治理设计，能直观、便捷、快速实现露天开采矿的方案设计，同时能精准计算工程量，对于矿山环境治理恢复有着传统设计方法无可比拟的优势。主要有以下两点：

1)根据多源异构数据整合的增值信息，利用三维GIS软件开发技术，打破了传统依靠二维地形图分析、设计的作业方式，提高了数据空间分析与工程量计算的效率和准确性，实现了设计方案的直观展示。

2)突破使用单一数据源的局限，发展多源异构数据无缝叠加与融合方法。实现不同尺度、不同语义的多源数据的融合展示，解决成果交付方式单一、信息资源共享率低的问题。

随着软件研究的不断升级，未来可拓展服务于自然资源监测，高标准农田建设、美丽乡村规划、山水林田湖草等工作。此外，将实景三维数据作为底图，叠加建筑BIM、民生数据等多种类别数据服务图层后，还可在交通、人防、农业、水利、消防、电力、应急、环保、医疗等各个领域拓展相关应用，能够为城乡政府提供决策参考，为企业和居民提供相关服务，大幅减少政企相关领域的重复投入，并增强决策和民生服务的现实性和时效性。