三维可视化技术在矿山环境修复中的应用与研究

2020-12-29张耀肖超钟鑫张赫然

矿产勘查 2020年12期

张耀，肖超，钟鑫，张赫然

（美丽华夏生态环境科技有限公司，北京 100176）

0 引言

近年来，随着科学技术的不断进步，三维可视化技术以其诸多的优势而广泛应用于景观、建筑、室内、规划等领域（杨琼，2015）。由于其可视化的空间视觉体验与矿山治理方面需求相吻合，从而也向生态环境修复领域发展（沙金磊，2019）。可视化软件强大之处在于它是将出色的高精度图像展示和快速高效的工作流程相结合（王娟等，2012），为用户节省了时间、精力和成本，既能够为设计者快速制作出高级别影视动画和静帧作品，同时它也可以完成现场演示工作（李海海，2017）。

本文以山西省忻州市宁武县矿山环境治理为例，地理坐标：东经112°03′～112°07′，北纬38°47′～38°51′。用原始高程点在Rhino 软件生成原始地形，再运用CASS 软件将设计好的地形正射在原始地形之中，Sketchup 建模及分层，最终使用Lumion软件来展现三维可视化模型。

本文运用3 种各有千秋的可视化软件还原治理后的矿山地质环境，把景观设计中的表现手法运用到矿山环境治理中，解决了矿山环境治理在三维可视化中的表现问题，使矿山环境治理也有景观设计的表现形式，增加更直观的感受（赵晶等，2013）。

1 研究目的

我国的工业化一直处于高速发展的阶段，快速发展的同时，对生态环境破坏也异常的严重（钱倩媛和吴国源，2020）。废弃矿山作为工业废弃地的一类，矿山对土地、生态、环境、水系等危害很大，工矿废弃地长期占用土地资源，严重地制约着当地的经济发展。

长期以来对矿山环境多以农学、地质学、林学、土壤学、城市规划、环境科学等相关学科进行研究的（李琳琳，2018），本文将景观设计专业软件应用到矿山环境治理过程中，目的是以景观设计的角度直观地呈现修复前后的矿山环境，形成鲜明的对比，进而提高各地区的生态环境保护意识，改善区域的生存环境质量（唐良智等，2018），提高当地居民生活的幸福指数，为当地吸引更多的社会投资，提高区域的经济效益，实现生态环境、经济社会、民俗文化、景观美学的和谐统一（秦丽霞，2016）。

运用景观设计专业进行效果表达的方案最重要的内容为建模和分析方法，可以完美呈现治理思路及景观效果（李欣娟，2019）。一般而言，建模的技术手段较多，其各类建模软件所擅长的领域也不尽相同。经过现场调查及技术分析，本文将选用Rhino 软件来进行数据可视化，选用SketchUp 软件进行三维模型的构建，选用Lumion 软件进行效果图、视频的可视化呈现。

2 三维可视化制作步骤

2.1 软件介绍与优势

Rhino 软件可创建、分析、转换NURBS 曲线、曲面和实体，可以在复杂的角度、尺寸随意编辑。用户界面常快速的将数据表示成图形，3D 制图法，无限制的图形视见区，工作中的透视视窗，指定的视区，制图设计界面，设计图符界面，小到珠宝，大到地形建模都可以很快捷地建出模型，而最便捷的是可以将数据可视化、数据量化。

SketchUp 是一款简洁实用的设计工具，它同时具备了目前市场上常用设计软件如AutoCAD、3Dmax、Revit 等的特点，将三维建模、空间模式展示、模型编辑修改等功能集于一身。Sketchup 软件界面简洁，工具调用方面，可以快速地构建、展示、编辑三维模型。同时该软件运行快捷，与其他软件之间具有良好的兼容性，设计者可以通过导入CAD 文件进行三维建模，省去了重复画图的繁琐步骤（彭凤，2008）。另外Sketchup 软件还可以与其他渲染软件畅通地衔接，可以将Sketchup 中的模型导入到Lumion 中，修正材质和模型以及重新布光等，可以轻松地制作出高质量的模型。Sketchup 软件作为一款免费使用的软件，其功能能够满足平法识图课程建模需要（卜伟，2020）。

Lumion 软件的可视化具有制作效率高、输出画质清晰的优点。由于搭载了Quest3D 引擎，在使用全过程中，Lumion 为用户提供一种实时交互的工作模式，方便用户进行实时修改，上手性极强（李相，2020）。Lumion 具有完善的地形要素以及模型库。通过Lumion 的山水地形（Landscape）控制项内的命令，可以轻松改变和塑造地形，且富于变化，可塑造微地形（张兆长和杨立宅，2020）。同时，利用Lumion 库中数千个高质量的对象和效果逼真的材质，可以在短时间内构建项目所需的精细场景（李相，2020）。

2.2 构建地表模型

构建地表模型是可视化的核心步骤，在拿到CAD 图纸之后，需详细了解CAD 图纸中的内容，将不需要的部分进行清理，保留建模需要的要素结构再导入sketchup 软件中，然后通过推拉、缩放、偏移等一系列工具完成模型的搭建工作。本文模型制作主要依据无人机航测生成等高线、高程点。在Auto CAD 软件中获得的地形数据进行处理，导出高程点文件，在Rhino 软件中导入高程点信息，利用：Delaunay Mesh 三角剖分算法格网即可。

图1 高程点生成地形电池组

图2 电池组生成原始白膜

三角剖分算法格网，Delaunay Mesh（图1），输入项有点和参考平面，DelaunayMesh组件所建立的Mesh 具有一定的方向性，即输入点都应该位于一个参考平面的附近，趋向于平面的趋势，随后生成原始地形的三维模型（吴建明，2020）。

三角剖分算法格网可以把所有的高程点连成线形成面，生成一个个闭合的三角网（图2）。本文中的底图比例尺为1 ∶500，所以生成的原始地形没有和周边联系，看起来只是单独的白膜。

2.3 设计地形覆盖

使用CASS 软件把已经设计好的地形导出三角网，三角网可以轻松避免封面封不上、有没有闭合的线条、在不在一个图层上等问题，从而节省了大量的时间，提高效率。导入SketchUp 后需要原始地形与设计地形相结合，因设计地形中涉及挖方作业，因此需要通过手动删除突出三角网的方式来调整模型，使三角网与设计地形相重合。

因在Lumion 软件里需要进行生态复绿和景观建设，且设计地形中平台、边坡的方案不同，因此需要运用两种不同材质来区分平台与边坡，这样在效果图和视频的呈现时，也能更直观地呈现和区分（图3）。

2.4 效果制作

效果制作是选用景观和建筑行业中运用较多的Lumion 软件，该软件可实时渲染，且出图速率和质量较高效（孙天竹等，2019）。Lumion 软件是一款实时的3D 可视化工具软件，它不仅能场景建模，也能对三维模型进行实时渲染，转化成视频、图片或360°全景图，其软件本身包含了一个丰富而庞大的模型库，里面包含建筑、人物、动物、街饰、石头、植物等大量模型，且可从Sketch Up，Autodesk 产品和许多其他的3D 软件导入3D 模型（宋秀英，2012）。

由于Lumion 软件不具备建模功能，因此，整个工作都必须通过Sketchup 或者3Dmax 等三维建模软件实现。建模过程中需严格按照图纸的尺寸和结构进行创建，并注意结构的合理性和细节的刻画，而精确的模型是也是创建漫游动画的首要前提和基础。

在完成模型导入后，需要在Lumion 软件中对设计好的地形进行贴图处理，针对设计后的方案，进行草地、林地、耕地、道路、挡墙等贴图（汪结明等，2019）。虽然Lumion 软件中有非常强大的贴图库，但为了更好地呈现景观效果，有时需要获取更适合且更能还原实景的贴图材质，调整相对应的参数，进而来实现所需要的效果，且具有非常高的编辑性。

此外，Lumion 软件的另一大优势是在其软件中具有各类常规乔木、灌木、草本植被的模型，且可以根据需求编辑颜色、大小和位置；同时，在特效中可选择季节、天气状况及呈现风格等。

图3 调整好的原始地类模型

本文所制作的模型是以宁武县矿山环境治理为例，其植被选择包含油松、山桃、山杏、紫花苜蓿及灌草植被，其中山桃、山杏、油松栽植于平台区域，灌草植被播种于坡面区域，紫花苜蓿播种于耕地区域。通过原始地形的测量、设计地形的整理、模型的建立、效果的呈现于模拟，最终形成了所期望的治理效果。下图为治理前后效果对照图，直观地呈现了项目实施前后的景观效果，增加了设计方案的生动性。

Rhino 的优点是数据可视化，SketchUp 软件的特性是操作简单，以获取所需要的三维白膜，且在导入Lumion 软件后，能够更好地区分不同的要素贴图。通过上述各项软件的综合运用，最终运用Lumion 软件，在模型的基础上，通过种树、贴图、添加滤镜、调整参数等技术手段（许家瑞等，2016），最终形成设计效果图（图4～9）。

3 结论

上述3 类软件，虽然也有具备在从数据导入到建模出图全流程操作的软件，但也分别具有各自的局限性。其中，Rhino 是曲面建模的佼佼者，可利用插件生成较好的光影效果，但植物物种和贴图的缺少，使得具有完善植物物种和贴图库的Lumion 软件在生态环境治理领域更为有效和适用（徐庆勇，2015）。SketchUp 软件，可用等高线来生成地形，但由于等高线生成地形的抽稀问题，使其无法更真实地还原原始地形，且对设备的硬件要求极高；另外，可用插件来呈现植物效果和贴图，但较为僵硬，呈现效果真实性差。Lumion 软件是主导渲染引擎的一个软件，不具备建模功效，但在植物物种的多样性、贴图的真实性、滤镜参数可编辑性方面均具有极大的优势。

因此，我们综合运用Rhino、SketchUp、Lumion3款软件，利用其各自的优势，弥补其各自的缺陷，最终可以较为完美地呈现宁武县矿山环境治理的效果图及视频。同时，也建议在今后的生态环境治理行业领域，可以推广应用上述3 种软件结合的技术，形成规范化、优质化的景观环境效果。