張國(guó)俊 曹金龍 于長(zhǎng)斌 楊可明

（1.神華蒙西煤化股份有限公司棋盤井煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地測(cè)學(xué)院，北京 100083）

基于地形圖與GIS的礦區(qū)地表三維快速可視化技術(shù)

張國(guó)俊1曹金龍1于長(zhǎng)斌2楊可明2

（1.神華蒙西煤化股份有限公司棋盤井煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地測(cè)學(xué)院，北京 100083）

地形三維可視化技術(shù)是當(dāng)今GIS應(yīng)用的熱點(diǎn)，地形三維可視化可有利于提高地表地形的認(rèn)知、分析、管理和工程實(shí)施等。本文基于日常工作中常用的紙質(zhì)或CAD礦山地形圖，利用ArcGIS的空間分析與可視化技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、等高線修復(fù)及高程賦值，生成地表不規(guī)則三角網(wǎng)，然后結(jié)合糾正后的礦區(qū)影像可實(shí)現(xiàn)地形圖的快速三維顯示。

地形圖；ArcGIS；三維可視化；數(shù)字礦山

1 引言

21世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，數(shù)字化已成為知識(shí)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代標(biāo)志[1]。在數(shù)字化的大背景下，“數(shù)字礦山”成為時(shí)代的必然產(chǎn)物[2]。礦山信息的平面圖形表達(dá)方式無(wú)法使采礦地質(zhì)工作者直觀地看到地質(zhì)現(xiàn)象的幾何形態(tài)，相互關(guān)系和分布，不利于準(zhǔn)確地對(duì)礦山進(jìn)行信息的管理[3]。因此，對(duì)礦山進(jìn)行三維立體表達(dá)具有十分重要的意義。

“數(shù)字礦山”應(yīng)具有三維的實(shí)時(shí)顯示、虛擬地表實(shí)景的功能。礦山的三維定量化表達(dá)和逼真描述，有助于更好地理解礦體的空間信息及礦體與地表地形之間的空間位置關(guān)系，提高空間分析的能力。由此可見(jiàn)，三維可視化是數(shù)字化礦山的理論及其技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)之一[4]。本文以神華蒙西煤化股份有限公司棋盤井煤礦某采區(qū)的CAD地形圖為例，實(shí)現(xiàn)結(jié)合CAD地形圖與遙感影像的礦區(qū)地面ArcGIS三維信息表達(dá)。

2 地形圖高程信息的GIS數(shù)據(jù)表達(dá)

利用紙質(zhì)或CAD地形圖中的高程點(diǎn)和等高線在ArcGIS中實(shí)現(xiàn)三維立體表達(dá)，主要有圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、等高線數(shù)據(jù)處理、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)提取、遙感影像校正和快速三維可視化表達(dá)等步驟。地形圖如果是紙質(zhì)圖，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)化掃描，然后根據(jù)地形圖中的地理坐標(biāo)進(jìn)行幾何校正處理；本文利用棋盤井煤礦提供的礦區(qū)CAD地形圖，系統(tǒng)介紹基于地形圖與ArcGIS的地表三維信息快速表達(dá)技術(shù)。

2.1 CAD圖的shapfile文件轉(zhuǎn)換

在ArcGIS中，空間信息通常是通過(guò)圖形文件（shp文件）來(lái)管理，屬性信息是通過(guò)于shp文件圖層中各圖素相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理。

CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)決定了兩者的轉(zhuǎn)換存在一定難度。CAD數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)圖形信息的輸出，其空間信息和屬性信息都用可視化的形式表達(dá)在地圖上，而GIS數(shù)據(jù)屬性信息則通過(guò)與空間信息相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)表達(dá)[5]。在兩者進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，就要將CAD直接表達(dá)的屬性信息轉(zhuǎn)換成與空間信息相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)。圖1為棋盤井煤礦一采煤工作面上覆地表的CAD地形圖，其轉(zhuǎn)化為ArcGIS圖形文件的實(shí)現(xiàn)步驟為：系統(tǒng)工具→conver?sion tools→轉(zhuǎn)換為shapfile（shp文件），輸入轉(zhuǎn)換文件路徑及輸出文件，即生成shapfile文件。

2.2 GIS文件中等高線的處理

等高線數(shù)據(jù)需要用GIS圖形文件的線圖層模式來(lái)管理。用CAD生成的shapfile文件中存在很多非等高線，并且很多等高線都斷線（如圖2）。因此，需要?jiǎng)h除文件中的非等高線，對(duì)斷線等高線進(jìn)行處理并將同一高程的等高線進(jìn)行連接，如圖3所示，如此為等高線的賦值提供方便。

圖1 地形圖的CAD數(shù)據(jù)

對(duì)等高線進(jìn)行連接合并后，就需要在ArcGIS中打開(kāi)屬性列表，根據(jù)CAD中標(biāo)注值對(duì)各條等高線的高程字段進(jìn)行高程賦值。如果沒(méi)有標(biāo)注高程值，該等高線的高程值可根據(jù)CAD中控制點(diǎn)進(jìn)行插值得到。根據(jù)控制點(diǎn)計(jì)算等高距，則容易得到每條等高線的高程，然后在等高線GIS圖層屬性表中進(jìn)行相應(yīng)等高線的高程賦值。等高線的GIS圖層及其高程值屬性表如圖4所示。

圖 2 修復(fù)前的等高線

圖 3 進(jìn)行連接合并后的等高線

圖 4 GIS的等高線圖層及其高程值屬性表

2.3 高程點(diǎn)GIS數(shù)據(jù)的提取

高程點(diǎn)數(shù)據(jù)需要用GIS圖形文件的點(diǎn)圖層模式來(lái)管理。高程點(diǎn)提取過(guò)程是利用FME軟件轉(zhuǎn)化的shp文件。FME把CAD的文件轉(zhuǎn)化成了點(diǎn)的shp文件，高程點(diǎn)的地理坐標(biāo)代表了各點(diǎn)的位置。在為各高程點(diǎn)的高程賦值時(shí)，同樣需要在ArcGIS中打開(kāi)高程點(diǎn)圖層的屬性列表，根據(jù)CAD中標(biāo)注值對(duì)各高程點(diǎn)的高程字段進(jìn)行高程賦值。如果沒(méi)有標(biāo)注高程值，該高程點(diǎn)的高程值可根據(jù)CAD中控制點(diǎn)進(jìn)行插值得到。圖5所示為從CAD地形圖中提取的高程點(diǎn)GIS圖層。

圖 5 提取的高程點(diǎn)GIS圖層

3 基于地形圖的地表三維可視化

本文在進(jìn)行快速的地表三維可視化時(shí)，主要是實(shí)現(xiàn)地表高程數(shù)據(jù)的三維可視化和疊加遙感影像的地形信息表達(dá)。地表高程數(shù)據(jù)來(lái)自CAD地形圖中的高程點(diǎn)和等高線數(shù)據(jù)；相應(yīng)的遙感影像是根據(jù)棋盤井煤礦研究區(qū)的坐標(biāo)范圍從國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)等系統(tǒng)上下載。

3.1 由等高線生成TIN或DEM

圖 6 基于高程點(diǎn)和等高線圖層生成的TIN

三維顯示中最重要的一步是獲取TIN或DEM。TIN是不規(guī)則三角網(wǎng)，它由不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接的三角網(wǎng)構(gòu)成。在ArcGIS的ArcMap中生成TIN有兩種方式：由高程點(diǎn)和等高線的圖層創(chuàng)建TIN，或生成柵格圖層后轉(zhuǎn)為DEM。棋盤井煤礦I020902工作面地表的三維可視化生成方法為：在ArcMap中加載3D Analyst模塊，選擇地面高程點(diǎn)和等高線的圖層生成TIN，如圖6所示；在3D Analyst模塊中選擇TIN轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，則生成DEM，如圖7所示。

圖7 基于TIN數(shù)據(jù)生成的DEM

3.2 礦區(qū)影像下載與影像糾正

國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)等多家系統(tǒng)能為我們提供全國(guó)免費(fèi)的高清影像。影像下載后需要對(duì)影像進(jìn)行校正。校正時(shí)可在CAD地形圖和遙感影像上尋找同名像點(diǎn)，同名像點(diǎn)盡量在礦區(qū)范圍內(nèi)均勻分布。找到同名像點(diǎn)后，記錄該點(diǎn)的坐標(biāo)。影像校正所用的軟件可以選擇ERDAS或ENVI，校正模型和重采樣方法可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。圖8為棋盤井煤礦I020902工作面地表的校正影像。

圖 8 校正后的棋盤井煤礦部分地表影像

3.3 疊加影像的地表信息三維顯示

根據(jù)圖6和圖7所示的TIN或DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中的ArcScene模塊中可進(jìn)行地表信息三維顯示。打開(kāi)ArcScene窗口，添加校正后的影像和TIN（或DEM）數(shù)據(jù)。設(shè)置影像屬性，在基于高度選項(xiàng)中選擇“高程”獲取方式，可實(shí)現(xiàn)疊合遙感影像的三維可視化效果，如圖9所示。為了使三維效果更加明顯，可在三維可視化的場(chǎng)景屬性中選擇適當(dāng)?shù)摹案叱谭糯笙禂?shù)”，進(jìn)行垂直夸大。

4 三維快速可視化存在的不足

本文利用CAD地形圖在ArcGIS中實(shí)現(xiàn)三維地表快速顯示，影響快速可視化表達(dá)的問(wèn)題主要有：

圖 9 疊合遙感影像的三維可視化效果

4.1 轉(zhuǎn)換后的等高線不能夠自動(dòng)修復(fù)，即不能進(jìn)行斷線的處理及同一高程值的等高線連接。對(duì)于斷線的連接，可以通過(guò)ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)相關(guān)功能，進(jìn)行斷線的自動(dòng)連接?，F(xiàn)有的斷線連接方法主要有基于最小距離或方向差異最小的局部連接法、基于費(fèi)曼碼的斷線連接、基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)膨脹與收縮原理的斷線連接法、基于高等空間關(guān)系結(jié)構(gòu)約束的最大集團(tuán)圖搜索法以及估計(jì)拓?fù)潢P(guān)系的連接方法等[6]。

4.2 等高線不能夠進(jìn)行高程的自動(dòng)賦值。對(duì)于等高線高程值的提取目前主要是人工交互或利用已知控制點(diǎn)進(jìn)行高程插值自動(dòng)提取。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著全球礦山信息化的不斷深入，“數(shù)字礦山”這一概念逐步被明確，其中礦山的三維立體表達(dá)是數(shù)字礦山的重要組成部分。然而就礦山地表而言，傳統(tǒng)地圖形的平面表達(dá)方式并沒(méi)能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)的三維信息進(jìn)行充分利用，這對(duì)正確地做出決策和規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題十分不利，進(jìn)而不能夠?qū)ΦV山生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供相應(yīng)的指導(dǎo)。本文開(kāi)展的基于地形圖與GIS的三維地表快速可視化研究就是“數(shù)字礦山”中的一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù)。

目前，我國(guó)采礦業(yè)的信息化水平還不高，各個(gè)地區(qū)發(fā)展?fàn)顩r參差不齊，礦山的三維化水平與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有很大的差距。開(kāi)發(fā)礦山數(shù)字化專用軟件平臺(tái)，實(shí)時(shí)對(duì)井下井上做三維可視化監(jiān)測(cè)，以便能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，保證井下開(kāi)采安全。

[1]吳立新，朱旺喜，張瑞新.數(shù)字礦山與我國(guó)未來(lái)礦山發(fā)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2004（7）：28-31.

[2]李春民，李仲學(xué)，王云海.“數(shù)字礦山”的三維可視化研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（2）：515-518.

[3]李一帆，李楓，王慧萍.三維可視化技術(shù)在礦山工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)鎢業(yè)，2009，24（1）：24-27.

[4]吳立新，張瑞新，戚宜欣，等.3維地學(xué)模擬與虛擬礦山系統(tǒng)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2002，31（1）：28-33.

[5]王鐵軍.從CAD到GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[J].東北測(cè)繪，1999，22（3）：12-13.

[6]陳丹，龍毅.基于知識(shí)的等高線斷點(diǎn)連接方法[J].測(cè)繪信息與工程，2003，28（3）：31-33.

P2

A

1671-0037（2014）07-64-2.5

神華蒙西煤化股份有限公司委托項(xiàng)目（MK-13-798）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271436）。

張國(guó)俊（1982-），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：礦山測(cè)量與GIS應(yīng)用。