任冬煥 楊旭照 劉煥 魏琳

摘要：指出了隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)迅速應(yīng)用于各個行業(yè)。通過虛擬礦山要素山體、植被的技術(shù)實現(xiàn)，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)條件下對礦山地形設(shè)計及植被恢復(fù)進(jìn)行了探討，以周邊自然地形為模板建立科學(xué)穩(wěn)定的水文盆地，逐步發(fā)展先鋒一過渡一穩(wěn)定的植被群落以達(dá)到良好的礦山修復(fù)效果。初探結(jié)果表明：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山生態(tài)恢復(fù)的應(yīng)用，可以直觀地審視設(shè)計對象，提高設(shè)計效率，有助于管理部門正確決策和提高公眾參與設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);植被設(shè)計;礦山修復(fù);初探

中圖分類號：X32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0055-02

1引言

虛擬現(xiàn)實（virtualReality，簡稱VR）技術(shù)是一門綜合性信息技術(shù)。它集成了計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的最新發(fā)展成果。利用計算機(jī)創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境，通過給用戶提供視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等各種直觀的事實感知的交互手段，達(dá)到模擬現(xiàn)實的效果，為人類探索和研究宏觀世界與微觀世界提供了極大的便利。

傳統(tǒng)的礦山修復(fù)設(shè)計多采用抽象的形式表達(dá)豐富的內(nèi)容，如用平面圖、立面圖、剖面圖和一些規(guī)定的符號來表達(dá)地形、道路、植被，只有經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員才能完成，嚴(yán)重阻礙了方案設(shè)計和施工的交流。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以生成三維的虛擬礦山，直觀的顯示礦山邊坡與植物分布情況，便于相關(guān)人員進(jìn)行互交式的觀察、討論、分析，為礦山生態(tài)修復(fù)的探討提供了便利的條件。

2虛擬現(xiàn)實技術(shù)下礦山要素的實現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實的軟件技術(shù)是實現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，隨著計算機(jī)的性能突飛猛進(jìn)、VR軟件迅速發(fā)展，使得VR技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用成為可能。目前虛擬現(xiàn)實軟件種類繁多，較為流行的有MultiGen Greator、Vegaprime、OpenGL、VRML等，它們在不同的領(lǐng)域有其不同的特點。研究礦山生態(tài)恢復(fù)主要體現(xiàn)在地形改造及植被恢復(fù)狀況，所以本文側(cè)重于地形及植物景觀的表現(xiàn)。

2.1礦山要素的虛擬實現(xiàn)

在礦山治理中，體現(xiàn)一個礦山生態(tài)修復(fù)的成功與否，最重要的是建立一個安全穩(wěn)定的地形及其植被的恢復(fù)情況，因此對地形及植物要素的虛擬技術(shù)表現(xiàn)是探討礦山生態(tài)修復(fù)的必要條件。

2.2.1地形要素虛擬實現(xiàn)

地形是景觀的載體，地形設(shè)計奠定了礦山生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)地形設(shè)計直觀性差的特點。在vpr三維互動仿真平臺的建模是基于3dmax軟件基礎(chǔ)下的模型構(gòu)建，因此常見的地形建模有2種方法：一是如果地形變化不是很復(fù)雜則可以選用手工生成地形的方式。根據(jù)地形圖在3dmax中跟蹤繪制等高線，然后根據(jù)每根等高線的高程移動相應(yīng)的高度，應(yīng)用幾何體下——復(fù)合對象——地形命令將各條等高線加入地形型中，這樣地形就大體形成了。二是對于復(fù)雜的地形，采用繪制等高線方法將會非常困難，因此在建模過程中常常借助灰度圖像，利用圖像的灰度明暗變化來改變對象的表面結(jié)構(gòu)以形成高低錯落的地形地貌?？梢詫⒃O(shè)計的地形用Photoshop處理成一張灰度圖，在3DSMAX中建立可編輯的面片，通過位移（displace）修改器命令加載處理的地形灰度圖，使三維物體對應(yīng)圖上亮的地方產(chǎn)生凸起，而亮度的不同會導(dǎo)致凸起的程度不同，就可以得到想要的地形模型，最后對建立的模型加入紋理貼圖就可以完成對礦山的虛擬實現(xiàn)。

2.2.2植物的景觀模擬

植物是體現(xiàn)礦山生態(tài)恢復(fù)的重要元素，為生成可從不同角度觀察的虛擬景觀，采用Billboard公告板技術(shù)，對場景中樹木進(jìn)行建模。由于樹木的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用基于幾何的建模方式會增加場景的復(fù)雜度。通過采用Billboard技術(shù)，可以達(dá)到真實感和場景復(fù)雜度的折中，一部分Billboard物體，可以在使用者瀏覽時動態(tài)的改變自己的坐標(biāo)，以坐標(biāo)的Z軸為Axis of Rotation旋轉(zhuǎn)從而使物體永遠(yuǎn)面向瀏覽者;另一部分使用十字相交建模方式，令使用者從各個方向觀看都能基本全面的看見完整的物體。根據(jù)不同的情況分別使用兩種方式，以達(dá)到最佳的視覺虛擬效果。

3虛擬現(xiàn)實技術(shù)下礦山生態(tài)的修復(fù)初探

3.1地形與生態(tài)修復(fù)

水土資源是生態(tài)修復(fù)保護(hù)的對象，也是植被衍生繁殖的最基礎(chǔ)條件。離開了水和土，開展生態(tài)修復(fù)也就沒有條件，因此對礦山的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)，成敗主要取決于地形的重建。許多恢復(fù)工程的失敗就在于其地形設(shè)計不能維持生態(tài)系統(tǒng)的功能或者造成地表徑流和沉積物的輸出嚴(yán)重污染下游生態(tài)系統(tǒng)。地形設(shè)計的影響因素很多，應(yīng)該針對不同的情況，因地制宜的制定合理的改造方案。

地形設(shè)計的目在于使土壤表面的侵蝕力（水流）和土壤物質(zhì)產(chǎn)生的保持力（土壤物質(zhì)的構(gòu)造力、表面沉積物的粘合力和植被效應(yīng)）之間找到一個平衡。目前地形設(shè)計常用的方法是以恢復(fù)到地理形態(tài)學(xué)上的穩(wěn)定為目的，對礦山邊坡進(jìn)行削坡，形成30°斜坡并帶有排水溝的形式發(fā)展。這種形式的地形存在一些問題，如不能有效地保持水分和抵抗強(qiáng)烈水侵因而不能支持自然或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。此外，這種地形還增加了徑流量和河道沉積物，這會對自然環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。因此，這種在地理形態(tài)上穩(wěn)定的地形在生態(tài)學(xué)上是不穩(wěn)定的。目前我國的的地形設(shè)計形式都趨向于地理學(xué)形態(tài)上的穩(wěn)定，而且設(shè)計過程中更多的是依賴于實際經(jīng)驗。這種缺乏理論指導(dǎo)的設(shè)計理念就是許多裸露采礦山恢復(fù)工程失敗的原因之一。把地形和土壤性質(zhì)、植被因素綜合起來考慮是重建穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)所必需的思想，才能達(dá)到系統(tǒng)的自我維持并且與周圍環(huán)境有機(jī)結(jié)合起來，改善環(huán)境。

城市周邊的自然山體是各種生物生存的場所，為人類提供了良好的生活環(huán)境，為人類從事地形的改造提供了自然的模板?？茖W(xué)的地形設(shè)計應(yīng)該基于地貌學(xué)和水文學(xué)原理，把水文學(xué)盆地當(dāng)作重建地形中一個自然單元。地形其實是由一個個獨立的水文學(xué)盆地組成的，盆地又由許多坡面和水道構(gòu)成，這樣的地形具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)防止強(qiáng)烈降雨的破壞。需要進(jìn)行管理的主要是盆地表面，水道的密布程度和類型，坡面和水渠形態(tài)以及用以控制徑流量和沉積物輸出的一些工程措施（沉積物收集器、調(diào)節(jié)池、水道保護(hù)系統(tǒng)等）。因此，重建具有自然功能動態(tài)成熟地形可以通過對周邊自然景觀的比較分析以確定自然地形保持穩(wěn)定所具有的坡面尺度、坡長、凸度等，從而在這些方面以及排水溝等進(jìn)行模仿。這樣。如果土壤能恢復(fù)到自然狀態(tài)而且復(fù)墾效果明顯的話，重建景觀的水文學(xué)和侵蝕特征就會和自然地形相似，以達(dá)到礦山生態(tài)修復(fù)的目的。

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)條件下，對礦山地形的設(shè)計，能夠很直觀地表現(xiàn)改造后的效果，以及隨時隨地的可以對地形設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，避免決策的失誤，為項目開發(fā)的設(shè)計和施工提供了極大的便利，減少一些不必要的損失。

3.2礦山植被的生態(tài)修復(fù)

生態(tài)環(huán)境修復(fù)應(yīng)在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，采取工程措施與植物措施相結(jié)合方式進(jìn)行，主要措施就是植樹種草，因此利用生態(tài)學(xué)原理營造一個良好的植被恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，對于改善礦山景觀起著重要的作用。

豐富的植被類型和高綠化覆蓋率對礦山景觀恢復(fù)有重要作用，喬灌草綜合綠化比單一草本綠化視覺效果更好。四川大學(xué)辜彬教授對sd評價方法進(jìn)行因子分析，選取“協(xié)調(diào)性、舒適性、綠化量、美觀性”作為礦山評價的綜合指標(biāo)。綠量多少、有無層次感、變化豐富與否都很大程度影響到公眾對礦山評價的主觀判斷。因此，一個良好的礦山植被生態(tài)恢復(fù)方案，必須從時間、空間、植物多樣性等方面綜合考慮，建立一個喬木、灌木、草本相結(jié)合，層次分明、物種多樣的穩(wěn)定植物群落，才能夠達(dá)到理想的效果。

4結(jié)語

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，生成逼真的礦山虛擬環(huán)境（virtual Environment），真實的反應(yīng)礦山的地形地貌，這樣在礦山生態(tài)修復(fù)的研究中，設(shè)計者可以置身于礦山虛擬環(huán)境下直觀的審視礦山，擬定合理的生態(tài)綠化方案，為礦山生態(tài)恢復(fù)設(shè)計和施工提供實時修正，也為從事礦山生態(tài)修復(fù)的管理部門提供直觀而科學(xué)的決策依據(jù)。