汪永新 焦學(xué)軍 宋會傳 王文杰

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 測繪地理信息院，河南 鄭州 450000；2.河南省自然資源衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心，河南 鄭州 450000）

1 引言

生態(tài)環(huán)境修復(fù)意義重大，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展已開始從單純追求效益的發(fā)展向注重社會與環(huán)境利益的協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)型。我國礦山開采歷史悠久，開采量巨大，高強(qiáng)度的礦山開采帶來了生態(tài)環(huán)境破壞，甚至引發(fā)了泥石流、山體滑坡等災(zāi)害，迫切需要相關(guān)部門及專業(yè)人士予以重視[1]。傳統(tǒng)礦山環(huán)境恢復(fù)治理基本采用CAD、MapGIS 等二維繪圖軟件進(jìn)行工程布置設(shè)計(jì)，視覺效果較抽象、不夠直觀，不易被非測繪專業(yè)人士理解，也不利于為決策者提供決策支持[2]。本文采用三維地理信息技術(shù)，結(jié)合露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程，研發(fā)露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺，為相關(guān)技術(shù)人員提供視覺逼真、交互性好、可智能三維化設(shè)計(jì)等功能。

2 平臺整體結(jié)構(gòu)

本文以Skyline 作為底層三維引擎，采用C#開發(fā)語言、VS2015 開發(fā)工具，利用Skyline 組件針對露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理業(yè)務(wù)，搭建露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺。平臺包括標(biāo)題欄、工具欄、菜單欄和數(shù)據(jù)顯示窗口。平臺除具備三維數(shù)據(jù)添加和顯示、場景漫游、空間測量、線和多邊形繪制、對象搜索等三維地理信息功能外，還包括邊坡及平臺設(shè)計(jì)、綠化設(shè)計(jì)、水系設(shè)計(jì)、擋墻設(shè)計(jì)、道路設(shè)計(jì)、地面平整、土方量計(jì)算、多期治理工程對比等露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理的專項(xiàng)功能[3]。平臺整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3 算法研究

為實(shí)現(xiàn)礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程的設(shè)計(jì)功能，需研究相應(yīng)的地形修改算法。平臺涉及的算法如下：

圖1 平臺結(jié)構(gòu)圖

3.1 高程點(diǎn)集自動尋坡法

在邊坡設(shè)計(jì)中繪制初始設(shè)計(jì)線，再根據(jù)設(shè)計(jì)高差和設(shè)計(jì)坡度完成邊坡工程設(shè)計(jì)。其中，需要程序判斷陡坡位于設(shè)計(jì)線哪一側(cè)。本文首先根據(jù)設(shè)計(jì)高差和設(shè)計(jì)坡度算出設(shè)計(jì)線節(jié)點(diǎn)平面偏移距離。然后在過首節(jié)點(diǎn)垂線上，首節(jié)點(diǎn)左右兩側(cè)依次按偏移距離及偏移距離加i*1/2 倍的偏移距離迭代（i 是迭代次數(shù)）取點(diǎn)，獲得左右兩側(cè)取點(diǎn)高程集。對比左右側(cè)取點(diǎn)高程集平均值，平均值大的是上坡方向，平均值小的為下坡方向（如果兩側(cè)高程集平均值相等則增加迭代次數(shù)，重復(fù)上述過程，直到找到上坡、下坡為止）。以上算法可實(shí)現(xiàn)程序自動尋坡，完成邊坡設(shè)計(jì)。具體過程如圖2 所示。

3.2 平行線相交求偏移點(diǎn)法

設(shè)計(jì)線中間節(jié)點(diǎn)偏移點(diǎn)的獲取不同于首尾節(jié)點(diǎn)的垂線偏距取點(diǎn)法，而是過各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)偏距點(diǎn)作該段設(shè)計(jì)線的平行線，取前后設(shè)計(jì)線段平行線的交點(diǎn)為該節(jié)點(diǎn)的偏移點(diǎn)。然后依次連接首節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)、尾節(jié)點(diǎn)三者的偏移點(diǎn)，完成設(shè)計(jì)線偏移線的創(chuàng)建。具體算法過程圖解如圖3 所示。

圖2 自動尋坡算法流程圖

圖3 偏距點(diǎn)平行線相交求點(diǎn)法圖解

3.3 多邊形內(nèi)栽種綠植判定法

在園林設(shè)計(jì)功能中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)多邊形范圍內(nèi)根據(jù)栽種間距批量栽種綠植。為保證綠植都在設(shè)計(jì)多邊形范圍內(nèi)，需要判斷栽種點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)。如果栽種點(diǎn)在設(shè)計(jì)多邊形范圍內(nèi)則符合栽種條件予以保留，不在則舍去。判斷點(diǎn)與多邊形拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有多種，本文采用射線法，即從待判斷點(diǎn)引一條射線，統(tǒng)計(jì)射線與多邊形交點(diǎn)個數(shù)。如果交點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)，則說明點(diǎn)在多邊形內(nèi)部；如果交點(diǎn)數(shù)為偶數(shù)，則說明點(diǎn)在多邊形外部[4]。算法流程如圖4 所示。

圖4 多邊形內(nèi)栽種綠植判定法

3.4 左右側(cè)偏移點(diǎn)判定法

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對設(shè)計(jì)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偏移時，在純粹幾何計(jì)算情況下會存在左右兩側(cè)都有偏移點(diǎn)的情況。但實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)中往往需要確定偏移點(diǎn)在設(shè)計(jì)線的左側(cè)還是右側(cè)。本文采用計(jì)算幾何中向量叉積進(jìn)行判斷。向量叉積定義如下：矢量P =（X1，Y1），Q =（X2， Y2），則矢量叉積為：P×Q =X1Y2-X2Y1。可以用叉積的符號判斷兩矢量之間的順逆時針關(guān)系：

（1）若P×Q ＞0，則P 在Q 的順時針方向；

（2）若P×Q ＜0，則P 在Q 的逆時針方向；

（3）若P×Q = 0，則P 與Q 共線，但可能同向也可能反向。

3.5 沿線均勻栽種行道樹法

設(shè)計(jì)行道樹需依據(jù)行道樹設(shè)計(jì)間距在行道樹設(shè)計(jì)線上均勻栽種成排樹木。行道樹設(shè)計(jì)的算法思路如下：

（1）首先獲取行道樹設(shè)計(jì)線長度L，行道樹設(shè)計(jì)線首尾節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)A（X1，Y1）、B（X2，Y2），則：

（2）根據(jù)栽種間距d 和行道樹設(shè)計(jì)線長度L，獲得需要栽種樹木的數(shù)量C。①若L/d 能整除，則C=L/d－1；②若L/d 不能被整除，則C=L/d 取整。

（3）根據(jù)步驟②中計(jì)算的樹木栽種數(shù)量C 和栽種設(shè)計(jì)間距d，利用代碼對行道樹設(shè)計(jì)線首節(jié)點(diǎn)A（X1，Y1）進(jìn)行迭代運(yùn)算，依次計(jì)算出樹木的栽種點(diǎn)坐標(biāo)，即完成行道樹的自動批量沿線栽種。

圖5 左右側(cè)偏移點(diǎn)判斷法

4 平臺主界面及部分功能展示

平臺由工具欄、菜單欄、工程樹、三維數(shù)據(jù)顯示窗口四部分組成。工具欄包括對象選擇、屬性及空間信息查詢、標(biāo)簽顯示、線及多邊形繪制、繪制捕捉、面積及長度量測、剖面圖、實(shí)景三維數(shù)據(jù)、二維矢量數(shù)據(jù)及單體模型添加、對象搜索等工具。菜單欄包括工程管理、邊坡設(shè)計(jì)、綠化設(shè)計(jì)、水系設(shè)計(jì)、擋墻設(shè)計(jì)、道路設(shè)計(jì)、地面平整、土方量計(jì)算、坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)、多期工程對比等功能。工程樹是對工程中包含的對象進(jìn)行顯隱、刪除等操作管理。三維數(shù)據(jù)顯示窗口是礦區(qū)真三維場景數(shù)據(jù)展示窗口，在該窗口中進(jìn)行三維場景內(nèi)漫游游覽、交互操作、各種礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程的三維可視化等。平臺主界面如圖6 所示，平臺邊坡設(shè)計(jì)功能如圖7 所示，平臺溝渠設(shè)計(jì)功能如圖8 所示。

圖6 平臺主界面

圖7 邊坡設(shè)計(jì)

圖8 溝渠設(shè)計(jì)

5 結(jié)語

本文以Skyline 三維引擎為基礎(chǔ)，利用其提供的基礎(chǔ)功能接口，結(jié)合露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理業(yè)務(wù)，研究可以實(shí)現(xiàn)邊坡設(shè)計(jì)、綠化設(shè)計(jì)、溝渠設(shè)計(jì)、道路設(shè)計(jì)等功能的相關(guān)算法，研發(fā)露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺。該平臺為相關(guān)技術(shù)人員科學(xué)管理治理區(qū)礦山的二、三維數(shù)據(jù)提供了方便，分析并實(shí)現(xiàn)了關(guān)于礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程的三維可視化設(shè)計(jì)和工程量統(tǒng)計(jì)。目前，在地質(zhì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)行業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)大場景三維化規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算的平臺并不多，本文研究為露天礦山環(huán)境恢復(fù)治理等生態(tài)環(huán)境修復(fù)類業(yè)務(wù)提供了一種新的工程技術(shù)方案，未來還將深度結(jié)合相關(guān)業(yè)務(wù)，在更實(shí)用、更智能的方向，深入研究平臺相關(guān)功能。