張耀，肖超，鐘鑫，張赫然

（美麗華夏生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100176）

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維可視化技術(shù)以其諸多的優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于景觀、建筑、室內(nèi)、規(guī)劃等領(lǐng)域（楊瓊，2015）。由于其可視化的空間視覺體驗(yàn)與礦山治理方面需求相吻合，從而也向生態(tài)環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域發(fā)展（沙金磊，2019）?？梢暬浖?qiáng)大之處在于它是將出色的高精度圖像展示和快速高效的工作流程相結(jié)合（王娟等，2012），為用戶節(jié)省了時(shí)間、精力和成本，既能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者快速制作出高級(jí)別影視動(dòng)畫和靜幀作品，同時(shí)它也可以完成現(xiàn)場(chǎng)演示工作（李海海，2017）。

本文以山西省忻州市寧武縣礦山環(huán)境治理為例，地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°03′～112°07′，北緯38°47′～38°51′。用原始高程點(diǎn)在Rhino 軟件生成原始地形，再運(yùn)用CASS 軟件將設(shè)計(jì)好的地形正射在原始地形之中，Sketchup 建模及分層，最終使用Lumion軟件來展現(xiàn)三維可視化模型。

本文運(yùn)用3 種各有千秋的可視化軟件還原治理后的礦山地質(zhì)環(huán)境，把景觀設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)手法運(yùn)用到礦山環(huán)境治理中，解決了礦山環(huán)境治理在三維可視化中的表現(xiàn)問題，使礦山環(huán)境治理也有景觀設(shè)計(jì)的表現(xiàn)形式，增加更直觀的感受（趙晶等，2013）。

1 研究目的

我國的工業(yè)化一直處于高速發(fā)展的階段，快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞也異常的嚴(yán)重（錢倩媛和吳國源，2020）。廢棄礦山作為工業(yè)廢棄地的一類，礦山對(duì)土地、生態(tài)、環(huán)境、水系等危害很大，工礦廢棄地長期占用土地資源，嚴(yán)重地制約著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

長期以來對(duì)礦山環(huán)境多以農(nóng)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、林學(xué)、土壤學(xué)、城市規(guī)劃、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)學(xué)科進(jìn)行研究的（李琳琳，2018），本文將景觀設(shè)計(jì)專業(yè)軟件應(yīng)用到礦山環(huán)境治理過程中，目的是以景觀設(shè)計(jì)的角度直觀地呈現(xiàn)修復(fù)前后的礦山環(huán)境，形成鮮明的對(duì)比，進(jìn)而提高各地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，改善區(qū)域的生存環(huán)境質(zhì)量（唐良智等，2018），提高當(dāng)?shù)鼐用裆畹男腋Ｖ笖?shù)，為當(dāng)?shù)匚嗟纳鐣?huì)投資，提高區(qū)域的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、民俗文化、景觀美學(xué)的和諧統(tǒng)一（秦麗霞，2016）。

運(yùn)用景觀設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行效果表達(dá)的方案最重要的內(nèi)容為建模和分析方法，可以完美呈現(xiàn)治理思路及景觀效果（李欣娟，2019）。一般而言，建模的技術(shù)手段較多，其各類建模軟件所擅長的領(lǐng)域也不盡相同。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及技術(shù)分析，本文將選用Rhino 軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，選用SketchUp 軟件進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，選用Lumion 軟件進(jìn)行效果圖、視頻的可視化呈現(xiàn)。

2 三維可視化制作步驟

2.1 軟件介紹與優(yōu)勢(shì)

Rhino 軟件可創(chuàng)建、分析、轉(zhuǎn)換NURBS 曲線、曲面和實(shí)體，可以在復(fù)雜的角度、尺寸隨意編輯。用戶界面?？焖俚膶?shù)據(jù)表示成圖形，3D 制圖法，無限制的圖形視見區(qū)，工作中的透視視窗，指定的視區(qū)，制圖設(shè)計(jì)界面，設(shè)計(jì)圖符界面，小到珠寶，大到地形建模都可以很快捷地建出模型，而最便捷的是可以將數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)量化。

SketchUp 是一款簡(jiǎn)潔實(shí)用的設(shè)計(jì)工具，它同時(shí)具備了目前市場(chǎng)上常用設(shè)計(jì)軟件如AutoCAD、3Dmax、Revit 等的特點(diǎn)，將三維建模、空間模式展示、模型編輯修改等功能集于一身。Sketchup 軟件界面簡(jiǎn)潔，工具調(diào)用方面，可以快速地構(gòu)建、展示、編輯三維模型。同時(shí)該軟件運(yùn)行快捷，與其他軟件之間具有良好的兼容性，設(shè)計(jì)者可以通過導(dǎo)入CAD 文件進(jìn)行三維建模，省去了重復(fù)畫圖的繁瑣步驟（彭鳳，2008）。另外Sketchup 軟件還可以與其他渲染軟件暢通地銜接，可以將Sketchup 中的模型導(dǎo)入到Lumion 中，修正材質(zhì)和模型以及重新布光等，可以輕松地制作出高質(zhì)量的模型。Sketchup 軟件作為一款免費(fèi)使用的軟件，其功能能夠滿足平法識(shí)圖課程建模需要（卜偉，2020）。

Lumion 軟件的可視化具有制作效率高、輸出畫質(zhì)清晰的優(yōu)點(diǎn)。由于搭載了Quest3D 引擎，在使用全過程中，Lumion 為用戶提供一種實(shí)時(shí)交互的工作模式，方便用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，上手性極強(qiáng)（李相，2020）。Lumion 具有完善的地形要素以及模型庫。通過Lumion 的山水地形（Landscape）控制項(xiàng)內(nèi)的命令，可以輕松改變和塑造地形，且富于變化，可塑造微地形（張兆長和楊立宅，2020）。同時(shí)，利用Lumion 庫中數(shù)千個(gè)高質(zhì)量的對(duì)象和效果逼真的材質(zhì)，可以在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建項(xiàng)目所需的精細(xì)場(chǎng)景（李相，2020）。

2.2 構(gòu)建地表模型

構(gòu)建地表模型是可視化的核心步驟，在拿到CAD 圖紙之后，需詳細(xì)了解CAD 圖紙中的內(nèi)容，將不需要的部分進(jìn)行清理，保留建模需要的要素結(jié)構(gòu)再導(dǎo)入sketchup 軟件中，然后通過推拉、縮放、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據(jù)無人機(jī)航測(cè)生成等高線、高程點(diǎn)。在Auto CAD 軟件中獲得的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)出高程點(diǎn)文件，在Rhino 軟件中導(dǎo)入高程點(diǎn)信息，利用：Delaunay Mesh 三角剖分算法格網(wǎng)即可。

圖1 高程點(diǎn)生成地形電池組

圖2 電池組生成原始白膜

三角剖分算法格網(wǎng)，Delaunay Mesh（圖1），輸入項(xiàng)有點(diǎn)和參考平面，DelaunayMesh組件所建立的Mesh 具有一定的方向性，即輸入點(diǎn)都應(yīng)該位于一個(gè)參考平面的附近，趨向于平面的趨勢(shì)，隨后生成原始地形的三維模型（吳建明，2020）。

三角剖分算法格網(wǎng)可以把所有的高程點(diǎn)連成線形成面，生成一個(gè)個(gè)閉合的三角網(wǎng)（圖2）。本文中的底圖比例尺為1 ∶500，所以生成的原始地形沒有和周邊聯(lián)系，看起來只是單獨(dú)的白膜。

2.3 設(shè)計(jì)地形覆蓋

使用CASS 軟件把已經(jīng)設(shè)計(jì)好的地形導(dǎo)出三角網(wǎng)，三角網(wǎng)可以輕松避免封面封不上、有沒有閉合的線條、在不在一個(gè)圖層上等問題，從而節(jié)省了大量的時(shí)間，提高效率。導(dǎo)入SketchUp 后需要原始地形與設(shè)計(jì)地形相結(jié)合，因設(shè)計(jì)地形中涉及挖方作業(yè)，因此需要通過手動(dòng)刪除突出三角網(wǎng)的方式來調(diào)整模型，使三角網(wǎng)與設(shè)計(jì)地形相重合。

因在Lumion 軟件里需要進(jìn)行生態(tài)復(fù)綠和景觀建設(shè)，且設(shè)計(jì)地形中平臺(tái)、邊坡的方案不同，因此需要運(yùn)用兩種不同材質(zhì)來區(qū)分平臺(tái)與邊坡，這樣在效果圖和視頻的呈現(xiàn)時(shí)，也能更直觀地呈現(xiàn)和區(qū)分（圖3）。

2.4 效果制作

效果制作是選用景觀和建筑行業(yè)中運(yùn)用較多的Lumion 軟件，該軟件可實(shí)時(shí)渲染，且出圖速率和質(zhì)量較高效（孫天竹等，2019）。Lumion 軟件是一款實(shí)時(shí)的3D 可視化工具軟件，它不僅能場(chǎng)景建模，也能對(duì)三維模型進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，轉(zhuǎn)化成視頻、圖片或360°全景圖，其軟件本身包含了一個(gè)豐富而龐大的模型庫，里面包含建筑、人物、動(dòng)物、街飾、石頭、植物等大量模型，且可從Sketch Up，Autodesk 產(chǎn)品和許多其他的3D 軟件導(dǎo)入3D 模型（宋秀英，2012）。

由于Lumion 軟件不具備建模功能，因此，整個(gè)工作都必須通過Sketchup 或者3Dmax 等三維建模軟件實(shí)現(xiàn)。建模過程中需嚴(yán)格按照?qǐng)D紙的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)建，并注意結(jié)構(gòu)的合理性和細(xì)節(jié)的刻畫，而精確的模型是也是創(chuàng)建漫游動(dòng)畫的首要前提和基礎(chǔ)。

在完成模型導(dǎo)入后，需要在Lumion 軟件中對(duì)設(shè)計(jì)好的地形進(jìn)行貼圖處理，針對(duì)設(shè)計(jì)后的方案，進(jìn)行草地、林地、耕地、道路、擋墻等貼圖（汪結(jié)明等，2019）。雖然Lumion 軟件中有非常強(qiáng)大的貼圖庫，但為了更好地呈現(xiàn)景觀效果，有時(shí)需要獲取更適合且更能還原實(shí)景的貼圖材質(zhì)，調(diào)整相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)所需要的效果，且具有非常高的編輯性。

此外，Lumion 軟件的另一大優(yōu)勢(shì)是在其軟件中具有各類常規(guī)喬木、灌木、草本植被的模型，且可以根據(jù)需求編輯顏色、大小和位置；同時(shí)，在特效中可選擇季節(jié)、天氣狀況及呈現(xiàn)風(fēng)格等。

圖3 調(diào)整好的原始地類模型

本文所制作的模型是以寧武縣礦山環(huán)境治理為例，其植被選擇包含油松、山桃、山杏、紫花苜蓿及灌草植被，其中山桃、山杏、油松栽植于平臺(tái)區(qū)域，灌草植被播種于坡面區(qū)域，紫花苜蓿播種于耕地區(qū)域。通過原始地形的測(cè)量、設(shè)計(jì)地形的整理、模型的建立、效果的呈現(xiàn)于模擬，最終形成了所期望的治理效果。下圖為治理前后效果對(duì)照?qǐng)D，直觀地呈現(xiàn)了項(xiàng)目實(shí)施前后的景觀效果，增加了設(shè)計(jì)方案的生動(dòng)性。

Rhino 的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可視化，SketchUp 軟件的特性是操作簡(jiǎn)單，以獲取所需要的三維白膜，且在導(dǎo)入Lumion 軟件后，能夠更好地區(qū)分不同的要素貼圖。通過上述各項(xiàng)軟件的綜合運(yùn)用，最終運(yùn)用Lumion 軟件，在模型的基礎(chǔ)上，通過種樹、貼圖、添加濾鏡、調(diào)整參數(shù)等技術(shù)手段（許家瑞等，2016），最終形成設(shè)計(jì)效果圖（圖4～9）。

3 結(jié)論

上述3 類軟件，雖然也有具備在從數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模出圖全流程操作的軟件，但也分別具有各自的局限性。其中，Rhino 是曲面建模的佼佼者，可利用插件生成較好的光影效果，但植物物種和貼圖的缺少，使得具有完善植物物種和貼圖庫的Lumion 軟件在生態(tài)環(huán)境治理領(lǐng)域更為有效和適用（徐慶勇，2015）。SketchUp 軟件，可用等高線來生成地形，但由于等高線生成地形的抽稀問題，使其無法更真實(shí)地還原原始地形，且對(duì)設(shè)備的硬件要求極高；另外，可用插件來呈現(xiàn)植物效果和貼圖，但較為僵硬，呈現(xiàn)效果真實(shí)性差。Lumion 軟件是主導(dǎo)渲染引擎的一個(gè)軟件，不具備建模功效，但在植物物種的多樣性、貼圖的真實(shí)性、濾鏡參數(shù)可編輯性方面均具有極大的優(yōu)勢(shì)。

因此，我們綜合運(yùn)用Rhino、SketchUp、Lumion3款軟件，利用其各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其各自的缺陷，最終可以較為完美地呈現(xiàn)寧武縣礦山環(huán)境治理的效果圖及視頻。同時(shí)，也建議在今后的生態(tài)環(huán)境治理行業(yè)領(lǐng)域，可以推廣應(yīng)用上述3 種軟件結(jié)合的技術(shù)，形成規(guī)范化、優(yōu)質(zhì)化的景觀環(huán)境效果。

圖4 寺耳溝現(xiàn)狀地形圖

圖5 寺耳溝治理后效果圖

圖6 寺耳溝采坑現(xiàn)狀地形圖

圖7 寺耳溝采坑治理后效果圖

圖8 車道溝現(xiàn)狀地形圖

圖9 車道溝治理后效果圖