基于ArcScene的丘陵地區(qū)土地整治三維可視化方法

張桀滈 李江風(fēng) 譚旭

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和耕地保護(hù)壓力的增大，土地整治作為提高耕地數(shù)量和質(zhì)量的有效措施，將處于越來越重要的地位。因此，有效提高土地整治規(guī)劃設(shè)計質(zhì)量，也變得尤為重要。運(yùn)用三維建模技術(shù)，研究在地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）平臺上構(gòu)建土地整治三維場景的技術(shù)方法，在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，針對低山丘陵地區(qū)的土地整治項目，提出了1套土地整治項目三維場景的構(gòu)建方案;并且以湖北省黃岡市紅安縣高橋鎮(zhèn)土地整治項目為例，建立土地整治三維場景，實現(xiàn)了土地整治三維可視化。研究結(jié)果表明，該方案可以有效生成土地整治三維場景，地形地物匹配情況較好，三維可視化效果好;最后，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、三維建模等方面的技術(shù)進(jìn)行討論，提出了未來對該領(lǐng)域研究的展望。

關(guān)鍵詞：ArcScene;地理信息系統(tǒng);土地整治;規(guī)劃設(shè)計;三維建模;三維可視化

土地資源是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前，我國城市化進(jìn)程加快，對土地的需求越來越大，同時，保護(hù)耕地的壓力也與日俱增。土地整治是對田、水、路、林、村的綜合整治[1]，它作為提高耕地數(shù)量和質(zhì)量的有效措施，將處于越來越重要的地位。因此，提高土地整治規(guī)劃設(shè)計的可行性和合理性，具有重要的現(xiàn)實意義。當(dāng)前的土地整治規(guī)劃設(shè)計大多是基于二維計算機(jī)輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）平臺進(jìn)行的，具有很多局限性。實現(xiàn)土地整治規(guī)劃設(shè)計成果的三維可視化可以更直觀地展現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計場景，輔助技術(shù)人員進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，并且有利于公眾參與，以增強(qiáng)規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性和合理性。

目前，國內(nèi)已經(jīng)有眾多學(xué)者對基于地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）的三維可視化技術(shù)作了很多探索，并嘗試性地用于土地整治規(guī)劃設(shè)計。對基于GIS的三維可視化最早的探索是在三維數(shù)字城市領(lǐng)域，一些學(xué)者利用3Ds Max[2-4]、Sketch Up[5-7]或Multigen Creator[2，8]等手工建模軟件構(gòu)建三維模型，并在ArcGIS[2，3，5-7]、Skyline[4，9]等三維平臺上生成三維場景，以建立三維數(shù)字城市景觀。還有學(xué)者將參數(shù)化建模（parametric modeling）方法用于三維數(shù)字城市，用專業(yè)知識和規(guī)則來確定幾何參數(shù)和約束，通過簡單地改變模型中的參數(shù)值就能建立和分析新的模型[10]，避免了大量重復(fù)式的手工建模，大大提高了建模效率[11-13]。賈明超等將三維可視化技術(shù)引入到土地整治規(guī)劃設(shè)計中，通過建立空間數(shù)據(jù)庫和數(shù)字表面模型，探索了可視化技術(shù)在土地整治規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用[14]。也有學(xué)者探索了利用3Ds Max軟件建模，并在三維GIS平臺上生成三維場景，實現(xiàn)土地整治規(guī)劃設(shè)計的三維可視化[15-16]。肖輝平將參數(shù)化建模方法引入土地整治建模中，在CityEngine平臺上，利用CGA（the computer generated architecture）語言編寫建模規(guī)則，通過設(shè)定參數(shù)自動生成土地整治三維場景[17]。石若明等嘗試使用面向?qū)ο蟮姆椒▉肀磉_(dá)土地整治規(guī)劃設(shè)計，通過編寫規(guī)則生成規(guī)則庫與土地整治規(guī)劃三維要素表達(dá)模型相關(guān)聯(lián)，并利用規(guī)則在三維場景下智能輔助規(guī)劃設(shè)計[18]。

這些研究采用了多種方法實現(xiàn)土地整治三維可視化，作出了很多有益的探索，但是主要選取地形平坦的平原區(qū)作為研究區(qū)域，較少針對不同地形類型的特點，提出適合較復(fù)雜地形的土地整治三維可視化方法，導(dǎo)致研究成果的應(yīng)用具有一定的局限性。而對丘陵地區(qū)的土地整治項目三維可視化進(jìn)行探索，可以擴(kuò)大成果應(yīng)用的范圍，使該技術(shù)在更多的情況下可以適用。

丘陵地區(qū)地形具有一定起伏，在起伏的地形上布設(shè)三維模型，容易出現(xiàn)穿插的情況，所以實現(xiàn)地形和地物的匹配接合就尤為重要。本研究試圖以無人機(jī)航測數(shù)據(jù)和二維土地整治規(guī)劃設(shè)計成果為基礎(chǔ)，利用手工建模的方法，采用數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）修改等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在GIS平臺上構(gòu)建三維場景，實現(xiàn)低山丘陵地區(qū)土地整治三維可視化。

1 技術(shù)路線和前期準(zhǔn)備

1.1 技術(shù)路線

土地整治三維建模分為2個部分，一是三維地形建模，二是三維要素建模[19]。三維地形建模是指現(xiàn)狀地表形態(tài)的三維場景生成;三維要素建模是指土地整治規(guī)劃涉及的各類地物要素的三維建模。根據(jù)各要素的布設(shè)結(jié)果，將要素三維模型匹配鑲嵌至三維地形場景中，以此構(gòu)建規(guī)劃三維場景。三維可視化技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 工具與平臺選擇

目前主流的三維建模軟件主要有3Ds Max、SketchUp、Maya等。3Ds Max是目前世界上應(yīng)用最廣的三維建模軟件，具有功能強(qiáng)大、操作簡單、兼容性好的特點[20]，所以本研究選擇3Ds Max作為三維要素建模工具。三維GIS平臺具有強(qiáng)大的空間分析和數(shù)據(jù)管理功能，三維可視化平臺選擇三維GIS平臺。主流的三維GIS平臺主要有國外的ArcGIS、Google Earth、Skyline，國內(nèi)的SuperMap、GeoGlobe等。ArcGIS作為最成熟的GIS平臺，各類功能最為強(qiáng)大和全面。ArcScene是ArcGIS提供的一個三維可視化環(huán)境，非常適合生成三維要素和柵格數(shù)據(jù)交互的透視圖場景[21]，所以選擇ArcGIS為三維可視化平臺。

1.3 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本研究涉及到的數(shù)據(jù)主要有數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像（digital orthophoto map，DOM）、土地整治工程規(guī)劃圖及各種單體工程設(shè)計圖、單體工程紋理圖片等。

DEM是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。DEM的數(shù)據(jù)格式有很多種，目前為止還沒有形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外主要的DEM文件格式有中國國家標(biāo)準(zhǔn)地球空間數(shù)據(jù)交換格式（CNSDTF-DEM）、美國地質(zhì)調(diào)查局格式（USGS DEM）、美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（ESRI）的ESRI Grid數(shù)據(jù)格式。不同格式的DEM數(shù)據(jù)，高程點的記錄順序都相同，只是文件頭格式不同。ArcGIS軟件無法讀取CNSDTF-DEM格式的數(shù)據(jù)，通過修改文件頭的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，得到可被讀取的數(shù)據(jù)格式。

土地整治規(guī)劃設(shè)計成果矢量圖件均是CAD文件，需轉(zhuǎn)換為ArcGIS標(biāo)準(zhǔn)的Shp格式。通過ArcGIS軟件，利用分層轉(zhuǎn)換的方法，逐層提取每種規(guī)劃要素的點、線、面矢量圖。

單體工程紋理圖片是在進(jìn)行要素三維建模時貼在實體模型表面的紋理，通過網(wǎng)絡(luò)搜索收集和實地拍攝2種途徑采集。

2 要素模型構(gòu)建

2.1 建模內(nèi)容

要素建模內(nèi)容主要包括土地整治項目所涉及的所有工程的建模。土地整治所涉及的工程主要包括土地平整工程、田間道路工程、灌溉與排水工程和其他工程。要素模型按模型類型可分為點狀要素模型、線狀要素模型、面狀要素模型。

點狀要素模型主要指土地整治單體工程模型，如機(jī)耕橋、渡槽、節(jié)制閘、涵洞、涵管和泵站等，也包括樹木、電線桿等獨(dú)立地物。線狀要素模型主要是指土地整治項目中的溝渠、道路、田埂、管線等線狀對象模型。面狀要素模型是指田塊、河流、坑塘等要素模型。三維要素模型分類情況見表1。

2.2 要素模型構(gòu)建

根據(jù)對要素模型的分類，不同類型的要素模型采用不同的建模方法。對于點狀要素，農(nóng)田水利設(shè)施、橋梁等幾何模型可根據(jù)單體設(shè)計圖來控制主體結(jié)構(gòu)，在3Ds Max中制作出初級模型。然后以規(guī)劃設(shè)計圖、《湖北省土地整治工程宣傳示范圖冊》及實地現(xiàn)場采集相片為依據(jù)，對初級模型進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化處理。線狀要素模型構(gòu)建時將模型沿線狀地物走向線性放樣即可。對于面狀要素模型，由于其結(jié)構(gòu)較為簡單，為減少數(shù)據(jù)量和簡化建模步驟，面狀要素僅采用貼紋理的方式進(jìn)行三維顯示。

另外，ArcGIS中自帶的三維符號庫提供了很多現(xiàn)成的三維模型。如點狀的樹木、電桿、房屋，面狀的田塊、水面等在建模時可直接調(diào)用。

3 三維場景生成

3.1 DEM修改

低山丘陵地區(qū)地表形態(tài)具有一定起伏，但起伏和緩，絕對高程在500 m以下，相對高差在200 m以下。面狀地物覆蓋面的范圍較大，它的基準(zhǔn)面是水平的，但地形有一定起伏。因此，當(dāng)面狀要素模型疊加到地形上時，建筑物與地表會出現(xiàn)穿插的情況[22]。而且，原始DEM數(shù)據(jù)是項目區(qū)的現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)，但是實施土地整治工程后，由于實施土地平整工程及新建基礎(chǔ)設(shè)施，會導(dǎo)致表面地形的變化。因此，就須要對原始DEM進(jìn)行編輯和修改。

DEM修改是一個區(qū)域性的操作過程，考慮到這一特性，采取切割重構(gòu)的方式進(jìn)行DEM修改[23]，即將編輯區(qū)域內(nèi)的原有地形進(jìn)行剔除，通過將面狀地物基準(zhǔn)面的高程值作為約束條件對編輯區(qū)地形進(jìn)行重構(gòu)，填補(bǔ)剔除的三維地形模型，達(dá)到對地形的局部改造，從而實現(xiàn)地物和地形的匹配。改變區(qū)域內(nèi)三維地形模型的形狀和特征，并不改變區(qū)域外三維地形的原貌。DEM修改利用ArcMap軟件，提取待修改范圍內(nèi)的DEM，再把修改范圍內(nèi)的DEM賦予新的高程值，最后將修改好的DEM鑲嵌至原DEM。這樣就得到了規(guī)劃后的DEM。

3.2 地形場景生成

將DEM和DOM在ArcScene平臺上進(jìn)行匹配。以DEM為實體，DOM為紋理，將DEM攜帶的高程數(shù)據(jù)賦予到DOM上，生成表現(xiàn)地面高低起伏的三維地表。

3.3 要素模型導(dǎo)入

模型制作完成后，可從3Ds Max軟件導(dǎo)出*.3DS文件。將*.3DS文件導(dǎo)入ArcGIS有2種方式。第1種方式是將*.3DS文件導(dǎo)入ArcGIS符號庫中，生成三維符號。將各規(guī)劃要素保存為點，點要素可選擇以相應(yīng)的三維模型符號顯示，然后根據(jù)二維規(guī)劃數(shù)據(jù)中的位置、高程信息，將點要素放置到相應(yīng)的位置，并賦予其高程值[15]。這種方式便于大批量生成三維模型，但對模型的編輯較為不便，不適宜進(jìn)行精細(xì)化操作。第2種方式是在ArcScene中，將*.3DS文件導(dǎo)入多面體類型的Shp文件。多面體要素可在ArcScene中通過移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作放置在二維規(guī)劃數(shù)據(jù)中相應(yīng)的位置。這種方式便于對模型進(jìn)行編輯，可以較精細(xì)地編輯模型，但需逐個模型編輯，難以批量生成?？筛鶕?jù)具體情況，結(jié)合要素模型類型選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)入方式。

3.4 要素模型匹配處理

地物要素與地形的匹配大體有2種方式：一是調(diào)整地物要素以適應(yīng)地形，即通過調(diào)整要素模型布設(shè)的姿態(tài)和位置來實現(xiàn)匹配;二是修改地形以適應(yīng)地物，即根據(jù)地物約束對DEM進(jìn)行編輯修改，以實現(xiàn)匹配。點狀地物模型地形的關(guān)系是相對位置關(guān)系，主要起示意作用。此類地物要素與地形匹配需要采用調(diào)整地物要素的方式，只須要根據(jù)位置和高程使空間和地形保持一致，然后根據(jù)實際情況調(diào)整擺放姿態(tài)即可。面狀要素模型主要適合采用修改地形的方式進(jìn)行匹配。線狀要素模型在三維環(huán)境中主要表現(xiàn)為以原始線矢量為中心線向兩邊擴(kuò)展的面，故采用與面要素匹配相同的方式。

4 實例研究

本研究以2015年湖北省黃岡市紅安縣高橋鎮(zhèn)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田土地整治項目為例，該項目分為六家邊和吳家大灣2個項目片，本研究以六家邊項目片為研究區(qū)域，研究區(qū)總面積 251.98 hm2，現(xiàn)有耕地152.06 hm2，建設(shè)規(guī)模174.26 hm2。項目區(qū)為低山地，一條河流從研究區(qū)中心穿過，將研究區(qū)分為南北2個部分。研究區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀以灌溉水田為主，旱地次之，土地利用類型主要有耕地、溝渠用地、道路用地、坑塘用地、田坎、河流水面。

本研究根據(jù)上面提出的技術(shù)流程，以無人機(jī)航測數(shù)據(jù)和二維規(guī)劃設(shè)計成果為基礎(chǔ)，利用3DsMax軟件和ArcGIS 10.2中的ArcMap、ArcScene軟件，進(jìn)行研究區(qū)的三維建模和三維場景構(gòu)建，實現(xiàn)土地整治三維可視化。

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理

研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于所依托的課題項目，主要包括無人機(jī)航測獲取的研究區(qū)DEM、DOM以及研究區(qū)土地整治規(guī)劃設(shè)計成果。原始DEM數(shù)據(jù)為CNSDTF-DEM格式，通過修改文件頭的方法轉(zhuǎn)換為USGS DEM格式。將原始規(guī)劃圖通過分層轉(zhuǎn)換的方法，分別將路、溝渠、農(nóng)橋、坑塘、房屋等規(guī)劃要素導(dǎo)出為Shp文件。

4.2 DEM編輯和修改

由于土地整治項目中土地平整工程的實施和各種設(shè)施的新建，使項目區(qū)地形發(fā)生變化，需要對原始DEM進(jìn)行編輯。DEM修改前后情況對比見圖2。

4.3 地形三維場景構(gòu)建

將項目區(qū)DEM和DOM在ArcScene 10.2平臺上進(jìn)行匹配，設(shè)置DOM從DEM獲取高程值，構(gòu)建三維地表，如圖3所示。

4.4 要素模型建模

ArcGIS系統(tǒng)符號庫中包含了三維模型，如樹木、電桿、房屋等，本研究盡量直接使用符號庫中現(xiàn)成的模型。對于一些復(fù)雜的單體利用3Ds Max軟件進(jìn)行建模，再導(dǎo)入到ArcScene中。

從3Ds Max中導(dǎo)出建好的模型為*.3DS文件，在ArcScene中導(dǎo)入為多面體類型的Shp文件，并設(shè)置好模型位置參數(shù)，完成地物模型與地形的匹配;將坑塘水面、曬谷場垂直拉升，實現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變，并添加相應(yīng)的紋理;對于行道樹等簡單點要素，在符號選擇器中將點設(shè)置成對應(yīng)的三維符號，并根據(jù)需要調(diào)整模型大小、方向等參數(shù)，使其與地形及周圍地物匹配。如此，就生成了土地整治三維場景，生成效果如圖4所示。

5 結(jié)論與討論

本研究提出了基于ArcScene的丘陵地區(qū)土地整治三維可視化方法，可以針對地面起伏平緩的低山丘陵地區(qū)有效構(gòu)建土地整治三維場景，實現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計成果的直觀表達(dá)。同時，以紅安縣高橋鎮(zhèn)土地整治項目為研究對象，建立項目區(qū)土地整治規(guī)劃三維場景，可視化效果較好。對土地整治規(guī)劃設(shè)計成果進(jìn)行三維可視化可以提高規(guī)劃設(shè)計表達(dá)的直觀性，讓非專業(yè)人士也能看懂規(guī)劃設(shè)計成果，更有利于公眾參與，以提高規(guī)劃設(shè)計的合理性。

土地整治所涉及的規(guī)劃設(shè)計要素三維模型種類范圍不大，可以在后續(xù)研究中嘗試運(yùn)用三維模型庫技術(shù)[24]，構(gòu)建土地整治三維模型庫。在進(jìn)行三維建模時，可直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)三維模型，并根據(jù)實際情況對模型的各種參數(shù)進(jìn)行修改，以提高建模效率。同時，還可以提高土地整治三維場景的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

本研究討論的低山丘陵地區(qū)具有地表起伏平緩的特點，須要對DEM進(jìn)行修改，以完成地形和地物的匹配。若要對地形更為復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行三維建模，則須要進(jìn)一步優(yōu)化地形和地物的匹配方法，以使該方案滿足不同條件下土地整治三維建模的需求。

本研究是基于GIS平臺構(gòu)建三維場景，但沒有充分應(yīng)用GIS空間分析功能，對地形和各規(guī)劃要素進(jìn)行分析，以輔助規(guī)劃設(shè)計。這一點在后續(xù)的研究中要進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉雙良. 土地整治規(guī)劃[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2011.

[2]康紅霞. 基于ArcGIS的三維景觀建模技術(shù)研究[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2006.

[3]王 璐，羅麗芳. 基于ArcEngine與3Ds Max的三維數(shù)字城市研究[J]. 測繪與空間地理信息，2015，38（4）：138-140.

[4]高晉寧. 基于Skyline的城市三維景觀模型構(gòu)建研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2012.

[5]洪德法，楊國東，王志恒. 基于ArcScene和SketchUp的虛擬校園的建立[J]. 計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18（12）：41-43.

[6]杜福光. 基于ArcScene城市三維可視化研究與應(yīng)用[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2010.

[7]許捍衛(wèi)，范小虎，任家勇，等. 基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J]. 測繪通報，2010（3）：52-54.

[8]陶維剛，許振峰，毛婧一. 3Ds Max與MultiGen Creator聯(lián)合建模在建立三維城市模型中的應(yīng)用[J]. 測繪與空間地理信息，2014，37（7）：123-124.

[9]唐 楨，張新長，曹凱濱. 基于Skyline的三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J]. 測繪通報，2010（5）：10-12.

[10]高 巖. 參數(shù)化設(shè)計——更高效的設(shè)計技術(shù)和技法[J]. 世界建筑，2008（5）：28-33.

[11]周 玲. 基于參數(shù)化技術(shù)的數(shù)字城市三維建模方法[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2013.

[12]周長江. 數(shù)字城市三維景觀建模及可視化技術(shù)研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[13]張 暉，劉 超，李 妍，等. 基于CityEngine的建筑物三維建模技術(shù)研究[J]. 測繪通報，2014（11）：108-112.

[14]賈明超，李滿春，王宋輝，等. 可視化技術(shù)在土地整理規(guī)劃中的應(yīng)用——以韶山市為例[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（21）：6468-6470.

[15]陳家贏. 基于虛擬地理環(huán)境三維可視化模型的農(nóng)用地土地整理規(guī)劃設(shè)計[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[16]李睿璞，盧新海，馬才學(xué). 基于GIS的農(nóng)地整理三維可視化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（5）：302-305.

[17]肖輝平. 基于CityEngine的農(nóng)村土地整治三維設(shè)計技術(shù)研究[D]. 南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[18]石若明，朱海勇，陳 燦. 基于規(guī)則庫的三維土地整治規(guī)劃[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（9）：323-327.

[19]張桀滈，李江風(fēng). 土地整治規(guī)劃設(shè)計三維建模方法的比較[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，56（5）：957-961.

[20]翟旭峰，朱杰杰，潘志庚. 3Ds Max建模及其在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用[J]. 計算機(jī)仿真，2004，21（4）：94-97.

[21]美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司. ArcGIS幫助庫10.1[EB/OL]. [2017-10-09]. http：//resources.arcgis.com/zh-cn/help/main/10.1/.

[22]李朝奎，劉文斌，路立娟，等. 一種修改建筑物底部DEM和DLG的實用方法[J]. 測繪工程，2010，19（6）：4-8.

[23]朱海勇. 土地整理規(guī)劃三維地形模型編輯研究[D]. 北京：北京建筑工程學(xué)院，2012.

[24]王繼周，李成名. 城市景觀三維模型庫的原理、構(gòu)建及應(yīng)用[J]. 測繪科學(xué)，2007，32（4）：20-22.余祝媛，賀中華，梁 虹，等. 貴州省近55年降水量時空變化分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（6）：208-215.