基于Skyline的露天矿山环境恢复治理规划设计平台及算法研究

汪永新 焦学军 宋会传 王文杰

（1.河南省地质矿产勘查开发局 测绘地理信息院，河南 郑州 450000；2.河南省自然资源卫星应用技术中心，河南 郑州 450000）

1 引言

生态环境修复意义重大，我国经济发展已开始从单纯追求效益的发展向注重社会与环境利益的协调发展转型。我国矿山开采历史悠久，开采量巨大，高强度的矿山开采带来了生态环境破坏，甚至引发了泥石流、山体滑坡等灾害，迫切需要相关部门及专业人士予以重视[1]。传统矿山环境恢复治理基本采用CAD、MapGIS 等二维绘图软件进行工程布置设计，视觉效果较抽象、不够直观，不易被非测绘专业人士理解，也不利于为决策者提供决策支持[2]。本文采用三维地理信息技术，结合露天矿山环境恢复治理工程，研发露天矿山环境恢复治理规划设计平台，为相关技术人员提供视觉逼真、交互性好、可智能三维化设计等功能。

2 平台整体结构

本文以Skyline 作为底层三维引擎，采用C#开发语言、VS2015 开发工具，利用Skyline 组件针对露天矿山环境恢复治理业务，搭建露天矿山环境恢复治理规划设计平台。平台包括标题栏、工具栏、菜单栏和数据显示窗口。平台除具备三维数据添加和显示、场景漫游、空间测量、线和多边形绘制、对象搜索等三维地理信息功能外，还包括边坡及平台设计、绿化设计、水系设计、挡墙设计、道路设计、地面平整、土方量计算、多期治理工程对比等露天矿山环境恢复治理的专项功能[3]。平台整体结构如图1 所示。

3 算法研究

为实现矿山环境恢复治理工程的设计功能，需研究相应的地形修改算法。平台涉及的算法如下：

图1 平台结构图

3.1 高程点集自动寻坡法

在边坡设计中绘制初始设计线，再根据设计高差和设计坡度完成边坡工程设计。其中，需要程序判断陡坡位于设计线哪一侧。本文首先根据设计高差和设计坡度算出设计线节点平面偏移距离。然后在过首节点垂线上，首节点左右两侧依次按偏移距离及偏移距离加i*1/2 倍的偏移距离迭代（i 是迭代次数）取点，获得左右两侧取点高程集。对比左右侧取点高程集平均值，平均值大的是上坡方向，平均值小的为下坡方向（如果两侧高程集平均值相等则增加迭代次数，重复上述过程，直到找到上坡、下坡为止）。以上算法可实现程序自动寻坡，完成边坡设计。具体过程如图2 所示。

3.2 平行线相交求偏移点法

设计线中间节点偏移点的获取不同于首尾节点的垂线偏距取点法，而是过各节点的设计偏距点作该段设计线的平行线，取前后设计线段平行线的交点为该节点的偏移点。然后依次连接首节点、中间节点、尾节点三者的偏移点，完成设计线偏移线的创建。具体算法过程图解如图3 所示。

图2 自动寻坡算法流程图

图3 偏距点平行线相交求点法图解

3.3 多边形内栽种绿植判定法

在园林设计功能中，实现设计多边形范围内根据栽种间距批量栽种绿植。为保证绿植都在设计多边形范围内，需要判断栽种点是否在多边形内。如果栽种点在设计多边形范围内则符合栽种条件予以保留，不在则舍去。判断点与多边形拓扑关系的数学基础有多种，本文采用射线法，即从待判断点引一条射线，统计射线与多边形交点个数。如果交点数为奇数，则说明点在多边形内部；如果交点数为偶数，则说明点在多边形外部[4]。算法流程如图4 所示。

图4 多边形内栽种绿植判定法

3.4 左右侧偏移点判定法

根据设计参数对设计线节点进行偏移时，在纯粹几何计算情况下会存在左右两侧都有偏移点的情况。但实际规划设计中往往需要确定偏移点在设计线的左侧还是右侧。本文采用计算几何中向量叉积进行判断。向量叉积定义如下：矢量P =（X1，Y1），Q =（X2， Y2），则矢量叉积为：P×Q =X1Y2-X2Y1。可以用叉积的符号判断两矢量之间的顺逆时针关系：

（1）若P×Q ＞0，则P 在Q 的顺时针方向；

（2）若P×Q ＜0，则P 在Q 的逆时针方向；

（3）若P×Q = 0，则P 与Q 共线，但可能同向也可能反向。

3.5 沿线均匀栽种行道树法

设计行道树需依据行道树设计间距在行道树设计线上均匀栽种成排树木。行道树设计的算法思路如下：

（1）首先获取行道树设计线长度L，行道树设计线首尾节点坐标A（X1，Y1）、B（X2，Y2），则：

（2）根据栽种间距d 和行道树设计线长度L，获得需要栽种树木的数量C。①若L/d 能整除，则C=L/d－1；②若L/d 不能被整除，则C=L/d 取整。

（3）根据步骤②中计算的树木栽种数量C 和栽种设计间距d，利用代码对行道树设计线首节点A（X1，Y1）进行迭代运算，依次计算出树木的栽种点坐标，即完成行道树的自动批量沿线栽种。

图5 左右侧偏移点判断法

4 平台主界面及部分功能展示

平台由工具栏、菜单栏、工程树、三维数据显示窗口四部分组成。工具栏包括对象选择、属性及空间信息查询、标签显示、线及多边形绘制、绘制捕捉、面积及长度量测、剖面图、实景三维数据、二维矢量数据及单体模型添加、对象搜索等工具。菜单栏包括工程管理、边坡设计、绿化设计、水系设计、挡墙设计、道路设计、地面平整、土方量计算、坐标统计、多期工程对比等功能。工程树是对工程中包含的对象进行显隐、删除等操作管理。三维数据显示窗口是矿区真三维场景数据展示窗口，在该窗口中进行三维场景内漫游游览、交互操作、各种矿山环境恢复治理工程的三维可视化等。平台主界面如图6 所示，平台边坡设计功能如图7 所示，平台沟渠设计功能如图8 所示。

图6 平台主界面

图7 边坡设计

图8 沟渠设计

5 结语

本文以Skyline 三维引擎为基础，利用其提供的基础功能接口，结合露天矿山环境恢复治理业务，研究可以实现边坡设计、绿化设计、沟渠设计、道路设计等功能的相关算法，研发露天矿山环境恢复治理规划设计平台。该平台为相关技术人员科学管理治理区矿山的二、三维数据提供了方便，分析并实现了关于矿山环境恢复治理工程的三维可视化设计和工程量统计。目前，在地质生态环境修复行业能够实现大场景三维化规划设计、工程量计算的平台并不多，本文研究为露天矿山环境恢复治理等生态环境修复类业务提供了一种新的工程技术方案，未来还将深度结合相关业务，在更实用、更智能的方向，深入研究平台相关功能。