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摘要：随着经济社会的发展和耕地保护压力的增大，土地整治作为提高耕地数量和质量的有效措施，将处于越来越重要的地位。因此，有效提高土地整治规划设计质量，也变得尤为重要。运用三维建模技术，研究在地理信息系统（geographic information system，GIS）平台上构建土地整治三维场景的技术方法，在总结现有研究成果的基础上，针对低山丘陵地区的土地整治项目，提出了1套土地整治项目三维场景的构建方案;并且以湖北省黄冈市红安县高桥镇土地整治项目为例，建立土地整治三维场景，实现了土地整治三维可视化。研究结果表明，该方案可以有效生成土地整治三维场景，地形地物匹配情况较好，三维可视化效果好;最后，对基础数据获取、三维建模等方面的技术进行讨论，提出了未来对该领域研究的展望。
关键词：ArcScene;地理信息系统;土地整治;规划设计;三维建模;三维可视化
土地资源是国家经济社会发展的物质基础。当前，我国城市化进程加快，对土地的需求越来越大，同时，保护耕地的压力也与日俱增。土地整治是对田、水、路、林、村的综合整治[1]，它作为提高耕地数量和质量的有效措施，将处于越来越重要的地位。因此，提高土地整治规划设计的可行性和合理性，具有重要的现实意义。当前的土地整治规划设计大多是基于二维计算机辅助设计（computer aided design，CAD）平台进行的，具有很多局限性。实现土地整治规划设计成果的三维可视化可以更直观地展现规划设计场景，辅助技术人员进行规划设计，并且有利于公众参与，以增强规划设计的科学性和合理性。
目前，国内已经有众多学者对基于地理信息系统（geographic information system，GIS）的三维可视化技术作了很多探索，并尝试性地用于土地整治规划设计。对基于GIS的三维可视化最早的探索是在三维数字城市领域，一些学者利用3Ds Max[2-4]、Sketch Up[5-7]或Multigen Creator[2，8]等手工建模软件构建三维模型，并在ArcGIS[2，3，5-7]、Skyline[4，9]等三维平台上生成三维场景，以建立三维数字城市景观。还有学者将参数化建模（parametric modeling）方法用于三维数字城市，用专业知识和规则来确定几何参数和约束，通过简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型[10]，避免了大量重复式的手工建模，大大提高了建模效率[11-13]。贾明超等将三维可视化技术引入到土地整治规划设计中，通过建立空间数据库和数字表面模型，探索了可视化技术在土地整治规划设计中的应用[14]。也有学者探索了利用3Ds Max软件建模，并在三维GIS平台上生成三维场景，实现土地整治规划设计的三维可视化[15-16]。肖辉平将参数化建模方法引入土地整治建模中，在CityEngine平台上，利用CGA（the computer generated architecture）语言编写建模规则，通过设定参数自动生成土地整治三维场景[17]。石若明等尝试使用面向对象的方法来表达土地整治规划设计，通过编写规则生成规则库与土地整治规划三维要素表达模型相关联，并利用规则在三维场景下智能辅助规划设计[18]。
这些研究采用了多种方法实现土地整治三维可视化，作出了很多有益的探索，但是主要选取地形平坦的平原区作为研究区域，较少针对不同地形类型的特点，提出适合较复杂地形的土地整治三维可视化方法，导致研究成果的应用具有一定的局限性。而对丘陵地区的土地整治项目三维可视化进行探索，可以扩大成果应用的范围，使该技术在更多的情况下可以适用。
丘陵地区地形具有一定起伏，在起伏的地形上布设三维模型，容易出现穿插的情况，所以实现地形和地物的匹配接合就尤为重要。本研究试图以无人机航测数据和二维土地整治规划设计成果为基础，利用手工建模的方法，采用数字高程模型（digital elevation model，DEM）修改等数据处理技术，在GIS平台上构建三维场景，实现低山丘陵地区土地整治三维可视化。
1 技术路线和前期准备
1.1 技术路线
土地整治三维建模分为2个部分，一是三维地形建模，二是三維要素建模[19]。三维地形建模是指现状地表形态的三维场景生成;三维要素建模是指土地整治规划涉及的各类地物要素的三维建模。根据各要素的布设结果，将要素三维模型匹配镶嵌至三维地形场景中，以此构建规划三维场景。三维可视化技术路线如图1所示。
1.2 工具与平台选择
目前主流的三维建模软件主要有3Ds Max、SketchUp、Maya等。3Ds Max是目前世界上应用最广的三维建模软件，具有功能强大、操作简单、兼容性好的特点[20]，所以本研究选择3Ds Max作为三维要素建模工具。三维GIS平台具有强大的空间分析和数据管理功能，三维可视化平台选择三维GIS平台。主流的三维GIS平台主要有国外的ArcGIS、Google Earth、Skyline，国内的SuperMap、GeoGlobe等。ArcGIS作为最成熟的GIS平台，各类功能最为强大和全面。ArcScene是ArcGIS提供的一个三维可视化环境，非常适合生成三维要素和栅格数据交互的透视图场景[21]，所以选择ArcGIS为三维可视化平台。
1.3 数据获取与预处理
本研究涉及到的数据主要有数字高程模型、数字正射影像（digital orthophoto map，DOM）、土地整治工程规划图及各种单体工程设计图、单体工程纹理图片等。
DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM的数据格式有很多种，目前为止还没有形成统一的数据标准，国内外主要的DEM文件格式有中国国家标准地球空间数据交换格式（CNSDTF-DEM）、美国地质调查局格式（USGS DEM）、美国环境系统研究所公司（ESRI）的ESRI Grid数据格式。不同格式的DEM数据，高程点的记录顺序都相同，只是文件头格式不同。ArcGIS软件无法读取CNSDTF-DEM格式的数据，通过修改文件头的方式进行数据格式的转换，得到可被读取的数据格式。
关键词：ArcScene;地理信息系统;土地整治;规划设计;三维建模;三维可视化
土地资源是国家经济社会发展的物质基础。当前，我国城市化进程加快，对土地的需求越来越大，同时，保护耕地的压力也与日俱增。土地整治是对田、水、路、林、村的综合整治[1]，它作为提高耕地数量和质量的有效措施，将处于越来越重要的地位。因此，提高土地整治规划设计的可行性和合理性，具有重要的现实意义。当前的土地整治规划设计大多是基于二维计算机辅助设计（computer aided design，CAD）平台进行的，具有很多局限性。实现土地整治规划设计成果的三维可视化可以更直观地展现规划设计场景，辅助技术人员进行规划设计，并且有利于公众参与，以增强规划设计的科学性和合理性。
目前，国内已经有众多学者对基于地理信息系统（geographic information system，GIS）的三维可视化技术作了很多探索，并尝试性地用于土地整治规划设计。对基于GIS的三维可视化最早的探索是在三维数字城市领域，一些学者利用3Ds Max[2-4]、Sketch Up[5-7]或Multigen Creator[2，8]等手工建模软件构建三维模型，并在ArcGIS[2，3，5-7]、Skyline[4，9]等三维平台上生成三维场景，以建立三维数字城市景观。还有学者将参数化建模（parametric modeling）方法用于三维数字城市，用专业知识和规则来确定几何参数和约束，通过简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型[10]，避免了大量重复式的手工建模，大大提高了建模效率[11-13]。贾明超等将三维可视化技术引入到土地整治规划设计中，通过建立空间数据库和数字表面模型，探索了可视化技术在土地整治规划设计中的应用[14]。也有学者探索了利用3Ds Max软件建模，并在三维GIS平台上生成三维场景，实现土地整治规划设计的三维可视化[15-16]。肖辉平将参数化建模方法引入土地整治建模中，在CityEngine平台上，利用CGA（the computer generated architecture）语言编写建模规则，通过设定参数自动生成土地整治三维场景[17]。石若明等尝试使用面向对象的方法来表达土地整治规划设计，通过编写规则生成规则库与土地整治规划三维要素表达模型相关联，并利用规则在三维场景下智能辅助规划设计[18]。
这些研究采用了多种方法实现土地整治三维可视化，作出了很多有益的探索，但是主要选取地形平坦的平原区作为研究区域，较少针对不同地形类型的特点，提出适合较复杂地形的土地整治三维可视化方法，导致研究成果的应用具有一定的局限性。而对丘陵地区的土地整治项目三维可视化进行探索，可以扩大成果应用的范围，使该技术在更多的情况下可以适用。
丘陵地区地形具有一定起伏，在起伏的地形上布设三维模型，容易出现穿插的情况，所以实现地形和地物的匹配接合就尤为重要。本研究试图以无人机航测数据和二维土地整治规划设计成果为基础，利用手工建模的方法，采用数字高程模型（digital elevation model，DEM）修改等数据处理技术，在GIS平台上构建三维场景，实现低山丘陵地区土地整治三维可视化。
1 技术路线和前期准备
1.1 技术路线
土地整治三维建模分为2个部分，一是三维地形建模，二是三維要素建模[19]。三维地形建模是指现状地表形态的三维场景生成;三维要素建模是指土地整治规划涉及的各类地物要素的三维建模。根据各要素的布设结果，将要素三维模型匹配镶嵌至三维地形场景中，以此构建规划三维场景。三维可视化技术路线如图1所示。
1.2 工具与平台选择
目前主流的三维建模软件主要有3Ds Max、SketchUp、Maya等。3Ds Max是目前世界上应用最广的三维建模软件，具有功能强大、操作简单、兼容性好的特点[20]，所以本研究选择3Ds Max作为三维要素建模工具。三维GIS平台具有强大的空间分析和数据管理功能，三维可视化平台选择三维GIS平台。主流的三维GIS平台主要有国外的ArcGIS、Google Earth、Skyline，国内的SuperMap、GeoGlobe等。ArcGIS作为最成熟的GIS平台，各类功能最为强大和全面。ArcScene是ArcGIS提供的一个三维可视化环境，非常适合生成三维要素和栅格数据交互的透视图场景[21]，所以选择ArcGIS为三维可视化平台。
1.3 数据获取与预处理
本研究涉及到的数据主要有数字高程模型、数字正射影像（digital orthophoto map，DOM）、土地整治工程规划图及各种单体工程设计图、单体工程纹理图片等。
DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM的数据格式有很多种，目前为止还没有形成统一的数据标准，国内外主要的DEM文件格式有中国国家标准地球空间数据交换格式（CNSDTF-DEM）、美国地质调查局格式（USGS DEM）、美国环境系统研究所公司（ESRI）的ESRI Grid数据格式。不同格式的DEM数据，高程点的记录顺序都相同，只是文件头格式不同。ArcGIS软件无法读取CNSDTF-DEM格式的数据，通过修改文件头的方式进行数据格式的转换，得到可被读取的数据格式。