王婉穎 馮瀟

2018年第19屆國際數(shù)字景觀大會（DLA）將“景觀設(shè)計(jì)中虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和沉浸式展示”作為會議主題之一?？v觀歷年來的核心討論內(nèi)容，針對景觀環(huán)境可視化的研究始終占比最大[1]。數(shù)字景觀技術(shù)不僅會成為未來風(fēng)景園林學(xué)科發(fā)展的重要工具，也是未來行業(yè)的發(fā)展方向。

大多數(shù)景觀都被植被覆蓋，植物是風(fēng)景園林關(guān)鍵組成要素[2]。因此，植物的三維數(shù)字化模型無疑是風(fēng)景園林可視化的先決條件[3]833，也是景觀模擬系統(tǒng)的重要組成部分[4]6。雖然植物的三維數(shù)字化模型在影視及游戲領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟，但在風(fēng)景園林設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用尚在起步階段。

1 園林植物三維數(shù)字模型構(gòu)建與應(yīng)用的必要性

1.1 輔助風(fēng)景園林植物形態(tài)認(rèn)知

在風(fēng)景園林專業(yè)課程設(shè)置中，園林植物類課程占有重要地位。國際風(fēng)景園林（Landscape Architecture）教育植物學(xué)基礎(chǔ)（Introduction of Plants）的課程體系要求掌握和識別植物的種類及其形態(tài)特征[5]71。但是在現(xiàn)有的園林植物課程教學(xué)中，教師常使用植物學(xué)的專業(yè)術(shù)語和靜態(tài)圖像來講解樹木形態(tài)，學(xué)生很難充分觀察和深度感知植物特征；另一方面，戶外植物認(rèn)知也存在植物種類受限、季相變化難以呈現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)知時(shí)間不足等問題[6]。

構(gòu)建園林植物三維數(shù)字模型能夠充分展示植物材料及其特性，如植物的尺度、形態(tài)、色彩、質(zhì)地和季相變化等。不僅可以在課堂上幫助師生以一個(gè)全新的視角來研究植物，同時(shí)也在一定程度上彌補(bǔ)了戶外植物認(rèn)知上的不足，用以輔助風(fēng)景園林專業(yè)園林植物類課程教學(xué)、科普與植物形態(tài)展示。

1.2 輔助植物景觀設(shè)計(jì)，提升風(fēng)景園林設(shè)計(jì)成果表現(xiàn)力

植物景觀設(shè)計(jì)是風(fēng)景園林設(shè)計(jì)中的重要組成部分，但是由于許多設(shè)計(jì)師對于植物特征把握不準(zhǔn)，同時(shí)又缺少足夠的植物模型素材，從而產(chǎn)生了大量不恰當(dāng)或不理想的設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)師能夠參照較為準(zhǔn)確的園林植物三維數(shù)字模型，輔助植物景觀設(shè)計(jì)，就能準(zhǔn)確地預(yù)測設(shè)計(jì)效果；另一方面，園林植物對于風(fēng)景園林設(shè)計(jì)成果表現(xiàn)具有重大影響，缺少精準(zhǔn)的植物環(huán)境模擬會影響設(shè)計(jì)師、業(yè)主與受眾之間的有效溝通[3]824。

隨著時(shí)代的發(fā)展，風(fēng)景園林可視化勢在必行，三維植物模型無疑是影響風(fēng)景園林可視化沉浸感和逼真度的重要因素[7]。構(gòu)建三維植物模型庫可使風(fēng)景園林設(shè)計(jì)表現(xiàn)更具體、形象、生動；在模型中模擬植物自然生長及季相變化，也能夠進(jìn)一步打破圖像與現(xiàn)實(shí)之間的界限，增強(qiáng)風(fēng)景園林設(shè)計(jì)成果表現(xiàn)的真實(shí)性和創(chuàng)造性[8]。

1.3 組建風(fēng)景園林信息模型（LIM）植物信息庫

風(fēng)景園林信息模型（Landscape Information Modeling，簡稱 LIM）最早于 2009 年在德國的國際數(shù)字景觀大會上被提出，其彌補(bǔ)了建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）在風(fēng)景園林設(shè)計(jì)、建造和管理方面的不足，在風(fēng)景園林領(lǐng)域已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注和研究[9]。 基于風(fēng)景園林的特性，LIM將地形、水體、植物模型作為核心構(gòu)成要素，因此園林植物數(shù)字模型無疑是 LIM 中不可或缺的重要部分。當(dāng)下，建筑、市政、交通、水文等領(lǐng)域的三維數(shù)字模型庫和操作平臺已經(jīng)比較成熟，而園林植物領(lǐng)域發(fā)展最為滯后。

表1 5種工具軟件在園林植物三維數(shù)字模型構(gòu)建方面的綜合對比Tab.1 Comprehensive comparison of five tool softwares in building 3D digital models of landscape plants

目前市面已存在LANDWorksCAD植物模型圖庫①和Lumion植物模型庫②，在表現(xiàn)效果上，Lumion植物模型真實(shí)性較強(qiáng)，LANDWorksCAD植物模型真實(shí)性較弱。在植物素材上，二者均無法對廠家提供的植物模型進(jìn)行二次編輯及置入生長數(shù)據(jù)，植物品種也大多為不適于中國生長環(huán)境的異國植物。此外，Lumion植物模型不能集成任何有效的植物信息，LANDWorksCAD也僅能在軟件自身平臺中集成植物信息，二者均無法與LIM平臺實(shí)現(xiàn)交互。由此可見，當(dāng)下沒有能夠滿足風(fēng)景園林師對于園林植物實(shí)際應(yīng)用需求的三維數(shù)字模型，因此，急需探索一種園林植物三維數(shù)字模型構(gòu)建和應(yīng)用的方式。

2 園林植物三維數(shù)字模型構(gòu)建途徑（工具）

植物由枝、干、葉、花、果等大量的單體組成，每個(gè)物種都獨(dú)具特征，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及形態(tài)增加了建模難度。目前可以構(gòu)建三維植物模型的軟件主要有5種（表1）。

基于風(fēng)景園林從業(yè)人員對園林植物數(shù)字模型的需求，綜合考慮設(shè)備情況、操作難度，本文作者嘗試以 PlantFactory為工具，探索構(gòu)建園林植物三維數(shù)字模型。

3 利用PlantFactory構(gòu)建三維植物模型

3.1 PlantFactory的建模原理

PlantFactory軟件的分支算法技術(shù)，能夠根據(jù)植物生長規(guī)律來建構(gòu)植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終得到植物三維數(shù)字模型。該技術(shù)有一個(gè)明顯的優(yōu)勢，即操作過程中不需要使用者具有專業(yè)的計(jì)算機(jī)技術(shù)背景或深厚的植物學(xué)知識，僅需要對植物進(jìn)行分層處理及簡單的參數(shù)調(diào)整，便可生成模擬植物真實(shí)形狀和復(fù)雜性的三維數(shù)字模型。

建模過程主要包括3個(gè)部分：確定植物形態(tài)、重構(gòu)植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（枝干）、構(gòu)建植物器官（葉序、花序/果實(shí)）。其中值得注意的是，枝干是三維植物模型的重要組成部分，同時(shí)也是植物三維模型整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)鍵因素，因此在模型構(gòu)建的過程中，需要著重考慮其枝干層的構(gòu)建（圖1）。

表2 15種典型樹形園林植物Tab.2 15 typical tree-shaped garden plants

1 樹狀結(jié)構(gòu)分形規(guī)則[4]9Tree-like stracture as result of fractal rule [4]9

2 園林樹木基本樹形[10]Basic shapes of garden trees [10]

3 欒樹圖像Image of Koelreuteria Paniculata

3.2 樹形分類

從植物形態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，樹形一般是指在正常的生長環(huán)境下，其成年樹的外貌。通常各種園林植物的樹形可分為25個(gè)類型（圖2）。

對于應(yīng)用于虛擬環(huán)境中的植物模型來說，在樹形上高度契合真實(shí)植物便已能滿足其基本應(yīng)用需求。但在某些特定情況下，也須適當(dāng)考慮其分枝形式、葉序及花序（果實(shí)）的形態(tài)結(jié)構(gòu)以滿足更高精細(xì)度的要求。

依據(jù)上述基本樹形分類，選取其中15種典型植物進(jìn)行三維植物建模探索（表2），以期構(gòu)建一個(gè)小型園林植物三維數(shù)字模型庫。

3.3 構(gòu)建案例

欒樹素有“一年能占十月春”之美譽(yù)，其春季枝繁葉茂、夏季黃花滿樹、秋季滿枝蒴果，是非常典型的園林樹種。因此選取欒樹作為目標(biāo)樹種，展示利用PlantFactory構(gòu)建三維植物模型的詳細(xì)過程，構(gòu)建方式同樣適用于相同樹形結(jié)構(gòu)下其他任意植物模型的構(gòu)建。建模過程主要分為3部分：1）確認(rèn)植物信息； 2）重構(gòu)植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 3）構(gòu)建植物器官（葉序、花序）模型。

3.3.1 確認(rèn)植物信息

以中國植物志（FRPS）記載的欒樹形態(tài)特征為參照（表3），并通過在北京植物園進(jìn)行實(shí)地觀察測量獲取欒樹形態(tài)數(shù)據(jù)（圖3），以此作為欒樹三維植物模型構(gòu)建基礎(chǔ)。

3.3.2 重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

植物生長結(jié)構(gòu)是整體性、動態(tài)相關(guān)性的，利用PlantFactory構(gòu)建植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生長模型同樣遵循這一屬性，即以電池組④的形式連接構(gòu)建指令，使其與對應(yīng)的模型效果相互關(guān)聯(lián)、相互影響。

將欒樹分為主干層、主分枝層、次分枝層/葉序（花序）著生枝層3個(gè)層級構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型：

1）主干層。以單一主干、樹高15 m為基本特征構(gòu)建主干層。設(shè)置主干高度時(shí)須將頂部分枝長度考慮在內(nèi)以避免整體樹高與實(shí)際不符；設(shè)置胸徑參數(shù)時(shí)須符合自下而上寬度遞減的真實(shí)狀態(tài)。為了使主干更具逼真感，可以通過Axis軸向控制器調(diào)整主干彎曲度、Section模型改變控制器制作主干縱裂及皮孔凹槽以及ROOT FLARES選項(xiàng)增強(qiáng)主干基部分裂與膨大。

2）主分枝層。以假二叉分枝及真實(shí)測量數(shù)據(jù)為參照構(gòu)建分枝層，設(shè)置主枝分布方式，數(shù)量、夾角、下垂參數(shù)與分枝點(diǎn)高度，調(diào)整分枝旋轉(zhuǎn)角度與間距參數(shù)，以符合其基本形態(tài)。為了使主枝更具逼真感，可以通過設(shè)定Tropism分枝下垂樣條曲線調(diào)整主枝受力情況，和BlENDING基部延伸度選項(xiàng)使主枝平滑相接于主干。

4 葉片三維模型構(gòu)建過程3D modeling of plant leaves

5 聚傘花序三維模型構(gòu)建過程3D modeling process of Cyme Inflorescence

6 欒樹三維模型構(gòu)建過程3D model building process of Koelreuteria Paniculata

7 欒樹三維模型展示3D model display of Koelreuteria Paniculata

3）次分枝層/葉序（花序）著生枝層。構(gòu)建原理和連接方式與主分枝層相同。各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定不僅須符合植物的真實(shí)信息，也需要靈活機(jī)動地在實(shí)際范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，使模型符合欒樹真實(shí)結(jié)構(gòu)形態(tài)。

3.3.3 構(gòu)建植物器官模型

1）葉序。首先須單獨(dú)制作葉序貼圖，主要分為以下3個(gè)步驟：①獲取葉序圖像資料。②將圖像中的葉序部分保存為PNG格式，作為欒樹葉序紋理貼圖。③將紋理貼圖生成法線圖，作為欒樹葉序法線貼圖。再通過模型文件中的Material指令，導(dǎo)入紋理貼圖和法線貼圖，構(gòu)建欒樹葉片模型（圖4）。

2）花序。首先須單獨(dú)構(gòu)建聚傘花序拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建原理與連接方式同枝干層，再通過Urchin指令構(gòu)建花朵模型（圖5），最后轉(zhuǎn)為組件導(dǎo)入欒樹模型文件中與分枝相連。

以上各項(xiàng)參數(shù)均按照植物真實(shí)信息設(shè)定（以欒樹實(shí)地觀測數(shù)據(jù)為參照標(biāo)準(zhǔn)），最終完成欒樹三維植物模型構(gòu)建（圖6）。

在電池組的連接模式下，用戶可以通過更改構(gòu)建指令的參數(shù)，影響其自身層級或子層級的模型形態(tài)。以植物分枝為例，每一層級的分枝均從上一層級分枝（其母枝）的底層開始生長，分枝的生成方向、大小長度和伸展角度隨著參數(shù)的調(diào)整而變化，當(dāng)母枝參數(shù)改變時(shí)，后繼分枝繼承母枝參數(shù)同樣發(fā)生形態(tài)變化。

3.4 成果展示

通過上述構(gòu)建過程，創(chuàng)建出欒樹三維數(shù)字模型（圖7）。該模型從整體樹形、枝干、葉序和花序等方面均能夠較好地反映欒樹的植物形態(tài)特征，驗(yàn)證了本構(gòu)建方法的有效性。其中，模型文件量為7.4 MB，可輸出Alembic、FBX、3DS、OBJ、C4D、LWO等格式置入大多3D應(yīng)用程序。

同時(shí)，運(yùn)用同樣建模方法對其他14種典型園林植物進(jìn)行構(gòu)建探索，目前已組建一個(gè)小型園林植物三維數(shù)字模型庫（圖8）。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 輔助園林植物形態(tài)認(rèn)知

PlantFactory植物模型導(dǎo)出FBX格式的文件可與Lumion平臺實(shí)現(xiàn)交互。將欒樹三維數(shù)字模型經(jīng)Lumion渲染生成全景圖像后，再通過全景制作軟件（本文選用杰圖軟件⑤）制作植物全景漫游圖像并生成二維碼，最終可在手機(jī)、平板電腦等非專業(yè)操作平臺通過掃碼呈現(xiàn)植物三維形態(tài)（圖9）。

8 三維植物模型庫展示Display of 3D plant model library

9 欒樹全景漫游圖像截圖及二維碼（請用手機(jī)掃碼觀看）Panoramic roaming image screenshot and QR code of Koelreuteria Paniculata Laxm.（scan the code to watch）

10 PlantFactory植物模型應(yīng)用效果展示Application effect of PlantFactory plant model

在園林植物課程教學(xué)中，將3D植物模型與課堂教學(xué)先后銜接，反復(fù)鞏固和拓展，可以達(dá)到認(rèn)知植物要素的訓(xùn)練目的；植物的三維場景感知也能夠轉(zhuǎn)換為學(xué)生對植物形態(tài)、要素構(gòu)成的理解，彌補(bǔ)戶外植物認(rèn)知實(shí)習(xí)的不足，達(dá)到植物課程“感知—建構(gòu)—營造”教學(xué)序列的目標(biāo)[5]73。同時(shí)，通過掃碼認(rèn)知并了解植物，是一條有異于植物傳統(tǒng)科普的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化科普途徑，對大眾植物科普也起到了促進(jìn)作用[12]。

4.2 輔助植物景觀設(shè)計(jì)，提升風(fēng)景園林設(shè)計(jì)成果表現(xiàn)力

以某處小尺度園林為例，通過在Lumion渲染平臺中置入植物三維數(shù)字模型（包括21株欒樹，12株鵝掌楸，6株冷杉以及9叢砂地柏），以實(shí)驗(yàn)其在植物造景中的作用（圖10）。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)模型中植入準(zhǔn)確的園林植物三維數(shù)字模型，不僅有助于植物景觀設(shè)計(jì)過程中的反復(fù)推敲，也可根據(jù)設(shè)計(jì)師需求自主建模，彌補(bǔ)現(xiàn)有植物模型種類欠缺的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)品種正確的植物景觀設(shè)計(jì)；同時(shí)園林植物數(shù)字模型的表現(xiàn)效果具有真實(shí)感，可以極大地還原設(shè)計(jì)意圖，幫助非專業(yè)人士了解植物景觀未來的效果，為業(yè)主對設(shè)計(jì)方案的最終判斷提供參考。

4.3 組建LIM植物信息庫

在目前的風(fēng)景園林實(shí)踐中，LIM的體系化應(yīng)用尚未充分展開，從行業(yè)實(shí)際需求出發(fā)，探索能夠有效應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)踐的LIM操作平臺無疑是推動風(fēng)景園林行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[13]。

筆者基于BIM四大軟件平臺中的Autodesk Revit和Bentley Microstation平臺，探索園林植物三維數(shù)字模型信息集成的實(shí)踐應(yīng)用。其中Bentley平臺下的MicroStation軟件可直接與PlantFactory導(dǎo)出的OBJ格式文件實(shí)現(xiàn)模型信息交互（圖11），后期再通過Bentley LumenRT軟件添加材質(zhì)進(jìn)行渲染；Autodesk平臺下的Revit軟件須先通過3ds Max將PlantFactory導(dǎo)出的FBX格式的文件轉(zhuǎn)換為DWG格式，再進(jìn)行置入實(shí)現(xiàn)交互（圖12），后期通過Revit自帶材質(zhì)庫或3d Max材質(zhì)庫進(jìn)行渲染。

通過對BIM平臺中的植物模型添加名稱、習(xí)性、土球標(biāo)準(zhǔn)、苗源、價(jià)格等信息，有望組建LIM植物模型庫，使風(fēng)景園林設(shè)計(jì)、規(guī)劃、施工和管理之間的信息交換成為可能[14]，也為相關(guān)風(fēng)景園林三維模型交互和LIM的深入研究提供參考價(jià)值。

5 總結(jié)與展望

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將3D可視化技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)景園林教學(xué)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工和后期管護(hù)中成為必然的趨勢。在當(dāng)下的可視化技術(shù)應(yīng)用中，園林植物三維數(shù)字模型的匱乏成為風(fēng)景園林行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的瓶頸。

11 通過Bentley MicroStation添加植物信息Adding plant information through Bentley MicroStation

12 通過Autodesk Revit添加植物信息Adding plant information through Autodesk Revit

實(shí)踐證明，利用PlantFactory軟件構(gòu)建植物三維數(shù)字模型，適用于風(fēng)景園林師與普通大眾；同時(shí)，該方法對于電腦配置要求不高，能夠輸出多種文件格式，兼容性較好。通過這種方式建立的園林植物三維數(shù)字模型，能夠較好地滿足植物認(rèn)知、輔助設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)表現(xiàn)以及LIM的應(yīng)用要求。在實(shí)操過程中，可以得到以下的經(jīng)驗(yàn)：

1）模型文件量會隨著對植物細(xì)節(jié)表現(xiàn)的深入而增大，因此在建模過程中需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景及視覺重點(diǎn)選擇合適的建模精度，以避免文件量過大造成運(yùn)行卡頓等現(xiàn)象。

2）PlantFactory軟件通過大量的參數(shù)來控制植物的形態(tài)，因此需要實(shí)際測量植物的各項(xiàng)參數(shù)以確保植物模型的準(zhǔn)確性。

3）植物器官模型僅展現(xiàn)了大致形態(tài)，其細(xì)節(jié)（如果實(shí)上的絨毛、花瓣褶皺等）難以通過紋理貼圖的方式實(shí)現(xiàn)；同時(shí)在PlantFactory中置入植物生長參數(shù)，呈現(xiàn)其成長過程、季相變化的操作也具有一定難度，這兩點(diǎn)無疑是最大的遺憾。

未來，風(fēng)景園林師利用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等技術(shù)，對于園林植物三維數(shù)字模型進(jìn)行各方面的應(yīng)用一定會具有非常廣闊的前景。當(dāng)然，園林植物三維數(shù)字模型的構(gòu)建方式還存在很多可能，本研究的方法只是其中一種，希望能有更多的人員和機(jī)構(gòu)能夠探索構(gòu)建更好的、可以進(jìn)行大規(guī)模推廣的園林植物三維數(shù)字模型庫。

致謝(Acknowledgements) :

深圳大地創(chuàng)想建筑景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司為該項(xiàng)目提供技術(shù)支持，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院在讀研究生：蔡春雨、范曉玥、廖菁菁、李若蘭、聶蕾、魏巍、王婉穎、向思宇等人參與建模工作，北京林業(yè)大學(xué)植物學(xué)專業(yè)學(xué)生胡玲參與植物形態(tài)學(xué)指導(dǎo)工作，在此對他們的付出表示感謝。

注釋(Notes)：

① LANDWorksCAD植物模型圖庫是CAD International旗下軟件LANDWorksCAD自帶的植物素材庫，用于快速展示概念方案、種植方案等，具有自己獨(dú)特的圖示風(fēng)格。

② Lumion植物模型庫是3D渲染軟件Lumion自帶的植物素材庫，用于營造真實(shí)的環(huán)境，增強(qiáng)視覺效果。

③ VFX是Visual Effect（視覺效果）的英文縮寫，簡稱“視效”。

④ 電池組即PlantFactory指令之間的連接方式。

⑤ 杰圖軟件是提供全景圖拼接，虛擬漫游和環(huán)物效果制作的VR軟件。

圖表來源(Sources of Figures and Tables):

圖1引自參考文獻(xiàn)[2]；圖2引自參考文獻(xiàn)[10]；圖3由作者實(shí)地拍攝；圖4～7，9～12由作者繪制；圖8由工作室合作完成。表1、2由作者繪制；表3根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]整理。