森林公園景觀節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃瀅+張青萍

摘 要： 針對(duì)當(dāng)前對(duì)公園景觀設(shè)計(jì)過(guò)程資源消耗較大問(wèn)題，提出基于三維圖像的森林公園景觀節(jié)能設(shè)計(jì)方法。根據(jù)森林公園所處位置周邊地形，結(jié)合金剛石方格算法獲取三維地形框架，以公園凹陷為例進(jìn)行填充，并對(duì)其進(jìn)行遞歸、細(xì)化處理；采用背面剔除技術(shù)規(guī)劃公園中樹(shù)木、道路等分布，通過(guò)得到的遞歸函數(shù)完成景觀節(jié)能規(guī)劃設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提設(shè)計(jì)方法對(duì)森林公園景觀數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，明顯降低了景觀設(shè)計(jì)過(guò)程的能耗，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞： 森林公園； 景觀節(jié)能； 金剛石方格算法； 三維地形； 剔除技術(shù)； 遞歸函數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN245?34； TU985.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）04?0131?03

Abstract： In allusion to the current problem of large resource consumption during the park landscape design process， the design method of landscape energy saving for forest park based on the three?dimensional （3D） image is proposed. According to the surrounding terrain of the forest park， the 3D terrain framework is obtained by combing with the diamond square algorithm. Taking filling the sunken park as an example， the recursion and refining treatment is performed for the sunken park. The back elimination technology is adopted to plan the distribution of trees and roads in the park. The planning and design of landscape energy saving is accomplished by means of the obtained recursive function. The experimental results show that the proposed design method can accurately collect the landscape data of forest park and obviously reduce the energy consumption of landscape design process， which has a strong practical significance.

Keywords： forest park； landscape energy saving； diamond square algorithm； 3D terrain； elimination technology； recursive function

森林公園的主要組成部分是植物，自然狀態(tài)下植物的生長(zhǎng)并不都適合用來(lái)觀賞，需要對(duì)森林公園內(nèi)的景觀進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)[1?2]。近幾年，我國(guó)城市化發(fā)展速度加快導(dǎo)致大面積自然景觀廢棄產(chǎn)物出現(xiàn)，給城市環(huán)境生態(tài)帶來(lái)巨大影響，政府提出節(jié)能設(shè)計(jì)綠色規(guī)劃建議[3]。森林公園景觀節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵取決于廢棄地周?chē)沫h(huán)境以及開(kāi)發(fā)程度需求。由于森林公園規(guī)劃關(guān)聯(lián)性與前瞻性要求非常高，是全新技術(shù)需求最為迫切的發(fā)展條件之一[4]。針對(duì)森林公園節(jié)能規(guī)劃，設(shè)計(jì)人員仍然使用傳統(tǒng)規(guī)劃手法，該手法存在數(shù)據(jù)收集不準(zhǔn)確、速度慢、模擬畫(huà)面不真實(shí)等問(wèn)題，僅滿(mǎn)足二維繪圖需求。

針對(duì)森林公園景觀周?chē)匦蔚哪M采用金剛石方格算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確、速度快、耗費(fèi)時(shí)間短、模擬畫(huà)面真實(shí)等優(yōu)勢(shì)。

1 基于三維圖像的森林公園地形框架構(gòu)建

森林公園景觀節(jié)能規(guī)劃分為總體規(guī)劃、區(qū)域規(guī)劃以及專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃，任何層面上地形規(guī)劃設(shè)計(jì)離不開(kāi)三維圖像，該設(shè)計(jì)方法需要在三維圖像模式下，實(shí)現(xiàn)森林公園地形三維節(jié)能重塑。對(duì)森林公園地形填充，傳統(tǒng)方法需要耗費(fèi)大量人力、物力，施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成大量能源、資源浪費(fèi)。

針對(duì)森林公園景觀周?chē)匦蔚哪M采用金剛石方格算法。該算法是在三維圖像上使用變換的一種方法，利用該方法能夠獲取高度精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)組[5]。建立一座山峰，在該地形上山峰需要人為增加網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)來(lái)提高數(shù)據(jù)收集精準(zhǔn)度，數(shù)據(jù)組中所有的網(wǎng)格點(diǎn)都是隨機(jī)產(chǎn)生。假設(shè)該數(shù)據(jù)是正方體的，維數(shù)是[2n+1]。設(shè)置三維圖像高度一致，選取1個(gè)[5×5×5]數(shù)組，如圖1a）所示，對(duì)正方體8個(gè)角賦予較高的初始值，用黑點(diǎn)來(lái)表示，將此作為遞歸步驟的起點(diǎn)，具體流程如圖1所示。

由圖1b）選擇8個(gè)點(diǎn)的正方體，在正方體中自動(dòng)生成1個(gè)隨機(jī)值，將正方體中心作為各個(gè)對(duì)角線(xiàn)的交點(diǎn)。中心點(diǎn)值是平均8個(gè)角的值與1個(gè)隨機(jī)值相加而得到的，由此形成地形的一個(gè)棱錐。圖1c）選取每8個(gè)點(diǎn)就自動(dòng)形成一個(gè)棱錐，位于棱錐中心點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)值。將平均角度值與diamond步產(chǎn)生的隨機(jī)值相加，能夠得到每條邊線(xiàn)的中點(diǎn)值，進(jìn)而得到一個(gè)正方體，如果已經(jīng)自動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)正方體，那么經(jīng)過(guò)單獨(dú)細(xì)分就會(huì)得到4個(gè)正方體[6]。

經(jīng)過(guò)第二次獲得的正方體為16個(gè)，第3次獲得的正方體為64個(gè)，正方體數(shù)目為[22+1，]如圖1a）～圖1c）所示。針對(duì)第一次經(jīng)過(guò)diamond步的時(shí)候，根據(jù)8個(gè)角的數(shù)值在數(shù)組中心自動(dòng)生成一個(gè)隨機(jī)值。將這8個(gè)角值與一個(gè)-1.0～1.0之間隨機(jī)值相加，如圖1b）所示，新產(chǎn)生的值顯示為黑點(diǎn)，存在網(wǎng)格點(diǎn)顯示為空心圈。endprint

在Square步相同的范圍內(nèi)生成一定隨機(jī)值。每一步都有4個(gè)棱錐，在數(shù)據(jù)組中心進(jìn)行交互，計(jì)算4個(gè)diamond中心。如果將這幾個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)，可以得到地形框架，如圖2所示。

進(jìn)行第二次遞歸的時(shí)候需要計(jì)算正方體6個(gè)面的中心；需要重新計(jì)算13個(gè)新值，如圖1d）中黑點(diǎn)所示。目前數(shù)組中23個(gè)元素都已經(jīng)生成，由此可得到如圖3所示的遞歸地形框架。

分配更多數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行更多次遞歸，每一遍遞歸都需要增加更多的細(xì)節(jié)，經(jīng)過(guò)5遍遞歸之后就會(huì)得到非常逼真的地形，完成三維地形節(jié)能填充，實(shí)現(xiàn)基于三維圖像的森林公園地形框架構(gòu)建。

2 森林公園景觀節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在森林公園地形框架構(gòu)建的基礎(chǔ)上，針對(duì)森林公園三維樹(shù)木節(jié)能使用背面剔除技術(shù)，該技術(shù)是指在樹(shù)木繪制前，剔除與視線(xiàn)相背離的多邊形，僅繪制視線(xiàn)所能達(dá)到的多邊形，進(jìn)而減少繪制樹(shù)木多邊形的數(shù)量[7?8]。一般情況下，通過(guò)計(jì)算視線(xiàn)方向和多邊形方向的夾角來(lái)剔除多邊形，[如果夾角大于90°]，那么就要剔除多邊形。

針對(duì)森林公園，樹(shù)木景觀節(jié)能需要計(jì)算視線(xiàn)方向與多邊形方向向量夾角，轉(zhuǎn)換為向量之間的夾角。假設(shè)向量[A]和[B]之間夾角為[α]，那么構(gòu)造[α]對(duì)邊向量為[A-B]，進(jìn)而[A]，[B]和[A-B]向量就構(gòu)成了一個(gè)三角形。假設(shè)[A=Ax，Ay，Az，B=Bx，By，Bz]，由此推導(dǎo)出三角形邊角之間關(guān)系為：

若[A?B=0]時(shí)，向量[A]和[B]為垂直關(guān)系[A⊥B]；若[A?B>0]時(shí)，向量[A]和[B]之間夾角小于[90°]，為銳角，不會(huì)被剔除；若[A?B<0]時(shí)，向量[A]和[B]之間夾角為鈍角大于[90°]，被剔除。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)設(shè)定

選擇某市位于美麗北部山峰的貫穿于2區(qū)1市1縣的大型森林公園，整個(gè)森林公園自北向南長(zhǎng)為584 km。主要數(shù)據(jù)源有：環(huán)城港市的1∶10 000紙質(zhì)地形圖，遙感影像，城市分布圖、站點(diǎn)分布圖，公園占地現(xiàn)狀圖等輔助數(shù)據(jù)。使用300 dpi掃描精度作為森林公園研究的地形圖進(jìn)行掃描，并輸入電腦當(dāng)中，再將圖像進(jìn)行拼接，由此生成地形柵格圖，對(duì)分辨率進(jìn)行相應(yīng)處理，以幾何校正為主，匹配相應(yīng)的空間地理位置，并進(jìn)行疊加，進(jìn)而形成節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將地形模塊提取出來(lái)，規(guī)劃公園地形的坡度與坡向，進(jìn)行重新分類(lèi)后對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由此得到坡度圖，如圖4所示。

根據(jù)不同坡度對(duì)公園景觀規(guī)劃造成不同的影響，同時(shí)也會(huì)在各個(gè)方面有差異，為此，基于規(guī)劃區(qū)域內(nèi)地形坡度等級(jí)建立規(guī)劃適宜表如表1所示。

為了驗(yàn)證所提方法的節(jié)能效果，在傳統(tǒng)方法與所提方法下，對(duì)比同一森林公園景觀的設(shè)計(jì)能耗，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法下高能耗區(qū)域存在于公園周邊地形規(guī)劃設(shè)計(jì)處，地形規(guī)劃面積較大，且通過(guò)顏色的對(duì)比可知地形規(guī)劃能耗過(guò)高，而所提方法能耗較高部位則位于公園建筑部位，周邊地形能耗較低，這說(shuō)明在傳統(tǒng)方法中消耗過(guò)多能耗的公園地形景觀設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)所提方法得到了有效的降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于三維圖像森林公園景觀節(jié)能設(shè)計(jì)中，以立體空間的坐標(biāo)軸來(lái)定義森林公園具體位置，使用大量空間信息能夠使空間對(duì)象之間的聯(lián)系變得更加緊密。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所提方法使用三維圖像對(duì)景區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)景區(qū)規(guī)劃只能使用平面圖進(jìn)行模擬的缺陷，能夠高效降低景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程的能耗，對(duì)森林公園的節(jié)能建設(shè)意義重大。

注：文本通訊作者為張青萍。

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