基于風(fēng)景園林學(xué)科的LIM數(shù)字平臺研究

欒瑋琪 夏 天 夏提古力·阿扎提 羅梓蔚

（北京城市學(xué)院，北京 100089）

1 風(fēng)景園林信息模型釋義

風(fēng)景園林信息模型（Landscape Information Modeling,簡稱LIM）是指創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對風(fēng)景園林工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營全過程進(jìn)行管理和優(yōu)化的過程、方法和技術(shù)。LIM是BIM技術(shù)面向風(fēng)景園林條件和要素的應(yīng)用。風(fēng)景園林信息模型為風(fēng)景園林項(xiàng)目中信息交換低效的問題提供了相對客觀的解決方法。

由于園林行業(yè)與建筑行業(yè)在專業(yè)內(nèi)涵、項(xiàng)目周期、技術(shù)需求等方面具有明顯區(qū)別，因此LIM與BIM相比具有明顯的自身專業(yè)特點(diǎn)。例如，LIM模型通常以地理信息和地形測繪數(shù)據(jù)作為模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，地理信息是LIM的關(guān)鍵組成要素之一。同時(shí)，LIM也具有BIM技術(shù)的一般性特點(diǎn)，例如強(qiáng)大的即時(shí)可視化能力、多專業(yè)協(xié)同和數(shù)據(jù)共享的能力以及通過設(shè)計(jì)軟件界面對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的能力。這些功能特點(diǎn)與GIS具有明顯的區(qū)別。

本文研究對象為濕地公園，其規(guī)劃布局結(jié)構(gòu)與多尺度的自然地理景觀單元、山水格局緊密關(guān)聯(lián)，其工程建造涉及地上地下多個(gè)維度。據(jù)此特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)在LIM技術(shù)思路的統(tǒng)領(lǐng)下，選用Autodesk InfraWorks和Civil 3D組合應(yīng)用的技術(shù)路徑構(gòu)建LIM模型。

2 試驗(yàn)性項(xiàng)目背景

鄆城縣位于山東省西南部，隸屬于中國山東省菏澤市。地處北緯 35°19′～35°52′，東經(jīng) 115°40′～116°08′。東鄰梁山縣、嘉祥縣，西接鄄城，南連巨野縣、牡丹區(qū)，北隔黃河與河南省臺前縣、范縣相望（見圖1）。截至2010年，全縣轄22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道），1個(gè)省級開發(fā)區(qū)，1041個(gè)村（居），總面積1643km2，其中耕地面積102533.33hm2。2013年戶籍人口122.1萬人，常住人口城鎮(zhèn)化率42.2%，戶籍人口城鎮(zhèn)化率22%。

圖1 鄆城縣區(qū)位圖

鄆城縣屬于暖溫帶半濕潤東亞季風(fēng)大陸性氣候。四季分明，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季干冷，雨雪稀少。平均年日照時(shí)數(shù)為2479.7h，全年各月以6月份日照時(shí)數(shù)最多，為261.9h，2月份日照時(shí)數(shù)最少，為168.3h。年平均氣溫為13.5℃，1月份氣溫最低，7月份最高。平均年降水量為694.7mm，年平均降水日數(shù)為71.4d，7月最多，1月最少。鄆城縣優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化和民間藝術(shù)源遠(yuǎn)流長，是聞名全國的“戲曲之鄉(xiāng)”、“武術(shù)之鄉(xiāng)”、“書畫之鄉(xiāng)”、“古箏之鄉(xiāng)”。并于2016年12月被列為第3批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點(diǎn)地區(qū)。

本次試驗(yàn)以山東省菏澤市鄆城采煤沉陷區(qū)濕地公園規(guī)劃為契機(jī)，試驗(yàn)應(yīng)用Autodesk Civil 3D和InfraWorks為平臺構(gòu)建濕地公園的數(shù)字地面模型，并將其應(yīng)用于規(guī)劃研究，為風(fēng)景園林信息模型的構(gòu)建和應(yīng)用。

2.1 試驗(yàn)性項(xiàng)目目的：數(shù)字地面模型模擬地貌輔助規(guī)劃研究

本次技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)有以下2個(gè)方面的目的：驗(yàn)證LIM模型構(gòu)建的技術(shù)路徑，應(yīng)用LIM模型輔助濕地公園規(guī)劃研究。

2.1.1 應(yīng)用Autodesk Civil 3D和Infraworks等軟件構(gòu)建濕地公園數(shù)字地面（DTM）模型，驗(yàn)證LIM模型構(gòu)建所需要的軟件功能和技術(shù)路徑。DTM是LIM模型不可或缺的構(gòu)成要素。在面積達(dá)數(shù)平方千米的尺度上考察景觀單元的內(nèi)涵時(shí)，DTM所反映的地形地貌成為LIM模型所表現(xiàn)的主要內(nèi)容。試驗(yàn)通過多種地形數(shù)據(jù)的三維建模及模型融合，構(gòu)建濕地公園的DTM模型，以Autodesk Civil 3D 2015和Infraworks LT為主要軟件工具驗(yàn)證相關(guān)軟件功能，并進(jìn)行地形地貌分析、視覺效果模擬等模型應(yīng)用。

2.1.2 應(yīng)用風(fēng)景園林信息模型輔助濕地公園規(guī)劃研究。規(guī)劃方法是一種認(rèn)識古代城市空間結(jié)構(gòu)形態(tài)及其形成規(guī)律的辦法。在規(guī)劃研究的方法體系下，本文擬開展基于LIM的“大地”考察，通過構(gòu)建濕地公園DTM模型為規(guī)劃研究提供地理信息綜合與分析等的支持。

2.2 試驗(yàn)性項(xiàng)目研究方法

2.2.1 項(xiàng)目研究思路。此次對于風(fēng)景園林信息模型的研究以山東省菏澤市鄆城縣采煤沉陷區(qū)濕地公園為例，在設(shè)計(jì)此方案過程中進(jìn)行對風(fēng)景園林信息模型（LIM）的研究。分為前期調(diào)研與方案設(shè)計(jì)2個(gè)部分，前期收集地塊基本區(qū)位、現(xiàn)狀信息等，主要將其地形條件進(jìn)行可視化處理。方案設(shè)計(jì)階段由2個(gè)小組完成，即設(shè)計(jì)組與比照組，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初稿地推敲、確定、最終完成方案的平面圖、效果圖及分析圖，并在此過程中利用風(fēng)景園林信息模型（LIM）融合地形，最后進(jìn)行工程量的概算與投資估算。

2.2.2 項(xiàng)目研究過程。本文所做的研究為2個(gè)小組進(jìn)行同時(shí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)最終的方案圖，為統(tǒng)一一個(gè)，目的是可以在傳統(tǒng)景觀設(shè)計(jì)與LIM系統(tǒng)進(jìn)行對照試驗(yàn)，體現(xiàn)科學(xué)性、客觀性。

①首先進(jìn)行前期的調(diào)研，包括現(xiàn)場勘測地理數(shù)據(jù)，與搜集有關(guān)當(dāng)?shù)氐奈幕⒌匦?、水文、植物與氣候，用aotudesk civil 3d進(jìn)行信息的整理分析。②前期地形調(diào)研，針對地形情況，用GIS線稿轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)二維可視化，以便可以更好地討論與設(shè)計(jì)方案。③進(jìn)入方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)組與比照組共同出一套設(shè)計(jì)方案，分別采用不同方式、不同表現(xiàn)方式對設(shè)計(jì)圖實(shí)行不同程度的表達(dá)。④融合地形信息。

本項(xiàng)目研究中濕地公園LIM模型構(gòu)建主要包括DTM構(gòu)建、地面影像制備與配置以及模型要素融合3個(gè)步驟。

DTM構(gòu)建采用3組不同精度數(shù)據(jù)。第1組數(shù)據(jù)為GDEM 30m分辨率DEM，來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站“地理空間數(shù)據(jù)云”（圖2）。第2組數(shù)據(jù)為濕地公園區(qū)域DTM，應(yīng)用Civil 3D處理1∶1000測繪數(shù)據(jù)生成。

圖2

圖3

Civil 3d制備的DTM轉(zhuǎn)制為IMX文件可直接加載到infrawarks中，本文的地面圖像制備利用了可供公開下載的google earth衛(wèi)星影像圖，下載后的柵格圖像在civil 3d中通過在線地bing map進(jìn)行范圍匹配，在應(yīng)用outodesk raster tools工具生成world file文件完成地理位置的配置（圖3），這種地理地面圖像的制備與配置方式可拓展應(yīng)用于任何生活圖像。例如，將設(shè)計(jì)總平面圖進(jìn)行地理坐標(biāo)配置，與DEM融合，可以作為在反應(yīng)真實(shí)地理信息的三維模型中快速推敲設(shè)計(jì)方案的技術(shù)方法。

模型要素融合的步驟，通過應(yīng)用outodesk infrawarks完成。在其中構(gòu)建現(xiàn)狀地形，需經(jīng)過以下步驟，地面圖像導(dǎo)入—數(shù)字地面模型導(dǎo)入—地物的的導(dǎo)入或構(gòu)建。需注意的是，最先導(dǎo)入的數(shù)據(jù)將定義infrawarlks模型的范圍，因此應(yīng)首先導(dǎo)入范圍較大的地面圖像，如果次序相反，可能造成地表圖像無法加載的問題。依次倒入菏澤市區(qū)DEM數(shù)據(jù)、鄆城縣區(qū)和公園范圍的地面圖像，在配置數(shù)據(jù)源時(shí)，應(yīng)統(tǒng)一坐標(biāo)系。在此，根據(jù)濕地公園所在位置，將坐標(biāo)系配置為LL86。完成地面圖像的導(dǎo)入后，調(diào)整顯示順序。上述數(shù)據(jù)源都屬于柵格文件，分辨率依次提高。將分辨率最高的圖像置于最頂端，分辨率最低的置于最低端。完成柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后，依次倒入數(shù)字地面模型的IMX文件，完成坐標(biāo)配置并刷新顯示。

圖4

在此過程中，可能會出現(xiàn)DTM與地表圖像存在位置偏移、無法融合的情況。出現(xiàn)這種情況時(shí)，可通過重新配置數(shù)據(jù)源，更改XYZ方向的偏移值實(shí)現(xiàn)，以此調(diào)整DTM或地表圖像的位置。偏移值的確定需要比較線位置與目標(biāo)位置的坐標(biāo)。

完成數(shù)據(jù)源的調(diào)整與配置后，模型將融合地面圖像與DTM，形成信息模型的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)融合之后的信息模型綜合了不同數(shù)據(jù)源的信息，在同一個(gè)模型中包含了多尺度的地理信息。從菏澤市區(qū)整體一直到濕地公園的場地，不同尺度對象的高程、土方、水文環(huán)境等分析工作都可以在此基礎(chǔ)上直接進(jìn)行。模型中各要素的地理信息均完整保留，且可以流暢進(jìn)行跨尺度的模型即時(shí)渲染與瀏覽。

進(jìn)行土方工程量的概算與投資估算，完成設(shè)計(jì)一整套流程。

3 技術(shù)路線（見圖5）

圖5 技術(shù)路線

4 場地現(xiàn)狀分析——塌陷區(qū)

4.1 采煤沉陷地現(xiàn)狀

文化產(chǎn)業(yè)和文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展、新型城鎮(zhèn)化、新農(nóng)村建設(shè)、全域旅游等政策落地過程中，面臨采煤沉陷、土地破壞的現(xiàn)實(shí)問題。

彭莊煤礦位于山東省菏澤市鄆城縣張營鎮(zhèn)，巨野煤田的4個(gè)礦井之一，由魯能集團(tuán)開發(fā)建設(shè)。2006年煤井正式出煤,年生產(chǎn)能力60萬t。

大量采煤造成地面沉陷，房屋受損，公路中斷，農(nóng)田土地遭受破壞。重度沉陷面積102hm2，沉陷2.5m深，局部地區(qū)達(dá)3m多深，常年積水，土地變形，農(nóng)業(yè)絕產(chǎn)。中度沉陷面積98hm2，沉陷1m多深，水土流失加劇。輕度沉陷面積715hm2，可生產(chǎn)植被，影響農(nóng)業(yè)用地。煤礦沉陷區(qū)土地荒廢、環(huán)境破壞，可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖6 場地周邊條件分析

4.2 沉陷分析

彭莊煤礦開采區(qū)分布圖如下，地物所在位置不同受沉陷影響不同。

中間區(qū)——位于采空區(qū)上方，地表下沉均勻，一般不出現(xiàn)裂縫，地表下沉值最大，建于該區(qū)的建筑物相對安全。

內(nèi)邊緣區(qū)——位于采空區(qū)外側(cè)上方，地表下沉不均勻，地面向盆中心傾斜，呈凹形，在建筑荷載作用下，地基產(chǎn)生不均勻變形，對建筑的興建有不利影響。

外邊緣區(qū)——位于采空區(qū)外側(cè)煤層上方，地表下沉不均勻，地面向盆地中心傾斜，呈凸形，產(chǎn)生拉伸變形，對建筑破壞嚴(yán)重。

圖7 2006～2020彭莊煤礦開采區(qū)分布圖

4.3 沉陷區(qū)影響因素

沉陷區(qū)影響因素主要有地表情況、沉陷程度、沉陷深度、積水情況、植被情況，依程度不同分為重度沉陷、中度沉陷、輕度沉陷3個(gè)級別。

4.4 沉陷幅度及程度分析

表1 不同沉陷類型情況表

圖8 2015年沉陷幅度

圖9 2015年沉陷程度

表2 2015年沉陷面積

根據(jù)《鄆城縣采煤塌陷地治理規(guī)劃（2011～2025）》，彭莊煤礦至2015年開采面積306hm2，預(yù)計(jì)塌陷損毀土地面積915hm2，最大下沉值為3.2，具體下沉等值線見圖8。其中，重度沉陷面積達(dá)到102hm2，輕度沉陷面積達(dá)715hm2。具體分布見圖8。

圖9 閉礦階段沉陷幅度

圖10 閉礦階段沉陷程度

根據(jù)《鄆城縣采煤塌陷地治理規(guī)劃（2011-2025）》預(yù)測，彭莊煤礦閉礦時(shí)，塌陷損毀土地面積可達(dá)3334hm2，最大下沉值仍為3.2m。具體分布范圍見圖10。塌陷主要影響河流為鄆巨河，影響長度2.6km，影響程度較輕，及時(shí)予以修復(fù)科確保河堤功能。主要影響道路為省道S338，影響長度3.1km，最大下沉為1.4m，塌陷不嚴(yán)重，及時(shí)維護(hù)后一般不影響交通。

4.5 現(xiàn)狀小結(jié)

①煤礦沉陷區(qū)土地荒廢、環(huán)境破壞，可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境、地形地貌嚴(yán)重破壞；地表水污染、生態(tài)系統(tǒng)變化；地形變?yōu)橄鲁僚璧?、沉陷漏斗?/p>

②土地難以利用，瀕臨廢棄，累及民生大計(jì)。水土流失、肥力降低、內(nèi)澇土地難以復(fù)墾利用、生態(tài)環(huán)境破壞，百姓失地，經(jīng)濟(jì)利益受損，未來隨著煤礦資源枯竭，農(nóng)民將徹底失去生活來源。

③沉陷區(qū)未來生態(tài)、生產(chǎn)、生活更為嚴(yán)峻。目前處于采礦初期，沉陷帶來的問題已初步顯露，隨著開采進(jìn)程推進(jìn)，未來將呈現(xiàn)更為嚴(yán)峻的局面。

4.6 用地適宜性分析

圖12 沉陷程度分析

圖13 建設(shè)條件分析

比較2015年與閉礦階段的采煤塌陷范圍和下沉值，可見塌陷最嚴(yán)重的區(qū)域下沉程度已經(jīng)達(dá)到3.2m，該區(qū)域呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。該區(qū)域東側(cè)至閉礦階段將出現(xiàn)3.2～2.0m的沉陷，屬于塌陷過程仍在發(fā)展的區(qū)域。具體范圍如圖13黃色和紅色區(qū)域所示。規(guī)劃范圍中部以東區(qū)域，采煤塌陷造成影響較小，處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖14 沉陷治理和建設(shè)發(fā)展用地分區(qū)

根據(jù)以上分析，以規(guī)劃范圍中部為界，西側(cè)為塌陷治理的重點(diǎn)區(qū)域，東側(cè)為可適當(dāng)開展建設(shè)的有效發(fā)展區(qū)域。

5 試驗(yàn)性項(xiàng)目土方量模擬估算

本試驗(yàn)體現(xiàn)了LIM模型，多源信息融合模型，即時(shí)渲染數(shù)據(jù)互動操作的特點(diǎn)，模型不僅用于場地空間形態(tài)的可視化表現(xiàn)，而且基于語義信息與幾何模型的關(guān)聯(lián)，可以在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中及時(shí)定量掌握場地的各種特征。在本試驗(yàn)中，填方與挖方的空間關(guān)系得以呈現(xiàn)，填方和挖方工程中土方的土方量得到估算。

6 結(jié)論

本文以DTM為主構(gòu)建LIM模型，模擬濕地公園所在區(qū)域的地理景觀。數(shù)字化的模型提供了從山水格局分析到視覺體驗(yàn)驗(yàn)證的功能，為規(guī)劃研究的理論推演提供了支持工具。同時(shí)，信息模型具有場地信息管理的優(yōu)勢，不僅可以展示現(xiàn)狀地形的情況，而且可以對歷史環(huán)境的過程進(jìn)行模擬。隨著技術(shù)進(jìn)一步快速發(fā)展，作為信息載體的LIM模型對地理景觀的狀態(tài)與過程模擬將更為準(zhǔn)確與細(xì)致，這些特征使其成為輔助規(guī)劃研究的有效工具。主要結(jié)論如下。

（1）縱觀國內(nèi)外的風(fēng)景園林設(shè)計(jì)研究，認(rèn)為使用三維數(shù)字技術(shù)在優(yōu)化風(fēng)景園林設(shè)計(jì)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和提供更加真實(shí)的園林設(shè)計(jì)體驗(yàn)是風(fēng)景園林的發(fā)展方向。

（2）發(fā)現(xiàn)可視化以不同方式始終貫穿于風(fēng)機(jī)園林設(shè)計(jì)表達(dá)的范疇內(nèi)。從二維轉(zhuǎn)向三維、從圖紙媒介轉(zhuǎn)為數(shù)字媒介，證明了可視化技術(shù)是風(fēng)景園林設(shè)計(jì)向外界傳達(dá)信息的一種必要手段。

（3）根據(jù)地塊的所在位置，數(shù)據(jù)源的調(diào)整與配置，用不同尺度對象的高程、土方、水文環(huán)境等分析工作，可以進(jìn)行地形地貌分析、視覺效果模擬等模型應(yīng)用。