園林植物三維數(shù)字模型的構(gòu)建與應(yīng)用探索

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)計中虛擬現(xiàn)實（VR）和沉浸式展示”作為會議主題之一。縱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，但在風景園林設(shè)計領(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 輔助風景園林植物形態(tài)認知

在風景園林專業(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，戶外植物認知也存在植物種類受限、季相變化難以呈現(xiàn)，學(xué)生認知時間不足等問題[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全新的視角來研究植物，同時也在一定程度上彌補了戶外植物認知上的不足，用以輔助風景園林專業(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，提升風景園林設(shè)計成果表現(xiàn)力

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

隨著時代的發(fā)展，風景園林可視化勢在必行，三維植物模型無疑是影響風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景園林設(shè)計表現(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，也能夠進一步打破圖像與現(xiàn)實之間的界限，增強風景園林設(shè)計成果表現(xiàn)的真實性和創(chuàng)造性[8]。

1.3 組建風景園林信息模型（LIM）植物信息庫

風景園林信息模型（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，其彌補了建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）在風景園林設(shè)計、建造和管理方面的不足，在風景園林領(lǐng)域已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注和研究[9]。 基于風景園林的特性，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植物模型真實性較強，LANDWorksCAD植物模型真實性較弱。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平臺實現(xiàn)交互。由此可見，當下沒有能夠滿足風景園林師對于園林植物實際應(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，每個物種都獨具特征，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)植物拓撲結(jié)構(gòu)，最終得到植物三維數(shù)字模型。該技術(shù)有一個明顯的優(yōu)勢，即操作過程中不需要使用者具有專業(yè)的計算機技術(shù)背景或深厚的植物學(xué)知識，僅需要對植物進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個部分：確定植物形態(tài)、重構(gòu)植物拓撲結(jié)構(gòu)（枝干）、構(gòu)建植物器官（葉序、花序/果實）。其中值得注意的是，枝干是三維植物模型的重要組成部分，同時也是植物三維模型整體拓撲結(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，也須適當考慮其分枝形式、葉序及花序（果實）的形態(tài)結(jié)構(gòu)以滿足更高精細度的要求。

依據(jù)上述基本樹形分類，選取其中15種典型植物進行三維植物建模探索（表2），以期構(gòu)建一個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，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樹種，展示利用PlantFactory構(gòu)建三維植物模型的詳細過程，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）確認植物信息； 2）重構(gòu)植物拓撲結(jié)構(gòu)； 3）構(gòu)建植物器官（葉序、花序）模型。

3.3.1 確認植物信息

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行實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)拓撲結(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)建植物拓撲結(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個層級構(gòu)建拓撲結(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)置主干高度時須將頂部分枝長度考慮在內(nèi)以避免整體樹高與實際不符；設(shè)置胸徑參數(shù)時須符合自下而上寬度遞減的真實狀態(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選項增強主干基部分裂與膨大。

2）主分枝層。以假二叉分枝及真實測量數(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。各項參數(shù)的設(shè)定不僅須符合植物的真實信息，也需要靈活機動地在實際范圍內(nèi)進行調(diào)整，使模型符合欒樹真實結(jié)構(gòu)形態(tài)。

3.3.3 構(gòu)建植物器官模型

1）葉序。首先須單獨制作葉序貼圖，主要分為以下3個步驟：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。首先須單獨構(gòu)建聚傘花序拓撲結(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。

以上各項參數(shù)均按照植物真實信息設(shè)定（以欒樹實地觀測數(shù)據(jù)為參照標準），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，當母枝參數(shù)改變時，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，運用同樣建模方法對其他14種典型園林植物進行構(gòu)建探索，目前已組建一個小型園林植物三維數(shù)字模型庫（圖8）。

4 實際應(yīng)用

4.1 輔助園林植物形態(tài)認知

PlantFactory植物模型導(dǎo)出FBX格式的文件可與Lumion平臺實現(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、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，可以達到認知植物要素的訓(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，彌補戶外植物認知實習的不足，達到植物課程“感知—建構(gòu)—營造”教學(xué)序列的目標[5]73。同時，通過掃碼認知并了解植物，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作用[12]。

4.2 輔助植物景觀設(shè)計，提升風景園林設(shè)計成果表現(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），以實驗其在植物造景中的作用（圖10）。

實踐中發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計模型中植入準確的園林植物三維數(shù)字模型，不僅有助于植物景觀設(shè)計過程中的反復(fù)推敲，也可根據(jù)設(shè)計師需求自主建模，彌補現(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；同時園林植物數(shù)字模型的表現(xiàn)效果具有真實感，可以極大地還原設(shè)計意圖，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

在目前的風景園林實踐中，LIM的體系化應(yīng)用尚未充分展開，從行業(yè)實際需求出發(fā)，探索能夠有效應(yīng)用于設(shè)計實踐的LIM操作平臺無疑是推動風景園林行業(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，再進行置入實現(xiàn)交互（圖12），后期通過Revit自帶材質(zhì)庫或3d Max材質(zhì)庫進行渲染。

通過對BIM平臺中的植物模型添加名稱、習性、土球標準、苗源、價格等信息，有望組建LIM植物模型庫，使風景園林設(shè)計、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)風景園林三維模型交互和LIM的深入研究提供參考價值。

5 總結(jié)與展望

近年來，隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將3D可視化技術(shù)應(yīng)用于風景園林教學(xué)、規(guī)劃設(shè)計、施工和后期管護中成為必然的趨勢。在當下的可視化技術(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

實踐證明，利用PlantFactory軟件構(gòu)建植物三維數(shù)字模型，適用于風景園林師與普通大眾；同時，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知、輔助設(shè)計、設(shè)計表現(xiàn)以及LIM的應(yīng)用要求。在實操過程中，可以得到以下的經(jīng)驗：

1）模型文件量會隨著對植物細節(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)用場景及視覺重點選擇合適的建模精度，以避免文件量過大造成運行卡頓等現(xiàn)象。

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

3）植物器官模型僅展現(xiàn)了大致形態(tài)，其細節(jié)（如果實上的絨毛、花瓣褶皺等）難以通過紋理貼圖的方式實現(xiàn)；同時在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，這兩點無疑是最大的遺憾。

未來，風景園林師利用虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）等技術(shù)，對于園林植物三維數(shù)字模型進行各方面的應(yīng)用一定會具有非常廣闊的前景。當然，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構(gòu)能夠探索構(gòu)建更好的、可以進行大規(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)計有限公司為該項目提供技術(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，具有自己獨特的圖示風格。

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

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[2]；圖2引自參考文獻[10]；圖3由作者實地拍攝；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[12]整理。