數(shù)字孿生在風(fēng)景園林的應(yīng)用

陳一家

（北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院）

1 引言

隨著“綠水青山”戰(zhàn)略的提出和對(duì)人居環(huán)境的重視，風(fēng)景園林行業(yè)逐漸受到更多重視。在傳統(tǒng)建設(shè)行業(yè)中，風(fēng)景園林將會(huì)起到越來越重要的角色，而風(fēng)景園林在不斷發(fā)展中又不斷地遇見新的問題，比如需要滿足的外部因素增多、使用人群需求多樣等問題。近年來，國(guó)家加大對(duì)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度。在改善生活環(huán)境的過程中，風(fēng)景園林將和一系列新技術(shù)互相融合，向著多元與包容的方向發(fā)展，更好為使用者服務(wù)。

2 數(shù)字孿生風(fēng)景園林的概述

數(shù)字孿生即搭建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)物理世界相互平行的數(shù)字世界，將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界相互映射，準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)世界變化[1]。在數(shù)字世界中，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理物理世界的設(shè)備。數(shù)字孿生風(fēng)景園林是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的仿真和模擬，它融合了多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，與不同學(xué)科產(chǎn)生聯(lián)系。

數(shù)字孿生的概念最初起源于美國(guó)航天領(lǐng)域，后來逐步走入工業(yè)行業(yè)，促進(jìn)工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)型升級(jí)。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生對(duì)風(fēng)景園林產(chǎn)生了新影響。

在多方面協(xié)作的情況下，數(shù)字孿生風(fēng)景園林將變得復(fù)雜化。在仿真層面，數(shù)字孿生風(fēng)景園林比BIM（建筑信息模型）更注重植物、水等景觀配置的變化，考慮到的因素會(huì)更多，更加注重環(huán)境與人的交互關(guān)系。而在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，數(shù)字孿生風(fēng)景園林收集到的數(shù)據(jù)和種類更多，植物的季相、水文監(jiān)測(cè)、氣象、鳥類的活動(dòng)都可以納入動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的范疇。基于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)踐和虛擬世界的模擬仿真，將會(huì)產(chǎn)生新的人機(jī)交互系統(tǒng)。

3 數(shù)字孿生風(fēng)景園林的設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生風(fēng)景園林（見圖1）的核心是要和目前已有的LIM（風(fēng)景園林信息模型）相互融合。LIM是一種應(yīng)用于工程施工、項(xiàng)目設(shè)計(jì)的為風(fēng)景園林信息建模的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目的三維可視化，對(duì)風(fēng)景園林項(xiàng)目進(jìn)行多維度考量，能貫穿項(xiàng)目的生命周期。相比LIM，數(shù)字孿生風(fēng)景園林能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的一體化管理，大大提高了效率。數(shù)字孿生風(fēng)景園林應(yīng)當(dāng)具有實(shí)時(shí)交互、閉環(huán)管理、可擴(kuò)展的特點(diǎn)。在數(shù)字孿生風(fēng)景園林模型中，實(shí)時(shí)交互基于園林中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，能夠在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界雙向映射，借助于動(dòng)態(tài)交互的設(shè)備，能夠提高數(shù)字孿生風(fēng)景園林運(yùn)行的可行性。在此基礎(chǔ)上，借助人工智能管理系統(tǒng)，數(shù)字孿生風(fēng)景園林能夠?qū)崿F(xiàn)自主決策，在云端的學(xué)習(xí)庫(kù)中找到最合適的解決方案，在解決之后不斷自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化，自主提升解決能力。數(shù)字孿生風(fēng)景園林具有可擴(kuò)展性高的特點(diǎn)，將其與CIM平臺(tái)相互融合，助力城市的整體融合發(fā)展，會(huì)更加有利于智慧城市、萬物互聯(lián)的融合發(fā)展。在數(shù)字孿生風(fēng)景園林模型中，可以不斷增加、集成或替換模型，從而更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的效果。

4 數(shù)字孿生風(fēng)景園林的應(yīng)用

對(duì)于數(shù)字孿生風(fēng)景園林的應(yīng)用，文章從提升總體規(guī)劃水平、優(yōu)化建設(shè)過程并評(píng)估成效、模擬仿真、推演建成項(xiàng)目的運(yùn)行態(tài)勢(shì)、推進(jìn)以人為核心的風(fēng)景園林設(shè)計(jì)、對(duì)微型園林的優(yōu)化等方面進(jìn)行探討。對(duì)比傳統(tǒng)的風(fēng)景園林建設(shè)，數(shù)字孿生風(fēng)景園林目前還處于發(fā)展階段，而數(shù)字孿生風(fēng)景園林也是一種有力的工具，通過對(duì)該工具的運(yùn)用，能優(yōu)化人居環(huán)境，使風(fēng)景園林更好地為人服務(wù)。

4.1 提升總體規(guī)劃水平

圖1 數(shù)字孿生風(fēng)景園林體系

風(fēng)景園林行業(yè)在設(shè)計(jì)、施工過程中不斷與其他行業(yè)進(jìn)行交流融合，風(fēng)景園林行業(yè)涉及面廣，考慮的因素多。若采取以往的規(guī)劃——建筑先行，風(fēng)景園林難以貫穿整個(gè)項(xiàng)目，改善人居環(huán)境的效果也會(huì)大打折扣。推動(dòng)數(shù)字孿生風(fēng)景園林的建設(shè)，能有效促進(jìn)其與不同數(shù)字孿生平臺(tái)相互融合，打破以往規(guī)劃的格局，改善城市規(guī)劃最終的使用質(zhì)量。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以運(yùn)用假設(shè)分析和虛擬規(guī)劃等方法，引入多樣的外界變量，依據(jù)積累的數(shù)據(jù)，借助人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等手段，進(jìn)行分析和更正，避免在項(xiàng)目落成之后才發(fā)現(xiàn)問題。

4.2 優(yōu)化建設(shè)并評(píng)估成效

基于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，管理者可以明確知道項(xiàng)目情況。與項(xiàng)目中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相連后，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、收集，把這些數(shù)據(jù)納入動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的范圍，進(jìn)行協(xié)同計(jì)算。這些數(shù)據(jù)不僅可以從園林中的傳感器中獲取，還能從接入局域網(wǎng)的使用者手機(jī)中得到。經(jīng)過分析之后對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行綜合評(píng)估和優(yōu)化。收集手機(jī)中傳感器中的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?qū)Ω卟钭兓?、道路平整狀況進(jìn)行分析。當(dāng)前對(duì)項(xiàng)目的評(píng)估優(yōu)化而言，主要采取兩種評(píng)估方法，一是設(shè)計(jì)中評(píng)估，另一種是設(shè)計(jì)完成之后評(píng)估。若設(shè)計(jì)項(xiàng)目變得復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中僅對(duì)圖紙?jiān)诙S世界中進(jìn)行分析，難以做到以人為視角進(jìn)行體驗(yàn)和觀察，很難直觀發(fā)現(xiàn)其中隱藏的問題。數(shù)字孿生風(fēng)景園林能夠降低評(píng)判的門檻，使更多人參與到評(píng)價(jià)項(xiàng)目中來，收集到更多的建議。風(fēng)景園林不斷發(fā)展，以上兩種方式都難以滿足及時(shí)糾錯(cuò)的需求。若無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，可能會(huì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)生不良影響。充分運(yùn)用數(shù)字孿生風(fēng)景園林技術(shù)，并依據(jù)深度學(xué)習(xí)的手段，基于以往獲取的數(shù)據(jù)，可將風(fēng)景園林的運(yùn)行情況提取出來，便于不斷制定新的量化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的掌控。

4.3 模擬仿真，推演建成項(xiàng)目的運(yùn)行態(tài)勢(shì)

對(duì)數(shù)字孿生風(fēng)景園林項(xiàng)目的全面分析，可以為現(xiàn)實(shí)世界中的風(fēng)景園林穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。借助萬物互聯(lián)、云計(jì)算等技術(shù)，能快速獲得以往人工費(fèi)時(shí)費(fèi)力才能得到的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的成熟，將降低獲取信息的成本。以往對(duì)風(fēng)景園林項(xiàng)目進(jìn)行管理時(shí)，往往依賴單一數(shù)據(jù)，構(gòu)建的也是單一的模型，無法做到多方面考慮，不能享受大數(shù)據(jù)帶來的福利。而構(gòu)建數(shù)字孿生模型之后，模型自身可以通過深度學(xué)習(xí)、智慧成長(zhǎng)的手段，使數(shù)字孿生風(fēng)景園林不斷地獲取外部數(shù)據(jù)并自我優(yōu)化。比如通過對(duì)溫度、光照等氣象條件的分析，可以預(yù)測(cè)植物的季相變化，將這些信息整合發(fā)布后，能幫助使用者提前規(guī)劃游覽園林的計(jì)劃。對(duì)于風(fēng)景園林項(xiàng)目運(yùn)行過程的一些問題，借助于安裝在現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中的傳感器，可以快速發(fā)現(xiàn)。將這些問題投射到數(shù)字孿生模型中，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，幫助檢修人員快速定位問題位置，并依據(jù)此發(fā)現(xiàn)有無其他的關(guān)聯(lián)問題。

4.4 推進(jìn)以人為核心的風(fēng)景園林設(shè)計(jì)

風(fēng)景園林的本質(zhì)在于改善人居環(huán)境，在當(dāng)前推進(jìn)智慧園林、交互式園林建設(shè)的背景之下，使用者對(duì)風(fēng)景園林提出了更多要求?；诖耍跀?shù)字孿生風(fēng)景園林當(dāng)中，借助ⅤR、AR等技術(shù)，用戶能夠以人視角實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游，直觀地感受到風(fēng)景園林項(xiàng)目的每一處細(xì)節(jié)，從而使風(fēng)景園林項(xiàng)目更好地實(shí)現(xiàn)以人為本。而數(shù)字孿生風(fēng)景園林能更好的發(fā)揮其在科普方面的作用，當(dāng)使用者步入數(shù)字孿生世界之后，借助ⅤR、AR等技術(shù)，能夠直觀的了解數(shù)字孿生園林中所包含的動(dòng)植物種類和特點(diǎn)。

4.5 微型園林優(yōu)化

在城市中，微型綠地常常以帶狀公園、街邊綠植等形式出現(xiàn)。總體呈現(xiàn)“小、多、散”的特點(diǎn)[2]。而這些綠地形成原因復(fù)雜，產(chǎn)權(quán)模糊，涉及的管理部門多，使用者混雜，管理起來需要跨部門甚至跨區(qū)域管理，因此管理難度較大，成了各個(gè)部門都不愿管的地帶。而且城市中微型綠地因?yàn)榉植茧S機(jī)，存在諸多不確定因素，但往往是居民們茶余飯后的游玩地點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微型綠地的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，同時(shí)保障周圍人群對(duì)該綠地的正常使用，以往需要花費(fèi)更多人力、物力。而建立起微型綠地的數(shù)字孿生風(fēng)景園林模型，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集得來的數(shù)據(jù)，有效利用人工智能、云計(jì)算等技術(shù)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理方法的不足，實(shí)現(xiàn)信息共享、構(gòu)建起多部門共建的數(shù)字孿生信息平臺(tái)，便于各個(gè)部門的溝通交流，能夠?qū)崿F(xiàn)跨部門聯(lián)合管理。

5 結(jié)語

數(shù)字孿生風(fēng)景園林未來將會(huì)和不同的數(shù)字孿生平臺(tái)互相融合，使風(fēng)景園林貫穿整個(gè)項(xiàng)目的生命周期，更好地為人服務(wù)。通過以上的探討，充分依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)揮邊緣計(jì)算的功能，有效應(yīng)用人工智能方法，基于物理世界中的風(fēng)景園林收集來的大數(shù)據(jù)，可以將風(fēng)景園林的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬和映射；通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集得到的數(shù)據(jù)，將會(huì)成為預(yù)測(cè)未來發(fā)展的依據(jù)；通過改變某一變量對(duì)整個(gè)模型的研究，能夠模擬不同條件下數(shù)字孿生風(fēng)景園林的狀態(tài)，最終變成對(duì)現(xiàn)實(shí)世界管理的指導(dǎo)方案。數(shù)字孿生風(fēng)景園林離不開不同部門的共創(chuàng)、共建，這需要打破行業(yè)壁壘，使各個(gè)部門打開信息共享的大門，促進(jìn)不同部門協(xié)作，共同完成數(shù)字孿生風(fēng)景園林的建設(shè)。