蔡凌豪

基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)沙盤系統(tǒng)研究

蔡凌豪

對(duì)地形的測(cè)量、分析、調(diào)整、重構(gòu)是景觀設(shè)計(jì)學(xué)的基本方法，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)可以在計(jì)算機(jī)中直接塑造地形，但傳統(tǒng)沙盤的直觀性和人手的靈活性，在目前階段還無(wú)法替代。通過對(duì)當(dāng)前地表模型的構(gòu)建和塑形技術(shù)，以及物理沙盤與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的方案的研究，建構(gòu)了基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)沙盤系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了傳統(tǒng)沙盤和數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠充分調(diào)動(dòng)人的直覺感知和計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算與分析，增強(qiáng)了景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中的地形設(shè)計(jì)的能力。

地形設(shè)計(jì)；虛擬實(shí)境；地表模型；沙盤

1　地表模型的發(fā)展歷史和模型方法概述

景觀學(xué)的核心內(nèi)容之一，是對(duì)土地形態(tài)的研究。土地形態(tài)是生態(tài)環(huán)境、城鄉(xiāng)發(fā)展、景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)、景觀視覺、地表水文、土壤侵蝕、植物景觀等研究的基礎(chǔ)要素，是人居環(huán)境的基底形態(tài)。對(duì)地形的測(cè)量、分析、調(diào)整、重構(gòu)是景觀設(shè)計(jì)學(xué)的基本方法。隨著CAD技術(shù)和GIS技術(shù)的普及，已經(jīng)有數(shù)量龐大的硬件設(shè)備和軟件可以測(cè)量、描繪和分析地形，并建立數(shù)字地表模型。但是，景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中地形的調(diào)整、塑形和重構(gòu)的技術(shù)卻長(zhǎng)期停滯不前。

在現(xiàn)代地理學(xué)、測(cè)繪學(xué)出現(xiàn)之前，土地形態(tài)只能通過繪制粗略的地形輪廓和地勢(shì)走向來大致表達(dá)，由于缺乏精確測(cè)量技術(shù)和從高空俯瞰觀察土地整體形態(tài)的技術(shù)手段，且意識(shí)到二維的平面無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)地形的高程坡度變化，古代地形圖的繪制經(jīng)常采用平面和立面相結(jié)合的方法［1］——實(shí)質(zhì)是將三維形態(tài)進(jìn)行水平和垂直切片。盡管不能精確地描述地形，較之后世的等高線法，這種方法更符合人與地形尺度差異所形成的空間觀察關(guān)系，它建立了一種動(dòng)態(tài)的平移式的空間表述，與人置身于地形之間的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成某種程度的協(xié)調(diào)（圖1），反映了人類對(duì)于地形表達(dá)的基本訴求——既需要全局的平面以表示空間布局和尺度，又需要人視高度下的真實(shí)空間感知，并以此建立起整體的空間認(rèn)知。

圖1　定?？h境圖（南宋），融合了平面的河流城市分布和立面的山川形態(tài)Fig.1　territory of Dinghai County （the Southern Song Dynasty）

等高線法一直是最基礎(chǔ)也是最重要的地形描述方法。盡管修改等高線可以快速改變地形，但因?yàn)榛诙S平面投影，等高線法缺乏形象的立面描述和三維表達(dá)，也不能表現(xiàn)特殊的地形變化和細(xì)微的地形起伏，使設(shè)計(jì)者尤其是初學(xué)者無(wú)法快速地感知并進(jìn)一步建立與之關(guān)聯(lián)的地表形態(tài)，從而使景觀的空間尺度和形態(tài)變得混亂錯(cuò)誤，成為景觀設(shè)計(jì)教學(xué)和實(shí)踐過程中的一個(gè)難題。

使用沙子、黏土、木頭、紙板等可塑性強(qiáng)或方便切割的材料，在等高線的基礎(chǔ)上構(gòu)建實(shí)體三維模型的模型法，方便觀察，可塑造地形的局部細(xì)微變化，彌補(bǔ)了等高線法的不足。但無(wú)論是模型還是等高線，都是地形在“上帝視角”下的微縮模擬，尺度和視角決定了這些方法無(wú)法真實(shí)地體現(xiàn)人在地形中的空間感受和視覺感知。運(yùn)用基于內(nèi)窺鏡原理的“模型觀察器”來觀察模型，以獲得“進(jìn)入”式感知和“浸入”式體驗(yàn)，曾經(jīng)流行一時(shí)。

手工模型可直接用于水文、風(fēng)洞等各類實(shí)驗(yàn)，以獲得與地形相關(guān)的數(shù)據(jù)。20世紀(jì)80年代早期，哈格里夫斯事務(wù)所（Hargreaves Associates）就開始使用沙盤模型來研究設(shè)計(jì)地形（圖2）［2］，他們用沙、黏土和混凝土來建造大比例尺地形模型，在瓜德魯普河公園項(xiàng)目中，甚至建造了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)9m的河道模型，使用有顏色的沙粒混合水流不斷沖刷，以研究泥沙在河床中的自然沉積。這種方法被南加州大學(xué)Landscape Morphologies Lab繼承，2012年春季開展的景觀研究生studio在洛杉磯河（Losangeles River）項(xiàng)目中，開發(fā)了一個(gè)物理模型用于BowTie河段拆除混凝土駁岸恢復(fù)自然河床之后的水文研究，尤其是洪水對(duì)于河床駁岸的影響（圖3）。

圖2　瓜德魯普河公園地表模型細(xì)部（哈格里夫斯事務(wù)所，1988-1990）Fig.2 Guadalupe River Park sandbox model（Hargreaves Associates， 1988—1990）

然而，復(fù)雜的手工模型制作困難，耗時(shí)費(fèi)工，不適于周期較短的項(xiàng)目使用。基于等高線的梯田法能夠較好地將等高線和三維模型結(jié)合，但與地表的實(shí)際形態(tài)不符，只適于制作工作模型概念化表達(dá)。手工地表模型還必須通過三維掃描轉(zhuǎn)換為二維的等高線，以方便圖紙描繪，流程較為復(fù)雜。

在航測(cè)技術(shù)、遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、GIS技術(shù)和CAD技術(shù)的輔助下，制作數(shù)字地表模型的方法和技術(shù)日新月異。

其中，DTM（DEM）是最主要的數(shù)字地表模型［3］。由于DTM（DEM）是基于規(guī)則的方形網(wǎng)格（Mesh），其精度取決于單元網(wǎng)格的尺寸，在描繪復(fù)雜地形和三維化地形時(shí)，既耗費(fèi)資源，也很難精確地表達(dá)地形的轉(zhuǎn)折變化。因此，需要將DTM（DEM）轉(zhuǎn)化為不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）來表示更復(fù)雜的地表形態(tài)，通過用一系列折點(diǎn)（點(diǎn)）來構(gòu)建三角網(wǎng)絡(luò)，能夠精確地表現(xiàn)三維地表。在構(gòu)建大尺度復(fù)雜地形時(shí)，基于TIN的層次地形模型（Layer of Details，LOD）可以表達(dá)多種不同精度水平的數(shù)字高程模型［4］，允許根據(jù)不同的任務(wù)要求選擇不同精度的地形模型。

借助日益強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)圖形處理能力，強(qiáng)化數(shù)字地形模型的調(diào)整和塑造功能。如Autodesk公司的Civil 3D和Infraworks， 既可使用傳統(tǒng)的等高線調(diào)整TIN模型，也可使用要素線、放坡、路線等關(guān)鍵線對(duì)地形進(jìn)行調(diào)整。Vue等數(shù)字造景軟件使用灰度圖控制地形的高程變化。Sketchup軟件提供了沙盒（Sandbox）功能，可以使用數(shù)種工具對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行推拉塑形。Rhino+Grasshopper或Maya軟件可以塑造由參數(shù)控制的復(fù)雜幾何曲面形態(tài)地形。Mudbox、Zbrush、Tspline等動(dòng)畫雕塑和工業(yè)造型軟件由于具有強(qiáng)大的數(shù)字雕塑功能，也被用于地形設(shè)計(jì)。

數(shù)字地形模型的塑形方法已經(jīng)在景觀設(shè)計(jì)中得到較普遍的應(yīng)用。如在James Corner Field Operations和Wilkinson Eyre建筑事務(wù)所所設(shè)計(jì)的紐約總督島項(xiàng)目中，利用仿生學(xué)方法將地表形態(tài)模擬為一個(gè)吸濾海潮的貝殼結(jié)構(gòu)，使用三維建模軟件（主要是Maya），模擬不同的海潮和洪水條件下的淹沒場(chǎng)景，以精確控制和測(cè)試地形，使其能夠形成過濾凈化的土地結(jié)構(gòu)和生境群落［5］（圖 4）。

在二維的屏幕上使用鼠標(biāo)或壓感筆進(jìn)行數(shù)字地形設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)地形的三維空間和尺度的整體把握，也缺乏直覺式的體驗(yàn)感知。早在2001年，卡耐基梅隆大學(xué)建筑學(xué)院計(jì)算設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的Ellen Yi-Luen Do主持的Digital Sandbox項(xiàng)目就開始研究直接用手來控制和塑造數(shù)字地形①。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字手套已經(jīng)可以精確感知手指的方位和移動(dòng)的速度與力度，更加精細(xì)地控制數(shù)字地形的變化。

但基于TIN模型的數(shù)字地形塑形技術(shù)由于必須處理數(shù)量龐大的點(diǎn)陣和三角網(wǎng)絡(luò)，這使得地形的精細(xì)修整變得十分困難，通常仍需借助調(diào)整等高線，再重新生成TIN的模型，這又回到了“等高線”難題。同時(shí)，計(jì)算機(jī)屏幕顯示的依然是三維模型的二維投影圖像，與真實(shí)地形之間依然存在難以愈合的感知困境。

圖3　物理模型上的水文實(shí)驗(yàn)（南加州大學(xué)Landscape Morphologies Lab）Fig.3 hydrological experiment on the sandbox model（Landscape Morphologies Lab）

圖4　紐約總督島項(xiàng)目的數(shù)字模型及水文分析（James Corner事務(wù)所）Fig.4 digital model and hydrological experiment of　Governors Island， NY.（James Cornerfield Operations）

2　沙盤模型與數(shù)字模型相結(jié)合的探索

傳統(tǒng)沙盤模型由于三維直觀、修改快捷、可充分利用人的視覺和觸覺等感知等特點(diǎn)，有著數(shù)字地表模型無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，數(shù)字模型的精確、美觀、便于分析和轉(zhuǎn)換、易于與進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和建造對(duì)接等特點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)沙盤模型的不足。因此，世界上許多研究和實(shí)踐機(jī)構(gòu)從21世紀(jì)初期開始探索將傳統(tǒng)沙盤模型和數(shù)字模型相結(jié)合的地形設(shè)計(jì)方法。

其中，2002年MIT Media Lab開發(fā)的“Illuminating Clay”系統(tǒng)，是較早將黏土模型—三維掃描—數(shù)字地表模型—數(shù)據(jù)分析—投影反饋相結(jié)合的交互式地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)［6］。設(shè)計(jì)人員利用黏土模型來自由塑造地形，頂部的三維掃描儀即時(shí)掃描黏土模型，并通過一個(gè)交互式界面控制分析地形，分析結(jié)果被投影儀投射至黏土模型表面。同時(shí)，地形的剖斷面，人視角度的地形三維可視化會(huì)被投影至不同區(qū)域，以綜合輔助設(shè)計(jì)人員全局把握地形的不同層面和細(xì)節(jié)［7］。由于當(dāng)時(shí)硬件條件的限制，系統(tǒng)采用的Vivid 900激光掃描儀尺寸巨大（第二套系統(tǒng)改用紅外掃描方式），導(dǎo)致系統(tǒng)整體比較笨重。計(jì)算性能的局限也使地表分析不能做到完全實(shí)時(shí)，投影精度也略顯不足。但即使在計(jì)算機(jī)性能遠(yuǎn)超系統(tǒng)誕生年代的今天來看，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是非常超前和完善，該研究為以后的類似系統(tǒng)的研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，指明了清晰的技術(shù)路線（圖5）。

圖5　“Illuminating Clay”系統(tǒng)（MIT Media Lab）Fig.5 “Illuminating Clay” system （MIT Media Lab）

圖6　ETH的景觀地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用Kinect攝像頭作為三維掃描設(shè)備Fig.6 landscape terrain design system of ETH and the 3D scanner with Kinect

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院克里斯托弗·吉魯特教授（Christopher Girot）領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)從2009年開始，開設(shè)了景觀課程MASLA（Master of Advanced Studies in Landscape Architecture）。該課程由6個(gè)模塊組成［8］。其中景觀建模、景觀可視化與分析模塊的主要工作方式是將大尺度三維激光掃描、傳統(tǒng)沙盤模型、精確的數(shù)字建模分析和計(jì)算機(jī)輔助建造CAM（Computer Aided Manufacturing）技術(shù)相結(jié)合，建立起了一套流暢的景觀地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)（圖6）。首先用激光掃描掃描原地形，形成數(shù)字點(diǎn)云，并轉(zhuǎn)化為原地形數(shù)字模型，利用激光雕刻機(jī)在木頭或硬質(zhì)泡沫塑料中雕刻出原地形的負(fù)模，將沙盤中的沙子填入負(fù)模并倒置入沙盤，即可精確模擬原地形。學(xué)生可以在沙盤中隨意操作和修改地形，負(fù)?？梢噪S時(shí)將修改后的地形恢復(fù)原狀。置于沙盒上方的三維掃描儀（使用微軟的kinect攝像頭）可以將沙盤模型隨時(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了專用軟件可以對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行二維分析和可視化，并將其輸入Rhino軟件中進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后的數(shù)字地形使用便攜式的小型數(shù)控機(jī)床（CNC）雕刻成型。手工的沙盤使設(shè)計(jì)者避免在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行復(fù)雜繁瑣的地形建模和修改，而使其能夠?qū)Ｗ⒂谟檬指兄匦蔚淖兓?，從而激發(fā)了設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力［9］。這套系統(tǒng)的局限在于負(fù)模的限制使沙盤的尺寸不能用于大場(chǎng)景的地形制作。

圖7　Rapid Landscape Prototyping Machine的工作過程Fig.7 working process of Rapid Landscape Prototyping Machine

南加州建筑學(xué)院Landscape Morphologies Lab在加利福尼亞州歐文湖（Owen Lake）項(xiàng)目研究過程中，為了探索如何利用地形改造和水域生成來應(yīng)對(duì)和治理歐文湖地區(qū)的沙塵問題，開發(fā)了一套名為RLPMachine（Rapid Landscape Prototyping Machine）的地形研究設(shè)備［10］。該系統(tǒng)混合了工程沙盤模型技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、數(shù)字投影和三維掃描技術(shù)，創(chuàng)造了一個(gè)全新的多感知的設(shè)計(jì)平臺(tái)。智能機(jī)械臂根據(jù)控制計(jì)算機(jī)事先計(jì)算好的路線自動(dòng)選用不同的工具對(duì)地形進(jìn)行雕刻，這些工具有模擬自然風(fēng)蝕的風(fēng)管、模擬鏟車的鋁制刀頭等。機(jī)械臂的動(dòng)作盡量模擬真實(shí)的工程過程。沙盤模型雕刻完畢后，進(jìn)行三維掃描，轉(zhuǎn)換為DEM模型，模擬不同的沙塵、水文條件場(chǎng)景，在GIS系統(tǒng)中進(jìn)行各類分析。系統(tǒng)并不只產(chǎn)生單一結(jié)果，而是模擬出一系列不同的地形設(shè)計(jì)，分別雕刻分析后，優(yōu)選多個(gè)地形，使用特殊的固化技術(shù)將沙子黏結(jié)成型，置入一個(gè)交互式模擬裝置中，這個(gè)裝置由頂置投影儀、平視顯示器、沙盤及控制面板組成。交互式裝置可以讓設(shè)計(jì)者、工程人員、政府管理部門和公眾選擇不同的沙盤場(chǎng)景，同時(shí)選擇不同的水文和沙塵條件，頂置投影機(jī)將預(yù)先計(jì)算好的各類分析結(jié)果投射到沙盤之上，同時(shí)平視顯示器模擬出人視角度的歐文湖設(shè)計(jì)場(chǎng)景及預(yù)測(cè)的變化（圖7）。

這套系統(tǒng)最大的創(chuàng)新是使用了機(jī)器人雕刻沙盤，使地形模型的可控性和精度都得到空前的提高，但同時(shí)又失去了手工直覺塑形的優(yōu)點(diǎn)。刀頭的移動(dòng)路線受到沙子流態(tài)的局限，并不能完全模擬實(shí)際的工程操作，雕刻出的地貌形態(tài)也頗受限制。該系統(tǒng)的使用非常復(fù)雜，也無(wú)法做到即時(shí)掃描地形，不利于推廣普及，只適用于特定項(xiàng)目。

加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校W·M·Keck中心等機(jī)構(gòu)在由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金贊助的淡水湖和流域科學(xué)科普教育項(xiàng)目中（NSF-funded project on informal science education for freshwater lake and watershed science），由Oliver Kreylos開發(fā)了一個(gè)沙盒模型（ARSandbox）作為輔助教具，它由實(shí)體沙盒、微軟kinect攝像頭、投影儀及自主開發(fā)的模擬軟件組成。用戶可以隨意塑造沙子模型，通過kinect攝像頭實(shí)時(shí)掃描后，后端模擬軟件計(jì)算出等高線和高程梯度色階，由投影儀投射至沙盒表面，還可模擬匯流區(qū)和水流的動(dòng)畫效果。但由于該設(shè)備主要用于博物館、科技館等機(jī)構(gòu)的兒童科普活動(dòng)，因此后端分析功能并不適合專業(yè)工作，只具備最基本的等高線顯示功能，且軟件模塊基于linux系統(tǒng)，安裝不便，無(wú)法導(dǎo)出TIN數(shù)字模型或等高線矢量數(shù)據(jù)［11］。

3　構(gòu)建適合于景觀設(shè)計(jì)和教學(xué)的增強(qiáng)實(shí)境地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)

綜合分析目前存在的數(shù)字沙盤系統(tǒng)的構(gòu)成及其優(yōu)缺點(diǎn)（表1），結(jié)合數(shù)字技術(shù)和圖形技術(shù)的最新發(fā)展，根據(jù)景觀設(shè)計(jì)教學(xué)及設(shè)計(jì)行業(yè)的需求和特點(diǎn)，適合于本學(xué)科的地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)。

（1）充分發(fā)揮沙盤模型和數(shù)字模型的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將兩者有機(jī)融合為一個(gè)無(wú)縫銜接的地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

（2）快捷的信息掃描與傳輸。實(shí)時(shí)掃描沙盤模型地表信息的變化，快速建立通用地表數(shù)字模型，即時(shí)分析數(shù)據(jù)。

（3）基于增強(qiáng)實(shí)境原理，分析數(shù)據(jù)能夠及時(shí)反饋至沙盤表面，為地形設(shè)計(jì)過程提供參考。

（4）根據(jù)不同需求構(gòu)建分析模塊，能夠輸出通用數(shù)據(jù)，具備與其他規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件如GIS系統(tǒng)與BIM系統(tǒng)交互的接口。

（5）操作便捷，具備交互式設(shè)置和操作界面。

如前文所述，傳統(tǒng)沙盤雖然具有便捷直觀直覺的操作體驗(yàn)，但其在塑造地形的過程中缺乏地物校正和分析反饋，使地形設(shè)計(jì)的過程比較盲目而粗糙，不能及時(shí)獲取設(shè)計(jì)地形的坡度坡向與地表匯流的數(shù)據(jù)，很難在塑造地形的同時(shí)考慮復(fù)雜現(xiàn)狀如道路、建筑、植被、土壤類型、基巖分布等情況。而增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)則可將等高線、坡度、現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)等信息疊加于地形沙盤之上，大大豐富了傳統(tǒng)沙盤的信息，使設(shè)計(jì)者在塑造地形的同時(shí)，根據(jù)這些信息即時(shí)校正和優(yōu)化，有的放矢，綜合了傳統(tǒng)沙盤和數(shù)字模型的優(yōu)勢(shì)。

表1　當(dāng)前主要的數(shù)字沙盤地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)比Tab.1 comparison of main digital sandboxes

增強(qiáng)實(shí)境（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的技術(shù)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在，從而增強(qiáng)和豐富了真實(shí)世界的信息。AR系統(tǒng)具有3個(gè)特點(diǎn)：一、真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成；二、具有實(shí)時(shí)交互性；三、在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)在虛擬設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。Google 公司的Google Glass， Microsoft公司的Hololens眼鏡，都是增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)的應(yīng)用成果，尤其是后者，設(shè)計(jì)界已開始嘗試將其用于城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等方面［12］。

基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)沙盤系統(tǒng)可分為原地形輸入模塊、地形塑造模塊、三維掃描模塊、三維數(shù)據(jù)后處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和視覺展示模塊。為了達(dá)到即時(shí)反饋交互的效果，需要將三維掃描模塊、三維數(shù)據(jù)后處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和視覺展示模塊聯(lián)動(dòng)，做到即時(shí)捕捉即時(shí)運(yùn)算即時(shí)顯示，或?qū)?shù)據(jù)傳遞和運(yùn)算的時(shí)滯做到最小。

（1）原地形輸入模塊

沙盤模型首先需呈現(xiàn)為設(shè)計(jì)區(qū)域的原地形，使地形的改造能夠在原地形的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這對(duì)于非平坦地形的改造至關(guān)重要。靠手工塑造原地形顯然并不現(xiàn)實(shí)。因此，原地形的輸入的可選擇方式主要有負(fù)模和機(jī)器人。兩者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。負(fù)模造價(jià)較低，使用便捷，但尺寸受限，且使用雕刻機(jī)加工負(fù)模較為費(fèi)時(shí)。機(jī)器人費(fèi)用高昂，需事先根據(jù)原地形數(shù)據(jù)設(shè)定刀頭路徑，但路徑確定后可全自動(dòng)無(wú)人值守工作，雕刻快捷精確。

（2）地形塑造模塊

通常是在傳統(tǒng)沙盤中使用各類工具對(duì)地形進(jìn)行微調(diào)、塑形、重構(gòu)。沙盤的尺寸和塑形的材料可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)對(duì)象靈活調(diào)整。塑造地形的材料通常使用沙子或黏土。黏土的塑性較強(qiáng)，易于造型，但加工不如沙子方便。地形塑造模塊可先以人工塑造，充分發(fā)揮手的靈活優(yōu)勢(shì)和手腦合一的協(xié)調(diào)性，確定基本造型后，可用機(jī)器人手精雕，進(jìn)行局部修整。

（3）三維掃描模塊

將沙盤模型數(shù)據(jù)化并轉(zhuǎn)化為DEM或TIN模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析是地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵?？蛇x擇的有便攜式三維掃描儀或微軟的kinect攝像頭。便攜式三維掃描儀利用激光束在物體表面的反射所構(gòu)成的點(diǎn)云來建立三維模型，精度高，但掃描范圍有限，單束激光需在模型表面進(jìn)行行列式掃描，在掃描較大尺寸的沙盤時(shí)需移動(dòng)掃描儀以覆蓋整個(gè)沙盤表面，因此無(wú)法做到即時(shí)地形掃描輸入?；诩t外原理的Kinect攝像頭是微軟公司于2009年為游戲主機(jī)XBOX360所開發(fā)的體感周邊外設(shè)。它是一種3D體感攝影機(jī)，原理是采用光編碼（light coding）技術(shù)，使用特殊光源發(fā)射具有三維縱深的激光散斑（laser speckle），在物體表面形成隨機(jī)衍射斑點(diǎn)。Kinect通過定時(shí)標(biāo)定攝像頭拍攝范圍內(nèi)的整體衍射斑點(diǎn)圖案，就可以即時(shí)判定物體的深度值，從而建構(gòu)起深度圖像，灰度標(biāo)定的深度圖像可轉(zhuǎn)為點(diǎn)云以建立三維模型［13］。Kinect的深度圖像分辨率為320×240，經(jīng)過插值后為640×480。2014年微軟發(fā)布了KinectV2版，優(yōu)化了深度捕捉機(jī)制，通過更高的深度保真和大幅改進(jìn)的噪聲基底，使深度圖像的分辨率和穩(wěn)定性都得到很大的提高（圖8）。Kinect攝像頭的最大優(yōu)勢(shì)是可以做到動(dòng)態(tài)即時(shí)捕捉，可實(shí)時(shí)掃描沙盤模型的變化，即時(shí)在計(jì)算機(jī)中獲得深度圖像。缺點(diǎn)是僅能建構(gòu)被Kinect攝像頭拍攝到的表面，被遮擋表面因無(wú)深度數(shù)據(jù)而成為空洞，且有最近和最遠(yuǎn)攝距的限制。

圖8　微軟Kinect攝像頭（上）Kinect V2攝像頭（下）Fig.8 Kinect V1 （upper） and Kinect V2 （lower）of Microsoft

（4）三維數(shù)據(jù)后處理模塊

圖9　增強(qiáng)實(shí)境地形設(shè)計(jì)沙盤系統(tǒng)Fig.9 sandbox for terrain design based on AR

將三維掃描儀獲得的點(diǎn)云或深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通用的DEM或TIN數(shù)據(jù)，以方便深入分析。三維激光掃描儀后處理通常需要利用廠商提供的軟件或第三方軟件平臺(tái)，三維掃描和后處理不能做到即時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行。Kinect提供了SDK開發(fā)包，可直接使用Rhino+Grasshopper作為后處理模塊。Rhino采用標(biāo)準(zhǔn)的CAD界面和通用的Opennurbs內(nèi)核，所以具有強(qiáng)大的格式轉(zhuǎn)換能力，構(gòu)建的三維模型能方便地輸入其他專業(yè)軟件。Grasshopper是目前最流行的圖形化編程平臺(tái)，和Rhino完美對(duì)接，為Rhino提供了強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力［14］。

（5）數(shù)據(jù)分析模塊

利用Rhino+Grasshopper編制各類分析算法TIN數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)于較復(fù)雜的分析，Grasshopper不能實(shí)時(shí)得出分析結(jié)果，需要一定的計(jì)算時(shí)間。如需更為精確和復(fù)雜的分析，也可將點(diǎn)云或TIN模型導(dǎo)入GIS平臺(tái)、AutodeskCivil3D、Flow3D等具備地形分析和水文分析功能的軟件之中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（6）視覺展示模塊

將地形及分析結(jié)果通過顯示設(shè)備展示，使設(shè)計(jì)者、管理部門和公眾能夠?qū)Φ匦卧O(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，選擇和優(yōu)化。最常用的顯示設(shè)備是顯示器和投影儀。使用投影儀可以將分析結(jié)果及不同的分析數(shù)據(jù)如等高線、坡度等投射到沙盤模型表面，使虛擬的數(shù)字模型和物理的沙盤模型疊加在一起，豐富了物理沙盤模型的表面信息，同時(shí)為進(jìn)一步修改沙盤模型提供了依據(jù)，構(gòu)成增強(qiáng)實(shí)境系統(tǒng)。同時(shí)，使用VR頭盔作為虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)。

4　基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)沙盤系統(tǒng)的建造

圖10　Grasshopper編制的后處理模塊和主要分析模塊Fig.10 postprocessor and main analysis module compiled by Grasshopper

本文作者于2015年11月建造了原型機(jī)，在作者所任教的學(xué)校進(jìn)行演示，獲得了多位教師的一致認(rèn)可，均認(rèn)為該系統(tǒng)在風(fēng)景園林教學(xué)和實(shí)踐過程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。作者在原型機(jī)的測(cè)試基礎(chǔ)上，建造了實(shí)用的大尺寸地形設(shè)計(jì)沙盤，以輔助教學(xué)、科研和實(shí)踐工作。

該系統(tǒng)由0.8×0.6×0.2m的有機(jī)玻璃作為沙盤容器，透明的有機(jī)玻璃便于以平視視角觀察地形。以白色石英砂作為塑造介質(zhì)，干燥的沙子流動(dòng)性較強(qiáng)，可加入一定量的水使其保持粘性。采用負(fù)模作為原地形輸入模塊（后期將采用機(jī)器人機(jī)械手）。將微軟Kinect攝像頭固定于沙盤正上方，距沙盤0.8m。經(jīng)過計(jì)算，攝像頭的取景范圍正好覆蓋沙盤，此時(shí)深度圖像的橫向分辨率為1.25m，縱向分辨率為4mm，基本滿足沙盤的精度要求（圖 9）。

在雕塑沙盤中的地形時(shí)，Kinect攝像頭實(shí)時(shí)捕捉地形的變化，將深度數(shù)據(jù)通過USB接口送至高性能圖形工作站。工作站運(yùn)行Rhino+Grasshopper作為后處理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

作者在Grasshopper Firefly插件的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了數(shù)據(jù)讀取的方式和穩(wěn)定性，利用Grasshopper和PYTHON、C#編制了各類后處理和分析模塊（圖10），實(shí)時(shí)讀取Kinect獲得的深度圖像并將其轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云，通過DELAUNAY算法轉(zhuǎn)為TIN模型，根據(jù)設(shè)定的比例尺和等高距，計(jì)算出自動(dòng)平滑之后的等高線（Kinect攝像頭有一定的背景噪音，需對(duì)等高線做平滑處理），并在TIN模型的基礎(chǔ)上，以最快的速度進(jìn)行分析，這些分析目前包括等高線、高程色階、任意點(diǎn)高程、坡度、坡向、坡度曲率、填挖方與土方平衡、地形立面、地形剖斷面、陰影遮擋分析、日照輻射系數(shù)計(jì)算、地表徑流模擬、土地侵蝕、可視性、道路選線、開發(fā)選址、場(chǎng)地仿真等各類分析［15］。

分析項(xiàng)目可以在Grasshopper中自由切換，為了方便操作和設(shè)置系統(tǒng)，專門編寫了更加簡(jiǎn)潔的控制面板，使用者無(wú)需掌握Rhino和Grasshopper的使用方法，也可以通過直觀的控制面板對(duì)沙盒系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行設(shè)置。分析結(jié)果通過固定于沙盤頂部的投影儀投射至沙盤表面。經(jīng)過精確的投射距離計(jì)算，保證投影儀的顯示誤差最小。雕刻地形從掃描到輸出到分析到顯示，整體時(shí)滯可低于500ms，如只需投影顯示等高線及坡度坡向分析，則時(shí)滯在100ms以下，實(shí)現(xiàn)在人工修整地形的同時(shí)，等高線、坡度等分析結(jié)果即時(shí)顯示于沙盤表面。設(shè)置極限坡度值后，突破極限值的區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)紅色提示，使設(shè)計(jì)者可以及時(shí)優(yōu)化地形。頂置投影儀還能將現(xiàn)狀或設(shè)計(jì)構(gòu)筑物、道路和場(chǎng)地、不可移動(dòng)的現(xiàn)狀樹等地形限制要素投射于沙盤表面，作為地形設(shè)計(jì)參考（圖11）。

利用leapmotion技術(shù)，該地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備了手勢(shì)感應(yīng)功能。設(shè)計(jì)者可以隨時(shí)利用手勢(shì)切換投射于沙盤模型上的分析數(shù)據(jù)類型，無(wú)需使用鼠標(biāo)鍵盤，使設(shè)計(jì)者專注于地形雕塑過程而不被繁復(fù)的操作所打斷。

獲得相對(duì)確定的地形設(shè)計(jì)方案后，將R hino中的T IN模型導(dǎo)入ArcGIS或Civil3D軟件中進(jìn)行深入分析或深化設(shè)計(jì)。最終方案可利用數(shù)字切割機(jī)，CNC（數(shù)控機(jī)床）或三維打印機(jī)將數(shù)字地形制作成實(shí)體地形，以獲得更直觀的感知，方便展示和移動(dòng)。

5　結(jié)論與展望

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)日新月異地飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)者已經(jīng)可以在計(jì)算機(jī)中直接塑造地形，但傳統(tǒng)沙盤的直觀性和人手的靈活性，在目前階段還無(wú)法替代。通過對(duì)當(dāng)前世界上較為成熟的傳統(tǒng)沙盤與數(shù)字 技術(shù)相結(jié)合的方案的研究，本文提出了基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)沙盤系統(tǒng)的構(gòu)想，并制造了實(shí)用機(jī)型應(yīng)用于景觀教學(xué)與設(shè)計(jì)工作中。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)綜合了傳統(tǒng)沙盤和數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠充分調(diào)動(dòng)人的直覺感知，利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算與分析，結(jié)合最新的增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)，設(shè)計(jì)者在塑造地形的同時(shí)，即時(shí)從量化分析、視覺體驗(yàn)等不同層面評(píng)估其可行性，為設(shè)計(jì)者提供充分的設(shè)計(jì)依據(jù)，使其能夠隨時(shí)洞察地形設(shè)計(jì)所影響的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，激發(fā)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，極大地增強(qiáng)了景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中的地形處理能力和設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)者擁有更強(qiáng)大的創(chuàng)造力，手工的控制更能激發(fā)設(shè)計(jì)師對(duì)于空間的直覺和潛意識(shí)。

基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備了充分的可擴(kuò)展性。動(dòng)態(tài)三維掃描技術(shù)的發(fā)展和更加強(qiáng)大的后處理模塊的開發(fā)，使該系統(tǒng)能夠承擔(dān)更為復(fù)雜的任務(wù)，模擬更為復(fù)雜的自然和社會(huì)過程。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的普及，我們將引入VR頭盔作為該系統(tǒng)的顯示模塊，使設(shè)計(jì)者可以在真實(shí)尺度的沉浸式空間體驗(yàn)中觀察、設(shè)計(jì)地形，完全避免了“上帝視角”所帶來的設(shè)計(jì)困境。

直覺的手工雕塑、即時(shí)的反饋能力、優(yōu)異的人機(jī)交互性能與友好的使用方法使增強(qiáng)實(shí)境地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)這種數(shù)字時(shí)代的規(guī)劃設(shè)計(jì)操作平臺(tái)成為輔助景觀教學(xué)、設(shè)計(jì)和展示的利器，在多個(gè)方面具有深入研究和應(yīng)用的價(jià)值。

注釋：

①參考ELLEN YI-LUEN DO. DigitalSandbox.［EB/OL］. ［2016-07-12］. http：//depts.washington.edu/dmgftp/ publications/pdfs/aid02-sandbox.pdf.

圖11　基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)系統(tǒng)樣機(jī)Fig.11 prototype of AR sandbox

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圖片來源：

圖1：安敏. 中國(guó)古地圖研究綜析［J］. 測(cè)繪科學(xué)， 2012（05）： 53-54.

圖2：RIEDER K. “Modeling， Physical and Virtual” in Representing Landscape Architecture［M］. New York： Taylor and Francis， 2008.

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圖8：Microsoft. Kinect［EB/OL］. ［2016-07-12］.http：//www.k4w.cn/index.html

圖9-10：作者繪制

圖11：作者拍攝

Research on the Shaping Technology of Topographic Model and AR Sandbox

CAI Linghao

Measurement， analysis， adjustment and reconstruction of the topography is the foundation of landscape architecture planning and design. owing to the development of computer technology， the digital topography can be shaped and reshaped through mouse，but the traditional physical sand box still cannot be replaced in the present stage because of the perceptual initiation of physical sandbox and the flexibility of human hand. Based on researches on the constructing and shaping technology of topographic model and the projects which combined with digital technology and the physical sandbox， a topography design system based on augmented reality sandbox is constructed. Combining advantages of physical sandbox and the newest digital technology， the system can fully mobilize people’s intuition and high-speed analysis of computer， and enhance the method of topography design in the landscape architecture planning and design.

Topography Design； Argument Reality； Topographic Model； Sandbox

TU204

A

2095-6304（2016）04-0026-08

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160405

2016-04-20

（編輯：袁李姝）

蔡凌豪： 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，講師，oldstory @126.com

蔡凌豪. 基于增強(qiáng)實(shí)境的地形設(shè)計(jì)沙盤系統(tǒng)研究［J］. 西部人居環(huán)境學(xué)刊， 2016， 31（04）： 26-33.