(葡萄牙)何塞·米格爾·拉米拉斯 (葡萄牙)保羅·法里尼亞·馬克斯 撰文

原 茵 李傲雪 譯

1 概述

任何干預(yù)措施，無論是用于建筑、農(nóng)業(yè)還是人口流動(dòng)，都需要對土地的形狀進(jìn)行反思。因此，地形建模是所有人類景觀干預(yù)中的焦點(diǎn)問題[1]12。地形建模是景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目能否成功的決定因素之一，將地形和植被在建模階段正確整合可以增加景觀的特征和價(jià)值[2-3]。Strom等認(rèn)為，一個(gè)建模項(xiàng)目往往通過與周圍環(huán)境的聯(lián)系程度來衡量其功能和美學(xué)上的成功[4]；Lynch等也認(rèn)為地面形態(tài)塑造必須符合該地點(diǎn)的地形條件限制，同時(shí)兼顧功能、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、美學(xué)和可持續(xù)性[5]。由于土地表面是連續(xù)的，并且擁有豐富的生物群落和生態(tài)過程，因此對地球表面的任何干預(yù)都會(huì)對其產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1]8-11。

盡管還有其他需要對地形進(jìn)行建模的學(xué)科領(lǐng)域，例如土木工程和建筑，但地形建模是景觀干預(yù)中的一大特色。地形設(shè)計(jì)方案綜合了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的藝術(shù)、科學(xué)和技術(shù)知識，學(xué)習(xí)掌握相關(guān)技術(shù)的處理方法并對地形進(jìn)行建模是任何景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目必不可少的環(huán)節(jié)，必須以巧妙、靈活和獨(dú)創(chuàng)的方式進(jìn)行[6]。

關(guān)于地形建模過程，目前風(fēng)景園林設(shè)計(jì)人員主要使用等高線作為地形建模的依據(jù)。但是，這種方法非常抽象，需要在二維圖紙上直觀地思考三維的呈現(xiàn)，這使得建模過程變得復(fù)雜，甚至可能由于難以以抽象的二維等高線構(gòu)想地形而阻礙了某些設(shè)計(jì)想法的實(shí)現(xiàn)。

在建筑、工程和建設(shè)(AEC)行業(yè)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字建模領(lǐng)域的發(fā)展一直在降低設(shè)計(jì)想法建模所需的抽象思維水平，并開發(fā)了一系列工具，使設(shè)計(jì)人員能更好地將設(shè)計(jì)想法表現(xiàn)出來。但是與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的建筑、工程和建設(shè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)過程相比，可用于風(fēng)景園林設(shè)計(jì)(尤其是地形建模)的數(shù)字工具仍處于待開發(fā)狀態(tài)。

2 研究方法

為研究將數(shù)字模型方法整合到地形設(shè)計(jì)過程中的潛力，本文采用了以下方法。

1)通過對地形設(shè)計(jì)過程相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)和現(xiàn)有計(jì)算解決方案的分析，對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行評估①。這為本項(xiàng)研究提供了理論和技術(shù)支持。

2)評估了地形設(shè)計(jì)過程和方法，并確定了可通過新的計(jì)算解決方案改進(jìn)的區(qū)域。

3)對于可改進(jìn)的區(qū)域，通過開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，提出、測試并驗(yàn)證了一套數(shù)字地形設(shè)計(jì)方法和工具。

4)在實(shí)驗(yàn)和先前開發(fā)知識的基礎(chǔ)上，提出并開發(fā)了集成的地形建模過程。

5)通過3個(gè)實(shí)際地形建模項(xiàng)目的測試，驗(yàn)證了提出的數(shù)字建模方案，這3個(gè)項(xiàng)目因使用了建議的建模過程、方法和工具而產(chǎn)生了新的地形設(shè)計(jì)方案。

提出的數(shù)字建模過程得到以下幾方面的支持：1)已有的建模工具；2)從數(shù)字建模的其他領(lǐng)域(如3D數(shù)字雕刻)改編的工具，這些工具具有被改變并集成到數(shù)字地形設(shè)計(jì)過程中的潛力；3)本項(xiàng)研究提出的方法和工具。

本項(xiàng)研究旨在通過開發(fā)利用現(xiàn)有數(shù)字建模及在其他設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)嵤┑臄?shù)字工具和流程，為數(shù)字地面模型構(gòu)建的發(fā)展作出貢獻(xiàn)，從而借助建筑信息模型(BIM)將地形建模過程集成到景觀設(shè)計(jì)中。

圖1 在TIN表面上使用推/拉工具

3 數(shù)字地面模型

20世紀(jì)中葉，數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)字圖形領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了數(shù)字地形表現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展[7]4，這些技術(shù)直接推動(dòng)了數(shù)字地面模型的出現(xiàn)，并由Miller和Laflamme在1958年首次提出[7]8-9。20世紀(jì)80年代，隨著微型計(jì)算機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，信息技術(shù)革命促使用于地形呈現(xiàn)和建模的數(shù)字技術(shù)與工具迅速發(fā)展[7-8]。

地形設(shè)計(jì)過程受益于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。數(shù)字曲面模型的引入減少了設(shè)計(jì)形式和表現(xiàn)之間的抽象差異。但是，數(shù)字曲面仍主要通過等高線和數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行建模，并未充分發(fā)揮數(shù)字建模工具的優(yōu)勢。

在數(shù)字模型中，地形通常由數(shù)字地面模型表示，一般認(rèn)為可以通過2種方式對其進(jìn)行建模和可視化：規(guī)則的點(diǎn)網(wǎng)格(GRID)和不規(guī)則的三角網(wǎng)(TIN)，二者均由高程點(diǎn)組成[9][10]36。使用TIN的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集過程，可以增加崎嶇地形區(qū)域中的數(shù)據(jù)密度并減少平坦區(qū)域數(shù)據(jù)密度，從而更準(zhǔn)確地表現(xiàn)景觀的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征[10]52-55。由于TIN可以改變同一表面上點(diǎn)的密度并允許更大的幾何可塑性，因此TIN表面是地形建模時(shí)最常見和最推薦的方法。TIN構(gòu)成了數(shù)字地面模型的基礎(chǔ)，它根據(jù)數(shù)據(jù)采樣時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)將區(qū)域細(xì)分為三角形，從而構(gòu)建整個(gè)地形表面[11]。

但是，由于TIN表面不允許在地形塑造過程中使用自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具來建模(圖1)，也不允許復(fù)雜曲線在z軸上的變化，如地形設(shè)計(jì)項(xiàng)目中常見的平滑或S形斜坡等，因此TIN表面在地形建模過程中存在很大的局限性。

此外，在分析一系列地形建模工具時(shí)，與專用于地面(綠地)的建模工具相比，專用于工程結(jié)構(gòu)(如道路、橋梁和墻壁)的建模工具往往需要更多的資金投入。

專用于三維建模和動(dòng)畫制作的計(jì)算機(jī)程序允許使用工具自由控制形式，但不能編輯現(xiàn)有的地形表面。這些設(shè)計(jì)過程通常從平面出發(fā)，而地形設(shè)計(jì)項(xiàng)目往往是從現(xiàn)有的模型表面開始設(shè)計(jì)。這些程序在使用自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行三維建模時(shí)表現(xiàn)出色，但不允許對模型進(jìn)行技術(shù)性細(xì)節(jié)修改，例如這些程序不允許基于斜率參數(shù)進(jìn)行建模，這導(dǎo)致在執(zhí)行項(xiàng)目階段很難對模型進(jìn)行進(jìn)一步編輯。

研究同時(shí)表明，一方面，地形建模的計(jì)算機(jī)程序允許通過三維線以坡度和高程參數(shù)為依據(jù)對設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充。但是，這些程序在視覺三維復(fù)雜曲率建模方面并不準(zhǔn)確。另一方面，三維設(shè)計(jì)和動(dòng)畫程序可以基于對頂點(diǎn)的控制，通過直觀視覺效果對復(fù)雜曲線進(jìn)行有效建模，但是缺乏基于坡度和高程進(jìn)行設(shè)計(jì)的技術(shù)參考。

目前尚缺乏可將專用地形建模程序與能根據(jù)特定地形設(shè)計(jì)需求進(jìn)行調(diào)整的3D程序相結(jié)合的特定技術(shù)解決方案，因此需要開發(fā)新的流程和工具。

4 地形設(shè)計(jì)流程建議

基于最新的評估結(jié)果，提出了集成性的地形建模過程，該過程將利用目前AEC行業(yè)中較為成熟的計(jì)算機(jī)解決方案、3D建模技術(shù)和動(dòng)畫技術(shù)。明確了2個(gè)主要研究領(lǐng)域：地形表面和地形建模工具。

4.1 TIN2.0

TIN2.0是基于現(xiàn)有TIN曲面技術(shù)構(gòu)建的。TIN2.0表面幾何的數(shù)學(xué)計(jì)算將繼續(xù)通過Delaunay三角網(wǎng)來完成，同時(shí)保留其幾何結(jié)構(gòu)建模的規(guī)則。TIN2.0的主要進(jìn)步在于，在給定的表面區(qū)域內(nèi)三角網(wǎng)可被修改并轉(zhuǎn)換為規(guī)則網(wǎng)格，允許在新表面區(qū)域內(nèi)使用自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具，同時(shí)確保了規(guī)則網(wǎng)格區(qū)域與現(xiàn)有模型表面相匹配，這為操作形式帶來了新的可能。TIN2.0曲面如圖2所示。

本研究提出并測試了2種不同規(guī)則網(wǎng)格的開發(fā)方法，二者均可確保要?jiǎng)?chuàng)建的規(guī)則網(wǎng)格與現(xiàn)有TIN表面建模之間的地形匹配。具體建模方式如圖3所示。

1)模式1：通過新區(qū)域保留現(xiàn)有地形表面的形式。

將確定區(qū)域邊界的多邊形與現(xiàn)有地形表面相交獲取高程，然后根據(jù)網(wǎng)格定義的間距創(chuàng)建規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)。網(wǎng)格的每個(gè)點(diǎn)都升高至現(xiàn)有地形表面的高度。

在該模式下，區(qū)域邊界的高程等于現(xiàn)有模型的高程。模型表面內(nèi)部區(qū)域的規(guī)則幾何網(wǎng)格與現(xiàn)狀模型表面的擬合程度取決于規(guī)則網(wǎng)格的密度，密度越大，與現(xiàn)有模型曲面的擬合度越高。

2)模式2：僅在新區(qū)域的邊緣保留現(xiàn)有地形表面的形式。

在該模式下，區(qū)域的邊緣也將升高至現(xiàn)有地形表面的高度。然后根據(jù)所需的間距，僅依據(jù)區(qū)域邊界的高程構(gòu)建規(guī)則網(wǎng)格，從而生成形狀更加平滑的規(guī)則網(wǎng)格。新生成的區(qū)域僅在邊界處與現(xiàn)有模型相同，之后可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的意圖對內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行建模。

2種模式都可以使用自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具，但是這2種模式存在差異。模式1的建造起點(diǎn)是非常接近現(xiàn)狀但較為粗糙的表面形式，而在模式2中，區(qū)域邊界可以精準(zhǔn)表達(dá)現(xiàn)狀地形，但現(xiàn)狀地形不能在內(nèi)部準(zhǔn)確表示，在這一模式下的模型內(nèi)部區(qū)域會(huì)更加平整，并允許操作者更加流暢地使用自由建模工具。

4.2 自由形態(tài)地形設(shè)計(jì)

在數(shù)字建模中，有機(jī)形態(tài)可以通過自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具在塑性過程中被建模出來。這些自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具可直接在3D數(shù)字模型呈現(xiàn)的形態(tài)上操作，比起利用等高線和三維線建模，使用這些工具沒有必須確定幾何參數(shù)的限制，因此在建模過程中允許更大的靈活度和自由度。圖4展示了2個(gè)最常用的工具：推拉工具(push-pull)和塑形工具(sculpt)的應(yīng)用情況。

圖2 帶規(guī)則網(wǎng)格區(qū)域的現(xiàn)有模型表面

圖3 在TIN曲面中創(chuàng)建規(guī)則網(wǎng)格區(qū)域的2種替代方法

圖4 自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具的使用實(shí)例——推拉工具和塑形工具

推拉和塑形工具都對建模表面有直接影響。在使用推拉工具時(shí)，需要定義工具半徑、方向和適用距離，工具作用于表面的垂直軸方向；在使用塑形工具時(shí)，需要定義工具的影響半徑和塑形高度，并沿所需的向量方向移動(dòng)光標(biāo)，工具將會(huì)沿向量垂直方向作用，與表面平行。這些工具使創(chuàng)新型的地形設(shè)計(jì)過程發(fā)展成為可能。圖5為推拉工具被應(yīng)用于TIN和TIN2.0表面。

在測試中，使用Autodesk Civil 3D利用等高線生成曲面，借助Autolisp生成TIN2.0，導(dǎo)入Autodesk Maya并測試自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具。

在TIN曲面上，由于點(diǎn)之間的距離繁多，推拉工具的使用難以控制，在不同的位置上使用此工具會(huì)生成不同形態(tài)，因此難以獲得想要的形態(tài)。在TIN2.0曲面上，使用2種模式建造的區(qū)域均可使用推拉工具，且生成的結(jié)果符合預(yù)期，均保證了地形一致性。但2種模式也存在重要差別：模式2下的模型曲面更加均勻，所以更易使用推拉工具，且推拉工具對模型形態(tài)的控制結(jié)果更好。

4.3 地形設(shè)計(jì)工具：三維線

本研究提出并測試了基于三維線的數(shù)字地形曲面的建模過程，該過程利用了現(xiàn)有3D建模和動(dòng)畫程序中可能的計(jì)算解法，使得地形形態(tài)的建模過程更加接近于草圖的繪制過程。首先，研究者測試了幾種生成三維地形曲面的方式，圖6對比了利用等高線和三維線生成的數(shù)字地形曲面。

在測試中，使用Autodesk Civil 3D處理用等高線生成的曲面；對于三維線生成的曲面，先在Autodesk Maya中進(jìn)行建模以更好地控制線的形態(tài)，之后導(dǎo)入Autodesk Civil 3D。

利用等高線建立的數(shù)字地面模型的曲面精度非常低，在高程不符合等高線垂直等距的區(qū)域尤為顯著。即使有高程點(diǎn)的輔助，得到的曲面仍不準(zhǔn)確。與等高線相比，通過三維線創(chuàng)建的曲面不需要很高的抽象度就可以表現(xiàn)更理想、更準(zhǔn)確的形態(tài)，并且建模結(jié)果是控制點(diǎn)數(shù)更少、更簡單的曲面。

5 案例研究

通過案例研究，測試并驗(yàn)證了TIN2.0曲面及基于三維線和自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具的建模工具帶來的可能性。研究案例從實(shí)際項(xiàng)目中發(fā)展而來，使用本研究提出的建模流程和建模工具重建以下3個(gè)項(xiàng)目案例地形并進(jìn)行研究。

1)Quinta de Lamas公園(葡萄牙波爾圖)，因筆者是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員，并且熟悉該項(xiàng)目地形建模的各種解決方案和決策情況，故選擇本項(xiàng)目。

2)Parque do Tejo e do Tranc?o(葡萄牙里斯本)，國家重點(diǎn)項(xiàng)目，是作為參考案例被國際上引用最多的項(xiàng)目之一，針對地形建模給出了優(yōu)秀的解決方案。

3)倫敦奧林匹克公園(英國)，國際重點(diǎn)項(xiàng)目，同案例2一樣在地形建模方面的解決方案也格外優(yōu)秀。

本文闡述第一個(gè)案例的研究內(nèi)容。Quinta de Lamas公園(圖7)占地約3hm2，位于葡萄牙波爾圖大學(xué)工程學(xué)院和經(jīng)濟(jì)學(xué)院之間。該項(xiàng)目的主要特點(diǎn)為再自然化Manga水道(之前被管道化)、創(chuàng)建統(tǒng)一的綠色結(jié)構(gòu)，以及創(chuàng)建行人和自行車可達(dá)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖5 使用推拉自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具“推拉”，作用于研究中的不同曲面

圖7 Quinta de Lamas公園總平面圖[12]

地形建模的主要特點(diǎn)(圖8)包括：

1)河道的形態(tài)根據(jù)草圖建模，以進(jìn)水口和出水口的高程為參考點(diǎn)；

2)拆除了項(xiàng)目北部邊緣的擋土墻，地形建模銜接現(xiàn)狀人行道的高程；

3)依據(jù)坡道標(biāo)準(zhǔn)建立步行和自行車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，兼顧殘障人士使用；

4)未建立人工雨水排水系統(tǒng)，所有雨水都通過地表流向貯水池；

5)對河道和貯水池進(jìn)行了計(jì)算，以滿足應(yīng)對暴雨水量；

6)該場地消納了4 000m3土方，這些土壤來自鄰近施工場地。

通過對豎向設(shè)計(jì)的分析可以確定地形設(shè)計(jì)方案，使用本文提出的方法和工具對地形進(jìn)行重新建模(圖8)。

為更加系統(tǒng)化，將模型劃分為綠地的建模(軟質(zhì)景觀)和構(gòu)筑物的建模(硬質(zhì)景觀)2個(gè)部分。

對于構(gòu)筑物、道路、坡道、樓梯和墻的建模，三維線是最合適的，可以很好地控制投影的形態(tài)，特別是在坡度和高程方面。編輯形態(tài)的過程也被簡化了，在3D模型中可以看到每個(gè)形態(tài)的改變對整體地形產(chǎn)生的影響，在決定形態(tài)的過程中可以使用一系列分析工具來輔助決策。

利用三維線可以對形狀變化較小的綠地區(qū)域進(jìn)行建模，以便更好地控制建模的形態(tài)。這些三維線易于編輯，且在坡度和高程上可以容納更多變化。案例中的綠地區(qū)域地形有很大的起伏變化，而自由操控形態(tài)的工具可以進(jìn)行雕塑一般的粗略建模，因此在建模過程中有很好的表現(xiàn)。

在整個(gè)案例研究的過程中，模型各部分的細(xì)節(jié)度各不相同。在同一模型中存在不同設(shè)計(jì)深度的區(qū)域被證實(shí)是可行的。

還需要注意的是，決定地形模型的三維線是設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)線，表示了道路、廣場和建模區(qū)域。三維線的使用使建模過程變得更加直觀，在形態(tài)表現(xiàn)上要求的形態(tài)抽象程度更低，因而使建模過程更接近于地形建模過程中數(shù)字繪制草圖的過程。

圖8 Quinta de Lamas公園地形建模步驟，基于TIN2.0與三維線(人行道、水道和硬質(zhì)景觀)和自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具(貯水池和軟地形)

6 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)和結(jié)語

本研究基于地形設(shè)計(jì)過程的特點(diǎn)和計(jì)算解決方案引入的可能性，提出了一種基于TIN2.0數(shù)字曲面的數(shù)字地面模型構(gòu)建過程，該過程利用了基于三維線和自由形態(tài)設(shè)計(jì)的一系列三維建模工具，通過實(shí)驗(yàn)和案例分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。

TIN2.0旨在解決數(shù)字地面模型構(gòu)建平臺的主要限制，即三角面的不規(guī)則形態(tài)不允許使用自由形態(tài)設(shè)計(jì)工具。研究已經(jīng)證實(shí)，可以在規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)區(qū)域創(chuàng)建TIN表面，并與嵌入的不規(guī)則曲面呈現(xiàn)地形形態(tài)上的連續(xù)性。規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)區(qū)域可以使用自由形態(tài)操作工具建模，為在數(shù)字地面模型構(gòu)建程序中引入一套完整的操作工具提供了可能。曲面的其余部分保持了三角剖分的不規(guī)則性及現(xiàn)有模型呈現(xiàn)的準(zhǔn)確性。

在本研究提出的建模過程中，設(shè)計(jì)師擁有了更廣泛、更準(zhǔn)確的建模工具集。為此有必要整合出一套數(shù)字地面模型構(gòu)建領(lǐng)域的現(xiàn)有解決方案，從其他數(shù)字建模領(lǐng)域收集工具，并推出適用于數(shù)字地面模型構(gòu)建的工具。通過實(shí)驗(yàn)測試和案例研究，這套基于三維線或自由探索形式的建模工具被證明可以模擬地形建模的各種形態(tài)，無論其形態(tài)是幾何的還是有機(jī)的。這樣，不同的建模方法在同一個(gè)項(xiàng)目中共存，并可滿足建模項(xiàng)目的特定需求。

本研究提出的地形建模項(xiàng)目允許通過三維草圖的方式對形態(tài)予以逐步完善。在同一表面上，不同建模深度的區(qū)域可以共存。

在本研究提出的建模步驟中，期望得到的形態(tài)與建模曲面的形態(tài)通過三維線的聯(lián)系相互關(guān)聯(lián)。由于由等高線建模的曲面存在缺陷，因此與預(yù)期形態(tài)有一定差距。而由本研究提出的方法生成的地形模型的數(shù)字曲面精度更高、抽象度更低，使設(shè)計(jì)者更能了解真實(shí)的地形形態(tài)。

綜上，應(yīng)適時(shí)重新考慮地形建模的教學(xué)方法。基于等高線和高程點(diǎn)的建模過程需要對地形進(jìn)行一定程度的抽象，導(dǎo)致部分抽象思維較弱的學(xué)生無法參與相關(guān)教學(xué)。而向三維模型甚至是實(shí)體模型等三維技術(shù)支持的過渡，能幫助這些學(xué)生表達(dá)他們的想法。盡管存在文中提出的若干限制，但一些地形設(shè)計(jì)程序已經(jīng)可以支持三維數(shù)字地面模型的構(gòu)建過程。越來越多的設(shè)計(jì)師需要在三維空間中工作，因此對相關(guān)地形建模工具的需求愈發(fā)迫切，這一事實(shí)定會(huì)作為催化劑促使相關(guān)公司的研發(fā)投資。高?？梢园l(fā)揮激勵(lì)作用，為學(xué)生提供相關(guān)工具的教學(xué)課程，并為專業(yè)人士提供培訓(xùn)課程，從而為地形建模向風(fēng)景園林信息模型框架和整體化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

注釋：

①分析了以下軟件的解決方案：Autodesk Civil 3D 2019、Bentley Power GEOPAK v8i、SoftTree Civil Engineering、Vectorworks Landmark 2019、Autodesk Maya 2019、Autodesk 3D Studio Max 2019、Blender 2.80、Cinema 4D R19、Rhinoceros 6(插件Rhino Terrain )。