虚拟现实技术在园林植物群落设计中的应用

胡海辉 于雷 马珂馨 赵广宇

摘要：随着计算机技术的飞速发展，虚拟技术得到越来越多的重视，虚拟现实技术成为当下最热门的技术之一。在论述植物景观虚拟设计重要性的基础上，分别介绍了虚拟现实技术和三维可视化技术，并结合东北农业大学校园绿化植物群落设计实例进行虚拟现实技术理论与实践研究的有机融合，以期为今后该校园林植物景观设计课程教学质量的进一步提升提供基本方法和思路。

关键词：虚拟现实技术;植物可视化建模;植物群落可视化设计;植物景观设计教学改革

中图分类号：TU986.2         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）16-0080-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.018           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： With the rapid development of computer technology， virtual technology has been paid more and more attention， and virtual reality technology has become one of the most popular technologies. On the basis of discussing the importance of virtual design of plant landscape， the virtual reality technology and three-dimensional visualization technology were introduced respectively， and combined with the design example of campus greening plant community in Northeast Agricultural University， the organic fusion of virtual reality technology theory and practice research was carried on， in order to provide the basic method and train of thought for the further improvement of the teaching quality of garden plant landscape design course in our university in the future.

Key words： virtual reality technology; plant visualization modeling; plant community visualization design; teaching reform of plant landscape design

数字时代的到来，使得风景园林设计、景观建筑设计和城市规划设计等相关行业和领域都发生了翻天覆地的变化。如今，计算机辅助设计技术己经深入到了整个园林景观设计过程中。无论是AutoCAD、Sketchup、Photoshop、3dsMAX、Lumion或是其他辅助绘图软件，在方案设计、效果图设计、植物种植设计中都给设计师带来了便捷性，让设计师能够更加准确、直观地表达自己的设计意图及设计观点，并且利用辅助制图软件的各种功能反复调整自己的设计方案使之趋于完美。随着技术发展，一大波尖端科技竞相涌现。2016年国际消费电子展（CES）于拉斯维加斯拉开序幕，CES汇集了当前世界上最优秀的传统消费类电子IT核心企业，其中虚拟现实技术、无人驾驶技术、人工智能技术、体感技术都是这次展会上的热门[1]，不过相比而言，虚拟现实技术受到更多的关注。

目前，在国内关于计算机技术辅助植物景观设计的研究与教学实践相对较少，这并不符合植物景观在整个景观中的价值和地位。植物生长受到外界环境中多种因素的影响，因此设计师在前期设计过程中很难协调植物景观与方案设计本身的关系，更无法预测植物几年后的生长状态，从而导致多年后植物群落整体不协调，景观效果达不到预期。据调查，国内多处城市公园绿地、附属绿地中乔木的种植密度过大，导致多年后由于树冠之间的交织影响植物的生长而不得不被砍伐，既造成了经济上的损失，又降低了植物景观的观赏价值。因此，在数字化时代的今天，如何利用现有的资源，将虚拟现实技术与园林植物景观设计教学或科研相融合，为设计过程提供更直观、更便捷的方法，为风景园林学生培养及行业人员与其他行业人员的沟通搭建桥梁，值得风景园林行业教育工作者和研究者探讨。

国外关于虚拟现实技术与植物方面的研究多数是基于L-系统或其他模型算法的植物生长模拟或程序化建模方法研究和实践。如Kim[2]提出了一种基于虚拟现实和实时渲染优化方法的建模方法，可以有效地生成多种多样的数字虚拟植物，用于创建沉浸式虚拟景观。該方法简化了从植物模型到三维分支几何模型生成的过程。在此基础上，提出了程序分支图（PBG）算法，同时有效地生成了具有相似分支模式的不同植物。类似的相关技术和算法的研究还有很多，但对于植物景观设计方法与虚拟现实技术结合的应用研究相对较少。虽然，国内外关于虚拟现实技术的实践应用研究都已具备一定的成果，但国外将虚拟现实技术应用于园林景观的开发略早于国内，并且拓展了比国内更广的研究领域及业务范围，包括城市改造、公园设计、建筑设计等具有分析和设计功能的虚拟现实系统。而国内的实践研究多数是由各重点大学开发研究的基于分析和虚拟漫游功能的虚拟现实系统，对基于园林植物景观设计尤其在园林植物群落种植设计方面的开发非常少。随着城市企业的创建与发展，可以看出国内对于虚拟现实技术应用于园林植物景观设计领域虽然处于起步阶段，但已经取得了初步研究成果。

1  虚拟现实与三维可视化技术

1.1  虚拟现实技术

VR（Virtual reality，即虚拟现实，简称VR）是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是：综合利用计算机图形系统、多媒体技术、传感器技术、三维仿真技术以及各种显示和控制等接口设备，通过计算机生成的可交互的三维环境，提供身临其境的沉浸感觉的技术[3]。虚拟现实的核心要义就是对计算机数据进行可视化处理，以便实现人类主体在虚拟环境中与虚拟数字化对象的信息互动[4]。

虚拟现实技术具有狭义和广义上的两种性质。狭义上，虚拟现实技术是一种能够让人感觉置身于真实环境中，通过虚拟现实硬件设备与虚拟环境中接近真实的景象发生互动，因而产生一种身临其境的感受。广义上讲，虚拟现实技术就是利用各种图形软件和一些其他的仿真技术来模拟真实的场景和情景，包括视觉、听觉、触觉以及在真实世界中可能发生的事情[5]。

1.2  三维可视化技术

三维可视化技术就是将复杂的数据转化为图形的技术。发展至今，它已经为科研、教育、信息、地理、医学等领域带来了彻底的改变[6]。三维可视化技术也有狭义和广义上的区分。狭义上的三维可视化技术的分类大体有4种：几何造型、视频影像制作、几何视频影像制作、图像覆盖。本研究的园林植物模型库的构建就是利用几何造型可视化技术来实现的。广义上的三维可视化技术应用分类包括表达可视化、分析可视化、过程可视化、设计可视化和决策可视化。本研究的虚拟系统构建思路就是趋向于这种设计过程可视化，利用数据资料的先进处理技术来实现园林植物景观在虚拟环境中的设计过程和方法。

实物虚化是实现虚拟现实的基础。利用虚拟现实技术营造的虚拟环境，是需要基于真实的地理数据信息，并结合计算机图形技术创建的数字三维模型[7]。三维可视化技术作为数据的分析、处理的高级手段，是实现虚拟现实中各方面内容的基础方式，也是虚拟现实技术的核心所在。可视化技术的发展产生了虚拟现实技术，后者是前者的高级阶段[8]。虚拟现实技术的诞生也为三维可视化的发展指明了方向[9]。可视化实现并打破了人的视觉欣赏与二维数据之间的界限，使人与数据之间的联系更加紧密，并且使人与人之间的图像通信变为可能。因此，虚拟现实技术在园林植物景观设计教学改革研究中具有重要意义和实践价值。

2  植物群落设计虚拟化实践研究

2.1  植物可视化建模

本研究对哈尔滨地区常用的景观树种进行模拟，实现园林植物的可视化，力求在今后的研究过程中构建寒地城市常用园林植物的素材库，以便进行后续的植物景观设计的虚拟现实方法探究。所使用的植物素材来源于对哈尔滨市公园绿地、附属绿地中植物照片的采集，具体操作流程如下所述。

首先，在SpeedTree中搭建植物单体树木模型，首先添加树木主干，然后添加主枝和小枝，最后为树木添加叶片，其流程如图1所示。研究中，根据采集的植物照片和查阅的植物相关资料，利用SpeedTree软件构建了60种哈尔滨地区常见的园林植物模型。

2.2  植物群落可视化

选取东北农业大学研究生楼南侧入口的建筑附属绿地作为研究对象，采用虚拟现实的方法对场地上的植物群落进行景观改造。从现状照片和平面图来看，研究生楼南侧入口两侧建筑附属绿地中的植物景观有待改善：连翘与毛樱桃之间缺少关联，没有形成统一感和韵律感;3株连翘被夹在红皮云杉和研究生楼之间，其光照质量、生长空间和景观效果均受到不同程度的影响;建筑前的红皮云杉植株与窗户的距离过近，几年后植株长大其体量会不同程度地影响建筑一层室内的采光，而且红皮云杉的夏天遮阳效果也较差，冬季还挡光;整形绿篱是钥匙图案，但位于研究生楼主入口，其种植形式及平面布局均与入口环境不太协调，具体效果如图2、图3所示。

实践中，采用虚拟现实技术与方法，对东北农业大学研究生楼南侧入口的建筑附属绿地上的植物群落进行了改造设计，结果如图4所示。由图4可知，在研究生楼入口处，将贴近窗户的云杉植株栽植位置进行了距离调整，使其与窗户保持5 m以上的距离或将云杉植株进行移植，同时将钥匙构图的绿篱部分进行移植处理，然后采用毛樱桃、连翘等花灌木拟对称的种植形式，以体现研究生楼建筑入口植物群落春花灿漫、夏荫浓郁、秋色绚丽、冬景苍翠的四季景观效果。通过反复调整植物种植方法，使植物群落不断优化完善，进而发挥出具体的生态和景观效果。

3  小结

VR技术是一种借助计算机及最新传感器技术创造的一种新型的人机交互手段，以其独特的沉浸式的体验感和可视化的操作过程等特点深得开发者和研究者的青睐，具有良好的发展前景和研究价值。而植物景观设计作为园林景观规划设计中最主要的内容之一，传统的设计方法和流程还存在一些问题。首先，植物景观需要结合不同植物的生态、景观、功能等多方面要素进行设计，使得植物景观在设计过程中很难协调各方面要素之间的关系。其次，植物具有多样的生长变化特性，缺少相关工具的帮助，植物群落很难达到在时间维度和空间维度上的现实性和合理性。同时，植物景观趋于模式化的设计流程限制了设计师在设计过程中的想象，而且方案的调整往往涉及平面图、立面图和效果图的修改，耗费了设计师大量的时间和精力。本研究将虚拟现实技术应用于植物群落的景观改造中，尝试完成平面图、立面图、效果图的一体化，省去了传统设计方法中部分修改的设计流程，可为设计过程提供更高的灵活性。将植物景观设计基本内容和方法融入到虚拟现实软件中，相关专业学生可以通过对可视化植物的交互操作了解植物的观赏特性和生长习性。同时虚拟现实系统具有沉浸感的虚拟环境也更能吸引学生参与到植物群落的设计中，为风景园林高等教育提供了新的方式。

参考文献：

[1] 陈  冰.CES2016大盘点[J].新民周刊，2016（3）：100-101.

[2] KIM J. Modeling and optimization of a tree based on virtual reality for immersive virtual landscape generation[J].Symmetry，2016，8（9）：93.

[3] 宋  蔚.基于虛拟现实的虚拟实验研究[D].重庆：重庆大学，2005.

[4] 徐英瑾.虚拟现实：比人工智能更深层次的纠结[J].人民论坛，2016（24）：8-26.

[5] 胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

[6] 李  梅，朱红旗，李先华.可视化与地理信息系统[J].东北测绘，2001，24（4）：13-20.

[7] 张  暖，金  刚，李  丹.基于虚拟现实技术实现房地产开发三维可视化的研究和实践[A].第十三届华东六省一市测绘学会学术交流会论文集[C].南京：江苏省科学技术协会学会学术部，2001.

[8] 石冰辉.基于虚拟现实的景观仿真应用研究[D].西安：长安大学，2011.

[9] 白鹤原.基于OSG的城市三维可视化系统研究[D].河南焦作：河南理工大学，2010.