园林植物三维数字模型的构建与应用探索

王婉颖 冯潇

2018年第19届国际数字景观大会（DLA）将“景观设计中虚拟现实（VR）和沉浸式展示”作为会议主题之一。纵观历年来的核心讨论内容，针对景观环境可视化的研究始终占比最大[1]。数字景观技术不仅会成为未来风景园林学科发展的重要工具，也是未来行业的发展方向。

大多数景观都被植被覆盖，植物是风景园林关键组成要素[2]。因此，植物的三维数字化模型无疑是风景园林可视化的先决条件[3]833，也是景观模拟系统的重要组成部分[4]6。虽然植物的三维数字化模型在影视及游戏领域的应用已趋于成熟，但在风景园林设计领域的应用尚在起步阶段。

1 园林植物三维数字模型构建与应用的必要性

1.1 辅助风景园林植物形态认知

在风景园林专业课程设置中，园林植物类课程占有重要地位。国际风景园林（Landscape Architecture）教育植物学基础（Introduction of Plants）的课程体系要求掌握和识别植物的种类及其形态特征[5]71。但是在现有的园林植物课程教学中，教师常使用植物学的专业术语和静态图像来讲解树木形态，学生很难充分观察和深度感知植物特征；另一方面，户外植物认知也存在植物种类受限、季相变化难以呈现，学生认知时间不足等问题[6]。

构建园林植物三维数字模型能够充分展示植物材料及其特性，如植物的尺度、形态、色彩、质地和季相变化等。不仅可以在课堂上帮助师生以一个全新的视角来研究植物，同时也在一定程度上弥补了户外植物认知上的不足，用以辅助风景园林专业园林植物类课程教学、科普与植物形态展示。

1.2 辅助植物景观设计，提升风景园林设计成果表现力

植物景观设计是风景园林设计中的重要组成部分，但是由于许多设计师对于植物特征把握不准，同时又缺少足够的植物模型素材，从而产生了大量不恰当或不理想的设计。如果设计师能够参照较为准确的园林植物三维数字模型，辅助植物景观设计，就能准确地预测设计效果；另一方面，园林植物对于风景园林设计成果表现具有重大影响，缺少精准的植物环境模拟会影响设计师、业主与受众之间的有效沟通[3]824。

随着时代的发展，风景园林可视化势在必行，三维植物模型无疑是影响风景园林可视化沉浸感和逼真度的重要因素[7]。构建三维植物模型库可使风景园林设计表现更具体、形象、生动；在模型中模拟植物自然生长及季相变化，也能够进一步打破图像与现实之间的界限，增强风景园林设计成果表现的真实性和创造性[8]。

1.3 组建风景园林信息模型（LIM）植物信息库

风景园林信息模型（Landscape Information Modeling，简称 LIM）最早于 2009 年在德国的国际数字景观大会上被提出，其弥补了建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）在风景园林设计、建造和管理方面的不足，在风景园林领域已经引起广泛的关注和研究[9]。 基于风景园林的特性，LIM将地形、水体、植物模型作为核心构成要素，因此园林植物数字模型无疑是 LIM 中不可或缺的重要部分。当下，建筑、市政、交通、水文等领域的三维数字模型库和操作平台已经比较成熟，而园林植物领域发展最为滞后。

表1 5种工具软件在园林植物三维数字模型构建方面的综合对比Tab.1 Comprehensive comparison of five tool softwares in building 3D digital models of landscape plants

目前市面已存在LANDWorksCAD植物模型图库①和Lumion植物模型库②，在表现效果上，Lumion植物模型真实性较强，LANDWorksCAD植物模型真实性较弱。在植物素材上，二者均无法对厂家提供的植物模型进行二次编辑及置入生长数据，植物品种也大多为不适于中国生长环境的异国植物。此外，Lumion植物模型不能集成任何有效的植物信息，LANDWorksCAD也仅能在软件自身平台中集成植物信息，二者均无法与LIM平台实现交互。由此可见，当下没有能够满足风景园林师对于园林植物实际应用需求的三维数字模型，因此，急需探索一种园林植物三维数字模型构建和应用的方式。

2 园林植物三维数字模型构建途径（工具）

植物由枝、干、叶、花、果等大量的单体组成，每个物种都独具特征，其复杂的结构及形态增加了建模难度。目前可以构建三维植物模型的软件主要有5种（表1）。

基于风景园林从业人员对园林植物数字模型的需求，综合考虑设备情况、操作难度，本文作者尝试以 PlantFactory为工具，探索构建园林植物三维数字模型。

3 利用PlantFactory构建三维植物模型

3.1 PlantFactory的建模原理

PlantFactory软件的分支算法技术，能够根据植物生长规律来建构植物拓扑结构，最终得到植物三维数字模型。该技术有一个明显的优势，即操作过程中不需要使用者具有专业的计算机技术背景或深厚的植物学知识，仅需要对植物进行分层处理及简单的参数调整，便可生成模拟植物真实形状和复杂性的三维数字模型。

建模过程主要包括3个部分：确定植物形态、重构植物拓扑结构（枝干）、构建植物器官（叶序、花序/果实）。其中值得注意的是，枝干是三维植物模型的重要组成部分，同时也是植物三维模型整体拓扑结构形态的关键因素，因此在模型构建的过程中，需要着重考虑其枝干层的构建（图1）。

表2 15种典型树形园林植物Tab.2 15 typical tree-shaped garden plants

1 树状结构分形规则[4]9Tree-like stracture as result of fractal rule [4]9

2 园林树木基本树形[10]Basic shapes of garden trees [10]

3 栾树图像Image of Koelreuteria Paniculata

3.2 树形分类

从植物形态学的角度出发，树形一般是指在正常的生长环境下，其成年树的外貌。通常各种园林植物的树形可分为25个类型（图2）。

对于应用于虚拟环境中的植物模型来说，在树形上高度契合真实植物便已能满足其基本应用需求。但在某些特定情况下，也须适当考虑其分枝形式、叶序及花序（果实）的形态结构以满足更高精细度的要求。

依据上述基本树形分类，选取其中15种典型植物进行三维植物建模探索（表2），以期构建一个小型园林植物三维数字模型库。

3.3 构建案例

栾树素有“一年能占十月春”之美誉，其春季枝繁叶茂、夏季黄花满树、秋季满枝蒴果，是非常典型的园林树种。因此选取栾树作为目标树种，展示利用PlantFactory构建三维植物模型的详细过程，构建方式同样适用于相同树形结构下其他任意植物模型的构建。建模过程主要分为3部分：1）确认植物信息； 2）重构植物拓扑结构； 3）构建植物器官（叶序、花序）模型。

3.3.1 确认植物信息

以中国植物志（FRPS）记载的栾树形态特征为参照（表3），并通过在北京植物园进行实地观察测量获取栾树形态数据（图3），以此作为栾树三维植物模型构建基础。

3.3.2 重构拓扑结构

植物生长结构是整体性、动态相关性的，利用PlantFactory构建植物拓扑结构生长模型同样遵循这一属性，即以电池组④的形式连接构建指令，使其与对应的模型效果相互关联、相互影响。

将栾树分为主干层、主分枝层、次分枝层/叶序（花序）着生枝层3个层级构建拓扑结构模型：

1）主干层。以单一主干、树高15 m为基本特征构建主干层。设置主干高度时须将顶部分枝长度考虑在内以避免整体树高与实际不符；设置胸径参数时须符合自下而上宽度递减的真实状态。为了使主干更具逼真感，可以通过Axis轴向控制器调整主干弯曲度、Section模型改变控制器制作主干纵裂及皮孔凹槽以及ROOT FLARES选项增强主干基部分裂与膨大。

2）主分枝层。以假二叉分枝及真实测量数据为参照构建分枝层，设置主枝分布方式，数量、夹角、下垂参数与分枝点高度，调整分枝旋转角度与间距参数，以符合其基本形态。为了使主枝更具逼真感，可以通过设定Tropism分枝下垂样条曲线调整主枝受力情况，和BlENDING基部延伸度选项使主枝平滑相接于主干。

4 叶片三维模型构建过程3D modeling of plant leaves

5 聚伞花序三维模型构建过程3D modeling process of Cyme Inflorescence

6 栾树三维模型构建过程3D model building process of Koelreuteria Paniculata

7 栾树三维模型展示3D model display of Koelreuteria Paniculata

3）次分枝层/叶序（花序）着生枝层。构建原理和连接方式与主分枝层相同。各项参数的设定不仅须符合植物的真实信息，也需要灵活机动地在实际范围内进行调整，使模型符合栾树真实结构形态。

3.3.3 构建植物器官模型

1）叶序。首先须单独制作叶序贴图，主要分为以下3个步骤：①获取叶序图像资料。②将图像中的叶序部分保存为PNG格式，作为栾树叶序纹理贴图。③将纹理贴图生成法线图，作为栾树叶序法线贴图。再通过模型文件中的Material指令，导入纹理贴图和法线贴图，构建栾树叶片模型（图4）。

2）花序。首先须单独构建聚伞花序拓扑结构，构建原理与连接方式同枝干层，再通过Urchin指令构建花朵模型（图5），最后转为组件导入栾树模型文件中与分枝相连。

以上各项参数均按照植物真实信息设定（以栾树实地观测数据为参照标准），最终完成栾树三维植物模型构建（图6）。

在电池组的连接模式下，用户可以通过更改构建指令的参数，影响其自身层级或子层级的模型形态。以植物分枝为例，每一层级的分枝均从上一层级分枝（其母枝）的底层开始生长，分枝的生成方向、大小长度和伸展角度随着参数的调整而变化，当母枝参数改变时，后继分枝继承母枝参数同样发生形态变化。

3.4 成果展示

通过上述构建过程，创建出栾树三维数字模型（图7）。该模型从整体树形、枝干、叶序和花序等方面均能够较好地反映栾树的植物形态特征，验证了本构建方法的有效性。其中，模型文件量为7.4 MB，可输出Alembic、FBX、3DS、OBJ、C4D、LWO等格式置入大多3D应用程序。

同时，运用同样建模方法对其他14种典型园林植物进行构建探索，目前已组建一个小型园林植物三维数字模型库（图8）。

4 实际应用

4.1 辅助园林植物形态认知

PlantFactory植物模型导出FBX格式的文件可与Lumion平台实现交互。将栾树三维数字模型经Lumion渲染生成全景图像后，再通过全景制作软件（本文选用杰图软件⑤）制作植物全景漫游图像并生成二维码，最终可在手机、平板电脑等非专业操作平台通过扫码呈现植物三维形态（图9）。

8 三维植物模型库展示Display of 3D plant model library

9 栾树全景漫游图像截图及二维码（请用手机扫码观看）Panoramic roaming image screenshot and QR code of Koelreuteria Paniculata Laxm.（scan the code to watch）

10 PlantFactory植物模型应用效果展示Application effect of PlantFactory plant model

在园林植物课程教学中，将3D植物模型与课堂教学先后衔接，反复巩固和拓展，可以达到认知植物要素的训练目的；植物的三维场景感知也能够转换为学生对植物形态、要素构成的理解，弥补户外植物认知实习的不足，达到植物课程“感知—建构—营造”教学序列的目标[5]73。同时，通过扫码认知并了解植物，是一条有异于植物传统科普的数字化和网络化科普途径，对大众植物科普也起到了促进作用[12]。

4.2 辅助植物景观设计，提升风景园林设计成果表现力

以某处小尺度园林为例，通过在Lumion渲染平台中置入植物三维数字模型（包括21株栾树，12株鹅掌楸，6株冷杉以及9丛砂地柏），以实验其在植物造景中的作用（图10）。

实践中发现，在设计模型中植入准确的园林植物三维数字模型，不仅有助于植物景观设计过程中的反复推敲，也可根据设计师需求自主建模，弥补现有植物模型种类欠缺的不足，能够实现品种正确的植物景观设计；同时园林植物数字模型的表现效果具有真实感，可以极大地还原设计意图，帮助非专业人士了解植物景观未来的效果，为业主对设计方案的最终判断提供参考。

4.3 组建LIM植物信息库

在目前的风景园林实践中，LIM的体系化应用尚未充分展开，从行业实际需求出发，探索能够有效应用于设计实践的LIM操作平台无疑是推动风景园林行业发展的关键因素[13]。

笔者基于BIM四大软件平台中的Autodesk Revit和Bentley Microstation平台，探索园林植物三维数字模型信息集成的实践应用。其中Bentley平台下的MicroStation软件可直接与PlantFactory导出的OBJ格式文件实现模型信息交互（图11），后期再通过Bentley LumenRT软件添加材质进行渲染；Autodesk平台下的Revit软件须先通过3ds Max将PlantFactory导出的FBX格式的文件转换为DWG格式，再进行置入实现交互（图12），后期通过Revit自带材质库或3d Max材质库进行渲染。

通过对BIM平台中的植物模型添加名称、习性、土球标准、苗源、价格等信息，有望组建LIM植物模型库，使风景园林设计、规划、施工和管理之间的信息交换成为可能[14]，也为相关风景园林三维模型交互和LIM的深入研究提供参考价值。

5 总结与展望

近年来，随着计算机技术的蓬勃发展，将3D可视化技术应用于风景园林教学、规划设计、施工和后期管护中成为必然的趋势。在当下的可视化技术应用中，园林植物三维数字模型的匮乏成为风景园林行业数字化发展的瓶颈。

11 通过Bentley MicroStation添加植物信息Adding plant information through Bentley MicroStation

12 通过Autodesk Revit添加植物信息Adding plant information through Autodesk Revit

实践证明，利用PlantFactory软件构建植物三维数字模型，适用于风景园林师与普通大众；同时，该方法对于电脑配置要求不高，能够输出多种文件格式，兼容性较好。通过这种方式建立的园林植物三维数字模型，能够较好地满足植物认知、辅助设计、设计表现以及LIM的应用要求。在实操过程中，可以得到以下的经验：

1）模型文件量会随着对植物细节表现的深入而增大，因此在建模过程中需要根据不同的应用场景及视觉重点选择合适的建模精度，以避免文件量过大造成运行卡顿等现象。

2）PlantFactory软件通过大量的参数来控制植物的形态，因此需要实际测量植物的各项参数以确保植物模型的准确性。

3）植物器官模型仅展现了大致形态，其细节（如果实上的绒毛、花瓣褶皱等）难以通过纹理贴图的方式实现；同时在PlantFactory中置入植物生长参数，呈现其成长过程、季相变化的操作也具有一定难度，这两点无疑是最大的遗憾。

未来，风景园林师利用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等技术，对于园林植物三维数字模型进行各方面的应用一定会具有非常广阔的前景。当然，园林植物三维数字模型的构建方式还存在很多可能，本研究的方法只是其中一种，希望能有更多的人员和机构能够探索构建更好的、可以进行大规模推广的园林植物三维数字模型库。

致谢(Acknowledgements) :

深圳大地创想建筑景观规划设计有限公司为该项目提供技术支持，北京林业大学园林学院在读研究生：蔡春雨、范晓玥、廖菁菁、李若兰、聂蕾、魏巍、王婉颖、向思宇等人参与建模工作，北京林业大学植物学专业学生胡玲参与植物形态学指导工作，在此对他们的付出表示感谢。

注释(Notes)：

① LANDWorksCAD植物模型图库是CAD International旗下软件LANDWorksCAD自带的植物素材库，用于快速展示概念方案、种植方案等，具有自己独特的图示风格。

② Lumion植物模型库是3D渲染软件Lumion自带的植物素材库，用于营造真实的环境，增强视觉效果。

③ VFX是Visual Effect（视觉效果）的英文缩写，简称“视效”。

④ 电池组即PlantFactory指令之间的连接方式。

⑤ 杰图软件是提供全景图拼接，虚拟漫游和环物效果制作的VR软件。

图表来源(Sources of Figures and Tables):

图1引自参考文献[2]；图2引自参考文献[10]；图3由作者实地拍摄；图4～7，9～12由作者绘制；图8由工作室合作完成。表1、2由作者绘制；表3根据参考文献[12]整理。