Sketch Up和Lumion在海南共享农庄三维可视化设计中的应用①

黄家健杨奕嘉胡盛红 麦雄俊

(中国热带农业科学院科技信息研究所海南海口571101)

自2004年至今，我国连续发布了17个以“三农”为主题的中央一号文件，突出了“三农”工作在中国社会主义现代化建设时期的重要地位。“共享农庄”是休闲农业发展的一种新模式，2017年，海南省开始推动“共享农庄”试点创建，海南共享农庄建设是海南推进美丽乡村建设的重要抓手，在海南农业融合创新发展中发挥着重要作用。在海南共享农庄项目的建设中，项目规划设计是前期工作的关键环节，能够为项目的后续建设提供“总蓝图”，能为项目建设提供科学指导，同时，也是政府有关部门审批和验收该类项目的主要标准和依据。

随着信息技术的快速发展，三维可视化技术也日趋成熟，且在规划设计中得到了广泛应用，其呈现的设计表达途径和成果日新月异［1］。根据调研情况，当前海南共享农庄在规划设计环节中仍存在规划准确度不够、可视互动性不强、指导项目审批和建设的抓手不足等问题。本研究针对以上问题，尝试将三维可视化技术应用到海南共享农庄项目的设计中，以海南某地一个共享农庄申报项目为例，综合采用Sketch Up、Lumion、CAD等技术与方法，进行海南共享农庄项目的前期三维可视化设计，包括平面设计、三维模型设计、实时仿真设计等内容，以实现从传统手绘草图描绘到计算机辅助绘图，再到三维可视化交互设计的跨越，为海南共享农庄规划设计实现实时性、互动性、便捷性、精准性和可展示性提供理论与技术基础。

1 三维可视化技术发展研究

1.1 三维可视化技术简介

三维可视化技术是运用电子计算机图形学、图像处理、动态可视化等技术，将计算过程和计算结果以可视化图形的形式，在计算机等多媒体平台上显示，并进行交互处理的理论、方法和技术［2-3］。目前，在农业类项目规划设计行业中经常使用的软件分为三类：一是二维平面类，主要有Auto CAD（简称CAD）、天正、湘源等；二是三维建模类，主要有Sketch Up（中文直译草图大师，简称SU）、3D Max等；三是三维仿真和渲染类主要有Lumion（中文直译流明，简称LU）、Vray、BIM等。而其中Sketch Up和Lumion是全球各大规划设计单位和大学科研教育单位中都有广泛应用的两款三维可视化设计软件，其相较于其他软件具有使用简单明了、实时仿真、素材丰富、渲染简单且效果逼真等特点。

Sketch Up软件是由＠Last Software公司推出的，至目前已发布并广泛应用的版本有6.0、7.0、8.0、2013、2014等，目前最新发布的版本是2019版。采用该软件与技术，能够进行三维模型的设计，可以极其快速和方便地实现对项目场景进行三维模型进行创建、观察和修改［4］，对电脑硬件配置要求不高，能满足方便设计师与业主客户之间即时交流的需要。

Lumion软件是2010年11月由荷兰的ACT-3D公司推出的，至目前已发布了十代共20余个版本，目前最新发布的版本是2019年11月发布的Lumion 10.0版。该软件是近年来出现的具有代表性的三维实时仿真设计工具，场景创新快速、高效，可以模拟真实环境，可视化效果逼真，Lumion软件采用电脑的GPU渲染技术，大大降低了CPU的占用率，能够在短时间内创造惊人的建筑可视化效果［5］。采用该软件和技术，比传统的3D Max等建模软件和BIM（建筑信息化模型）等软件，操作更为简单、互动交流更加方便快捷，渲染效果更加高效和精准，且已实现兼容Trimble Sketch Up、Autodesk Revit、Graphisoft ArchiCAD、Autodesk Autocad、Nemetschek Allplan、Nemetschek Vec‐torworks、Rhinoceros、3D Studio Max等 软 件 及格式。

1.2 三维可视化技术发展与应用

三维可视化技术的主流优秀三维技术与软件多数均起源于国外，例如Lumion三维设计软件由荷兰ACT-3D公司发布，AutoCAD、3Dmax等三维设计软件由美国的Autodesk欧特克有限公司发布，Sketch Up等三维设计软件由＠Last Software公司推出后被美国的Google谷歌公司收购。

与国外相比，国内的三维可视化技术应用和相关研究起步较晚，Lumion技术从国外引入国内初期，备受国内追捧且发展迅速，国内一些设计单位已将Lumion三维可视化设计较好地应用于项目的规划设计中，例如梧州市蜂巢多媒体设计有限责任公司，是国内较早、较专业的从事Lumion设计的公司，是国内首次采用纯Lumion制作商业动画的团队，留下了多部经典案例，主要有故宫乾隆公园项目、森林深处项目、梧州石表山景观项目、梧州碧桂园项目、江门广海新城项目、文博一期项目等，受到Lumion官方推荐及国内外好评。

当前，如何将Sketch Up、Lumion等技术应用在各类项目的规划设计环节中，已成为专家学者和规划设计人员共同关注的热点问题之一。吴旺［6］、胡宇祥等［7］将Sketch Up、Lumion应用在农业 水利工程设计中，宋秀英［8］、杜洁等［9］将Sketch Up、Lumion应用在园林景观设计中，蒋吉凯［1］、刘卓贤［10］、罗致华［11］将Sketch Up、Lu‐mion应用在建筑设计中。以上研究从技术与软件的介绍、软件的使用方法、场景的呈现等方面进行了理论分析和应用研究，总之，Sketch Up、Lumion技术和软件在农业中的应用前景十分广阔。

1.3 海南共享农庄三维可视化技术应用情况

三维可视化设计技术在海南共享农庄项目规划设计环节的应用仍处于起步和探索阶段，相关设计案例仍较少。三维可视化方案在海南共享农庄规划设计应用中，显得非常迫切且具有较好的应用前景，在具体的规划设计中，具有独特的优势，主要表现在3个方面：一是在地形地貌处理上，可真实地反映共享农庄中多种地形，可以很好地和周围环境融合；二是在热带地区独特气候条件处理上，可以根据海南共享农庄设计中需要的区位，时令调整太阳的高度以及整体环境的光照强度；三是在农作物产业规划布局上，丰富的植物模型库，可以方便地实时调用，很好地实现设计师与农庄业主之间的沟通互动。

2 海南共享农庄三维可视化设计

2.1 海南共享农庄三维可视化规划设计总思路

本文设计的海南共享农庄三维可视化项目包括前期准备、平面规划设计、三维模型设计、实时仿真设计、成果输出等五部分内容，在前期调研的基础上，先采用CAD技术与软件进行海南共享农庄的平面规划设计，在平面规划设计方案的基础上，采用Sketch Up软件进行工程项目三维建模，在建立的三维模型基础上，采用Lumion技术与软件进行工程场景的实时仿真，根据仿真结果进行成果输出和展示。海南共享农庄三维可视化规划设计总思路如图1所示。

图1海南共享农庄设计总思路

2.2 前期准备和平面规划设计

专业测绘人员对海南共享农庄工程现场场地进行测绘，并形成场地的现场地形和地貌CAD测绘图纸，同时，借助无人机进行倾斜摄影，获取工程场地更多的数字化信息。借助谷歌地图和所在区域的基础统计资料，对工程项目区及周边区域的资源环境进行分析和有效信息提取。

根据该工程项目的资源禀赋、产业特点和发展定位，运用CAD技术与软件进行项目场地整体平面规划设计，绘制出CAD总平面方案，统筹谋划好园区的道路交通体系、产业分区、公共区域等关键环节。本文设计的海南共享农庄，主要谋划了共享果菜种植区、休闲垂钓区、花海科普区、河谷探秘区、公共服务区五大分区，突出了农业共享的特色。海南共享农庄部分区域平面规划示意图如图2所示。

图2海南共享农庄部分区域平面规划示意图

2.3 三维模型设计

首先对设计的海南共享农庄的CAD总平面方案进行优化，清理多余的图层和线段，减少对后期三维模型的干扰。然后，将优化后的CAD文件导入到Sketch Up软件中，选择同等绘制单位，保证模型实际比例为等比例，以确保模型的真实准确。结合Google Earth及无人机倾斜摄影等航拍影像图片，进一步优化项目定位的精准性。运行Sketch Up软件中的线段、圆弧、沙盒、物体推拉、路径跟随等命令及工具，对道路、建筑等主要工程项目进行三维建模，完成场地和主体工程的建模，同时配合使用各种插件工具，提高三维建模效率。

完成三维建模后，对场地主要模型赋予简单材质，一方面，使得模型更加真实，能满足前期规划师与业主单位简单沟通交流的需要，充分体现出Sketch Up软件的使用简单、展示直观、修改方便等特点和优势；另一方面，能为下一阶段Lumion实时仿真提供基础，以提高工作的衔接效率和准确性。海南共享农庄部分区域三维模型设计示意图如图3所示。

图3海南共享农庄部分区域三维模型设计示意图

2.4 实时仿真设计

将采用Sketch Up建立的海南共享农庄的三维模型文件以“.skp”文件格式保存，并导入到Lumion软件中进行实时仿真设计，主要包括地形仿真、场景仿真和产业仿真等部分。

地形仿真可以通过导入地形灰度图，利用Lumion软件中的地形起伏工具进行模拟和生成，也可以利用地形推拉工具对模型地形的细节进行模拟和完善，并赋予表层纹理，进一步提高地形的逼真程度。

场景仿真主要包括环境、建筑、人物和车辆的仿真，对于环境的仿真可以利用Lumion软件自带的环境模拟工具进行仿真，包括不同季节、太阳高度、云层、风向等参数，对水流进行模拟，Lumion软件自带的水流效果十分逼真，对于依水而建的共享农庄等休闲农业项目十分有利，能模拟动态的水流、飞鸟游鱼穿梭的景象；对于建筑的仿真，可以利用Sketch Up三维模型文件的建筑信息，赋予新的材质和纹理，可以对不同材质的RGB值、光泽、凹凸等进行编辑，模型材质所见即所得［12］，也可以利用Lumion软件自带丰富建筑模型库，进行简单的配置；对于人物和车辆的仿真可以利用Lumion软件自带模型素材，根据场景需要和计算机硬件条件，设计师可自主选择2D和3D素材，素材仿真，程度高，同时可设置人物和车辆的运行轨迹。

产业仿真主要包括环境植物和种植类产业作物的仿真，利用Lumion软件自带的植物素材库、以及其他植物素材库以及植物模型生成软件进行特有植物的模拟定制。应用植物贴图在场景中模拟周围环境，减少模型文件大小利用，提高效率；应用精度高的3D模型，模拟重点展示区域的花卉、热带水果、热带作物种植，显著提升展示的效果。

2.5 成果输出

Lumion软件主要可以输出的成果有静帧图片和视频动画两类。可根据海南共享农庄项目展示的需求，对全景鸟瞰、局部透视、人视漫游等镜头场景进行设置，并赋予季节交替、时间光照变化、远景近景虚化、转场镜头等特效，丰富镜头语言和展示内容。海南共享部分区域实时仿真设计示意图如图4所示。

图4海南共享农庄部分区域实时仿真设计示意图

Lumion技术与软件在海南共享农庄实时仿真设计中的应用经验：相较于其他三维可视化设计软件，Lumion最突出的优点在于镜头调整简单和渲染输出高效，Lumion软件中用键盘的“WSAD”按键控制前后左右移动，用鼠标滚轮和右键控制镜头视角的转动，与众多热门的第一人称3D射击类、体验类游戏类似，操作简单易上手；Lumion软件中生成静帧图片和视频动画堪称“傻瓜式”一键生成，其实时渲染的效果，能让设计师在设计环节就能很好体现设计语言，不需要太多复杂的后期制作工序，静态和动态效果就可以达到“照片级别”和“影视级别”［13］。此外，Lumion软件在渲染图片和视频动画非常快速和高效，相较于3D Max、Vray等其他软件视频渲染动辄需要数小时以上，Lumion软件只需要短短几分钟就可以完成，效率已然得到了质的提升，输出成果品质较高，基本无需后期修饰，就可以达到成果展示的商用级别，极大提升了三维可视化设计的质量和效率。

3 结语

随着以Sketch Up和Lumion为代表的三维可视化技术的不断发展和更新完善，与其他传统规划设计手段相比，Sketch Up和Lumion展现出了更友好的操作便捷性、更精准的实时性、更强大的互动性、更生动的可展示性，其在海南共享农庄规划设计的应用中更具优势，可以有针对性地模拟项目场地环境、热区典型自然条件，可以随时调用丰富的自带模型库、特色建筑和热带经济作物等素材，以及简单高效的图片和视频动画渲染输出。进一步增强了海南共享农庄规划设计师与农庄业主之间的沟通互动，提升了规划的准确度，为指导项目审批和建设提供了新的方式和抓手，是以共享农庄为代表的海南休闲农业项目规划设计新的探索和重要的技术升级，对促进共享农庄产业发展、助推乡村振兴具有积极的意义。