栗功 王澤燁
摘 要： 為了解決傳統虛擬規劃設計存在數據收集不準確、虛擬畫面不真實，無法滿足景觀精準規劃標準的問題，在大數據分析下，提出基於三維景觀可視化虛擬系統設計。融入建築外觀和道路設計，同時對場景進行動態瀏覽，並製作真實渲染圖以及三維虛擬動畫，對場景進行多方位、多角度展示。根據系統結構圖，運用虛擬技術突出仿真效果；採用規則網格法完成地形設計，利用局部插值算法對地形表面數字化採樣點或等高線數據進行收集，進而對植被進行構造，並轉換為規則的網格數據，由此完成三維景觀虛擬規劃。實驗結果表明，該系統具有數據收集準確、虛擬畫面真實等特點，能快速完成景觀虛擬規劃。
關鍵詞： 大數據； 三維景觀； 虛擬設計； 規則網格法； 局部插值； 渲染圖
中圖分類號： TN911.73?34； TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0046?04
Study on 3D landscape virtual design system by means of big data analysis
LI Gong， WANG Zeye
（Yanshan University， Qinhuangdao 066000， China）
Abstract： Since the traditional design about virtual planning has the problems of inaccurate data collection and unreal virtual image， and can′t satisfy the precise planning standard of the landscape， a visualization virtual system based on 3D landscape is put forward by means of big data analysis， which can integrate the architectural appearance and road design， browse the scene dynamically， fabricate the real rendering pictures and three?dimensional virtual animation and perform multi?faceted and multi?angle display of the scene. In the system， the virtual technology is used to highlight the simulation effect according to the system structure， the regular grid method is adopted to accomplish the terrain design， the local interpolation algorithm is used to acquire the digital sampling points and contours line data of the terrain surface to construct the vegetation， and then convert it into the regular grid data， so as to accomplish the three?dimensional landscape virtual planning. The experimental results show that the system has the characteristics of accurate data collection and real virtual picture， and can accomplish the landscape virtual planning quickly.
Keywords： big data； 3D landscape； virtual design； regular grid method； local interpolation； rendering picture0 引 言
景觀設計需要運用風景景觀設計理念，將科學、技術與藝術融入到理念當中，該部分的設計不僅要求視覺上的享受，還需與周圍環境進行相互協調，其中包括建築、廣場、道路周圍環境的綠化，既需要景觀與生活文化相互融合，又需將生態植被的可持續發展考慮其中。為此，合理利用與保護資源是景觀虛擬規劃的前提。由於景觀設計不論規模大小，在預期設計中都需達到景隨步移的效果，因此，如何將作品設計得更加真實生動是設計關鍵所在[1]。
採用傳統虛擬設計方法存在數據收集不準確、虛擬畫面不真實等問題，人們已不再滿足對虛擬環境的瀏覽，為此，提出基於三維景觀可視化虛擬系統設計。在大數據分析下，藉助計算機輔助設計，對地形、規劃、種植等景觀內容展開分析，並具有針對性地開發不同模塊的功能，完成系統硬體部分設計；採用規則網格法設計地形，並對設計原理進行分析。實驗結果表明，該系統可彌補傳統景觀設計只能使用平面圖進行虛擬規劃的缺陷，並通過三維虛擬技術分析數據，生動再現景觀的三維立體動畫，大大提高了系統真實性。1 系統架構
在大數據環境下，對三維景觀進行虛擬設計需利用網絡進行輔助，由於網絡技術發達、功能全面，可提高設計速度。在景觀設計中，其主要內容有：地形規劃、植被種植，將建築外觀與周圍環境綠化考慮在內，設計場景動態瀏覽畫面，並製作真實渲染圖和三維虛擬動畫，對場景進行多方位、多角度展示[2]。該系統分為建模編輯、規劃設計、噴灌設計、數據分析與統計、種植設計、渲染動畫製作等幾大模塊，系統架構如圖1所示。
三維景觀設計系統在開發與設計過程中，需與專業景觀設計進行多次接觸，充分了解當前景觀輔助設計系統各方面功能需求，具有針對性地開發不同模塊的功能。由圖1可知該系統硬體由三部分組成，分別是文件讀寫、資源庫，模型場景設計，數據統計。專業化種植設計、施工圖設計面向國內應用範圍，為了使二維畫面與三維畫面之間的關係更加密切，將地理信息加入到景觀設計之中，使虛擬技術更好地表現出來，達到預期的仿真效果。
在該系統硬體設計過程中，並非所有情況都適用於大規模精細網格，粗糙網格在某些場景中同樣適用[3]。輪廓線需要進行特殊處理，為此，提出輪廓光滑算法[4]：
1） 對輪廓線與相關三角形進行計算；
2） 將計算後的輪廓線投影到二維平面上，並由此獲取二維線段；
3） 用光滑曲線替代二維線段；
4） 將光滑曲線投影到平面上，並由此獲取相應的輪廓線；
5） 在三維平面上對曲線進行採樣，獲取計算後的坐標點；
6） 採用三角處理方式改變網格形態，映射紋理，繪製模型。
該算法只需提取輪廓邊對粗糙網格進行計算，節省了大量時間。2 軟體設計2.1 三維地形設計
三維景觀設計虛擬系統採用規則網格法完成地形設計，並採用局部插值算法將有關地形全部數據進行處理，利用三角形對點方法進行地形構造，進而轉換為規則的網格數據[5]。利用局部插值算法將地形轉化為數字化形式，並對採樣點進行規劃。針對三維地形的模擬精準度主要取決於目標地形的採樣精度與數據信息，將獲取的信息轉換為三維數字模型。為了減小數據採樣所帶來的誤差影響模擬效果，採用人工干預的方法進行誤差控制，可達到預期效果[6]。利用模型進行三維地形設計，不僅可對場地進行模擬，還可完成場地分析、平整與改造，如圖2所示。
由圖2所示的設計流程對設計原理進行分析：
1） 以方格平面為基礎，計算景觀設計的坡度與坡向。
2） 坡向為垂足線在水平面上的投影與正北方向之間的夾角。
3） 坡度是水平面與三維平面的夾角。如圖3所示。
4） 坡度計算。對兩點之間的坡度進行計算如下：
[L%=地表兩點間最高點與最低點等高線差地表兩點之間水平距離×100%] （1）2.2 三維景觀虛擬種植設計2.2.1 景觀設計方式
按照常規方式自動完成種植，並通過不同方式進行組合，進而形成相應的景觀效果[7]。設計與數據相關聯的圖形，不但提高系統繪圖功能，還具有良好的輔助功能。作為景觀設計基礎，還需調用資料庫中不同地區的子表格，選擇種植種類，並選擇景觀的平面表達方式，由此完成三維景觀植物設計。2.2.2 動態瀏覽與渲染
完成景觀虛擬設計後，給實體賦予較高的材質屬性，對光源與視點進行設置，並隨時對動態畫面進行瀏覽，形成三維效果，利用渲染效果圖實現虛擬效果，製作三維效果圖的難點在於使用大體積模型進行實時動態三維瀏覽[8]。基於硬體加速接口語言，通過對複雜三維實體快速三角化處理，能夠快速對特定三維網格數據進行光滑處理。為了減少數據節的重複記錄，利用三角扇方式減少物體的表現節點，同時，利用光滑處理方式對三維數據進行處理，促使景觀設計中的三維植物種類多樣，形態各異。根據設計類型進行貼圖坐標計算，將紋理材質通過實體顯示出來。
將顯示出來的材質作為參數資料庫，並賦予虛擬世界坐標值，構成虛擬運動軌跡，並將生成的虛擬建築進行成像處理，對真實環境進行動態剪輯獲得動態圖像渲染序列，並進行分割，形成掩模，進而將景觀動態圖像進行劃分[9?10]。該掩模分割動態圖像輪廓在整個圖像序列中隨著幀數而發生形變，如圖4所示。
由圖4可知，不同幀數顯示的虛擬圖像具有一定的誤差。採用動態掩模算法可對內容進行分割，並匹配真實環境的數字剪輯序列，形成變形的輪廓線。該系統採用渲染算法可支持霧、雨等自然背景，同時採用加速算法可快速生產高質量的渲染圖形，由此完成三維景觀虛擬設計。3 實 驗
為了驗證大數據分析下三維景觀虛擬設計的合理性，進行了如下實驗。3.1 軟硬體環境
在大數據環境下，分析系統中使用的設備，其中硬體設備有：大型三維立體顯示屏、圖形工作站、小巨型機器一台、微機[N]台、操縱杆、立體眼鏡、高精度掃描、數位相機等。軟體有VR軟體、圖像處理軟體、三維建模軟體等。
在大數據環境下，選擇某市位於市中心的樓盤地段，對該地段進行景觀設計。主要數據源有1[∶]1 000紙質地形圖、無人機影像、樓盤分布圖、占地現狀圖等數據。使用350 dpi掃描精度作為該樓盤景觀研究的地形圖進行掃描，並將數據輸入電腦中。再次對圖像進行拼接，由此形成地形景觀設計圖。同時，對虛擬渲染動畫解析度進行處理，並以幾何校正圖像為主，對相應空間地理位置進行匹配併疊加，為三維景觀虛擬設計系統進行實驗驗證提供基礎。3.2 實驗結果與分析
將三維景觀模塊提取出來，規劃虛擬建設的坡向與坡度，進行重新分類後對屬性數據進行分析，由此可獲得三維樓盤坡度圖，如圖5所示。
摘 要： 為了解決傳統虛擬規劃設計存在數據收集不準確、虛擬畫面不真實，無法滿足景觀精準規劃標準的問題，在大數據分析下，提出基於三維景觀可視化虛擬系統設計。融入建築外觀和道路設計，同時對場景進行動態瀏覽，並製作真實渲染圖以及三維虛擬動畫，對場景進行多方位、多角度展示。根據系統結構圖，運用虛擬技術突出仿真效果；採用規則網格法完成地形設計，利用局部插值算法對地形表面數字化採樣點或等高線數據進行收集，進而對植被進行構造，並轉換為規則的網格數據，由此完成三維景觀虛擬規劃。實驗結果表明，該系統具有數據收集準確、虛擬畫面真實等特點，能快速完成景觀虛擬規劃。
關鍵詞： 大數據； 三維景觀； 虛擬設計； 規則網格法； 局部插值； 渲染圖
中圖分類號： TN911.73?34； TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0046?04
Study on 3D landscape virtual design system by means of big data analysis
LI Gong， WANG Zeye
（Yanshan University， Qinhuangdao 066000， China）
Abstract： Since the traditional design about virtual planning has the problems of inaccurate data collection and unreal virtual image， and can′t satisfy the precise planning standard of the landscape， a visualization virtual system based on 3D landscape is put forward by means of big data analysis， which can integrate the architectural appearance and road design， browse the scene dynamically， fabricate the real rendering pictures and three?dimensional virtual animation and perform multi?faceted and multi?angle display of the scene. In the system， the virtual technology is used to highlight the simulation effect according to the system structure， the regular grid method is adopted to accomplish the terrain design， the local interpolation algorithm is used to acquire the digital sampling points and contours line data of the terrain surface to construct the vegetation， and then convert it into the regular grid data， so as to accomplish the three?dimensional landscape virtual planning. The experimental results show that the system has the characteristics of accurate data collection and real virtual picture， and can accomplish the landscape virtual planning quickly.
Keywords： big data； 3D landscape； virtual design； regular grid method； local interpolation； rendering picture0 引 言
景觀設計需要運用風景景觀設計理念，將科學、技術與藝術融入到理念當中，該部分的設計不僅要求視覺上的享受，還需與周圍環境進行相互協調，其中包括建築、廣場、道路周圍環境的綠化，既需要景觀與生活文化相互融合，又需將生態植被的可持續發展考慮其中。為此，合理利用與保護資源是景觀虛擬規劃的前提。由於景觀設計不論規模大小，在預期設計中都需達到景隨步移的效果，因此，如何將作品設計得更加真實生動是設計關鍵所在[1]。
採用傳統虛擬設計方法存在數據收集不準確、虛擬畫面不真實等問題，人們已不再滿足對虛擬環境的瀏覽，為此，提出基於三維景觀可視化虛擬系統設計。在大數據分析下，藉助計算機輔助設計，對地形、規劃、種植等景觀內容展開分析，並具有針對性地開發不同模塊的功能，完成系統硬體部分設計；採用規則網格法設計地形，並對設計原理進行分析。實驗結果表明，該系統可彌補傳統景觀設計只能使用平面圖進行虛擬規劃的缺陷，並通過三維虛擬技術分析數據，生動再現景觀的三維立體動畫，大大提高了系統真實性。1 系統架構
在大數據環境下，對三維景觀進行虛擬設計需利用網絡進行輔助，由於網絡技術發達、功能全面，可提高設計速度。在景觀設計中，其主要內容有：地形規劃、植被種植，將建築外觀與周圍環境綠化考慮在內，設計場景動態瀏覽畫面，並製作真實渲染圖和三維虛擬動畫，對場景進行多方位、多角度展示[2]。該系統分為建模編輯、規劃設計、噴灌設計、數據分析與統計、種植設計、渲染動畫製作等幾大模塊，系統架構如圖1所示。
三維景觀設計系統在開發與設計過程中，需與專業景觀設計進行多次接觸，充分了解當前景觀輔助設計系統各方面功能需求，具有針對性地開發不同模塊的功能。由圖1可知該系統硬體由三部分組成，分別是文件讀寫、資源庫，模型場景設計，數據統計。專業化種植設計、施工圖設計面向國內應用範圍，為了使二維畫面與三維畫面之間的關係更加密切，將地理信息加入到景觀設計之中，使虛擬技術更好地表現出來，達到預期的仿真效果。
在該系統硬體設計過程中，並非所有情況都適用於大規模精細網格，粗糙網格在某些場景中同樣適用[3]。輪廓線需要進行特殊處理，為此，提出輪廓光滑算法[4]：
1） 對輪廓線與相關三角形進行計算；
2） 將計算後的輪廓線投影到二維平面上，並由此獲取二維線段；
3） 用光滑曲線替代二維線段；
4） 將光滑曲線投影到平面上，並由此獲取相應的輪廓線；
5） 在三維平面上對曲線進行採樣，獲取計算後的坐標點；
6） 採用三角處理方式改變網格形態，映射紋理，繪製模型。
該算法只需提取輪廓邊對粗糙網格進行計算，節省了大量時間。2 軟體設計2.1 三維地形設計
三維景觀設計虛擬系統採用規則網格法完成地形設計，並採用局部插值算法將有關地形全部數據進行處理，利用三角形對點方法進行地形構造，進而轉換為規則的網格數據[5]。利用局部插值算法將地形轉化為數字化形式，並對採樣點進行規劃。針對三維地形的模擬精準度主要取決於目標地形的採樣精度與數據信息，將獲取的信息轉換為三維數字模型。為了減小數據採樣所帶來的誤差影響模擬效果，採用人工干預的方法進行誤差控制，可達到預期效果[6]。利用模型進行三維地形設計，不僅可對場地進行模擬，還可完成場地分析、平整與改造，如圖2所示。
由圖2所示的設計流程對設計原理進行分析：
1） 以方格平面為基礎，計算景觀設計的坡度與坡向。
2） 坡向為垂足線在水平面上的投影與正北方向之間的夾角。
3） 坡度是水平面與三維平面的夾角。如圖3所示。
4） 坡度計算。對兩點之間的坡度進行計算如下：
[L%=地表兩點間最高點與最低點等高線差地表兩點之間水平距離×100%] （1）2.2 三維景觀虛擬種植設計2.2.1 景觀設計方式
按照常規方式自動完成種植，並通過不同方式進行組合，進而形成相應的景觀效果[7]。設計與數據相關聯的圖形，不但提高系統繪圖功能，還具有良好的輔助功能。作為景觀設計基礎，還需調用資料庫中不同地區的子表格，選擇種植種類，並選擇景觀的平面表達方式，由此完成三維景觀植物設計。2.2.2 動態瀏覽與渲染
完成景觀虛擬設計後，給實體賦予較高的材質屬性，對光源與視點進行設置，並隨時對動態畫面進行瀏覽，形成三維效果，利用渲染效果圖實現虛擬效果，製作三維效果圖的難點在於使用大體積模型進行實時動態三維瀏覽[8]。基於硬體加速接口語言，通過對複雜三維實體快速三角化處理，能夠快速對特定三維網格數據進行光滑處理。為了減少數據節的重複記錄，利用三角扇方式減少物體的表現節點，同時，利用光滑處理方式對三維數據進行處理，促使景觀設計中的三維植物種類多樣，形態各異。根據設計類型進行貼圖坐標計算，將紋理材質通過實體顯示出來。
將顯示出來的材質作為參數資料庫，並賦予虛擬世界坐標值，構成虛擬運動軌跡，並將生成的虛擬建築進行成像處理，對真實環境進行動態剪輯獲得動態圖像渲染序列，並進行分割，形成掩模，進而將景觀動態圖像進行劃分[9?10]。該掩模分割動態圖像輪廓在整個圖像序列中隨著幀數而發生形變，如圖4所示。
由圖4可知，不同幀數顯示的虛擬圖像具有一定的誤差。採用動態掩模算法可對內容進行分割，並匹配真實環境的數字剪輯序列，形成變形的輪廓線。該系統採用渲染算法可支持霧、雨等自然背景，同時採用加速算法可快速生產高質量的渲染圖形，由此完成三維景觀虛擬設計。3 實 驗
為了驗證大數據分析下三維景觀虛擬設計的合理性，進行了如下實驗。3.1 軟硬體環境
在大數據環境下，分析系統中使用的設備，其中硬體設備有：大型三維立體顯示屏、圖形工作站、小巨型機器一台、微機[N]台、操縱杆、立體眼鏡、高精度掃描、數位相機等。軟體有VR軟體、圖像處理軟體、三維建模軟體等。
在大數據環境下，選擇某市位於市中心的樓盤地段，對該地段進行景觀設計。主要數據源有1[∶]1 000紙質地形圖、無人機影像、樓盤分布圖、占地現狀圖等數據。使用350 dpi掃描精度作為該樓盤景觀研究的地形圖進行掃描，並將數據輸入電腦中。再次對圖像進行拼接，由此形成地形景觀設計圖。同時，對虛擬渲染動畫解析度進行處理，並以幾何校正圖像為主，對相應空間地理位置進行匹配併疊加，為三維景觀虛擬設計系統進行實驗驗證提供基礎。3.2 實驗結果與分析
將三維景觀模塊提取出來，規劃虛擬建設的坡向與坡度，進行重新分類後對屬性數據進行分析，由此可獲得三維樓盤坡度圖，如圖5所示。
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