栗功 王泽烨
摘 要： 为了解决传统虚拟规划设计存在数据收集不准确、虚拟画面不真实，无法满足景观精准规划标准的问题，在大数据分析下，提出基于三维景观可视化虚拟系统设计。融入建筑外观和道路设计，同时对场景进行动态浏览，并制作真实渲染图以及三维虚拟动画，对场景进行多方位、多角度展示。根据系统结构图，运用虚拟技术突出仿真效果；采用规则网格法完成地形设计，利用局部插值算法对地形表面数字化采样点或等高线数据进行收集，进而对植被进行构造，并转换为规则的网格数据，由此完成三维景观虚拟规划。实验结果表明，该系统具有数据收集准确、虚拟画面真实等特点，能快速完成景观虚拟规划。
关键词： 大数据； 三维景观； 虚拟设计； 规则网格法； 局部插值； 渲染图
中图分类号： TN911.73?34； TP391.72 文献标识码： A 文章编号： 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 picture
0 引 言
景观设计需要运用风景景观设计理念，将科学、技术与艺术融入到理念当中，该部分的设计不仅要求视觉上的享受，还需与周围环境进行相互协调，其中包括建筑、广场、道路周围环境的绿化，既需要景观与生活文化相互融合，又需将生态植被的可持续发展考虑其中。为此，合理利用与保护资源是景观虚拟规划的前提。由于景观设计不论规模大小，在预期设计中都需达到景随步移的效果，因此，如何将作品设计得更加真实生动是设计关键所在[1]。
采用传统虚拟设计方法存在数据收集不准确、虚拟画面不真实等问题，人们已不再满足对虚拟环境的浏览，为此，提出基于三维景观可视化虚拟系统设计。在大数据分析下，借助计算机辅助设计，对地形、规划、种植等景观内容展开分析，并具有针对性地开发不同模块的功能，完成系统硬件部分设计；采用规则网格法设计地形，并对设计原理进行分析。实验结果表明，该系统可弥补传统景观设计只能使用平面图进行虚拟规划的缺陷，并通过三维虚拟技术分析数据，生动再现景观的三维立体动画，大大提高了系统真实性。
1 系统架构
在大数据环境下，对三维景观进行虚拟设计需利用网络进行辅助，由于网络技术发达、功能全面，可提高设计速度。在景观设计中，其主要内容有：地形规划、植被种植，将建筑外观与周围环境绿化考虑在内，设计场景动态浏览画面，并制作真实渲染图和三维虚拟动画，对场景进行多方位、多角度展示[2]。该系统分为建模编辑、规划设计、喷灌设计、数据分析与统计、种植设计、渲染动画制作等几大模块，系统架构如图1所示。
三维景观设计系统在开发与设计过程中，需与专业景观设计进行多次接触，充分了解当前景观辅助设计系统各方面功能需求，具有针对性地开发不同模块的功能。由图1可知该系统硬件由三部分组成，分别是文件读写、资源库，模型场景设计，数据统计。专业化种植设计、施工图设计面向国内应用范围，为了使二维画面与三维画面之间的关系更加密切，将地理信息加入到景观设计之中，使虚拟技术更好地表现出来，达到预期的仿真效果。
在该系统硬件设计过程中，并非所有情况都适用于大规模精细网格，粗糙网格在某些场景中同样适用[3]。轮廓线需要进行特殊处理，为此，提出轮廓光滑算法[4]：
1） 对轮廓线与相关三角形进行计算；
2） 将计算后的轮廓线投影到二维平面上，并由此获取二维线段；
3） 用光滑曲线替代二维线段；
4） 将光滑曲线投影到平面上，并由此获取相应的轮廓线；
5） 在三维平面上对曲线进行采样，获取计算后的坐标点；
6） 采用三角处理方式改变网格形态，映射纹理，绘制模型。
该算法只需提取轮廓边对粗糙网格进行计算，节省了大量时间。
2 软件设计
2.1 三维地形设计
三维景观设计虚拟系统采用规则网格法完成地形设计，并采用局部插值算法将有关地形全部数据进行处理，利用三角形对点方法进行地形构造，进而转换为规则的网格数据[5]。利用局部插值算法将地形转化为数字化形式，并对采样点进行规划。针对三维地形的模拟精准度主要取决于目标地形的采样精度与数据信息，将获取的信息转换为三维数字模型。为了减小数据采样所带来的误差影响模拟效果，采用人工干预的方法进行误差控制，可达到预期效果[6]。利用模型进行三维地形设计，不仅可对场地进行模拟，还可完成场地分析、平整与改造，如图2所示。
由图2所示的设计流程对设计原理进行分析：
1） 以方格平面为基础，计算景观设计的坡度与坡向。
2） 坡向为垂足线在水平面上的投影与正北方向之间的夹角。
3） 坡度是水平面与三维平面的夹角。如图3所示。
4） 坡度计算。对两点之间的坡度进行计算如下：
[L%=地表两点间最高点与最低点等高线差地表两点之间水平距离×100%] （1）
2.2 三维景观虚拟种植设计
2.2.1 景观设计方式
按照常规方式自动完成种植，并通过不同方式进行组合，进而形成相应的景观效果[7]。设计与数据相关联的图形，不但提高系统绘图功能，还具有良好的辅助功能。作为景观设计基础，还需调用数据库中不同地区的子表格，选择种植种类，并选择景观的平面表达方式，由此完成三维景观植物设计。
2.2.2 动态浏览与渲染
完成景观虚拟设计后，给实体赋予较高的材质属性，对光源与视点进行设置，并随时对动态画面进行浏览，形成三维效果，利用渲染效果图实现虚拟效果，制作三维效果图的难点在于使用大体积模型进行实时动态三维浏览[8]。基于硬件加速接口语言，通过对复杂三维实体快速三角化处理，能够快速对特定三维网格数据进行光滑处理。为了减少数据节的重复记录，利用三角扇方式减少物体的表现节点，同时，利用光滑处理方式对三维数据进行处理，促使景观设计中的三维植物种类多样，形态各异。根据设计类型进行贴图坐标计算，将纹理材质通过实体显示出来。
将显示出来的材质作为参数数据库，并赋予虚拟世界坐标值，构成虚拟运动轨迹，并将生成的虚拟建筑进行成像处理，对真实环境进行动态剪辑获得动态图像渲染序列，并进行分割，形成掩模，进而将景观动态图像进行划分[9?10]。该掩模分割动态图像轮廓在整个图像序列中随着帧数而发生形变，如图4所示。
由图4可知，不同帧数显示的虚拟图像具有一定的误差。采用动态掩模算法可对内容进行分割，并匹配真实环境的数字剪辑序列，形成变形的轮廓线。该系统采用渲染算法可支持雾、雨等自然背景，同时采用加速算法可快速生产高质量的渲染图形，由此完成三维景观虚拟设计。
3 实 验
为了验证大数据分析下三维景观虚拟设计的合理性，进行了如下实验。
3.1 软硬件环境
在大数据环境下，分析系统中使用的设备，其中硬件设备有：大型三维立体显示屏、图形工作站、小巨型机器一台、微机[N]台、操纵杆、立体眼镜、高精度扫描、数码相机等。软件有VR软件、图像处理软件、三维建模软件等。
在大数据环境下，选择某市位于市中心的楼盘地段，对该地段进行景观设计。主要数据源有1[∶]1 000纸质地形图、无人机影像、楼盘分布图、占地现状图等数据。使用350 dpi扫描精度作为该楼盘景观研究的地形图进行扫描，并将数据输入电脑中。再次对图像进行拼接，由此形成地形景观设计图。同时，对虚拟渲染动画分辨率进行处理，并以几何校正图像为主，对相应空间地理位置进行匹配并叠加，为三维景观虚拟设计系统进行实验验证提供基础。
3.2 实验结果与分析
将三维景观模块提取出来，规划虚拟建设的坡向与坡度，进行重新分类后对属性数据进行分析，由此可获得三维楼盘坡度图，如图5所示。
