森林公園景觀節能設計與實現

黃瀅+張青萍

摘 要： 針對當前對公園景觀設計過程資源消耗較大問題，提出基于三維圖像的森林公園景觀節能設計方法。根據森林公園所處位置周邊地形，結合金剛石方格算法獲取三維地形框架，以公園凹陷為例進行填充，并對其進行遞歸、細化處理；采用背面剔除技術規劃公園中樹木、道路等分布，通過得到的遞歸函數完成景觀節能規劃設計。實驗結果表明，所提設計方法對森林公園景觀數據采集準確，明顯降低了景觀設計過程的能耗，具有較強的實際意義。

關鍵詞： 森林公園； 景觀節能； 金剛石方格算法； 三維地形； 剔除技術； 遞歸函數

中圖分類號： TN245?34； TU985.12 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0131?03

Abstract： In allusion to the current problem of large resource consumption during the park landscape design process， the design method of landscape energy saving for forest park based on the three?dimensional （3D） image is proposed. According to the surrounding terrain of the forest park， the 3D terrain framework is obtained by combing with the diamond square algorithm. Taking filling the sunken park as an example， the recursion and refining treatment is performed for the sunken park. The back elimination technology is adopted to plan the distribution of trees and roads in the park. The planning and design of landscape energy saving is accomplished by means of the obtained recursive function. The experimental results show that the proposed design method can accurately collect the landscape data of forest park and obviously reduce the energy consumption of landscape design process， which has a strong practical significance.

Keywords： forest park； landscape energy saving； diamond square algorithm； 3D terrain； elimination technology； recursive function

森林公園的主要組成部分是植物，自然狀態下植物的生長并不都適合用來觀賞，需要對森林公園內的景觀進行規劃設計[1?2]。近幾年，我國城市化發展速度加快導致大面積自然景觀廢棄產物出現，給城市環境生態帶來巨大影響，政府提出節能設計綠色規劃建議[3]。森林公園景觀節能設計的關鍵取決于廢棄地周圍的環境以及開發程度需求。由于森林公園規劃關聯性與前瞻性要求非常高，是全新技術需求最為迫切的發展條件之一[4]。針對森林公園節能規劃，設計人員仍然使用傳統規劃手法，該手法存在數據收集不準確、速度慢、模擬畫面不真實等問題，僅滿足二維繪圖需求。

針對森林公園景觀周圍地形的模擬采用金剛石方格算法，實驗結果表明，該方法具有數據收集準確、速度快、耗費時間短、模擬畫面真實等優勢。

1 基于三維圖像的森林公園地形框架構建

森林公園景觀節能規劃分為總體規劃、區域規劃以及專項規劃，任何層面上地形規劃設計離不開三維圖像，該設計方法需要在三維圖像模式下，實現森林公園地形三維節能重塑。對森林公園地形填充，傳統方法需要耗費大量人力、物力，施工時間過長，造成大量能源、資源浪費。

針對森林公園景觀周圍地形的模擬采用金剛石方格算法。該算法是在三維圖像上使用變換的一種方法，利用該方法能夠獲取高度精準的數據組[5]。建立一座山峰，在該地形上山峰需要人為增加網格點數來提高數據收集精準度，數據組中所有的網格點都是隨機產生。假設該數據是正方體的，維數是[2n+1]。設置三維圖像高度一致，選取1個[5×5×5]數組，如圖1a）所示，對正方體8個角賦予較高的初始值，用黑點來表示，將此作為遞歸步驟的起點，具體流程如圖1所示。

由圖1b）選擇8個點的正方體，在正方體中自動生成1個隨機值，將正方體中心作為各個對角線的交點。中心點值是平均8個角的值與1個隨機值相加而得到的，由此形成地形的一個棱錐。圖1c）選取每8個點就自動形成一個棱錐，位于棱錐中心點也會產生隨機值。將平均角度值與diamond步產生的隨機值相加，能夠得到每條邊線的中點值，進而得到一個正方體，如果已經自動產生了一個正方體，那么經過單獨細分就會得到4個正方體[6]。

經過第二次獲得的正方體為16個，第3次獲得的正方體為64個，正方體數目為[22+1，]如圖1a）～圖1c）所示。針對第一次經過diamond步的時候，根據8個角的數值在數組中心自動生成一個隨機值。將這8個角值與一個-1.0～1.0之間隨機值相加，如圖1b）所示，新產生的值顯示為黑點，存在網格點顯示為空心圈。endprint

在Square步相同的范圍內生成一定隨機值。每一步都有4個棱錐，在數據組中心進行交互，計算4個diamond中心。如果將這幾個點連接起來，可以得到地形框架，如圖2所示。

進行第二次遞歸的時候需要計算正方體6個面的中心；需要重新計算13個新值，如圖1d）中黑點所示。目前數組中23個元素都已經生成，由此可得到如圖3所示的遞歸地形框架。

分配更多數據，需要進行更多次遞歸，每一遍遞歸都需要增加更多的細節，經過5遍遞歸之后就會得到非常逼真的地形，完成三維地形節能填充，實現基于三維圖像的森林公園地形框架構建。

2 森林公園景觀節能設計實現

在森林公園地形框架構建的基礎上，針對森林公園三維樹木節能使用背面剔除技術，該技術是指在樹木繪制前，剔除與視線相背離的多邊形，僅繪制視線所能達到的多邊形，進而減少繪制樹木多邊形的數量[7?8]。一般情況下，通過計算視線方向和多邊形方向的夾角來剔除多邊形，[如果夾角大于90°]，那么就要剔除多邊形。

針對森林公園，樹木景觀節能需要計算視線方向與多邊形方向向量夾角，轉換為向量之間的夾角。假設向量[A]和[B]之間夾角為[α]，那么構造[α]對邊向量為[A-B]，進而[A]，[B]和[A-B]向量就構成了一個三角形。假設[A=Ax，Ay，Az，B=Bx，By，Bz]，由此推導出三角形邊角之間關系為：

若[A?B=0]時，向量[A]和[B]為垂直關系[A⊥B]；若[A?B>0]時，向量[A]和[B]之間夾角小于[90°]，為銳角，不會被剔除；若[A?B<0]時，向量[A]和[B]之間夾角為鈍角大于[90°]，被剔除。

3 實 驗

3.1 實驗環境與參數設定

選擇某市位于美麗北部山峰的貫穿于2區1市1縣的大型森林公園，整個森林公園自北向南長為584 km。主要數據源有：環城港市的1∶10 000紙質地形圖，遙感影像，城市分布圖、站點分布圖，公園占地現狀圖等輔助數據。使用300 dpi掃描精度作為森林公園研究的地形圖進行掃描，并輸入電腦當中，再將圖像進行拼接，由此生成地形柵格圖，對分辨率進行相應處理，以幾何校正為主，匹配相應的空間地理位置，并進行疊加，進而形成節能設計方案。

3.2 實驗結果與分析

將地形模塊提取出來，規劃公園地形的坡度與坡向，進行重新分類后對屬性數據進行分析，由此得到坡度圖，如圖4所示。

根據不同坡度對公園景觀規劃造成不同的影響，同時也會在各個方面有差異，為此，基于規劃區域內地形坡度等級建立規劃適宜表如表1所示。

為了驗證所提方法的節能效果，在傳統方法與所提方法下，對比同一森林公園景觀的設計能耗，對比結果如圖5所示。根據以上實驗結果可發現，傳統方法下高能耗區域存在于公園周邊地形規劃設計處，地形規劃面積較大，且通過顏色的對比可知地形規劃能耗過高，而所提方法能耗較高部位則位于公園建筑部位，周邊地形能耗較低，這說明在傳統方法中消耗過多能耗的公園地形景觀設計過程通過所提方法得到了有效的降低。

4 結 語

基于三維圖像森林公園景觀節能設計中，以立體空間的坐標軸來定義森林公園具體位置，使用大量空間信息能夠使空間對象之間的聯系變得更加緊密。由實驗結果可知，所提方法使用三維圖像對景區進行規劃，彌補了傳統景區規劃只能使用平面圖進行模擬的缺陷，能夠高效降低景觀規劃設計過程的能耗，對森林公園的節能建設意義重大。

注：文本通訊作者為張青萍。

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