淺談生態(tài)景觀設(shè)計中的三維地形

柏文 花金祥 陳杰

【摘 要】利用計算機三維設(shè)計軟件，可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)構(gòu)造真實三維地形。本文以《佳園》軟件為例，說明了構(gòu)造三維地形，分析三維地形和改造三維地形并進行土石方計算的方法。這種新興方法與傳統(tǒng)方法比較有很大的改進，在倡導(dǎo)信息技術(shù)的當(dāng)今，非常值得推廣應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】三維地形；地形分析；地形改造

中圖分類號： TU985 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0196-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.091

1 地形設(shè)計的傳統(tǒng)方式與新興方式

1.1 傳統(tǒng)地形設(shè)計的方法及其難點

在生態(tài)景觀設(shè)計中，地形是所有景觀與設(shè)施的載體，它為所有景觀與設(shè)施提供了賴以存在的基面，是構(gòu)成任何景觀的基本結(jié)構(gòu)骨架。[1]所以，地形設(shè)計是生態(tài)景觀設(shè)計的基礎(chǔ)和重點。

同時，在傳統(tǒng)的設(shè)計環(huán)境下，地形設(shè)計又是困擾設(shè)計師的一個難點。這是因為在山區(qū)水庫進行水利風(fēng)景區(qū)設(shè)計，或?qū)ι絽^(qū)河道進行生態(tài)治理時往往會遇到崎嶇復(fù)雜多變的地形，而地形的勘測成果是以等高線和等高點反映在二維的地形圖上。這種傳統(tǒng)的地形圖上，雖有地形數(shù)據(jù)的具體數(shù)值表示，但沒有直觀效果。設(shè)計師只能憑地形圖在腦海里想象地形構(gòu)造，難免會顧此失彼。若是在此基礎(chǔ)上進行坡度、坡向、高程、匯流等深度分析或進行地形改造和土方平整計算，則更是難題。

譬如，要想在復(fù)雜地形中進行較準(zhǔn)確的土方平整計算，傳統(tǒng)方法一般采用方格網(wǎng)法。這就要首先繪制出準(zhǔn)確的放坡線、相貫線和填挖方分界線，然后在每一個方格中計算設(shè)計標(biāo)高、原地形標(biāo)高、高差和單位方塊挖填方量，最后在進行總和統(tǒng)計得出結(jié)果。[1]在這些步驟中，設(shè)計師不僅要進行繁瑣的海量計算，更是要小心謹(jǐn)慎，出現(xiàn)一點錯誤就會影響最終結(jié)果，而且難以查找錯誤點。

所以，如何進行便捷準(zhǔn)確的地形設(shè)計，一直是生態(tài)景觀設(shè)計師希望攻克的難點。

1.2 新興三維地形設(shè)計的優(yōu)勢

隨著新技術(shù)的發(fā)展和進步，工程設(shè)計已不再停留在傳統(tǒng)的二維圖面上，三維化、參數(shù)化、同步化和信息化已逐步實現(xiàn)。地形設(shè)計也有了新興的設(shè)計方法。在BIM（建筑信息管理系統(tǒng)）中，地形設(shè)計也實現(xiàn)了三維可視化和分析計算自動化。地形設(shè)計的難點也逐步攻克。

三維地形由實際測量數(shù)據(jù)或電子版地形圖生成，完全反映了真實情況。設(shè)計師不僅可以直觀的看出地形起伏落差，而且可以根據(jù)設(shè)計需要隨意進行地形改造和分析計算。繁瑣的重復(fù)性工作可完全交由計算機完成，更加準(zhǔn)確快捷。這不僅縮短了設(shè)計周期、提高成果質(zhì)量，更使得設(shè)計師從繁瑣的計算中解放出來，可進行更多的創(chuàng)造性工作。對工程設(shè)計，是大有裨益。

2 簡述三維地形設(shè)計的一般方法

2.1 三維地形設(shè)計采用的計算環(huán)境

2.1.1 設(shè)計使用軟件

使用具有三維地形處理的功能的軟件，如《佳園》，《Civi3D》，《ZDM》，《CATIA》等均可，各個軟件操作步驟類似，下面以《佳園》V4.0為例說明設(shè)計過程。

2.1.2 地形數(shù)據(jù)

要求有描述現(xiàn)狀地形的地形數(shù)據(jù)，高程點TXT文件、電子版實測地形圖等均可。

2.2 準(zhǔn)備現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)

2.2.1 數(shù)據(jù)點文件

數(shù)據(jù)點文件是描述高程控制點坐標(biāo)和高程值的數(shù)據(jù)集合，根據(jù)使用軟件不同，數(shù)據(jù)點文件有不同的編寫格式。一般來說都需要“序號”、“坐標(biāo)”、“高程”等幾個要素點。佳園使用的數(shù)據(jù)點文件為*.txt格式，從左到右依次為“序號”、“X坐標(biāo)”、“Y坐標(biāo)”、“高程”。

2.2.2 電子版地形圖

實際工作中，外來資料一般提供的是地形圖。佳園軟件同樣能在電子版地形圖的基礎(chǔ)上生成三維地形模型，格式為*.dwg。如果僅有紙質(zhì)地形圖，可用掃描儀將其掃描成圖片，再利用矢量分析軟件識別成dwg格式圖形文件。

2.3 生成三維地形及地形分析

2.3.1 數(shù)據(jù)點文件生成三維地形

首先使用菜單命令“地形設(shè)計”-“導(dǎo)入現(xiàn)狀地形”-“導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)”，在彈出的對話框中選擇數(shù)據(jù)點文件即可。

然后使用菜單命令“地形設(shè)計”-“生成TIN地形”，最好先用PL繪制出地形邊界，不然易出現(xiàn)多余三角形。根據(jù)提示依次選擇邊界線和高程點后，用三角網(wǎng)曲面表示的三維地形就生成了。如圖1所示。

2.3.2 地形圖生成三維地形

使用菜單命令“地形設(shè)計”-“導(dǎo)入現(xiàn)狀地形”-“導(dǎo)入dwg地形圖”，在彈出的對話框中選擇地形圖文件，如果地形圖單位尺寸為米，則需要在縮放系數(shù)中填入“1000”，單位轉(zhuǎn)換為“毫米”即可。結(jié)果如圖2所示（紅線為地形邊界線）。

部分地形圖僅為平面表述，其等高線等高點Z坐標(biāo)都是0，這樣不能被軟件直接識別，這時可用“地形設(shè)計”中的“地形點賦值”、“等高線賦值”等命令處理地形圖，以使軟件可識別。

地形圖導(dǎo)入后，再使用菜單命令“地形設(shè)計”-“生成TIN地形”，根據(jù)提示依次選擇邊界線和高程點后，用三角網(wǎng)曲面表示的三維地形就生成了。如圖3所示。這樣就直觀地看出地形的起伏落差。

2.3.3 地形分析

在進行生態(tài)景觀設(shè)計時，有些建筑物布置、活動場地、植物種植等需要結(jié)合地形進行分析設(shè)計。如道路布置的地方坡度不能太大；植物對陰陽喜好各有不同，有些只能在低海拔區(qū)生長；休閑活動場所需要在陽光照射充足的地方；順匯水流向進行排水管路設(shè)計等。[2]要做好這些，就需要地形分析。

生成三維地形后，可在地形曲面上進行坡度、坡向、水流、高程等各種地形分析，以確定各種設(shè)計要素。下邊以坡度分析為例說明操作步驟。

使用菜單命令“地形設(shè)計”-“地形分析”-“坡度分析”，根據(jù)提示選擇分析曲面，然后在出現(xiàn)的提示框中點擊“自定義坡度區(qū)間”可定義各級坡度顯示范圍；點擊輸出可生成坡度分析表格。分析結(jié)果如圖4、5所示。其他各個分析過程均與之類似，不再累述。

2.4 構(gòu)造設(shè)計地形

構(gòu)造設(shè)計地形有兩種方式，分別為“等高線改造地形”和“場地平整”方式。“等高線改造地形”就是人為繪制出閉合曲線并賦予高程值作為等高線，然后利用繪制出的等高線生成三維地形曲面；“場地平整”就是人為繪制出場地平整區(qū)域，再讓系統(tǒng)自動賦予高程值和放坡坡度，從而生成三維曲面。分述如下：

2.4.1 等高線改造地形

“等高線改造地形”通過人為繪制等高線進行，舉例說明：在圖6所示山頭上構(gòu)造階地平臺，首先繪制出構(gòu)成階地輪廓的閉合曲線，然后利用“地形設(shè)計“-”等高線賦值“命令給曲線賦予高程值。

選擇菜單命令“地形設(shè)計”-“地形改造”命令，根據(jù)提示選擇要改造曲面和最外層等高線，在彈出對話框中依次填入各段上下護坡值，或選擇“各段使用等坡值”，點確定。然后根據(jù)提示選擇設(shè)計等高線和高程點，即可生成構(gòu)造地形如圖7所示。

2.4.2 場地平整改造地形

與等高線改造地形類似，先用閉合曲線繪制出平整場地的輪廓，但不需要再賦予高程值了。選擇菜單命令“地形設(shè)計”-“地形改造”，根據(jù)提示依次選擇改造地形曲面和場地輪廓后彈出護坡設(shè)置對話框。

與“等高線改造地形”類似，需要填入上下護坡值，在平整高度中填入需要平整的場地高度即可。生成場地平整曲面如圖8所示。

2.5 土方工程量計算

地形設(shè)計完成后，我們還需要土方挖填量的計算，以確定工程量，并在圖中繪出相貫線和挖填方分界線以便于施工放線。我們利用上一步做出的場地平整地形曲面，使用佳園軟件的“體積土方計算”和“網(wǎng)格土方計算”命令就可以輕松得出計算結(jié)果。

2.5.1 體積土方計算

選擇菜單命令“地形設(shè)計”-“體積土方計算”，根據(jù)提示依次選擇原始地形曲面和改造地形曲面，系統(tǒng)會自動在兩個曲面間進行布爾運算，從而得出結(jié)果，生成計算表格如圖9所示。這種方法計算速度快，適用于設(shè)計方案比選階段的土方計算。

2.5.2 網(wǎng)格土方計算

如需要生成土方網(wǎng)格，繪制施工定位圖，則可選擇“網(wǎng)格土方計算”命令。選擇菜單命令“地形設(shè)計”-“網(wǎng)格土方計算”，根據(jù)提示依次“繪制施工網(wǎng)格”（確定網(wǎng)格尺寸和起始點）-“選擇網(wǎng)格邊界”（選擇場地平整時生成的相貫線）-“網(wǎng)格自動賦值”（計算每個網(wǎng)格的高差及挖填量）-“網(wǎng)格法土方計算”，即可得出土石方施工網(wǎng)格放線圖和土石方計算表。如圖10、11所示。

因計算方法不同，“網(wǎng)格土方計算”和“體積土方計算”結(jié)果略有差異，相比較而言，雖然網(wǎng)格土方計算較為繁瑣，但其計算結(jié)果更準(zhǔn)確些，而且可生成施工圖階段需要的定位網(wǎng)格，土方計算網(wǎng)格和土方零線等。所以“網(wǎng)格土方計算”更適用于施工圖階段的土方計算。

3 三維設(shè)計應(yīng)用的意義

三維地形設(shè)計不僅可以用在生態(tài)景觀設(shè)計中，其他涉及到地形設(shè)計的領(lǐng)域，如水利、路橋、建筑等都可以利用。它雖是一種新興的設(shè)計方法，但在深入探討之后，我們不難得出結(jié)論：相較傳統(tǒng)平面二維設(shè)計方法而言，三維地形設(shè)計更加直觀、快捷、準(zhǔn)確，使用這種新興的設(shè)計方法，可以使設(shè)計師從繁復(fù)的計算中解脫出來，從而專心于設(shè)計靈感的創(chuàng)新與發(fā)揮。有利于縮短設(shè)計周期，有利于優(yōu)化設(shè)計成果，有利于設(shè)計競爭力的提高。