園林植物三維數字模型的構建與應用探索

王婉穎 馮瀟

2018年第19屆國際數字景觀大會（DLA）將“景觀設計中虛擬現實（VR）和沉浸式展示”作為會議主題之一。縱觀歷年來的核心討論內容，針對景觀環境可視化的研究始終占比最大[1]。數字景觀技術不僅會成為未來風景園林學科發展的重要工具，也是未來行業的發展方向。

大多數景觀都被植被覆蓋，植物是風景園林關鍵組成要素[2]。因此，植物的三維數字化模型無疑是風景園林可視化的先決條件[3]833，也是景觀模擬系統的重要組成部分[4]6。雖然植物的三維數字化模型在影視及游戲領域的應用已趨于成熟，但在風景園林設計領域的應用尚在起步階段。

1 園林植物三維數字模型構建與應用的必要性

1.1 輔助風景園林植物形態認知

在風景園林專業課程設置中，園林植物類課程占有重要地位。國際風景園林（Landscape Architecture）教育植物學基礎（Introduction of Plants）的課程體系要求掌握和識別植物的種類及其形態特征[5]71。但是在現有的園林植物課程教學中，教師常使用植物學的專業術語和靜態圖像來講解樹木形態，學生很難充分觀察和深度感知植物特征；另一方面，戶外植物認知也存在植物種類受限、季相變化難以呈現，學生認知時間不足等問題[6]。

構建園林植物三維數字模型能夠充分展示植物材料及其特性，如植物的尺度、形態、色彩、質地和季相變化等。不僅可以在課堂上幫助師生以一個全新的視角來研究植物，同時也在一定程度上彌補了戶外植物認知上的不足，用以輔助風景園林專業園林植物類課程教學、科普與植物形態展示。

1.2 輔助植物景觀設計，提升風景園林設計成果表現力

植物景觀設計是風景園林設計中的重要組成部分，但是由于許多設計師對于植物特征把握不準，同時又缺少足夠的植物模型素材，從而產生了大量不恰當或不理想的設計。如果設計師能夠參照較為準確的園林植物三維數字模型，輔助植物景觀設計，就能準確地預測設計效果；另一方面，園林植物對于風景園林設計成果表現具有重大影響，缺少精準的植物環境模擬會影響設計師、業主與受眾之間的有效溝通[3]824。

隨著時代的發展，風景園林可視化勢在必行，三維植物模型無疑是影響風景園林可視化沉浸感和逼真度的重要因素[7]。構建三維植物模型庫可使風景園林設計表現更具體、形象、生動；在模型中模擬植物自然生長及季相變化，也能夠進一步打破圖像與現實之間的界限，增強風景園林設計成果表現的真實性和創造性[8]。

1.3 組建風景園林信息模型（LIM）植物信息庫

風景園林信息模型（Landscape Information Modeling，簡稱 LIM）最早于 2009 年在德國的國際數字景觀大會上被提出，其彌補了建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）在風景園林設計、建造和管理方面的不足，在風景園林領域已經引起廣泛的關注和研究[9]。 基于風景園林的特性，LIM將地形、水體、植物模型作為核心構成要素，因此園林植物數字模型無疑是 LIM 中不可或缺的重要部分。當下，建筑、市政、交通、水文等領域的三維數字模型庫和操作平臺已經比較成熟，而園林植物領域發展最為滯后。

表1 5種工具軟件在園林植物三維數字模型構建方面的綜合對比Tab.1 Comprehensive comparison of five tool softwares in building 3D digital models of landscape plants

目前市面已存在LANDWorksCAD植物模型圖庫①和Lumion植物模型庫②，在表現效果上，Lumion植物模型真實性較強，LANDWorksCAD植物模型真實性較弱。在植物素材上，二者均無法對廠家提供的植物模型進行二次編輯及置入生長數據，植物品種也大多為不適于中國生長環境的異國植物。此外，Lumion植物模型不能集成任何有效的植物信息，LANDWorksCAD也僅能在軟件自身平臺中集成植物信息，二者均無法與LIM平臺實現交互。由此可見，當下沒有能夠滿足風景園林師對于園林植物實際應用需求的三維數字模型，因此，急需探索一種園林植物三維數字模型構建和應用的方式。

2 園林植物三維數字模型構建途徑（工具）

植物由枝、干、葉、花、果等大量的單體組成，每個物種都獨具特征，其復雜的結構及形態增加了建模難度。目前可以構建三維植物模型的軟件主要有5種（表1）。

基于風景園林從業人員對園林植物數字模型的需求，綜合考慮設備情況、操作難度，本文作者嘗試以 PlantFactory為工具，探索構建園林植物三維數字模型。

3 利用PlantFactory構建三維植物模型

3.1 PlantFactory的建模原理

PlantFactory軟件的分支算法技術，能夠根據植物生長規律來建構植物拓撲結構，最終得到植物三維數字模型。該技術有一個明顯的優勢，即操作過程中不需要使用者具有專業的計算機技術背景或深厚的植物學知識，僅需要對植物進行分層處理及簡單的參數調整，便可生成模擬植物真實形狀和復雜性的三維數字模型。

建模過程主要包括3個部分：確定植物形態、重構植物拓撲結構（枝干）、構建植物器官（葉序、花序/果實）。其中值得注意的是，枝干是三維植物模型的重要組成部分，同時也是植物三維模型整體拓撲結構形態的關鍵因素，因此在模型構建的過程中，需要著重考慮其枝干層的構建（圖1）。

表2 15種典型樹形園林植物Tab.2 15 typical tree-shaped garden plants

1 樹狀結構分形規則[4]9Tree-like stracture as result of fractal rule [4]9

2 園林樹木基本樹形[10]Basic shapes of garden trees [10]

3 欒樹圖像Image of Koelreuteria Paniculata

3.2 樹形分類

從植物形態學的角度出發，樹形一般是指在正常的生長環境下，其成年樹的外貌。通常各種園林植物的樹形可分為25個類型（圖2）。

對于應用于虛擬環境中的植物模型來說，在樹形上高度契合真實植物便已能滿足其基本應用需求。但在某些特定情況下，也須適當考慮其分枝形式、葉序及花序（果實）的形態結構以滿足更高精細度的要求。

依據上述基本樹形分類，選取其中15種典型植物進行三維植物建模探索（表2），以期構建一個小型園林植物三維數字模型庫。

3.3 構建案例

欒樹素有“一年能占十月春”之美譽，其春季枝繁葉茂、夏季黃花滿樹、秋季滿枝蒴果，是非常典型的園林樹種。因此選取欒樹作為目標樹種，展示利用PlantFactory構建三維植物模型的詳細過程，構建方式同樣適用于相同樹形結構下其他任意植物模型的構建。建模過程主要分為3部分：1）確認植物信息； 2）重構植物拓撲結構； 3）構建植物器官（葉序、花序）模型。

3.3.1 確認植物信息

以中國植物志（FRPS）記載的欒樹形態特征為參照（表3），并通過在北京植物園進行實地觀察測量獲取欒樹形態數據（圖3），以此作為欒樹三維植物模型構建基礎。

3.3.2 重構拓撲結構

植物生長結構是整體性、動態相關性的，利用PlantFactory構建植物拓撲結構生長模型同樣遵循這一屬性，即以電池組④的形式連接構建指令，使其與對應的模型效果相互關聯、相互影響。

將欒樹分為主干層、主分枝層、次分枝層/葉序（花序）著生枝層3個層級構建拓撲結構模型：

1）主干層。以單一主干、樹高15 m為基本特征構建主干層。設置主干高度時須將頂部分枝長度考慮在內以避免整體樹高與實際不符；設置胸徑參數時須符合自下而上寬度遞減的真實狀態。為了使主干更具逼真感，可以通過Axis軸向控制器調整主干彎曲度、Section模型改變控制器制作主干縱裂及皮孔凹槽以及ROOT FLARES選項增強主干基部分裂與膨大。

2）主分枝層。以假二叉分枝及真實測量數據為參照構建分枝層，設置主枝分布方式，數量、夾角、下垂參數與分枝點高度，調整分枝旋轉角度與間距參數，以符合其基本形態。為了使主枝更具逼真感，可以通過設定Tropism分枝下垂樣條曲線調整主枝受力情況，和BlENDING基部延伸度選項使主枝平滑相接于主干。

4 葉片三維模型構建過程3D modeling of plant leaves

5 聚傘花序三維模型構建過程3D modeling process of Cyme Inflorescence

6 欒樹三維模型構建過程3D model building process of Koelreuteria Paniculata

7 欒樹三維模型展示3D model display of Koelreuteria Paniculata

3）次分枝層/葉序（花序）著生枝層。構建原理和連接方式與主分枝層相同。各項參數的設定不僅須符合植物的真實信息，也需要靈活機動地在實際范圍內進行調整，使模型符合欒樹真實結構形態。

3.3.3 構建植物器官模型

1）葉序。首先須單獨制作葉序貼圖，主要分為以下3個步驟：①獲取葉序圖像資料。②將圖像中的葉序部分保存為PNG格式，作為欒樹葉序紋理貼圖。③將紋理貼圖生成法線圖，作為欒樹葉序法線貼圖。再通過模型文件中的Material指令，導入紋理貼圖和法線貼圖，構建欒樹葉片模型（圖4）。

2）花序。首先須單獨構建聚傘花序拓撲結構，構建原理與連接方式同枝干層，再通過Urchin指令構建花朵模型（圖5），最后轉為組件導入欒樹模型文件中與分枝相連。

以上各項參數均按照植物真實信息設定（以欒樹實地觀測數據為參照標準），最終完成欒樹三維植物模型構建（圖6）。

在電池組的連接模式下，用戶可以通過更改構建指令的參數，影響其自身層級或子層級的模型形態。以植物分枝為例，每一層級的分枝均從上一層級分枝（其母枝）的底層開始生長，分枝的生成方向、大小長度和伸展角度隨著參數的調整而變化，當母枝參數改變時，后繼分枝繼承母枝參數同樣發生形態變化。

3.4 成果展示

通過上述構建過程，創建出欒樹三維數字模型（圖7）。該模型從整體樹形、枝干、葉序和花序等方面均能夠較好地反映欒樹的植物形態特征，驗證了本構建方法的有效性。其中，模型文件量為7.4 MB，可輸出Alembic、FBX、3DS、OBJ、C4D、LWO等格式置入大多3D應用程序。

同時，運用同樣建模方法對其他14種典型園林植物進行構建探索，目前已組建一個小型園林植物三維數字模型庫（圖8）。

4 實際應用

4.1 輔助園林植物形態認知

PlantFactory植物模型導出FBX格式的文件可與Lumion平臺實現交互。將欒樹三維數字模型經Lumion渲染生成全景圖像后，再通過全景制作軟件（本文選用杰圖軟件⑤）制作植物全景漫游圖像并生成二維碼，最終可在手機、平板電腦等非專業操作平臺通過掃碼呈現植物三維形態（圖9）。

8 三維植物模型庫展示Display of 3D plant model library

9 欒樹全景漫游圖像截圖及二維碼（請用手機掃碼觀看）Panoramic roaming image screenshot and QR code of Koelreuteria Paniculata Laxm.（scan the code to watch）

10 PlantFactory植物模型應用效果展示Application effect of PlantFactory plant model

在園林植物課程教學中，將3D植物模型與課堂教學先后銜接，反復鞏固和拓展，可以達到認知植物要素的訓練目的；植物的三維場景感知也能夠轉換為學生對植物形態、要素構成的理解，彌補戶外植物認知實習的不足，達到植物課程“感知—建構—營造”教學序列的目標[5]73。同時，通過掃碼認知并了解植物，是一條有異于植物傳統科普的數字化和網絡化科普途徑，對大眾植物科普也起到了促進作用[12]。

4.2 輔助植物景觀設計，提升風景園林設計成果表現力

以某處小尺度園林為例，通過在Lumion渲染平臺中置入植物三維數字模型（包括21株欒樹，12株鵝掌楸，6株冷杉以及9叢砂地柏），以實驗其在植物造景中的作用（圖10）。

實踐中發現，在設計模型中植入準確的園林植物三維數字模型，不僅有助于植物景觀設計過程中的反復推敲，也可根據設計師需求自主建模，彌補現有植物模型種類欠缺的不足，能夠實現品種正確的植物景觀設計；同時園林植物數字模型的表現效果具有真實感，可以極大地還原設計意圖，幫助非專業人士了解植物景觀未來的效果，為業主對設計方案的最終判斷提供參考。

4.3 組建LIM植物信息庫

在目前的風景園林實踐中，LIM的體系化應用尚未充分展開，從行業實際需求出發，探索能夠有效應用于設計實踐的LIM操作平臺無疑是推動風景園林行業發展的關鍵因素[13]。

筆者基于BIM四大軟件平臺中的Autodesk Revit和Bentley Microstation平臺，探索園林植物三維數字模型信息集成的實踐應用。其中Bentley平臺下的MicroStation軟件可直接與PlantFactory導出的OBJ格式文件實現模型信息交互（圖11），后期再通過Bentley LumenRT軟件添加材質進行渲染；Autodesk平臺下的Revit軟件須先通過3ds Max將PlantFactory導出的FBX格式的文件轉換為DWG格式，再進行置入實現交互（圖12），后期通過Revit自帶材質庫或3d Max材質庫進行渲染。

通過對BIM平臺中的植物模型添加名稱、習性、土球標準、苗源、價格等信息，有望組建LIM植物模型庫，使風景園林設計、規劃、施工和管理之間的信息交換成為可能[14]，也為相關風景園林三維模型交互和LIM的深入研究提供參考價值。

5 總結與展望

近年來，隨著計算機技術的蓬勃發展，將3D可視化技術應用于風景園林教學、規劃設計、施工和后期管護中成為必然的趨勢。在當下的可視化技術應用中，園林植物三維數字模型的匱乏成為風景園林行業數字化發展的瓶頸。

11 通過Bentley MicroStation添加植物信息Adding plant information through Bentley MicroStation

12 通過Autodesk Revit添加植物信息Adding plant information through Autodesk Revit

實踐證明，利用PlantFactory軟件構建植物三維數字模型，適用于風景園林師與普通大眾；同時，該方法對于電腦配置要求不高，能夠輸出多種文件格式，兼容性較好。通過這種方式建立的園林植物三維數字模型，能夠較好地滿足植物認知、輔助設計、設計表現以及LIM的應用要求。在實操過程中，可以得到以下的經驗：

1）模型文件量會隨著對植物細節表現的深入而增大，因此在建模過程中需要根據不同的應用場景及視覺重點選擇合適的建模精度，以避免文件量過大造成運行卡頓等現象。

2）PlantFactory軟件通過大量的參數來控制植物的形態，因此需要實際測量植物的各項參數以確保植物模型的準確性。

3）植物器官模型僅展現了大致形態，其細節（如果實上的絨毛、花瓣褶皺等）難以通過紋理貼圖的方式實現；同時在PlantFactory中置入植物生長參數，呈現其成長過程、季相變化的操作也具有一定難度，這兩點無疑是最大的遺憾。

未來，風景園林師利用虛擬現實（VR）和增強現實（AR）等技術，對于園林植物三維數字模型進行各方面的應用一定會具有非常廣闊的前景。當然，園林植物三維數字模型的構建方式還存在很多可能，本研究的方法只是其中一種，希望能有更多的人員和機構能夠探索構建更好的、可以進行大規模推廣的園林植物三維數字模型庫。

致謝(Acknowledgements) :

深圳大地創想建筑景觀規劃設計有限公司為該項目提供技術支持，北京林業大學園林學院在讀研究生：蔡春雨、范曉玥、廖菁菁、李若蘭、聶蕾、魏巍、王婉穎、向思宇等人參與建模工作，北京林業大學植物學專業學生胡玲參與植物形態學指導工作，在此對他們的付出表示感謝。

注釋(Notes)：

① LANDWorksCAD植物模型圖庫是CAD International旗下軟件LANDWorksCAD自帶的植物素材庫，用于快速展示概念方案、種植方案等，具有自己獨特的圖示風格。

② Lumion植物模型庫是3D渲染軟件Lumion自帶的植物素材庫，用于營造真實的環境，增強視覺效果。

③ VFX是Visual Effect（視覺效果）的英文縮寫，簡稱“視效”。

④ 電池組即PlantFactory指令之間的連接方式。

⑤ 杰圖軟件是提供全景圖拼接，虛擬漫游和環物效果制作的VR軟件。

圖表來源(Sources of Figures and Tables):

圖1引自參考文獻[2]；圖2引自參考文獻[10]；圖3由作者實地拍攝；圖4～7，9～12由作者繪制；圖8由工作室合作完成。表1、2由作者繪制；表3根據參考文獻[12]整理。