Sketch Up和Lumion在海南共享農莊三維可視化設計中的應用①

黃家健楊奕嘉胡盛紅 麥雄俊

(中國熱帶農業科學院科技信息研究所海南海口571101)

自2004年至今，我國連續發布了17個以“三農”為主題的中央一號文件，突出了“三農”工作在中國社會主義現代化建設時期的重要地位。“共享農莊”是休閑農業發展的一種新模式，2017年，海南省開始推動“共享農莊”試點創建，海南共享農莊建設是海南推進美麗鄉村建設的重要抓手，在海南農業融合創新發展中發揮著重要作用。在海南共享農莊項目的建設中，項目規劃設計是前期工作的關鍵環節，能夠為項目的后續建設提供“總藍圖”，能為項目建設提供科學指導，同時，也是政府有關部門審批和驗收該類項目的主要標準和依據。

隨著信息技術的快速發展，三維可視化技術也日趨成熟，且在規劃設計中得到了廣泛應用，其呈現的設計表達途徑和成果日新月異［1］。根據調研情況，當前海南共享農莊在規劃設計環節中仍存在規劃準確度不夠、可視互動性不強、指導項目審批和建設的抓手不足等問題。本研究針對以上問題，嘗試將三維可視化技術應用到海南共享農莊項目的設計中，以海南某地一個共享農莊申報項目為例，綜合采用Sketch Up、Lumion、CAD等技術與方法，進行海南共享農莊項目的前期三維可視化設計，包括平面設計、三維模型設計、實時仿真設計等內容，以實現從傳統手繪草圖描繪到計算機輔助繪圖，再到三維可視化交互設計的跨越，為海南共享農莊規劃設計實現實時性、互動性、便捷性、精準性和可展示性提供理論與技術基礎。

1 三維可視化技術發展研究

1.1 三維可視化技術簡介

三維可視化技術是運用電子計算機圖形學、圖像處理、動態可視化等技術，將計算過程和計算結果以可視化圖形的形式，在計算機等多媒體平臺上顯示，并進行交互處理的理論、方法和技術［2-3］。目前，在農業類項目規劃設計行業中經常使用的軟件分為三類：一是二維平面類，主要有Auto CAD（簡稱CAD）、天正、湘源等；二是三維建模類，主要有Sketch Up（中文直譯草圖大師，簡稱SU）、3D Max等；三是三維仿真和渲染類主要有Lumion（中文直譯流明，簡稱LU）、Vray、BIM等。而其中Sketch Up和Lumion是全球各大規劃設計單位和大學科研教育單位中都有廣泛應用的兩款三維可視化設計軟件，其相較于其他軟件具有使用簡單明了、實時仿真、素材豐富、渲染簡單且效果逼真等特點。

Sketch Up軟件是由＠Last Software公司推出的，至目前已發布并廣泛應用的版本有6.0、7.0、8.0、2013、2014等，目前最新發布的版本是2019版。采用該軟件與技術，能夠進行三維模型的設計，可以極其快速和方便地實現對項目場景進行三維模型進行創建、觀察和修改［4］，對電腦硬件配置要求不高，能滿足方便設計師與業主客戶之間即時交流的需要。

Lumion軟件是2010年11月由荷蘭的ACT-3D公司推出的，至目前已發布了十代共20余個版本，目前最新發布的版本是2019年11月發布的Lumion 10.0版。該軟件是近年來出現的具有代表性的三維實時仿真設計工具，場景創新快速、高效，可以模擬真實環境，可視化效果逼真，Lumion軟件采用電腦的GPU渲染技術，大大降低了CPU的占用率，能夠在短時間內創造驚人的建筑可視化效果［5］。采用該軟件和技術，比傳統的3D Max等建模軟件和BIM（建筑信息化模型）等軟件，操作更為簡單、互動交流更加方便快捷，渲染效果更加高效和精準，且已實現兼容Trimble Sketch Up、Autodesk Revit、Graphisoft ArchiCAD、Autodesk Autocad、Nemetschek Allplan、Nemetschek Vec‐torworks、Rhinoceros、3D Studio Max等 軟 件 及格式。

1.2 三維可視化技術發展與應用

三維可視化技術的主流優秀三維技術與軟件多數均起源于國外，例如Lumion三維設計軟件由荷蘭ACT-3D公司發布，AutoCAD、3Dmax等三維設計軟件由美國的Autodesk歐特克有限公司發布，Sketch Up等三維設計軟件由＠Last Software公司推出后被美國的Google谷歌公司收購。

與國外相比，國內的三維可視化技術應用和相關研究起步較晚，Lumion技術從國外引入國內初期，備受國內追捧且發展迅速，國內一些設計單位已將Lumion三維可視化設計較好地應用于項目的規劃設計中，例如梧州市蜂巢多媒體設計有限責任公司，是國內較早、較專業的從事Lumion設計的公司，是國內首次采用純Lumion制作商業動畫的團隊，留下了多部經典案例，主要有故宮乾隆公園項目、森林深處項目、梧州石表山景觀項目、梧州碧桂園項目、江門廣海新城項目、文博一期項目等，受到Lumion官方推薦及國內外好評。

當前，如何將Sketch Up、Lumion等技術應用在各類項目的規劃設計環節中，已成為專家學者和規劃設計人員共同關注的熱點問題之一。吳旺［6］、胡宇祥等［7］將Sketch Up、Lumion應用在農業 水利工程設計中，宋秀英［8］、杜潔等［9］將Sketch Up、Lumion應用在園林景觀設計中，蔣吉凱［1］、劉卓賢［10］、羅致華［11］將Sketch Up、Lu‐mion應用在建筑設計中。以上研究從技術與軟件的介紹、軟件的使用方法、場景的呈現等方面進行了理論分析和應用研究，總之，Sketch Up、Lumion技術和軟件在農業中的應用前景十分廣闊。

1.3 海南共享農莊三維可視化技術應用情況

三維可視化設計技術在海南共享農莊項目規劃設計環節的應用仍處于起步和探索階段，相關設計案例仍較少。三維可視化方案在海南共享農莊規劃設計應用中，顯得非常迫切且具有較好的應用前景，在具體的規劃設計中，具有獨特的優勢，主要表現在3個方面：一是在地形地貌處理上，可真實地反映共享農莊中多種地形，可以很好地和周圍環境融合；二是在熱帶地區獨特氣候條件處理上，可以根據海南共享農莊設計中需要的區位，時令調整太陽的高度以及整體環境的光照強度；三是在農作物產業規劃布局上，豐富的植物模型庫，可以方便地實時調用，很好地實現設計師與農莊業主之間的溝通互動。

2 海南共享農莊三維可視化設計

2.1 海南共享農莊三維可視化規劃設計總思路

本文設計的海南共享農莊三維可視化項目包括前期準備、平面規劃設計、三維模型設計、實時仿真設計、成果輸出等五部分內容，在前期調研的基礎上，先采用CAD技術與軟件進行海南共享農莊的平面規劃設計，在平面規劃設計方案的基礎上，采用Sketch Up軟件進行工程項目三維建模，在建立的三維模型基礎上，采用Lumion技術與軟件進行工程場景的實時仿真，根據仿真結果進行成果輸出和展示。海南共享農莊三維可視化規劃設計總思路如圖1所示。

圖1海南共享農莊設計總思路

2.2 前期準備和平面規劃設計

專業測繪人員對海南共享農莊工程現場場地進行測繪，并形成場地的現場地形和地貌CAD測繪圖紙，同時，借助無人機進行傾斜攝影，獲取工程場地更多的數字化信息。借助谷歌地圖和所在區域的基礎統計資料，對工程項目區及周邊區域的資源環境進行分析和有效信息提取。

根據該工程項目的資源稟賦、產業特點和發展定位，運用CAD技術與軟件進行項目場地整體平面規劃設計，繪制出CAD總平面方案，統籌謀劃好園區的道路交通體系、產業分區、公共區域等關鍵環節。本文設計的海南共享農莊，主要謀劃了共享果菜種植區、休閑垂釣區、花海科普區、河谷探秘區、公共服務區五大分區，突出了農業共享的特色。海南共享農莊部分區域平面規劃示意圖如圖2所示。

圖2海南共享農莊部分區域平面規劃示意圖

2.3 三維模型設計

首先對設計的海南共享農莊的CAD總平面方案進行優化，清理多余的圖層和線段，減少對后期三維模型的干擾。然后，將優化后的CAD文件導入到Sketch Up軟件中，選擇同等繪制單位，保證模型實際比例為等比例，以確保模型的真實準確。結合Google Earth及無人機傾斜攝影等航拍影像圖片，進一步優化項目定位的精準性。運行Sketch Up軟件中的線段、圓弧、沙盒、物體推拉、路徑跟隨等命令及工具，對道路、建筑等主要工程項目進行三維建模，完成場地和主體工程的建模，同時配合使用各種插件工具，提高三維建模效率。

完成三維建模后，對場地主要模型賦予簡單材質，一方面，使得模型更加真實，能滿足前期規劃師與業主單位簡單溝通交流的需要，充分體現出Sketch Up軟件的使用簡單、展示直觀、修改方便等特點和優勢；另一方面，能為下一階段Lumion實時仿真提供基礎，以提高工作的銜接效率和準確性。海南共享農莊部分區域三維模型設計示意圖如圖3所示。

圖3海南共享農莊部分區域三維模型設計示意圖

2.4 實時仿真設計

將采用Sketch Up建立的海南共享農莊的三維模型文件以“.skp”文件格式保存，并導入到Lumion軟件中進行實時仿真設計，主要包括地形仿真、場景仿真和產業仿真等部分。

地形仿真可以通過導入地形灰度圖，利用Lumion軟件中的地形起伏工具進行模擬和生成，也可以利用地形推拉工具對模型地形的細節進行模擬和完善，并賦予表層紋理，進一步提高地形的逼真程度。

場景仿真主要包括環境、建筑、人物和車輛的仿真，對于環境的仿真可以利用Lumion軟件自帶的環境模擬工具進行仿真，包括不同季節、太陽高度、云層、風向等參數，對水流進行模擬，Lumion軟件自帶的水流效果十分逼真，對于依水而建的共享農莊等休閑農業項目十分有利，能模擬動態的水流、飛鳥游魚穿梭的景象；對于建筑的仿真，可以利用Sketch Up三維模型文件的建筑信息，賦予新的材質和紋理，可以對不同材質的RGB值、光澤、凹凸等進行編輯，模型材質所見即所得［12］，也可以利用Lumion軟件自帶豐富建筑模型庫，進行簡單的配置；對于人物和車輛的仿真可以利用Lumion軟件自帶模型素材，根據場景需要和計算機硬件條件，設計師可自主選擇2D和3D素材，素材仿真，程度高，同時可設置人物和車輛的運行軌跡。

產業仿真主要包括環境植物和種植類產業作物的仿真，利用Lumion軟件自帶的植物素材庫、以及其他植物素材庫以及植物模型生成軟件進行特有植物的模擬定制。應用植物貼圖在場景中模擬周圍環境，減少模型文件大小利用，提高效率；應用精度高的3D模型，模擬重點展示區域的花卉、熱帶水果、熱帶作物種植，顯著提升展示的效果。

2.5 成果輸出

Lumion軟件主要可以輸出的成果有靜幀圖片和視頻動畫兩類。可根據海南共享農莊項目展示的需求，對全景鳥瞰、局部透視、人視漫游等鏡頭場景進行設置，并賦予季節交替、時間光照變化、遠景近景虛化、轉場鏡頭等特效，豐富鏡頭語言和展示內容。海南共享部分區域實時仿真設計示意圖如圖4所示。

圖4海南共享農莊部分區域實時仿真設計示意圖

Lumion技術與軟件在海南共享農莊實時仿真設計中的應用經驗：相較于其他三維可視化設計軟件，Lumion最突出的優點在于鏡頭調整簡單和渲染輸出高效，Lumion軟件中用鍵盤的“WSAD”按鍵控制前后左右移動，用鼠標滾輪和右鍵控制鏡頭視角的轉動，與眾多熱門的第一人稱3D射擊類、體驗類游戲類似，操作簡單易上手；Lumion軟件中生成靜幀圖片和視頻動畫堪稱“傻瓜式”一鍵生成，其實時渲染的效果，能讓設計師在設計環節就能很好體現設計語言，不需要太多復雜的后期制作工序，靜態和動態效果就可以達到“照片級別”和“影視級別”［13］。此外，Lumion軟件在渲染圖片和視頻動畫非常快速和高效，相較于3D Max、Vray等其他軟件視頻渲染動輒需要數小時以上，Lumion軟件只需要短短幾分鐘就可以完成，效率已然得到了質的提升，輸出成果品質較高，基本無需后期修飾，就可以達到成果展示的商用級別，極大提升了三維可視化設計的質量和效率。

3 結語

隨著以Sketch Up和Lumion為代表的三維可視化技術的不斷發展和更新完善，與其他傳統規劃設計手段相比，Sketch Up和Lumion展現出了更友好的操作便捷性、更精準的實時性、更強大的互動性、更生動的可展示性，其在海南共享農莊規劃設計的應用中更具優勢，可以有針對性地模擬項目場地環境、熱區典型自然條件，可以隨時調用豐富的自帶模型庫、特色建筑和熱帶經濟作物等素材，以及簡單高效的圖片和視頻動畫渲染輸出。進一步增強了海南共享農莊規劃設計師與農莊業主之間的溝通互動，提升了規劃的準確度，為指導項目審批和建設提供了新的方式和抓手，是以共享農莊為代表的海南休閑農業項目規劃設計新的探索和重要的技術升級，對促進共享農莊產業發展、助推鄉村振興具有積極的意義。