基于Rhino+Grasshopper平臺的山嶺地形參數化技術應用分析與研究

范文曉， 喬東閣,2， 鄧雲汀,3

（1. 新疆工程學院土木工程學院；2. 涵熙（蘇州）工程顧問有限公司；3. 中鐵建設集團有限公司華中分公司）

1 引言

目前，針對復雜地形，很多設計軟件雖然已經能夠完成地形建模需要，例如Sketch Up、Lumion 和Rhino等，但如何借助參數化技術針對地形模型進行數據分析和討論，需要進一步研究和探索。已有研究和應用實例表明，Rhino+Grasshopper 三維可視化技術能夠運用于園林景區分析[1]、雪車雪橇賽道自由曲面構建[2]、復雜地形道路選線設計算法應用[3]、3D建模解析[4]、建筑綠色節能設計性能分析[5]。Rhino+Grasshopper參數化技術不僅可以實現空間異形曲面建筑物高精度建模，而且還能夠運用邏輯構建原理進行大量數據處理和分析。基于此，作者考慮在復雜曲面地形中，將Rhino+Grasshopper 參數化技術首次運用到山嶺模型構建分析，以烏魯木齊雅瑪里克山為對象，構建地形模型，進行山嶺等高線、坡度和坡向、日照分析的邏輯構建應用與分析研究。

2 雅瑪里克山地形模型建立

雅瑪里克山又稱妖魔山，外圍周長16km，最高點青年峰海拔1391m，是烏魯木齊具有一定歷史文化傳說的風景山區，也是地標性景點。本研究運用地理空間數據云網站結合全能電子地圖下載器，爬取雅瑪里克山指定范圍地形數據，保存DEM 數據。在Global Mapper 中，選擇指定范圍，軟件系統自動抓取地形數據，運用Rhino打開導出的海拔網格格式中的 DXF Mesh 格式文件，即呈現出雅瑪里克山地形圖。根據此地形模型，可進行相應的邏輯構建應用及數據分析。

3 山嶺等高線Grasshopper 邏輯構建原理分析及應用

通過Grasshopper 邏輯構建，輸入10m 間距生成地形網格面等高線，拾取所有等高線以獲取等高線上的點，對點的三維坐標進行分解，其Z軸上的數據代表該線段的高程數據，將數據由小到大進行排列并賦予不同顏色。從等高線分析圖1中可以看出雅瑪里克山等高線最高為1381m，最低為851m，這與實際最高點青年峰海拔1391m 的數據基本相符，其數值差是由于等高線間距設置所致。通過Rhino 三維圖示（見圖2）可以看出地形的輪廓和走勢情況，山地北部呈現大面積紅色和黃色，地勢相對較低，山地最高峰位于南部。圖中呈現的山峰、山脊、山谷、斜坡等地形類型提供了高差數據，可為場地規劃設計人員進行場地設計、規劃路線等提供參考，設計者可利用場地高差因素進行合理的方案設計。

圖1 雅瑪里克山等高線分析

圖2 等高線分析三維效果圖

4 坡度和坡向Grasshopper 邏輯構建原理分析及應用

基于坡度傾斜角的計算，本文考慮用曲面上點的法線向量與Z軸所成夾角計算坡度。拾取所有地形網格面后對網格面上各點向量進行分解并計算法線向量與Z 軸所成夾角，將計算出的弧度轉化為角度形式，根據坡度的大小賦予不同顏色，將雅瑪里克山地形模型導入Grasshopper分析坡度。由圖3坡度分析可以看出，雅瑪里克山坡度在0°～42°之間，整個山地綿延起伏以黃色區域居多，主要坡度集中在15°～25°。山地北部地形較為平緩，少部分區域出現急峰，地勢險峻，坡度較大，呈現紅色。其山勢峰巒疊嶂，溝梁交錯，有利于多層次植被組織與種植，可為山地景點道路規劃、平臺設置和植被種植分布等提供參考依據。

圖3 雅瑪里克山坡度分析

在Grasshopper 中先計算出坡向方向，以180°和-180°兩個區間合成360°，以Y 軸進行劃分計算Y 軸與投影向量的夾角，夾角度數范圍為0°～180°，將8個坡向方向轉化成度數形式，按每個方向的度數范圍各自成組；0°是正北方向，以左逆右順時針為原則來計算，在Grasshopper 中將180°劃分成5 個區間范圍來代表5 個方向，通過Grasshopper 將所有組別數值合成整體，將同區間數值歸為一組，最終產生代表8個方向坡向的10個組別，以不同的色彩示例呈現。對雅瑪里克山進行坡向分析，從圖4 可直觀了解到場地坡向分布，山地南坡以西南向為主（藍色區域），山地北部地形以東向為主（紅色區域），同一坡向的地形集中在某一區域分布，由于我國地處北半球，南坡坡向的日照時間相對較長，自然環境適合陽生植物的種植，根據山地的坡向分布可以進行植物的群落分布和種植配置，可形成具有地方特色的林相。

圖4 雅瑪里克山坡向分析

5 日照Grasshopper 邏輯構建原理分析及應用

采用地形面域方式計算分析的日照分析對場地規劃設計的空間布局、種植植物種類選擇、活動休息場地選擇等方面具有重要的指導作用。在Grasshopper 中選用插件輸入所需要分析的時間段，并將地形所處經緯度作為參數輸入，可以運用插件分析太陽光照與地形、地形障礙物之間的遮擋情況，但其計算結果并不是傳統日照分析計算的絕對值，而是一個日照系數的相對值，將作為一個參考量獲知地形的日照情況。對Grasshopper邏輯構建進行分析，以2022年春分當日早6點至晚20點作為時間輸入，取43°54′N，88°07′E 作為地形經緯度參數輸入。由于場地會有遮蔽物分布，并不一定是完全自然生態，因此將日照分析分為自然生態和有遮蔽物的情況。

針對自然生態情況，拾取雅瑪里克山地形模型，分析2022年春分節氣日照情況，由圖5看出，該地形的日照相對系數最高為14，最低為0，山地及其周圍地形西側日照相對系數較高，處于10～14 之間，而地形東部日照相對系數較低，呈綠色區域，基本在10以下，分析為新疆白晝較長，午間至午后還有較長時間的日照輻射量，及西曬時間較長所致，可據此進行地形設計及植物種植種類選擇。該情況適用于自然生態風景區的規劃設計。

圖5 日照分析（自然生態情況）

6 結語

與其他軟件系統平臺相比，Rhino+Grasshopper結合的參數化技術以其強大的運行和處理大量數據的功能獨具優勢。本文利用Rhino+Grasshopper 對烏魯木齊地標性景點雅瑪里克山進行了等高線、坡度和坡向分析及日照分析，得出的三維可視化結果直觀明了且便于分析，可為景區規劃設計、種植植被種類選擇、游覽路線組織等方面提供參考，該方法推廣至各類地形分析研究，可以取得準確與直觀的效果。