基于增强实境的地形设计沙盘系统研究

蔡凌豪

基于增强实境的地形设计沙盘系统研究

蔡凌豪

对地形的测量、分析、调整、重构是景观设计学的基本方法，由于计算机技术的发展，我们已经可以在计算机中直接塑造地形，但传统沙盘的直观性和人手的灵活性，在目前阶段还无法替代。通过对当前地表模型的构建和塑形技术，以及物理沙盘与数字技术相结合的方案的研究，建构了基于增强实境的地形设计沙盘系统，该系统综合了传统沙盘和数字技术的优势，能够充分调动人的直觉感知和计算机的高速运算与分析，增强了景观规划设计中的地形设计的能力。

地形设计；虚拟实境；地表模型；沙盘

1　地表模型的发展历史和模型方法概述

景观学的核心内容之一，是对土地形态的研究。土地形态是生态环境、城乡发展、景观规划设计、景观视觉、地表水文、土壤侵蚀、植物景观等研究的基础要素，是人居环境的基底形态。对地形的测量、分析、调整、重构是景观设计学的基本方法。随着CAD技术和GIS技术的普及，已经有数量庞大的硬件设备和软件可以测量、描绘和分析地形，并建立数字地表模型。但是，景观规划设计过程中地形的调整、塑形和重构的技术却长期停滞不前。

在现代地理学、测绘学出现之前，土地形态只能通过绘制粗略的地形轮廓和地势走向来大致表达，由于缺乏精确测量技术和从高空俯瞰观察土地整体形态的技术手段，且意识到二维的平面无法准确表达地形的高程坡度变化，古代地形图的绘制经常采用平面和立面相结合的方法［1］——实质是将三维形态进行水平和垂直切片。尽管不能精确地描述地形，较之后世的等高线法，这种方法更符合人与地形尺度差异所形成的空间观察关系，它建立了一种动态的平移式的空间表述，与人置身于地形之间的运动构成某种程度的协调（图1），反映了人类对于地形表达的基本诉求——既需要全局的平面以表示空间布局和尺度，又需要人视高度下的真实空间感知，并以此建立起整体的空间认知。

图1　定海县境图（南宋），融合了平面的河流城市分布和立面的山川形态Fig.1　territory of Dinghai County （the Southern Song Dynasty）

等高线法一直是最基础也是最重要的地形描述方法。尽管修改等高线可以快速改变地形，但因为基于二维平面投影，等高线法缺乏形象的立面描述和三维表达，也不能表现特殊的地形变化和细微的地形起伏，使设计者尤其是初学者无法快速地感知并进一步建立与之关联的地表形态，从而使景观的空间尺度和形态变得混乱错误，成为景观设计教学和实践过程中的一个难题。

使用沙子、黏土、木头、纸板等可塑性强或方便切割的材料，在等高线的基础上构建实体三维模型的模型法，方便观察，可塑造地形的局部细微变化，弥补了等高线法的不足。但无论是模型还是等高线，都是地形在“上帝视角”下的微缩模拟，尺度和视角决定了这些方法无法真实地体现人在地形中的空间感受和视觉感知。运用基于内窥镜原理的“模型观察器”来观察模型，以获得“进入”式感知和“浸入”式体验，曾经流行一时。

手工模型可直接用于水文、风洞等各类实验，以获得与地形相关的数据。20世纪80年代早期，哈格里夫斯事务所（Hargreaves Associates）就开始使用沙盘模型来研究设计地形（图2）［2］，他们用沙、黏土和混凝土来建造大比例尺地形模型，在瓜德鲁普河公园项目中，甚至建造了一个长达9m的河道模型，使用有颜色的沙粒混合水流不断冲刷，以研究泥沙在河床中的自然沉积。这种方法被南加州大学Landscape Morphologies Lab继承，2012年春季开展的景观研究生studio在洛杉矶河（Losangeles River）项目中，开发了一个物理模型用于BowTie河段拆除混凝土驳岸恢复自然河床之后的水文研究，尤其是洪水对于河床驳岸的影响（图3）。

图2　瓜德鲁普河公园地表模型细部（哈格里夫斯事务所，1988-1990）Fig.2 Guadalupe River Park sandbox model（Hargreaves Associates， 1988—1990）

然而，复杂的手工模型制作困难，耗时费工，不适于周期较短的项目使用。基于等高线的梯田法能够较好地将等高线和三维模型结合，但与地表的实际形态不符，只适于制作工作模型概念化表达。手工地表模型还必须通过三维扫描转换为二维的等高线，以方便图纸描绘，流程较为复杂。

在航测技术、遥感技术、计算机图形学、GIS技术和CAD技术的辅助下，制作数字地表模型的方法和技术日新月异。

其中，DTM（DEM）是最主要的数字地表模型［3］。由于DTM（DEM）是基于规则的方形网格（Mesh），其精度取决于单元网格的尺寸，在描绘复杂地形和三维化地形时，既耗费资源，也很难精确地表达地形的转折变化。因此，需要将DTM（DEM）转化为不规则三角网（TIN）来表示更复杂的地表形态，通过用一系列折点（点）来构建三角网络，能够精确地表现三维地表。在构建大尺度复杂地形时，基于TIN的层次地形模型（Layer of Details，LOD）可以表达多种不同精度水平的数字高程模型［4］，允许根据不同的任务要求选择不同精度的地形模型。

借助日益强大的计算机图形处理能力，强化数字地形模型的调整和塑造功能。如Autodesk公司的Civil 3D和Infraworks， 既可使用传统的等高线调整TIN模型，也可使用要素线、放坡、路线等关键线对地形进行调整。Vue等数字造景软件使用灰度图控制地形的高程变化。Sketchup软件提供了沙盒（Sandbox）功能，可以使用数种工具对网格进行推拉塑形。Rhino+Grasshopper或Maya软件可以塑造由参数控制的复杂几何曲面形态地形。Mudbox、Zbrush、Tspline等动画雕塑和工业造型软件由于具有强大的数字雕塑功能，也被用于地形设计。

数字地形模型的塑形方法已经在景观设计中得到较普遍的应用。如在James Corner Field Operations和Wilkinson Eyre建筑事务所所设计的纽约总督岛项目中，利用仿生学方法将地表形态模拟为一个吸滤海潮的贝壳结构，使用三维建模软件（主要是Maya），模拟不同的海潮和洪水条件下的淹没场景，以精确控制和测试地形，使其能够形成过滤净化的土地结构和生境群落［5］（图 4）。

在二维的屏幕上使用鼠标或压感笔进行数字地形设计，缺乏对地形的三维空间和尺度的整体把握，也缺乏直觉式的体验感知。早在2001年，卡耐基梅隆大学建筑学院计算设计实验室的Ellen Yi-Luen Do主持的Digital Sandbox项目就开始研究直接用手来控制和塑造数字地形①。随着虚拟现实技术的发展，数字手套已经可以精确感知手指的方位和移动的速度与力度，更加精细地控制数字地形的变化。

但基于TIN模型的数字地形塑形技术由于必须处理数量庞大的点阵和三角网络，这使得地形的精细修整变得十分困难，通常仍需借助调整等高线，再重新生成TIN的模型，这又回到了“等高线”难题。同时，计算机屏幕显示的依然是三维模型的二维投影图像，与真实地形之间依然存在难以愈合的感知困境。

图3　物理模型上的水文实验（南加州大学Landscape Morphologies Lab）Fig.3 hydrological experiment on the sandbox model（Landscape Morphologies Lab）

图4　纽约总督岛项目的数字模型及水文分析（James Corner事务所）Fig.4 digital model and hydrological experiment of　Governors Island， NY.（James Cornerfield Operations）

2　沙盘模型与数字模型相结合的探索

传统沙盘模型由于三维直观、修改快捷、可充分利用人的视觉和触觉等感知等特点，有着数字地表模型无法取代的优势。同时，数字模型的精确、美观、便于分析和转换、易于与进一步的设计和建造对接等特点弥补了传统沙盘模型的不足。因此，世界上许多研究和实践机构从21世纪初期开始探索将传统沙盘模型和数字模型相结合的地形设计方法。

其中，2002年MIT Media Lab开发的“Illuminating Clay”系统，是较早将黏土模型—三维扫描—数字地表模型—数据分析—投影反馈相结合的交互式地形设计系统［6］。设计人员利用黏土模型来自由塑造地形，顶部的三维扫描仪即时扫描黏土模型，并通过一个交互式界面控制分析地形，分析结果被投影仪投射至黏土模型表面。同时，地形的剖断面，人视角度的地形三维可视化会被投影至不同区域，以综合辅助设计人员全局把握地形的不同层面和细节［7］。由于当时硬件条件的限制，系统采用的Vivid 900激光扫描仪尺寸巨大（第二套系统改用红外扫描方式），导致系统整体比较笨重。计算性能的局限也使地表分析不能做到完全实时，投影精度也略显不足。但即使在计算机性能远超系统诞生年代的今天来看，该系统的设计还是非常超前和完善，该研究为以后的类似系统的研发打下了坚实的基础，指明了清晰的技术路线（图5）。

图5　“Illuminating Clay”系统（MIT Media Lab）Fig.5 “Illuminating Clay” system （MIT Media Lab）

图6　ETH的景观地形设计系统，采用Kinect摄像头作为三维扫描设备Fig.6 landscape terrain design system of ETH and the 3D scanner with Kinect

瑞士苏黎世联邦理工学院克里斯托弗·吉鲁特教授（Christopher Girot）领衔的团队从2009年开始，开设了景观课程MASLA（Master of Advanced Studies in Landscape Architecture）。该课程由6个模块组成［8］。其中景观建模、景观可视化与分析模块的主要工作方式是将大尺度三维激光扫描、传统沙盘模型、精确的数字建模分析和计算机辅助建造CAM（Computer Aided Manufacturing）技术相结合，建立起了一套流畅的景观地形设计系统（图6）。首先用激光扫描扫描原地形，形成数字点云，并转化为原地形数字模型，利用激光雕刻机在木头或硬质泡沫塑料中雕刻出原地形的负模，将沙盘中的沙子填入负模并倒置入沙盘，即可精确模拟原地形。学生可以在沙盘中随意操作和修改地形，负模可以随时将修改后的地形恢复原状。置于沙盒上方的三维扫描仪（使用微软的kinect摄像头）可以将沙盘模型随时转化为数字模型。团队开发了专用软件可以对数字模型进行二维分析和可视化，并将其输入Rhino软件中进行深化设计。设计完成后的数字地形使用便携式的小型数控机床（CNC）雕刻成型。手工的沙盘使设计者避免在计算机中进行复杂繁琐的地形建模和修改，而使其能够专注于用手感知地形的变化，从而激发了设计者的创造力［9］。这套系统的局限在于负模的限制使沙盘的尺寸不能用于大场景的地形制作。

图7　Rapid Landscape Prototyping Machine的工作过程Fig.7 working process of Rapid Landscape Prototyping Machine

南加州建筑学院Landscape Morphologies Lab在加利福尼亚州欧文湖（Owen Lake）项目研究过程中，为了探索如何利用地形改造和水域生成来应对和治理欧文湖地区的沙尘问题，开发了一套名为RLPMachine（Rapid Landscape Prototyping Machine）的地形研究设备［10］。该系统混合了工程沙盘模型技术、机器人技术、数字投影和三维扫描技术，创造了一个全新的多感知的设计平台。智能机械臂根据控制计算机事先计算好的路线自动选用不同的工具对地形进行雕刻，这些工具有模拟自然风蚀的风管、模拟铲车的铝制刀头等。机械臂的动作尽量模拟真实的工程过程。沙盘模型雕刻完毕后，进行三维扫描，转换为DEM模型，模拟不同的沙尘、水文条件场景，在GIS系统中进行各类分析。系统并不只产生单一结果，而是模拟出一系列不同的地形设计，分别雕刻分析后，优选多个地形，使用特殊的固化技术将沙子黏结成型，置入一个交互式模拟装置中，这个装置由顶置投影仪、平视显示器、沙盘及控制面板组成。交互式装置可以让设计者、工程人员、政府管理部门和公众选择不同的沙盘场景，同时选择不同的水文和沙尘条件，顶置投影机将预先计算好的各类分析结果投射到沙盘之上，同时平视显示器模拟出人视角度的欧文湖设计场景及预测的变化（图7）。

这套系统最大的创新是使用了机器人雕刻沙盘，使地形模型的可控性和精度都得到空前的提高，但同时又失去了手工直觉塑形的优点。刀头的移动路线受到沙子流态的局限，并不能完全模拟实际的工程操作，雕刻出的地貌形态也颇受限制。该系统的使用非常复杂，也无法做到即时扫描地形，不利于推广普及，只适用于特定项目。

加利福尼亚大学戴维斯分校W·M·Keck中心等机构在由美国国家科学基金赞助的淡水湖和流域科学科普教育项目中（NSF-funded project on informal science education for freshwater lake and watershed science），由Oliver Kreylos开发了一个沙盒模型（ARSandbox）作为辅助教具，它由实体沙盒、微软kinect摄像头、投影仪及自主开发的模拟软件组成。用户可以随意塑造沙子模型，通过kinect摄像头实时扫描后，后端模拟软件计算出等高线和高程梯度色阶，由投影仪投射至沙盒表面，还可模拟汇流区和水流的动画效果。但由于该设备主要用于博物馆、科技馆等机构的儿童科普活动，因此后端分析功能并不适合专业工作，只具备最基本的等高线显示功能，且软件模块基于linux系统，安装不便，无法导出TIN数字模型或等高线矢量数据［11］。

3　构建适合于景观设计和教学的增强实境地形设计系统

综合分析目前存在的数字沙盘系统的构成及其优缺点（表1），结合数字技术和图形技术的最新发展，根据景观设计教学及设计行业的需求和特点，适合于本学科的地形设计系统应具有以下特点。

（1）充分发挥沙盘模型和数字模型的特点和优势，将两者有机融合为一个无缝衔接的地形设计系统。

（2）快捷的信息扫描与传输。实时扫描沙盘模型地表信息的变化，快速建立通用地表数字模型，即时分析数据。

（3）基于增强实境原理，分析数据能够及时反馈至沙盘表面，为地形设计过程提供参考。

（4）根据不同需求构建分析模块，能够输出通用数据，具备与其他规划设计软件如GIS系统与BIM系统交互的接口。

（5）操作便捷，具备交互式设置和操作界面。

如前文所述，传统沙盘虽然具有便捷直观直觉的操作体验，但其在塑造地形的过程中缺乏地物校正和分析反馈，使地形设计的过程比较盲目而粗糙，不能及时获取设计地形的坡度坡向与地表汇流的数据，很难在塑造地形的同时考虑复杂现状如道路、建筑、植被、土壤类型、基岩分布等情况。而增强实境技术则可将等高线、坡度、现状及设计等信息叠加于地形沙盘之上，大大丰富了传统沙盘的信息，使设计者在塑造地形的同时，根据这些信息即时校正和优化，有的放矢，综合了传统沙盘和数字模型的优势。

表1　当前主要的数字沙盘地形设计系统对比Tab.1 comparison of main digital sandboxes

增强实境（Augmented Reality，简称AR），是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在，从而增强和丰富了真实世界的信息。AR系统具有3个特点：一、真实世界和虚拟世界的信息集成；二、具有实时交互性；三、在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。增强实境技术在虚拟设计、仿真设计等方面具有广阔的应用前景。Google 公司的Google Glass， Microsoft公司的Hololens眼镜，都是增强实境技术的应用成果，尤其是后者，设计界已开始尝试将其用于城市规划、建筑设计等方面［12］。

基于增强实境的地形设计沙盘系统可分为原地形输入模块、地形塑造模块、三维扫描模块、三维数据后处理模块、数据分析模块和视觉展示模块。为了达到即时反馈交互的效果，需要将三维扫描模块、三维数据后处理模块、数据分析模块和视觉展示模块联动，做到即时捕捉即时运算即时显示，或将数据传递和运算的时滞做到最小。

（1）原地形输入模块

沙盘模型首先需呈现为设计区域的原地形，使地形的改造能够在原地形的基础上进行，这对于非平坦地形的改造至关重要。靠手工塑造原地形显然并不现实。因此，原地形的输入的可选择方式主要有负模和机器人。两者各有其优缺点。负模造价较低，使用便捷，但尺寸受限，且使用雕刻机加工负模较为费时。机器人费用高昂，需事先根据原地形数据设定刀头路径，但路径确定后可全自动无人值守工作，雕刻快捷精确。

（2）地形塑造模块

通常是在传统沙盘中使用各类工具对地形进行微调、塑形、重构。沙盘的尺寸和塑形的材料可根据不同的设计对象灵活调整。塑造地形的材料通常使用沙子或黏土。黏土的塑性较强，易于造型，但加工不如沙子方便。地形塑造模块可先以人工塑造，充分发挥手的灵活优势和手脑合一的协调性，确定基本造型后，可用机器人手精雕，进行局部修整。

（3）三维扫描模块

将沙盘模型数据化并转化为DEM或TIN模型进行数据分析是地形设计系统的关键。可选择的有便携式三维扫描仪或微软的kinect摄像头。便携式三维扫描仪利用激光束在物体表面的反射所构成的点云来建立三维模型，精度高，但扫描范围有限，单束激光需在模型表面进行行列式扫描，在扫描较大尺寸的沙盘时需移动扫描仪以覆盖整个沙盘表面，因此无法做到即时地形扫描输入。基于红外原理的Kinect摄像头是微软公司于2009年为游戏主机XBOX360所开发的体感周边外设。它是一种3D体感摄影机，原理是采用光编码（light coding）技术，使用特殊光源发射具有三维纵深的激光散斑（laser speckle），在物体表面形成随机衍射斑点。Kinect通过定时标定摄像头拍摄范围内的整体衍射斑点图案，就可以即时判定物体的深度值，从而建构起深度图像，灰度标定的深度图像可转为点云以建立三维模型［13］。Kinect的深度图像分辨率为320×240，经过插值后为640×480。2014年微软发布了KinectV2版，优化了深度捕捉机制，通过更高的深度保真和大幅改进的噪声基底，使深度图像的分辨率和稳定性都得到很大的提高（图8）。Kinect摄像头的最大优势是可以做到动态即时捕捉，可实时扫描沙盘模型的变化，即时在计算机中获得深度图像。缺点是仅能建构被Kinect摄像头拍摄到的表面，被遮挡表面因无深度数据而成为空洞，且有最近和最远摄距的限制。

图8　微软Kinect摄像头（上）Kinect V2摄像头（下）Fig.8 Kinect V1 （upper） and Kinect V2 （lower）of Microsoft

（4）三维数据后处理模块

图9　增强实境地形设计沙盘系统Fig.9 sandbox for terrain design based on AR

将三维扫描仪获得的点云或深度数据转化为通用的DEM或TIN数据，以方便深入分析。三维激光扫描仪后处理通常需要利用厂商提供的软件或第三方软件平台，三维扫描和后处理不能做到即时动态运行。Kinect提供了SDK开发包，可直接使用Rhino+Grasshopper作为后处理模块。Rhino采用标准的CAD界面和通用的Opennurbs内核，所以具有强大的格式转换能力，构建的三维模型能方便地输入其他专业软件。Grasshopper是目前最流行的图形化编程平台，和Rhino完美对接，为Rhino提供了强大的参数化设计能力［14］。

（5）数据分析模块

利用Rhino+Grasshopper编制各类分析算法TIN数字模型进行数据分析。对于较复杂的分析，Grasshopper不能实时得出分析结果，需要一定的计算时间。如需更为精确和复杂的分析，也可将点云或TIN模型导入GIS平台、AutodeskCivil3D、Flow3D等具备地形分析和水文分析功能的软件之中进行数据分析。

（6）视觉展示模块

将地形及分析结果通过显示设备展示，使设计者、管理部门和公众能够对地形设计进行评估，选择和优化。最常用的显示设备是显示器和投影仪。使用投影仪可以将分析结果及不同的分析数据如等高线、坡度等投射到沙盘模型表面，使虚拟的数字模型和物理的沙盘模型叠加在一起，丰富了物理沙盘模型的表面信息，同时为进一步修改沙盘模型提供了依据，构成增强实境系统。同时，使用VR头盔作为虚拟现实显示系统。

4　基于增强实境的地形设计沙盘系统的建造

图10　Grasshopper编制的后处理模块和主要分析模块Fig.10 postprocessor and main analysis module compiled by Grasshopper

本文作者于2015年11月建造了原型机，在作者所任教的学校进行演示，获得了多位教师的一致认可，均认为该系统在风景园林教学和实践过程中具有重要的应用价值和推广前景。作者在原型机的测试基础上，建造了实用的大尺寸地形设计沙盘，以辅助教学、科研和实践工作。

该系统由0.8×0.6×0.2m的有机玻璃作为沙盘容器，透明的有机玻璃便于以平视视角观察地形。以白色石英砂作为塑造介质，干燥的沙子流动性较强，可加入一定量的水使其保持粘性。采用负模作为原地形输入模块（后期将采用机器人机械手）。将微软Kinect摄像头固定于沙盘正上方，距沙盘0.8m。经过计算，摄像头的取景范围正好覆盖沙盘，此时深度图像的横向分辨率为1.25m，纵向分辨率为4mm，基本满足沙盘的精度要求（图 9）。

在雕塑沙盘中的地形时，Kinect摄像头实时捕捉地形的变化，将深度数据通过USB接口送至高性能图形工作站。工作站运行Rhino+Grasshopper作为后处理模块和数据分析模块。

作者在Grasshopper Firefly插件的基础上，优化了数据读取的方式和稳定性，利用Grasshopper和PYTHON、C#编制了各类后处理和分析模块（图10），实时读取Kinect获得的深度图像并将其转化为点云，通过DELAUNAY算法转为TIN模型，根据设定的比例尺和等高距，计算出自动平滑之后的等高线（Kinect摄像头有一定的背景噪音，需对等高线做平滑处理），并在TIN模型的基础上，以最快的速度进行分析，这些分析目前包括等高线、高程色阶、任意点高程、坡度、坡向、坡度曲率、填挖方与土方平衡、地形立面、地形剖断面、阴影遮挡分析、日照辐射系数计算、地表径流模拟、土地侵蚀、可视性、道路选线、开发选址、场地仿真等各类分析［15］。

分析项目可以在Grasshopper中自由切换，为了方便操作和设置系统，专门编写了更加简洁的控制面板，使用者无需掌握Rhino和Grasshopper的使用方法，也可以通过直观的控制面板对沙盒系统的主要功能进行设置。分析结果通过固定于沙盘顶部的投影仪投射至沙盘表面。经过精确的投射距离计算，保证投影仪的显示误差最小。雕刻地形从扫描到输出到分析到显示，整体时滞可低于500ms，如只需投影显示等高线及坡度坡向分析，则时滞在100ms以下，实现在人工修整地形的同时，等高线、坡度等分析结果即时显示于沙盘表面。设置极限坡度值后，突破极限值的区域将出现红色提示，使设计者可以及时优化地形。顶置投影仪还能将现状或设计构筑物、道路和场地、不可移动的现状树等地形限制要素投射于沙盘表面，作为地形设计参考（图11）。

利用leapmotion技术，该地形设计系统具备了手势感应功能。设计者可以随时利用手势切换投射于沙盘模型上的分析数据类型，无需使用鼠标键盘，使设计者专注于地形雕塑过程而不被繁复的操作所打断。

获得相对确定的地形设计方案后，将R hino中的T IN模型导入ArcGIS或Civil3D软件中进行深入分析或深化设计。最终方案可利用数字切割机，CNC（数控机床）或三维打印机将数字地形制作成实体地形，以获得更直观的感知，方便展示和移动。

5　结论与展望

计算机图形技术日新月异地飞速发展，设计者已经可以在计算机中直接塑造地形，但传统沙盘的直观性和人手的灵活性，在目前阶段还无法替代。通过对当前世界上较为成熟的传统沙盘与数字 技术相结合的方案的研究，本文提出了基于增强实境的地形设计沙盘系统的构想，并制造了实用机型应用于景观教学与设计工作中。实践证明，该系统综合了传统沙盘和数字技术的优势，能够充分调动人的直觉感知，利用计算机的高速运算与分析，结合最新的增强实境技术，设计者在塑造地形的同时，即时从量化分析、视觉体验等不同层面评估其可行性，为设计者提供充分的设计依据，使其能够随时洞察地形设计所影响的动态系统，激发设计者的创造力，极大地增强了景观规划设计中的地形处理能力和设计效率。设计者拥有更强大的创造力，手工的控制更能激发设计师对于空间的直觉和潜意识。

基于增强实境的地形设计系统具备了充分的可扩展性。动态三维扫描技术的发展和更加强大的后处理模块的开发，使该系统能够承担更为复杂的任务，模拟更为复杂的自然和社会过程。随着虚拟现实（VR）技术的普及，我们将引入VR头盔作为该系统的显示模块，使设计者可以在真实尺度的沉浸式空间体验中观察、设计地形，完全避免了“上帝视角”所带来的设计困境。

直觉的手工雕塑、即时的反馈能力、优异的人机交互性能与友好的使用方法使增强实境地形设计系统这种数字时代的规划设计操作平台成为辅助景观教学、设计和展示的利器，在多个方面具有深入研究和应用的价值。

注释：

①参考ELLEN YI-LUEN DO. DigitalSandbox.［EB/OL］. ［2016-07-12］. http：//depts.washington.edu/dmgftp/ publications/pdfs/aid02-sandbox.pdf.

图11　基于增强实境的地形设计系统样机Fig.11 prototype of AR sandbox

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图片来源：

图1：安敏. 中国古地图研究综析［J］. 测绘科学， 2012（05）： 53-54.

图2：RIEDER K. “Modeling， Physical and Virtual” in Representing Landscape Architecture［M］. New York： Taylor and Francis， 2008.

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图8：Microsoft. Kinect［EB/OL］. ［2016-07-12］.http：//www.k4w.cn/index.html

图9-10：作者绘制

图11：作者拍摄

Research on the Shaping Technology of Topographic Model and AR Sandbox

CAI Linghao

Measurement， analysis， adjustment and reconstruction of the topography is the foundation of landscape architecture planning and design. owing to the development of computer technology， the digital topography can be shaped and reshaped through mouse，but the traditional physical sand box still cannot be replaced in the present stage because of the perceptual initiation of physical sandbox and the flexibility of human hand. Based on researches on the constructing and shaping technology of topographic model and the projects which combined with digital technology and the physical sandbox， a topography design system based on augmented reality sandbox is constructed. Combining advantages of physical sandbox and the newest digital technology， the system can fully mobilize people’s intuition and high-speed analysis of computer， and enhance the method of topography design in the landscape architecture planning and design.

Topography Design； Argument Reality； Topographic Model； Sandbox

TU204

A

2095-6304（2016）04-0026-08

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160405

2016-04-20

（编辑：袁李姝）

蔡凌豪： 北京林业大学园林学院，讲师，oldstory @126.com

蔡凌豪. 基于增强实境的地形设计沙盘系统研究［J］. 西部人居环境学刊， 2016， 31（04）： 26-33.