森林公园景观节能设计与实现

黄滢+张青萍

摘 要： 针对当前对公园景观设计过程资源消耗较大问题，提出基于三维图像的森林公园景观节能设计方法。根据森林公园所处位置周边地形，结合金刚石方格算法获取三维地形框架，以公园凹陷为例进行填充，并对其进行递归、细化处理；采用背面剔除技术规划公园中树木、道路等分布，通过得到的递归函数完成景观节能规划设计。实验结果表明，所提设计方法对森林公园景观数据采集准确，明显降低了景观设计过程的能耗，具有较强的实际意义。

关键词： 森林公园； 景观节能； 金刚石方格算法； 三维地形； 剔除技术； 递归函数

中图分类号： TN245?34； TU985.12 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）04?0131?03

Abstract： In allusion to the current problem of large resource consumption during the park landscape design process， the design method of landscape energy saving for forest park based on the three?dimensional （3D） image is proposed. According to the surrounding terrain of the forest park， the 3D terrain framework is obtained by combing with the diamond square algorithm. Taking filling the sunken park as an example， the recursion and refining treatment is performed for the sunken park. The back elimination technology is adopted to plan the distribution of trees and roads in the park. The planning and design of landscape energy saving is accomplished by means of the obtained recursive function. The experimental results show that the proposed design method can accurately collect the landscape data of forest park and obviously reduce the energy consumption of landscape design process， which has a strong practical significance.

Keywords： forest park； landscape energy saving； diamond square algorithm； 3D terrain； elimination technology； recursive function

森林公园的主要组成部分是植物，自然状态下植物的生长并不都适合用来观赏，需要对森林公园內的景观进行规划设计[1?2]。近几年，我国城市化发展速度加快导致大面积自然景观废弃产物出现，给城市环境生态带来巨大影响，政府提出节能设计绿色规划建议[3]。森林公园景观节能设计的关键取决于废弃地周围的环境以及开发程度需求。由于森林公园规划关联性与前瞻性要求非常高，是全新技术需求最为迫切的发展条件之一[4]。针对森林公园节能规划，设计人员仍然使用传统规划手法，该手法存在数据收集不准确、速度慢、模拟画面不真实等问题，仅满足二维绘图需求。

针对森林公园景观周围地形的模拟采用金刚石方格算法，实验结果表明，该方法具有数据收集准确、速度快、耗费时间短、模拟画面真实等优势。

1 基于三维图像的森林公园地形框架构建

森林公园景观节能规划分为总体规划、区域规划以及专项规划，任何层面上地形规划设计离不开三维图像，该设计方法需要在三维图像模式下，实现森林公园地形三维节能重塑。对森林公园地形填充，传统方法需要耗费大量人力、物力，施工时间过长，造成大量能源、资源浪费。

针对森林公园景观周围地形的模拟采用金刚石方格算法。该算法是在三维图像上使用变换的一种方法，利用该方法能够获取高度精准的数据组[5]。建立一座山峰，在该地形上山峰需要人为增加网格点数来提高数据收集精准度，数据组中所有的网格点都是随机产生。假设该数据是正方体的，维数是[2n+1]。设置三维图像高度一致，选取1个[5×5×5]数组，如图1a）所示，对正方体8个角赋予较高的初始值，用黑点来表示，将此作为递归步骤的起点，具体流程如图1所示。

由图1b）选择8个点的正方体，在正方体中自动生成1个随机值，将正方体中心作为各个对角线的交点。中心点值是平均8个角的值与1个随机值相加而得到的，由此形成地形的一个棱锥。图1c）选取每8个点就自动形成一个棱锥，位于棱锥中心点也会产生随机值。将平均角度值与diamond步产生的随机值相加，能够得到每条边线的中点值，进而得到一个正方体，如果已经自动产生了一个正方体，那么经过单独细分就会得到4个正方体[6]。

经过第二次获得的正方体为16个，第3次获得的正方体为64个，正方体数目为[22+1，]如图1a）～图1c）所示。针对第一次经过diamond步的时候，根据8个角的数值在数组中心自动生成一个随机值。将这8个角值与一个-1.0～1.0之间随机值相加，如图1b）所示，新产生的值显示为黑点，存在网格点显示为空心圈。endprint

在Square步相同的范围内生成一定随机值。每一步都有4个棱锥，在数据组中心进行交互，计算4个diamond中心。如果将这几个点连接起来，可以得到地形框架，如图2所示。

进行第二次递归的时候需要计算正方体6个面的中心；需要重新计算13个新值，如图1d）中黑点所示。目前数组中23个元素都已经生成，由此可得到如图3所示的递归地形框架。

分配更多数据，需要进行更多次递归，每一遍递归都需要增加更多的细节，经过5遍递归之后就会得到非常逼真的地形，完成三维地形节能填充，实现基于三维图像的森林公园地形框架构建。

2 森林公园景观节能设计实现

在森林公园地形框架构建的基础上，针对森林公园三维树木节能使用背面剔除技术，该技术是指在树木绘制前，剔除与视线相背离的多边形，仅绘制视线所能达到的多边形，进而减少绘制树木多边形的数量[7?8]。一般情况下，通过计算视线方向和多边形方向的夹角来剔除多边形，[如果夹角大于90°]，那么就要剔除多边形。

针对森林公园，树木景观节能需要计算视线方向与多边形方向向量夹角，转换为向量之间的夹角。假设向量[A]和[B]之间夹角为[α]，那么构造[α]对边向量为[A-B]，进而[A]，[B]和[A-B]向量就构成了一个三角形。假设[A=Ax，Ay，Az，B=Bx，By，Bz]，由此推导出三角形边角之间关系为：

若[A?B=0]时，向量[A]和[B]为垂直关系[A⊥B]；若[A?B>0]时，向量[A]和[B]之间夹角小于[90°]，为锐角，不会被剔除；若[A?B<0]时，向量[A]和[B]之间夹角为钝角大于[90°]，被剔除。

3 实 验

3.1 实验环境与参数设定

选择某市位于美丽北部山峰的贯穿于2区1市1县的大型森林公园，整个森林公园自北向南长为584 km。主要数据源有：环城港市的1∶10 000纸质地形图，遥感影像，城市分布图、站点分布图，公园占地现状图等辅助数据。使用300 dpi扫描精度作为森林公园研究的地形图进行扫描，并输入电脑当中，再将图像进行拼接，由此生成地形栅格图，对分辨率进行相应处理，以几何校正为主，匹配相应的空间地理位置，并进行叠加，进而形成节能设计方案。

3.2 实验结果与分析

将地形模块提取出来，规划公园地形的坡度与坡向，进行重新分类后对属性数据进行分析，由此得到坡度图，如图4所示。

根据不同坡度对公园景观规划造成不同的影响，同时也会在各个方面有差异，为此，基于规划区域内地形坡度等级建立规划适宜表如表1所示。

为了验证所提方法的节能效果，在传统方法与所提方法下，对比同一森林公园景观的设计能耗，对比结果如图5所示。根据以上实验结果可发现，传统方法下高能耗区域存在于公园周边地形规划设计处，地形规划面积较大，且通过颜色的对比可知地形规划能耗过高，而所提方法能耗较高部位则位于公园建筑部位，周边地形能耗较低，这说明在传统方法中消耗过多能耗的公园地形景观设计过程通过所提方法得到了有效的降低。

4 结 语

基于三维图像森林公园景观节能设计中，以立体空间的坐标轴来定义森林公园具体位置，使用大量空间信息能够使空间对象之间的联系变得更加紧密。由实验结果可知，所提方法使用三维图像对景区进行规划，弥补了传统景区规划只能使用平面图进行模拟的缺陷，能够高效降低景观规划设计过程的能耗，对森林公园的节能建设意义重大。

注：文本通讯作者为张青萍。

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