耦合多元数字技术的采石场景观设计路径——以第十二届中国（南宁）国际园林博览会园博园采石场花园为例

王子尧 张诗阳 王向荣 林箐

近年来，随着计算机与数字技术的不断发展，风景园林的研究与实践也发生了前所未有的变革。数字技术与景观设计的融合，改变了单纯依赖设计人员经验与判断的传统设计方法，增强了设计的精准度与逻辑性，推动了中国风景园林学科的发展[1]。

目前，已有大量学者尝试将地理信息技术、人工智能、参数化设计、虚拟现实（virtual reality, VR）等各种数字技术应用于景观设计的各个阶段之中[2]。李彦雪等[3]应用倾斜摄影技术快速构建三维实景模型，辅助乡村景观设计工作的开展，弥补了实地考察与工程测量等传统调研方法成本高、周期长的弊端。李家忠等[4]在利用倾斜摄影技术快速建模的基础上，借助SuperMap软件对研究区日照、视线以及地形地貌进行了分析。张弛等[5]、袁旸洋等[6]利用Rhino软件与Grasshopper（简称GH）插件，通过对现状自然条件与景观资源的综合分析，提出了风景建筑选址与园路选线的参数化设计方法。Diao等[7]、Portman等[8]基于三维建模与VR技术，直观地评价设计方案的合理性，并在此基础上对设计方案进行调整与优化。总体来说，目前的研究大多只是在特定的设计阶段中利用一种技术手段来解决单一的现实问题，尚未形成多元数字技术耦合的“调研—分析—设计—评价”全流程数字化景观设计方法[9]。同时，虽然数字技术能够有效提高设计的效率与精准度，但过度依赖数字技术又会使技术辅助设计的初衷倒置，对设计师的理念创新与艺术表达产生负面影响。因此，在不同的设计阶段中，合理协调数字技术与人工决策之间的关系是全流程数字化景观设计中亟待解决的重要问题，但在以往的研究中却少有涉及。

在数字技术的辅助下，设计师对于复杂环境的感知能力以及复杂问题的解决能力都得到了极大的提升[10]。本研究聚焦于采石场这一具有复杂现状环境的场地类型，尝试构建一套耦合无人机倾斜摄影技术、参数化分析设计技术、VR技术的全流程数字化采石场景观设计路径。以期为未来的采石场景观设计提供方法框架参考，促进景观设计向数字化转型。

1 数字技术在采石场景观设计中应用的必要性

石材是人类生产与生活中不可或缺的材料之一，采石场伴随着人类文明而产生，也将伴随着人类社会发展而长期存在[11]。在过去几十年，随着大规模城市建设活动的开展，大批采石场应运而生。随着国家产业结构的升级与转型，传统工矿企业陆续关闭，采石废弃地随之产生，进而也造成了严重的经济、环境与社会问题[12]。近年来，随着“公园城市”“城市双修”等理念的广泛推行，中国涌现出大量优秀的采石场景观设计实践项目。风景园林师们通过将生态修复与游览体系设计相结合的方式，极大地改善了废弃采石场的生态环境，并将其转变为别具一格的风景资源[11,13-14]。

1.1 采石场景观设计的一般方法策略

目前，采石场景观设计的策略主要包含生态修复与景观游憩2个方面。

生态修复策略是采石场景观设计的基础，通常需要从地形、水体、植被等方面提出相应的修复策略，使退化的生态系统恢复到自然和谐的稳定状态[12]。采石场生态修复主要分为3个层级：第一层级是地形整治，需要对现存的废弃石渣石料进行处理，并对具有安全隐患的区域进行改造；第二层级是水体修复，通常在地形整治的基础上，从水系整理与水质净化两方面提出具有针对性的修复方法；第三层级是植被恢复，基于地形与水体修复策略，合理划定植被修复区域，充分考虑植物群落的动态发展过程，促进场地内形成稳定的植物群落景观。

景观游憩策略则深入挖掘采石场作为风景资源的潜力，将景观重建与休闲游憩开发相结合，进一步挖掘采石场废弃地的社会与经济价值[15]。安全性、观赏性、文化性是景观游憩策略重点考虑的3个方面。在安全性方面，整个游览体系的选址应避开可能出现滑坡、落石等隐患的危险区域；在观赏性方面，游览体系的设计应提供人们可以充分欣赏采石场风景的景观视野；在文化性方面，则需要充分挖掘采石场的文化内涵，场地内废弃的石材、构筑、设施、设备等工业遗存都可以进行艺术化改造和再利用，延续场地历史记忆。

1.2 传统采石场景观设计的流程与缺陷

在一般设计的数据采集与处理阶段，设计师通常依据设计项目委托人提供的地形图或测绘图，配合实地调研获取场地原始信息。然而，由于采石场本身地形地貌复杂且垂直高差较大，仅依靠平面图纸难以准确呈现出地形的起伏变化与坑壁的凹凸变化。同时，使用人工测绘方法进行现场测量，不仅面临着成本高和周期长等诸多问题，而且测量精度也达不到全面反映采石场地貌特征的程度。缺乏精确的现场数据往往会影响规划设计工作的正常推进。

在场地分析与设计阶段，以往的场地分析通常是基于平面图纸展开的，在生态修复区域的识别、景观游线的组织以及视线的变化等方面缺乏三维空间上的考量。以此为基础的景观设计，往往需要设计师凭借自身的空间感进行感性判断，并借助建模软件在脱离真实场景的情况下进行方案推敲，进而有可能导致设计方案与实际施工情况脱节。

在方案循证与完善阶段，由于采石场拥有高低错落的陡峭崖壁以及变化丰富的材质纹理，方案中设计的人工构筑物与设施能否与地形完美契合，它们的材质与体量是否与自然环境的整体氛围相适应，是该阶段需要重点解决的问题。传统的设计方法由于缺乏对设计效果的直观感受与验证，在方案循证与完善阶段存在不足。

1.3 多元数字技术支持下的采石场景观设计

多元数字技术的耦合可以有效帮助解决目前采石场景观设计中遇到的各项难题。首先，随着当前消费级无人机的普及，无人机体积较小、所搭载的航拍设备较轻、操控难度较低等优点能够辅助人们高效准确地采集场地信息，在无人机倾斜摄影技术的帮助下，设计师可以快速构建三维实景模型，现状地形地貌与地表覆盖情况得以直观呈现；其次，利用参数化分析与建模软件可以对三维实景模型进行多层次的场地分析，更加直观地展开方案设计；最后，通过VR技术可以将设计方案转变为一个逼真的虚拟场景，设计师可以从任意角度，真切地感受设计方案的最终效果，并对方案进行调整与改进。

2 耦合多元数字技术的采石场景观设计路径

为弥补传统景观设计流程中存在的问题，提高设计效率与精确度，本研究提出了耦合多元数字技术的采石场景观设计路径（图1）。该路径主要分为3个阶段，分别为数据采集与处理、场地分析与设计、方案循证与完善。该路径在技术操作与设计方法2个层面实现了多元数字技术的耦合。在技术操作层面，由倾斜摄影技术构建的三维实景模型既是数据采集的重要成果，更是参数化分析设计技术与VR技术的重要载体，该模型可以通过格式转化，在不同数字技术之间进行信息交流与传递。在设计方法层面，该路径合理协调了数字技术与人工决策之间的关系，在景观设计的每一个阶段数字技术都与人工决策相互支撑，数字技术保证了人工决策的科学性与精准性，而人工决策则实现了不同设计阶段的衔接与设计方案的持续推进。

1 耦合多元数字技术的采石场景观设计路径Landscape design path of quarry coupled with multi-digital technology

2.1 数据采集与处理

数据采集与处理阶段主要使用了无人机倾斜摄影技术这一数字技术手段，该技术通过运用多角度航拍相机同步获取地面物体各个角度的高分辨率航测影像以及地理环境信息[16-17]。首先，在进行航测工作之前，应大致了解研究区的地形地貌与植被覆盖等基本信息。在此基础上，明确倾斜摄影建模的范围并合理规划无人机飞行路线。其次，通过无人机搭载的摄影传感器在预定航线进行多角度拍摄以采集完整的场地正斜片图像组[18]，并对航拍质量进行检验，直至其满足建模需求。针对无人机无法拍摄到的死角区域可以运用近距离细节拍摄的方式进行重叠补拍。最后，利用目前倾斜摄影建模相关研究中常用的ContextCapture软件，快速创建基于真实影像纹理的高分辨率三维实景模型[19-20]。

此外，设计者还应通过现场踏勘调研的方式，对倾斜摄影无法采集的数据进行实地考察。由于每个采石场的现状条件存在差异，考察内容也有所不同，一般而言，应包括岩层稳定性勘察、水质监测以及植被生长状况评价等。

2.2 场地分析与设计

场地分析与设计阶段主要利用Rhino软件与GH插件实现参数化分析与设计[21]。同时，由于Rhino软件兼具分析与建模两大功能，使得分析与设计能够在同一软件下实现，可以有效规避传统设计工作中由于软件切换而导致的分析误差，显著提高工作效率。

相较于传统的高程数据，三维实景模型不仅具有更高的精度，还能够更加准确地表达垂直方向的地形变化，并逼真地展现丰富的材质肌理，因此在空间分析中具有显著优势。本研究充分考虑采石场这一场地类型的空间特征，从高程、坡度、坡向、视域、水位、断面这6个层面对研究区展开场地初步分析。参考目前采石场景观设计中常用的策略与方法，本研究从生态修复与景观游憩2个层级，提出6个方面的设计改造策略，分别为地形修整、水体修复、植被恢复、观景点营建、游览路径设计以及工业遗存再利用。借助Rhino+GH软件，可以在初步分析与人工勘测数据的基础上对各个策略进一步评价与分析，进而识别出场地的生态修复区域与适宜建设区域。设计师可以根据设计理念权衡并协调不同设计策略的识别结果，通过方案比选确定场地整体空间布局，并在此基础上，利用Rhino软件实现设计推敲与方案建模。

2.3 方案循证与完善

方案循证与完善阶段主要依靠VR技术实现。VR技术集成了仿真模拟技术、电子集成技术、传感技术等多种计算机技术[22]，通过计算机构建了一个逼真、可视、可交互的虚拟环境。设计师基于VR技术，凭借自身的感知与认知能力，可全面获取虚拟环境中包含的不同空间信息与逻辑信息，进而发现设计中存在的问题并改进[23]。

在实际操作中，需要将设计方案模型与环境模型叠加，并将其导入Lumion软件进行深化配置，深化后的静态场景再进一步导出为动态可交互的VR场景。设计师可以利用VR设备实现沉浸式场景漫游，对设计效果进行评价。若设计效果与预期差距较大，也能够更加有针对性地调整设计方案，并重复此步骤逐渐完善设计方案，直至符合预期。

3 南宁园博园采石场花园规划设计案例研究

本研究以第十二届中国（南宁）国际园林博览会园博园（以下简称南宁园博园）采石场花园规划设计项目为例，验证上述设计路径的有效性。

3.1 研究区域概况与倾斜摄影建模

南宁园博园采石场花园面积约为35 hm2，位于整个园博园的东南角，是一片相对集中的采石废弃地。采石场花园内共分布有7个大小不一的采石坑，在过去粗放式生产模式的影响下，一部分采石坑崖壁结构稳定性较差，存在一定的安全隐患。采石坑周边分布了较大面积的林地与耕地，整体植被覆盖度较高。同时，由于南宁优越的自然条件，各个采石坑均已呈现出不同阶段的自然植被恢复进程。

根据前文所述的倾斜摄影建模方法，合理规划无人机飞行航线并进行图像采集，利用ContextCapture软件，对图像采集结果进行几何校正、联合平差、点云生成、点云加密、不规则三角网格构建、纹理映射等处理，最终生成研究区三维实景模型[24]（图2）。

2 南宁园博园采石场花园三维实景模型3D realistic model of quarry gardens in Nanning Garden Expo

3.2 基于三维实景模型的场地分析与设计

3.2.1 场地初步分析

利用Rhino+GH软件，对场地进行初步分析。由于场地面积较大，且每个采石坑的现状条件也存在显著差异，为缩短软件运算时间，提高工作效率，在实际分析时对不同的采石坑进行单独分析。以面积最大的5号采石坑为例展示6项场地初步分析的作用与效果（图3）。

其中，高程、坡度与坡向分析能够帮助设计师更加精确地掌握现场的地形起伏，识别具有安全隐患的区域，并且快速区分阴坡与阳坡，对于采石场景观设计具有重要的指导意义（图3-1～3-3）；视域分析改变了传统设计流程中观景点设置缺乏精确化的视线模拟的弊端，借助Rhino+GH软件，设计师可以依据经验在场地范围内选取多个视点进行视域范围的模拟，并通过比对模拟结果，选择视野开阔或能够观赏到独特风景的视点作为备选观景点（图3-4）。水位模拟能够直观地得到不同水位高度下的淹没范围，由于部分采石坑停止开采的时间较短，坑内水位尚未稳定，采石坑的水位一直处于持续变化的状态。因此，设计团队于2016年3月31日—2017年3月25日对各个采石坑的水位高度持续进行了约一年的实地监测，并以此为基础进行了水位模拟（图3-5）。断面分析可以快速得到与实景模型数据表面变化一致的一系列等间距断面线，这些断面线展现了矿坑不同位置的地形轮廓及其变化趋势，旨在帮助设计师直观地掌握不同矿坑的空间形态以及空间围合类型，相比于利用等高线或高程点绘制剖面的传统方法更加准确便捷（图3-6）。

3 5号采石坑场地初步分析Preliminary analysis of No. 5 quarry site3-1 高程分析Elevation analysis3-2 坡度分析Slope analysis3-3 坡向分析Aspect analysis3-4 视域分析Vision analysis3-5 水位模拟Water level simulation3-6 断面分析Section analysis

3.2.2 生态修复与适宜建设区域识别

在上述场地初步分析与人工勘测数据的基础上，设计团队借助Rhino+GH软件，依照前文所述的生态修复与景观游憩两大策略体系，对设计场地的生态修复区域与适宜建设区域进行评价与识别。

生态修复策略主要涉及3项子策略，分别为地形修整、水体修复以及植被恢复。本研究根据场地特征，因地制宜地构建了子策略评价指标，并据此识别生态修复区域（图4）。1）在地形修整方面，基于高程与坡度分析，结合实地勘察对各个崖壁的岩层结构稳定性进行综合分析评估，将坡度过大及现状岩层结构稳定性较差的区域作为地形修整区。2）在水体修复方面，主要涉及水循环体系的构建与水质评价：水循环体系构建需要依据高程、坡度、断面分析以及水位模拟，从与周边水系距离、与周边水系水位差以及地形改造难度3个方面对场地水系连通潜力进行评估；水质评价则是利用水质监测数据合理评价场地现状水质条件，进而判断是否需要采用微生物净化与植物净化等方式改善水质状况。3）在植被恢复方面，首先应根据现场踏勘合理评估现状植被生长状况，将场地内植被生长状况较好的区域作为植被保护区，应最大限度地保留原有的植被，减少人工干预，保护并延续场地中的自然演替进程。其次，针对现状地表裸露但光照充足的区域，则需要按照坡度条件进行细分，对于坡度较为平缓的区域可采用覆土的方式进行植被修复，对于陡峭崖壁等坡度较大的区域，可以使用喷播技术快速提升崖壁的植被覆盖率。最后，还应通过水位模拟及断面分析，选择水位较低的区域作为湿地植被区。

4 生态修复区域识别流程Identification process of ecological restoration area

设计团队依据观景点营建、游览路径设计以及工业遗存再利用3项景观游憩子策略进行适宜建设区域识别（图5）。在观景点营建方面，通过对高程、坡度、视域、水位以及断面的综合分析，选择地形平坦、视野开阔且不会被淹没的区域作为观景点。在游览路径设计方面，首先应基于现状道路分布状况、地形以及断面分析，既要考虑现状道路改造潜力，又要尽可能地选择地形起伏较小的区域作为道路建设区；其次，依据对本项目水位模拟结果以及水下地形的断面分析，对适宜建设水上游览路径的区域进行了识别，根据场地实际状况，水上游览路径又可分为栈桥、浮桥等多种形式。在工业遗存再利用方面，主要通过对现状工业遗存的保留完好程度与改造难度进行评价，识别出改造潜力较大的工业遗存（如采石机械、输水渠等）。

5 适宜建设区域识别流程Identification process of appropriate construction area

3.2.3 方案比选与详细设计推敲

上述的各项识别结果仅考虑了单一设计策略，忽略了各项策略之间的相互作用关系。首先，设计师应依据设计意图对各项设计策略进行综合的考量，得到多种策略组合备选方案。其次，利用Rhino软件，可以在三维实景模型上实现多种备选方案的可视化，并对不同的备选方案进行对比分析与权衡，选择出既能充分反映设计理念，又使得各项设计策略相互协调的最优方案。最后，借助GH插件强大的参数化分析能力，对最优方案进行进一步的细节调整，完成设计方案的整体空间布局。

在此基础上，进一步对设计方案进行详细设计与推敲，明确不同景观节点的景观风貌，确定各个景观设施的形态、结构与材质，并完成方案建模（图6）。

6 设计方案与外环境模型叠加效果（局部）The superposition effect of the design scheme and the external environment model (partial)

3.3 虚拟现实场景的构建与设计评价

将叠加后的Rhino模型输出为dae格式，并导入Lumion软件中构建VR场景。首先，将模型中的水面、混凝土、石材、金属等材质，替换成Lumion自带的材质，通过调节不同材质的颜色、大小、反射率与光泽度等参数，获得逼真的渲染效果。其次，利用Lumion软件预设的植物、动物及其他景观设施模型，对场景进行进一步的深化，使整个场景更加生动。最后，通过调节天气系统，使得模型能够较好地表达南宁当地的日照、风向等地理环境信息。

将深化后的场景输出为球形全景格式，利用VR设备进行观察，并对设计方案进行直观的评估（图7）。该项目中，设计团队通过VR场景成功地发现了初始设计方案存在的问题：例如种植设计与地形不协调、游览路径布局不合理以及构筑物尺度失衡等，并对设计方案进行了及时的调整与优化。

7 VR场景体验Virtual reality scene experience

4 结果与讨论

本研究针对采石场景观设计，构建了一套耦合无人机倾斜摄影技术、参数化分析设计技术、VR技术的全流程数字化景观设计路径。并在此基础上，以南宁园博园采石场花园为例，验证了该路径的有效性。研究结果表明：1）利用无人机倾斜摄影技术快速精准地构建场地现状模型，可有效解决采石场景观设计中由于地形地貌复杂、垂直高差大等原因而导致的信息采集困难的问题；2）Rhino+GH软件既能帮助设计者高效地完成场地分析，又能实现参数化的方案设计与推敲，相较于传统的设计方法具有更高的精确度；3）借助Lumion软件对设计方案进行深化配置，并导出效果逼真的VR场景，可以帮助设计师实时感受设计方案，并进行优化调整。

该设计路径不仅能够在设计阶段辅助设计师进行决策，同时也能显著提升项目后续施工建设的效益与质量。就南宁园博园采石场花园项目而言，由于整个设计流程均是基于数字化模型展开的，施工图的绘制也能够以真实的三维空间为参考，实际施工时定位放线的准确性得到了充分保障。加上VR技术的应用，该项目的实际建成效果与设计师预期的构想基本一致。该项目也因此获得了包括2020年美国风景园林师协会（ASLA）综合设计奖在内的众多奖项，得到了业界的广泛认可。

总体来说，本研究提出的采石场数字化景观设计路径具有以下创新性。1）技术手段层面，在现有的景观设计中，对于数字景观技术的探讨多局限于单一层面的技术应用[9]。本研究实现了多元数字技术的耦合，构建了一套适合风景园林领域的系统化研究方法。2）设计方法层面，本研究合理协调了数字技术与人工决策之间的关系，系统阐述了在现场调研、场地分析、方案设计以及方案评价等景观设计的各个阶段中，数字技术与人工决策的支撑与协同关系，构建了全流程数字化景观设计路径。3）研究对象层面，本研究聚焦于采石场这一现状环境极为复杂的场地类型，利用多种数字技术对现有研究中采石场景观设计方法的缺陷进行改善，并首次提出了针对采石场景观设计的数字化景观设计方法，弥补了该研究领域的空白。

此外，本研究提出的设计路径对于其他现状环境较为复杂的场地类型也具有较强的适用性。一方面，随着小型消费级无人机的普及以及三维实景建模软件的日益智能化，倾斜摄影技术的操作难度并不高[25]，而Rhino+GH与Lumion软件在设计行业中的应用也较为广泛，整个设计路径具有较高的可行性；另一方面，由于本研究对于不同设计阶段内数字技术的应用方法及其与人工决策的协同关系进行了详细的阐述，因此对于其他类型的景观设计也具有一定的指导意义。

5 结语

各种数字技术的革新与发展，不仅促使景观设计趋向定量化、精准化与科学化，也极大地扩展了风景园林领域研究的广度。数字技术与景观设计的耦合应用还具有非常大的发展潜力，随着人工智能、大数据、5G技术的快速发展，未来的风景园林会进一步向智能化发展[26]，现有的设计思维与工作模式都将发生颠覆性的改变。

值得注意的是，其他学科的技术手段对于风景园林师来说始终是“舶来品”。一方面，并不是所有的项目都需要耦合多元数字技术来辅助设计决策，只是对于采石场这类现状环境较为复杂的场地类型，传统分析决策方法在设计的各个阶段都有不可忽略的短板，而数字技术则拥有较强的优势和适应性，设计师借助数字技术进行决策是非常必要的。而对于一些场地条件相对比较简单的项目，依靠设计师的经验和判断也能做出恰当的决策时，数字技术的运用只是锦上添花。另一方面，虽然各种数字技术能提升设计的精度与效率，但是设计师的分析、决策以及创意表达能力始终是无法被代替的。设计师们应在更加广阔的视野下，合理协调各种技术手段与人工决策的关系，让多元数字技术成为辅助设计的有效工具，推动整个景观设计领域的进步与创新。

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