基于SketchUp的三维虚拟景观地形制作研究

韩 聪 张开朗 徐小茜

（1.贵州农业职业学院,贵州 清镇 551400；2.贵阳学院,贵州 贵阳 550005；3.铜仁职业技术学院,贵州 铜仁 554300）

在景观设计中，计算机通过数据处理创建三维虚拟模型已成为设计师进行空间展示的一种重要手段。SketchUp软件因操作简单、融合性强、输出风格多样、呈现的三维虚拟模型真实准确，深受景观设计行业从业者的推崇。通过与其他插件的融合，复杂的虚拟地形也能够快速呈现。基于SketchUp的三维虚拟景观地形模型创建研究，有助于实现三维虚拟可视化场景的视觉感知，为景观设计的发展提供参考与借鉴；同时其全方位、可视化的特点，能为景观设计项目实施过程中甲乙双方的沟通交流提供帮助，让决策者更好地融入场景中，体验设计师的设计灵感与思路，能够减少双方沟通交流的时间成本，协助设计师完成双方满意的景观设计方案，其效果是沙盘模拟和二维效果图达不到的。

尤其是在后疫情时代，局部地区疫情反复使得人们的出行需要考虑当地防疫政策、疫情发生风险等多方面因素，受到一定的限制，此时不受时间和空间限制的“出游方式”的发展潜力显而易见。通过对SketchUp的三维虚拟景观地形模型技术的研发，制作出场景氛围真实的景观模型，再与当前发展前景广阔的VR技术相结合，便可打开虚拟网络出游市场，使人们以较低的时间、金钱成本，在家也能体验景区风景名胜古迹，提高人们的生活幸福感。

1 三维虚拟模型和SketchUp软件概述

1.1 三维虚拟模型

三维虚拟技术是通过计算机对数据进行处理，实现以可视化形式展示数据的一种技术[1]。它是基于互联网，集计算机技术和人工智能技术为一体的新型科技手段。目前三维虚拟技术与各行各业的融合正在不断地深入与完善，其在园林景观设计中的应用也得到了迅速发展。可以利用虚拟现实技术的场景模拟和互动感知，在虚拟环境中体验设计空间的优劣势等，从而调整方案中的不足，让设计空间更加科学合理，提高环境空间设计水平[2]。

为了使虚拟空间更加真实，三维虚拟模型制作也成为逐步流行的虚拟现实领域的一个分支，可广泛应用于三维建筑可视化、景观空间虚拟现实、地产项目动画虚拟场景、植物配置虚拟空间可视化展示等领域。三维模型创建技术是一项利用网络数据模拟真实环境，通过数据采集、调整参数、模型制作、方案对比和场景生成等步骤来完成虚拟场景创建的技术。它可以模拟环境数据在不同模式下的效果，从科学的角度分析后得出结果，优化后得到一个更加合理的设计方案。这种技术形式不仅节约了人力、财力和物力，而且具有更直接、更有效、更科学等特点[3]。

1.2 SketchUp软件

由@Last Software公司开发，后被Google收购的SketchUp软件是针对方案创作与造型设计的三维虚拟软件，发展至今已更新到2022版本，目前还推出了更为便捷的SketchUp for iPad版本[4]。SketchUp界面简洁直观，初始界面包括绘图空间、菜单栏和参数调整模块[5]。为满足不同用户的操作需求，SketchUp内设快捷键，用户可根据自己的绘图习惯调整快捷键。绘图区域由三维坐标轴构成，分别为红色的X轴，绿色的Y轴，蓝色的Z轴，绘图时通过观察轴线颜色，就能准确确定图形的方位。SketchUp提供了实时表现工具，用户设定好参数后就能够快速获得渲染效果图；不同的页面切换能快速进行多角度对比、快速进行空间剖切，能准确地展示复杂空间的结构；日照分析系统通过参数设置可真实获得日照效果；绘图中的组件便于分类管理和编辑。总体来说，SketchUp软件界面简洁，易学易会，自定义编辑，建模方法多样，面向设计过程，是一款功能强大、具有独特魅力的3D设计软件[6]。

2 SketchUp软件在景观设计中的应用现状及优势

2.1 SketchUp软件在景观设计中的应用现状

SketchUp绘图软件作为三维模型的创建载体，在景观、建筑、室内、工业等领域都得以适用。通过对该软件的参数化编辑，用户可借助其简便的操作和丰富的功能模块完成建筑、景观、土木、结构可视化预览、模型制作、场景创建、二维图生成和可视动画展示等工作。SketchUp绘图软件在景观设计中的应用主要分为以下三个阶段：

（1）前期概念生成阶段。将现状尺寸以三维模型的形式呈现，经过前期分析，可进行模型的优化和推敲。在概念设计阶段，需要设计师在借助虚拟现实技术的同时，考虑场地整体与各部分之间的联系与区别，构建出一个初期的大体块模型，对场地整体与水体、构筑物等主要组成成分的物体量实际比例进行把控。这种利用SketchUp进行概念生成的技术，可以使设计构思过程中产生的灵感及想法得到及时展示，摆脱二维图纸的局限性[7]。

（2）方案深化阶段。此阶段主要进行细部设计的推敲，可以结合Enscape资源库，进行多种参数设置，如Enscape中的材质设置方面，可以对贴图材质的反射、平整度、自发光、透明度等进行简单便捷的调试，同时借助该资源库中数量类型繁多的素材，对场地模型的气氛进行活跃，表现出场地设计的故事性与趣味性。此外，能够对设计内容进行实时观看和造型对比。

（3）施工阶段。该阶段主要通过结合LayOut绘制施工图，能够更直观地看到大样节点，并准确清晰地反映施工内容。在后期，能够借助SketchUp在建模过程中的顺序模拟，制定科学合理的施工方案、施工顺序，全方位掌控施工场地的安全性及高效性[8]。

2.2 SketchUp软件优势

相较于早些年景观设计行业常使用的3D Studio Max软件以及如今市面上的其他建模软件，SketchUp因拥有便捷易懂的操作界面、更人性化的建模过程、组件数量多、可扩展编辑功能模块丰富、插件多样化以及与CAD、Photoshop等多款软件兼容的优势，是一款高效制作场景模型的3D软件，是景观设计领域不可或缺的工具[9]。在设计师与客户反复沟通和修改草图的过程中，SketchUp能够最大限度地提高沟通效果，降低时间成本。其他建模软件需要花费大量时间学习，但SketchUp用户初次体验效果最多的反馈就是“上手容易”这一优势；传统软件都是三视图，而SketchUp是透视图视角，观察起来更加方便。SketchUp中庞大的免费资源库拥有很多的素材可直接导入使用，并与各种渲染器无缝衔接。总体来说，SketchUp最大的优势就是直观和好用[10]。SketchUp软件的优势具体如表1所示。

表1 SketchUp软件优势

3 基于SketchUp的三维虚拟景观地形制作方法

地形设计是形成景观的基础，地形类型有山地、平地、凹地、微地形等，所有的景观元素都要依托于地形。在景观设计中，通常会设计一些微地形、台阶、草坡、驳岸等以丰富空间的层次，所以地形的创建尤为重要，制作地形也成为景观场景设计中最关键的步骤之一。本文总结了以下几种地形制作的方法。

3.1 沙盒工具创建地形

沙盒工具是SketchUp自带的地形制作工具。从精细度角度来说，其制作的模型较为粗糙，是一种概念性地形制作工具，分为等高线创建地形、网格创建、曲面起伏、曲面平整、曲面投影、细部调整、对调角线7个功能模块[11]。

3.1.1 根据等高线创建地形

利用沙盒工具制作地形前，需在CAD软件中构思一个场地地形，将绘制好的地形DWG文件导入SketchUp中，单位选择“毫米”后导入；把未设置高程的设计等高线分解，利用插件“Contours Tool”中的“调整闭合等高线”选项设置好等高距、起算位置、起算高程的数值和内容，如图1所示；再次选择所有等高线，执行沙盒工具中的“等高线创建地形”选项，计算后生成地形；最后用“橡皮擦”擦掉多余的部分后完成地形创建。

图1 插件Contours Tool参数设置

3.1.2 生成网格创建地形

选择沙盒工具中的“网格创建”按钮，设置好栅格间距、长宽数值后，形成栅格平面，如图2所示。双击进组后，选择“曲面起伏”，设置半径参数后进行编辑，在栅格中选取一点进行向上或者向下拖拉，调整适合地形后，柔化边线，完成地形模型创建，如图3所示。

图2 生成的栅格平面

图3 生成的地形模型

3.2 Soap Skin Bubble Tool（起泡泡工具）创建地形

对于不规则地形，选择好闭合的线条后，点击“生成泡泡”，设置好数值后，场地细分成栅格块；使用“曲面起伏”进行编辑，调整好地形后，柔化边线，完成地形模型创建。

3.3 提取地图高程数据创建地形

通过网络搜索地理空间数据云网站，于在线计算中，确定数据名称、DEM数据源、空间范围、栅格格式和保存路径等参数；执行后下载DEM文件数据，将数据在Global Mapper软件中打开，并点击“工具—设置”；投影改为UTM后执行“文件—输出—输出为海拔网格格式DEM格式”；打开SketchUp软件，导入DEM格式文件，将多余部分删掉，柔化边线后得到地形模型；最后复制一个地形后垂直下拉到合适高度，使用放样工具，将地形的厚度补充完整，这样即可获取相对精确的地形。

3.4 结合湘源控规创建地形

单独提取CAD文件中的地形高程点图层，利用插件湘源控规，执行地形“字转高程”；确定好参数后，执行“地形—三维模型—生成网格—写块保存”；再将处理好的文件导入SketchUp软件，柔化边线后得到地形模型。

3.5 地理位置创建地形

在SketchUp软件中的“文件”菜单的“地理位置”中抓取一张地理位置图，选择好区域后导入；然后点击“显示地形”，使用插件“联合推拉”的“矢量推拉”，激活参数中“杂项”的“将图形投影到平面上”；将地形向下推拉后生成模型，炸开模型后，点击切片插件工具，确定好切片轴向、切片间距、切片厚度、分布模式参数，其他参数默认；计算后生成地形模型。

3.6 Fredo地形工具插件创建地形

单独提取CAD文件中的地形等高线图层，点击“选项”确定单位参数后，将CAD文件导入SketchUp软件中；然后全选等高线，点击Fredo地形工具中的“生成地形”，期间导入到SketchUp软件的CAD图形会出现部分短线或残缺部分，待确认后进行自动修补，完成后点击“计算地形”；地形初步生成后再进行网格尺寸调整，点击“生成地形”，即可得到一个结构线清晰的地形模型，如图4所示。

图4 Fredo地形工具生成的地形模型

4 SketchUp在景观场地创建中的应用

SketchUp地形模型创建大致分为地理位置的选取、DEM数字高程获取、数据处理、地形创建、模型优化5个步骤。

4.1 地理位置的选取

4A级天河潭风景名胜区位于贵阳市花溪区，距省会中心24 km，总面积为15 km2，是一处典型的喀斯特地貌风景名胜区。园内风光旖旎，地形险峻，有河谷、洞潭瀑布、峡谷等自然地貌。本文选取天河潭风景名胜区部分空间作业地形制作为对象，期许通过虚拟地形模型的制作，用数字化技术展现天河潭风景名胜区的地貌形态。

4.2 DEM数字高程获取

在“地理空间数据云”网站的高级检索的“DEM数字高程数据”中选择需要的分辨率数字高程数据；从“空间位置”板块中用矩形工具选择一块地理位置，检索后下载对应数据压缩包。

4.3 数据处理

打开Global Mapper软件，在配置中把投影方式调整为UTM；把下载的数据导入软件，在菜单栏“Analysis”中执行“Generate Contours（from Terrain Grid）”选项；调整好等高线间距并绘制出等高线边界，输出等高线后，点击“Export Vector/Lidar Format”导出格式为DWG的文件并命名为“天河潭风景名胜区地形—1”或者点击“Export Elevation Grid Format”导出格式为DXF Mesh的文件并命名为“天河潭风景名胜区地形—2”。

4.4 地形创建

第一种方法：打开SketchUp软件，导入“天河潭风景名胜区地形—1.dwg”文件，统一好单位后直接导入；然后进组群后，选择全部文件内容，点击沙盒工具中的“等高线创建地形”，完成虚拟地形创建，如图5所示。第二种方法：打开SketchUp软件，导入“天河潭风景名胜区地形—2.DXF Mesh”文件后，完成虚拟地形创建，如图6所示。

图5 天河潭风景名胜区地形—1

图6 天河潭风景名胜区地形—2

4.5 模型优化

制作好的地形模型需要进行一系列模型优化后才能够投入使用。首先，需要检查模型中是否存在多余部分，如果存在，需对其进行清除；其次，需要进行柔化边线处理，清理去除多余的线条，提高模型整体的流畅度和精致感，并根据现实景观场地的信息特征进行材质贴图，制作出道路、建筑、水体等主要构成成分；最后，种植相应的植物，在植物种植过程中，可以依靠该软件强大的组件功能轻松种植出大面积的林木、花径以及立体的草地等，提高景观丰富度[12]。此外，可以在SketchUp中植入渲染器进行场景渲染。如目前兼容性较好的Enscape渲染器，可以通过制作者进行参数调试设置，使材质质感更真实、场景明暗变化更明显，进一步贴近现实场景，提高虚拟空间的真实性；同时还能与VR眼镜设备连接，提高用户使用虚拟空间游赏的体验感和满意度[13]。

5 结论与展望

通过对天河潭风景名胜区的地形制作实操，证明了SketchUp在三维虚拟景观设计中拥有极大的优势。相比于其他建模软件，SketchUp的独到之处在于它的易于操作和三维虚拟模型自定义编辑丰富性。多样的功能使创意得到全面发挥，可视化的视觉体验能反映出真实的环境特征。基于SketchUp的三维虚拟景观地形制作研究，能启发创建逼真场景模型，以期实现SketchUp创建的三维虚拟模型在景观规划设计中发挥更大的价值。