植物景观规划设计数字孪生智慧教学实践★

2023-08-17赵丽艳

山西建筑 2023年17期

赵丽艳

(湖北工程学院建筑学院,湖北孝感 432500)

0 引言

在工业4.0时代,数字孪生是全球战略性新兴技术,是物理实体对象和行为的数字化映像,是模拟、预测实体运行的一种状态,陶飞等[1]2019年提出数字孪生“实体-虚拟-孪生体-关联-服务”的五维模型理论,在各领域得到了广泛应用,目前数字孪生在智慧城市、智能制造、智能健康、智慧教育等领域有很多的应用探索,51WORLD、光辉MARS等基于可视化编辑组件、API、渲染仿真等数字孪生城市模拟数据底座与接口服务方面有了核心技术突破[2],并首先上线数字孪生可视化大数据平台,对数字孪生在智慧城市、智慧园林等领域有了新的实践,为智慧园林数字孪生教育提供了可能,对教与学虚实空间重构、数字孪生全息智慧教学方式改进、信息化教育改革提供了方向,也将为高等教育智慧教与学实践提供新环境、新空间、新内涵,推动课前、课中、课后翻转教学场景深度融合,因此数字孪生技术为植物景观规划设计(Plant Landscape Planning and Design,简写PLPD)智慧教学提供了全新概念模型、技术手段和应用场景。本文首先构建植物景观规划设计数字孪生智慧教学模型,分别阐述数字孪生智慧教学各维度内容与功能,形成智慧园林数字孪生教学案例,探索数字孪生智慧教学模式。

1 数字孪生在智慧园林建设中的价值体现

园林景观建设在城市生态环境保护中起着重要作用,同时,也是实现双碳目标的重要抓手,很多城市定位森林城市、低碳城市,其中,园林景观是重要的实现载体。但随着园林景观建设的不断发展,也凸显出以下问题:1)城市园林景观本底数据采集和处理还未形成系统性,对城市绿地、植被绿度、物种信息、景观绿量等资料的分析整理尚难以精确化、实时化和动态化。2)城市景观规划数据的变更、共享和协同机制不完善,对众多景观规划信息共享尚难以实现。3)景观规划设计全流程监管、评估和动态调整尚未形成,无法对景观规划项目形成科学分析和决策,另外,城市园林景观存在区域不协调、不完善的问题。针对以上客观存在的问题,景观部门充分结合信息技术手段,开展了信息化提升园林规划设计能力,使城市景观设计维度更广,深度更深,技术更精,逐步走向了数字化景观设计时代。

当前,风景园林快速发展,已经从传统园林1.0时代、人本主义园林2.0时代、生态主义3.0时代,迈向了数字技术支持下的智慧园林4.0时代。不断解决了以往风景园林设计领域存在的多定性分析而少定量支撑的局面,重构了风景园林规划设计的过程思维和技术手段,在传统测绘到三维扫描、从二维模型到VR/AR/XR虚拟仿真配合3D打印工具,最终到网络模型与全生命周期为核心的数字孪生技术融合阶段,促使数字园林景观从数据采编、基底分析、设计模拟、智能建造和施工监管的全过程精确化变革,助推风景园林科学的良性发展,实现了实体景观、虚拟孪生景观和该场景等多维度迭代运维、关联决策的闭环操作。综合来看,数字孪生在风景园林中的价值体现主要有:科学定量生态价值、精准分析景观行为、提供数字建模平台、实现智能景观建造、加强实时动态监控、促生智慧教学模式等。虽然数字孪生技术改变了传统风景园林教学模式,但数字孪生智慧景观设计是高度学科交叉的技术,将数字孪生技术应用在园林景观教学中存在诸多的技术瓶颈和学科壁垒,为此,在风景园林专业开展以植物景观规划设计课程为载体进行数字孪生智慧教学探索,对推动教育信息化建设和信息化技术的教育应用都有着很强的理论与现实意义。

2 PLPD数字孪生智慧教学理论框架与内容

2.1 PLPD数字孪生智慧教学理论框架

植物景观规划设计(Plant Landscape Planning and Design,简写PLPD)是风景园林规划设计的重要核心课程,课程以植物造景为主,一方面讲授植物景观的设计基础,即园林植物生态习性、设计特性,以及场地立地条件、社会文化、历史因素等对植物景观形成的影响。另一方面讲授植物景观的设计理论,包括空间营造、群落营造以及意境的形成。通过VR沉浸式体验设备、VR配套工作站、景观设计虚拟仿真系统、园林虚拟仿真系统、景观设计图像处理软件等手段,实现园林景观设计与搭建的真实、实时和虚拟映射,并可身临其境的体验虚拟园林景观施工、决策、花卉栽培等,达到虚拟园林景观场景化体验式教学。参照数字孪生五维模型理论。PLPD数字孪生智慧教学系统(PLPDDT-ITS)包含教学实体景观(PLPDTEL)、教学虚拟景观(PLPDTVL)、教学应用场景(PLPDTAS)、教学数据中心(PLPDTDC)、连接处理(PLPDCN)构成。表达式如式(1)所示:

(PLPDDT-ITS)=
(PLPDTEL,PLPDTVL,PLPDTAS,PLPDTDC,PLPDCN)

(1)

PLPD数字孪生智慧教学系统架构以教学实体景观、教学虚拟景观、教学应用场景为3个主要组件,利用CAD,Sketchup,3ds MAX,Rhino,Revit等建立一二三维景观元素完成模型导入到MARS等孪生平台处理,实现教学过程的虚拟影像,并通过VR连接等开展教与学双向互动,景观方案评定,信息交流反馈等,最大化的实现植物景观规划设计理论和实践全生命周期的教学闭环,也让学生学习掌握从现场调查、基地分析、概念设计、规划空间、设计展示、方案评比、景观施工等的全流程设计程序,最终形成PLPD数字孪生智慧教学系统技术理论框架(见图1)。

2.2 PLPD数字孪生智慧教学各维度内容

2.2.1 教学实体景观(PLPDTEL)

教学实体景观(PLPDTEL)是数字孪生智慧教学的数据基础,主要集植物景观规划设计时空基础数据采集、多源多维数据融合、物联感知数据接收等功能于一体,通过现场调查、基地分析、物联传感等获得。还包括丰富的植物功能,从植物生态习性到设计特性保持设计艺术统一,同时充分采集到地域环境、立地条件对植物景观的影响,特别是因地制宜开展特色植物景观挖掘收集,另外,土壤因子和地形立地条件方面也要考虑苗木选型和植物配置技巧,在此基础上,充分挖掘中国传统文化、山水自然文化、田园思想及山水画对植物造景构型因素,形成丰富的智慧教学实体景观库。

2.2.2 教学虚拟景观(PLPDTVL)

教学虚拟景观(PLPDTVL)是数字孪生智慧教学的模型基础,主要集合CIM/BIM,Sketchup,3dsMAX,Rhino等植物景观模型构建和现状仿真、全息影像。建筑信息模型BIM技术是设计与施工的三维虚拟化数字技术,城市信息模型CIM是以城市信息数据为基础,建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体,这两种技术的应用对于智慧城市的建设都发挥着不可或缺的作用。Sketchup常用来建筑模型制作,在CAD的DWG文件导入后进行编组、创建模型。3dsMAX是一款3D建模渲染制作软件,被广泛应用在建筑设计、萨内可视化领域,目前逐步向多元化、智能化发展。Rhino是一款功能强大的专业3D造型和三维建模工具,建模方式多样,建模精度高,连接3D打印机可以直接打出模型。它们为植物景观规划设计教学虚拟景观建模提供了非常好的模型基础(见图2)。

2.2.3 教学应用场景(PLPDTAS)

教学应用场景(PLPDTAS)是智慧教学数字孪生终端,目前光辉MARS,51WORLD等均发布了数字孪生大数据平台,通过模型导入、模式搭建、场景生成,集成显示卫星底图数据、规划路网数据等基础上,通过导入所有设计组件而生成PLPD数字孪生智慧教学场景(见图3),图3中以某郊野公园景观营造[3]为例,从景观平面设计出发,映射建立数字孪生全场景,初步建立了5个节点场景,教学过程中,通过可视化手段,使学生了解植物景观规划设计全流程,在课前实体调查、课中建模教学基础上,提供了课后泛学习平台,实现虚实共融智慧教学新模式。

2.2.4 教学数据中心(PLPDTDC)

教学数据中心(PLPDTDC)是数字孪生智慧教学的计算核心,包含了人工智能云计算、区块链共识机制、体感交互全息技术、边缘计算和5G分布存储等关键技术,目前这块成套产品尚处于研发和初试阶段,该中心关联教师课程资源、学习者学习体验和教育过程的数值迭代,需要非常强大的设备和算力支持,通过收集教学过程中的各项数据进行分类处理,为开展人机共生、虚实结合的精准教学提供保障。

2.2.5 连接处理(PLPDCN)

连接处理(PLPDCN)是数字孪生智慧教学的传输服务载体,通过对教学实体景观、虚拟景观、数据中心和教学场景等两两双向交互、协议传输、反馈调控、动态仿真等提供支持,最终形成了数字孪生智慧教学案例实践框架(见图4)。

平台通过整合时空基础数据、规划管控数据、建设项目数据、物联感知等多源数据,借助CIM/BIM、混合云等数字孪生平台,搭建了数字孪生智慧城市教学平台,实现景观规划设计课程的场景化实验化虚实教学,并在课后实施交互和反思评价,实现课前-课中-课后泛学习全链条全周期智慧教学,今后将不断开展该模式的实践,并通过实证评价流程,从实施、调整、优化各环节不断反馈修改,争取实现数字孪生背景下的智慧教学模式改革,使教学过程从信息化向数字化、智能化转型。