基于Rhino+Grasshopper平台的山岭地形参数化技术应用分析与研究

范文晓， 乔东阁,2， 邓雲汀,3

（1. 新疆工程学院土木工程学院；2. 涵熙（苏州）工程顾问有限公司；3. 中铁建设集团有限公司华中分公司）

1 引言

目前，针对复杂地形，很多设计软件虽然已经能够完成地形建模需要，例如Sketch Up、Lumion 和Rhino等，但如何借助参数化技术针对地形模型进行数据分析和讨论，需要进一步研究和探索。已有研究和应用实例表明，Rhino+Grasshopper 三维可视化技术能够运用于园林景区分析[1]、雪车雪橇赛道自由曲面构建[2]、复杂地形道路选线设计算法应用[3]、3D建模解析[4]、建筑绿色节能设计性能分析[5]。Rhino+Grasshopper参数化技术不仅可以实现空间异形曲面建筑物高精度建模，而且还能够运用逻辑构建原理进行大量数据处理和分析。基于此，作者考虑在复杂曲面地形中，将Rhino+Grasshopper 参数化技术首次运用到山岭模型构建分析，以乌鲁木齐雅玛里克山为对象，构建地形模型，进行山岭等高线、坡度和坡向、日照分析的逻辑构建应用与分析研究。

2 雅玛里克山地形模型建立

雅玛里克山又称妖魔山，外围周长16km，最高点青年峰海拔1391m，是乌鲁木齐具有一定历史文化传说的风景山区，也是地标性景点。本研究运用地理空间数据云网站结合全能电子地图下载器，爬取雅玛里克山指定范围地形数据，保存DEM 数据。在Global Mapper 中，选择指定范围，软件系统自动抓取地形数据，运用Rhino打开导出的海拔网格格式中的 DXF Mesh 格式文件，即呈现出雅玛里克山地形图。根据此地形模型，可进行相应的逻辑构建应用及数据分析。

3 山岭等高线Grasshopper 逻辑构建原理分析及应用

通过Grasshopper 逻辑构建，输入10m 间距生成地形网格面等高线，拾取所有等高线以获取等高线上的点，对点的三维坐标进行分解，其Z轴上的数据代表该线段的高程数据，将数据由小到大进行排列并赋予不同颜色。从等高线分析图1中可以看出雅玛里克山等高线最高为1381m，最低为851m，这与实际最高点青年峰海拔1391m 的数据基本相符，其数值差是由于等高线间距设置所致。通过Rhino 三维图示（见图2）可以看出地形的轮廓和走势情况，山地北部呈现大面积红色和黄色，地势相对较低，山地最高峰位于南部。图中呈现的山峰、山脊、山谷、斜坡等地形类型提供了高差数据，可为场地规划设计人员进行场地设计、规划路线等提供参考，设计者可利用场地高差因素进行合理的方案设计。

图1 雅玛里克山等高线分析

图2 等高线分析三维效果图

4 坡度和坡向Grasshopper 逻辑构建原理分析及应用

基于坡度倾斜角的计算，本文考虑用曲面上点的法线向量与Z轴所成夹角计算坡度。拾取所有地形网格面后对网格面上各点向量进行分解并计算法线向量与Z 轴所成夹角，将计算出的弧度转化为角度形式，根据坡度的大小赋予不同颜色，将雅玛里克山地形模型导入Grasshopper分析坡度。由图3坡度分析可以看出，雅玛里克山坡度在0°～42°之间，整个山地绵延起伏以黄色区域居多，主要坡度集中在15°～25°。山地北部地形较为平缓，少部分区域出现急峰，地势险峻，坡度较大，呈现红色。其山势峰峦叠嶂，沟梁交错，有利于多层次植被组织与种植，可为山地景点道路规划、平台设置和植被种植分布等提供参考依据。

图3 雅玛里克山坡度分析

在Grasshopper 中先计算出坡向方向，以180°和-180°两个区间合成360°，以Y 轴进行划分计算Y 轴与投影向量的夹角，夹角度数范围为0°～180°，将8个坡向方向转化成度数形式，按每个方向的度数范围各自成组；0°是正北方向，以左逆右顺时针为原则来计算，在Grasshopper 中将180°划分成5 个区间范围来代表5 个方向，通过Grasshopper 将所有组别数值合成整体，将同区间数值归为一组，最终产生代表8个方向坡向的10个组别，以不同的色彩示例呈现。对雅玛里克山进行坡向分析，从图4 可直观了解到场地坡向分布，山地南坡以西南向为主（蓝色区域），山地北部地形以东向为主（红色区域），同一坡向的地形集中在某一区域分布，由于我国地处北半球，南坡坡向的日照时间相对较长，自然环境适合阳生植物的种植，根据山地的坡向分布可以进行植物的群落分布和种植配置，可形成具有地方特色的林相。

图4 雅玛里克山坡向分析

5 日照Grasshopper 逻辑构建原理分析及应用

采用地形面域方式计算分析的日照分析对场地规划设计的空间布局、种植植物种类选择、活动休息场地选择等方面具有重要的指导作用。在Grasshopper 中选用插件输入所需要分析的时间段，并将地形所处经纬度作为参数输入，可以运用插件分析太阳光照与地形、地形障碍物之间的遮挡情况，但其计算结果并不是传统日照分析计算的绝对值，而是一个日照系数的相对值，将作为一个参考量获知地形的日照情况。对Grasshopper逻辑构建进行分析，以2022年春分当日早6点至晚20点作为时间输入，取43°54′N，88°07′E 作为地形经纬度参数输入。由于场地会有遮蔽物分布，并不一定是完全自然生态，因此将日照分析分为自然生态和有遮蔽物的情况。

针对自然生态情况，拾取雅玛里克山地形模型，分析2022年春分节气日照情况，由图5看出，该地形的日照相对系数最高为14，最低为0，山地及其周围地形西侧日照相对系数较高，处于10～14 之间，而地形东部日照相对系数较低，呈绿色区域，基本在10以下，分析为新疆白昼较长，午间至午后还有较长时间的日照辐射量，及西晒时间较长所致，可据此进行地形设计及植物种植种类选择。该情况适用于自然生态风景区的规划设计。

图5 日照分析（自然生态情况）

6 结语

与其他软件系统平台相比，Rhino+Grasshopper结合的参数化技术以其强大的运行和处理大量数据的功能独具优势。本文利用Rhino+Grasshopper 对乌鲁木齐地标性景点雅玛里克山进行了等高线、坡度和坡向分析及日照分析，得出的三维可视化结果直观明了且便于分析，可为景区规划设计、种植植被种类选择、游览路线组织等方面提供参考，该方法推广至各类地形分析研究，可以取得准确与直观的效果。