韓開雪 吳 巖 王治勛 王旭東

數(shù)字及信息技術(shù)在風(fēng)景園林學(xué)科各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其中園林植物景觀形態(tài)與配置設(shè)計(jì)方面的虛擬仿真一直是備受關(guān)注的課題。本文介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）在風(fēng)景園林植物景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)及現(xiàn)狀問題，基于光輝城市（Mars）平臺，從定性分析與定量設(shè)計(jì)2個層面，通過花境植物素材還原度驗(yàn)證、生長參數(shù)模擬、動態(tài)變化模擬等手段，結(jié)合花境設(shè)計(jì)實(shí)例，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在花境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過程，試圖為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在植物景觀設(shè)計(jì)理論研究及設(shè)計(jì)實(shí)踐的應(yīng)用提供創(chuàng)新研究視角及思路。

虛擬現(xiàn)實(shí)；花境；植物景觀；設(shè)計(jì)模擬

近年來，數(shù)字與信息技術(shù)已逐步滲透到風(fēng)景園林領(lǐng)域的多個層面，并顯露出獨(dú)特的潛質(zhì)及優(yōu)勢，在一定程度上豐富和完善了風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造及養(yǎng)管路徑與方法[1]。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）在風(fēng)景園林植物應(yīng)用及造景領(lǐng)域的研究主要集中在以下2個層面：（1）植物可視化建模方面。胡海輝對哈爾濱地區(qū)常用的景觀樹種進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)園林植物的可視化，力求在今后的研究過程中構(gòu)建寒地城市常用園林植物的素材庫[2]。（2）植物造景方面。武正陽將移動虛擬設(shè)備應(yīng)用于植物景觀的改造設(shè)計(jì)，以多視角的方式表達(dá)設(shè)計(jì)效果，并模擬植物從初植到成年的形態(tài)變化[3]，為植物景觀的可持續(xù)性設(shè)計(jì)提供思路。蘆建國總結(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與風(fēng)景園林設(shè)計(jì)的結(jié)合點(diǎn)，設(shè)計(jì)動態(tài)交互實(shí)時的風(fēng)景園林空間，并可以對植物要素進(jìn)行實(shí)時編輯，模擬不同生長階段和不同季節(jié)的植物景觀[4]。李國松對幾種常見的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行評價分析，通過權(quán)重分析得出VRML最適宜應(yīng)用于風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中[5]，Quest3D在創(chuàng)建植物景觀方面的表現(xiàn)出色，對植物景觀虛擬技術(shù)的應(yīng)用提供指導(dǎo)意見。楊瑩論述了草本植物群落數(shù)字化設(shè)計(jì)的應(yīng)用方法，借助計(jì)算機(jī)模擬不同草本植物群落的設(shè)計(jì)效果，力求在今后設(shè)計(jì)研究過程中為草本植物群落景觀設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和支撐[6]。

1. 形色軟件識別Mars虛擬植物素材結(jié)果示意圖

雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在風(fēng)景園林植物應(yīng)用領(lǐng)域已有少量科學(xué)文獻(xiàn)記載，但從涉及數(shù)量和深度來看缺乏系統(tǒng)性研究?；ň匙鳛橹参锞坝^的重要組成部分，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在花境設(shè)計(jì)方面的研究更為匱乏。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在花境設(shè)計(jì)中應(yīng)用的前提在于對植物材料模擬的還原度。多數(shù)情況下，由于素材庫資源的匱乏以及設(shè)計(jì)師的個人色彩傾向，一些似是而非的植物素材就任憑設(shè)計(jì)師的感覺被布置到虛擬設(shè)計(jì)的場景中[7]。因此，素材庫資源的建立就成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在花境設(shè)計(jì)中應(yīng)用的關(guān)鍵問題。不同的仿真模擬平臺都有其匹配的植物資源庫，當(dāng)前，適合園林植物景觀設(shè)計(jì)的有Lumion、3Dmax、Quest3D、Virtools軟件，但大多數(shù)軟件存在專業(yè)結(jié)合度不高且植物分類細(xì)分程度不足等問題，限制了虛擬植物場景的整體效果[8]。目前，新興的光輝城市（Mars）系統(tǒng)及平臺在風(fēng)景園林植物設(shè)計(jì)領(lǐng)域表現(xiàn)出較大的潛力。Mars系統(tǒng)的植物庫包含多種專業(yè)植物素材，如闊葉類、針葉類、棕櫚葉、灌木、水生、竹類、草本等，并為每種植物附以檔案，能夠精確地描述植物素材的特征參數(shù)。此外，Mars平臺中的植物參數(shù)編輯功能更改植物的顏色、季節(jié)等參數(shù)，能夠多維度地呈現(xiàn)植物形態(tài)。因此，本文基于Mars系統(tǒng)及平臺，從定性分析與定量設(shè)計(jì)兩個層面，通過花境素材還原度驗(yàn)證、生長參數(shù)模擬、動態(tài)變化模擬3個方面的深入研究，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在花境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問題。

1 定性分析——虛擬花境植物素材選取及驗(yàn)證

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)和本質(zhì)就是對原真事物的還原[9]，無論用何種平臺，還原度驗(yàn)證工作是虛擬植物景觀開展的第一步工作。鑒于此，對Mars系統(tǒng)的花卉植物素材進(jìn)行定性研究，采用形色軟件識別Mars系統(tǒng)的部分花卉植物素材，作為驗(yàn)證其還原度的標(biāo)準(zhǔn)，能夠基本識別植物種類的素材即為還原度較高的植物素材。

本文選取13種Mars系統(tǒng)中具有季相動態(tài)的花卉植物素材為研究對象，分別為八寶景天、吊鐘柳、耬斗菜、荷包牡丹、火炬花、假龍頭、金雞菊、天人菊、千屈菜、蜀葵、宿根福祿考、萱草、鳶尾。驗(yàn)證結(jié)果顯示，八寶景天等13種花卉植物素材能夠被識別其中12種，識別率達(dá)到92.3%（圖1）?？梢哉f明，Mars系統(tǒng)對植物素材還原度較高，具備虛擬花境的真實(shí)屬性。

2 定量設(shè)計(jì)——虛擬花境植物素材生長參數(shù)模擬

植物配置是由一定數(shù)量、不同種類與規(guī)格的植物在空間組織關(guān)系的體現(xiàn)，其本質(zhì)就是解決一個“種什么（種類）、種多少（數(shù)量）、如何種（組合）”的問題[10]。以往的植物配置設(shè)計(jì)多是以平面形態(tài)來表達(dá)種植意圖，立面表達(dá)似乎只是成為豐富圖面效果的媒介，整個過程缺乏對植物素材的表層感知和深層認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將植物群落的復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維可視化圖像，能夠模擬出較為接近真實(shí)狀態(tài)的植物景觀效果，清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，便于設(shè)計(jì)更為貼近真實(shí)效果的植物景觀。

2.1 空間參數(shù)推演

花卉種類繁多，花卉植物素材的生長參數(shù)各有不同。植株體量大小及空間組合形式的差異能對植物景觀的效果產(chǎn)生重要影響[11]。目前，大多數(shù)虛擬仿真軟件在處理植株體量大小的過程中，多是根據(jù)設(shè)計(jì)師主觀性的臆測，自行縮放來調(diào)整合適的比例關(guān)系，導(dǎo)致植物形態(tài)與結(jié)構(gòu)的失真，很難依據(jù)植物的生長屬性做到真實(shí)的反映和模擬。因此，在模擬花境效果時，首先要依據(jù)花卉的生長習(xí)性進(jìn)行平面和立面的定量化模擬，再利用虛擬軟件營造花卉的實(shí)際空間效果，做到有據(jù)可依、有的放矢。例如，根據(jù)不同花境類型及特性，選取一定的種類，明確各種類植物組團(tuán)的大小與尺度，結(jié)合植物的株形、株高和花型等要素進(jìn)行立面設(shè)計(jì)，形成高低起伏錯落的輪廓。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將平面和立面布局應(yīng)用于花境布局中，實(shí)現(xiàn)花卉素材布局和尺度的精確模擬及定位。

2.1.1 尺度還原

2. 花卉植物株高和冠幅的預(yù)估參考（數(shù)據(jù)參考源自參考文獻(xiàn)[12]）

3. Mars素材庫部分花卉植物株形及體量轉(zhuǎn)化模擬圖示

對花卉植物素材生長參數(shù)的還原，才能反映最接近真實(shí)狀態(tài)的花境效果?；ɑ艿目臻g尺度參數(shù)主要指株高和冠幅。根據(jù)Mars素材庫中花卉植物的空間參數(shù)（圖2），將13種花卉素材的株高和株形輪廓用坐標(biāo)軸的方式表示出來（圖3），立面效果真實(shí)且客觀。在花境設(shè)計(jì)中合理利用不同種類植物的高度變化、輪廓效果，可以真實(shí)地模擬高低錯落的花境立面效果。花卉植物的冠幅決定單株花卉的體量，不同體量植株的平面空間參數(shù)不同，平面空間和立面空間的參數(shù)共同決定了植株的空間尺度。

2.1.2 密度控制

花境的植物素材多是以組團(tuán)的形式出現(xiàn)，以單位空間（面積與體積）內(nèi)的花卉種植數(shù)量為依據(jù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得密度設(shè)計(jì)變得更加直觀。尺度還原的過程明晰了花卉素材的體量與尺度，為下一步驟中單位空間內(nèi)的密度控制提供了客觀依據(jù)。例如，株高較大的尖塔形花卉，如蜀葵、火炬花，種植間距為其成熟高度的1/4；株高較高的叢生花卉，如大花金雞菊，種植間距為其成熟高度的1/2；圓球形叢生花卉的種植間距與其株高相等[12]。利用虛擬軟件結(jié)合栽培實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模擬花境植物在不同生長階段的生長效果，形成三維空間效果反饋于平面的數(shù)量選取，合理控制每種花卉植物的栽植數(shù)量。以1 m2為基本單位進(jìn)行團(tuán)塊種植，進(jìn)行定量化模擬設(shè)計(jì)，確定花卉材料的最佳密度，有助于營造長勢良好的花境景觀。明確各花卉組團(tuán)的平面和立面尺度，將平面和立面布局應(yīng)用于虛擬軟件中，精確的定位植物和設(shè)計(jì)尺寸，構(gòu)建三維可視化的花境模型，這樣就能利用虛擬軟件完成定量化的模擬效果（圖4）。

2.2 生長動態(tài)的模擬

目前，很少有平臺或軟件能實(shí)現(xiàn)植物季相動態(tài)變化的仿真模擬，因此，體現(xiàn)植物景觀的時效性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在植物景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用難點(diǎn)，這需要大量的科學(xué)實(shí)踐數(shù)據(jù)作為虛擬模擬的重要參考依據(jù)。

豐富的季相變化和持久的觀賞期是花境動態(tài)變化的重要內(nèi)容，能夠很好地體現(xiàn)植物景觀的時效性[13]。根據(jù)Mars素材庫中花卉材料的生長參數(shù)，將13種花卉素材的花期和花色用時間軸的方式表示出來（圖5），根據(jù)植物的花期巧妙地布置植物的位置，將不同花期的植物錯峰搭配，能最大限度延長花境的觀賞期，做到四季有景。

除上文所述花卉素材外，灌木和觀賞草的模擬對花境設(shè)計(jì)也具有一定的影響。灌木是花境中的骨架材料，灌木的體量和定位會在一定程度上影響花境的整體效果。觀賞草是近年來花境設(shè)計(jì)中的新興材料，具有獨(dú)特的美感和野趣。但目前的虛擬軟件中灌木和觀賞草素材較少，本文僅以現(xiàn)有的素材植物為主要研究對象，灌木和觀賞草素材需在實(shí)踐中加入補(bǔ)充，為今后花境設(shè)計(jì)提供更真實(shí)的模擬效果。

4. 單位面積花卉種植密度模擬平面示意

5. 花卉素材的花期時間軸和季相景觀

6. 虛擬花境平面圖

7. 虛擬花境組合形式

3 虛擬花境營造案例模擬分析

模擬項(xiàng)目位于道路交叉口，緊鄰商業(yè)中心，在場地設(shè)計(jì)中加入卵石小徑和觀賞草叢，軟化線條，營建以灌木、觀賞草、宿根為主的混合花境。骨架材料為凌霄、紫荊、牡丹、杜鵑、金森女貞等；主體花材為大花金雞菊、八寶景天、蜀葵、荷包牡丹、萱草、鳶尾、宿根福祿考、千屈菜；搭配花材為藍(lán)羊茅、耬斗菜、吊鐘柳、天人菊、火炬花，如圖6所示。

3.1 平面設(shè)計(jì)

虛擬花境采用擬三角形和飄帶形團(tuán)塊組合，形成環(huán)抱形的平面組合方式。場地的邊界處種植假龍頭、蜀葵、萱草、鳶尾等花卉，形成長度不等、部分重疊的狹長型飄帶，使花卉的色彩相互延伸，增強(qiáng)場地的流動感和豐富度。場地的中心處采用較大面積擬三角形花卉團(tuán)塊，簡單清晰，節(jié)奏感和韻律感極強(qiáng)。場地的前端布置若干面積小而精的自由斑塊，在有限的面積內(nèi)充分表現(xiàn)花卉的組合效果（圖7）。

每個團(tuán)塊的種植數(shù)量是花境平面設(shè)計(jì)的另一個主體內(nèi)容。根據(jù)本項(xiàng)目選取的豎線條形花卉，蜀葵、千屈菜、火炬花等種植間距為其株高的1/4，假龍頭、吊鐘柳、天人菊、耬斗菜等種植在花境邊緣，且株高和冠幅都較小，花卉的種植間距約為20-30 cm，八寶景天、鳶尾、萱草等圓形花卉的種植間距和株高相等。根據(jù)花卉的團(tuán)塊面積和種植間距標(biāo)準(zhǔn)，本花境花卉材料的具體選用如表1所示。

3.2 立面設(shè)計(jì)

花境的立面設(shè)計(jì)主要通過花卉材料的高度變化和株形輪廓的搭配，形成高低錯落的視覺效果。本項(xiàng)目中高度較大的植物為蜀葵（150 cm）、千屈菜（70 cm）、大花金雞菊（70 cm），將其布置在花境的中后區(qū)，高度較小的天人菊、吊鐘柳、耬斗菜，布置在場地的靠前區(qū)域。在整體前低后高的基礎(chǔ)上，中間穿插高度中等的火炬花，營造豐富的立面效果。

表1 花境設(shè)計(jì)虛擬植物材料清單

案例中選取的花卉材料有圓形輪廓的藍(lán)羊茅、萱草、鳶尾、八寶景天等，方形輪廓的耬斗菜、天人菊等，尖塔形輪廓的火炬花、吊鐘柳等。以花境的中心區(qū)域?yàn)槔?種形狀的花卉材料組合搭配，設(shè)計(jì)錯落的立面效果（圖8）。

3.3 季相設(shè)計(jì)

以往的靜態(tài)效果圖都是集四時于一景，濃縮了植株最完美的時刻，不能很真實(shí)地展現(xiàn)植物景觀變化的實(shí)質(zhì)[14]。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)植物素材花期之間更迭變化，不僅能夠感受四季之景，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在植物景觀設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。虛擬案例中春季開花的花卉有荷包牡丹、耬斗菜、鳶尾；夏季開花的花卉有大花金雞菊、吊鐘柳、千屈菜、萱草、蜀葵、火炬花、宿根福祿考；秋季開花的花卉有八寶景天、假龍頭、天人菊。將夏秋季節(jié)開花的花卉盡量布置在花境的前方，春季開花的花卉布置在花境的后方，花期有重疊的花卉種類布置在一起，體現(xiàn)了豐富的季相景觀。圖9即為通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對花境季相的模擬與展示，生動地實(shí)現(xiàn)了對植物景觀時空效果的真實(shí)模擬。

4 結(jié)語與討論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦予了風(fēng)景園林植物景觀設(shè)計(jì)更廣泛的表現(xiàn)力，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個方面：（1）實(shí)現(xiàn)對植物素材客觀形態(tài)的描述。虛擬軟件中花卉素材的還原度問題直接決定了花境模擬的真實(shí)效果。（2）實(shí)現(xiàn)對植物素材空間尺度的把握?；ɑ芩夭纳L參數(shù)的轉(zhuǎn)化，改變了傳統(tǒng)無序堆積的花境植物群落設(shè)計(jì)，以花卉植物的空間參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行有序的空間組織。在一定面積內(nèi)，可根據(jù)花卉的空間參數(shù)確定花卉的種植密度，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上甚至能夠模擬近期和遠(yuǎn)期的密度變化。（3）實(shí)現(xiàn)對植物素材季相變化的模擬。植物的季相演變呈現(xiàn)獨(dú)特的色彩、形態(tài)和意境之美，是植物景觀的重要表現(xiàn)形式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的季相變化能在設(shè)計(jì)之初給與直觀的感受，能極大地提高設(shè)計(jì)到實(shí)景的還原度。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在花境設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在亟待解決的難題。植物景觀是一個具有生命力的構(gòu)景要素，植物的生長過程變化，尤其是多年生草本植物的競爭演替過程是難以在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中實(shí)現(xiàn)的[15]。任何事物的變化都具有過程性與動態(tài)性的特征，花卉植物通過生長、發(fā)育、更新等諸多階段詮釋了生命周期的過程，通過空間競爭、融合和數(shù)量的變化呈現(xiàn)自然變化的時空美。設(shè)計(jì)花境時既要突出短期內(nèi)能夠立刻實(shí)現(xiàn)的顯著效果，還要兼顧植物材料形成植物景觀乃至最終形成植物群落的長遠(yuǎn)持久性與生態(tài)性。因此，采用虛擬軟件在設(shè)計(jì)的過程中模擬花卉植物生長的動態(tài)過程，無論從教學(xué)、科研與實(shí)踐層面都是對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要補(bǔ)充，這也將成為后期虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在植物模擬下一個階段中重點(diǎn)要解決的問題。

8. 花境立面組合搭配模擬圖

9. 花境的季相景觀虛擬仿真

致謝：感謝河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院田朝陽教授提出寶貴建議，華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院本科生崔思賢、王家淳、李保、雷蘭靜、趙賽雅、崔子健、劉星華在項(xiàng)目開展以及資料調(diào)研中所付出的辛勤勞動。