趙麗艷

(湖北工程學(xué)院建筑學(xué)院,湖北 孝感 432500)

0 引言

在工業(yè)4.0時(shí)代,數(shù)字孿生是全球戰(zhàn)略性新興技術(shù),是物理實(shí)體對象和行為的數(shù)字化映像,是模擬、預(yù)測實(shí)體運(yùn)行的一種狀態(tài),陶飛等[1]2019年提出數(shù)字孿生“實(shí)體-虛擬-孿生體-關(guān)聯(lián)-服務(wù)”的五維模型理論,在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,目前數(shù)字孿生在智慧城市、智能制造、智能健康、智慧教育等領(lǐng)域有很多的應(yīng)用探索,51WORLD、光輝MARS等基于可視化編輯組件、API、渲染仿真等數(shù)字孿生城市模擬數(shù)據(jù)底座與接口服務(wù)方面有了核心技術(shù)突破[2],并首先上線數(shù)字孿生可視化大數(shù)據(jù)平臺,對數(shù)字孿生在智慧城市、智慧園林等領(lǐng)域有了新的實(shí)踐,為智慧園林?jǐn)?shù)字孿生教育提供了可能,對教與學(xué)虛實(shí)空間重構(gòu)、數(shù)字孿生全息智慧教學(xué)方式改進(jìn)、信息化教育改革提供了方向,也將為高等教育智慧教與學(xué)實(shí)踐提供新環(huán)境、新空間、新內(nèi)涵,推動課前、課中、課后翻轉(zhuǎn)教學(xué)場景深度融合,因此數(shù)字孿生技術(shù)為植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)(Plant Landscape Planning and Design,簡寫PLPD)智慧教學(xué)提供了全新概念模型、技術(shù)手段和應(yīng)用場景。本文首先構(gòu)建植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)字孿生智慧教學(xué)模型,分別闡述數(shù)字孿生智慧教學(xué)各維度內(nèi)容與功能,形成智慧園林?jǐn)?shù)字孿生教學(xué)案例,探索數(shù)字孿生智慧教學(xué)模式。

1 數(shù)字孿生在智慧園林建設(shè)中的價(jià)值體現(xiàn)

園林景觀建設(shè)在城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)中起著重要作用,同時(shí),也是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要抓手,很多城市定位森林城市、低碳城市,其中,園林景觀是重要的實(shí)現(xiàn)載體。但隨著園林景觀建設(shè)的不斷發(fā)展,也凸顯出以下問題:1)城市園林景觀本底數(shù)據(jù)采集和處理還未形成系統(tǒng)性,對城市綠地、植被綠度、物種信息、景觀綠量等資料的分析整理尚難以精確化、實(shí)時(shí)化和動態(tài)化。2)城市景觀規(guī)劃數(shù)據(jù)的變更、共享和協(xié)同機(jī)制不完善,對眾多景觀規(guī)劃信息共享尚難以實(shí)現(xiàn)。3)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)全流程監(jiān)管、評估和動態(tài)調(diào)整尚未形成,無法對景觀規(guī)劃項(xiàng)目形成科學(xué)分析和決策,另外,城市園林景觀存在區(qū)域不協(xié)調(diào)、不完善的問題。針對以上客觀存在的問題,景觀部門充分結(jié)合信息技術(shù)手段,開展了信息化提升園林規(guī)劃設(shè)計(jì)能力,使城市景觀設(shè)計(jì)維度更廣,深度更深,技術(shù)更精,逐步走向了數(shù)字化景觀設(shè)計(jì)時(shí)代。

當(dāng)前,風(fēng)景園林快速發(fā)展,已經(jīng)從傳統(tǒng)園林1.0時(shí)代、人本主義園林2.0時(shí)代、生態(tài)主義3.0時(shí)代,邁向了數(shù)字技術(shù)支持下的智慧園林4.0時(shí)代。不斷解決了以往風(fēng)景園林設(shè)計(jì)領(lǐng)域存在的多定性分析而少定量支撐的局面,重構(gòu)了風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)的過程思維和技術(shù)手段,在傳統(tǒng)測繪到三維掃描、從二維模型到VR/AR/XR虛擬仿真配合3D打印工具,最終到網(wǎng)絡(luò)模型與全生命周期為核心的數(shù)字孿生技術(shù)融合階段,促使數(shù)字園林景觀從數(shù)據(jù)采編、基底分析、設(shè)計(jì)模擬、智能建造和施工監(jiān)管的全過程精確化變革,助推風(fēng)景園林科學(xué)的良性發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了實(shí)體景觀、虛擬孿生景觀和該場景等多維度迭代運(yùn)維、關(guān)聯(lián)決策的閉環(huán)操作。綜合來看,數(shù)字孿生在風(fēng)景園林中的價(jià)值體現(xiàn)主要有:科學(xué)定量生態(tài)價(jià)值、精準(zhǔn)分析景觀行為、提供數(shù)字建模平臺、實(shí)現(xiàn)智能景觀建造、加強(qiáng)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控、促生智慧教學(xué)模式等。雖然數(shù)字孿生技術(shù)改變了傳統(tǒng)風(fēng)景園林教學(xué)模式,但數(shù)字孿生智慧景觀設(shè)計(jì)是高度學(xué)科交叉的技術(shù),將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在園林景觀教學(xué)中存在諸多的技術(shù)瓶頸和學(xué)科壁壘,為此,在風(fēng)景園林專業(yè)開展以植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)課程為載體進(jìn)行數(shù)字孿生智慧教學(xué)探索,對推動教育信息化建設(shè)和信息化技術(shù)的教育應(yīng)用都有著很強(qiáng)的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

2 PLPD數(shù)字孿生智慧教學(xué)理論框架與內(nèi)容

2.1 PLPD數(shù)字孿生智慧教學(xué)理論框架

植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)(Plant Landscape Planning and Design,簡寫PLPD)是風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要核心課程,課程以植物造景為主,一方面講授植物景觀的設(shè)計(jì)基礎(chǔ),即園林植物生態(tài)習(xí)性、設(shè)計(jì)特性,以及場地立地條件、社會文化、歷史因素等對植物景觀形成的影響。另一方面講授植物景觀的設(shè)計(jì)理論,包括空間營造、群落營造以及意境的形成。通過VR沉浸式體驗(yàn)設(shè)備、VR配套工作站、景觀設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)、園林虛擬仿真系統(tǒng)、景觀設(shè)計(jì)圖像處理軟件等手段,實(shí)現(xiàn)園林景觀設(shè)計(jì)與搭建的真實(shí)、實(shí)時(shí)和虛擬映射,并可身臨其境的體驗(yàn)虛擬園林景觀施工、決策、花卉栽培等,達(dá)到虛擬園林景觀場景化體驗(yàn)式教學(xué)。參照數(shù)字孿生五維模型理論。PLPD數(shù)字孿生智慧教學(xué)系統(tǒng)(PLPDDT-ITS)包含教學(xué)實(shí)體景觀(PLPDTEL)、教學(xué)虛擬景觀(PLPDTVL)、教學(xué)應(yīng)用場景(PLPDTAS)、教學(xué)數(shù)據(jù)中心(PLPDTDC)、連接處理(PLPDCN)構(gòu)成。表達(dá)式如式(1)所示:

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

(1)

PLPD數(shù)字孿生智慧教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)以教學(xué)實(shí)體景觀、教學(xué)虛擬景觀、教學(xué)應(yīng)用場景為3個主要組件,利用CAD,Sketchup,3ds MAX,Rhino,Revit等建立一二三維景觀元素完成模型導(dǎo)入到MARS等孿生平臺處理,實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的虛擬影像,并通過VR連接等開展教與學(xué)雙向互動,景觀方案評定,信息交流反饋等,最大化的實(shí)現(xiàn)植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐全生命周期的教學(xué)閉環(huán),也讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握從現(xiàn)場調(diào)查、基地分析、概念設(shè)計(jì)、規(guī)劃空間、設(shè)計(jì)展示、方案評比、景觀施工等的全流程設(shè)計(jì)程序,最終形成PLPD數(shù)字孿生智慧教學(xué)系統(tǒng)技術(shù)理論框架(見圖1)。

2.2 PLPD數(shù)字孿生智慧教學(xué)各維度內(nèi)容

2.2.1 教學(xué)實(shí)體景觀(PLPDTEL)

教學(xué)實(shí)體景觀(PLPDTEL)是數(shù)字孿生智慧教學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),主要集植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、多源多維數(shù)據(jù)融合、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接收等功能于一體,通過現(xiàn)場調(diào)查、基地分析、物聯(lián)傳感等獲得。還包括豐富的植物功能,從植物生態(tài)習(xí)性到設(shè)計(jì)特性保持設(shè)計(jì)藝術(shù)統(tǒng)一,同時(shí)充分采集到地域環(huán)境、立地條件對植物景觀的影響,特別是因地制宜開展特色植物景觀挖掘收集,另外,土壤因子和地形立地條件方面也要考慮苗木選型和植物配置技巧,在此基礎(chǔ)上,充分挖掘中國傳統(tǒng)文化、山水自然文化、田園思想及山水畫對植物造景構(gòu)型因素,形成豐富的智慧教學(xué)實(shí)體景觀庫。

2.2.2 教學(xué)虛擬景觀(PLPDTVL)

教學(xué)虛擬景觀(PLPDTVL)是數(shù)字孿生智慧教學(xué)的模型基礎(chǔ),主要集合CIM/BIM,Sketchup,3dsMAX,Rhino等植物景觀模型構(gòu)建和現(xiàn)狀仿真、全息影像。建筑信息模型BIM技術(shù)是設(shè)計(jì)與施工的三維虛擬化數(shù)字技術(shù),城市信息模型CIM是以城市信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立起三維城市空間模型和城市信息的有機(jī)綜合體,這兩種技術(shù)的應(yīng)用對于智慧城市的建設(shè)都發(fā)揮著不可或缺的作用。Sketchup常用來建筑模型制作,在CAD的DWG文件導(dǎo)入后進(jìn)行編組、創(chuàng)建模型。3dsMAX是一款3D建模渲染制作軟件,被廣泛應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)、薩內(nèi)可視化領(lǐng)域,目前逐步向多元化、智能化發(fā)展。Rhino是一款功能強(qiáng)大的專業(yè)3D造型和三維建模工具,建模方式多樣,建模精度高,連接3D打印機(jī)可以直接打出模型。它們?yōu)橹参锞坝^規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)虛擬景觀建模提供了非常好的模型基礎(chǔ)(見圖2)。

2.2.3 教學(xué)應(yīng)用場景(PLPDTAS)

教學(xué)應(yīng)用場景(PLPDTAS)是智慧教學(xué)數(shù)字孿生終端,目前光輝MARS,51WORLD等均發(fā)布了數(shù)字孿生大數(shù)據(jù)平臺,通過模型導(dǎo)入、模式搭建、場景生成,集成顯示衛(wèi)星底圖數(shù)據(jù)、規(guī)劃路網(wǎng)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)上,通過導(dǎo)入所有設(shè)計(jì)組件而生成PLPD數(shù)字孿生智慧教學(xué)場景(見圖3),圖3中以某郊野公園景觀營造[3]為例,從景觀平面設(shè)計(jì)出發(fā),映射建立數(shù)字孿生全場景,初步建立了5個節(jié)點(diǎn)場景,教學(xué)過程中,通過可視化手段,使學(xué)生了解植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)全流程,在課前實(shí)體調(diào)查、課中建模教學(xué)基礎(chǔ)上,提供了課后泛學(xué)習(xí)平臺,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)共融智慧教學(xué)新模式。

2.2.4 教學(xué)數(shù)據(jù)中心(PLPDTDC)

教學(xué)數(shù)據(jù)中心(PLPDTDC)是數(shù)字孿生智慧教學(xué)的計(jì)算核心,包含了人工智能云計(jì)算、區(qū)塊鏈共識機(jī)制、體感交互全息技術(shù)、邊緣計(jì)算和5G分布存儲等關(guān)鍵技術(shù),目前這塊成套產(chǎn)品尚處于研發(fā)和初試階段,該中心關(guān)聯(lián)教師課程資源、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教育過程的數(shù)值迭代,需要非常強(qiáng)大的設(shè)備和算力支持,通過收集教學(xué)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理,為開展人機(jī)共生、虛實(shí)結(jié)合的精準(zhǔn)教學(xué)提供保障。

2.2.5 連接處理(PLPDCN)

連接處理(PLPDCN)是數(shù)字孿生智慧教學(xué)的傳輸服務(wù)載體,通過對教學(xué)實(shí)體景觀、虛擬景觀、數(shù)據(jù)中心和教學(xué)場景等兩兩雙向交互、協(xié)議傳輸、反饋調(diào)控、動態(tài)仿真等提供支持,最終形成了數(shù)字孿生智慧教學(xué)案例實(shí)踐框架(見圖4)。

平臺通過整合時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控?cái)?shù)據(jù)、建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知等多源數(shù)據(jù),借助CIM/BIM、混合云等數(shù)字孿生平臺,搭建了數(shù)字孿生智慧城市教學(xué)平臺,實(shí)現(xiàn)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)課程的場景化實(shí)驗(yàn)化虛實(shí)教學(xué),并在課后實(shí)施交互和反思評價(jià),實(shí)現(xiàn)課前-課中-課后泛學(xué)習(xí)全鏈條全周期智慧教學(xué),今后將不斷開展該模式的實(shí)踐,并通過實(shí)證評價(jià)流程,從實(shí)施、調(diào)整、優(yōu)化各環(huán)節(jié)不斷反饋修改,爭取實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生背景下的智慧教學(xué)模式改革,使教學(xué)過程從信息化向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

3 結(jié)語

數(shù)字孿生等信息技術(shù)在智慧園林領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣,如何更好的借助數(shù)字孿生技術(shù)開展風(fēng)景園林、城市規(guī)劃等建筑類工程專業(yè)智慧教學(xué)是今后重點(diǎn)關(guān)注的課題,對實(shí)現(xiàn)我國教育現(xiàn)代化、實(shí)現(xiàn)景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集、方案設(shè)計(jì)、施工模擬等全周期教學(xué)實(shí)踐具有重要的意義。