范文曉， 喬東閣,2， 鄧雲(yún)汀,3

（1. 新疆工程學院土木工程學院；2. 涵熙（蘇州）工程顧問有限公司；3. 中鐵建設集團有限公司華中分公司）

1 引言

目前，針對復雜地形，很多設計軟件雖然已經(jīng)能夠完成地形建模需要，例如Sketch Up、Lumion 和Rhino等，但如何借助參數(shù)化技術(shù)針對地形模型進行數(shù)據(jù)分析和討論，需要進一步研究和探索。已有研究和應用實例表明，Rhino+Grasshopper 三維可視化技術(shù)能夠運用于園林景區(qū)分析[1]、雪車雪橇賽道自由曲面構(gòu)建[2]、復雜地形道路選線設計算法應用[3]、3D建模解析[4]、建筑綠色節(jié)能設計性能分析[5]。Rhino+Grasshopper參數(shù)化技術(shù)不僅可以實現(xiàn)空間異形曲面建筑物高精度建模，而且還能夠運用邏輯構(gòu)建原理進行大量數(shù)據(jù)處理和分析?；诖耍髡呖紤]在復雜曲面地形中，將Rhino+Grasshopper 參數(shù)化技術(shù)首次運用到山嶺模型構(gòu)建分析，以烏魯木齊雅瑪里克山為對象，構(gòu)建地形模型，進行山嶺等高線、坡度和坡向、日照分析的邏輯構(gòu)建應用與分析研究。

2 雅瑪里克山地形模型建立

雅瑪里克山又稱妖魔山，外圍周長16km，最高點青年峰海拔1391m，是烏魯木齊具有一定歷史文化傳說的風景山區(qū)，也是地標性景點。本研究運用地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站結(jié)合全能電子地圖下載器，爬取雅瑪里克山指定范圍地形數(shù)據(jù)，保存DEM 數(shù)據(jù)。在Global Mapper 中，選擇指定范圍，軟件系統(tǒng)自動抓取地形數(shù)據(jù)，運用Rhino打開導出的海拔網(wǎng)格格式中的 DXF Mesh 格式文件，即呈現(xiàn)出雅瑪里克山地形圖。根據(jù)此地形模型，可進行相應的邏輯構(gòu)建應用及數(shù)據(jù)分析。

3 山嶺等高線Grasshopper 邏輯構(gòu)建原理分析及應用

通過Grasshopper 邏輯構(gòu)建，輸入10m 間距生成地形網(wǎng)格面等高線，拾取所有等高線以獲取等高線上的點，對點的三維坐標進行分解，其Z軸上的數(shù)據(jù)代表該線段的高程數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)由小到大進行排列并賦予不同顏色。從等高線分析圖1中可以看出雅瑪里克山等高線最高為1381m，最低為851m，這與實際最高點青年峰海拔1391m 的數(shù)據(jù)基本相符，其數(shù)值差是由于等高線間距設置所致。通過Rhino 三維圖示（見圖2）可以看出地形的輪廓和走勢情況，山地北部呈現(xiàn)大面積紅色和黃色，地勢相對較低，山地最高峰位于南部。圖中呈現(xiàn)的山峰、山脊、山谷、斜坡等地形類型提供了高差數(shù)據(jù)，可為場地規(guī)劃設計人員進行場地設計、規(guī)劃路線等提供參考，設計者可利用場地高差因素進行合理的方案設計。

圖1 雅瑪里克山等高線分析

圖2 等高線分析三維效果圖

4 坡度和坡向Grasshopper 邏輯構(gòu)建原理分析及應用

基于坡度傾斜角的計算，本文考慮用曲面上點的法線向量與Z軸所成夾角計算坡度。拾取所有地形網(wǎng)格面后對網(wǎng)格面上各點向量進行分解并計算法線向量與Z 軸所成夾角，將計算出的弧度轉(zhuǎn)化為角度形式，根據(jù)坡度的大小賦予不同顏色，將雅瑪里克山地形模型導入Grasshopper分析坡度。由圖3坡度分析可以看出，雅瑪里克山坡度在0°～42°之間，整個山地綿延起伏以黃色區(qū)域居多，主要坡度集中在15°～25°。山地北部地形較為平緩，少部分區(qū)域出現(xiàn)急峰，地勢險峻，坡度較大，呈現(xiàn)紅色。其山勢峰巒疊嶂，溝梁交錯，有利于多層次植被組織與種植，可為山地景點道路規(guī)劃、平臺設置和植被種植分布等提供參考依據(jù)。

圖3 雅瑪里克山坡度分析

在Grasshopper 中先計算出坡向方向，以180°和-180°兩個區(qū)間合成360°，以Y 軸進行劃分計算Y 軸與投影向量的夾角，夾角度數(shù)范圍為0°～180°，將8個坡向方向轉(zhuǎn)化成度數(shù)形式，按每個方向的度數(shù)范圍各自成組；0°是正北方向，以左逆右順時針為原則來計算，在Grasshopper 中將180°劃分成5 個區(qū)間范圍來代表5 個方向，通過Grasshopper 將所有組別數(shù)值合成整體，將同區(qū)間數(shù)值歸為一組，最終產(chǎn)生代表8個方向坡向的10個組別，以不同的色彩示例呈現(xiàn)。對雅瑪里克山進行坡向分析，從圖4 可直觀了解到場地坡向分布，山地南坡以西南向為主（藍色區(qū)域），山地北部地形以東向為主（紅色區(qū)域），同一坡向的地形集中在某一區(qū)域分布，由于我國地處北半球，南坡坡向的日照時間相對較長，自然環(huán)境適合陽生植物的種植，根據(jù)山地的坡向分布可以進行植物的群落分布和種植配置，可形成具有地方特色的林相。

圖4 雅瑪里克山坡向分析

5 日照Grasshopper 邏輯構(gòu)建原理分析及應用

采用地形面域方式計算分析的日照分析對場地規(guī)劃設計的空間布局、種植植物種類選擇、活動休息場地選擇等方面具有重要的指導作用。在Grasshopper 中選用插件輸入所需要分析的時間段，并將地形所處經(jīng)緯度作為參數(shù)輸入，可以運用插件分析太陽光照與地形、地形障礙物之間的遮擋情況，但其計算結(jié)果并不是傳統(tǒng)日照分析計算的絕對值，而是一個日照系數(shù)的相對值，將作為一個參考量獲知地形的日照情況。對Grasshopper邏輯構(gòu)建進行分析，以2022年春分當日早6點至晚20點作為時間輸入，取43°54′N，88°07′E 作為地形經(jīng)緯度參數(shù)輸入。由于場地會有遮蔽物分布，并不一定是完全自然生態(tài)，因此將日照分析分為自然生態(tài)和有遮蔽物的情況。

針對自然生態(tài)情況，拾取雅瑪里克山地形模型，分析2022年春分節(jié)氣日照情況，由圖5看出，該地形的日照相對系數(shù)最高為14，最低為0，山地及其周圍地形西側(cè)日照相對系數(shù)較高，處于10～14 之間，而地形東部日照相對系數(shù)較低，呈綠色區(qū)域，基本在10以下，分析為新疆白晝較長，午間至午后還有較長時間的日照輻射量，及西曬時間較長所致，可據(jù)此進行地形設計及植物種植種類選擇。該情況適用于自然生態(tài)風景區(qū)的規(guī)劃設計。

圖5 日照分析（自然生態(tài)情況）

6 結(jié)語

與其他軟件系統(tǒng)平臺相比，Rhino+Grasshopper結(jié)合的參數(shù)化技術(shù)以其強大的運行和處理大量數(shù)據(jù)的功能獨具優(yōu)勢。本文利用Rhino+Grasshopper 對烏魯木齊地標性景點雅瑪里克山進行了等高線、坡度和坡向分析及日照分析，得出的三維可視化結(jié)果直觀明了且便于分析，可為景區(qū)規(guī)劃設計、種植植被種類選擇、游覽路線組織等方面提供參考，該方法推廣至各類地形分析研究，可以取得準確與直觀的效果。