基于SketchUp的三維虛擬景觀地形制作研究

韓 聰 張開朗 徐小茜

（1.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院,貴州 清鎮(zhèn) 551400；2.貴陽學(xué)院,貴州 貴陽 550005；3.銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 銅仁 554300）

在景觀設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)處理創(chuàng)建三維虛擬模型已成為設(shè)計(jì)師進(jìn)行空間展示的一種重要手段。SketchUp軟件因操作簡(jiǎn)單、融合性強(qiáng)、輸出風(fēng)格多樣、呈現(xiàn)的三維虛擬模型真實(shí)準(zhǔn)確，深受景觀設(shè)計(jì)行業(yè)從業(yè)者的推崇。通過與其他插件的融合，復(fù)雜的虛擬地形也能夠快速呈現(xiàn)。基于SketchUp的三維虛擬景觀地形模型創(chuàng)建研究，有助于實(shí)現(xiàn)三維虛擬可視化場(chǎng)景的視覺感知，為景觀設(shè)計(jì)的發(fā)展提供參考與借鑒；同時(shí)其全方位、可視化的特點(diǎn)，能為景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施過程中甲乙雙方的溝通交流提供幫助，讓決策者更好地融入場(chǎng)景中，體驗(yàn)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)靈感與思路，能夠減少雙方溝通交流的時(shí)間成本，協(xié)助設(shè)計(jì)師完成雙方滿意的景觀設(shè)計(jì)方案，其效果是沙盤模擬和二維效果圖達(dá)不到的。

尤其是在后疫情時(shí)代，局部地區(qū)疫情反復(fù)使得人們的出行需要考慮當(dāng)?shù)胤酪哒?、疫情發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)等多方面因素，受到一定的限制，此時(shí)不受時(shí)間和空間限制的“出游方式”的發(fā)展?jié)摿︼@而易見。通過對(duì)SketchUp的三維虛擬景觀地形模型技術(shù)的研發(fā)，制作出場(chǎng)景氛圍真實(shí)的景觀模型，再與當(dāng)前發(fā)展前景廣闊的VR技術(shù)相結(jié)合，便可打開虛擬網(wǎng)絡(luò)出游市場(chǎng)，使人們以較低的時(shí)間、金錢成本，在家也能體驗(yàn)景區(qū)風(fēng)景名勝古跡，提高人們的生活幸福感。

1 三維虛擬模型和SketchUp軟件概述

1.1 三維虛擬模型

三維虛擬技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)以可視化形式展示數(shù)據(jù)的一種技術(shù)[1]。它是基于互聯(lián)網(wǎng)，集計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)為一體的新型科技手段。目前三維虛擬技術(shù)與各行各業(yè)的融合正在不斷地深入與完善，其在園林景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展?？梢岳锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的場(chǎng)景模擬和互動(dòng)感知，在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)設(shè)計(jì)空間的優(yōu)劣勢(shì)等，從而調(diào)整方案中的不足，讓設(shè)計(jì)空間更加科學(xué)合理，提高環(huán)境空間設(shè)計(jì)水平[2]。

為了使虛擬空間更加真實(shí)，三維虛擬模型制作也成為逐步流行的虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的一個(gè)分支，可廣泛應(yīng)用于三維建筑可視化、景觀空間虛擬現(xiàn)實(shí)、地產(chǎn)項(xiàng)目動(dòng)畫虛擬場(chǎng)景、植物配置虛擬空間可視化展示等領(lǐng)域。三維模型創(chuàng)建技術(shù)是一項(xiàng)利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模擬真實(shí)環(huán)境，通過數(shù)據(jù)采集、調(diào)整參數(shù)、模型制作、方案對(duì)比和場(chǎng)景生成等步驟來完成虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建的技術(shù)。它可以模擬環(huán)境數(shù)據(jù)在不同模式下的效果，從科學(xué)的角度分析后得出結(jié)果，優(yōu)化后得到一個(gè)更加合理的設(shè)計(jì)方案。這種技術(shù)形式不僅節(jié)約了人力、財(cái)力和物力，而且具有更直接、更有效、更科學(xué)等特點(diǎn)[3]。

1.2 SketchUp軟件

由@Last Software公司開發(fā)，后被Google收購的SketchUp軟件是針對(duì)方案創(chuàng)作與造型設(shè)計(jì)的三維虛擬軟件，發(fā)展至今已更新到2022版本，目前還推出了更為便捷的SketchUp for iPad版本[4]。SketchUp界面簡(jiǎn)潔直觀，初始界面包括繪圖空間、菜單欄和參數(shù)調(diào)整模塊[5]。為滿足不同用戶的操作需求，SketchUp內(nèi)設(shè)快捷鍵，用戶可根據(jù)自己的繪圖習(xí)慣調(diào)整快捷鍵。繪圖區(qū)域由三維坐標(biāo)軸構(gòu)成，分別為紅色的X軸，綠色的Y軸，藍(lán)色的Z軸，繪圖時(shí)通過觀察軸線顏色，就能準(zhǔn)確確定圖形的方位。SketchUp提供了實(shí)時(shí)表現(xiàn)工具，用戶設(shè)定好參數(shù)后就能夠快速獲得渲染效果圖；不同的頁面切換能快速進(jìn)行多角度對(duì)比、快速進(jìn)行空間剖切，能準(zhǔn)確地展示復(fù)雜空間的結(jié)構(gòu)；日照分析系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)置可真實(shí)獲得日照效果；繪圖中的組件便于分類管理和編輯。總體來說，SketchUp軟件界面簡(jiǎn)潔，易學(xué)易會(huì)，自定義編輯，建模方法多樣，面向設(shè)計(jì)過程，是一款功能強(qiáng)大、具有獨(dú)特魅力的3D設(shè)計(jì)軟件[6]。

2 SketchUp軟件在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

2.1 SketchUp軟件在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

SketchUp繪圖軟件作為三維模型的創(chuàng)建載體，在景觀、建筑、室內(nèi)、工業(yè)等領(lǐng)域都得以適用。通過對(duì)該軟件的參數(shù)化編輯，用戶可借助其簡(jiǎn)便的操作和豐富的功能模塊完成建筑、景觀、土木、結(jié)構(gòu)可視化預(yù)覽、模型制作、場(chǎng)景創(chuàng)建、二維圖生成和可視動(dòng)畫展示等工作。SketchUp繪圖軟件在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要分為以下三個(gè)階段：

（1）前期概念生成階段。將現(xiàn)狀尺寸以三維模型的形式呈現(xiàn)，經(jīng)過前期分析，可進(jìn)行模型的優(yōu)化和推敲。在概念設(shè)計(jì)階段，需要設(shè)計(jì)師在借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的同時(shí)，考慮場(chǎng)地整體與各部分之間的聯(lián)系與區(qū)別，構(gòu)建出一個(gè)初期的大體塊模型，對(duì)場(chǎng)地整體與水體、構(gòu)筑物等主要組成成分的物體量實(shí)際比例進(jìn)行把控。這種利用SketchUp進(jìn)行概念生成的技術(shù)，可以使設(shè)計(jì)構(gòu)思過程中產(chǎn)生的靈感及想法得到及時(shí)展示，擺脫二維圖紙的局限性[7]。

（2）方案深化階段。此階段主要進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)的推敲，可以結(jié)合Enscape資源庫，進(jìn)行多種參數(shù)設(shè)置，如Enscape中的材質(zhì)設(shè)置方面，可以對(duì)貼圖材質(zhì)的反射、平整度、自發(fā)光、透明度等進(jìn)行簡(jiǎn)單便捷的調(diào)試，同時(shí)借助該資源庫中數(shù)量類型繁多的素材，對(duì)場(chǎng)地模型的氣氛進(jìn)行活躍，表現(xiàn)出場(chǎng)地設(shè)計(jì)的故事性與趣味性。此外，能夠?qū)υO(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)觀看和造型對(duì)比。

（3）施工階段。該階段主要通過結(jié)合LayOut繪制施工圖，能夠更直觀地看到大樣節(jié)點(diǎn)，并準(zhǔn)確清晰地反映施工內(nèi)容。在后期，能夠借助SketchUp在建模過程中的順序模擬，制定科學(xué)合理的施工方案、施工順序，全方位掌控施工場(chǎng)地的安全性及高效性[8]。

2.2 SketchUp軟件優(yōu)勢(shì)

相較于早些年景觀設(shè)計(jì)行業(yè)常使用的3D Studio Max軟件以及如今市面上的其他建模軟件，SketchUp因擁有便捷易懂的操作界面、更人性化的建模過程、組件數(shù)量多、可擴(kuò)展編輯功能模塊豐富、插件多樣化以及與CAD、Photoshop等多款軟件兼容的優(yōu)勢(shì)，是一款高效制作場(chǎng)景模型的3D軟件，是景觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域不可或缺的工具[9]。在設(shè)計(jì)師與客戶反復(fù)溝通和修改草圖的過程中，SketchUp能夠最大限度地提高溝通效果，降低時(shí)間成本。其他建模軟件需要花費(fèi)大量時(shí)間學(xué)習(xí)，但SketchUp用戶初次體驗(yàn)效果最多的反饋就是“上手容易”這一優(yōu)勢(shì)；傳統(tǒng)軟件都是三視圖，而SketchUp是透視圖視角，觀察起來更加方便。SketchUp中龐大的免費(fèi)資源庫擁有很多的素材可直接導(dǎo)入使用，并與各種渲染器無縫銜接。總體來說，SketchUp最大的優(yōu)勢(shì)就是直觀和好用[10]。SketchUp軟件的優(yōu)勢(shì)具體如表1所示。

表1 SketchUp軟件優(yōu)勢(shì)

3 基于SketchUp的三維虛擬景觀地形制作方法

地形設(shè)計(jì)是形成景觀的基礎(chǔ)，地形類型有山地、平地、凹地、微地形等，所有的景觀元素都要依托于地形。在景觀設(shè)計(jì)中，通常會(huì)設(shè)計(jì)一些微地形、臺(tái)階、草坡、駁岸等以豐富空間的層次，所以地形的創(chuàng)建尤為重要，制作地形也成為景觀場(chǎng)景設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的步驟之一。本文總結(jié)了以下幾種地形制作的方法。

3.1 沙盒工具創(chuàng)建地形

沙盒工具是SketchUp自帶的地形制作工具。從精細(xì)度角度來說，其制作的模型較為粗糙，是一種概念性地形制作工具，分為等高線創(chuàng)建地形、網(wǎng)格創(chuàng)建、曲面起伏、曲面平整、曲面投影、細(xì)部調(diào)整、對(duì)調(diào)角線7個(gè)功能模塊[11]。

3.1.1 根據(jù)等高線創(chuàng)建地形

利用沙盒工具制作地形前，需在CAD軟件中構(gòu)思一個(gè)場(chǎng)地地形，將繪制好的地形DWG文件導(dǎo)入SketchUp中，單位選擇“毫米”后導(dǎo)入；把未設(shè)置高程的設(shè)計(jì)等高線分解，利用插件“Contours Tool”中的“調(diào)整閉合等高線”選項(xiàng)設(shè)置好等高距、起算位置、起算高程的數(shù)值和內(nèi)容，如圖1所示；再次選擇所有等高線，執(zhí)行沙盒工具中的“等高線創(chuàng)建地形”選項(xiàng)，計(jì)算后生成地形；最后用“橡皮擦”擦掉多余的部分后完成地形創(chuàng)建。

圖1 插件Contours Tool參數(shù)設(shè)置

3.1.2 生成網(wǎng)格創(chuàng)建地形

選擇沙盒工具中的“網(wǎng)格創(chuàng)建”按鈕，設(shè)置好柵格間距、長(zhǎng)寬數(shù)值后，形成柵格平面，如圖2所示。雙擊進(jìn)組后，選擇“曲面起伏”，設(shè)置半徑參數(shù)后進(jìn)行編輯，在柵格中選取一點(diǎn)進(jìn)行向上或者向下拖拉，調(diào)整適合地形后，柔化邊線，完成地形模型創(chuàng)建，如圖3所示。

圖2 生成的柵格平面

圖3 生成的地形模型

3.2 Soap Skin Bubble Tool（起泡泡工具）創(chuàng)建地形

對(duì)于不規(guī)則地形，選擇好閉合的線條后，點(diǎn)擊“生成泡泡”，設(shè)置好數(shù)值后，場(chǎng)地細(xì)分成柵格塊；使用“曲面起伏”進(jìn)行編輯，調(diào)整好地形后，柔化邊線，完成地形模型創(chuàng)建。

3.3 提取地圖高程數(shù)據(jù)創(chuàng)建地形

通過網(wǎng)絡(luò)搜索地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，于在線計(jì)算中，確定數(shù)據(jù)名稱、DEM數(shù)據(jù)源、空間范圍、柵格格式和保存路徑等參數(shù)；執(zhí)行后下載DEM文件數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)在Global Mapper軟件中打開，并點(diǎn)擊“工具—設(shè)置”；投影改為UTM后執(zhí)行“文件—輸出—輸出為海拔網(wǎng)格格式DEM格式”；打開SketchUp軟件，導(dǎo)入DEM格式文件，將多余部分刪掉，柔化邊線后得到地形模型；最后復(fù)制一個(gè)地形后垂直下拉到合適高度，使用放樣工具，將地形的厚度補(bǔ)充完整，這樣即可獲取相對(duì)精確的地形。

3.4 結(jié)合湘源控規(guī)創(chuàng)建地形

單獨(dú)提取CAD文件中的地形高程點(diǎn)圖層，利用插件湘源控規(guī)，執(zhí)行地形“字轉(zhuǎn)高程”；確定好參數(shù)后，執(zhí)行“地形—三維模型—生成網(wǎng)格—寫塊保存”；再將處理好的文件導(dǎo)入SketchUp軟件，柔化邊線后得到地形模型。

3.5 地理位置創(chuàng)建地形

在SketchUp軟件中的“文件”菜單的“地理位置”中抓取一張地理位置圖，選擇好區(qū)域后導(dǎo)入；然后點(diǎn)擊“顯示地形”，使用插件“聯(lián)合推拉”的“矢量推拉”，激活參數(shù)中“雜項(xiàng)”的“將圖形投影到平面上”；將地形向下推拉后生成模型，炸開模型后，點(diǎn)擊切片插件工具，確定好切片軸向、切片間距、切片厚度、分布模式參數(shù)，其他參數(shù)默認(rèn)；計(jì)算后生成地形模型。

3.6 Fredo地形工具插件創(chuàng)建地形

單獨(dú)提取CAD文件中的地形等高線圖層，點(diǎn)擊“選項(xiàng)”確定單位參數(shù)后，將CAD文件導(dǎo)入SketchUp軟件中；然后全選等高線，點(diǎn)擊Fredo地形工具中的“生成地形”，期間導(dǎo)入到SketchUp軟件的CAD圖形會(huì)出現(xiàn)部分短線或殘缺部分，待確認(rèn)后進(jìn)行自動(dòng)修補(bǔ)，完成后點(diǎn)擊“計(jì)算地形”；地形初步生成后再進(jìn)行網(wǎng)格尺寸調(diào)整，點(diǎn)擊“生成地形”，即可得到一個(gè)結(jié)構(gòu)線清晰的地形模型，如圖4所示。

圖4 Fredo地形工具生成的地形模型

4 SketchUp在景觀場(chǎng)地創(chuàng)建中的應(yīng)用

SketchUp地形模型創(chuàng)建大致分為地理位置的選取、DEM數(shù)字高程獲取、數(shù)據(jù)處理、地形創(chuàng)建、模型優(yōu)化5個(gè)步驟。

4.1 地理位置的選取

4A級(jí)天河潭風(fēng)景名勝區(qū)位于貴陽市花溪區(qū)，距省會(huì)中心24 km，總面積為15 km2，是一處典型的喀斯特地貌風(fēng)景名勝區(qū)。園內(nèi)風(fēng)光旖旎，地形險(xiǎn)峻，有河谷、洞潭瀑布、峽谷等自然地貌。本文選取天河潭風(fēng)景名勝區(qū)部分空間作業(yè)地形制作為對(duì)象，期許通過虛擬地形模型的制作，用數(shù)字化技術(shù)展現(xiàn)天河潭風(fēng)景名勝區(qū)的地貌形態(tài)。

4.2 DEM數(shù)字高程獲取

在“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站的高級(jí)檢索的“DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)”中選擇需要的分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)；從“空間位置”板塊中用矩形工具選擇一塊地理位置，檢索后下載對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)壓縮包。

4.3 數(shù)據(jù)處理

打開Global Mapper軟件，在配置中把投影方式調(diào)整為UTM；把下載的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，在菜單欄“Analysis”中執(zhí)行“Generate Contours（from Terrain Grid）”選項(xiàng)；調(diào)整好等高線間距并繪制出等高線邊界，輸出等高線后，點(diǎn)擊“Export Vector/Lidar Format”導(dǎo)出格式為DWG的文件并命名為“天河潭風(fēng)景名勝區(qū)地形—1”或者點(diǎn)擊“Export Elevation Grid Format”導(dǎo)出格式為DXF Mesh的文件并命名為“天河潭風(fēng)景名勝區(qū)地形—2”。

4.4 地形創(chuàng)建

第一種方法：打開SketchUp軟件，導(dǎo)入“天河潭風(fēng)景名勝區(qū)地形—1.dwg”文件，統(tǒng)一好單位后直接導(dǎo)入；然后進(jìn)組群后，選擇全部文件內(nèi)容，點(diǎn)擊沙盒工具中的“等高線創(chuàng)建地形”，完成虛擬地形創(chuàng)建，如圖5所示。第二種方法：打開SketchUp軟件，導(dǎo)入“天河潭風(fēng)景名勝區(qū)地形—2.DXF Mesh”文件后，完成虛擬地形創(chuàng)建，如圖6所示。

圖5 天河潭風(fēng)景名勝區(qū)地形—1

圖6 天河潭風(fēng)景名勝區(qū)地形—2

4.5 模型優(yōu)化

制作好的地形模型需要進(jìn)行一系列模型優(yōu)化后才能夠投入使用。首先，需要檢查模型中是否存在多余部分，如果存在，需對(duì)其進(jìn)行清除；其次，需要進(jìn)行柔化邊線處理，清理去除多余的線條，提高模型整體的流暢度和精致感，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)景觀場(chǎng)地的信息特征進(jìn)行材質(zhì)貼圖，制作出道路、建筑、水體等主要構(gòu)成成分；最后，種植相應(yīng)的植物，在植物種植過程中，可以依靠該軟件強(qiáng)大的組件功能輕松種植出大面積的林木、花徑以及立體的草地等，提高景觀豐富度[12]。此外，可以在SketchUp中植入渲染器進(jìn)行場(chǎng)景渲染。如目前兼容性較好的Enscape渲染器，可以通過制作者進(jìn)行參數(shù)調(diào)試設(shè)置，使材質(zhì)質(zhì)感更真實(shí)、場(chǎng)景明暗變化更明顯，進(jìn)一步貼近現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，提高虛擬空間的真實(shí)性；同時(shí)還能與VR眼鏡設(shè)備連接，提高用戶使用虛擬空間游賞的體驗(yàn)感和滿意度[13]。

5 結(jié)論與展望

通過對(duì)天河潭風(fēng)景名勝區(qū)的地形制作實(shí)操，證明了SketchUp在三維虛擬景觀設(shè)計(jì)中擁有極大的優(yōu)勢(shì)。相比于其他建模軟件，SketchUp的獨(dú)到之處在于它的易于操作和三維虛擬模型自定義編輯豐富性。多樣的功能使創(chuàng)意得到全面發(fā)揮，可視化的視覺體驗(yàn)?zāi)芊从吵稣鎸?shí)的環(huán)境特征?；赟ketchUp的三維虛擬景觀地形制作研究，能啟發(fā)創(chuàng)建逼真場(chǎng)景模型，以期實(shí)現(xiàn)SketchUp創(chuàng)建的三維虛擬模型在景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的價(jià)值。