可视化技术在数字化风景园林景观规划系统开发中的运用

王丽虹

（运城职业技术大学，山西运城 044000）

风景园林景观一般可分为两类：一类是通过体验感知到的场景，另一类是真实场景展示[1]。现阶段在风景园林景观规划设计过程中，传统方法已无法直接展现设计结果，为了将设计图纸具体化，通常采用数字可视化技术。风景园林景观规划设计系统总体框架由用户层、应用层、显示层三部分组成，设计运行主程序的可视化数字系统软件。同时，对三维景观图像进行预处理，去除噪声、冗余信息，结合风景园林景观特征，依照参数化植物建模方法，获得景观植物形态结构参数，建立各种景观植物三维模型，并基于开放式场景图绘制引擎，实现风景园林景观的数字可视化（见图1）。

图1 数字化园林景观规划系统的可视化技术框架设计

通过使用可视化技术，三维模式的园林景观平面设计图更接近实物本身[2]。针对传统成像系统图像分辨率低、系统结构单一等问题，数字可视化技术能有效简化景观规划设计，提高景观规划数字化水平。为此，立足于新时代生态文明建设要求，基于数字信息技术发展，将数字可视化技术与图像处理、交互式漫游技术相结合，使景观设计中的建筑、植物、水景呈现出良好的可视化效果。

1.1 拓宽园林景观规划方式

数字可视化技术景观规划设计使景观设计的方式更加多样化，不仅可以生成截面图、平方米图、彩色图，而且能实现风景园林景观设计的虚拟现实场景制作。

1.2 提升园林景观规划的科学性

根据园林景观设计需要，数字可视化技术软件可不借助尺、笔等工具就能绘制出更科学、更准确的图形。以三维场景模型生成为主要功能的建模软件，既能实现园林景观规划的可视化效果，又能优化园林景观设计方案。采用空间布局参数化、园林景观元素数字化、色彩重构的方式，提升园林景观规划设计的系统性、科学性、规范性。

1.3 提高园林景观规划设计效率

在传统风景园林景观规划与设计中，需要由专业人员开展大量的测绘工作，才能提供丰富的测绘数据。而数字可视化技术的应用，大幅度降低了测绘工作量，既能帮助设计师高效绘制图纸，又能利用高精度数据优化图纸方案。

2.1 硬件设计

系统硬件部分由图像采集器和虚拟成像设备组成。图像采集器包括摄像头捕捉器、单片机、图像传感器、图像控制器、神经网络加速器；
可视化成像设备由计算机、投影设备、光敏剂、激光放大器、ESP8266 透明传输模块组成。由于该装置作为信息存储的主控模块，采用功耗大、效率低的AVR 存储模块单片机ATmega16。

在风景园林景观规划中，大多采用单片机作为图像采集的中心设备。单片机利用SoC 芯片处理器，将计算机的所有或部分模块集成在嵌入式系统，信息分发和存储过程中经常需要与更大的SoC 相结合[3]。图像采集硬件还可采用SONY IMX323 图像传感器、相机图像捕捉器、Arm912c 控制器、神经网络加速器，可实现动态复杂环境中图像采集的高度稳定。

2.2 成像设计

将风景园林景观规划设计用立体光在空间中呈现，需设计可视化技术的光和控制单元。通过计算机系统综合处理景观规划设计结果，并利用可视化技术成像显示处理后的图像。全息可视化数字技术是一种捕捉光模式技术，将激光作为虚拟成像的光源，通过光放大器折射到光敏薄膜[4]。将处理后的景观图通过计算机发送到透明传输模块，在该模块中，对景观图像进行多次处理后开始模拟传输，完成虚拟成像。既能提升景观规划设计效率，实现数字化全息模拟，又能促进风景园林景观规划系统的技术迭代。

2.3 软件设计

首先，处理园林景观的图像采集。与原始图像采集不同，数字可视化技术需利用成像模型对园林景观进行成像，得到景观设计仿真图像[5]。为了保证图像的清晰度，对园林景观图像做去噪处理，同时，为了避免卷积处理后的网络协变量出现不良变化，采用量化标准优化图像处理能力，通过利用非活动神经元和参数重建图像，将输出的园林景观图像数据进行二次处理（见图2）。

图2 数字化园林景观规划系统的可视化技术应用实现

基于园林景观规划系统对图像的采集及统一的数字化处理，通过Moravec 算法，对园林景观规划设计的图像像素进行灰度变化操作及深度计算。取待测点的极值作为特征点，设置窗口范围，得到灰度差平方和的最大值。通过提取特征点，处理采集到的园林景观图像，并根据特征调整图像，保证图像位置的正确性。利用数字可视化模块采集和处理风景园林景观图像后进行数字可视化技术成像。在数字可视化技术硬件设计的基础上，利用计算机控制园林景观规划系统在可视化过程中的最终图像输出，并使用Python 语言编写可视化过程。

3.1 可视化技术的硬件实现

三维图像处理技术是园林景观规划系统的重要组成部分，技术使用方面，应当融合数字可视化技术，构建以数据采集、模型建立、数据统计分析为核心的三大单元模块，从而实现园林景观规划系统的数字可视化技术创新。首先，在园林景观规划系统的数据采集单元中，建立资源库，用于保存园林景观的规划与设计样本、园林景观平面符号库、园林景观图片集，为设计师提供园林景观规划资料。其次，针对地形、地貌、植被、建筑设计等信息，通过可视化技术模拟景观场景，提升设计的真实感，并以硬件单元模块的优化重组实现可视化模型预处理过程，实现降噪和消除冗余信息的效果，增强园林景观图像特征，提高图像的清晰度。最后，融合ArcMap 等数字可视化技术，搭建数据统计分析单元，在景观规划系统可视化过程中建立园林景观场景模型，得出用地面积与高程数据等特征值，从而搭建地区特征共享数据库。

3.2 可视化技术的图像绘制实现

园林景观规划系统的图像预处理需根据真实园林景观图像渲染模型颜色。对于整个园林景观规划设计的可视化实现，园林景观场景元素的重组是重中之重。首先，要想实现园林景观场景信息的层次化，需介入以OSG 引擎为驱动的3D 树节点结构，通过包围体层次结构（BVH）的节点灵活性，实现园林景观规划系统中场景可视化的二次渲染。其次，地形可视化模型包含高程信息，可将园林景观场景组织作为其他特征节点的根节点。在园林植被景观的可视化中，通过集成数字化园林景观规划系统环境中的Tree Engine 引擎，将树模型加载至3D 场景中，对树木各个层次的叶子和树枝添加层次细节模型（level detail model，LOD），以减少树模型程序的可视化渲染消耗。

此外，通过不同的可视化技术处理方法，将参数化树模型渲染过程更加细致化，对每层枝杈和器官添加LOD，预置园林景观的可视化渲染，减少数字化风景园林景观规划系统可视化的程序负担，增强多重维度园林景观可视化的真实感。在园林景观设计中，结合植被与建筑规划、设计特征，从空间分布角度，采用多类型的矢量化数据参数，根据实际园林景观规划要求和生态发展具体情况，实现区域植被与建筑景观规划的数字化布局。同时，将气候条件、地形地貌、建筑风格等重要景观元素集成到OSG 引擎驱动的各个节点结构中，从而构建完整的园林景观。

3.3 可视化技术的系统模块集成

数字化风景园林景观规划系统的场景数据既需要通过节点进行组织，又需要通过OSG 3D 图形引擎传输至可视化模块。结合数字可视化技术相关功能，可实现园林景观的可视化成像显示。通过多采样抗走样（MSAA）方法的集成，克服园林景观场景可视化模型细节走样和纹理粗糙等问题，为园林景观规划可视化提供更精细的效果。可视化技术模块承担园林景观规划整体渲染工作，能提升时间与色温、色差方面的失真校正。因此，针对园林景观规划可视化的场景实现功能，应采用HMD 相关设备，提供场景可视化姿态数据的实时反馈，从而融合OSG 引擎驱动功能，实现园林景观规划场景的矩阵变换和数字化渲染。

当数字化园林景观规划系统的可视化场景构建完成后，可视化模块进入初始化过程，通过数字可视化技术的过程对象，将园林景观规划系统的场景视野范围，由静态的平面区域增强到覆盖上、下、左、右多个角度，实现景观规划边界动态模拟。其优点在于，既能灵活配置不同园林景观规划场景的可视化数据参数，满足不同园林景观规划实际可视化需求，又能结合远近切割面参数，构造出属于HMD 的锥裁剪区域，从而确定实时的园林景观规划可视化范围。

与此同时，根据设置数字可视化程序的初始值计算期望中心的像素密度，远近裁剪平面参数，绘制纹理的大小，在数字化风景园林景观规划系统的可视化模块中，可利用纹理交换链，实现园林景观HMD 双目透镜的纹理缓存过程。采用OpenGL 格式纹理交换链，能满足可视化技术OSG 引擎的要求。通过帧时序信息，可获得实时的园林景观规划可视化姿态，结合纹理交换链缓存函数，获得渲染的园林景观纹理，在提交给混合器后，逐帧同步渲染园林景观可视化成像图。在OSG 引擎中，实现渲染过程可为园林景观整体规划设计绘制奠定基础。纹理渲染完成后，可视化环境中的园林景观规划3D场景就已基本构建完成，此时可视化模块会调用该函数销毁渲染过程中构造的镜像纹理，交换纹理缓冲区和对应的进程对象，防止内存溢出等错误，以此保证数字化风景园林景观规划系统在可视化过程中的稳定与高效。

基于新时代经济社会高质量发展和生态文明建设新要求，风景园林景观规划对实现绿色发展及生态和谐具有重要意义。结合风景园林景观规划特征，从数字化风景园林景观规划系统着手，着重分析可视化技术在园林景观规划中的应用模式，包括可视化技术的系统框架、可视化技术关键模块的数字技术实现、可视化技术的增强模式等，革新现有可视化技术实现方式，既能提高技术的稳定性，又能提升园林景观规划设计的有效性和延展性。与此同时，可视化技术在园林景观规划系统中的应用，对于维护生物多样性、调节区域气候、优化园林空间布局及维持生态平衡具有重要的现实意义。