一种便捷的城市三维景观可视化方法

一种便捷的城市三维景观可视化方法（精选7篇）

篇1：一种便捷的城市三维景观可视化方法

一种便捷的城市三维景观可视化方法

本文提出了基于城市CAD地形图和高分辨率遥感影像的.城市景观三维建模方法.利用建筑物的多边形和层数属性,在二维GIS软件中以建筑物多边形为底、层数乘以每层高度为高,生成立柱体.再把立柱体和正射影像投影到DEM上,得到城市三维景观模型.本研究以南京市新街口地区为例,实验结果表明,该方法是一条经济而高效的城市景观三维可视化途径,可广泛应用在城市GIS的相关研究中.

作 者：张竞 王结臣 ZHANG Jing WANG Jie-chen  作者单位：南京大学地理信息科学系,南京,210093 刊 名：测绘科学  ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING 年，卷(期)： 34(4) 分类号：P282 关键词：GIS   可视化   三维   城市景观  

篇2：一种便捷的城市三维景观可视化方法

1 城市三维景观可视化过程

一个完整的三维可视化过程应该如下所示, 包括模型化、映射、交互三个过程。其中模型化过程是将现实世界各种各样的三维可视化对象映射成计算机可接受的数据格式, 从而产生可视化数据对象;映射过程的含义是将模型化后所得到的数据映射成一种易于理解的表示形式, 包括可视化方案的设计, 即需要决定在最后的图像中应该看到什么, 又如何将其表现出来;交互过程就是通过灵活、高效的交互界面使用户高效地与可视化对象打交道, 从不同观察角度和详细程度观察可视化对象。城市三维景观系统本质上就是这样一个包含模型化、映射、交互三个过程的三维可视化系统。

1.1 城市三维景观数据建模

构建城市三维景观模型所需要的数据包括:建筑物的高度数据, 建筑物的几何要素数据 (指表示建筑物的三维几何外形特征的数据) , 建筑物及地面的影像纹理数据, DEM数据, 其他数据 (如植被、树木等有关数据) 、语义特征及拓扑数据等, 重点是城市空间对象的几何、纹理数据和DEM数据。

针对三维空间数据模型的研究早已成为3D USGIS研究领域首要解决的问题而展开, 国际国内对三维空间数据模型的研究, 大致可把其归纳为四类: (1) 三维矢量模型, 即基于矢量 (Vector) 或边界面表示的模型。它是用一些基元及其组合来表示三维空间对象, 如格网 (Grid) 、不规则三角网 (TIN) 、边界表示 (BR) 、参数函数、四面体格网 (TEN) 等。 (2) 三维栅格模型, 亦称为体模型, 它是基于体元 (Voxel-Volume Element) 表示的数据模型, 如3 D栅格 (A r r a y) 、八叉树 (Octree) 、结构性实体几何 (CSG) 。这类模型侧重于3D空间体的表示, 如矿体、水体、建筑物等, 通过对体的描述实现3D空间对象表示。其优点是易于表达三维空间属性的非均衡变化, 便于空间操作和分析, 但占用存储空间较大, 计算速度也较慢。 (3) 混合或集成数据模型。混合数据模型是将两种或两种以上不同的数据模型结合起来, 取长补短, 以满足需要。 (4) 面向对象数据模型。这种模型比上述模型优越, 更符合人们认识事物的思维模式, 还具有存储复杂对象、支持完整性、有较高查询访问能力等优点, 是解决空间数据与属性数据结合、图形与图象数据结合、多媒体信息管理的一种较好的数据模型。

1.2 城市三维景观模型可视化

目前可基于微机应用的三维图形库有OpenGL、Direct3D、Glide、VRML、Java 3D等。对一般的PC机用户而言, 目前比较合适的底层3D API是OpenGL和Direct3D, 这两种接口都提供高性能的3D图形处理能力, 其特性受到许多硬件的支持, 其本身已经成为PC主流操作系统Windows中的一部分。目前官方公布的OpenGL的最新版本是O p e n G L 1.2, D i r e c t 3 D的最新版本是Direct3D9.0。

无论采用何种三维空间数据模型和建模方法, 若要使用现有的3D API (三维应用程序接口) 进行系统的开发, 则必须将模型数据转换成3D API能直接接受的基本图元形式。在OpenGL和Direct3D中基本的图元形式是面、线、点。实际上各种三维体的绘制是通过对三维体表面或内部的面、线、点的绘制而实现的。

2 城市三维景观可视化总体结构

基于GIS的数字城市三维景观Web可视化技术主要有底层GIS平台用于支持矢量、栅格形式地理空间数据管理及辅助生成景观模型、模型地理空间定位、模型空间分析等功能。

城市三维景观中地形、建筑物等实体对象各种纹理的主要来源是航空影像, 但是由于航空影像是从空中向下的中心投影, 因此屋顶纹理一般可在航空影像上提取 (除非被其他高层建筑物所遮挡) , 而墙面有的是在空中可见的, 可在航空影像上提取纹理, 有的则被遮挡, 可补充地面近景摄影影像。景观地形可通过导入DEM数据、GRD数据、高程库数据或者在自定义的范围内建立虚拟场景的基本地形并配以相应的影像图来创建。城市三维景观中诸如建筑物之类的空间实体模型可通过多种方式创建, 如可通过把2D GIS中的矢量区数据按照设置好的高度进行批量建筑物建模, 并可映射上预设的纹理, 也可通过导入第三方三维模型如*.3ds, *.dxf来建立模型, 还可通过从航空影像提取部分建筑物几何要素来辅助进行建模。

3 城市三维景观Web发布

近些年来随着网络技术的发展, 提出了基于网络的GIS的要求, 即WebGIS。但是, 目前的WebGIS都只有二维地图的数据管理、查询和显示能力, 缺乏必要的三维信息处理能力。随着互连网技术的飞速发展, 如何利用网络这个巨大的信息传输工具, 使之能更好地处理城市三维空间地理信息, 已成为3D USGIS研究者所面临的新挑战。构建基于网络的城市三维景观系统必须考虑WWW环境下的系统通信与运行结构, 三维真实感图形实时计算与显示的数据模型, 适合地理空间数据显示、分析的用户界面, 以及基于Internet系统开发工具如VRML与Java的集成应用、共享对象的管理等。

VRML、Java 3D是两种在Internet上具有交互性的3D API, 但它们的应用都要基于底层3D API如OpenGL和Direct3D的支持。

4 结语

城市三维景观的深入应用还有许多研究工作要做, 主要表现为:大面积建筑群体的高效建模技术;大规模城市景观的实时浏览;高效的城市实体数据模型及数据结构;虚实结合的三维动画技术;城市景观与VR技术的结合, 即虚拟地理信息系统Virtual GIS;基于网络的数字城市三维景观Web发布技术;三维空间分析的描述及交互式操作;三维表面分析, 三维剖面分析。

参考文献

[1]朱庆, 李德仁, 龚健雅, 等.数码城市GIS的设计与实现[J].武汉大学学报 (信息科学版, ) 2001, 26 (1) :8～11.

篇3：一种便捷的城市三维景观可视化方法

当前针对地下综合管线的三维可视化方法存在诸多研究，例如利用AutoCAD的三维建模方法、ArcGIS Engine的三维可视化方法、基子OpenGL的三维渲染方法等。然而这些方法较少考虑地下管线数据海量性、实时更新特性，存在建模效率不高、随着管线的更新而实时变更模型困难等问题。

本文结合管线数据的特点，提出了面向对象的地下综合管线三维建模及可视化方法，通过面向对象的方法将城市地下综合管线数据进行抽象，根据管点和设施的属性及特征形成各种类型的简单对象，构成管线建模和渲染的基本单元，然后，在三维渲染时，根据管线的具体特征将简单对象组合成复杂对象来表达实际的管线对象，并利用一系列的三维渲染优化方法提高可视化的效率。

1 面向对象的城市综合管线数据组织

为了便于研究和管理，可以将现实世界的管线数据抽象为对象，对象是客观世界中客观实体的抽象，是构成管网系统的基本单位，具有属性和行为特征。对象可以根据应用的实际需要分为简单对象和复杂对象，简单对象是表示空间事物的基本单元。复杂对象是将多个简单对象进行组合，用于表达通过单一简单对象难以表达的复杂实体。

本文根据管线数据的特点，将对象标识、空间位置、属性信息、拓扑关系及行为封装成对象，实现数据的有效管理，具体数据结构模型如下：

管点对象{管点对象标识；位置；高程；相连管线对象列表：联通特性：关联属性信息}

管线对象{管线对象标识；起始管点对象终止管点对象；终止管点对象为起始点的管线列表；起始管点对象为终止点的管线列表：关联属性信息}

管设施面对象{设施对象标识；空间位置；相连管线对象列表；联通特性；关联属性信息}

相连管线列表{为起始点的管线对象列表；为终正点的管线对象列表}

为起始点的管线列表{管线对象1；管线对象2；…；管线对象n}

2 面向对象的快速建模方法

当前主流的地下管线三维建模方法是采用专业的三维软件进行建模，存在建模效率低、费用高、更新困难等问题。城市地下综合管线数据量庞大、种类繁多、纵横交错，传统的人工建模方法已经难以满足管线管理的需要。

本文采用面向对象的矢量数据自动建模方法，该方法首先将管线数据进行抽象，将各类管线所共有的特征进行提出，建立起抽象的基类管线数据模型，并根据管线的属性特征、管点的特征和附属物的属性特征，将管线分解了多个简单对象（见图1）。在建立管线模型时，将大型管线模型通过若干个高精度三维组件式管线模型的重构，建立面向管线三维模型的分类、标识设计规划，使管线管理实现依据不同设备组件对三维时空管线进行精确描述。根据各种类型管点和设施的实际情况，建立不同种类管点和设施的简单模型，并根据实际外观选择模型材质和贴图，形成不同种类的管点小部件，并构建若干个高精度三维组件式小部件模型来表达各种管点和设施，将它们和相应的模型实体存储在相应的管线拓扑表和内部关系表中，形成内联的基础信息。

管线段由管点连接而成，在数据库构建时，为管线段建立管点拓扑关系，管线段具有管径变化特性，因此，需要根据不同的管径大小构建不同大小的模型，在管线三维建模时，根据管径的大小，以及管线具有的方管、圆管、排管、综合管沟等多种形状特性，利用管线起始点和终止点的位置信息，为管线段自动构建相应管径大小的模型，并根据实际管线材质，为模型选择不同的材质和贴图，形成管线段模型。

最后，在三维实时渲染时，将多个组件根据管线对象的实际情况进行组装，形成整体的三维管线效果。

3 地下综合管线三维可视化渲染

地下管线的空间位置和方位差异很大，在三维场景中进行渲染时需要利用统一的光照、方位变化和投影方式。地表、地形、地貌则具有较为统一的基元特征，但在三维场景中渲染时要考虑地形起伏引起的光照差异。本文将地下管线模型与地表表面模型通过三维坐标进行结合，并根据地形起伏，对三维管线模型在场景中的植入深度、对地形的遮蔽情况进行分析，在内存中建成具有统一基元特征的一体化渲染模型，从而实现利用统一的渲染方法对地表和地下管线实现一体化渲染，提高场景的仿真程度。在一体化渲染时一个重要的工作就是对地表和地下管线的光照进行处理，使观赏者有真实的观赏体验，提高仿真程度。

地下管线模型的空间密度高、精度高，为了保证模型几何精度和纹理精度的无损展示，同时满足人类视觉感受，需要减少对场景中三维管线不可见部分的渲染，本文通过距离剔除和三维视锥体裁剪两种方式实现此功能。

三维视锥体裁剪是指在三维场景中，以一个平头锥体来替代三维视域，通过判断三维管线是否在该视锥体中，对视锥体内和与视锥体相交的三维管线进行渲染，而对视锥体外的三维管线不进行渲染，从而大幅提高渲染效率，通过视锥体与符合管线特征的立方体包围盒的相交检测算法进行快速的视域剔除，即计算三维管道包围盒的任意两个顶点是否在视锥体内，批量的削减视锥体外的三维管道的几何节点，快速计算出需要渲染的节点序列，减少送入Direct 3D渲染通道的三角面数量，从而有效地提高渲染速度，达到实时性的要求。

距离剔除即通过计算待渲染三维管道模型与三维视锥体的距离，将距离大于限制系数的三维管道模型排除，从而优化近端场景的渲染速度和效果，该方式可有效配合视锥体裁剪使用。

本文利用分块LOD模型技术来加快图形生成速度，首先将三维场景中原始的多面体建立为面片模型，然后根据视景远近不同，对原始的面片几何模型按不同的逼近程度进行简化，以减少面片结构中的拓扑边和结构面的数量，从而将三维场景分成连续多分辨率的模型，去除不在浏览视域中的场景（如三维管线模型、地形模型），最终在不影响视觉效果的情况下降低数据复杂程度和10吞吐量，大幅提高多画体数据的访问和渲染效率（见图2）。

从整个完整的三维场景出发，递归地把场景分割成相等的四个区域，每层分割深度越大，得到的分辨率越高，分割的正方形块或长方形块（视展示区域而定）为四叉树的一个节点，每个节点保存了一定区域的信息，包括：索引号、三维管线模型，索引号由节点所在的层级、行号、列号组成。最后用二进制文件形式保存每个节点的场景信息，便于场景快速调用。

篇4：一种便捷的城市三维景观可视化方法

相比传统的二维超声, 三维超声具有图像形象直观、测量精确、空间定位准确、多角度观察、数据采集效率高等优点。然而, 由于超声成像和计算机技术的限制, 从1961年, Baun和Greewood提出了三维超声成像的概念后, 三维超声一直局限于实验室研究的范围, 直到上世纪90年代中后期, 全数字超声成像技术和计算机软硬件技术发展到一定的高度后, 才真正开始有三维超声的商用产品面世[2]。经过近二十年的发展和临床实践, 超声三维成像技术得到了长足的发展, 已广泛应用于临床诊断领域。

超声三维可视化即通过软件运算的方法将采集到的三维超声体数据重新构建成一个三维体进行显示, 它是三维超声成像中的关键核心技术。本文将对三维超声可视化技术进行描述, 并介绍一种以GPU编程实现快速体绘制的三维超声可视化方法。

1. 三维超声可视化

三维超声可视化目前主要通过两大类方法实现:第一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体三维结构, 称为基于表面的三维面绘制, 又称为面绘制;第二类是直接将体素投影到显示平面, 常被称为体绘制;

常见的面绘制方法有连接轮廓线法 (Contours Connection) 、立方体法 (Cuberille) 、移动立方体法 (Marching Cubes) 和分解立方体法 (Dividing Cubes) 等多种算法。其中最为经典的是移动立方体法 (Marching Cubes) , 又称MC算法, 由Lorensen和Cline于1987年提出。该算法先确定一个表面阈值, 计算每一体素内的梯度值, 并与表面阈值进行比较判断, 找出那些含有表面的立方体, 利用插值的方法求出这些表面。

常见的体绘制方法有脚印法 (Footprint Algorithm) 、光线追踪法 (Ray Tracing Algorithm) 、剪切形变法 (Shear-Warp Factorization Algorithm) 等算法, 其中最为经典的是光线追踪法 (Ray Tracing Algorithm) , 由Levoy M.于1998年提出。该算法假设从屏幕上的每一像素点发出1条视线, 这条视线穿过三维数据的体元矩阵, 沿这条视线等距离设置采样点, 并将距离采样点最近的8个体元数据点的颜色值及不透明度进行3次线形插值, 求出该采样点的颜色值及不透明度, 然后对这些采样点进行处理, 得到这个像素点在最终的图像中应该显示的结果, 最后依次对所有像素进行上述处理后, 即得到三维立体图像。

面绘制所涉及的几何单元数量相对较少, 可以利用传统的图形硬件实现绘制, 使得图像生成和变换的速度加快, 但由于它只是将原始数据中的部分属性映射成几何单元, 因此构造出的可视化图形并不能反映整个原始数据场的全貌及细节。而体绘制则刚好相反, 体绘制中每一个像素点就可以认为是一个几何单元, 因此它涉及的几何单元数据非常多, 无法利用传统的图形硬件实现绘制, 以往只能借助CPU进行计算, 消耗的计算资源和存储资源都非常大, 计算时间也很长, 但由于原始数据中的所有属性均被映射为几何图元, 因此这种方法能产生三维数据场的整体图像, 包括每一个细节, 并具有图像质量高、便于并行计算的特点。

图1展示了面绘制和体绘制的成像效果, 左侧为面绘制, 右侧为体绘制。

2. 基于GPU编程的体绘制的可视化方法

近几年来, 许多图形硬件厂商都推出了包含大量可编程流处理器的图形处理器 (GPU) , 使得借助GPU强大的并行能力实现快速的三维体绘制成为可能。

使用GPU编程实现体绘制的处理流程包括预处理、分类、赋值、三维坐标变换、重采样、图像合成, 共六个步骤, 其中前三个步骤在CPU中完成, 后三个步骤在GPU中完成, 如图2所示。

(1) 数据预处理

本步骤是对采集到的三维超声数据进行预处理, 获得重建图像所需的体积图像数据。首先对原始体积图像数据进行预处理, 包括原始体积图像数据的格式转换、剔除冗余数据, 并导出所需的体积图像数据。例如, 根据感兴趣区域ROI的位置, 将ROI内的数据保留, 剔除ROI外的数据。这样做可以减少数据量, 节省后续的计算、传输和存储资源。

(2) 数据分类

本步骤是对预处理后的体数据中的采样数据点进行分类, 将反映同一物质的采样数据点归入同一类。

数据分类可采用下述方法:根据体积图像数据所在应用领域的背景知识, 或者对全部采样数据点进行统计, 设定若干阈值dm (i=1, 2…, n) ;如果各采样数据点以f (xi, yj, zk) 表示, 则将满足条件dm≤f (xi, yj, zk) <dm+1的采样数据点归入同一类。

(3) 采样点赋值

本步骤对根据上一步骤的分类结果, 对采样点进行赋值, 由于采样点本身具备灰度信息而不具备颜色信息, 并且需要显示体积图像数据内部的信息, 因此需要给采样点赋颜色值与不透明度值。

对采样点赋值可通过转换函数来进行, 从而给采样点赋上颜色值与不透明度值。从采样点的灰度值转换到颜色值, 其实质是对一个预先设定好的颜色对照表进行查找, 例如一个最简单的线性查找表Color[i]=i (i=0, 1…, 255) , 则体积图像数据中的最小值对应查找表中的Color[0]=0, 最大值对应查找表中的Color[255]=255, 其余的值则按线性插值进行查找;赋不透明度值的方法也是对一个预先设定好的不透明度表进行查找。

(4) 三维坐标变换

通过三维超声传感器采集得到的体数据一般是由超声原始线数据构成, 需要类似二维超声一样进行数据扫描变换才能真实反映被探测物体的实际形态。本步骤对体数据进行三维坐标变换, 经过三维坐标变换, 对每个二维切片都进行了顶点坐标变换, 并重新组织了二维切片之间的位置关系, 使最终在屏幕上形成的图像与被测物体相符合。 (如图3所示)

本步骤在GPU中完成, 利用多个流处理器对多个采样点进行并行的坐标变换运算。

(5) 重采样

经过三维坐标变换, 采样点的坐标发生了变化, 也就是说, 采样点变换后的坐标与其原先的坐标不同, 那么根据采样点的原始坐标也就不能在坐标变换后的体数据中找到相应采样点的数据值 (包括颜色值和不透明度值) , 因此必须进行重采样。重采样也是在图形处理器 (GPU) 的流处理器中进行的, 流处理器根据采样点的原始坐标计算得到采样点在坐标变换后的新的体数据中对应的新坐标, 并一一对应地用采样点在新的体数据中的坐标替换原始坐标。每个采样数据点对流处理器来说相当于一个运算核, 流处理器对各运算核进行并行计算, 从而提高运算速度。

(6) 图像合成

图像合成一般采用光线投射法的原理进行, 其目的是沿某一像素点发出一条射线, 计算该射线上各采样点的颜色值及不透明度值, 并进行合成, 形成该像素点的最终颜色与最终透明度。合成的原理是:体数据可以看成是多个二维切片组成的, 这些二维切片经过坐标变换后投影到显示屏幕上, 则多个切片上的点会映射到显示屏幕上的同一个点, 显示屏幕上的这个点的最终显示颜色与最终透明度由多个二维切片上的点来混合决定。

经过图像合成后, 可在显示屏幕上显示图像, 该图像能够反映被探测物体的实际形态。

3. 其他可选的处理

为了使屏幕上显示的图像能够较逼真地模拟出自然界的光照效果, 可以通过GPU编程构建光照模型, 在步骤 (3) 对采样点赋值后, 进行光照量的计算, 并将光照量与采样数据点进行混合, 从而模拟出较逼真的光照效果。光照计算处理流程如图4所示。

为了增强图像的真实感, 在上述光照量的计算中还可再明暗计算, 利用明暗计算突出显示不同物质之间的边界面。明暗计算的步骤如下:

(a) 计算各采样点的梯度值;

梯度值可由以下中心差分公式求出, 其中f (xi, yi, zi) 表示源采样点的灰度值, Gf (xi, yi, zi) 表示目标采样点的梯度值:

(b) 在对采样数据点赋值时, 将步骤 (a) 得到的梯度值作为颜色值赋予采样数据点;

(c) 在计算光照量时, 用纹理点的表面法向量来代替项点的表面法向量。

为了使图像根据需要得到平滑或边缘增强等视觉效果, 进行重采样的同时还可以进行图像后处理。平滑、增强的实现有多种方法, 可以在空间域或频域上进行, 可以针对不同的组织采用不同的方法, 比较常用的三种方法是:中值法, 最小方差法, 低通/高通滤波法。在重采样的时候, 不仅对当前点进采样, 还需对其周边相关的点进行采样, 这样得到一系列与当前点相关的点, 然后通过各种算法对其进行运算, 达到平滑或边缘增强的效果;这些后处理算法本身并不复杂, 但计算量很大, 因此需要将其放到GPU里进行计算, 达到实时平滑/边缘增强的效果。

4. 总结

本文介绍了一种以GPU编程实现快速体绘制的三维超声可视化方法, 采用该方法开发成功的实时三维超声成像软件系统已应用与临床诊断, 成像效果及质量均已充分满足临床需求。

图形处理器GPU因其包含大量可编程流处理器, 在类似三维超声这种运算量庞大且可以并行计算的场合有其独到的优势。

相信随着GPU性能的不断提高和GPU编程技术的不断进步, GPU运算将在三维数据可视化、图像和型号处理等领域中发挥越来越大的作用。

参考文献

[1]郝晓辉, 高上凯, 高小榕。三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析[J]。生物医学工程学杂志, 1998, 5 (13) :311-316

[2]霍健。基于二维面阵的三维超声成像的关键技术研究[D]。北京:清华大学机械工程系, 2004

[3]高上凯, 高小榕, 张志广, 吴雅峰, 郝晓辉。三维超声成像方法的研究[J]。中国医疗器械信息, 2000, 6 (3) :29-31

[4]黄志远。三维超声成像的新技术及发展趋势[J]。武汉科技学院学报, 2006, 19 (10) :5-8

[5]高少佳, 潘佚。三维医学超声技术及展望[J]。医疗装备, 2007, 20 (4) :7-9

[6]杨金耀, 李德来, 郭境峰, 王海潮, 蔡泽杭。基于GPU编程的超声试试三维成像系统[J]。中国医疗器械信息, 2012, 18 (4) :34-37

[7]李德来, 杨金耀。三维超声成像技术及其进展[J]。世界医疗器械, 2010, 16 (11) :15-19

[8]郭境峰, 蔡泽杭, 王海潮。一种超声回波数据数字扫描变换的处理方法:中国, ZL 2008 1 0028277.X[P].2010-2-24

[9]郭境峰, 王海潮, 蔡泽杭。实时三维医学超声图像的重建方法:中国, ZL 2008 1 0030233.0[P].2010-9-1

[10]郭境峰, 王海潮, 蔡泽杭。基于图形处理器的实时三维图像的光照模拟方法:ZL 2008 1 0198571.5[P].2011-6-1

[11]郭境峰, 王海潮, 蔡泽杭。基于图形处理器的实时三维图像平滑处理方法:ZL 2008 1 0198570.0[P].2010-9-22

篇5：一种便捷的城市三维景观可视化方法

关键词：辣椒；疫霉菌；游动孢子；产孢条件

中图分类号：S436.418.1+9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0172-02

辣椒疫病是由辣椒疫霉菌（Phytophthora capsici）所引起的世界性病害，可造成幼苗猝倒、茎秆枯死和果实腐烂。辣椒疫霉菌最早由美国学者 Leonian于 1922 年分离并定名为Phytophthora capsici[1]，属鞭毛菌亚门（Mastigomycotina ）卵菌纲（Oomycetes） 霜霉目（Peronosporales）疫霉属（Phytophthora）真菌[2]。辣椒疫病于1918年在美国首次发生后并迅速传播至整个世界，我国也于20世纪50年代在江苏发现辣椒疫病的发生[3]。目前在我国各地均有发生，是我国辣椒生产上的主要病害之一。在辣椒种质资源疫病抗性评价与抗性相关基因表达及克隆等相关研究中，需要预先诱发出大量疫霉菌游动孢子作为接种菌源，而对辣椒疫霉菌产孢条件和游动孢子释放条件的优化是上述研究的前提。鉴于目前辣椒疫霉菌培养及产胞条件研究结论复杂多样，还未有一致的标准和方法，本试验选用混合蔬菜汁配制的改良V8培养基，对辣椒疫霉病菌丝培养和产胞过程中的光照、水分等因素进行研究，探索辣椒疫霉菌最佳产孢条件，旨在简化辣椒疫霉菌培养及游动孢子产生过程，为辣椒疫病抗性育种研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用的辣椒疫霉菌来自江苏省农业科学院资源与环境研究所，金宝汤V8 100%混合蔬菜汁饮料购于金宝汤亚洲有限公司。

基本培养基：琼脂粉10 g+碳酸钙1.0 g，加蒸馏水定容至500 mL，120 ℃高压蒸汽灭菌20 min。

1.2 方法

1.2.1 V8培养基配比对菌丝生长及产孢影响 配制5%、10%、15%、20%等4种浓度的V8培养基，编号为1、2、3、4，以基本培养基作为空白对照组，编号为0，每组3次重复。将供试辣椒疫霉菌切块转接到上述5种培养基上，置于28 ℃暗培养5 d后记录菌落直径，再移至28 ℃全光照条件下培养 5 d，10倍显微镜下观察孢子囊，记录孢子囊数，然后诱导孢子囊释放游动孢子并计算浓度。

1.2.2 黑暗培养时间对菌丝生长及产孢影响 将辣椒疫霉菌接种于5%V8培养基上，28 ℃黑暗培养，设置3、4、5、6 d黑暗处理，编号为3、4、5、6，以全光照作为空白对照，编号为0，每组3次重复。培养后3 d开始依照试验设置将黑暗处理的培养皿移到全光照条件下，培养后6 d时记录菌落直径，10 d 后在10倍显微镜下观察孢子囊，记录孢子囊数，然后诱导游动孢子囊释放游动孢子并计算浓度。

1.2.3 水处理对产孢影响 取28 ℃黑暗培养5 d后的疫霉菌，以全光照不加无菌水为对照组，以全光照加入10 mL无菌水为处理组，每组3个重复。5 d后诱导孢子囊释放游动孢子并计算浓度。

1.2.4 菌落直径数据统计 菌落直径（cm）=3个培养皿菌落直径之和/3。

1.2.5 疫霉菌孢子囊數据统计 10倍显微镜下随机选取10个视野，观察记录孢子囊数并求出1个视野的平均孢子囊数：1个视野的平均孢子囊数（个）=10个视野总孢子囊数/10。

1.2.6 诱导孢子囊释放游动孢子及其浓度计算 在培养皿内加入10 mL无菌水，4 ℃冰箱处理30 min，取出置于室温 30 min，冲洗下白色菌落，吸取等量孢子悬浮液，10倍显微镜下利用25×16规格血球计数板统计并计算游动孢子浓度：游动孢子浓度（个/mL）=5个中方格内游动孢子数/80×400×10 000。

2 结果与分析

2.1 V8培养基配比对菌丝生长及产孢影响

辣椒疫霉菌5 d黑暗培养5 d光照培养后在显微镜10倍视野下镜检，发现0号偶尔有孢子囊出现在视野中，菌丝短而稀疏；1号5%V8试验组菌丝较密，接种块中央附近孢子囊出现较少，边缘孢子囊多，1个视野中平均有50个边缘孢子囊；2号10%试验组、3号15%试验组平均20、40个；4号20%试验组的中央、边缘孢子囊个数差异不明显，1个视野中平均3个孢子囊。菌落直径与血球计数板所得游动孢子浓度见图1。由图1可以看出，1号5%V8培养基最有利于辣椒疫霉菌菌丝生长与产孢。

2.2 黑暗处理时间对辣椒疫霉菌菌丝生长及产孢的影响

辣椒疫霉菌经过0、3、4、5、6 d黑暗处理后在培养后10 d 于10倍显微镜下镜检，结果发现，0 d处理菌丝稀少，稀疏地在培养基上生长，1个视野中平均2个孢子囊；3 d处理菌丝稀疏，1个视野中平均4个孢子囊；4 d处理菌丝较3 d处理浓密，1个视野中平均90个孢子囊；5 d处理菌丝成棉絮状，但边缘较少，1个视野中平均140个孢子囊；6 d处理菌丝与5 d处理差异不大，但1个视野中平均15个孢子囊。由图2可以看出，在3 d黑暗处理中辣椒疫霉菌虽然菌落直径最大，但其菌丝较5 d黑暗培养的菌丝不够浓密，并且光照处理后产孢效果没有5 d黑暗培养的强，综合选择5 d黑暗培养作为最佳黑暗培养时间。

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2.3 全光照时加入无菌水对游动孢子释放的影响

辣椒疫霉菌经过5 d黑暗培养和5 d光照培养后与奥林巴斯显微镜10倍视野下观察（图3、图4），经血球计数板计数得到加入无菌水的游动孢子浓度高达750万个/mL，未加入无菌水的游动孢子浓度为50万个/mL。在加入无菌水的试验组中发现，孢子囊一旦成熟就会在水的作用下释放游动孢子，游动孢子聚集在菌丝附近形成游动孢子树的现象（图5）。

3 结论与讨论

在以往的研究中，对辣椒疫霉菌产孢所适宜的培养基和

诱导方法存在不同观点。王晓敏等发现，胡萝卜培养基适合辣椒疫霉菌菌丝生长和游动孢子囊产生[4-6]；刘正坪等研究发现，在马铃薯+番茄、PV8上疫霉菌菌丝生长状况最佳[7]；而徐作珽等认为V8培养基营养丰富，能很好地促进辣椒疫霉菌孢子囊的产生，V8培养基较利马豆培养基、燕麦培养基和胡萝卜培养基、PDA等具有营养元素稳定、制作简单方便等优点[8]。本研究在有关V8培养基对辣椒疫霉菌培养的报道介绍下，利用V8混合蔬菜汁来配制不同浓度的培养基，发现5%配比最有利于菌丝生长及产孢。

张政兵等发现，辣椒疫霉菌菌丝生长对光照不敏感，但孢子囊的产生需要光照[9]。有学者认为在光照培养诱导产孢之前需要黑暗培养，该过程作用是为辣椒疫霉菌产孢积累营养物质，但对于黑暗培养的时间还未见研究。本试验结果发现，光照处理相对黑暗处理有抑制菌丝生长的现象，导致在全光照下培养的菌落直径较小，气生菌丝稀疏；并且发现菌落直径与产孢量并不存在正相关关系，菌落直径大的产孢量不一定大；本试验在辣椒疫霉菌产孢需要光照这一观点上与前人结论一致。在光照培养诱导产孢之前需要黑暗培养，先增加疫霉菌的营养生长，王晓敏推测可能由于营养生长积累了为产生孢子所需的养分，但过分生长是不利于产孢的[4]。本试验为探索黑暗培养时间进行比较试验，得出5 d黑暗处理的效果最好，菌丝生长浓密，光照培养后产孢较多。

辣椒疫霉菌孢子囊在16～28 ℃下多为间接萌发，即在水中孢子囊萌发释放游动孢子，在30 ℃以上时多为直接萌发，即在湿度较低时，孢子囊萌发产生芽管[10]。辣椒疫霉菌侵染寄主的典型过程是通过游动孢子完成侵染的，所以研究水对于游动孢子产生及释放的影响具有重要意义。侯全刚等一致认为，连续光照有利于辣椒疫霉菌产孢[11-12]，但在全光照条件下是否加无菌水培养少有研究，本研究得出水对游动孢子的释放有重要作用，与未加无菌水对照组相比游动孢子浓度高出1个数量级。简化游动孢子释放程序是本研究最大的创新，选择V8混合蔬菜汁来代替单一培养基，加之研究水对产孢影响得出最简化的产孢条件，增加了游动孢子的释放量，为辣椒疫病研究奠定了基础。

参考文献：

[1]Leonian L H. Stem and fruit blight of pepper caused by Phytophthora capsici[J]. Nov Phytopathology，1922，12：401-408.

[2]许志刚. 普通植物病理学[M]. 北京：中国农业出版社，2000.

[3]周启明. 辣椒疫霉病的调查研究[J]. 中国蔬菜，1981（1）：40-43.

[4]王曉敏，巩振辉，逯红栋，等. 辣椒疫霉菌孢子诱导技术研究[J]. 西北农业学报，2006，15（2）：59-62.

[5]兰成忠，刘裴清，李本金，等. 辣椒疫霉菌产孢培养基及诱导方法筛选[J]. 热带作物学报，2013，34（9）：1776-1 780.

[6]肖爱萍，游春平，李庚花，等. 2株不同地区辣椒疫霉菌株生物学性状初步研究[J]. 江西农业大学学报，2006，28（3）：368-372.

[7]刘正坪，张锦秀，张进文，等. 青椒疫病病原菌生物学特性测定[J]. 内蒙古农牧学院学报，1995，16（3）：32-36.

[8]徐作珽，李 林，魏道君，等. 大棚辣椒疫病菌的分离培养及药剂防治[J]. 植物保护，1999（2）：30-32.

[9]张政兵. 辣椒疫霉菌生物学特性及辣椒疫病的化学防治研究[D]. 长沙：湖南农业大学，2004.

[10]贾菊生. 新疆辣椒疫病及防治研究[J]. 植物病理学报，1992，22（3）：257-262.

[11]侯全刚. 不同培养条件对循化线辣椒疫霉菌产孢量的影响[J]. 安徽农业科学，2011，39（23）：14178-14179，14182.

[12]李立凤，李小梅，张景涛. 辣椒疫霉菌生长和产孢条件的研究[J]. 东北农业大学学报，2010，41（10）：139-142.张响英，唐现文，董然然，等. 日粮蛋白质水平对狮头鹅繁殖性能及相关激素水平的影响[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：259-261.

篇6：一种便捷的城市三维景观可视化方法

1 国内外的三维可视化系统应用现状

自20世纪80年代以来, 国外已陆续对三维建模及应用开发加大投入, 军转民的产品也逐渐多起来, 为民用开发与应用的产品也越来越广泛和普及。

在纽约基于GIS的、可以获得三维的本城市地理与几何信息的查讯系统纷纷出现。如城市信息技术与电信部 (DOITT) 安装的这类系统, 它的应用范围遍及环境保护、安全和刑事。实力较强的技术开发公司如解析测量技术公司 (Analytical Surveys Inc.Technology, ASI) 为纽约开发了GIS和正射影像数据, 从GIS中获得建筑物高度数据, 从正射像片上获得地表纹理而建立三维模型。环境模拟中心 (Environmental Simulation Center, ESC) 开发了各种3D模型用于曼哈顿及其他城区, 它们的特点是可标识 (表示) 到各商用楼层空间, 为进一步换算到具体单元的需要成为可能。

在加拿大最大的城市多伦多, 城市规划局建立了该城市的数字三维模型来支持规划管理工作已有10多年历史。

瑞士苏黎世理工大学的Gruen教授有一个研究项目是为西欧各国的典型欧式风格的城市建立三维模型, 目前已有苏黎世、汉堡、伯尔尼等。20世纪90年代中期, 由英国公司生产出具有高质量摄影真实感的建筑视图。他们为了在伦敦全城各部分进行不同精度的测量, 采用1∶100比例尺详细地测量了门窗、立面、屋面形态。

在国外, 近些年地质信息可视化模型和分析系统研究发展较快。MINCOM、DGI等公司分别在露天矿开采、石油物探和石油开采等领域进行了卓有成效的研究, 他们开发的空间地质模型及其可视化系统已成为商品化软件, 并在中国市场上销售。

陈昌彦等于1997年开发研制的“边坡工程地质信息的三维可视化”系统, 根据实测的离散点信息建立起三维可视化模型, 显示任意位置的剖面和平切图面, 可以计算开挖体的体积, 并成功地应用于长江三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构的模拟和三维再现工作中。柴贺军等近几年结合大型水电工程开始研制开发岩体结构三维模型, 利用形成的三维可视化模型, 实现岩体的稳定性分析和工程适宜性评价等方面的工作拟继续进行和完善。

总体来看, 目前三维模拟在地貌景观、地质成因分析、景观评价的应用还是属于空白。因此, 有必要对此方面的应用进行一下探讨。

2 地貌景观三维可视化系统框架

根据以上的研究和调查, 并结合专业, 笔者意在设计一个地貌景观的三维可视化系统, 此系统不仅建立地上的地貌景观模型, 还要建立地下部分相应的三维模型。此系统可以进行旅游地貌景观的规划、旅游地貌景观的开发与评价、旅游地貌景观的成因的分析, 同时还可以指导旅游者进行出行。

2.1 建立三维可视化的地形库

由图1可知, 三维可视化地形库的建立最重要的是高程数据, 它将一块地理地形划分成一个由很多三角形的网格组成的面, 以一定的地理坐标 (X, Y) 为起始点 (比如左下角坐标) , 很规则地由X=?、Y=?为单位将整个平面划成一定的行和列, 每个交点就是组成三角形网格的顶点, 如果为这些间隔交点都赋予一个相应的实际测量得到的高度值 (Z) , 就形成这块地区的高程数据, 可以对其进行拉伸, 就可以生成基本的三维地表;航片或卫片重要用于在三维地表上生成相应的基本纹理;文化特征数据 (GIS) 是一些测绘得到的矢量数据, 它拥有精确的地理坐标和各种特征编码, 用于描述各种人文景观和自然景观, 如建筑、道路、电力电话线和杆、塔、桥梁及各种森林、河流等, 在三维地形数据库中这些特征数据是要借助于特定三维模型和特定纹理来表达。当对这些数据整理编辑校准和组织以后, 通过特定的软件功能很强的工具对它们进行集成, 然后可以通过一些预览工具做少量的调整, 最后就可以建造生成出需要的三维实时可视化地形。

2.2 地貌景观三维可视化系统框架

地貌景观三维可视化系统框架如图2所示。

3 地貌景观三维可视化系统关键技术

3.1 数字地形模型建立

三维可视化系统的关键在于DEM (数字高程模型) 如何进行表达。在地理信息中, DEM主要有3种表示模型:规则格网模型 (Grid) 、等高线模型和不规则三角网模型 (Triangulated Irregular Network, TIN) 。

TIN模型能够充分反映地面高程细节的变化, 其真实程度由地形点的密度所决定, TIN模型适合于表达复杂地形地貌形态, 又由于TIN模型有以上表述的优点, 因此在可视化系统的研究中一般都采用TIN模型。

3.2 地形地貌实体的数字建模

按照实体对象的属性, 可将其分别用点、线、面、体等4类图形数据结构来表达。如山体地形地貌环境的存储结构为:

3.3 TIN的实现

所采用的Delaunay生成算法主要分为两步。

(1) 先要生成一个包括所有离散数据点的凸壳;对于凸壳的生成采用格雷厄姆算法。

格雷厄姆算法的实现基本思想:选取值最小的点作为参考点, 将离散数据点按照它们与参考点之间的角度的大小对数组进行排序。其中选取x坐标最小点作为参考点有2个原因:一是x最小的数据点必定是凸壳的顶点;二是选取x最小的点作为参考点, 可以使其他数据点与参考点之间的夹角在[-π/2, π/2]之间, 在这个区间中, 角度的正切值是随角度的增大而增大的, 有利于编程实现。另外, 使用离散数据数目加1的数组来存储数据点, 并将排序后的数据点的第1点的坐标存入数组的最末位置上。

(2) 利用凸壳生成一个初始的三角网, 再逐个加入其他离散点, 生成最终的三角网。该算法采用Bowyer-Watson算法。

Bowyer-Watson算法的基本思想: (1) 假定已生成了连接若干个顶点的Delaunay三角网格; (2) 加入一个新的节点, 找出所有外接圆包含新加入节点的三角形, 并将这些三角形删除, 形成一个空腔; (3) 将空腔的节点与新加入的节点连接, 形成新的Delaunay三角网格; (4) 调整数据结构, 新生成的三角形的数据填充被删除三角形的数据, 余者添加在数组的尾部; (5) 返回第2步, 直至所有的节点都加入为止。

对于凸壳生成采用的格雷厄姆算法, 该算法是求解平面点集凸壳问题的最佳算法, 算法复杂度为0 (n logn) 。对于三角网上加入其他数据点的算法是基于Bowyer-Watson算法的思想, 该算法能很好地生成符合Delaunay法则的三角网, 也就是在地形可视化时需要的TIN模型。

3.4 动态实体参数化数字建模

动态实体的参数化数字模型在其数据结构中除了描述几何特征及属性外, 反映地形地貌的动态变化过程, 还体现时间特征。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程, 而每个部件都由一些关键的参数来定义。例如, 地貌中的江、河、湖、山川、溶洞等景观, 可以通过采样取点从而获得其地形地貌特征点的坐标, 依据坐标建立模型, 实现其三维显示。另外, 在随时间变迁的过程中, 地貌是不断变化的。因此, 可以根据建立动态的模型实现对地貌景观的动态三维的显示, 并做出未来发展趋势的预测。

3.5 地貌景观三维可视化技术

三维可视化图形的旋转、透视和切剖面的算法已近成熟, 被广泛地应用, 地质结构三维图形的形成和处理多采用以下方法。

(1) 投影变换数学表示法。三维空间任意一点可以用齐次坐标表示为 (x, y, z, 1) , 由此三维空间点集坐标可以用矩阵表示:

三维空间投影变换即三维坐标矩阵与投影变换矩阵的乘积是:

取T矩阵为正轴侧投影变换矩阵, 即:

其中, θ表示三维立体旋转的倾角。Φ表示三维立体旋转的倾角。

若取三维空间任意一点坐标的空间变换, 可以写成如下数字表达式:

如果是动态三维的显示, 可以加上时间一维。

(2) 空间立体剖面切割。空间立体剖面切割是指用户用鼠标直接在屏幕上对三维体进行x、y、z等3个方向剖切。由此, 用户可以方便地观察模拟块体内部地质构造及参数特征的变化, 以实现对地质整体空间的宏观认识。空间立体剖面切割实现技术是采用固定某空间一个坐标, 然后由用户指定待切块体的定位屏幕坐标反求空间坐标以实现空间立体的剖面切割与水平切割。其反求空间坐标算法:

(a) 固定Z坐标求 (X, Y) :

(b) 固定Y坐标求 (X, Z) :

(c) 固定X坐标求 (Y, Z) :

其中:xp、yp是屏幕定位坐标。θ、Φ是方位角和倾角。

4 旅游地貌景观规划三维可视化系统可操作与分析

4.1 可视化三维地貌查询

由于二维屏幕显示的点与三维模型的实际点不是一一对应, 因此当对地形地貌查询时要进行二维到三维的转化。如果以屏幕上的点进行查询, 则到对应的三维真实坐标, 需要一个三维到二维的投影的变换;如果以属性信息的对应山体的ID号查询, 则以语句来查询山体的属性。

4.2 三维数字地貌的动态显示

通过遥感手段获得地形地貌的影像的亮度值, 将其叠加在TIN的模型上, 从而提高真实光照和表面纹理的显示效果。另外, 建立参数化的动态演示模型, 加入时间特征, 使地形地貌呈现出随时间的变化而变化的动态的三维数字显示。

4.3 地貌景观成因分析

在演示地形地貌的同时, 还可以通过不同的途径演示所呈现地貌的成因。因各种地貌的成因比较复杂, 获取地下数据的途径也比较复杂, 因此可以不同情况不同对待, 有的地貌景观可以采用多媒体的方式进行演示;有的可以获取相关数据的, 便可以建立模型实现三维地貌成因的演示;有些高山便可以建立2维或2.5维的模型进行演示。

4.4 地貌景观评价

可以通过选择景观评价模型, 考虑地貌景观影响因子, 并对各种影响因子采集数据, 利用系统提供的数据, 进行计算, 以此来对地貌景观进行评价。同时可以将评价的结果动态显示在三维数字地貌模型上的具体区域。

5 结语

建立地形地貌景观三维可视化系统, 此系统不仅可以应用到旅游规划、景观评价、地貌成因分析等方面, 还可以供旅游者查询, 并可以身临其境地漫游, 进行亲身感受。

本系统提供可视化三维地貌查询、三维数字地貌的动态显示、地貌景观成因分析、地貌景观评价等操作和分析功能。通过直观的三维模型和强大数据支持为旅游及规划等行业提供强有力的工具。

摘要：通过介绍三维模型TIN的建立、三维模型的数据组织及数据结构的实现等建立三维地貌景观模型, 并将其应用到旅游、景观规划、地貌成因分析、景观评价等领域, 建立三维可视化应用系统, 实现对应用系统的可视化操作和分析。

关键词：三维模型,可视化,数据结构,关键技术

参考文献

[1]WHITE M J.Visualization of the El Berrocal granite:application to rockengineering[J].Engineering geology, 1998 (49) :185-194.

[2]ROLAND PUSCH.Practical visualization of rock structure[J].Enginee-ring Geological, 1998 (49) :231-236.

[3]陈昌彦, 张菊明, 杜永康, 等.边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用[J].岩土工程学报, 1998 (4) :1-6.

[4]马安鹏.Visual C++6.0程序设计导学[M].北京:清华大学出版社, 2002.

[5]钟登华, 张伟波, 郑家祥.大型地下洞室群施工系统仿真[J].水利学报, 2001 (9) :86-91.

[6]章孝灿, 黄智才, 戴企成, 等.GIS中基于拓扑结构和凸壳技术的快速TIN生成算法[J].计算机学报, 2002, 25 (11) :1212-1218.

[7]邬吉明, 沈隆均, 张景琳.Delaunay三角网格的一种快速生成法[J].数值计算与计算机应用, 2001, 22 (4) :267-275.

[8]柴贺军, 黄地龙, 黄润秋.地质结构面三维扩展模型研究[J].地质灾害与环境保护, 1999 (2) :73-76.

[9]邬伦.地理信息系统原理方法和应用[M].北京:科学出版社, 2002.

[10]陈述彭, 鲁学军, 周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社, 1999.

[11]JEAGER C.Engineering problems and rock mechanic[J].Engineering Geology, 1973 (7) :1123-1131.

篇7：一种便捷的城市三维景观可视化方法

一、欧美国家研究三维景观可视化技术的发展历程

欧美国家对三维景观可视化技术的研究有二十多年的发展,这一新兴技术对景观学发展的推动大致可分三个时期看待。对三维景观的研究最早追溯到上个世纪八九十年代,当时的研究机构为数不多:美国哈佛大学设计研究院的信息技术研究中心(Information Technology at Harvard Design School),澳大利亚墨尔本大学地理测量系(University of Melbourne Department of Geomatics)的空间信息中心(CRC for Spatial Information),瑞士联邦理工大学景观与空间规划研究所(Spatial and Landscape Planning institute,ETHZ)等等。这一时期地理信息系统和计算机图形技术的发展还处于初级阶段,二者结合而产生的三维景观更是新生事物。虽然将当时的三维景观技术与今日相比,无论图像精度和表现效果显得粗糙和稚嫩,但当时的研究方法和成果无疑是后来三维景观研究持续发展和深入的基石。

2001年,哈佛大学出版的《景观模拟:景观可视化数字技术2》是对三维景观可视化技术的第一个时期研究成果的总结,主要是对计算机图形技术再现景观的可能性、操作性的研究。2001年,SCI期刊《景观和城市规划》(Landscape and Urban Planning)第54期“我们的视觉景观”(Our Visual Landscape)专刊收集了1999年在瑞士南部Ascona举办的同名会议上宣读的二十余篇论文,预示着三维景观可视化技术已成为景观学的重要研究方向之一。

进入二十一世纪,由于两方面的因素,研究三维景观的学术单位大大增加:一方面,专家学者的人才流动将这一新的学科方向带入更多学术机构。如早年(1994-1998年)在瑞士联邦理工大学景观与空间规划研究所研究如何应用三维景观对水库选址和形式进行评价的Eckart Lange博士,现今是英国谢菲尔德大学景观系三维景观技术研究的学科带头人。另一方面,很多景观学院校认识到三维景观技术对促进景观学发展的的潜力,也纷纷组织专业人才成立相应研究机构。如加拿大哥伦比亚大学森林资源系(The University of British Columbia Department of Forest Resources Management)的景观规划合作研究中心实验室(Collaborative for Advanced Landscape Planning),就是集合了包含森林学、景观建筑学、计算机科学、环境心理学、规划等各个学科的专业人才。由此,从事三维景观研究的学术单位从最初的数个研究机构,扩展至今日遍及欧美、澳洲以及日本景观界众多的研究机构,构成了三维景观研究的信息网络体系。

随着研究机构和人员的逐年增多,对三维景观的研究层面和角度也逐渐展开。2005年,由瑞士和澳大利亚的两位专家合作出版的《景观和环境规划中的可视化研究3》是对三维景观研究第二个时期的成果总结。与第一时期对技术自身的关注相比,这时期的关注转向了计算机图形技术带来的社会和科学问题,展示了在不同的社会情境下,在各种实际景观项目如城市公园、历史文化景观、旅游山区等景观规划项目中如何应用三维景观可视化技术,并探讨它们带来的科学相关性和存在的技术难点和潜力。

自此,对三维景观可视化技术的研究进入第三个时期──多元化发展时期,来自包含了景观规划、景观设计、生态学、林学、计算机技术、地理信息系统的不同背景的专业人才,从技术、应用、理论和方法等各个角度推动着对三维景观技术研究的深化和拓展。同时,相互之间定期以学术研讨会、专门研究班、课题合作等形式进行学术交流。关于三维景观的理论和应用类学术成果不胜枚举,包括研究课题的报告书,不同会议上的各篇论文,出版的书籍,各种刊物上的论文,以及各个学术单位的相关博士和硕士论文等等,推动着景观学向新的领域拓展。

二、景观规划专业对三维景观可视化技术的探索和成果

2.1景观评价方法的延续和深化

景观规划领域比设计领域先行一步开始了对三维景观的研究和应用。这一先行并非偶然,而是专业发展的必然。上个世纪六十年代,景观评价(Landscape Evaluation)、景观影响评价(Landscape Impact Assessment)、视觉冲击评估(Visual Landscape Assessment)成为景观规划和管理的重要内容4,其核心是以照片等方式让景观的各方干系人参与到规划进程,以提高景观规划的科学性。而日益成熟的评价模型和方法也抛出了一个新的技术难点:缺乏恰当的三维媒介再现景观变化,以将对景观的干预与各方干系人交流和构建共识,从而维护或提升景观品质。毕竟,照片再现或亲临现场只能让人们(专家和外行)观看和理解现有的景观,而非变化后的景观。现有的各种技术都有着不同的局限,传统占主导地位的二维地图和剖立面图过于抽象,计算机图形合成和照片蒙太奇技术也只能断片地、静态地展示景观的某一局部或某一视角,而不能以连贯的、仿真的效果表达规划成果,显然不利于景观规划师思索、表达和交流其构思,它们的可靠性和有效性受到质疑。为了让人们明晰地理解景观变化带来的影响力,需要一种更自然和直观的可视化媒介进行交流。

基于地理信息系统的三维景观可视化技术的出现恰好满足景观规划的这一需要。二十世纪后半期,各种现代技术发展日新月异,全球空间定位系统、地理信息系统、处理海量数字空间数据的信息技术,以及计算机图形技术的结合,产生了截然不同于传统媒介的三维景观可视化技术。它的特征是以计算机应用软件系统进行数字模拟,形成景观的数字模型。不仅是地貌、植被系统、水体、气候,而且各种碎片的、曲面的、凹凸的、不规则的表面,以及动态的、转瞬即逝的景观元素都可以以数字模型的方式形成三维可视化结果。因此,三维景观的细节详尽几可等同于现实世界,不仅突破了二维地图和剖立面图的抽象性,而且与计算机图形或者照片蒙太奇技术的单一视角不同的是,它提供动态地从不同角度观看景观。此外,三维景观还具有其最大的优势:景观元素的改变可以通过其在地理信息系统中的数据改变,相应地在三维景观中得到直观反映。

于是,基于地理信息系统的三维景观便提供了让人们在决策之前在具体情境中观察景观的变化的可能,也就是说,无论是增加、删减或者改变景观元素,人们都可以从整体环境效果观看。这样,研究人员便可以据具体情况研究如何应用技术以让人们看见和理解变化的景观,从而支持规划决策。1994年Eckart Lange5以CAD、数字模型以及Photoshop等软件合作,对瑞士中部山区一处风景优美的旅游胜地新建水库的选址和设计成果进行三维可视化展示,尔后一批专家以专业评价方法对规划成果进行评价。而三维景观与网络技术结合,则不受时间和地点的限制,人们可以在任意时间从网络上给出对景观变化的评价。如苏黎世联邦理工大学新校区周围的一片丘陵地带是典型的森林和农业景观,2004年,农业、休闲、自然保护还有风力发电这几种可能的远景以三维景观的形式可视化,并以网络征集的方式以了解人们对这片景观的美学、休闲和生态的价值,最终,400多份网络答卷为城市园林局对这片景观未来的规划和管理提出参照。如此种种研究证明了三维景观在不同类别的景观项目中进行景观评价的可靠性和有效性。2.2迈向AR和合作规划──景观规划方法科学性的推进

以上案例是对三维景观技术的研究还是对早年景观评价的延续和深化:将规划的最终成果展示,公示给各方干系人,以支持决策进程。但研究人员并不满足于对新技术的应用仅停留在原来评价方法提供的层面上。虽然三维景观技术满足了规划方法的需要,但是规划方法并非是十全十美的,而且技术的可能潜力也不仅如此,它还将对规划方法提出新的问题,推进规划方法的科学性。这种推进在两个方面:一是对三维技术自身能力的加强,如研发动画、增强现实地理信息系统6等,另一边是对规划过程中的相关干系人的参与和交流方法的改进。

专业人员早就意识到,面对屏幕观看景观变化具有相当的局限性,如果能够让规划师或人们在项目现场看到规划设计将要带来的景观变化,拥有在物理现场的尺度和距离感,那么人们会更好地理解和判断环境变化。南澳大利亚大学计算机和信息学院的Wayne Piekarski和Bruce Thomas的研究取得了初步成效。他们设计了一套便携的户外AR装置,其中包含可以让用户观看四周环境的固定于头盔上的显示器,可以输入外部环境的相机,感知方位的遥感装置和定位的GPS系统,以及一台处理各种数据的计算机,让用户在现场自由行走的过程中观看新建建筑与环境的关系。这一装置还可以让设计人员现场调整设计,以获得最适应环境的方案。自然,结合了多个仪器的AR装置略显笨重,未来需要设计更轻便的一体化AR装置,以适合更复杂景观项目要求的软件系统。

让相关干系人共享探索环境改造的体验和潜力,是合作规划(collabrative planning)的基本方法。因而,不是在规划的最后阶段去“销售”规划成果,而是让人们在项目初始便参与到规划进程,是合作规划的理想状态7。理论上,三维景观易于专业人员与外行的交流,为合作规划提供了可能性,但它如何在规划过程中促进专业人员与各个用户的交流呢?既有的知识领域并没有提供这样的规划方法,需要研究人员的探索。2004年欧盟启动了“视觉景观”(Visualands)项目,以瑞士中部Entlebuch山区一片394平方公里的高山景观规划带动地区经济转型为案例,地方社区代表、景观规划师、社会学家、协调人、以及两位专门从事三维景观的研究人员Olaf Schroth和Ulrike Wissen共同合作,开始了为期四年的景观合作规划项目。其中,Schroth的研究8总结了如何以互动的三维景观(Interactive Landscape Visualization)来进行合作规划的方法,而Wissen的研究9则试图分析在合作规划过程中,现实和抽象的三维景观如何在规划过程中发挥不同作用。他们的研究成果为未来规划师如何选择不同的媒介方式、以及如何完成规划进程提供了科学依据。

2.3信息组织方式的改变导致研究范式的转换

以上研究课题从单一向复杂的递进表明,基于地理信息系统的三维景观可视化技术的日益成熟,推动着景观规划专业研究范式的转换。用三维景观可视化技术再现景观变化,展示给相关干系人促进规划成果的交流,这一类研究关注的只是规划过程中的特定阶段。各种不同语境中的应用构成景观评价这一研究范式。而对AR的技术探索,对三维景观与用户互动的探索,这些研究关注的是景观规划过程中如何收集、组织和交流景观变化的相关信息的可靠性和有效性。因而,三维景观不仅仅作为规划成果展示的媒介,更是作为规划过程中重新构建和组织信息的关键技术因素,让人们以一种更复杂更成熟的方式去面对景观规划的种种问题,仔细梳理那些成规套论的处理方式一带而过的部分,从而逐渐改变着传统规划的线性模式,导向对更科学的合作规划的研究范式。

三、景观设计专业对三维景观可视化技术的探索和反思

在景观规划专业对景观再现媒介进行探索研究的同时,景观设计专业亦在反思和批判着传统再现媒介的问题,但不是三维媒介,而是二维地图的制作和应用方式,“地图术”(mapping)之论10和一系列的方法研究和实践应运而生(地图术的发生、发展因篇幅制约,笔者另撰文赘述),为景观设计专业注入新的理论和方法。但是,并非景观设计专业不存在着景观三维可视化的技术难题,传统的手绘草图、照片合成或基于CAD模型的图形等三维媒介,既难以对复杂地形的景观进行操作,也难以处理大尺度的复合景观项目,阻碍着设计人员探索各种设计可能性和表达设计成果,也制约着景观设计向新的领域开拓。因而,在基于地理信息系统的三维景观可视化技术日益推广的今天,具有前瞻眼光的景观设计人员业已开始对这一新技术的研究和教学探索。

2009年,瑞士苏黎世联邦理工大学景观设计研究所的Christophe Girot教授同时从教学和实践切入了对三维景观的研究,他不仅将新的三维景观技术应用在一片阿尔卑斯山区景观设计项目中,也在2010景观研究生班的教学计划中新增了三维景观技术作为教学手段。如若了解Girot所持的“运动主义”(Movism)理念和在先前数界景观研究生班中以摄像技术(Video Technique)突破传统设计中静态景观再现媒介对设计的制约的教学实践和成果,那么可以得出结论,他对三维景观可视化技术的关注同于景观规划的研究,亦是为了在接近现实环境和契合于人行为方式的三维景观情境中思考、观察和判断景观变化。

从2004-2009年,笔者以云南山区一片6平方公里的历史文化景观为例,研究如何将三维景观可视化技术纳入文化景观的规划设计进程。基于地理信息系统的三维景观模型突破了传统手绘媒介的局限,以地理信息系统为基础的操作平台将单个的历史文物与其所处的包含森林、小溪、丹霞地貌等等自然景观元素的环境融于一个数字模型中,而基于数字模型的三维再现则提供了对话交流的平台,清晰地将各种干预方式和干预对文化景观的近远期各种可能性影响与环境、文保专业人员以及社区成员沟通,以寻求平衡自然景观的生态恢复、历史文物的保护传承、地方旅游经济发展等多重需求的途径11。

自然,景观设计领域对三维景观的研究目前还处于起步阶段,目前依然零星的研究也不能明示三维景观在设计领域发展的全景。但观照景观规划专业研究三维景观的发展进程,可以发现许多关于媒介应用的具体问题同样需要景观设计专业的反思:基于传统媒介的景观设计方法存在的不足有哪些?三维景观将会对景观设计过程带来怎样的改观与调整?三维景观在设计过程的不同阶段分别作用如何?三维景观如何与既有的媒介,如地图、手绘草图、摄像等等协作完成一些综合项目?当今社会关注的生态学、环境和能源问题是否可以因三维景观的强大信息收集和可视化功能而加入到景观设计的范畴?如果直视这些问题并努力地去寻求答案,那我们便有理由乐观地预言,三维景观技术亦将会给景观设计专业引入新鲜视角和新的成就。

四、三维景观可视化技术的学科发展前景

基于地理信息系统的三维景观可视化技术具有双重特征,一方面因为其拟真的三维可视化功能拥有强大交流能力,一方面,三维可视化所基于的地理信息系统具有强大的信息收集和处理功能,这双重特征会使得它不仅为景观规划所青睐,同样也将适合景观设计专业以及其它的环境专业,并将可能带来各个学科的协同作用。

融合规划和设计的景观学:景观规划与景观设计当前基本是处于学科分野的状态,两个专业存在着诸多差异,分别处理不同尺度的问题,有各自的工作方法,以不同的媒介描述景观世界,这种分野是因为学科历史发展过程中各种因素,也包括不同媒介和技术的种种可能性和限制而造成。但二者确有共同关心的技术和方法论问题,随着基于地理信息系统的三维景观可视化技术将世界(无论规模大小)整体地描述,景观规划/设计工作者的关心热点不因专业区分,工作过程中不墨守成规地套用方法,而是捕捉每一个特定景观项目最精细的要求,以三维景观为操作和交流平台,融合景观规划和设计专业各自的专长,从多重可能性中探索最适合的解决方案。那么,未来将出现一个景观规划与设计学科融合的新领域。

可持续发展和多专业合作:景观的复杂性,在于除了要研究人的各种行为过程和各种社会过程之间的关系外,还包含着如何协调各种社会过程和各种自然过程以促进社会的可持续发展。事实上,可持续发展理论本身就是一个新的综合性研究领域。在这一思想的影响下,以景观数字模型为基础,景观学将会与地形学、土壤学、生态学、植物学等等环境学科合作,开拓出许多新的研究方向。

在结束本文之际,必须重申的要点是,基于地理信息系统的三维景观可视化技术的价值不仅在于它如何逼真地展示,更在于它提供了一个类比于现实景观的数字模型,尽可能精确地收集、处理、展示和交流与景观学目相关的各种信息,从而加强公众或个人(包括设计师)对人与环境之间关系的理解、探索和决策过程,这是过去二十多年中欧美景观学界对三维景观的研究持续发展和成长的根本因素。毋庸置疑,三维景观可视化技术所具有的视觉交流和知识探索的潜力,使得这一新兴学科点有着无限的发展空间,需要研究人员的探索。

参考文献

[1].[Bishop&Lange,2005]Visualization in landscape and environmental planning technology and applications.London and New York,Taylor&Francis.

[2].[Carlson,A.A.1977]."On the Possibility of Quantifying Scenic Beauty."Landscape Planning 4(2):131-172.

[3].[Daniel,T.C.,2001].Whither scenic beauty?Visual landscape qualiy assessment in the 21st century.Landscape Urban Plann.54,pp 267-281.

[4].[Ervin&Lange,2001]Landscape Modeling:Digital Techniques for Landscape Visualization,New York,McGraw-Hill.

[5].[Green,R.2000]."Scenic and town character assessment,a methodology for community involvement."Australian Planner 37(1):28-34

[6].[Lange,E,1994]Integration of computerized visual simulation and visual assessment in environmental planning.Landscape Urban Plann.30,pp 99-112.

[7].[Lewis,J.L.&Sheppard,SRJ,2006]Culture and Communication:Can Landscape Visualization Improve Forest Management Consultation with Indigenous Communities?Landscape and Urban Planning,77,219-313.

[8].[Lothian,A.1999]."Landscape and the philosophy of aesthetics:is landscape quality inherent in the landscape or in the eye of the beholder?"Landscape and urban planning44:177-198.

[9].[McGaughey,RJ,1997]Techniques for visualizing the appearance of timber harvest operations.Forest Operations for Sustainable Forest Health and Economy;20th annual meeting of the Council on Forest Engineering,1997 July 28-31;Rapid City,SD.

[10].[Pullar,D.V.,Tidey,M.E.2003]Coupling 3Dvisualisation to qualitative assessment of built environment designs,Landscape Urban Plann.55,pp 29-40.