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.貴州農業職業學院,貴州 清鎮 551400；2.貴陽學院,貴州 貴陽 550005；3.銅仁職業技術學院,貴州 銅仁 554300）

在景觀設計中，計算機通過數據處理創建三維虛擬模型已成為設計師進行空間展示的一種重要手段。SketchUp軟件因操作簡單、融合性強、輸出風格多樣、呈現的三維虛擬模型真實準確，深受景觀設計行業從業者的推崇。通過與其他插件的融合，復雜的虛擬地形也能夠快速呈現。基于SketchUp的三維虛擬景觀地形模型創建研究，有助于實現三維虛擬可視化場景的視覺感知，為景觀設計的發展提供參考與借鑒；同時其全方位、可視化的特點，能為景觀設計項目實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景中，體驗設計師的設計靈感與思路，能夠減少雙方溝通交流的時間成本，協助設計師完成雙方滿意的景觀設計方案，其效果是沙盤模擬和二維效果圖達不到的。

尤其是在后疫情時代，局部地區疫情反復使得人們的出行需要考慮當地防疫政策、疫情發生風險等多方面因素，受到一定的限制，此時不受時間和空間限制的“出游方式”的發展潛力顯而易見。通過對SketchUp的三維虛擬景觀地形模型技術的研發，制作出場景氛圍真實的景觀模型，再與當前發展前景廣闊的VR技術相結合，便可打開虛擬網絡出游市場，使人們以較低的時間、金錢成本，在家也能體驗景區風景名勝古跡，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

三維虛擬技術是通過計算機對數據進行處理，實現以可視化形式展示數據的一種技術[1]。它是基于互聯網，集計算機技術和人工智能技術為一體的新型科技手段。目前三維虛擬技術與各行各業的融合正在不斷地深入與完善，其在園林景觀設計中的應用也得到了迅速發展。可以利用虛擬現實技術的場景模擬和互動感知，在虛擬環境中體驗設計空間的優劣勢等，從而調整方案中的不足，讓設計空間更加科學合理，提高環境空間設計水平[2]。

為了使虛擬空間更加真實，三維虛擬模型制作也成為逐步流行的虛擬現實領域的一個分支，可廣泛應用于三維建筑可視化、景觀空間虛擬現實、地產項目動畫虛擬場景、植物配置虛擬空間可視化展示等領域。三維模型創建技術是一項利用網絡數據模擬真實環境，通過數據采集、調整參數、模型制作、方案對比和場景生成等步驟來完成虛擬場景創建的技術。它可以模擬環境數據在不同模式下的效果，從科學的角度分析后得出結果，優化后得到一個更加合理的設計方案。這種技術形式不僅節約了人力、財力和物力，而且具有更直接、更有效、更科學等特點[3]。

1.2 SketchUp軟件

由@Last Software公司開發，后被Google收購的SketchUp軟件是針對方案創作與造型設計的三維虛擬軟件，發展至今已更新到2022版本，目前還推出了更為便捷的SketchUp for iPad版本[4]。SketchUp界面簡潔直觀，初始界面包括繪圖空間、菜單欄和參數調整模塊[5]。為滿足不同用戶的操作需求，SketchUp內設快捷鍵，用戶可根據自己的繪圖習慣調整快捷鍵。繪圖區域由三維坐標軸構成，分別為紅色的X軸，綠色的Y軸，藍色的Z軸，繪圖時通過觀察軸線顏色，就能準確確定圖形的方位。SketchUp提供了實時表現工具，用戶設定好參數后就能夠快速獲得渲染效果圖；不同的頁面切換能快速進行多角度對比、快速進行空間剖切，能準確地展示復雜空間的結構；日照分析系統通過參數設置可真實獲得日照效果；繪圖中的組件便于分類管理和編輯。總體來說，SketchUp軟件界面簡潔，易學易會，自定義編輯，建模方法多樣，面向設計過程，是一款功能強大、具有獨特魅力的3D設計軟件[6]。

2 SketchUp軟件在景觀設計中的應用現狀及優勢

2.1 SketchUp軟件在景觀設計中的應用現狀

SketchUp繪圖軟件作為三維模型的創建載體，在景觀、建筑、室內、工業等領域都得以適用。通過對該軟件的參數化編輯，用戶可借助其簡便的操作和豐富的功能模塊完成建筑、景觀、土木、結構可視化預覽、模型制作、場景創建、二維圖生成和可視動畫展示等工作。SketchUp繪圖軟件在景觀設計中的應用主要分為以下三個階段：

（1）前期概念生成階段。將現狀尺寸以三維模型的形式呈現，經過前期分析，可進行模型的優化和推敲。在概念設計階段，需要設計師在借助虛擬現實技術的同時，考慮場地整體與各部分之間的聯系與區別，構建出一個初期的大體塊模型，對場地整體與水體、構筑物等主要組成成分的物體量實際比例進行把控。這種利用SketchUp進行概念生成的技術，可以使設計構思過程中產生的靈感及想法得到及時展示，擺脫二維圖紙的局限性[7]。

（2）方案深化階段。此階段主要進行細部設計的推敲，可以結合Enscape資源庫，進行多種參數設置，如Enscape中的材質設置方面，可以對貼圖材質的反射、平整度、自發光、透明度等進行簡單便捷的調試，同時借助該資源庫中數量類型繁多的素材，對場地模型的氣氛進行活躍，表現出場地設計的故事性與趣味性。此外，能夠對設計內容進行實時觀看和造型對比。

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

2.2 SketchUp軟件優勢

相較于早些年景觀設計行業常使用的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、組件數量多、可擴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勢，是一款高效制作場景模型的3D軟件，是景觀設計領域不可或缺的工具[9]。在設計師與客戶反復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，降低時間成本。其他建模軟件需要花費大量時間學習，但SketchUp用戶初次體驗效果最多的反饋就是“上手容易”這一優勢；傳統軟件都是三視圖，而SketchUp是透視圖視角，觀察起來更加方便。SketchUp中龐大的免費資源庫擁有很多的素材可直接導入使用，并與各種渲染器無縫銜接。總體來說，SketchUp最大的優勢就是直觀和好用[10]。SketchUp軟件的優勢具體如表1所示。

表1 SketchUp軟件優勢

3 基于SketchUp的三維虛擬景觀地形制作方法

地形設計是形成景觀的基礎，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。在景觀設計中，通常會設計一些微地形、臺階、草坡、駁岸等以豐富空間的層次，所以地形的創建尤為重要，制作地形也成為景觀場景設計中最關鍵的步驟之一。本文總結了以下幾種地形制作的方法。

3.1 沙盒工具創建地形

沙盒工具是SketchUp自帶的地形制作工具。從精細度角度來說，其制作的模型較為粗糙，是一種概念性地形制作工具，分為等高線創建地形、網格創建、曲面起伏、曲面平整、曲面投影、細部調整、對調角線7個功能模塊[11]。

3.1.1 根據等高線創建地形

利用沙盒工具制作地形前，需在CAD軟件中構思一個場地地形，將繪制好的地形DWG文件導入SketchUp中，單位選擇“毫米”后導入；把未設置高程的設計等高線分解，利用插件“Contours Tool”中的“調整閉合等高線”選項設置好等高距、起算位置、起算高程的數值和內容，如圖1所示；再次選擇所有等高線，執行沙盒工具中的“等高線創建地形”選項，計算后生成地形；最后用“橡皮擦”擦掉多余的部分后完成地形創建。

圖1 插件Contours Tool參數設置

3.1.2 生成網格創建地形

選擇沙盒工具中的“網格創建”按鈕，設置好柵格間距、長寬數值后，形成柵格平面，如圖2所示。雙擊進組后，選擇“曲面起伏”，設置半徑參數后進行編輯，在柵格中選取一點進行向上或者向下拖拉，調整適合地形后，柔化邊線，完成地形模型創建，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）創建地形

對于不規則地形，選擇好閉合的線條后，點擊“生成泡泡”，設置好數值后，場地細分成柵格塊；使用“曲面起伏”進行編輯，調整好地形后，柔化邊線，完成地形模型創建。

3.3 提取地圖高程數據創建地形

通過網絡搜索地理空間數據云網站，于在線計算中，確定數據名稱、DEM數據源、空間范圍、柵格格式和保存路徑等參數；執行后下載DEM文件數據，將數據在Global Mapper軟件中打開，并點擊“工具—設置”；投影改為UTM后執行“文件—輸出—輸出為海拔網格格式DEM格式”；打開SketchUp軟件，導入DEM格式文件，將多余部分刪掉，柔化邊線后得到地形模型；最后復制一個地形后垂直下拉到合適高度，使用放樣工具，將地形的厚度補充完整，這樣即可獲取相對精確的地形。

3.4 結合湘源控規創建地形

單獨提取CAD文件中的地形高程點圖層，利用插件湘源控規，執行地形“字轉高程”；確定好參數后，執行“地形—三維模型—生成網格—寫塊保存”；再將處理好的文件導入SketchUp軟件，柔化邊線后得到地形模型。

3.5 地理位置創建地形

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，選擇好區域后導入；然后點擊“顯示地形”，使用插件“聯合推拉”的“矢量推拉”，激活參數中“雜項”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，其他參數默認；計算后生成地形模型。

3.6 Fredo地形工具插件創建地形

單獨提取CAD文件中的地形等高線圖層，點擊“選項”確定單位參數后，將CAD文件導入SketchUp軟件中；然后全選等高線，點擊Fredo地形工具中的“生成地形”，期間導入到SketchUp軟件的CAD圖形會出現部分短線或殘缺部分，待確認后進行自動修補，完成后點擊“計算地形”；地形初步生成后再進行網格尺寸調整，點擊“生成地形”，即可得到一個結構線清晰的地形模型，如圖4所示。

圖4 Fredo地形工具生成的地形模型

4 SketchUp在景觀場地創建中的應用

SketchUp地形模型創建大致分為地理位置的選取、DEM數字高程獲取、數據處理、地形創建、模型優化5個步驟。

4.1 地理位置的選取

4A級天河潭風景名勝區位于貴陽市花溪區，距省會中心24 km，總面積為15 km2，是一處典型的喀斯特地貌風景名勝區。園內風光旖旎，地形險峻，有河谷、洞潭瀑布、峽谷等自然地貌。本文選取天河潭風景名勝區部分空間作業地形制作為對象，期許通過虛擬地形模型的制作，用數字化技術展現天河潭風景名勝區的地貌形態。

4.2 DEM數字高程獲取

在“地理空間數據云”網站的高級檢索的“DEM數字高程數據”中選擇需要的分辨率數字高程數據；從“空間位置”板塊中用矩形工具選擇一塊地理位置，檢索后下載對應數據壓縮包。

4.3 數據處理

打開Global Mapper軟件，在配置中把投影方式調整為UTM；把下載的數據導入軟件，在菜單欄“Analysis”中執行“Generate Contours（from Terrain Grid）”選項；調整好等高線間距并繪制出等高線邊界，輸出等高線后，點擊“Export Vector/Lidar Format”導出格式為DWG的文件并命名為“天河潭風景名勝區地形—1”或者點擊“Export Elevation Grid Format”導出格式為DXF Mesh的文件并命名為“天河潭風景名勝區地形—2”。

4.4 地形創建

第一種方法：打開SketchUp軟件，導入“天河潭風景名勝區地形—1.dwg”文件，統一好單位后直接導入；然后進組群后，選擇全部文件內容，點擊沙盒工具中的“等高線創建地形”，完成虛擬地形創建，如圖5所示。第二種方法：打開SketchUp軟件，導入“天河潭風景名勝區地形—2.DXF Mesh”文件后，完成虛擬地形創建，如圖6所示。

圖5 天河潭風景名勝區地形—1

圖6 天河潭風景名勝區地形—2

4.5 模型優化

制作好的地形模型需要進行一系列模型優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，需對其進行清除；其次，需要進行柔化邊線處理，清理去除多余的線條，提高模型整體的流暢度和精致感，并根據現實景觀場地的信息特征進行材質貼圖，制作出道路、建筑、水體等主要構成成分；最后，種植相應的植物，在植物種植過程中，可以依靠該軟件強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中植入渲染器進行場景渲染。如目前兼容性較好的Enscape渲染器，可以通過制作者進行參數調試設置，使材質質感更真實、場景明暗變化更明顯，進一步貼近現實場景，提高虛擬空間的真實性；同時還能與VR眼鏡設備連接，提高用戶使用虛擬空間游賞的體驗感和滿意度[13]。

5 結論與展望

通過對天河潭風景名勝區的地形制作實操，證明了SketchUp在三維虛擬景觀設計中擁有極大的優勢。相比于其他建模軟件，SketchUp的獨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。多樣的功能使創意得到全面發揮，可視化的視覺體驗能反映出真實的環境特征。基于SketchUp的三維虛擬景觀地形制作研究，能啟發創建逼真場景模型，以期實現SketchUp創建的三維虛擬模型在景觀規劃設計中發揮更大的價值。