VR技術在種植設計中的應用研究
——以植物造景季相變化虛擬仿真實驗教學為例

邱 婷 陳祖建

(1.福建農林大學風景園林與藝術學院環境設計系，福州 350100；2.福建農林大學風景園林與藝術學院產品設計系，福州 350100)

植物是風景園林設計要素中唯一具有生命力的元素，精心的種植設計能給場地帶來豐富的身心體驗。由于植物生長是動態變化的過程，設計師不僅需要了解植物的造型、習性和功能，同時需要對植物分布區域、生長周期、季相變化等時空要素進行設計預判，優秀的種植設計師通常具備多年的實踐經驗?，F有的植物造景空間效果在設計階段的呈現通常是用Auto CAD、Photoshop、Sketch Up、3D、Lumion、Arc GIS等平面和三維設計軟件實現空間要素的表達和分析[1]。然而傳統植物造景展示方法存在不同季相效果混搭、植被空間層次難以準確表達以及植物素材庫不全等缺點。通過融入虛擬現實(VirtualReality，下文簡稱VR)技術，對三維地理場景、園林景觀設計方案的科學性和藝術性進行全方位、無限制的觀察、體驗和評價，可超越傳統種植設計時間和空間的限制，提升園林植物景觀虛擬展示效果，為用戶提供基于現實的完全仿真場景或純粹的虛擬場景沉浸式和交互式體驗的新方案。

1 VR技術在園林設計領域的應用

VR技術的開發應用集中在動漫游戲、健康科學、工業制造業、影視娛樂、軍事應用、教育及設計等領域[2]。VR技術在園林設計領域的應用集中在對地形、植物、水體、建筑和構筑物等的虛擬重構和展示。如Kersten等利用HTC Vive設備和Unity3D游戲引擎完成了土耳其某人文景觀及建筑的重建和虛擬漫游[3]；王圣霖等人以增強現實(AugmentedReality，下文簡稱AR)技術為基礎，開發了基于ipad運行環境的景觀設計虛擬平臺APP[4]；周向戈等人基于Open Scene Graph(OSG)圖形渲染引擎，集成OculusRift虛擬現實設備，提出了參數化虛擬植被景觀構建[5]；淮永建等人基于雙向散射分布函數BSDF的的物理渲染算法，建立了可漫游的虛擬花卉仿真系統[6]；聶勝軍等人將VR與BIM相結合應用于海綿城市建設智慧工程[7]。由于植物的種類多樣性和形態結構復雜性，針對VR在種植設計中的三維重建和虛擬體驗的系統化研究處于起步階段。

VR技術在實驗仿真、體驗式學習、觀察學習、操作練習等方面具有明顯優勢，在教育上能夠增強學習體驗和興趣、促進知識記憶和情境化學習[8]。目前VR技術在植物領域主要應用于國家級虛擬仿真實驗教學一流課程建設中，旨在解決田野調查的難度、植物的多樣性認知局限及植物生長動態變化過程的不可控等問題。主要圍繞植物分類學為基礎的形態特征識別、植物標本制作以及不同生境下植物群落組成和分布統計等，如東北師范大學《森林木本植物群落特征調查方法訓練虛擬仿真》、廈門大學《張江口紅樹林植物學實習虛擬仿真項目》、南京林業大學《南方山區淺層滑坡植物防治虛擬仿真實驗》、四川農業大學《設施植物生產系統設計建造與智能化虛擬仿真實驗》、江西師范大學《植物分類學虛擬仿真實驗教學項目》等。此外圍繞植物生理學、分子生物學等方面如揚州大學《被子植物營養器官建成虛擬仿真實驗》、華中師范大學《蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真實驗項目》、華南師范大學《光合作用光能的吸收、轉化及不同類型植物的光合測定與應用的虛擬仿真》等虛擬仿真教學項目。關于種植設計方面的教學實踐有上海應用科技大學《園林植物種植設計虛擬仿真實驗》，圍繞城市公共綠地設計展開，提出構建關聯屬性的植物模型庫，將植物種植設計、分析與評價三個環節整合，屬于最早一批進行種植設計虛擬仿真實驗教學的國內高校。

2 植物造景虛擬仿真實驗

環境藝術設計中的許多環節都與三維虛擬技術密切相關，VR技術構建三維模型不僅能夠向用戶提供大量的現實信息，還能讓用戶感受到身臨其境的沉浸感[9]。植物造景主要內容涉及植物種類的認知以及植物與景觀要素相互融合設計的方法等基本知識，是環境設計專業、園林、風景園林和城鄉規劃等專業的重要專業技能，旨在培養學生掌握環境氛圍營造的科學性和藝術性。由于常用的計算機輔助設計軟件無法對植物季相變化、生態習性和苗木市場情況進行分析，導致學生植物造景重視藝術效果而忽略科學性、文化性和經濟性；植物季相隨著季節的變化而變化，大學課堂教學不可能根據季節的變化來分割設置單門教學課程；學生隨課堂教學難以完全掌握植物季相變化知識，而且調研考察成本較高難度較大；傳統的課程評價主要針對設計圖紙中植物造景效果的呈現，具有主觀性，教師無法對每位學生的設計過程進行實時評價和指導。植物造景虛擬仿真技術的實驗教學研究正是針對這些問題展開。

2.1 教學內容

目前三維可視化與人工智能技術在種植設計領域的應用處于技術研發起步階段，總體表現單一，價格偏高。通過調研國內園林景觀設計公司設計師對VR技術在種植設計中的應用需求，以VR在種植設計時空維度上的突破為亮點，聚焦城市更新中城鎮老舊小區綠化改造問題，探討基于關聯屬性植物庫的，集簡便的植物種植設計、計量化分析和開放的評價體系于一體的VR技術應用。

以福建農林大學藝術學院園林學院(合署)現有數字創意設計虛擬仿真中心為平臺，《環境綠化設計與應用》、《植物造景》、《園林植物》等課程為依托，研究植物景觀整體構建與虛擬展示的原理和方法。通過模型關聯植物屬性，整合種植設計、分析與評價三個環節，推動高校種植設計虛擬仿真實驗室的建設與應用。

2.2 技術關鍵

該實驗使用Unreal Engine4作為主要開發引擎，依托3D仿真技術、多媒體技術和網絡技術，結合3ds Max、Maya、Z Brush、Unreal Development Kit、Substance Painter等開發工具制作虛擬空間場景和植物多維度空間信息庫，形成具有良好的自主性、交互性和可擴展性的應用架構。

平臺架構分為三層，每一層都為其上層服務，采用CS、BS架構相結合的架構模式。數據中心基于MySQL對用戶信息、課程庫、典型實驗庫、預習庫、實驗數據、模型全景庫、試題庫分別建立數據倉庫。支持層支持業務邏輯，分為安全管理、服務容器、數據管理和域管理，支撐用戶訪問和后臺分析；通用服務層即開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺提供教學教務信息管理、仿真實驗內容管理和班級管理服務；仿真層通過搭建虛擬場景，來模擬滿足實驗要求的住宅小區植物造景。通過遠程服務器執行構建建模、網頁源碼構建和元數分析，最終將實時渲染的精美畫面呈現到用戶終端；應用層通過業務邏輯對虛擬場景、虛擬角色、進行業務流程塑造，模擬住宅小區植物造景虛擬仿真實驗場景。整體架構的優勢在于可以將不同的業務或實驗內容通過統一的平臺架構構建于應用架構之上，基于平臺架構可以在應用架構上無限擴展實驗項目，直到完成虛擬實驗教學環境的構建，如圖1所示。

我國是植物種類最豐富的國家之一，已記載的高等植物約3萬種。英國著名植物學家、博物學家威爾遜于20世紀初就提出“中國乃世界花園之母”。由于園林植物種類豐富、特征多樣，對每樣植物進行三維建模并兼顧季相效果是一項長期而艱巨的任務，而虛擬仿真實驗教學軟件需要滿足多人數同步在線操作的流暢性，軟件大小有限。因此根據植物樹形結合季相效果進行植物空間數據參數化管理，分為卵圓形、傘形、棕櫚形、匍匐形、球形等，如圖2所示。

圖2 植物模型庫示例

3 虛擬仿真實驗教學內容

虛擬仿真實驗教學模式使學生在課堂中參與到以前根本無法體驗的教學情境中，獲得與真實情境中相差無幾的學習效果，而基于大數據的人工智能、互聯網群體智能、跨媒體智能、人機混合增強智能和自主智能系統等則是未來設計教育的發展方向[10]。該研究依托福建省虛擬仿真實驗教學一流課程：住宅小區植物造景虛擬仿真實驗教學項目展開，在線教學網址：https://ndlh.ll3d.com/cms。

3.1 教學方法

采用“情景式”“研究式”和“交互式”的實驗教學法。通過軟件中的虛擬場景、虛擬布置與設計等情景化虛擬仿真實驗操作，設置多個互動環節，加深學生對城鎮老舊小區綠化改造的原則和設計要點的理解和掌握，彌補場地調研不充分，植物了解不全面以及植物造景效果難以評估等問題。

3.1.1 “情景式”實驗教學法

傳統課堂設計常在二維的紙界面，導致學生常將植物最佳的觀賞效果在圖紙上集中呈現而忽略了季相變化。該實驗通過虛擬仿真技術模擬真實小區場景，對植物季相景觀進行動態展示，為學生提供沉浸式植物造景體驗，體會寓教于樂的學習方式。

3.1.2 “交互式”實驗教學法

實驗按照種植設計流程逐步操作，使學生掌握植物造景的整個設計流程。并在操作中嵌入知識點和錯誤提示分析，增加互動性。軟件中設置了交流展廳，學生可以看到其他同學的種植效果，進行師生互動點評交流。

3.1.3 “研究式”實驗教學法

植物造景強調實踐性和經驗積累，由于場地、經費、時間等原因，傳統教學無法對每位學生的設計過程進行實時指導和充分評價。通過實驗平臺，學生可對植物觀賞特性、生態習性和種植合理性進行綜合分析，加深對植物造景的理解。

3.2 交互性操作步驟

該實驗涉及種植設計的系統性知識和綜合性應用，通過實驗預習完成原理認知，應用環節包括設計準備、方案設計和設計驗證三部分，共計10個步驟，如表1所示。

表1 虛擬仿真實驗用時及考核打分表

3.2.1 設計準備階段

“場地調研”“種植策略”“春季季相”“夏季季相”“秋季季相”“冬季季相”六個步驟，是開始植物造景設計前的知識點學習與考核，通過這幾個步驟為后續的方案設計步驟進行鋪墊。

步驟1：場地調研

點擊實驗入口開始實驗，進入老舊小區場景，與場景內多個場所進行互動，實景調研并收集場地存在的問題。在場地調研中穿插課程思政內容，從我國園林植物資源及其對世界園林的貢獻，植物從形態美到人格化的意境美以及植物的生態價值及環境設計工作者的社會責任意識等方面展開。

步驟2：種植策略

居住區綠化主要體現以下種植策略：盡量采用鄉土樹種和避免使用有毒、多刺的植物；考慮喬木、灌木、地被多層次種植；注重有色植物季相色彩搭配的愉悅性，春、夏、秋、冬呈現的色彩使人產生愉悅性；以人為本原則；進行主題性的植物配置，該步驟通過答題完成知識點學習。

步驟3：春季季相

很多植物的花期在春季，花成了春季觀賞的重點，按開花顏色可分為4個系列。白色系列，如白蘭花、白玉蘭、廣玉蘭、流蘇、含笑、珍珠梅等；紅色系列如榆葉梅、碧桃、海棠、櫻花、山茶、瑞香、紅千層、紅花羊蹄甲等；黃色系列如云南黃素馨、金鐘花、迎春、棣棠、連翹、黃花風鈴木等；藍紫系列主要有紫藤、翠蘆莉、藍花楹、葉子花、紫玉蘭、紫荊、紫丁香等，該步驟讓學生掌握了植物在春季的觀花特性。

步驟4：夏季季相

夏季也有很多開花的植物，部分植物的花期可延續到初秋。夏花植物主要有木槿、白蘭花、石榴、紫薇、扶桑、梔子花、合歡、鳳凰木、荷花、廣玉蘭、葉子花、雞蛋花等，該步驟讓學生掌握了植物夏季的觀花及觀葉特性。

步驟5：秋季季相

常見的秋色葉呈現紅色的有重陽木、烏柏、楓香、五角楓、石楠等；呈現黃色或黃褐色的植物有欒樹、楓香、銀杏、無患子、鵝掌楸等；秋葉呈現紅褐色的有水杉、水松、池杉。無論是城市園林還是風景區，秋色葉樹種都可以極大地豐富景觀的季相色彩，形成壯觀的秋景，該步驟讓學生掌握了植物秋季的觀果及觀葉特性。

步驟6：冬季季相

冬季落葉植物與常綠的觀花、觀葉植物進行合理的搭配，營造出具有四時變化的植物景觀，該步驟讓學生掌握了植物冬季的觀干及觀花特性。

“種植策略”“春季季相”“夏季季相”“秋季季相”“冬季季相”五個步驟，是開始植物造景設計前的知識點學習與考核，通過這幾個步驟為后續的方案設計步驟進行鋪墊。

3.2.2 方案設計階段

分為“季相構建”和“種植設計”兩個步驟，在掌握基礎知識點以后，針對場地調研過程發現的問題，合理選擇植物進行種植設計。

步驟7：季相構建

通過季節切換工具，預覽不同樹種在不同季節下的生長情況，結合植物信息庫中相關屬性挑選樹種，構建喬灌草混合、常綠落葉比例合理以及兼顧季相搭配的樹種名錄。

步驟8：種植設計

種植設計步驟可在小區場景中的多個功能區域里，自由擺放和移除植物模型進行植物造景設計，并可以切換季節進行設計預覽。

3.2.3 設計驗證階段

分為“季相平衡”與“季相評價”兩個步驟，是針對初步設計在樹種選擇和空間布局上存在的不足進行設計完善，最終完成設計。

步驟9：季相平衡

通過沉浸式漫游體驗多個種植區域在不同季節所呈現的季相景觀，幫助學生尋找設計過程中的不足，進一步優化設計方案。

步驟10：季相評價

統計設計方案中的植株數量，生成苗木表和量化指標表，并對各個區域的設計方案編寫設計說明，最后上傳實驗報告后，展示實驗操作成績，如圖3所示。通過以上操作步驟，引導學生關注植物季相效果及搭配，系統性掌握住宅小區植物造景的步驟方法，相比傳統教學，學生在教學靈活性、互動性和參與度方面反饋良好。

4 結語

將VR技術應用于種植設計并融入虛擬仿真實驗教學中，具有現實意義。

4.1 與國家全面推進老舊小區改造政策相適應，滿足創新型人才培養社會需求

城鎮老舊小區改造是重大民生工程和發展工程，對滿足人民群眾美好生活需要和推進城市更新具有十分重要的意義。對老舊小區環境改造建設是滿足居民改善型生活需求的主要內容之一，也是建設美麗中國的重要組成部分。因此，培養適應當下社會經濟、環境發展需要的環境設計創新型人才，對加強公共空間共建共享，建設人與自然和諧相處的幸福家園具有重要意義。

4.2 打破設計教學局限性，應用虛擬仿真技術解決傳統教學難題

針對傳統課程設計重藝術性，輕科學性和經濟性的痛點，圍繞季相變化為核心知識點展開實驗教學，解決傳統教學“難以想象”“難以落地”和“難以評價”的問題。

圖3 實驗操作步驟

4.3 突出“課程思政理念”和“學習成效驅動”的教育理念

融入城鎮老舊小區改造、城市“拆墻透綠”綠化工程、小區垃圾費分類回收點和晨、晚練點綠化改善等民生工程，挖掘植物傳統文化精神，通過植物造景改善人居環境，有效激發學生專業興趣和社會責任感。