城市园林绿地树木景观三维模拟与绿视率预估

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城市园林绿地是城市生态环境的重要组成部分,具有调节和改善城市生态、美化城市人居环境的作用。随着人们对生活质量的要求提高,更关注人在绿地建设中获得幸福感,故园林绿地规划设计方案的生态评估成为必然趋势。绿视率作为评估城市绿化空间的新兴指标,可直接反应城市绿化建设水平。植物是城市园林绿地景观中最为重要的组成要素,是具有生命特征的有机体,形态结构会随时间因素不断变化,从而影响绿地空间的可视绿量,故绿视率存在时空异质性,是一个动态的指标。针对城市园林绿地景观设计方案无法预测模拟与预估绿视率的问题,本文利用虚拟地理环境、虚拟植物等技术,建立城市园林树木三维景观,依据视觉成像原理,模拟不同视点园林景观的视觉图像,自动估算绿视率,研发了园林树木景观三维模拟及绿视率估算原型系统。主要研究内容与成果如下:(1)园林树木生长模拟。根据绿化树木生长发育规律性和整形修剪规则,提取其生命周期中不同生长阶段和年周期(季相)各阶段的形态特征参数(如树高、胸径、冠幅等)。基于野外实测数据以及植物基本形态结构,采用参数化建模方法,构建不同阶段的精细化植物三维模型。(2)园林绿地树木景观三维可视化模拟。构建园林绿地树木景观要素三维模型,主要包含硬质景观要素(如地形、建筑物、道路)和软质景观要素(如植物)。此中,硬质景观要素是基于空间分布数据和地理实体属性数据建模,通过Open Street Map获取各地理实体矢量图层分布数据,利用Mapbox Studio矢量瓦片化处理,使用Mapbox for Unity SDK,利用矢量瓦片渲染技术绘制地理场景,如建筑物以拉伸方式生成模型、道路结合纹理映射生成三维模型;软质景观要素中植物以参数化建模方法生成三维模型。利用父子层级关系组织场景要素,依据不同的园林绿地设计方案,结合遍历与实例化技术,预测模拟不同情境的园林绿地场景,可结合交互方式调整与种植植物要素,以满足不同设计方案三维可视化表达的要求。(3)不同园林绿地树木景观规划方案的绿视率预估。根据园林植物的生长规律性、季相因素影响的植物结构特征及空间布局等知识,构建不同情境的园林绿地景观虚拟场景。根据分析问题角度的不同,交互式切换场景和设置视点参数,基于视觉成像原理,采用双缓冲技术、后处理技术和渲染到纹理技术等模拟该视点的园林景观的视觉图像,自动计算特定情境的绿视率,形成一种基于数据和模型综合驱动的园林树木三维模拟景观的绿视率计算方法。以福州金山大道为实例,对比基于百度街景图像计算的绿视率,结果说明基于虚拟场景估算绿视率是合理的。
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