VR技术在种植设计中的应用研究
——以植物造景季相变化虚拟仿真实验教学为例

邱 婷 陈祖建

(1.福建农林大学风景园林与艺术学院环境设计系，福州 350100；2.福建农林大学风景园林与艺术学院产品设计系，福州 350100)

植物是风景园林设计要素中唯一具有生命力的元素，精心的种植设计能给场地带来丰富的身心体验。由于植物生长是动态变化的过程，设计师不仅需要了解植物的造型、习性和功能，同时需要对植物分布区域、生长周期、季相变化等时空要素进行设计预判，优秀的种植设计师通常具备多年的实践经验。现有的植物造景空间效果在设计阶段的呈现通常是用Auto CAD、Photoshop、Sketch Up、3D、Lumion、Arc GIS等平面和三维设计软件实现空间要素的表达和分析[1]。然而传统植物造景展示方法存在不同季相效果混搭、植被空间层次难以准确表达以及植物素材库不全等缺点。通过融入虚拟现实(VirtualReality，下文简称VR)技术，对三维地理场景、园林景观设计方案的科学性和艺术性进行全方位、无限制的观察、体验和评价，可超越传统种植设计时间和空间的限制，提升园林植物景观虚拟展示效果，为用户提供基于现实的完全仿真场景或纯粹的虚拟场景沉浸式和交互式体验的新方案。

1 VR技术在园林设计领域的应用

VR技术的开发应用集中在动漫游戏、健康科学、工业制造业、影视娱乐、军事应用、教育及设计等领域[2]。VR技术在园林设计领域的应用集中在对地形、植物、水体、建筑和构筑物等的虚拟重构和展示。如Kersten等利用HTC Vive设备和Unity3D游戏引擎完成了土耳其某人文景观及建筑的重建和虚拟漫游[3]；王圣霖等人以增强现实(AugmentedReality，下文简称AR)技术为基础，开发了基于ipad运行环境的景观设计虚拟平台APP[4]；周向戈等人基于Open Scene Graph(OSG)图形渲染引擎，集成OculusRift虚拟现实设备，提出了参数化虚拟植被景观构建[5]；淮永建等人基于双向散射分布函数BSDF的的物理渲染算法，建立了可漫游的虚拟花卉仿真系统[6]；聂胜军等人将VR与BIM相结合应用于海绵城市建设智慧工程[7]。由于植物的种类多样性和形态结构复杂性，针对VR在种植设计中的三维重建和虚拟体验的系统化研究处于起步阶段。

VR技术在实验仿真、体验式学习、观察学习、操作练习等方面具有明显优势，在教育上能够增强学习体验和兴趣、促进知识记忆和情境化学习[8]。目前VR技术在植物领域主要应用于国家级虚拟仿真实验教学一流课程建设中，旨在解决田野调查的难度、植物的多样性认知局限及植物生长动态变化过程的不可控等问题。主要围绕植物分类学为基础的形态特征识别、植物标本制作以及不同生境下植物群落组成和分布统计等，如东北师范大学《森林木本植物群落特征调查方法训练虚拟仿真》、厦门大学《张江口红树林植物学实习虚拟仿真项目》、南京林业大学《南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验》、四川农业大学《设施植物生产系统设计建造与智能化虚拟仿真实验》、江西师范大学《植物分类学虚拟仿真实验教学项目》等。此外围绕植物生理学、分子生物学等方面如扬州大学《被子植物营养器官建成虚拟仿真实验》、华中师范大学《兰科植物传粉与保护虚拟仿真实验项目》、华南师范大学《光合作用光能的吸收、转化及不同类型植物的光合测定与应用的虚拟仿真》等虚拟仿真教学项目。关于种植设计方面的教学实践有上海应用科技大学《园林植物种植设计虚拟仿真实验》，围绕城市公共绿地设计展开，提出构建关联属性的植物模型库，将植物种植设计、分析与评价三个环节整合，属于最早一批进行种植设计虚拟仿真实验教学的国内高校。

2 植物造景虚拟仿真实验

环境艺术设计中的许多环节都与三维虚拟技术密切相关，VR技术构建三维模型不仅能够向用户提供大量的现实信息，还能让用户感受到身临其境的沉浸感[9]。植物造景主要内容涉及植物种类的认知以及植物与景观要素相互融合设计的方法等基本知识，是环境设计专业、园林、风景园林和城乡规划等专业的重要专业技能，旨在培养学生掌握环境氛围营造的科学性和艺术性。由于常用的计算机辅助设计软件无法对植物季相变化、生态习性和苗木市场情况进行分析，导致学生植物造景重视艺术效果而忽略科学性、文化性和经济性；植物季相随着季节的变化而变化，大学课堂教学不可能根据季节的变化来分割设置单门教学课程；学生随课堂教学难以完全掌握植物季相变化知识，而且调研考察成本较高难度较大；传统的课程评价主要针对设计图纸中植物造景效果的呈现，具有主观性，教师无法对每位学生的设计过程进行实时评价和指导。植物造景虚拟仿真技术的实验教学研究正是针对这些问题展开。

2.1 教学内容

目前三维可视化与人工智能技术在种植设计领域的应用处于技术研发起步阶段，总体表现单一，价格偏高。通过调研国内园林景观设计公司设计师对VR技术在种植设计中的应用需求，以VR在种植设计时空维度上的突破为亮点，聚焦城市更新中城镇老旧小区绿化改造问题，探讨基于关联属性植物库的，集简便的植物种植设计、计量化分析和开放的评价体系于一体的VR技术应用。

以福建农林大学艺术学院园林学院(合署)现有数字创意设计虚拟仿真中心为平台，《环境绿化设计与应用》、《植物造景》、《园林植物》等课程为依托，研究植物景观整体构建与虚拟展示的原理和方法。通过模型关联植物属性，整合种植设计、分析与评价三个环节，推动高校种植设计虚拟仿真实验室的建设与应用。

2.2 技术关键

该实验使用Unreal Engine4作为主要开发引擎，依托3D仿真技术、多媒体技术和网络技术，结合3ds Max、Maya、Z Brush、Unreal Development Kit、Substance Painter等开发工具制作虚拟空间场景和植物多维度空间信息库，形成具有良好的自主性、交互性和可扩展性的应用架构。

平台架构分为三层，每一层都为其上层服务，采用CS、BS架构相结合的架构模式。数据中心基于MySQL对用户信息、课程库、典型实验库、预习库、实验数据、模型全景库、试题库分别建立数据仓库。支持层支持业务逻辑，分为安全管理、服务容器、数据管理和域管理，支撑用户访问和后台分析；通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台提供教学教务信息管理、仿真实验内容管理和班级管理服务；仿真层通过搭建虚拟场景，来模拟满足实验要求的住宅小区植物造景。通过远程服务器执行构建建模、网页源码构建和元数分析，最终将实时渲染的精美画面呈现到用户终端；应用层通过业务逻辑对虚拟场景、虚拟角色、进行业务流程塑造，模拟住宅小区植物造景虚拟仿真实验场景。整体架构的优势在于可以将不同的业务或实验内容通过统一的平台架构构建于应用架构之上，基于平台架构可以在应用架构上无限扩展实验项目，直到完成虚拟实验教学环境的构建，如图1所示。

我国是植物种类最丰富的国家之一，已记载的高等植物约3万种。英国著名植物学家、博物学家威尔逊于20世纪初就提出“中国乃世界花园之母”。由于园林植物种类丰富、特征多样，对每样植物进行三维建模并兼顾季相效果是一项长期而艰巨的任务，而虚拟仿真实验教学软件需要满足多人数同步在线操作的流畅性，软件大小有限。因此根据植物树形结合季相效果进行植物空间数据参数化管理，分为卵圆形、伞形、棕榈形、匍匐形、球形等，如图2所示。

图2 植物模型库示例

3 虚拟仿真实验教学内容

虚拟仿真实验教学模式使学生在课堂中参与到以前根本无法体验的教学情境中，获得与真实情境中相差无几的学习效果，而基于大数据的人工智能、互联网群体智能、跨媒体智能、人机混合增强智能和自主智能系统等则是未来设计教育的发展方向[10]。该研究依托福建省虚拟仿真实验教学一流课程：住宅小区植物造景虚拟仿真实验教学项目展开，在线教学网址：https://ndlh.ll3d.com/cms。

3.1 教学方法

采用“情景式”“研究式”和“交互式”的实验教学法。通过软件中的虚拟场景、虚拟布置与设计等情景化虚拟仿真实验操作，设置多个互动环节，加深学生对城镇老旧小区绿化改造的原则和设计要点的理解和掌握，弥补场地调研不充分，植物了解不全面以及植物造景效果难以评估等问题。

3.1.1 “情景式”实验教学法

传统课堂设计常在二维的纸界面，导致学生常将植物最佳的观赏效果在图纸上集中呈现而忽略了季相变化。该实验通过虚拟仿真技术模拟真实小区场景，对植物季相景观进行动态展示，为学生提供沉浸式植物造景体验，体会寓教于乐的学习方式。

3.1.2 “交互式”实验教学法

实验按照种植设计流程逐步操作，使学生掌握植物造景的整个设计流程。并在操作中嵌入知识点和错误提示分析，增加互动性。软件中设置了交流展厅，学生可以看到其他同学的种植效果，进行师生互动点评交流。

3.1.3 “研究式”实验教学法

植物造景强调实践性和经验积累，由于场地、经费、时间等原因，传统教学无法对每位学生的设计过程进行实时指导和充分评价。通过实验平台，学生可对植物观赏特性、生态习性和种植合理性进行综合分析，加深对植物造景的理解。

3.2 交互性操作步骤

该实验涉及种植设计的系统性知识和综合性应用，通过实验预习完成原理认知，应用环节包括设计准备、方案设计和设计验证三部分，共计10个步骤，如表1所示。

表1 虚拟仿真实验用时及考核打分表

3.2.1 设计准备阶段

“场地调研”“种植策略”“春季季相”“夏季季相”“秋季季相”“冬季季相”六个步骤，是开始植物造景设计前的知识点学习与考核，通过这几个步骤为后续的方案设计步骤进行铺垫。

步骤1：场地调研

点击实验入口开始实验，进入老旧小区场景，与场景内多个场所进行互动，实景调研并收集场地存在的问题。在场地调研中穿插课程思政内容，从我国园林植物资源及其对世界园林的贡献，植物从形态美到人格化的意境美以及植物的生态价值及环境设计工作者的社会责任意识等方面展开。

步骤2：种植策略

居住区绿化主要体现以下种植策略：尽量采用乡土树种和避免使用有毒、多刺的植物；考虑乔木、灌木、地被多层次种植；注重有色植物季相色彩搭配的愉悦性，春、夏、秋、冬呈现的色彩使人产生愉悦性；以人为本原则；进行主题性的植物配置，该步骤通过答题完成知识点学习。

步骤3：春季季相

很多植物的花期在春季，花成了春季观赏的重点，按开花颜色可分为4个系列。白色系列，如白兰花、白玉兰、广玉兰、流苏、含笑、珍珠梅等；红色系列如榆叶梅、碧桃、海棠、樱花、山茶、瑞香、红千层、红花羊蹄甲等；黄色系列如云南黄素馨、金钟花、迎春、棣棠、连翘、黄花风铃木等；蓝紫系列主要有紫藤、翠芦莉、蓝花楹、叶子花、紫玉兰、紫荆、紫丁香等，该步骤让学生掌握了植物在春季的观花特性。

步骤4：夏季季相

夏季也有很多开花的植物，部分植物的花期可延续到初秋。夏花植物主要有木槿、白兰花、石榴、紫薇、扶桑、栀子花、合欢、凤凰木、荷花、广玉兰、叶子花、鸡蛋花等，该步骤让学生掌握了植物夏季的观花及观叶特性。

步骤5：秋季季相

常见的秋色叶呈现红色的有重阳木、乌柏、枫香、五角枫、石楠等；呈现黄色或黄褐色的植物有栾树、枫香、银杏、无患子、鹅掌楸等；秋叶呈现红褐色的有水杉、水松、池杉。无论是城市园林还是风景区，秋色叶树种都可以极大地丰富景观的季相色彩，形成壮观的秋景，该步骤让学生掌握了植物秋季的观果及观叶特性。

步骤6：冬季季相

冬季落叶植物与常绿的观花、观叶植物进行合理的搭配，营造出具有四时变化的植物景观，该步骤让学生掌握了植物冬季的观干及观花特性。

“种植策略”“春季季相”“夏季季相”“秋季季相”“冬季季相”五个步骤，是开始植物造景设计前的知识点学习与考核，通过这几个步骤为后续的方案设计步骤进行铺垫。

3.2.2 方案设计阶段

分为“季相构建”和“种植设计”两个步骤，在掌握基础知识点以后，针对场地调研过程发现的问题，合理选择植物进行种植设计。

步骤7：季相构建

通过季节切换工具，预览不同树种在不同季节下的生长情况，结合植物信息库中相关属性挑选树种，构建乔灌草混合、常绿落叶比例合理以及兼顾季相搭配的树种名录。

步骤8：种植设计

种植设计步骤可在小区场景中的多个功能区域里，自由摆放和移除植物模型进行植物造景设计，并可以切换季节进行设计预览。

3.2.3 设计验证阶段

分为“季相平衡”与“季相评价”两个步骤，是针对初步设计在树种选择和空间布局上存在的不足进行设计完善，最终完成设计。

步骤9：季相平衡

通过沉浸式漫游体验多个种植区域在不同季节所呈现的季相景观，帮助学生寻找设计过程中的不足，进一步优化设计方案。

步骤10：季相评价

统计设计方案中的植株数量，生成苗木表和量化指标表，并对各个区域的设计方案编写设计说明，最后上传实验报告后，展示实验操作成绩，如图3所示。通过以上操作步骤，引导学生关注植物季相效果及搭配，系统性掌握住宅小区植物造景的步骤方法，相比传统教学，学生在教学灵活性、互动性和参与度方面反馈良好。

4 结语

将VR技术应用于种植设计并融入虚拟仿真实验教学中，具有现实意义。

4.1 与国家全面推进老旧小区改造政策相适应，满足创新型人才培养社会需求

城镇老旧小区改造是重大民生工程和发展工程，对满足人民群众美好生活需要和推进城市更新具有十分重要的意义。对老旧小区环境改造建设是满足居民改善型生活需求的主要内容之一，也是建设美丽中国的重要组成部分。因此，培养适应当下社会经济、环境发展需要的环境设计创新型人才，对加强公共空间共建共享，建设人与自然和谐相处的幸福家园具有重要意义。

4.2 打破设计教学局限性，应用虚拟仿真技术解决传统教学难题

针对传统课程设计重艺术性，轻科学性和经济性的痛点，围绕季相变化为核心知识点展开实验教学，解决传统教学“难以想象”“难以落地”和“难以评价”的问题。

图3 实验操作步骤

4.3 突出“课程思政理念”和“学习成效驱动”的教育理念

融入城镇老旧小区改造、城市“拆墙透绿”绿化工程、小区垃圾费分类回收点和晨、晚练点绿化改善等民生工程，挖掘植物传统文化精神，通过植物造景改善人居环境，有效激发学生专业兴趣和社会责任感。