浅谈生态景观设计中的三维地形

柏文 花金祥 陈杰

【摘 要】利用计算机三维设计软件，可以根据测量数据构造真实三维地形。本文以《佳园》软件为例，说明了构造三维地形，分析三维地形和改造三维地形并进行土石方计算的方法。这种新兴方法与传统方法比较有很大的改进，在倡导信息技术的当今，非常值得推广应用。

【关键词】三维地形；地形分析；地形改造

中图分类号： TU985 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0196-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.091

1 地形设计的传统方式与新兴方式

1.1 传统地形设计的方法及其难点

在生态景观设计中，地形是所有景观与设施的载体，它为所有景观与设施提供了赖以存在的基面，是构成任何景观的基本结构骨架。[1]所以，地形设计是生态景观设计的基础和重点。

同时，在传统的设计环境下，地形设计又是困扰设计师的一个难点。这是因为在山区水库进行水利风景区设计，或对山区河道进行生态治理时往往会遇到崎岖复杂多变的地形，而地形的勘测成果是以等高线和等高点反映在二维的地形图上。这种传统的地形图上，虽有地形数据的具体数值表示，但没有直观效果。设计师只能凭地形图在脑海里想象地形构造，难免会顾此失彼。若是在此基础上进行坡度、坡向、高程、汇流等深度分析或进行地形改造和土方平整计算，则更是难题。

譬如，要想在复杂地形中进行较准确的土方平整计算，传统方法一般采用方格网法。这就要首先绘制出准确的放坡线、相贯线和填挖方分界線，然后在每一个方格中计算设计标高、原地形标高、高差和单位方块挖填方量，最后在进行总和统计得出结果。[1]在这些步骤中，设计师不仅要进行繁琐的海量计算，更是要小心谨慎，出现一点错误就会影响最终结果，而且难以查找错误点。

所以，如何进行便捷准确的地形设计，一直是生态景观设计师希望攻克的难点。

1.2 新兴三维地形设计的优势

随着新技术的发展和进步，工程设计已不再停留在传统的二维图面上，三维化、参数化、同步化和信息化已逐步实现。地形设计也有了新兴的设计方法。在BIM（建筑信息管理系统）中，地形设计也实现了三维可视化和分析计算自动化。地形设计的难点也逐步攻克。

三维地形由实际测量数据或电子版地形图生成，完全反映了真实情况。设计师不仅可以直观的看出地形起伏落差，而且可以根据设计需要随意进行地形改造和分析计算。繁琐的重复性工作可完全交由计算机完成，更加准确快捷。这不仅缩短了设计周期、提高成果质量，更使得设计师从繁琐的计算中解放出来，可进行更多的创造性工作。对工程设计，是大有裨益。

2 简述三维地形设计的一般方法

2.1 三维地形设计采用的计算环境

2.1.1 设计使用软件

使用具有三维地形处理的功能的软件，如《佳园》，《Civi3D》，《ZDM》，《CATIA》等均可，各个软件操作步骤类似，下面以《佳园》V4.0为例说明设计过程。

2.1.2 地形数据

要求有描述现状地形的地形数据，高程点TXT文件、电子版实测地形图等均可。

2.2 准备现状地形数据

2.2.1 数据点文件

数据点文件是描述高程控制点坐标和高程值的数据集合，根据使用软件不同，数据点文件有不同的编写格式。一般来说都需要“序号”、“坐标”、“高程”等几个要素点。佳园使用的数据点文件为*.txt格式，从左到右依次为“序号”、“X坐标”、“Y坐标”、“高程”。

2.2.2 电子版地形图

实际工作中，外来资料一般提供的是地形图。佳园软件同样能在电子版地形图的基础上生成三维地形模型，格式为*.dwg。如果仅有纸质地形图，可用扫描仪将其扫描成图片，再利用矢量分析软件识别成dwg格式图形文件。

2.3 生成三维地形及地形分析

2.3.1 数据点文件生成三维地形

首先使用菜单命令“地形设计”-“导入现状地形”-“导入高程数据”，在弹出的对话框中选择数据点文件即可。

然后使用菜单命令“地形设计”-“生成TIN地形”，最好先用PL绘制出地形边界，不然易出现多余三角形。根据提示依次选择边界线和高程点后，用三角网曲面表示的三维地形就生成了。如图1所示。

2.3.2 地形图生成三维地形

使用菜单命令“地形设计”-“导入现状地形”-“导入dwg地形图”，在弹出的对话框中选择地形图文件，如果地形图单位尺寸为米，则需要在缩放系数中填入“1000”，单位转换为“毫米”即可。结果如图2所示（红线为地形边界线）。

部分地形图仅为平面表述，其等高线等高点Z坐标都是0，这样不能被软件直接识别，这时可用“地形设计”中的“地形点赋值”、“等高线赋值”等命令处理地形图，以使软件可识别。

地形图导入后，再使用菜单命令“地形设计”-“生成TIN地形”，根据提示依次选择边界线和高程点后，用三角网曲面表示的三维地形就生成了。如图3所示。这样就直观地看出地形的起伏落差。

2.3.3 地形分析

在进行生态景观设计时，有些建筑物布置、活动场地、植物种植等需要结合地形进行分析设计。如道路布置的地方坡度不能太大；植物对阴阳喜好各有不同，有些只能在低海拔区生长；休闲活动场所需要在阳光照射充足的地方；顺汇水流向进行排水管路设计等。[2]要做好这些，就需要地形分析。

生成三维地形后，可在地形曲面上进行坡度、坡向、水流、高程等各种地形分析，以确定各种设计要素。下边以坡度分析为例说明操作步骤。

使用菜单命令“地形设计”-“地形分析”-“坡度分析”，根据提示选择分析曲面，然后在出现的提示框中点击“自定义坡度区间”可定义各级坡度显示范围；点击输出可生成坡度分析表格。分析结果如图4、5所示。其他各个分析过程均与之类似，不再累述。

2.4 构造设计地形

构造设计地形有两种方式，分别为“等高线改造地形”和“场地平整”方式。“等高线改造地形”就是人为绘制出闭合曲线并赋予高程值作为等高线，然后利用绘制出的等高线生成三维地形曲面；“场地平整”就是人为绘制出场地平整区域，再让系统自动赋予高程值和放坡坡度，从而生成三維曲面。分述如下：

2.4.1 等高线改造地形

“等高线改造地形”通过人为绘制等高线进行，举例说明：在图6所示山头上构造阶地平台，首先绘制出构成阶地轮廓的闭合曲线，然后利用“地形设计“-”等高线赋值“命令给曲线赋予高程值。

选择菜单命令“地形设计”-“地形改造”命令，根据提示选择要改造曲面和最外层等高线，在弹出对话框中依次填入各段上下护坡值，或选择“各段使用等坡值”，点确定。然后根据提示选择设计等高线和高程点，即可生成构造地形如图7所示。

2.4.2 场地平整改造地形

与等高线改造地形类似，先用闭合曲线绘制出平整场地的轮廓，但不需要再赋予高程值了。选择菜单命令“地形设计”-“地形改造”，根据提示依次选择改造地形曲面和场地轮廓后弹出护坡设置对话框。

与“等高线改造地形”类似，需要填入上下护坡值，在平整高度中填入需要平整的场地高度即可。生成场地平整曲面如图8所示。

2.5 土方工程量计算

地形设计完成后，我们还需要土方挖填量的计算，以确定工程量，并在图中绘出相贯线和挖填方分界线以便于施工放线。我们利用上一步做出的场地平整地形曲面，使用佳园软件的“体积土方计算”和“网格土方计算”命令就可以轻松得出计算结果。

2.5.1 体积土方计算

选择菜单命令“地形设计”-“体积土方计算”，根据提示依次选择原始地形曲面和改造地形曲面，系统会自动在两个曲面间进行布尔运算，从而得出结果，生成计算表格如图9所示。这种方法计算速度快，适用于设计方案比选阶段的土方计算。

2.5.2 网格土方计算

如需要生成土方网格，绘制施工定位图，则可选择“网格土方计算”命令。选择菜单命令“地形设计”-“网格土方计算”，根据提示依次“绘制施工网格”（确定网格尺寸和起始点）-“选择网格边界”（选择场地平整时生成的相贯线）-“网格自动赋值”（计算每个网格的高差及挖填量）-“网格法土方计算”，即可得出土石方施工网格放线图和土石方计算表。如图10、11所示。

因计算方法不同，“网格土方计算”和“体积土方计算”结果略有差异，相比较而言，虽然网格土方计算较为繁琐，但其计算结果更准确些，而且可生成施工图阶段需要的定位网格，土方计算网格和土方零线等。所以“网格土方计算”更适用于施工图阶段的土方计算。

3 三维设计应用的意义

三维地形设计不仅可以用在生态景观设计中，其他涉及到地形设计的领域，如水利、路桥、建筑等都可以利用。它虽是一种新兴的设计方法，但在深入探讨之后，我们不难得出结论：相较传统平面二维设计方法而言，三维地形设计更加直观、快捷、准确，使用这种新兴的设计方法，可以使设计师从繁复的计算中解脱出来，从而专心于设计灵感的创新与发挥。有利于缩短设计周期，有利于优化设计成果，有利于设计竞争力的提高。