原创《基于风景园林学科的LIM数字平台》
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摘 要院以山东省菏泽市郓城采煤沉陷区湿地公园规划为契机,应用Autodesk Civil 3D 和InfraWorks 等软件对采煤沉陷区湿地公园进行数字地面模型构建试验,探索风景园林信息模型构建技术路径.模型融合菏泽市区、郓城县区、公园范围3 个尺度的地形数据,模拟湿地公园所处的地理景观,研究LIM数字平台在实际操作中的运用可行性.
关键词院风景园林；风景园林信息模型；数字地面模型；湿地公园
1 风景园林信息模型释义
风景园林信息模型（ ,简称LIM）是指创建并利用数字化模型对风景园林工程项目的设计、建造和运营全过程进行管理和优化的过程、方法和技术.LIM是BIM技术面向风景园林条件和要素的应用.风景园林信息模型为风景园林项目中信息交换低效的问题提供了相对客观的解决方法.
由于园林行业与建筑行业在专业内涵、项目周期、技术需求等方面具有明显区别,因此LIM与BIM相比具有明显的自身专业特点.例如,LIM模型通常以地理信息和地形测绘数据作为模型构建的基础,地理信息是LIM的关键组成要素之一.同时,LIM也具有BIM技术的一般性特点,例如强大的即时可视化能力、多专业协同和数据共享的能力以及通过设计软件界面对数据进行操作的能力.这些功能特点与GIS具有明显的区别.
本文研究对象为湿地公园,其规划布局结构与多尺度的自然地理景观单元、山水格局紧密关联,其工程建造涉及地上地下多个维度.据此特点,实验在LIM技术思路的统领下,选用Autodesk InfraWorks和Civil 3D组合应用的技术路径构建LIM模型.
2 试验性项目背景
郓城县位于山东省西南部,隶属于中国山东省菏泽市.地处北纬35°19′～35°52′,东经115°40′～116°08′.东邻梁山县、嘉祥县,西接鄄城,南连巨野县、牡丹区,北隔黄河与河南省台前县、范县相望（见图1）.截至2010年,全县辖22 个乡镇（街道）,1 个省级开发区,1041 个村（居）,总面积1643km2,其中耕地面积102533.33hm2.2013年户籍人口122.1万人,常住人口城镇化率42.2%,户籍人口城镇化率22%.
郓城县属于暖温带半湿润东亚季风大陆性气候.四季分明,春季干燥多风,夏季炎热多雨,秋季温和凉爽,冬季干冷,雨雪稀少.平均年日照时数为2479.7h,全年各月以6月份日照时数最多,为261.9h,2月份日照时数最少,为168.3h.年平均气温为13.5℃,1月份气温最低,7 月份最高.平均年降水量为694.7mm,年平均降水日数为71.4d,7月最多,1月最少.郓城县优秀的传统文化和民间艺术源远流长,是闻名全国的“戏曲之乡”、“武术之乡”、“书画之乡”、“古筝之乡”.并于2016年12月被列为第3批国家新型城镇化综合试点地区.
本次试验以山东省菏泽市郓城采煤沉陷区湿地公园规划为契机,试验应用Autodesk Civil 3D 和InfraWorks为平台构建湿地公园的数字地面模型,并将其应用于规划研究,为风景园林信息模型的构建和应用.
2.1 试验性项目目的：数字地面模型模拟地貌辅助规划研究本次技术应用试验有以下2个方面的目的：验证LIM模型构建的技术路径,应用LIM模型辅助湿地公园规划研究.
2.1.1 应用Autodesk Civil 3D和Infraworks等软件构建湿地公园数字地面（DTM）模型,验证LIM模型构建所需要的软件功能和技术路径.DTM是LIM模型不可或缺的构成要素.在面积达数平方千米的尺度上考察景观单元的内涵时,DTM 所反映的地形地貌成为LIM 模型所表现的主要内容.
试验通过多种地形数据的三维建模及模型融合,构建湿地公园的DTM 模型,以Autodesk Civil 3D 2015 和Infraworks LT为主要软件工具验证相关软件功能,并进行地形地貌分析、视觉效果模拟等模型应用.
2.1.2 应用风景园林信息模型辅助湿地公园规划研究.规划方法是一种认识古代城市空间结构形态及其形成规律的办法.在规划研究的方法体系下,本文拟开展基于LIM的“大地”考察,通过构建湿地公园DTM模型为规划研究提供地理信息综合与分析等的支持.
2.2 试验性项目研究方法
2.2.1 项目研究思路.此次对于风景园林信息模型的研究以山东省菏泽市郓城县采煤沉陷区湿地公园为例,在设计此方案过程中进行对风景园林信息模型（LIM）的研究.分为前期调研与方案设计2个部分,前期收集地块基本区位、现状信息等,主要将其地形条件进行可视化处理.方案设计阶段由2个小组完成,即设计组与比照组,对设计方案进行初稿地推敲、确定、最终完成方案的平面图、效果图及分析图,并在此过程中利用风景园林信息模型（LIM）融合地形,最后进行工程量的概算与投资估算.
2.2.2 项目研究过程.本文所做的研究为2个小组进行同时设计,设计最终的方案图,为统一一个,目的是可以在传统景观设计与LIM系统进行对照试验,体现科学性、客观性.
①首先进行前期的调研,包括现场勘测地理数据,与搜集有关当地的文化、地形、水文、植物与气候,用aotudesk civil3d进行信息的整理分析.②前期地形调研,针对地形情况,用GIS线稿转换实现二维可视化,以便可以更好地讨论与设计方案.③进入方案设计阶段,设计组与比照组共同出一套设计方案,分别采用不同方式、不同表现方式对设计图实行不同程度的表达.④融合地形信息.
本项目研究中湿地公园LIM模型构建主要包括DTM构建、地面影像制备与配置以及模型要素融合3个步骤.
DTM 构建采用3 组不同精度数据.第1 组数据为GDEM30m分辨率DEM,来自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站“地理空间数据云”（图2）.第2组数据为湿地公园区域DTM,应用Civil 3D处理1∶1000 测绘数据生成.
Civil 3d制备的DTM转制为IMX文件可直接加载到infrawarks中,本文的地面图像制备利用了可供公开下载的google earth卫星影像图,下载后的栅格图像在civil 3d中通过在线地bing map 进行范围匹配,在应用outodesk raster tools工具生成world file文件完成地理位置的配置（图3）,这种地理地面图像的制备与配置方式可拓展应用于任何生活图像.
例如,将设计总平面图进行地理坐标配置,与DEM 融合,可以作为在反应真实地理信息的三维模型中快速推敲设计方案的技术方法.
模型要素融合的步骤,通过应用outodesk infrawarks 完成.在其中构建现状地形,需经过以下步骤,地面图像导入—数字地面模型导入—地物的的导入或构建.需注意的是,最先导入的数据将定义infrawarlks模型的范围,因此应首先导入范围较大的地面图像,如果次序相反,可能造成地表图像无法加载的问题.依次倒入菏泽市区DEM数据、郓城县区和公园范围的地面图像,在配置数据源时,应统一坐标系.在此,根据湿地公园所在位置,将坐标系配置为LL86.完成地面图像的导入后,调整显示顺序.上述数据源都属于栅格文件,分辨率依次提高.将分辨率最高的图像置于最顶端,分辨率最低的置于最低端.完成栅格数据导入之后,依次倒入数字地面模型的IMX文件,完成坐标配置并刷新显示.
在此过程中,可能会出现DTM与地表图像存在位置偏移、无法融合的情况.出现这种情况时,可通过重新配置数据源,更改XYZ方向的偏移值实现,以此调整DTM或地表图像的位置.偏移值的确定需要比较线位置与目标位置的坐标.
完成数据源的调整与配置后,模型将融合地面图像与DTM,形成信息模型的基础.数据融合之后的信息模型综合了不同数据源的信息,在同一个模型中包含了多尺度的地理信息.从菏泽市区整体一直到湿地公园的场地,不同尺度对象的高程、土方、水文环境等分析工作都可以在此基础上直接进行.模型中各要素的地理信息均完整保留,且可以流畅进行跨尺度的模型即时渲染与浏览.
进行土方工程量的概算与投资估算,完成设计一整套流程.
3 技术路线（见图5）
4 场地现状分析———塌陷区
4.1 采煤沉陷地现状
文化产业和文化创意产业发展、新型城镇化、新农村建设、全域旅游等政策落地过程中,面临采煤沉陷、土地破坏的现实问题.
彭庄煤矿位于山东省菏泽市郓城县张营镇,巨野煤田的4个矿井之一,由鲁能集团开发建设.2006年煤井正式出煤,年生产能力60万t.
大量采煤造成地面沉陷,房屋受损,公路中断,农田土地遭受破坏.重度沉陷面积102hm2,沉陷2.5m深,局部地区达3m多深,常年积水,土地变形,农业绝产.中度沉陷面积98hm2,沉陷1m多深,水土流失加剧.轻度沉陷面积715hm2,可生产植被,影响农业用地.煤矿沉陷区土地荒废、环境破坏,可持续发展面临严峻挑战.
4.2 沉陷分析
彭庄煤矿开采区分布图如下,地物所在位置不同受沉陷影响不同.
中间区———位于采空区上方,地表下沉均匀,一般不出现裂缝,地表下沉值最大,建于该区的建筑物相对安全.
内边缘区———位于采空区外侧上方,地表下沉不均匀,地面向盆中心倾斜,呈凹形,在建筑荷载作用下,地基产生不均匀变形,对建筑的兴建有不利影响.
外边缘区———位于采空区外侧煤层上方,地表下沉不均匀,地面向盆地中心倾斜,呈凸形,产生拉伸变形,对建筑破坏严重.
4.3 沉陷区影响因素
沉陷区影响因素主要有地表情况、沉陷程度、沉陷深度、积水情况、植被情况,依程度不同分为重度沉陷、中度沉陷、轻度沉陷3 个级别.
4.4 沉陷幅度及程度分析
根据《郓城县采煤塌陷地治理规划（2011～2025）》,彭庄煤矿至2015 年开采面积306hm2,预计塌陷损毁土地面积915hm2,最大下沉值为3.2,具体下沉等值线见图8.其中,重度沉陷面积达到102hm2,轻度沉陷面积达715hm2.具体分布见图8.
根据《郓城县采煤塌陷地治理规划（2011-2025）》预测,彭庄煤矿闭矿时,塌陷损毁土地面积可达3334hm2,最大下沉值仍为3.2m.具体分布范围见图10.塌陷主要影响河流为郓巨河,影响长度2.6km,影响程度较轻,及时予以修复科确保河堤功能.主要影响道路为省道S338,影响长度3.1km,最大下沉为1.4m,塌陷不严重,及时维护后一般不影响交通.
4.5 现状小结
①煤矿沉陷区土地荒废、环境破坏,可持续发展面临严峻挑战.沉陷区生态环境、地形地貌严重破坏；地表水污染、生态系统变化；地形变为下沉盆地、沉陷漏斗.
②土地难以利用,濒临废弃,累及民生大计.水土流失、肥力降低、内涝土地难以复垦利用、生态环境破坏,百姓失地,经济利益受损,未来随着煤矿资源枯竭,农民将彻底失去生活来源.
③沉陷区未来生态、生产、生活更为严峻.目前处于采矿初期,沉陷带来的问题已初步显露,随着开采进程推进,未来将呈现更为严峻的局面.
4.6 用地适宜性分析
比较2015 年与闭矿阶段的采煤塌陷范围和下沉值,可见塌陷最严重的区域下沉程度已经达到3.2m,该区域呈现稳定状态.该区域东侧至闭矿阶段将出现3.2～2.0m的沉陷,属于塌陷过程仍在发展的区域.具体范围如图13 和红色区域所示.规划范围中部以东区域,采煤塌陷造成影响较小,处于基本稳定的状态.
根据以上分析,以规划范围中部为界,西侧为塌陷治理的重点区域,东侧为可适当开展建设的有效发展区域.
5 试验性项目土方量模拟估算
本试验体现了LIM 模型,多源信息融合模型,即时渲染数据互动操作的特点,模型不仅用于场地空间形态的可视化表现,而且基于语义信息与几何模型的关联,可以在规划设计过程中及时定量掌握场地的各种特征.在本试验中,填方与挖方的空间关系得以呈现,填方和挖方工程中土方的土方量得到估算.
6 结论
本文以DTM为主构建LIM模型,模拟湿地公园所在区域的地理景观.数字化的模型提供了从山水格局分析到视觉体验验证的功能,为规划研究的理论推演提供了支持工具.同时,信息模型具有场地信息管理的优势,不仅可以展示现状地形的情况,而且可以对历史环境的过程进行模拟.随着技术进一步快速发展,作为信息载体的LIM模型对地理景观的状态与过程模拟将更为准确与细致,这些特征使其成为辅助规划研究的有效工具.主要结论如下.
（1）纵观国内外的风景园林设计研究,认为使用三维数字技术在优化风景园林设计的科学性、准确性和提供更加真实的园林设计体验是风景园林的发展方向.
（2）发现可视化以不同方式始终贯穿于风机园林设计表达的范畴内.从二维转向三维、从图纸媒介转为数字媒介,证明了可视化技术是风景园林设计向外界传达信息的一种必要手段.
（3）根据地块的所在位置,数据源的调整与配置,用不同尺度对象的高程、土方、水文环境等分析工作,可以进行地形地貌分析、视觉效果模拟等模型应用.
（责任编辑王蔓）
风景园林论文参考资料：
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