77
中国园林 / 2021年 / 第37卷 / 第3期基于Rhino+Grasshopper的风景环境 Research on the Algorithm Model of Route Selection Design of Complex Scenic Environment Road Based on Rhino+Grasshopper
摘 要：在风景园林规划设计中，当前使用ArcGIS作为道路自动选线工具的研究较多，但该方法在小区域内无法取得较为精准的选线结果。基于Rhino+Grasshopper平台，对Dijkstra最短路径算法、遗传算法及道路选线影响因素进行研究，构建了参数化风景环境道路自动选线模型。使用参数化设计生成的路径符合风景区低影响开发和低成本建设的原则，且路径曲线最大限度满足风景区道路极限平曲线现行规范值。构建的参数化模型可以解决所有同类型问题且便于调整和优化，为风景环境道路选线提供了新的解决方法。 关 键 词：风景园林；风景环境；参数化；道路选线；线型优化；模型构建
Abstract: In the planning and design of landscape architecture, there are many researches using ArcGIS as road automatic route selection tool at present, but it is unable to achieve more accurate rout
e selection results in a small area. Based on the Rhino+Grasshopper platform, this paper studies the Dijkstra shortest path algorithm, the genetic algorithm and the influencing factors of road route selection, and constructs the road automatic route selection model in the parameterized landscape environment. The path generated by using parametric design conforms to the principle of low impact development and low cost construction of scenic spot, and the path curve can meet the current standard value of limit horizontal curve of scenic spot road to the greatest extent. The parameterized model constructed in this study can solve all the problems of the same type, and it is easy to adjust and optimize, which provides a new solution for road route selection in scenic environment.
Keywords: landscape architecture; landscape environment; parametric; route selection; line optimization; model building
纪念设计项目为依托，进行道路交通规划设计。初期设计使用传统设计方式，但因设计区域内的环境因素非常复杂，导致设计方案在现场实测调研中被反复推翻，难以确定道路方案的最优解。后续为解决这一难题，笔者尝试了一系列参数化软件作为设计平台，对比之后选择了Rhino+Grasshopper(以下简称“Rhino+GH”)平台，以快速得到较为合理、可靠的道路选线方案。
1 风景环境道路选线方法分析
1.1 常规道路选线设计方法
传统风景环境道路选线的工作流程属于线性工作流，前期根据现状资料(地形图、用地规划图
张 驰杨雪松*数字模型
ZHANG Chi YANG Xuesong
文章编号：1000-6664(2021)03-0077-06DOI：10.19775/j.cla.2021.03.0077中图分类号：TU 986 文献标志码：A
收稿日期：2020-01-09 修回日期：2020-03-22
国民经济水平的提高，使人们对旅游休闲的需求相应提升，合理开发利用现有的风景资源以满足人们的精神需求是大势所趋。风景园林的设计要素包括地形、水体、植物、建筑及小品、道路等，其中道路是构成场地的骨架，用于连接各景区、景点、建筑和设施等，并具有交通、生态、观光等多重功能。《风景名胜区规划规范》(GB 50298—1999)针对交通及道路规划提出：“方便可靠和合适风景区特点，并形成合理的网络系统；还应当合理利用地形，因地制宜地选线，同当地景观和环境相配合，避免深挖高填。[1]”因此，风景环境路网分布的合理性是其资源低影响开发的必要条件。
本文以广东省惠州市惠阳区永祥和人文
* 通信作者(Authorforcorrespondence)E-mail:******************
等)结合实地调研反馈，对设计范围内外的相关环境资源进行统计。然后根据可开发利用的程度将资源分为高度开发、适度开发和保护预留3类。
后期依据前期资料在平面图纸上详细标出道路设计红线、起点、终点及交叉口位置，然后人工计算并绘制线路，连接起点和终点。道路坡度及转弯半径是否满足设计要求需要进行二次计算核验；道路是否满足经济技术指标需要经设计人员多次实地勘测、反复测算，才能形成一个相对合理的选线方案。该过程往往耗费大量时间和
精力，且方案的优劣多取决于设计人员的从业经验。
1.2 基于ArcGIS平台的道路选线方法的不足
ArcGIS在地理信息管理应用上具有优势。
张驰，杨雪松*.基于Rhino+Grasshopper的风景环境复杂地形道路选线设计算法模型研究.中国园林，2021，37(3)：77-82.
78中国园林 /2021年 / 第37卷 / 第3期
当前关于ArcGIS在道路选线上的应用研究颇
多，如袁旸洋等在《参数化风景环境道路选线研
究》[2]中，详细介绍了基于ArcGIS软件平台的
道路选线算法原理及应用，将牛首山景区的景观
节点作为道路节点，然后使用路径距离算法生成
所需路网，但是生成的路网需要后期人工进行曲
线优化，道路等级是在全部路网生成的前提下再
进行区分的。
不同等级的道路对于坡度、平曲线和宽度
等都有不同的范围要求，因此提前划分景观节点
的分布等级，依此确定连接该节点的道路等级的
方式相对合理，划分道路等级来生成节点之间
的路径更加符合实际的使用需求。经测试发现，
ArcGIS平台较为适合大区域的路网规划，而对
面积适中且路网要求精度较高的区域，其结果难
以满足实际需要，往往需要使用CAD等软件做
二次调整。这样生成的路网忽略了道路设计相关
安全规范，导致设计路径与实际路径误差较大，
无法实现精准的选线辅助。同时，ArcGIS计算
出的路径在与其他三维建模软件衔接的过程中由于兼容性等问题，会导致累计误差变大，因此在使用上存在局限性。
1.3 基于Rhino+GH平台的道路选线方法的优势
Rhino是一个强大的三维专业造型软件，基于NURBS曲线和曲面的原理，具有精确且强大的建模功能。Grasshopper(简称GH)是一款基于Rhino平台下的节点式可视化编程工具，它能处理和管理数据，并可以结合各类数学模型算法；对于输入参数的任意调整均可在Rhino中实时显示调整结果。Rhino+GH平台在建筑设计领域的应用已非常广泛，例如通过分析日照控制建筑开窗的大小和位置；给定场地面积、容积率及道路等指标，自动生成建筑强排方案；以及幕墙结构自动优化等。
使用Rhino+GH平台进行道路选线设计，可以利用应用较为广泛的Dijkstra算法进行最短路径计算，亦可利用遗传算法(Genetic Algorithm，GA)①进行路线的优化设计。由于Rhino建模的精准度较高，通过Rhino计算得到的结果可以在Rhino界面中精准显示并实时调整。
2 参数化风景环境道路选线的理论依据
2.1 风景园林设计发展趋势
风景园林是一门处理人类社会活动空间与自然生态环境关系的复杂学科[4]。当前该学科研究
范畴逐渐扩大，开始关注整个人类的人居环境建
设。其涵盖的内容纷繁复杂，设计师依靠个人经
验来处理如此庞大的信息量愈发困难。随着计算
机和信息技术的发展，设计师可以借助计算机思
考和推导得到传统方法无法得到的成果，极大地
拓展了设计的可能性。
2.2 参数化风景园林设计流程
参数化风景园林设计是借助计算机强大的
计算能力，为设计师提供新的解决策略。常规设
计流程是接到设计任务，对项目进行分析和构
思，经历草图和建模的过程最终完成设计方案。
参数化的设计方式是在常规设计流程中加入“程
序包”，用来辅助设计师对项目资料的分析和数
据的计算，并生成相应的设计成果以备设计师优
选。“程序包”是借助计算机语言和数学算法，
协助设计师处理数据信息的工具。
参数化风景园林设计由3个阶段组成：场所
认识、方案生成和方案优选，对应“调查-分析-
规划”3个环节，融入参数化设计迭代和反馈技
术[5]。在使用参数化技术时，前期的场所认识尤
为重要，对方案优选环节起决定性作用(图1)。
2.3 风景环境道路选线的影响因素
影响道路选线的因素繁多，本文为便于后期
对影响因素做数字化评价，选择忽略一些权重相
对较小的因素，例如气候。经过多次路线规划试
验，将影响风景环境道路选线参评的因素分为风
景环境、道路安全和施工难易3类(表1)。
风景环境指道路设计范围内的地形地貌和
用地类型。地形地貌包括高程、坡度和水文等信
息；用地类型分为未开发区域、弱开发区域和已
开发区域。
道路安全可分为道路的设计时速、道路坡
度、转弯半径及道路宽度等指标，与行车安全紧
密联系。设计时速还应考虑使用者的观景需求，
游客到风景区是为了欣赏风景，道路两侧的景
观对车内的乘客来说是一道动态的风景线。《风
景区道路极限平曲线最小半径取值探讨》一文图1 道路选线技术框架
图2 道路选线实践工作流程
表1 风景环境道路选线影响因素
1
2
79
中国园林 /2021年 / 第37卷 / 第3期
提出：“根据动视觉原理，当车速达到60km/h
时，就很难欣赏到路侧的风景。观赏风景的最
佳车速为30~40km/h。所以风景区道路的设计
车速最大为60km/h，一般控制在小于或等于
40km/h为宜。[6]”
施工难易指施工过程中道路选线位置的地质
条件及填挖土方量等对施工进程和成本的影响。
3 参数化风景环境道路选线模型的实践论证
以广东省惠州市惠阳区永祥和人文纪念设计
项目为契机，将参数化风景园林设计理论应用于
道路选线，有效提升了设计效率及准确度，并总
结得出道路选线实践工作流程(图2)。
3.1 构建场地环境信息模型
使用参数化设计方法的前提是需要将实
际地形进行数字化处理，转化为数字高程模型
(Digital Elevation Model，DEM)。数字高程模
型是地表形态的数字化表达，蕴含了丰富的地学
应用分析所必需的地形地貌信息[7]。对于非规则
离散分布的特征点数据，可以建立各种非规则的
数字地面模型，其中最简单的是不规则三角网
(Triangulated Irregular Network，TIN)。TIN
是按一定的规则将离散点连接成覆盖整个区域且
不重叠、结构最佳的三角形，实际上是建立离散
点之间的空间关系[8]。
本文项目的地形数据是使用无人机扫描获得的高程点，复杂地形区域的相邻两高程点之间的距离均为15~20m，通过Rhino+GH平台将高程点转化为TIN模型。为了提高道路选线生成的精度，需要将现有的TIN进行细分(细分的精度须合理，如果精度太高会造成后续操作运算量过大等问题)，得到复杂地形区域的网格边线长度均为7~12m(图3)。
3.2 依据场地开发程度梳理景观资源
Rhino+GH平台具备高兼容性与节点式可视化编程的特点，可以根据不同道路等级生成相应的路径。根据风景环境道路选线影响因素梳理项目的现有环境资源，并依据开发程度进行分类，然后将环境资源作为节点分级。
首先，通过测绘图纸和现场调研等，分析出具备作为景观节点潜力的场地。然后，将已选定的景观节点按照建设用地面积、可达性、风景资源丰富度和生态敏感程度等指标进行评价，各项指标的权重可通过德尔菲法确定。最后，按照景点的评价指标将其分为一级节点和
二级节点(图4)。一级节点的可开发程度较高，
能够承载较大的人流量，是景区使用者较为集中
的区域；二级节点的可开发程度较弱，侧重于保
护性开发，可以做特景点开发。
3.3 根据景观资源明确节点关联
风景区路网的优劣直接影响风景区内环境资
源的使用价值，合理的道路交通系统可以显著提
高风景区的接待能力，以此增加风景区的各项经
济效益。
风景区道路一般分为3个等级：一级道路、
二级道路和游步道。一级道路是结合自然景观的
游览路线，需尽量形成环状交通系统。即便无法
成环，也需要满足连接景区各个出入口的功能，
具有较强的指向性和引导性，不仅满足游人的观
光游赏需求，还应满足景区消防、维护等要求。
二级道路承担分散游人进入各景区然后再深入到
各景区内的功能，对景区内自然人文景点与建筑
起到联系作用。游步道是风景区道路系统分支的
末梢，一般是为游人提供游赏、休息、散步等功
能的曲幽小径，是到达各具体空间场所的路径。
由于游步道规划自由度较高，因此本文暂不做
深究。
一级道路连接一级景点，二级道路连接二级
景点，生态敏感保护区根据具体开发程度，通过
控制人流的接触达到保护的目的。根据每个景观
节点的特性，考虑道路系统的连接必要条件，做
出道路节点的连接图(图5)。
3.4 基于Rhino+GH平台使用Dijkstra算法生成
道路选线
Dijkstra算法是解决最短路径问题的经典算
法，是按路径长度递增的次序来产生最短路径的
算法[9]。它可以出指定节点到其他各个节点间
的最短路径，其主要算法是首先从源点求出长度
最短的一条路径，然后通过路径长度迭代得到从
源点到其他各目标节点的最短路径[10]。
使用Rhino+GH平台的运算器编写生成最短
路径的“程序包”，其内容包括输入环节、计算图3 不规则三角网(TIN)模型
图4 景观资源统计
图5 道路节点连接图
3
45
80中国园林 /2021年 / 第37卷 / 第3期
环节和生成环节3个部分(图6)。
输入环节是对现有的场地基础资料及设计限
制条件的归纳和总结，然后将其整理为图形或文
字数据，以备计算环节使用。最短路径算法的输
入环节分为现状地形、用地类型、道路节点和纵
坡值等内容。现状地形根据前文的TIN方法生成
数字模型，作为道路选线的基础数据；用地类型
可以判断道路可建设范围的红线位置，避开生态
保护区等区域；道路节点是路网规划必须经过的
节点，起到定位与连接的作用；最大纵坡值可以
控制生成道路的坡度范围。拟定该项目的一级道
路最大纵坡值为15%，二级道路的最大纵坡值
为20%。
计算环节是利用相关数学算法，将输入环
节的数据进行处理，生成相应的结果。计算环节
主要用到的是区域筛选算法和Dijkstra算法，区
域筛选算法可以使用现状地形、用地属性和最
大坡度值等数据，计算出可建设道路的区域。
Dijkstra算法是在建设道路区域内，使用TIN模
型，在道路节点的基础上生成满足预设条件的最
短路径。
输出环节是道路选线工作流输出的可视化结
果(图7)，方便后续查验，进行方案优选。在生
成最短路径的过程中，如果场地现状坡度过大、
路径最大纵坡值设置较小，会出现路径无法生成
的情况。为解决此问题，将坡度较大区域的道路
纵坡值适当增大，确保路径多数情况下可以生
成。为提高路径的精确度，可控制超过最大纵坡
值的路径长度小于总路径长度的5%(可通过参数
实时调整)。
3.5 使用遗传算法优化道路选线
由于Dijkstra计算出的参考路径在其形态上
忽略了道路设计标准，因此将其作为道路设计的
参考会产生较大误差。为了有效降低误差，使用
遗传算法在参考路径的基础上对道路的转弯半径
进行精准优化。
本文研究的项目地势较为复杂，为保证安
全行驶，根据风景区道路极限平曲线现行规范值
(表2)，将一级道路的设计时速控制为40km/h，最小半径规范值r不低于55m；二级道路的设计时速控制为30km/h，最小半径规范值r不低于30m。
道路优化路径是在上文计算出的最短路径上随机提取i个点，i点集合的空间位置记作k，并将图6 最短路径“程序包”运算器
图7 生成最短路径道路网
图8 道路拟合原理
图9 道路转弯半径优化原理
6
7
8
9
81
中国园林 /2021年 / 第37卷 / 第3期
i个点使用Polyline多段线依次连接，生成新的拟
合路径(图8)。拟合路径与最短路径的相似程度S
随着i和k的值的改变而改变。相似程度S值是在
拟合路径上均匀地选取密集度较为合理的点记作
P i，再计算点P i到参考路径的最短距离L s，将L s
累加再除以i值，所得S值越小，相似程度越高。
根据优化路径可以快速计算出每个路径转折
点的角度。如图9选取点C作为一个节点进行说
明，为确保每个转折点都能满足道路极限平曲线
现行规范值，须满足以下公式：
式中，L BC为B点到C点的距离；L BH为B点
到H点的距离；L FC为F点到C点的距离；r为道路
最小转弯半径值；θb为BA与BC夹角的一半；
θc为CB与CD夹角的一半。
道路优化目标是在满足极限最小半径规范值
要求的前提下，使拟合路径与最短路径的相似程度
达到最高。使用遗传算法优化路径的原理如图10
所示，根据该原理连接运算器组(图11)。
单独选取项目中间区位的一条二级道路作为
优化示例，便于清晰说明路线的优化效果。根据
图11运算器组，首先需要对遗传算法运算器的
参数进行设置，通过设置初始父代个体数量、繁
殖代数及新一代中父代数量的保留率等参数，控
制遗传算法的优化精度(图12)。依此参数，对道
路进行自动优化，其优化前后的道路线型对比如
图13所示。使用相同方法，对场地内所有道路
进行自动优化，最终得出计算结果(图14)。
为探究不同条件下的道路选线结果的可靠程
度，在研究项目的基础上多设2组对比条件，通
过修改初始条件来影响道路的选线结果(表2)。
第一组道路条件：一级道路的设计时速控
制为30km/h，道路极限最小半径规范值r不低于
30m，最大纵坡值为20%；二级道路的设计时
速控制为20km/h，道路极限最小半径规范值r不
低于20m，最大纵坡值为30%。
第二组道路条件：一级道路的设计时速控
制为20km/h，道路极限最小半径规范值r不低于
15m，最大纵坡值为25%；二级道路的设计时速控制为20km/h，道路极限最小半径规范值r不低于15m，最大纵坡值为35%。选线测试结果如图15所示。
通过参数化辅助选线方式生成的路网，绝大表2 风景区道路极限平曲线现行规范值
[5]
图10 遗传算法优化路径原理
图11 优化路径运算器连接图
10
11
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议