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实施乡村振兴战略是党的十九大做出的重大战略决策部署，是促进城乡均衡发展的重要支撑，也是解决新时期社会主要矛盾的必然要求[1]. 从2004年至今，中央1号文件连续17年强调“三农”问题，推进现代农业和新农村建设长期深受党和政府的重视. 现代农业园区是上世纪90年代随着我国现代化建设，在我国特定社会和经济条件下产生的一种农业生产经营模式，目前在农业科技成果转化、示范推广、产业化经营等方面发挥着重要积极作用[2]. 从1994年在北京建成我国第一个现代农业园区至今，我国现代农业园区已经经历了二十多年的发展，形成了生产加工、示范推广、休闲观光等多种特色功能以及“三区、三园、一体、一镇”为代表的多种产业模式，在这期间更有大量研究投入其中并取得了很多科研成果. 在农业园区规划设计方面，目前已经形成了较完备的基础理论体系，以及从任务确定、前期准备、现场调查、规划编制、方案论证到评审认定的设计工作流程，还拥有了较为全面的规划编制大纲[3].
规划设计为农业园区描绘了发展蓝图，是影响项目成败的关键环节，其设计成果的质量将直接决定园区建设工作能否顺利进行. 场地现状资料收集是正式展开规划设计工作的第一步，完备、准确的场地现状资料能辅助规划设计师更合理地规划农业景观、现代农业园区的产业和功能分区. 工欲善其事必先利其器，随着规划设计技术的发展，使用无人机采集现状资料成为一种重要的技术手段. 但是，大多数实践中仅将无人机用于实地照片采集和视频录制，对于价值更大的无人机摄影测量和三维实景建模技术应用不多[4]. 杨国东、王民水总结了国内外三维实景建模技术的应用现状，认为该技术能真实反映地物特征，并且具有可测量、高性价比、高效率的特点[5]. 李彦雪、李复等研究了使用低空无人机影像的三维实景建模技术在乡村景观设计中的应用，认为三维实景建模技术能使乡村景观设计更加高效、直观和精准[6]. 目前三维实景建模技术应用大多基于单一数据源，而基于多源数据融合进行三维实景建模的研究较少.
周灿芳等将GIS技术用于现代农业园区规划设计中，利用基础测绘数据、土地利用规划图等数据和地形、叠加、缓冲区等GIS空间分析手段，对设计场地进行了定量分析，提高了设计成果的可行性和科学性，并为后续研究提供了思路[7]. 现代农业园区的每一棵树，每一条道路，每一个功能分区最终都要建在地面上并服务于社会，其对场地条件都有一些特定的要求，如坡度大小、社会经济规模、可达性等. 若能在规划设计阶段就考虑并验证场地对这些需求的满足情况，能显著提高设计成果的质量. 目前使用消费级无人机进行实景建模的误差已经达到亚米级(小于1 m)，使用专业测绘无人机甚至能重建满足1∶500地形图测绘要求的实景模型，三维实景模型精度远远高于传统设计中使用的基础测绘数据，能够为场地分析提供更高精度的基础空间数据[8]，而且重建后的三维实景模型自带真实的地理空间坐标和地物纹理特征，还可以导入参数化设计工具辅助三维深化设计.
综上所述，现代农业园区在我国农业现代化过程中发挥着十分重要的作用，而规划设计成果是现代农业园区的未来蓝图，深刻影响着园区的良性运转和发展潜力，所以，提高农业园区规划设计成果质量具有极其重要的现实意义. 目前农业园区规划设计有了较完整的基础理论体系，设计过程具有较全面的工作流程和文本大纲，这是经过二十多年总结和验证的有效宝贵经验，但是实际设计工作中却未能及时结合无人机测绘、三维参数化设计等最新研究成果. 本文将针对实现农业园区三维参数化设计的关键技术、设计过程和应用，结合一些工程案例进行研究讨论.
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无人机倾斜摄影测量技术原理是通过采集前、后、左、右和正上方的影像，获取地物不同角度的真实影像信息，再利用无人机姿态测量系统(POS)数据和空中三角测量运算，重建高精度的三维实景模型，如图 1所示.
倾斜摄影测量技术可根据需要生成三维模型、点云模型、数字正射影像图(DOM)、数字地表模型(DSM)等. 目前无人机倾斜摄影测量一般使用固定翼无人机或工业级多旋翼无人机搭载多镜头相机(一般为5个镜头，4个镜头倾斜拍摄，1个镜头垂直方向拍摄)进行影像采集，这两种类型的无人机具有续航时间长、载质量大等特点，适合城市等大范围区域的倾斜影像获取[9]. 但是这两类无人机成本高、操作难度较大，而且飞行前需进行空域申请，在较小区域进行倾斜影像获取的成本较高，而且手续繁琐. 与其相比，消费级无人机具有价格低、质量轻、小巧灵活的特点，而且在非限飞区依规飞行不需要提前进行空域申请，适合对村庄、小区、公园、园区等较小目标区域进行低成本航空影像获取. 针对使用消费级无人机进行倾斜摄影建模，梁石、刘万青进行了专门研究，认为使用消费级无人机进行无控制点倾斜摄影建模的水平和垂直误差都能控制在亚米级[10]. 常见的实景三维重建软件有：Inpho，Pix4Dmapper，ContextCapture等.
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单一数据源建立的三维实景模型局部细节表现质量不高，存在局部纹理变形、物体悬浮、结构错位等现象，而基于多源数据融合建立的模型能大大提高模型质量和纹理效果[12]，这为进一步提高农业工程设计成果的质量和效率提供了技术支撑，图 2为由倾斜摄影数据重建的三维实景模型与由多源数据融合重建的实景模型对比.
对比后可以直观地发现，图 2(a)模型中树的细节缺失严重，而多源数据融合重建的图 2(b)模型细节完整，更能真实反映地物的实际特征.
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三维激光扫描技术一般是利用脉冲测距法，通过计算激光发射和从目标物体不同位置反射光的时间差，求得扫描仪到目标物体不同位置的距离，简化计算方法公式为
其中，S为所求距离，t为时间差，C为光速.
三维激光扫描测量技术精度远远高于倾斜摄影测量技术，一般可达到厘米级(小于1 cm)精度，但是其设备价格高昂，目前被主要应用在文物保护、古建筑保护、BIM进度检查等领域，三维激光扫描设备见图 3. 在农业园区规划设计中，当遇到密林、室内等区域存在重点设计对象，又无法直接使用无人机采集影像时，可以使用三维激光扫描设备快速扫描场地现状，而且目前主流的实景三维重建软件大都支持三维激光扫描数据，该数据基于相同地理坐标与倾斜摄影数据融合.
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由于树冠、房顶等的遮挡或地面物体太小，有时候无人机采集不到地物的下部细节影像，如树木树干、建筑物门面、廊架底部等，此时就需要通过地面摄影来补充地面影像数据. 地面摄影可使用云台搭配手机、单反、微单等设备，地面摄影获取的影像要与无人机获取的影像有一定重叠范围，并根据分辨率和焦距来计算拍摄距离[12]. 地面拍摄时要关闭自动美颜、电子防抖、电子变焦、闪光灯等辅助功能，拍摄时要保证相邻之间照片的重叠度在60%以上，夹角小于15度，同一地物特征要至少在3张照片中被拍到，且每张照片到被摄物体的距离保持一致，图 4为等距离环绕拍摄. 若需要采集地物的更多细节，可不同距离多层拍摄被摄物体，但每层间的距离不能太远，见图 5. 目前主流的实景三维重建软件同样支持地面摄影数据与倾斜摄影数据的融合.
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参数化设计的理论来自数学和计算机图形学，最早应用在制造加工业中，近些年来在建筑信息模型(BIM)、绿色建筑设计、园林景观设计、城市规划等领域也有了较成熟的应用. 该设计方法是在计算机中将工程本身以函数和过程的形式编写，记录概念模型构建方法和过程，以实现不同条件下的自动化设计过程，如图 6所示. 参数化设计也可被称作关联设计，是一种通过参数和一系列规则来自动完成设计的过程. 现在常见的参数化设计平台有Rhino+Grasshopper，Revit+Dynamo，Bentley系列等.
1.1. 无人机倾斜摄影测量技术[9-10]
1.2. 多源数据融合的三维实景建模技术[11]
1.2.1. 三维激光扫描数据与倾斜摄影数据的融合
1.2.2. 地面摄影数据与倾斜摄影数据的融合
1.3. 三维参数化设计工具[13]
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经重建后的实景三维模型带有设计场地真实的纹理特征和空间数据，但是由于数据结构和文件格式不同，其空间数据一般不能直接用于三维参数化设计工具构建原始参数化模型. 经过深入研究，笔者发现目前主流的实景三维重建软件大都能输出TIFF格式的数字正射影像图(DOM)和数字地表模型(DSM)，而且GIS平台大都能提取TIFF格式的基础空间数据，并将其转化为其他空间数据格式. 经过一段时间的研究试验，笔者终于找到了一种能完整、准确地构建原始参数模型的方法，其主要步骤如下：
首先，使用实景三维建模软件进行模型重建，设置地理参考系，并基于实景三维模型生产出同一参考系下的DSM数据文件. 然后将软件生产的DSM数据导入ArcGIS中，重建为不规则三角网(TIN)模型，如图 7(a)所示. 其次，基于同一参考系，提取TIN模型三角网格结点，并将提取出的TIN结点数据导出为.txt点文件，如图 7(b)所示，以便作为基础空间数据导入参数化设计平台生成原始参数化模型.
目前主流的三维参数化设计工具，如Rhino，Revit，Microstation等，一般都支持导入.txt格式的点文件. 图 8(a)即为在Rhino中由上述.txt格式的点文件重建的点模型，图 8(b)为在Rhino中使用Grasshopper参数化工具，重建的原始参数化模型和参数化构建过程.
点是空间中最小的元素，经过GIS平台转化成点文件的实景三维模型空间数据，能保留空间数据的精度和完整性，而且具有与原数据相同的空间参考系，能保证整个后续设计过程都基于实际的空间位置. 将设计场地高精度的空间数据导入三维参数化工具，规划设计师就可以基于实际的地理坐标，根据设计需要进行一系列参数化分析和方案推敲，如地形分析、日照分析、交通规划、建筑设计等.
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在进行现代农业园区规划设计过程中，要对场地现有资源进行充分了解并加以利用. 实景三维模型不仅记录了设计场地真实的空间数据，还保留了设计场地丰富的地物纹理特征. 在设计过程中，若能将实景三维模型与参数化模型进行叠加分析，将大大提高规划设计师对场地的认知程度，提高设计的合理性.
目前主流的参数化平台对实景模型的支持方式不同，Bentley系列软件支持链接.3MX格式的实景模型作为参考，Revit支持.rcs格式的实景模型，Rhino则需要借助Arena4D插件读入.vpc格式的实景模型，而且这些参数化平台都提供了相关的格式转换工具. 图 9为在Rhino中将上文重建的原始参数化模型与实景模型基于同一参考系进行叠加，以观察实景三维模型与三角网格模型吻合情况，由图可见参数模型与实景模型较吻合，这也证明上述原始参数化模型构建方法能保证空间数据的完整性和准确性.
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解决了上述两个关键问题，规划设计师就可以使用三维参数化平台，基于实际的地理坐标，开展现代农业园区三维参数化设计工作. 但是目前三维参数化平台中，专门用于现代农业园区设计的参数化资源很少，本文根据需要构建了一些参数化过程和参数化族，并在项目中进行了应用，能够切实感受到三维参数化设计高效率、高质量、可视化等优势带来的好处. 但是，构建参数化过程和参数化族会消耗大量时间，短期内可能会给规划设计师和企业增加许多时间和成本负担，要想让现代农业园区规划设计效率更高，设计成果更合理，需要行业企业、软件服务商和专家学者共同努力，一起合力将纷繁复杂的类型族、基础理论和工作流程等转化为可供所有人使用的参数化资源库.
从建筑业BIM三维参数化设计在我国的发展历程看，2002年BIM被引入我国工程建设行业，当时面临与农业园区三维参数化设计相似的情况，没有丰富的参数化资源库，严重阻碍了BIM的应用推广. 可是，从2011年起，BIM受到住建部、行业企业和广大专家学者的重视，我国BIM应用得到了从国家主管部门到软件服务商的大力推广，参数化资源库目前已成规模，从可行性分析、规划、设计、审批、施工到运维等建筑全生命周期的各个阶段都有了较深入的BIM研究和应用. 现如今我国建筑业BIM拥有强大的参数化资源支撑，正在向多阶段集成应用发展，并与物联网、大数据、云计算等跨专业技术集成创新，已经进入了应用价值深入挖掘的阶段，目前已有75%以上的建筑业企业正在推广或普及BIM，BIM正在为广大建筑业企业带来了管理变革和效率提升. 与此类似，开源、共享、全面的参数化资源库，能极大为现代农业园区规划设计工作提质增效，对促进现代农业园区发展具有重要积极作用，但是其建立需要行业企业、软件服务商和广大专家学者的共同努力.
2.1. 原始参数化模型构建
2.2. 三维实景模型参考
2.3. 建立参数化资源库[14]
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现代农业园区设计，首先要对园区现状有充分的认识和合理的分析. 现代农业园区场地现状分析作为设计工作的开始，分析结果是否准确也会直接影响设计成果的质量. 三维实景重建技术可根据需要生成三维模型、点云模型、数字正射影像图(DOM)、数字地表模型(DSM)等类型数据，将这些数据经转化后导入参数化设计平台，就可以进行场地现状分析，如坡向分析、日照分析、坡度分析、景观可见性分析、可达性分析、用地适宜性分析等，图 10为坡向分析. 坡向分析对边坡朝向进行三维可视化分析，用8种不同颜色表示北、东北、东等8个朝向，以便于科学布置农田、房屋等. 图 11是模拟日照分析，可以模拟出全年任何一天某个时刻的日照情况，并可以与景观可见性分析、BIM模型等进行三维叠加分析.
三维实景模型的精度较高，通过构建参数化分析过程，规划设计师能够根据项目需要进行可靠的场地现状分析. 多源融合后的三维实景模型更具有细节完整的特点，能更真实还原场地的现状，与传统借助GIS平台与现场勘测资料进行场地现状分析相比，三维参数化设计能够提供精度更高、更加直观的设计过程，有助于规划设计师更全面地了解设计场地实际情况.
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在Grasshopper中构建道路坡度分析参数化过程，实现平面视图中修改道路布局，自动投影到三维参数模型上并分析不同道路布局下的坡度特征，将坡度大于40度的区段以红色突出显示，见图 12，图中红色线段为坡度过大或需要工程处理的路段.
与一般根据实地调研经验或者在GIS平台进行的规划方法相比，三维参数化设计不仅能通过构建参数化分析过程实时实现对规划成果的量化分析和三维可视化，还能让设计师在三维视图中灵活高效地调整和优化方案，而且由三维实景模型重建的参数化模型精度远远高于一般现场勘测资料，三维参数化设计的分析成果更加合理和科学. 另外，三维参数化设计不仅能用于现代农业园区道路规划，其他如土地整治、排灌设施、功能区划等也可以通过构建参数化过程实现.
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在现代农业园区深化设计阶段，设计师需要对重要的建筑、机耕道、排灌设施、景观等进行详细深化设计，传统的设计方法一般是使用CAD在二维图纸上进行设计，使用草图大师、Lumion等进行建模和渲染. 由于在设计开始就采集了场地的实景三维模型，并且基于实景模型数据重建了高精度的三维参数化模型，所以规划设计师可以在参数化工具中借助建筑设计、道路设计、景观设计等专业参数化过程，完成深化设计工作. 以园区建筑设计为例，在项目应用中，笔者使用了两种方式完成园区建筑深化设计工作.
第一种方式，将经参数化设计后的地形导入Revit软件，辅助园区建筑BIM设计，如图 13所示.
第二种方式，在参照了实景三维模型的设计平台上直接进行参数化设计，如图 14即为在Bentley平台中进行园区建筑BIM设计.
这两种方式都能通过软件或软件插件导出建筑施工图和材料表，而且可进行施工模拟，并且与BIM施工管理阶段无缝对接，可直接用于指导后续园区建设. 另外，两种方式都可以进行三维漫游视频和效果图渲染，明显减少了规划设计师重复建模、画图的工作量.
3.1. 在现代农业园区场地现状分析中的应用
3.2. 在现代农业园区道路规划中的应用
3.3. 在现代农业园区深化设计中的应用
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经过对现代农业园区规划设计中实现三维参数化设计进行研究，本文较系统地整理出了现代农业园区三维参数化设计的关键技术和实现过程，并在实际项目中进行了实践应用，现将结论总结如下：
1) 三维实景建模技术能够方便、高效地使用无人机、三维激光扫描设备、手机等采集设计场地的空间信息和地物纹理特征，为农业园区三维参数化设计提供准确、丰富的场地现状资料，其精度和细节远远优于传统规划设计方式，能帮助规划设计师更完整、全面地了解场地现状.
2) 三维实景模型中的空间信息，经过GIS平台转化后，能直接被三维参数化设计工具读入，这为在农业园区设计中采用三维参数化设计方法，以及构建高精度原始参数化模型提供了高精度且可靠的数据保障.
3) 创建高精度原始参数化模型后，规划设计师可以利用三维参数化设计工具，根据设计需要构建参数化过程，对场地条件进行量化分析和方案推敲，并对结果进行三维可视化展示，这为农业园区规划设计提供了更科学理性的设计依据，保证了设计成果的可行性和合理性.
4) 在进行农业园区深化设计时，通过在三维参数化设计工具中调用建筑设计、道路设计、景观设计等其他专业的参数化过程，能够实现所见即所得地深化设计成果，并进行三维漫游视频和效果图渲染，这提高了设计成果的实用性，并减少了规划设计师的重复性工作，提高了设计效率. 在道路、建筑等三维参数化设计应用比较深的专业领域，甚至能实现与园区施工管理阶段的数据无缝对接，这极大提升了现代农业园区规划设计成果的可用性.
5) 目前现代农业园区三维参数化设计方面的专门研究较少，参数化资源库更尚未建成，短期内可能会给规划设计师和行业企业造成额外工作量和成本. 但是，开源、共享、全面的参数化资源库的建立能极大为现代农业园区规划设计工作提质增效，对促进现代农业园区发展具有重要积极作用，其建立需要行业企业、软件服务商和广大专家学者的共同努力.
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