1 应用背景
信息技术的应用已涉及到了包括城市规划与设计在内的每一个科学领域。对于城市规划和设计领域，信息技术的应用到底会发展成什么形式？是辅助设计的手段，是一种更新的表现方式，是决策支持的工具，还是信息整合对外公示的平台？
在城市规划领域中，传统的二维GIS应用取得了可喜的成果，但城市规划的主要研究内容和对象为各城市要素所形成的多维城市空间，现实的多维环境很难获得二维的准确表达，二维工具也难以满足在多维动态下进行空间分析和决策的要求。
利用先进的虚拟现实仿真技术，可最大限度的还原城市现状模型，并嵌合未来的规划方案三维模型，直观的模拟出规划实施后的城市景观。还可以叠合各种专业空间分析的可视化数据结果。形成一个数据科学、信息全面、表达直观的综合信息可视化平台及三维数据库。这将服务于规划设计师、规划管理者、决策者和公众，打破专业与非专业的界限，进行最直观的决策、指挥和交互沟通。
以往由于三维仿真系统的硬件设备成本高；虚拟现实处理城市级别的海量数据的技术、景观的数据采集和模型建造方法不成熟、信息化程度不高等原因，导致虚拟现实系统不能在规划中得到真正的应用和实施。
对于城市规划管理而言，具体的需求可分为以下几个方向。
2 城市规划管理中基于虚拟现实技术的几个需求方向
2.1 直观的规划展示——城市数字沙盘
规划部门日常工作是集汇报、展示、决策于一体的综合应用系统。尤其是对于城市建设重要区域的规划管理，现有展示工具容易造成展示不及时、不全面、失真、决策风险较高、异地招商推广难等实际问题。需要有一种在规划的工作中不断积累城市规划信息资源，不断扩展城市信息，为建设更完善的城市展示做日常积累。
需要通过软件系统的展示模块、决策模块、数据管理维护模块等进行展示。采用可移动的解决方案。能利用简单的PC计算机、笔记本电脑、普通的投影等硬件集成，如果利用沉浸式的大型展示设备进行展示效果更佳。
最终形成可自主更新的、可随时随地、可进行大型长期展示的三维数字沙盘。而目前的主要展示工具沙盘模型存在诸多问题都迫切的需要解决。需要一种新型的“沙盘”。
2.2 直观快速的汇报——城市规划辅助决策工具
在传统的规划设计方案汇报工具：效果图、动画片、沙盘模型等都具有某些方面的不足和弊端，而且有的工具成本高，修改、维护极为不便。例如：效果图虽然成本低、效果好，但失真（效果经过了艺术化、没有真实周边环境的参照，且观察视角受限制）；动画片虽然增加了观看视角但成本高、修改不方便；沙盘模型直观但无法从真实的人视角进行观察，而且有修改麻烦、不容易保养、浪费空间、运输不方便等诸多弊端。数字沙盘还可进行实时的测量、编辑、切换方案等。
而目前的规划管理工作需要一种能解决以上传统汇报工具弊端，并能将传统工具优势保留且融为一体的汇报工具。
2.3 城市规划管理的关键依据——三维数据库的建设和积累
城市三维数据库很类似现在GIS的二维数据库，包含城市立面信息、城市立面位置信息、城市三维空间信息、城市元素（建筑、道路、景观、公共设施、绿化等）属性信息、规划信息等等。基于三维数据库可以实现三维方案评审、三维的规划设计、基于现状的规划决策、规划展示、规划汇报、招商等应用。
3 城市规划中对虚拟现实技术平台的要求——VR CITY数字城市系统简介
基于城市规划管理的需求同样也对系统平台提出了众多的要求。归纳出来大致可分为以下几个方面：
3.1 海量数据快速高度
系统包含纹理、三维模型、建筑属性信息等数据，对于城市级别的海量数据处理必须用一套新的技术三维场景进行处理。为保证系统快速处理高精度海量数据和稳定流畅的运行，系统采用了多精度场景调度技术。
而目前较为合理的多精度场景调度技术是最佳的选择：
此项技术可以保证系统快速处理海量数据，其原理是将10GB、100GB甚至TB级别的三维数据进行分级加载、释放，系统漫游中自动能够看到三维场景进行的自动的加载，将看不到的部分自动从系统中释放，以此来保证系统流畅、海量数据快速处理和快速观看（漫游）。
对于城市级别的三维城市仿真系统，按照场景中对象是自然对象为地形和人工建造的三维对象，可以把地形分成两个部分：原始自然地形（主要指平原、高地、山脉等）、人造建筑物（房屋、桥梁、公路等）。其中原始自然地形，由USGS DEM（Digital Elevation Model）以及卫片数据两种原始地形数据，通过专业地形处理软件所生成；而人造建筑物是在三维建模软件中，通过人工方式建模生成。对于一个城市级别的三维仿真系统，以上两种数据总量可能会在10GB甚至100GB以上（包括模型和贴图两部分），针对这一情况，我们分别针对地形模型和地表建筑物模型，开发出两套对应的多精度场景模型高度算法。
多精度场景模型调度技术在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型。与原模型相比，每个模型均保留了一定层次的细节。在绘制时，根据不同的标准准选择适当的层次模型来表示物体。多精度场景模型调度技术具有广泛的应用领域。目前在实时图像通信、交互式可视化、虚拟现实、地形表示、飞行模拟、碰撞检测、限时图形绘制等领域都得到了应用，已经成为一项关键技术。
恰当地选择细节层次模型能在不损失图形细节的条件下加速场景显示，提高系统的响应能力。设计过程中，我们从以下几方面选择设置多精度场景模型调度的策略：一是侧重于去掉那些不需要用图形显示硬件绘制的细节；二是去掉那些无法用图形硬件绘制的细节，如基于距离和物体尺寸标准的方法；三是去掉那些人类视觉觉察不到的细节，发基于偏心率，视野深度，运动速度等标准的方法。
3.2 大场景支持
对于三维数字城市的制作，面积都在几百平方公里乃至上千平方公里以上，中型城市建筑密集区域一般都在近千平方公里的级别。为实现在大场景中的快速漫游、缩放、检索，系统基于纹理压缩、多精度场景调度等技术解决了以上问题。
实现了在城市三维场景的漫游和直观显示。利用先进的纹理压缩技术，系统可以在保证纹理精度的情况下实现快速的超级缩放——由观看整个城市的视角快速的“走近”一座高精度的建筑、桥梁、景观等，方便对城市的研究分析。
3.3 软件基本功能
1) 手动漫游
在三维状态下，通过鼠标可以实现：前进、后退、左转、右转、左平移、右平移、上升、下降、仰视、俯视等一系列的视点操作，方便灵活。并支持多种输入设备；
2) 自动浏览及切换
提供自动漫游路径，自动漫游如同动一影片，观察点沿预先设定好的路径进行游走。在此模式下不能进行自主操作控制。自动漫游模式可以通过路径的科学设置更有逻辑和条理地引领观察者来浏览城市及方案。观察者可随时选择退出自动漫游模式，视点停留在该片进行自主漫游；
3) 视角切换
系统可以提供任意个关键视点（景点），用户可以方便的通过导航系统或快捷键，实现快速的位置切换，位置是预先设定好的景点视角；
4) 场景录制
有静态图片和动态视频两种录制方式。静态图片（BMP或TGA格式）录制；动态视频录制分为两种：1、自动路径录制，系统可以自动的将预先设定好的漫游路径，录制成标准动画序列；2、手动漫游录制，可以将手动漫游的路线录制成动画序列；
5) 属性查询
点击任意建筑物、道路等系统均会自动从数据库中调出相应信息供用户查阅，而且通过后台功能用户可以修改、添加、删除信息；
6) 特效
包括球天、雾、动态水纹理、动态植物（SpeedTree）的显示。
3.4 三维空间分析功能
1) 方案切换
将预先设定好的多种设计方案在系统中（城市现状中、规划方案中）进行实时的切换，针对不同的方案可以进行多视点、多角度的观察。在规划方案上，能提供不同方案的快速切换并通过交互的调整获得合理方案，提供决策支持功能；
2) 方案编辑
可以方便快速在三维场景中调整目标建筑物的高度、大小、位置、角度。以来获取最佳方案；
3) 测量功能
基于三维的量算分析功能，包括距离量算（两点之间的直线距离或空间直线距离）、房高量算、面积量算；
4) 日照分析
针对某一区域进行日照分析，并可以输出相应的顶视图，并输出相应建筑物的日照时间表，低于一个小时的将用红色显示；
5) 水淹分析
进行洪水淹没分析；
6) 通视分析
计算空间中的两个点是否可见；
7) 剖面观察
对场景进行纵剖面和横剖面的观察；
8) 地形分析
在DEM数据之上进行的三维分析，包括坡度/坡向分析、土方量分析、地形合并分析、地形平整等；
9) 其他功能根据需求定制
3.5 三维场景建造
在大范围内，通过海量三维数据快速创建建筑物，生成虚拟的城市三维景观；要以按用户的需求快速生成简单三维模型体块，并对其表面贴图和颜色修改；简单易用的地形模型生成向导，地形数据支持多幅DEM和多张高精度、高清晰正射影像的同时引入及叠加；根据实体的数据库属性参数创建相应的三维模型；三维注释的生成；采用纹理压缩技术，在能够保证影像分辨率精细的情况下（对于影像压缩分辨率，用户可自由设置参数），极大降低场景数据文件的数据量；能分块建立、动态更新三维模型库及三维场景；随时追加和修改三维模型及三维场景，在三维场景扩充时，可以达到场景色调及光影的完全融合。
3.6 DEM/DOM的三维化
此部分数据通过大数据量快速计算生成，可生成城市及周边高精度模型和高清晰纹理的三维地形模型，实现了三维状态下进行实时互动、快速的漫游。
3.7 SHP数据的处理
依据资料：SHP数据及其附带层信息，自动生成了城市建筑物的三维无纹理体块。并可以结合城市三维地形进行实时互动的漫游。还可以根据原有地块信息将不同的地块进行隐藏/显示。
3.8 城市三维场景的建造
城市三维场景的建造必须包含的元素：建筑、道路、路灯、绿化、景观小品、广告牌等，一般通过城市三维数据、色彩采集测量——数据整理——任务分配——模型制作——纹理制作——模型渲染——纹理优化——场景导出——场景合成等一系列的工作。并且可以保证城市三维模型可以进行实时的快速的漫游，而且可以在三维状态下进行实时的测量、方案比对、方案调整等三维空间分析功能。
3.9 与二维GIS的结合
通过基础地理信息库和三维空间库的映射编码映射管理和地理坐标关系，实现二维和三维业务系统的切换和联运。
3.10 系统自主维护
通过后台管理界面，用户可以将依据规范搭建好的三维数字模型，方便的添加到数据库中，并可以实现快速的浏览。属性信息同样可以通过后台管理界面进行添加、删除、更新。
3.11 多硬件环境的应用
系统必须通过相应的模式或分块下载实现在：移动计算机、普通台式机、图形工作站等硬件平台上的快速流畅的运行。
3.12 渲染式展示环境
为了更好的进行招商和公众展示，并发挥虚拟现实技术的优势，系统必须能匹配多种沉浸式环境供用户浏览。例如：多屏并列同步播放，多屏弧幕播放，多屏折幕播放，环幕播放，多屏立体播放等。
4 虚拟现实技术在规划中应用的长远意义——系统建设带来的附加收益
1) 城市规划展览馆：三维场景经过优化还可以用于城市宣传影片、多媒体、互动游戏的制作，节约成本，加快进度；
2) 城市远景规划：系统伴随规划建立起来的完整的三维数字城市数据库可服务于以后城市规划设计，为其提供信息全面的设计基础，提升城市设计质量；
3) 可扩展应用：系统基于三维数字模型和系统核心可向其他方向应用成为：城市景观与城市形象规划管理。（城市历史风貌与建筑保护管理；城市道路与交通管理；城市地下空间开发管理；城市防震减灾规划及管理；城市旅游导游系统）；
4) VR CITY数字城市系统可根据城市现状、发展趋势和潜在能力等综合因素，通过预测模型展现可能的发展前景，以辅助城市中长期规划和宏观调控、解决城市空间动态演变、城市环境体系评估分析、城市可持续性发展、城市用地发展方向和用地增值等复杂问题。并可成为提升城市竞争力的有力支撑。真正意义的实现了匹配城市规划建设，适应未来城市发展。
网友评论：文明上网理性发言，请遵守新闻评论服务协议
请先登录，再做评论
