王芬旗，廖佳，王苑楠，朱秋曄

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波 315041)

基于Alatu earth的城市街景仿真輔助審查應(yīng)用研究

王芬旗?，廖佳，王苑楠，朱秋曄

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波 315041)

介紹了城市仿真技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況及意義和Alatu earth在城市仿真領(lǐng)域的應(yīng)用情況。結(jié)合Alatu earth平臺軟件的特點，以寧波“百丈路－聯(lián)豐路城市街景仿真輔助審查平臺”的建設(shè)為例，介紹三維仿真技術(shù)在設(shè)計方案輔助審查方面的應(yīng)用及平臺建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)。

三維仿真；城市街景；輔助審查

1 引 言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)是把存在或不存在的事物，運用計算機技術(shù)，生成一個集視覺、聽覺于一體的虛擬環(huán)境的技術(shù)。用戶通過一定的界面設(shè)備融入這個環(huán)境，在其中漫游，并和這個環(huán)境中的物體以及人物進行交互。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要有多感知性、浸沒感、交互性、構(gòu)想性等特征。城市仿真(UrbanSimulation)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于城市的一種視覺仿真(VisualSimulation VisSim)。

寧波市百丈路－聯(lián)豐路街景改造，可突出寧波城市精華，挖掘文化內(nèi)涵，塑造城市特色，提高城市品質(zhì)和城市綜合競爭力，對發(fā)展商貿(mào)、旅游、文化產(chǎn)業(yè)，改善人居環(huán)境，提高生活水平，建設(shè)和諧社會有重要作用，所以街景改造是一個紛繁復(fù)雜且舉足輕重的工程。但值得一提的是，傳統(tǒng)的街景規(guī)劃與設(shè)計是通過規(guī)劃設(shè)計平面圖、效果圖、沙盤模型來展示規(guī)劃設(shè)計成果的，這些手段在某種程度上只能算是對設(shè)計方案的“包裝”技術(shù)，其共同點是缺乏對方案的動態(tài)模擬、反復(fù)推敲、智能分析。通過“城市街景仿真輔助審查系統(tǒng)”能將各種方案定位于虛擬的三維現(xiàn)實環(huán)境中，用動態(tài)交互的方式對其進行全方位的審視，評價其對現(xiàn)實環(huán)境的影響，并可在虛擬的設(shè)計環(huán)境中感知空間設(shè)計的合理性，降低設(shè)計成本并縮短設(shè)計時間。

三維仿真輔助審查是建設(shè)單位通過城市仿真平臺，將擬建的建(構(gòu))筑物及其他設(shè)施的位置、高度、外觀、空間形態(tài)等要素通過數(shù)據(jù)處理，建立三維仿真模型，從而直觀真實地展示設(shè)計方案的一項新的技術(shù)成果形式，是推進建設(shè)工程設(shè)計方案科學(xué)審查的有效手段。目前試行三維仿真輔助審查的基礎(chǔ)條件已較為完備，城市仿真平臺已投入應(yīng)用，三維數(shù)字地圖已納入基礎(chǔ)范疇，相關(guān)技術(shù)規(guī)程已發(fā)布。

2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

自上世紀(jì)80年代末以來，空間信息三維可視化技術(shù)一直是業(yè)界的研究熱點，尤其是近幾年，國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究呈現(xiàn)出了前所未有壯麗情景。國內(nèi)外科研機構(gòu)和企業(yè)紛紛認(rèn)準(zhǔn)了三維空間技術(shù)的良好發(fā)展勢頭，進行了跨學(xué)科、跨領(lǐng)域合作研究和三維技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了一批各具特色的優(yōu)秀產(chǎn)品。美國率先推出了備受認(rèn)可的 Google Earth、Skyline、Virtual Earth、World Wind、ArcGIS Explorer等軟件。

2.2 國外應(yīng)用成功案例

最為著名的城市仿真項目是虛擬洛杉磯(Virtual Angeles)，它是美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCIA)始于1994年的一個科研與運用相結(jié)合的項目，計劃覆蓋面積超過1萬平方英里(25 900 km2)今城市仿真系統(tǒng)中最成功最為復(fù)雜的系統(tǒng)。視景包括從洛杉磯盆地的衛(wèi)星影像到街道景觀，精確到植物、建筑物的窗口、外墻的紋理等。其中洛杉磯大學(xué)醫(yī)院的仿真詳細到可以對建筑內(nèi)部的每一個層面進行漫游，用鼠標(biāo)點擊墻面或天花板就能得到平面設(shè)計圖及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實時查詢。該系統(tǒng)作為城市規(guī)劃和建設(shè)的重要手段，在加州Pico Union區(qū)地震破壞的重建中得到應(yīng)用。設(shè)計人員通過仿真模型和地理信息數(shù)據(jù)來確定毀壞的建筑物數(shù)量以及需要改造的街道、綠地、房屋等，對重建城區(qū)進行規(guī)劃設(shè)計，再將新數(shù)據(jù)存入該系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息系統(tǒng)的良性循環(huán)。

2.3 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年，由于政府對空間信息產(chǎn)業(yè)的重視，加大投入以及優(yōu)秀人才的參與，國內(nèi)空間信息技術(shù)取得了長足的進步。國內(nèi)企業(yè)順勢推出的EV－Globe、GeoGlobe等優(yōu)秀產(chǎn)品，雖然起步較晚，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框架還不太完整，在海量數(shù)據(jù)處理能力、三維建模、三維分析、跨平臺通信、二次開發(fā)支持等方面，相比國外軟件也有一定的差距。但是，國產(chǎn)軟件基于國內(nèi)客戶需求而研發(fā)的先天性，提供的空間信息化解決方案可能更適合國內(nèi)客戶；再者，國產(chǎn)三維地理信息軟件具有更高的安全性，不僅適合國內(nèi)大型企業(yè)、單位應(yīng)用，而且能更方便地為各行業(yè)的特定需求開發(fā)提供底層技術(shù)支持，擴展性能更為強大；此外，國產(chǎn)三維軟件在海量數(shù)據(jù)的快速瀏覽、矢量數(shù)據(jù)的查詢和分析等功能方面也逐步增強，甚至顯現(xiàn)出優(yōu)于國外軟件的趨勢。另外，較高的性價比也是國產(chǎn)軟件最為明顯的優(yōu)勢之一。

3 三維仿真技術(shù)輔助審查應(yīng)用分析

3.1 Alatu earth平臺功能簡介及應(yīng)用情況

(1)Alatu earth平臺功能簡介

Alatu earth提供海量三維數(shù)據(jù)的瀏覽和管理，在全球、城市、街區(qū)、室內(nèi)進行連續(xù)、實時和平滑瀏覽，支持運動物體，模擬飛機、汽車、輪船等多種方式進行場景瀏覽，模擬真人在場景中走、跑、跳等，模擬真實視角直觀分析。

圖1 同視角聯(lián)動觀察

Alatu earth還提供圖層、場景控制、同視角關(guān)聯(lián)功能，目前可將IE瀏覽器拆分為兩個窗口，可用于兩方案的聯(lián)動觀察。在虛擬環(huán)境中同視角關(guān)聯(lián)，通過人視、頂視等各個角度和高度對設(shè)計方案模型與現(xiàn)狀模型進行同步觀察，可以方便設(shè)計者發(fā)現(xiàn)方案的缺陷。同時更加關(guān)注設(shè)計方案的形態(tài)、色彩、空間關(guān)系等要素，可以幫助決策者選擇最適合的方案。通過三維仿真，將規(guī)劃設(shè)想與現(xiàn)狀建設(shè)情況加以糅合，形成虛擬現(xiàn)實的直觀判斷，通過多方案比較最終選取了與現(xiàn)狀情況結(jié)合最好，各方綜合效益能達成綜合平衡的方案加以深化。設(shè)計方案模型與現(xiàn)狀模型的同視角聯(lián)動觀察實例如圖1所示。

(2)Alatu earth平臺應(yīng)用情況

寧波市測繪設(shè)計研究院已將Alatu earth平臺應(yīng)用于溫州濱海區(qū)、慈溪市、寧?？h、鄞州區(qū)中心城區(qū)等地的三維數(shù)字地圖建設(shè)；同時已將Alatu earth平臺應(yīng)用于城市仿真輔助審查系統(tǒng)的建設(shè)，如百丈路－聯(lián)豐路城市街景輔助審查系統(tǒng)的建設(shè)。

3.2 城市街景仿真輔助審查的意義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能為創(chuàng)建和體驗城市街景提供強有力的支持。通過在計算機上建立的虛擬城市街景系統(tǒng)，設(shè)計者可以構(gòu)建多種視角身臨其境地感受設(shè)計方案:在虛擬街景上漫步，步移景異；或驅(qū)車在街道上飛馳，感受城市的輪廓線；甚至飛過城市的上空，俯瞰全城，還可觀察城市的天際線。

街景是以建筑為硬環(huán)境，綠化為軟環(huán)境，道路為景觀網(wǎng)絡(luò)，小品為景觀節(jié)點，需多方考慮、各專業(yè)人員協(xié)同設(shè)計。街景改造的進行要以人為本，注重布局，強調(diào)細節(jié)，因地制宜。“城市街景仿真輔助審查系統(tǒng)”的信息高度集成，將不同的建筑手法、綠化立意、道路景觀、材質(zhì)肌理、小品特色等有機的整合在一起。決策者在系統(tǒng)中，可以真實的看到街景設(shè)計方案的效果，把握街景改造對整個城市形態(tài)的改變。在漫游過程中對建筑、環(huán)境、道路、廣場等設(shè)計要素進行推敲和方案調(diào)整。這一切都是在人們習(xí)慣的三維空間中實時實現(xiàn)的，沉浸在創(chuàng)作中的設(shè)計者其思維將不再被長時間的等待所打斷，創(chuàng)造力和靈感也將被激發(fā)。三維仿真技術(shù)形象直觀，為專業(yè)人士和非專業(yè)人士之間提供了溝通的渠道，公眾也可以查詢方案設(shè)計成果，本著公眾參與的原則，他們甚至可以就方案設(shè)計提出建議，在街景整治中形成一個反饋機制，有效地幫助有關(guān)部門進行決策。

4 三維仿真輔助審查平臺建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 城市地理模型

城市地理模型指城市建筑、道路、水系、橋梁、植被、小品等精細模型。大量城市地理模型的實景模型真實的反應(yīng)了街道兩邊的建筑景觀。三維模型基底位置與1∶500數(shù)字線劃圖平面位置保持同精度，即一類地物點平面中誤差不大于±5 cm，模型上其他特征點利用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)采集的矢量數(shù)據(jù)制作，其平面定位精度點位中誤差不大于±25 cm，高程精度以原始立體像對采集的矢量線精度為準(zhǔn)，高程中誤差不大于±30 cm。建成實例如圖2所示。

圖2 城市地理模型

4.2 建筑體塊模型

建筑體塊模型利用1∶500和1∶1 000兩種比例尺數(shù)字地形圖建成，地形圖數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)采用寧波市獨立坐標(biāo)系，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)，1∶500和1∶1 000數(shù)字地形圖中的建筑位置平面中誤差分別不超過7.5 cm和12 cm，建筑體塊模型數(shù)據(jù)庫平面精度保持與源數(shù)據(jù)庫一致。建筑體塊模型的高度取建筑層數(shù)與固定層高3m的乘積，能大體反映建筑的體量，并且可總體反映百丈路－聯(lián)豐路街道兩側(cè)建筑分布情況。建成實例如圖3所示。

圖3 建筑體塊模型

4.3 地形地貌模型

主要利用數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像生成，采用1∶50 000、1∶10 000、1∶2 000三種比例尺 DEM和DOM數(shù)據(jù)，平面坐標(biāo)系采用寧波市獨立坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)，其具體指標(biāo)如表1所示。

不同尺度三維地形地貌模型的數(shù)據(jù)指標(biāo) 表1

地形地貌數(shù)據(jù)庫可以展現(xiàn)真實的三維地理環(huán)境，建成實例如圖4所示。

圖4 地形地貌模型

4.4 設(shè)計方案模型

設(shè)計方案模型包括了建筑、植被、小品等設(shè)計方案的精細模型。筆者在街景改造方案CAD平面圖的基礎(chǔ)上，運用3ds Max建立起三維街景模型，主要包括道路、橋梁、公交綜合體、城市小品、行樹、路燈、路牌、指示牌、公共設(shè)施等精細模型，根據(jù)方案圖和設(shè)計要求設(shè)計出貼圖紋理，對方案模型進行貼圖，然后再進行模型的光影烘焙，以達到逼真的效果。城市街景仿真展示如圖5所示。

圖5 設(shè)計方案模型

5 結(jié) 語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為城市規(guī)劃和設(shè)計的新方法，在國內(nèi)已得到一定的應(yīng)用。雖與國外某些發(fā)達國家相比還有一定的差距，但已引起我國政府有關(guān)部門的高度重視。未來的城市仿真技術(shù)主要的發(fā)展動向是城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、城市景觀設(shè)計等。故在吸取國外先進經(jīng)驗的同時，結(jié)合中國具體國情和政策，做出更多精品三維仿真輔助審查系統(tǒng)。

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Esri中國用戶大會召開 理解世界 分享價值

(本刊訊)2011年3月，地理信息產(chǎn)業(yè)寫入政府報告，半年后國家測繪局更名為國家測繪地理信息局，中國地理信息產(chǎn)業(yè)進入飛躍期，預(yù)計未來10年，地理信息產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將保持25%以上的年均增長率，到2020年形成一萬億元的年產(chǎn)值，是2010年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值1000億的10倍。

2011年9月27日，主題為“GIS——Understanding Our World”(GIS，理解我們的世界)的第九屆Esri中國用戶大會在北京國際會議中心召開。這是Esri規(guī)模僅次于全球用戶大會的盛會。國家測繪地理信息局副局長李朋德、國家基礎(chǔ)地理信息中心主任李志剛、國際歐亞科學(xué)院院士何建邦等領(lǐng)導(dǎo)和專家以及近6000名國內(nèi)地理信息產(chǎn)業(yè)管理、科研、開發(fā)、應(yīng)用工作者匯聚一堂，共同探討GIS技術(shù)發(fā)展方向，分享GIS應(yīng)用經(jīng)驗。

國家測繪地理信息局副局長李朋德在開幕式上表示:“地理信息涉及國家安全，涉及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，涉及社會穩(wěn)定，各行各業(yè)都需要地理信息的支撐。國家測繪地理信息局為此也擬定了今后五年甚至更遠時間的新戰(zhàn)略，即:構(gòu)建‘?dāng)?shù)字中國’、監(jiān)測地理國情、發(fā)展壯大產(chǎn)業(yè)，建設(shè)測繪強國。這新的二十四字方針，指明了今后地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。這期間，期望有更多的優(yōu)秀企業(yè)提供更多、更好的服務(wù)?！?/p>

Esri中國(北京)有限公司總裁何寧向與會者介紹了ArcGIS在西安世園會、深圳大運會等重大社會活動中的應(yīng)用，以及地理信息應(yīng)急快速制圖系統(tǒng)、有害生物監(jiān)測預(yù)警GIS系統(tǒng)、長城資源信息系統(tǒng)等數(shù)十個國家級和省級重點項目的實施成果。同時，他宣布由戰(zhàn)略合作伙伴北京捷泰科技有限公司創(chuàng)建的ArcGISOnline.cn正式上線。這是面向中國用戶的一站式GIS應(yīng)用環(huán)境和免費在線地圖服務(wù)。該服務(wù)基于Esri云GIS技術(shù)架構(gòu)搭建而成，依托豐富充實的數(shù)據(jù)源，向中國GIS用戶提供多版本的在線中國地圖和多種專業(yè)應(yīng)用服務(wù)。同時，全球GIS用戶也可以在ArcGIS.com的云環(huán)境中調(diào)用該地圖服務(wù)，使用符合中國規(guī)范的地理數(shù)據(jù)。

據(jù)Esri中國(北京)有限公司CTO王昊先生介紹，Esri是全球迄今為止唯一一家在Internet上提供真正云GIS服務(wù)的公司。在全球范圍內(nèi)，Esri與亞馬遜、IBM、微軟、思科等建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并進行了深入的技術(shù)合作與整合，使得Esri在云GIS技術(shù)及其產(chǎn)品化方面，始終引領(lǐng)著世界GIS潮流。當(dāng)前，Esri已將公有云GIS、私有云GIS以及面向企業(yè)和組織機構(gòu)的云GIS解決方案云＋端落地；Esri正在與國家級的多個超級計算中心合作，進行產(chǎn)品級云GIS部署測試，進展順利。

本屆大會還舉辦了數(shù)十場技術(shù)講座，包括云計算、Web和移動端、遙感技術(shù)與應(yīng)用、ArcGIS三維等前沿技術(shù)，詳細精彩的行業(yè)研討更是覆蓋了諸多行業(yè)，如:測繪、環(huán)保、氣象、交通、石油、水利、數(shù)字城市等。此外，還有炫彩的動手體驗區(qū)，用戶可以在獲悉最新技術(shù)熱點的同時，與業(yè)界同行面對面交流，互相學(xué)習(xí)，溝通經(jīng)驗，“分享地理價值”。

(Esri中國(北京)有限公司 劉娟供稿)

Research on Aided Censoring Application of Urban Street Scenery Simulation Based on Alatu Earth System

Wang Fenqi，Liao Jia，Wang Yuannan，Zhu Qiuye
(NingBo Design Research Institute of Surveying and Mapping，NingBo 315041，China)

This paper introduces city simulation technology development and significance，and the application of Alatu Earth System in the field of urban simulation.Combined with the characteristics of Alatu earth System，the application of 3d simulation technology in design aided censoring and key technology of platform construction are described to ningbo Baizhang road－Lianfeng road city street scenery simulation as an example.

3d simulation；Urban street scenery；Aided censoring

2011—03—23

王芬旗(1984—)，男，助理工程師，主要從事三維仿真的制作及應(yīng)用工作。

1672－8262(2011)05－24－04

P208.2，TP391.98

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