程思聰，王 祥

（武漢市勘測設(shè)計研究院，湖北武漢 430022）

支持城市概念設(shè)計的虛擬城市系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

程思聰，王 祥

（武漢市勘測設(shè)計研究院，湖北武漢 430022）

城市概念設(shè)計是城市規(guī)劃的指導思想和理念，面向城市概念設(shè)計的虛擬城市系統(tǒng)可以采用逼真生動的虛擬場景預演其理念特征，幫助設(shè)計師對設(shè)計理念進行正確評估。以四川資陽場景為試驗區(qū)域，設(shè)計了支持城市概念設(shè)計的虛擬城市系統(tǒng)，并構(gòu)建了虛擬城市景觀模型庫。

虛擬城市；景觀模型庫；概念設(shè)計；城市規(guī)劃

隨著GIS和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬城市的研究及應用成為一大熱點。虛擬城市是關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市發(fā)展中的應用，它提供了數(shù)字城市運行所需環(huán)境以及信息表達、交互的界面。虛擬城市的構(gòu)建，為三維環(huán)境下規(guī)劃設(shè)計提供了一個平臺，使得城市規(guī)劃師能在虛擬城市環(huán)境中進行規(guī)劃、決策和城市管理。城市概念設(shè)計是城市規(guī)劃的指導理念和框架構(gòu)想，對城市規(guī)劃的設(shè)計和實施具有前瞻性和指導性的意義。通過虛擬城市系統(tǒng)的建立，使得城市規(guī)劃設(shè)計理念能夠采用逼真生動的場景實現(xiàn)，做到所想即所見，幫助規(guī)劃師對設(shè)計理念進行正確評估。

1 虛擬城市系統(tǒng)的主要內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 虛擬城市系統(tǒng)的主要內(nèi)容

所謂虛擬城市，就是以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運用3S技術(shù)、遙測、仿真－虛擬技術(shù)等對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，用于模擬和表達城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市環(huán)境中的現(xiàn)象和過程。

1.2 虛擬城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

一般而言，利用計算機真實表達現(xiàn)實世界，實現(xiàn)數(shù)字化三維模擬，并在大范圍內(nèi)傳播人們的認知成果，重點需要解決現(xiàn)實世界的抽象、地理要素的表達和成果的使用等三個方面的問題。虛擬城市建設(shè)同樣如此，涉及多種技術(shù)，包括計算機技術(shù)、遙感與測量技術(shù)、3S一體化技術(shù)、三維建模技術(shù)等，具體如下：

1）遙感技術(shù)。在虛擬城市中，建筑物是非常重要的虛擬城市環(huán)境的組成部分。航空影像是建筑物重建的重要數(shù)據(jù)源，數(shù)字攝影測量技術(shù)為三維城市數(shù)據(jù)的獲取提供了最經(jīng)濟快捷的方法。目前，集激光掃描儀、GPS以及慣性導航系統(tǒng)（INS）于一體的LIDAR系統(tǒng)是獲得目標三維信息的一種新型技術(shù)，具有傳統(tǒng)攝影測量無可替代的優(yōu)越性。

2）地理信息系統(tǒng)技術(shù)。地理信息系統(tǒng)（GIS）尤其是三維GIS將實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的快速更新和在分析決策模型支持下，快速完成多維、多元復合處理，實現(xiàn)虛擬城市數(shù)據(jù)庫的分析管理。

3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應用為虛擬城市系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的理論與技術(shù)支撐。當用戶戴上立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，觀測者、操作者和決策者可以進入到數(shù)字化信息的多維城市環(huán)境里面，其感覺的真實性與人在現(xiàn)實城市環(huán)境中類似。

4）實時建模技術(shù)。建模的目的是在計算機系統(tǒng)內(nèi)生成城市三維虛擬環(huán)境，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用三維實時建模技術(shù)建立各種地理實體，如地形、建筑物、道路、水面等在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的模型。

2 虛擬城市景觀模型庫的構(gòu)建

2.1 虛擬城市景觀建模的主要內(nèi)容

虛擬城市景觀建模的基本原理是利用城市實體的空間信息和紋理信息，結(jié)合計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過相應顯示設(shè)備再現(xiàn)城市三維景觀。它由正射影像結(jié)合DEM構(gòu)成三維地形表面，建筑物的幾何模型加紋理構(gòu)成三維建筑物，以及二維影像虛擬建模的植被(森林)與其他地物所組成。在構(gòu)建城市景觀模型過程中包括虛擬地形景觀的建立、建筑物模型的建立及紋理數(shù)據(jù)處理等主要內(nèi)容。

虛擬城市景觀建模根據(jù)不同細節(jié)層次可以分為三個層面：框架模型、標準模型和精細模型?？蚣苣Ｐ捅憩F(xiàn)建模物屋頂及外輪廓的基本特征，標準模型精確反映房屋屋頂及外輪廓基本特征，精細模型精確反映房屋屋頂及外輪廓的詳細特征，包括建筑物紋理特征等，在實際建模中根據(jù)需要構(gòu)建不同層次的景觀模型。

2.2 虛擬城市景觀模型庫的構(gòu)建

城市景觀絕大部分為人工建造，隨著建筑材料、建筑工藝等的不斷發(fā)展，不同時代的建筑物表現(xiàn)了不同的特征。由于建筑材料和建筑工藝的有限性，建筑物的特征表現(xiàn)如外表顏色、質(zhì)地、屋頂構(gòu)造等都可以總結(jié)歸納為一些特定類型，城市要素的其他類型如地表、河流、道路、植被、各種基礎(chǔ)設(shè)施都有一定的規(guī)范性和規(guī)律性，這為抽象和概括城市三維景觀，建立城市景觀組合奠定了現(xiàn)實基礎(chǔ)。由于現(xiàn)實世界復雜多樣，同類城市景觀往往也有大小、粗細和精度的差別，對于不同的應用，其表達的尺度要求也不盡相同，因此，城市景觀模型庫需要根據(jù)應用設(shè)計不同的層次。

參考現(xiàn)有景觀模型庫的研究，本文將城市景觀模型庫從兩種角度進行分類，從模型尺度可以分為個體單元模型庫、組合單元模型庫和景觀單元模型庫。從城市要素分類的角度，城市景觀模型庫由四類模型子庫組成，包括建筑物特征庫、建筑物紋理庫、地面覆蓋紋理庫和獨立地物模型庫，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 城市景觀單元模型庫結(jié)構(gòu)組成

個體單元模型庫主要是以個體形式存在的點尺度獨立要素，它針對于城市詳細規(guī)劃，具體到城市中的細小地物。組合單元模型庫是由同一或者不同個體組合而成的具有區(qū)域特征的城市要素，比如復雜的建筑物、各種風格的住宅區(qū)等，它同樣針對于城市規(guī)劃中的詳細設(shè)計。景觀單元模型庫是針對整個城市分區(qū)的模型組，它概括了城市各功能區(qū)的多種風格布局，每類景觀模型都有針對不同特征及風格的模型組合，主要應用于城市規(guī)劃中的分區(qū)設(shè)計。這種分類方式將具體的城市景觀抽象概括，有利于城市景觀空間尺度上的分析，符合概念設(shè)計的抽象性，能很好地輔助規(guī)劃師進行規(guī)劃設(shè)計。

3 支持城市概念設(shè)計的虛擬城市系統(tǒng)的實現(xiàn)

本研究以四川資陽為試驗區(qū)域，場景范圍大約 3 km2，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是AutoCAD格式的1:500的地形圖和實地拍攝的照片、視頻等紋理屬性數(shù)據(jù)。采用三維建模軟件MultiGen Creator來構(gòu)建城市虛擬場景，三維實時開發(fā)工具VEGA進行系統(tǒng)開發(fā)。

3.1 主要功能

針對城市概念設(shè)計的應用，虛擬城市系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下四個功能：

1）幾何與屬性戶查功能。通過城市要素的選擇，獲取該要素的相關(guān)屬性信息；通過名稱等屬性的選擇獲得要素的幾何定位。

2）本系統(tǒng)在交互式應用上設(shè)置了兩個功能塊：設(shè)計輔助和規(guī)劃對比評估。

設(shè)計輔助是針對城市詳細規(guī)劃層面和分區(qū)規(guī)劃層面的概念設(shè)計，可以刪除、替換、添加場景中的地物模型，針對地塊范圍進行功能區(qū)規(guī)劃，選擇模型庫中相應的模型進行場景設(shè)計。規(guī)劃對比評估可以對規(guī)劃前后的場景同時顯示漫游，對比前后的空間布局、形態(tài)特征、環(huán)境協(xié)調(diào)性、人文價值、生活實用性等，來判斷規(guī)劃后的布局是否合理。

①輔助設(shè)計：在傳統(tǒng)的城市規(guī)劃三維輔助設(shè)計中，通常采用CAD等工具對建筑物建模，將平面圖形進行拉伸達到所需要的空間效果，這樣的技術(shù)不具備實時的交互性，通常僅限于微觀層面上的景觀設(shè)計。虛擬城市平臺下進行分區(qū)層面的概念輔助設(shè)計，規(guī)劃師可以首先在城市空地進行功能分區(qū)，然后調(diào)用相應的模型進行空間布局，可以調(diào)用抽象的符號模型形成概念性分區(qū)，也可以調(diào)用具體模型塊進行詳細分區(qū)設(shè)計，獲得建筑物分布特征和表面效果，空間效果如圖2、3所示。

圖2 功能分區(qū)界線

圖3 符號模型分區(qū)圖

②規(guī)劃對比評估：將規(guī)劃設(shè)計后的場景存儲，在vega中開設(shè)另一通道，將該場景導入到該通道中，和原來的場景同時顯示，還可以同時漫游，以此對規(guī)劃后效果進行評估（如圖4所示）。

圖4 規(guī)劃對比評估

規(guī)劃對比評估的情況主要有兩種，一是舊城改造，二是新城建設(shè)。舊城改造主要是將現(xiàn)狀場景模型同設(shè)計方案的場景模型進行對比評估，通常是單體建筑物的增建或者拆除，從建筑物的高度、表面紋理、色彩等方面評估和周圍建筑的關(guān)系，既能實現(xiàn)建筑物自身功能，也要滿足整個場景的協(xié)調(diào)性。新城建設(shè)主要是大場景重建，通過評估整個場景的布局、風格、功能等多方面的合理性，判斷是否滿足不同用地的實際需求。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

首先進行虛擬城市景觀建模。使用數(shù)碼攝像機獲取整個場景區(qū)域的整體概貌和局部紋理特征，利用建模軟件Creator以及圖像處理軟件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理，搭建三維場景數(shù)據(jù)模型，輸出OpenFlight格式的Vega工程文件flt文件，直接調(diào)用Vega的工程文件導入場景。在導入基本模型后，用戶通過鍵盤操作進行場景漫游，在漫游過程中，用戶可以根據(jù)喜好設(shè)置場景的光照度，可以在場景中添加霧特效，并根據(jù)具體參數(shù)設(shè)置霧的濃淡以及距離遠近。

由于概念設(shè)計主要體現(xiàn)了具體規(guī)劃的概念性設(shè)計方案，因此，在輔助平臺中需要提供給規(guī)劃師大量全面的特征模型，這些模型包括概念設(shè)計過程中需要考慮到的各種城市要素，能夠代表設(shè)計理念反映出來的具體對象形態(tài)，輔助其更好地思考和設(shè)計實施。

4結(jié)語

作為現(xiàn)實世界客觀實境的模擬和再現(xiàn)，虛擬城市可以為城市規(guī)劃提供一個很好的平臺。在此平臺下進行城市概念設(shè)計，輔助規(guī)劃師進行城市空間形態(tài)、人文主題、人居環(huán)境等的設(shè)計，直觀逼真，使得規(guī)劃師能夠在身臨其境的環(huán)境下極大地發(fā)揮自己的想象力。對于提高城市建設(shè)的時效性、城市管理的有效性、城市資源優(yōu)化配置水平、城市綜合實力以及城市生活質(zhì)量，促進城市的可持續(xù)發(fā)展都很有意義。

[1] 劉曉艷，林琿，張宏.虛擬城市建設(shè)原理與方法[M].北京：科學出版社，2003

[2] 楊克儉，劉舒燕，陳定方.虛擬現(xiàn)實與城市規(guī)劃[J].系統(tǒng)仿真學報，2000（3）：207-209

[3] 祝國瑞，高山.虛擬城市的三維建模[J].測繪通報，2004（6）：46-49

[4] 李春光，林宗堅，李成名.城市模型景觀庫的初步研究[J].遙感信息，2005（1）：47-49

[5] 高源.“概念性規(guī)劃設(shè)計”淺議[J].華中建筑，2003（2）：50-53

[6] 孫敏，馬藹乃，陳軍.三維城市模型的研究現(xiàn)狀評述[J].遙感學報，2002（2）：155-159

Design and Realization of Virtual City System Supporting the Urban Conception Design

by Cheng Sichong

The urban conception design is the guiding ideology of the urban design.The virtual city system facing the urban conception design can preview the con figuration character with realistic virtual scene,which can help the urban designer estimate the design ideology.Using the data foundation of Ziyang city,the paper designed the virtual city system supporting the urban conception design and constructed the virtual city landscape model base.

virtual city,landscape model base,conception design,urban design （Page:28）

P208

B

1672-4623(2011)01-0028-03

2010-08-18

項目來源：精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點實驗室開放基金資助項目（PF 2009-4）。

程思聰，工程師，主要研究方向為地圖設(shè)計與研制、三維GIS。