摘 要：城市景觀模型是城市形態(tài)設計分析與決策的重要依據(jù)，將具有空間形態(tài)分析功能的高清模型同數(shù)字再現(xiàn)技術相結合，形成一個整體的景觀模擬系統(tǒng)，可以將城市環(huán)境景觀的動態(tài)形態(tài)與空間形態(tài)準確的展示出來，對于城市空間形態(tài)決策具有重要的意義。因此，高清景觀模型的制作特點、精準度、制作方法、整合都區(qū)別于傳統(tǒng)展示性景觀模型。本文通過對高清城市景觀模型的特殊制作方法與控制的過程分析，強調模型與數(shù)字技術的緊密結合，將成為未來城市景觀形態(tài)分析的重要依據(jù)和方法。

關鍵詞：景觀模擬系統(tǒng) ；高清模型；數(shù)字再現(xiàn)

1 引言

中國的城市建設速度突飛猛進，以上海為例，1992年上海市18層以上的高樓50棟左右，20年后的今天已經(jīng)是5000多棟。中國正經(jīng)歷著城市化進程和城市建設的高峰時期，城市的變化對城市的環(huán)境有了很大的改觀，但是也帶來諸多始料未及的問題與建設詬病。城市是一個復雜的空間綜合體，環(huán)境空間景觀的綜合決策，才能帶來諸如街道、建筑、綠化、交通、導向之間的協(xié)調互動。但是，能夠在復雜的城市環(huán)境要素設計前期就進行充分的控制是非常困難的，這取決于對空間要素設計的調研分析，對環(huán)境空間概念的模擬表現(xiàn)。這些設計依據(jù)對最終城市環(huán)境的決策具有很重要的決定性。

現(xiàn)如今我們傳遞設計概念的方法集中在平面圖、立面圖、效果圖、模型、三維動態(tài)虛擬等方法，但對于復雜的城市環(huán)境與人的感官理解需求之間，具有一定的表達與觀測理解的局限。模型最容易讓人形成直觀的空間感覺，但受到模型比例與材料的局限，很難進行人視的觀測。三維虛擬技術又讓人喪失了空間真實感，只能通過攝像機的單一視角接收空間信息。如果能夠將環(huán)境模型和數(shù)字虛擬技術結合起來，將整體環(huán)境空間印象與局部動態(tài)模擬想結合，將能夠創(chuàng)建一個既有整體感官的模型又有各種視角觀測的動態(tài)模擬。從成熟的電影城市布景與拍攝的方法獲得靈感，在70年代，由加利福尼亞大學伯克力分校環(huán)境設計學院彼得·博森曼教授（Prof.Richard Bender， Prof. Peter Bosselmann）研制開發(fā)了景觀模擬系統(tǒng)，以用于城市與設計決策者進行空間數(shù)據(jù)分析。隨著高清數(shù)字模型與景觀虛擬系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，硬件與軟件平臺越來越成熟。新的數(shù)字展示技術越來越先進，要求在模型的清晰度、精準度、整合上有了更高的要求。

圖1 高清景觀模型（東京城市模型，來源：日本森公司）

2 高清城市景觀模型的發(fā)展

2.1 高清城市景觀模型的概念

高清城市景觀模型是一種新的模型制作與展示方法，其區(qū)別于傳統(tǒng)的展示性模型。高清城市景觀模型通過準確定位、精確的比例、真實的表面肌理制作，不僅能夠反應出真實的城市空間環(huán)境，更具有環(huán)境空間分析功能的屬性。同高清數(shù)字再現(xiàn)攝像機相配合，實現(xiàn)城市環(huán)境空間形態(tài)分析的功能，可以為設計師、決策者提供真實的空間感受與設計的實施依據(jù)。

2.2 模型與數(shù)字再現(xiàn)技術的結合

高清模型除了直觀觀測更加生動真實，其實現(xiàn)的技術基礎是先進的數(shù)字模擬再現(xiàn)系統(tǒng)。高清模型與數(shù)字技術相結合，能夠將模型空間動態(tài)化、數(shù)字化。景觀模擬系統(tǒng)通過景觀虛擬試驗系統(tǒng)專用軟件和驅動系統(tǒng)控制CCD潛望攝像機，在空間模型中多視點拍攝實景模型，再現(xiàn)設計的實際城市景觀效果，達到真實模擬空間環(huán)境的目的。為決策者 （包括研究機構，政府、企業(yè)、設計師等）在研究探討城市空間形態(tài)環(huán)境提供一種直觀可視化。隨著技術平臺的發(fā)展，20世紀90年代在日本早稻田大學等機構得到具體實踐，日本經(jīng)過幾方面的改進完善，已經(jīng)形成成熟的城市景觀模擬系統(tǒng)技術。目前國際上有美國加州大學伯克利分校、意大利米蘭工科大學、瑞典LUND大學、荷蘭DELFT大學、德國STUTTGARD大學、早稻田大學、東京大學等建立了景觀實驗室系統(tǒng)研究室。2009年上海東華大學也引進了一臺最先進的景觀模擬系統(tǒng)，論文的參考依據(jù)來源于這臺景觀模擬設備的運行與控制數(shù)據(jù)。

2.3 同傳統(tǒng)觀賞型城市景觀模型的區(qū)別

由于高清景觀模型與數(shù)字結合的特殊技術基礎，要求模型能夠真實模擬城市空間的細節(jié)，才能達到再現(xiàn)的目的，其整體與觀賞型的城市景觀模型具有很大的區(qū)別（見圖6，7，8 ）。目前中國的城市景觀模型制作主要用于觀賞，材料是用水晶、有機玻璃、塑料、木材、紙板等各種材料，用電腦技術或人工雕刻拼裝而成，因制作為迎合大眾觀賞，并不在意模型定位和精準度控制，模型只能作為體量、尺度、規(guī)模的參考，特別是有些模型制作為了展示起來更美觀，肆意改變尺度，不可能達到現(xiàn)實真實狀況再現(xiàn)，因此也不能成為精準的城市空間形態(tài)決策依據(jù)。高清環(huán)境景觀模型從模型制作前期就對定位、比例尺度、材料肌理表現(xiàn)有更強化的控制，也更注重細節(jié)的表現(xiàn)，以配合數(shù)字潛望攝像機實現(xiàn)真實環(huán)境模擬。

2.4 高清模型的信息量

圖7 高清模型包含大量的信息量

高清模型通過在真實環(huán)境中拍攝素材，整合后的城市環(huán)境空間模型具有多維度的觀測性，如果我們將1平方公里內的城市環(huán)境通過高清模型的方式模擬出來，其包含的信息量是任何單一數(shù)字虛擬不能夠超越的。

2.5 高清模型的成本

高清模型的成本主要集中在前期素材的采集上，通過有效的精準控制與模型細節(jié)表現(xiàn)，其制作材料成本很低。想比現(xiàn)在昂貴的按時間計費的3d數(shù)字虛擬技術，可操作性更強，而且能夠在任何環(huán)境空間中進行模擬與動態(tài)觀測，可以反復利用和修改。

2.6 高清模型的應用

高清模型可以和數(shù)字模擬系統(tǒng)結合使用，可以成為一種普及的教育工具，可以很直觀的生成城市景觀模型并進行動態(tài)分析。同時，高清的景觀模型注重的是城市景觀的整體性，因此可以用于建筑單體設計與城市區(qū)域規(guī)劃，改變建筑師只注重建筑單體的設計而忽略與周邊環(huán)境的關系的現(xiàn)狀。高清景觀模型制作完成后，普通市民也可以通過景觀模擬系統(tǒng)的直觀再現(xiàn)，參與城市建設的方案中。

由于高清城市景觀模型的制作成本較低，制作方便，信息量大的特點，在今后的城市規(guī)劃與發(fā)展中會逐步顯現(xiàn)出優(yōu)勢。

3 高清模型的制作控制與方法

3.1 高清模型制作控制

從20世紀90年代至今日，日本模型制作技術與景觀模擬系統(tǒng)同步發(fā)展，從引進、改良、提升、技術已經(jīng)完全成熟。模型制作技術采用了GPS定位系統(tǒng)、高精度成像、激光量距等高科技技術。為了實現(xiàn)更加精準的再現(xiàn)目的，其誤差不應該大于0.1%。因景觀模擬系統(tǒng)數(shù)字攝影機的要求，景觀模擬用模型都控制在1：1000的比例（特殊情況除外）。模型制作以真實反映原景為制作原則，模型制作通過確定比例、地形制作、紋理采集、模型定位、整合、演示等步驟來模擬真實構筑物景觀原貌與新建形態(tài)。

3.2 高清模型制作階段3.2.1模型基礎制作

城市總規(guī)圖

內容：包含城市用地規(guī)劃區(qū)域范圍；建筑物的區(qū)域分布；道路及運輸設施的設置；綠化植被和水體規(guī)劃等內容。

信息要求：建筑物外形，等高線和標高。

住宅平面圖

內容：記載有每棟建筑物名稱的平面地圖

信息要求：建筑物名稱和建筑物層高等信息。

垂直航空照片

內容：從飛機，直升機，熱氣球等垂直拍攝的地表照片。

信息要求：拍攝信息時間為近期，解像度符合制作要求并且斜面修正完成的航空照片。所謂航空照片的解像度是指照片數(shù)據(jù)1pixel所表示的實際尺寸大小。一般情況下，1/500的模型最適合的解像度為5cm；1/1000的模型最適合的解像度為10cm。而20cm以上的解像度的航空照片則不適合制作模型。

3.2.2城市景觀紋理采集

城市景觀紋理采集是模型制作中一個關鍵的環(huán)節(jié)。主要分為2大部分：數(shù)據(jù)庫紋理采集和重要建筑物的紋理采集。

數(shù)據(jù)庫紋理采集是指在模型范圍所在的城市中廣泛采集城市景觀紋理，然后根據(jù)建筑物用途分類。例如：辦公建筑；住宅；工廠；醫(yī)院；學校；酒店；歷史建筑；文化建筑等。主要對象是非主要建筑。所占比例大約是建筑物總數(shù)的0.5%。在使用時需要注意的地方是：根據(jù)建筑物用途選擇相應的建筑物紋理；相鄰建筑避免使用相同的數(shù)據(jù)庫紋理；數(shù)據(jù)庫紋理的使用可以參考遠景照片進行判斷。

重要建筑紋理采集是指在制作重要建筑時在重要建筑物體塊外需要黏貼的紋理照片的采集。包括建筑物高層部分正面；裙樓部分正面；高層部分側面和背面；塔樓部分；屋頂（從航空照片上直接截?。?；廣告牌等可以看到的細節(jié)部分。

3.2.3模型精準度控制

建筑物：GPS定位系統(tǒng)現(xiàn)場拍攝+圖片計算機圖像處理技術+激光彩色打印+激光模型制作，有時特殊建筑需要使用3D打印技術。

現(xiàn)場拍攝的精度對日后模型制作的精度起到了關鍵性的作用。首先，現(xiàn)場拍攝前需要對模型制作范圍的地圖做準備，并且劃分地塊，對建筑物經(jīng)行編碼。拍攝的最佳時間：冬天是9：00-15：00；夏天是8：00-16：00。拍攝的最佳氣候為多云。因為反射干擾小，最接近于實際色彩。拍攝數(shù)量上，一般普通住宅等低矮建筑拍攝數(shù)量為10張左右；10層左右的建筑每棟在30-40張左右；高層建筑等異形建筑也有拍攝50張以上的情況。每棟建筑的照片中需要包括：全體照、高層部分照片、底層部分照片、廣告牌照片、塔樓照片、遠景照片、眺望照片?，F(xiàn)場實地拍攝的同時還需要搜集建筑物的各種信息，如層高等。在切割體塊時，所有的面都需要切到垂直，以保證后期模型的精準度。

圖11 建筑物體塊垂直切割

3.2.4模型整合

模型組合板塊按一定的模數(shù)關系劃分成多塊組合，便于運輸、儲存、組裝； 在制作模型體塊階段可以使用的工具有熱線切割機，模型3D打印機等。在學術研究，學校教學上主要以熱線切割機為主。先用熱線切割機將建筑物的體塊切出，然后選擇建筑物相應的紋理貼紙黏貼在建筑物外墻上。完成后的建筑物最后整合到地形上?？紤]到模型的儲存和搬運以及組裝，在模型制作的初期要設定好模型塊數(shù)的尺寸大小，方便模型制作完成后展示，運輸，組裝。

圖12將完成的建筑物單體整合在地形中

3.2.5模型演示

高精度模型制作完成后，通過景觀虛擬系統(tǒng)的機器手控制小型（CCD）攝影機，通過控制路徑拍攝并反映出城市空間的實景模型。同時，基于高清模型的基礎，還可以通過GPS定位系統(tǒng)和步行系統(tǒng)等相結合，形成一種更輕易的親身體驗感。

4 結論

中國的城市化進程正處在高峰期，對于高密度城市既有環(huán)境的新建設與舊區(qū)的更新改造是城市最突出的環(huán)境景觀變化，在建設前期就能夠直觀的將城市景觀形態(tài)展示給決策者變得非常重要。傳統(tǒng)的展示性景觀模型遠遠不能承擔精確、真實、動態(tài)的新要求。高清景觀模型與數(shù)字再現(xiàn)技術的結合實現(xiàn)了景觀模型的數(shù)據(jù)與形態(tài)分析功能，將成為城市形態(tài)設計分析的重要方法與依據(jù)。本項目研究是以日本先進模型制作技術為參照，具有創(chuàng)新技術伸展空間。

參考文獻

[1] 矢部俊男.environmental simulation labiratory活動報告書.東京.1997

作者簡介

黃更（1980-），男，上海人，設計藝術學碩士，上海東華大學服裝·藝術設計學院環(huán)境藝術設計系 講師.