劉珺

摘 要：計算機和信息技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)成為城市信息化建設的發(fā)展的趨勢。三維城市規(guī)劃不僅是城市現(xiàn)代化技術(shù)的集中表現(xiàn)，也是目前信息社會建設的重要組成部分。而三維技術(shù)的出現(xiàn)可以更好地對城市空間特征進行分析，消解了人類三維效果的感知困境，使現(xiàn)代城市三維典型空間表達成為可能。在計算機技術(shù)和三維技術(shù)的推動下，三維城市建設得到了迅速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)技術(shù)，CAD三維技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機網(wǎng)絡等技術(shù)的運用，可以直觀真實地反映出一個城市的外貌，城市中的建筑物、地形、道路等，對于構(gòu)建現(xiàn)代化三維城市和可視化三維模型起著其他技術(shù)無法取代的效果。

關(guān)鍵詞：三維技術(shù)；城市規(guī)劃；建模；實例分析

為了滿足“數(shù)字城市”發(fā)展的需求，地理信息系統(tǒng)（GIS）三維技術(shù)真實實現(xiàn)了城市規(guī)劃的設計，更加有效地表達城市景觀中的各種信息。三維技術(shù)在城市景觀設計中今天已經(jīng)成了必不可少的工具，它以其強大的虛擬表達手法更加表達了城市典型空間的存在，也將在設計過程中傳遞城市不斷生長的過程；當城市典型空間信息流在三維技術(shù)的處理后生成受眾可讀取的符號，連同城市不斷變化的空間結(jié)構(gòu)也被無限量地復制，消解了人類在以前直覺視覺的弊端，使城市典型空間的表達成為可能。三維技術(shù)的運行可以幫助城市建設和規(guī)劃直觀地、全方位地給人們提供有各種具有真實感的場景，因而受到很多城市規(guī)劃和設計者的青睞。

1 理論基礎概述

城市建設：城市建設和城市規(guī)劃是一門傳統(tǒng)的學問，自城市成立以來每個民族都形成了自己的獨特的知識結(jié)構(gòu)。城市規(guī)劃的研究就是對城市的城市的各項工程建設、科學布局、未來發(fā)展等進行綜合的安排。城市規(guī)劃是一項科學性、系統(tǒng)性、區(qū)域性和政策性很強的工作。預見并合理地確定城市的發(fā)展方向的城市規(guī)劃和城市設計建設的首要條件，然后就是合理布局和規(guī)劃合理的規(guī)模，統(tǒng)籌安排各項建設，協(xié)調(diào)各方面發(fā)展，做好環(huán)境預測和評價，讓城市建設和城市規(guī)劃的操著整個目標發(fā)展，達到經(jīng)濟合理、環(huán)境優(yōu)美、技術(shù)先進的綜合效果，為城市人民工作和生活創(chuàng)造良好條件。

城市建設規(guī)劃理論：城市的建設由歷史城市風貌建設和現(xiàn)代城市風貌建設兩大部分組成。隨著城市理論的不斷發(fā)展，逐漸形成了相對完善的一系列的城市建設理論和成果，如城市發(fā)展平衡理論、城市意象理論、新城市主義理論、街道美學理論、建筑美學理論等。第一，城市意象理論。這個理論是凱文·林奇提出的，他強調(diào)城市規(guī)劃應該突出城市各個單元細節(jié)意象，這些意向結(jié)合起來就構(gòu)成了城市的綜合意向。城市意象理論為城市規(guī)劃中的城市風貌影響提取提供了依據(jù)和方法，凱文·林奇提出的城市意象的五元素在城市風貌元素中同樣可以體現(xiàn)，凱文·林奇將這些元素進行深化，為城市風貌因子分析提供了理論依據(jù)，這種理論保證了城市規(guī)劃的安全性和實用性，還確保了城市建設為人們創(chuàng)造一種特征記憶。第二，建筑美學理論。建筑美學理論是城市規(guī)劃中追求美的行為學，建筑美學理論重點是追求實用性的美，建筑美就是對建筑的另一種認識。建筑美是城市規(guī)劃的主要的載體之一，這也是城市文脈的體現(xiàn)，展現(xiàn)現(xiàn)代城市特色的重要部分，在現(xiàn)代化的城市建設中，對城市建筑進行整治和規(guī)劃過程，采用運用建筑美學，這對優(yōu)化城市建筑景觀，增強城市風貌，展現(xiàn)社會經(jīng)濟和城市歷史人文有著重要的作用。

2 城市規(guī)劃中常見的三維技術(shù)

城市建設過程中常見的三維技術(shù)有：地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）、CAD三維建模技術(shù)和城市三維模型技術(shù)等。

2.1 地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)是通過對地理環(huán)境信息的采集，實現(xiàn)地理環(huán)境信息的存儲、分析、檢索和顯示等功能，并且由計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)支撐實現(xiàn)的。地理信息系統(tǒng)技術(shù)一般包括數(shù)據(jù)源的選擇、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)源的規(guī)范化、資料編輯、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)分析應用、制圖6個部分組成。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology）是通過圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)以及人機對話等技術(shù)的綜合運用的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在城市建設中被廣泛應用到城市規(guī)劃中，大到城市的環(huán)境規(guī)劃和設計，小到大比例尺模型的制作運用。

2.3 CAD三維建模技術(shù)

CAD技術(shù)是采用計算機強大的數(shù)值計算能力和圖形處理能力，幫助工程技術(shù)人員實現(xiàn)產(chǎn)品或工程的分析和設計的一種技術(shù)。CAD三維建模技術(shù)其強大的功效和優(yōu)越性，可以精確的計量出常規(guī)計算方法無法計算的工程量，因此受到設計者的喜愛。CAD三維技術(shù)是在二維建模技術(shù)的基礎上衍生出來的技術(shù)，并且CAD三維技術(shù)可以在二維制圖的基礎上實現(xiàn)。采用二維技術(shù)及建模技術(shù)可以把事先完成的某項施工部位的剖面圖或平面圖，采用拉伸命令實現(xiàn)它的主要框架，再采用某些特定部位的體型要求，采用布爾運算來實現(xiàn)設計者需要的特殊形狀，達到他們想要達到的目的。CAD技術(shù)完成的三維模型可以從多方位的觀察結(jié)構(gòu)物的各部位形狀，準確顯示它們的體型變化規(guī)律，計算他們的質(zhì)量、體積等，還可以計算結(jié)構(gòu)物的慣性矩、質(zhì)心、慣性積以及結(jié)構(gòu)物的回轉(zhuǎn)半徑等，同時采用CAD技術(shù)還可以進行結(jié)構(gòu)物的構(gòu)件質(zhì)量屬性分析、應力應變分析、裝配干涉分析、運動分析、為建筑結(jié)構(gòu)的設計和構(gòu)件吊裝提供理論支持和技術(shù)指導。

2.4 城市三維模型技術(shù)

城市三維模型技術(shù)是城市規(guī)劃和城市建設的虛擬仿真基礎，是在虛擬仿真環(huán)境中建立三維模型，這樣不但可以逼真的再現(xiàn)真實場景，也能起到滿足實時渲染要求。

（1）三維建模工具主要有：第一，Site Builder 3D工具；第二，Multigen Creator工具；第三，Smart Scene工具。

（2）城市三維建模的方法。三維技術(shù)在城市模型建設中，建筑物是最主要的對象，為此如何獲取建筑物的側(cè)面紋理數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、幾何要素數(shù)據(jù)便是成為三維技術(shù)在城市建模中的一項重要工作。

目前建筑模型紋理的獲取常見的方法主要有四種：第一種是采用計算機進行模擬繪制。這種方法數(shù)據(jù)量少、采用矢量紋理，渲染時處理速度也快，不過缺乏真實感。第二種方法是根據(jù)地面攝影圖像進行提取。這種方法獲取容易，建立模型真實感強，成本低廉。不過需要拍攝大量的建筑物側(cè)面照片和需要人工在現(xiàn)場照相取樣，獲取過程中要花費大量的時間，計算機處理和編輯過程中也需要很多時間，因此，這種方法不適合用于超大場景的使用。第三種方法就是根據(jù)攝影像片由計算機生成。這種方法采用計算機提取特征紋理，可以減少了紋理數(shù)據(jù)的獲取量和紋理制作的工作量，不過這種方法真實感也較差。第四種方法是采用空中影像獲取。這一方法獲取的紋理失真較大，真實感也差，在使用過程中較少，主要被用來獲取地表的影像，另外，由于在空中影像中也含有部分建筑物的側(cè)面紋理，為了減少工作量，可以對這些紋理進行提取并加以處理，這種方式所。

3 城市規(guī)劃中三維技術(shù)運用路線和范圍分析

3.1 制作三維電子地圖

城市三維電子地圖的制作是三維技術(shù)在城市建設中一個最重要的應用范圍，它對于城市的數(shù)字建設和數(shù)字化發(fā)展提供最基本信息數(shù)據(jù)。三維電子地圖在城市數(shù)字建設開始就產(chǎn)生了，它大大提高了城市建設和規(guī)劃管理的效率。起初的三維電子地圖并沒有真正采用三維技術(shù)，而是在傳統(tǒng)的紙質(zhì)二維技術(shù)上，對地圖進行數(shù)字化，在視覺效果上，也只是二維地圖。

隨著三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，城市三維電子地圖不斷出現(xiàn)，也形成了三維的視覺效果。通過三維技術(shù)建立城市三維電子地圖，讓人的視覺理解和感知變得更加容易，它不僅提供二維道路交通網(wǎng)絡信息，還有更直觀的景觀和城市建筑的三維仿真模型。

目前，城市三維電子地圖在網(wǎng)上普遍存在。由于技術(shù)手段的不同，目前網(wǎng)上流傳的城市三維電子地圖主要有三種表現(xiàn)類型。第一種是2.5D的電子地圖，這種地圖也叫立體地圖，不是真正意義上的三維的電子地圖，實質(zhì)是以圖片為最終視覺表現(xiàn)方式。這種地圖通過三維軟件將城市的建筑景觀與道路交通建立出來，通過固定軸側(cè)圖視角渲染成展示城市圖片，再通過網(wǎng)絡交互技術(shù)在網(wǎng)絡中展現(xiàn)出來。由于這種2.5D技術(shù)較低，相對最為成熟，目前應用也最為廣泛。

第二種地圖是在城市2.5D電子地圖的基礎上建立的多角度的瀏覽電子地圖，也稱為準三維電子地圖。我國2010上海世博會的網(wǎng)站里宣傳時就是通過 “N city”這種準三維交互技術(shù)三維技術(shù)建立的三維地圖。

真正的城市三維電子地圖應該是自由交互的、全方位的電子地圖。采用3D進行渲染引擎，實現(xiàn)三維空間內(nèi)的自由交互。這種城市三維電子地圖在熱門的莫Google earth中廣泛被運用。Google earth不僅把地球的衛(wèi)星照片信息組合一起，還包含了地球表面的三維地形數(shù)據(jù)信息，以及美國及其他國家各大城市的三維建筑信息數(shù)據(jù)。通過Google earth軟件我們可以找到完整的三維數(shù)字地球和可以從每個角度的在三維環(huán)境中觀看城市三維地圖。

3.2 虛擬城市規(guī)劃的運用

三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在城市規(guī)劃中運用在工程領(lǐng)域和城市建筑方面。建筑設計師通過計算機輔助設計軟件對城市建筑物進行設計，然后采用三維軟件建立建筑物模型，這樣就可以實現(xiàn)三維實時瀏覽，觀察建筑的各個部分，并可以通過三維技術(shù)實時進行修改操作。

這種三維技術(shù)的設計過程本身就是一種虛擬現(xiàn)實的過程，這種技術(shù)的高效的優(yōu)越性可以應用擴展到城市規(guī)劃建設中，結(jié)合GIS系統(tǒng)，建立城市規(guī)劃的三維模型數(shù)據(jù)，并且根據(jù)城市規(guī)劃的具體要求和設計實施三維數(shù)據(jù)的修改，同時采用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對規(guī)劃后的城市進行各項數(shù)據(jù)評估，以便更好地審核設計的合理性。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用不是城市規(guī)劃設計的“紙上談兵”，并且可以更好地仿真表現(xiàn)，建立虛擬的規(guī)劃方案實施效果，從而可以達到經(jīng)濟、社會、生態(tài)的最佳綜合效益以及城市各種景觀的協(xié)調(diào)，通過三維技術(shù)可以修改反復編譯，最終達到最好的效果實施方案。

在城市數(shù)字化建設和發(fā)展過程中，三維技術(shù)運用越來越多，它給人們的生活、工作帶來的是更加生動仿真的虛擬環(huán)境，并且實現(xiàn)了現(xiàn)實般互動交流，因此受到很多設計者的青睞。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

本文圍繞三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的運用展開研究，特別對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實景空間進行了案例分析。三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的運用隨著計算機技術(shù)和圖像技術(shù)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)形成了很多的現(xiàn)有成果，不過這些成果很多都在理論層面上進行分析，對于實際的案例分析和實證研究較少，在目前城市規(guī)劃中，需要更多的實用性研究成果，這樣才能更好地讓三維技術(shù)促進城市化建設。

通過三維虛擬實現(xiàn)技術(shù)完成了城市規(guī)劃三維仿真系統(tǒng)的設計，在城市環(huán)境設計、場景模型建立的基礎上，提出了Hierarchy View層次結(jié)構(gòu)視圖優(yōu)化和OpenGVS軟件場景渲染，使三維技術(shù)在城市規(guī)劃中應用有了認識和了解。

4.2 展望

目前三維技術(shù)的很多功能還沒有完全開發(fā)出來，距離真正的城市規(guī)劃實際應用還有很長的距離，今后應該在以下幾個方面進行進一步的深入研究：

（1）加強虛擬實景空間理論的建設。目前三維技術(shù)在虛擬實景空間理論中還是起步階段，很多大場景在設計過程中還無法真正滿足實際的需要。

（2）加強三維技術(shù)的動態(tài)虛擬實景設計。目前很多的城市建設運用三維技術(shù)設計構(gòu)造的虛擬實景空間都是靜態(tài)的，這樣在城市的實際需求中，不光要靜態(tài)的設計，也需要動態(tài)的需求，而且動態(tài)的虛擬實景空間意義重大，關(guān)系到城市中的重大安全問題都可通過虛擬實景來模擬，如一個十萬人的足球場，發(fā)生意外的事件時，需要多少分鐘，多少條逃生通道才合理。為此，今后的研究工作應該加深三維技術(shù)的動態(tài)研究。

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