三維技術(shù)在城市軟件中的運(yùn)用研究

劉珺

摘 要：計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)成為城市信息化建設(shè)的發(fā)展的趨勢(shì)。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(huì)建設(shè)的重要組成部分。而三維技術(shù)的出現(xiàn)可以更好地對(duì)城市空間特征進(jìn)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(dá)成為可能。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維技術(shù)的推動(dòng)下，三維城市建設(shè)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(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的運(yùn)用，可以直觀真實(shí)地反映出一個(gè)城市的外貌，城市中的建筑物、地形、道路等，對(duì)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(wú)法取代的效果。

關(guān)鍵詞：三維技術(shù)；城市規(guī)劃；建模；實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)了城市規(guī)劃的設(shè)計(jì)，更加有效地表達(dá)城市景觀中的各種信息。三維技術(shù)在城市景觀設(shè)計(jì)中今天已經(jīng)成了必不可少的工具，它以其強(qiáng)大的虛擬表達(dá)手法更加表達(dá)了城市典型空間的存在，也將在設(shè)計(jì)過(guò)程中傳遞城市不斷生長(zhǎng)的過(guò)程；當(dāng)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(hào)，連同城市不斷變化的空間結(jié)構(gòu)也被無(wú)限量地復(fù)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(dá)成為可能。三維技術(shù)的運(yùn)行可以幫助城市建設(shè)和規(guī)劃直觀地、全方位地給人們提供有各種具有真實(shí)感的場(chǎng)景，因而受到很多城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)者的青睞。

1 理論基礎(chǔ)概述

城市建設(shè)：城市建設(shè)和城市規(guī)劃是一門傳統(tǒng)的學(xué)問(wèn)，自城市成立以來(lái)每個(gè)民族都形成了自己的獨(dú)特的知識(shí)結(jié)構(gòu)。城市規(guī)劃的研究就是對(duì)城市的城市的各項(xiàng)工程建設(shè)、科學(xué)布局、未來(lái)發(fā)展等進(jìn)行綜合的安排。城市規(guī)劃是一項(xiàng)科學(xué)性、系統(tǒng)性、區(qū)域性和政策性很強(qiáng)的工作。預(yù)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(shè)計(jì)建設(shè)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(xiàng)建設(shè)，協(xié)調(diào)各方面發(fā)展，做好環(huán)境預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，讓城市建設(shè)和城市規(guī)劃的操著整個(gè)目標(biāo)發(fā)展，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境優(yōu)美、技術(shù)先進(jìn)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(shè)規(guī)劃理論：城市的建設(shè)由歷史城市風(fēng)貌建設(shè)和現(xiàn)代城市風(fēng)貌建設(shè)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(duì)完善的一系列的城市建設(shè)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(xué)理論、建筑美學(xué)理論等。第一，城市意象理論。這個(gè)理論是凱文·林奇提出的，他強(qiáng)調(diào)城市規(guī)劃應(yīng)該突出城市各個(gè)單元細(xì)節(jié)意象，這些意向結(jié)合起來(lái)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(fēng)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(fēng)貌元素中同樣可以體現(xiàn)，凱文·林奇將這些元素進(jìn)行深化，為城市風(fēng)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(shí)用性，還確保了城市建設(shè)為人們創(chuàng)造一種特征記憶。第二，建筑美學(xué)理論。建筑美學(xué)理論是城市規(guī)劃中追求美的行為學(xué)，建筑美學(xué)理論重點(diǎn)是追求實(shí)用性的美，建筑美就是對(duì)建筑的另一種認(rèn)識(shí)。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(shè)中，對(duì)城市建筑進(jìn)行整治和規(guī)劃過(guò)程，采用運(yùn)用建筑美學(xué)，這對(duì)優(yōu)化城市建筑景觀，增強(qiáng)城市風(fēng)貌，展現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shè)過(guò)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(shí)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(guò)對(duì)地理環(huán)境信息的采集，實(shí)現(xiàn)地理環(huán)境信息的存儲(chǔ)、分析、檢索和顯示等功能，并且由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支撐實(shí)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(yù)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(yīng)用、制圖6個(gè)部分組成。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）是通過(guò)圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人機(jī)對(duì)話等技術(shù)的綜合運(yùn)用的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在城市建設(shè)中被廣泛應(yīng)用到城市規(guī)劃中，大到城市的環(huán)境規(guī)劃和設(shè)計(jì)，小到大比例尺模型的制作運(yùn)用。

2.3 CAD三維建模技術(shù)

CAD技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力和圖形處理能力，幫助工程技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或工程的分析和設(shè)計(jì)的一種技術(shù)。CAD三維建模技術(shù)其強(qiáng)大的功效和優(yōu)越性，可以精確的計(jì)量出常規(guī)計(jì)算方法無(wú)法計(jì)算的工程量，因此受到設(shè)計(jì)者的喜愛。CAD三維技術(shù)是在二維建模技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的技術(shù)，并且CAD三維技術(shù)可以在二維制圖的基礎(chǔ)上實(shí)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(xiàng)施工部位的剖面圖或平面圖，采用拉伸命令實(shí)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(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者需要的特殊形狀，達(dá)到他們想要達(dá)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(zhǔn)確顯示它們的體型變化規(guī)律，計(jì)算他們的質(zhì)量、體積等，還可以計(jì)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(shí)采用CAD技術(shù)還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的構(gòu)件質(zhì)量屬性分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、裝配干涉分析、運(yùn)動(dòng)分析、為建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)件吊裝提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

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(shè)的虛擬仿真基礎(chǔ)，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(shí)場(chǎng)景，也能起到滿足實(shí)時(shí)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(shè)中，建筑物是最主要的對(duì)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?cái)?shù)據(jù)便是成為三維技術(shù)在城市建模中的一項(xiàng)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(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬繪制。這種方法數(shù)據(jù)量少、采用矢量紋理，渲染時(shí)處理速度也快，不過(guò)缺乏真實(shí)感。第二種方法是根據(jù)地面攝影圖像進(jìn)行提取。這種方法獲取容易，建立模型真實(shí)感強(qiáng)，成本低廉。不過(guò)需要拍攝大量的建筑物側(cè)面照片和需要人工在現(xiàn)場(chǎng)照相取樣，獲取過(guò)程中要花費(fèi)大量的時(shí)間，計(jì)算機(jī)處理和編輯過(guò)程中也需要很多時(shí)間，因此，這種方法不適合用于超大場(chǎng)景的使用。第三種方法就是根據(jù)攝影像片由計(jì)算機(jī)生成。這種方法采用計(jì)算機(jī)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(guò)這種方法真實(shí)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(shí)感也差，在使用過(guò)程中較少，主要被用來(lái)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(duì)這些紋理進(jìn)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(yùn)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(shè)中一個(gè)最重要的應(yīng)用范圍，它對(duì)于城市的數(shù)字建設(shè)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(shè)開始就產(chǎn)生了，它大大提高了城市建設(shè)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(duì)地圖進(jìn)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(shí)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(guò)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(luò)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(shí)質(zhì)是以圖片為最終視覺表現(xiàn)方式。這種地圖通過(guò)三維軟件將城市的建筑景觀與道路交通建立出來(lái)，通過(guò)固定軸側(cè)圖視角渲染成展示城市圖片，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)出來(lái)。由于這種2.5D技術(shù)較低，相對(duì)最為成熟，目前應(yīng)用也最為廣泛。

第二種地圖是在城市2.5D電子地圖的基礎(chǔ)上建立的多角度的瀏覽電子地圖，也稱為準(zhǔn)三維電子地圖。我國(guó)2010上海世博會(huì)的網(wǎng)站里宣傳時(shí)就是通過(guò) “N city”這種準(zhǔn)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(yīng)該是自由交互的、全方位的電子地圖。采用3D進(jìn)行渲染引擎，實(shí)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(yùn)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(guó)及其他國(guó)家各大城市的三維建筑信息數(shù)據(jù)。通過(guò)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(gè)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(yùn)用

三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在城市規(guī)劃中運(yùn)用在工程領(lǐng)域和城市建筑方面。建筑設(shè)計(jì)師通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)城市建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后采用三維軟件建立建筑物模型，這樣就可以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)瀏覽，觀察建筑的各個(gè)部分，并可以通過(guò)三維技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行修改操作。

這種三維技術(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程本身就是一種虛擬現(xiàn)實(shí)的過(guò)程，這種技術(shù)的高效的優(yōu)越性可以應(yīng)用擴(kuò)展到城市規(guī)劃建設(shè)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(shè)計(jì)實(shí)施三維數(shù)據(jù)的修改，同時(shí)采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)規(guī)劃后的城市進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)評(píng)估，以便更好地審核設(shè)計(jì)的合理性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用不是城市規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shí)施效果，從而可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、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(guò)三維技術(shù)可以修改反復(fù)編譯，最終達(dá)到最好的效果實(shí)施方案。

在城市數(shù)字化建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中，三維技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越多，它給人們的生活、工作帶來(lái)的是更加生動(dòng)仿真的虛擬環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)般互動(dòng)交流，因此受到很多設(shè)計(jì)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(yùn)用展開研究，特別對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)景空間進(jìn)行了案例分析。三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的運(yùn)用隨著計(jì)算機(jī)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(guò)這些成果很多都在理論層面上進(jìn)行分析，對(duì)于實(shí)際的案例分析和實(shí)證研究較少，在目前城市規(guī)劃中，需要更多的實(shí)用性研究成果，這樣才能更好地讓三維技術(shù)促進(jìn)城市化建設(shè)。

通過(guò)三維虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)完成了城市規(guī)劃三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在城市環(huán)境設(shè)計(jì)、場(chǎng)景模型建立的基礎(chǔ)上，提出了Hierarchy View層次結(jié)構(gòu)視圖優(yōu)化和OpenGVS軟件場(chǎng)景渲染，使三維技術(shù)在城市規(guī)劃中應(yīng)用有了認(rèn)識(shí)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(lái)，距離真正的城市規(guī)劃實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離，今后應(yīng)該在以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究：

（1）加強(qiáng)虛擬實(shí)景空間理論的建設(shè)。目前三維技術(shù)在虛擬實(shí)景空間理論中還是起步階段，很多大場(chǎng)景在設(shè)計(jì)過(guò)程中還無(wú)法真正滿足實(shí)際的需要。

（2）加強(qiáng)三維技術(shù)的動(dòng)態(tài)虛擬實(shí)景設(shè)計(jì)。目前很多的城市建設(shè)運(yùn)用三維技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)造的虛擬實(shí)景空間都是靜態(tài)的，這樣在城市的實(shí)際需求中，不光要靜態(tài)的設(shè)計(jì)，也需要?jiǎng)討B(tài)的需求，而且動(dòng)態(tài)的虛擬實(shí)景空間意義重大，關(guān)系到城市中的重大安全問(wèn)題都可通過(guò)虛擬實(shí)景來(lái)模擬，如一個(gè)十萬(wàn)人的足球場(chǎng)，發(fā)生意外的事件時(shí)，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(yīng)該加深三維技術(shù)的動(dòng)態(tài)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] THOMAS KOLBE . SAM BACHARACH.CityGML：An open standard for 3Dcity models[J] . 2006.

[2] MacEachren，A M . Special issue on Geovisualization[J] . Cartography and Geographic Information Science，2001，28（1）：3-75.

[3] 李成名，王繼周，馬照亭.數(shù)字城市三維地理空間框架原理與方法[M].科學(xué)出版社，2008.

[4] 劉曉燕，林渾，張宏.虛擬城市建設(shè)原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[5] 朱慶，林暉.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)——虛擬城市環(huán)境中的三維城市模型初探[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.

[6] 張新長(zhǎng)，曾廣鴻，張青年.城市地理信息系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[7] 周寧.基于CityGML的城市三維信息描述方法研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009.

[8] 劉川.基于ObjectARX與Google Earth的城市三維建模系統(tǒng)研究[D].中南大學(xué)，2010.

[9] 戴洪寶.基于Skyline的數(shù)字城市三維可視化系統(tǒng)的研究[D].西安科技大學(xué)，2010.

[10] 杜福光.基于ArcScene城市三維可視化研究與應(yīng)用[D].西安科技大學(xué)，2010.

[11] 張嵐.基于ArcGIS的三維數(shù)字社區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)[D].西安科技大學(xué)，2010.

[12] 夏超文.基于三維城市規(guī)劃的城市建模方法研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢大學(xué)，2005.