三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市規(guī)劃系統(tǒng)研究

劉月玲

摘? 要： 為了更準(zhǔn)確描述城市建筑景觀特征，提高城市規(guī)劃效果，設(shè)計(jì)基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市規(guī)劃系統(tǒng)。通過(guò)航空激光掃描采集城市幾何特征數(shù)據(jù)，利用城市規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)果獲取新開(kāi)發(fā)區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)，采用該數(shù)據(jù)制作數(shù)字地面模型和建筑與景觀三維模型對(duì)城市場(chǎng)景三維建模，并進(jìn)行紋理渲染，將所建模型與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件坐標(biāo)相匹配，并添設(shè)虛擬特效。利用OSG引擎實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主機(jī)顯示端與虛擬顯示端的同步虛擬展示。具體應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以高精度地反映城市建筑景觀特征，規(guī)劃結(jié)果信息飽和度高，歸一化均方根誤差小，可獲得理想的視覺(jué)展示效果。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 城市規(guī)劃; 數(shù)據(jù)組織; 模型制作; 模型集成; 紋理渲染; 虛擬展示

中圖分類號(hào)： TN99?34; TP192? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）19?0182?05

Abstract： In order to describe the urban architectural landscape features more accurately and improve the effect of urban planning， an urban planning system based on 3D virtual reality technology is designed. The data of urban geometric feature are collected by aerial laser scanning， the relevant data of newly?developed areas are acquired by urban planning and design results， and use the data ground model and the three?dimensional model of architecture and landscape to build three?dimensional models of urban scenes， render textures， match the built models with virtual reality software coordinates， and add virtual special effects; the data are used to make digital ground model and three?dimensional model of architecture and landscape， so as to model the three?dimensional urban scene， render the texture， match the built model with virtual reality software coordinates， and add virtual special effects. The OSG （open scene graph） engine is used to realize the synchronous virtual display of the system host display end and its virtual display end. The application results show that the system can reflect the features of urban architectural landscape with high accuracy， high information saturation of planning results， small normalized root mean square error and ideal visual display effect.

Keywords： 3D virtual reality technology; urban planning; data organization; model making; model integration; texture rendering; virtual display

0? 引? 言

城市規(guī)劃系統(tǒng)要考慮城市內(nèi)建筑、景觀規(guī)劃的合理性、經(jīng)濟(jì)性、生態(tài)功能與美學(xué)藝術(shù)等不同功能，城市規(guī)劃具有明顯的延續(xù)性與超前性特征，城市信息化進(jìn)程的加快對(duì)城市規(guī)劃、建設(shè)與管理提出更高要求，仿真技術(shù)成為城市規(guī)劃迫切需求的基礎(chǔ)技術(shù)。

為實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合，不僅需要城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)組織等支持，還需要規(guī)劃效果展示平臺(tái)[1?3]。

當(dāng)前普遍使用的城市規(guī)劃系統(tǒng)分別以三維可視地理信息系統(tǒng)和氣候變化為基礎(chǔ)[4?5]，這兩種類型的城市規(guī)劃系統(tǒng)均只考慮基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)組織的支持功能，忽略了城市規(guī)劃效果展示的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個(gè)逼真、可視、可觸、可聽(tīng)的虛擬環(huán)境，用戶利用交互設(shè)備可在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)交互。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶基于自身的感知與認(rèn)知能力能夠全面獲取虛擬環(huán)境中包含的不同空間信息與邏輯信息[6]。

為獲得更優(yōu)的城市規(guī)劃結(jié)果，設(shè)計(jì)基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市規(guī)劃系統(tǒng)，構(gòu)建規(guī)劃設(shè)計(jì)后的城市三維模型，對(duì)模型進(jìn)行渲染，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使相關(guān)人員能夠以任意角度，實(shí)時(shí)互動(dòng)地感受到城市規(guī)劃效果，發(fā)展規(guī)劃中存在的問(wèn)題并實(shí)施改進(jìn)，通過(guò)對(duì)城市現(xiàn)狀與未來(lái)的規(guī)劃，使城市布局更加合理。

1? 基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市規(guī)劃系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

針對(duì)城市規(guī)劃與展示的全新需求，設(shè)計(jì)三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市規(guī)劃系統(tǒng)，如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)組織模塊、城市場(chǎng)景三維建模與渲染模塊、虛擬現(xiàn)實(shí)集成模塊、虛擬城市展示模塊等共同組成。

1） 數(shù)據(jù)組織模塊基于航空激光掃描獲取城市地表幾何特征數(shù)據(jù)[7]，利用城市規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)果獲取城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中新開(kāi)發(fā)的建筑與景觀數(shù)據(jù)，通過(guò)Arc GIS Engine組件對(duì)城市地表幾何特征數(shù)據(jù)與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化布局，通過(guò)參數(shù)化矢量圖層呈現(xiàn)城市要素空間分布規(guī)則。

2） 城市場(chǎng)景三維建模與渲染模塊基于數(shù)據(jù)組織模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字地面模型與城市主要建筑與景觀三維模型，對(duì)數(shù)字地面模型與建筑景觀三維模型集成后，利用OSG（Open Scene Graph）引擎對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)場(chǎng)景紋理渲染[8]。

3） 虛擬現(xiàn)實(shí)集成模塊內(nèi)包含虛擬現(xiàn)實(shí)組件，通過(guò)模型與軟件坐標(biāo)的匹配，構(gòu)建具有動(dòng)態(tài)景觀漫游與三維可視化的城市整體虛擬場(chǎng)景。

4） 虛擬城市展示模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主機(jī)顯示端（虛擬現(xiàn)實(shí)軟件顯示窗口）與虛擬顯示端（虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡）同步虛擬展示，完成城市規(guī)劃信息的動(dòng)態(tài)體驗(yàn)與查詢分析。

1.2? 數(shù)據(jù)組織模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)組織模塊采用航空激光掃描方式采集城市地表幾何特征數(shù)據(jù)（包括地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)、建筑與景觀圖像、紋理數(shù)據(jù)等）?；诔鞘幸?guī)劃設(shè)計(jì)人員對(duì)于城市規(guī)劃的設(shè)計(jì)結(jié)果，獲取新開(kāi)發(fā)區(qū)域數(shù)據(jù)（包括建筑與景觀圖像、紋理數(shù)據(jù)等）。

由于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)具有不規(guī)則分布特征[9]，城市空間布局管理較為不易，因此采用Arc GIS Engine組件對(duì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的主要建筑與景觀的位置與關(guān)系、道路與河流等線性要素的空間位置等進(jìn)行空間數(shù)據(jù)參數(shù)化布局管理。

1.3? 城市場(chǎng)景三維建模與渲染模塊設(shè)計(jì)

1.3.1? 數(shù)字地面模型制作

根據(jù)數(shù)據(jù)組織模塊內(nèi)的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建三角網(wǎng)數(shù)字地面模型，將航空激光掃描控制點(diǎn)作為頂點(diǎn)，以不交叉、不重復(fù)為原則，構(gòu)建平面三角形逼近城市地表曲面。在航空激光掃描控制點(diǎn)分布合理，同時(shí)控制度密度適當(dāng)?shù)臈l件下，三角網(wǎng)數(shù)字地面模型能夠準(zhǔn)確地呈現(xiàn)城市地表。

基于異側(cè)找點(diǎn)、角度最大、不超過(guò)特征線、不進(jìn)入禁區(qū)、不遺漏等標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建覆蓋城市整體區(qū)域的三角網(wǎng)數(shù)字地面模型[10]，根據(jù)該地面模型，即可計(jì)算城市整體區(qū)域內(nèi)任意地面點(diǎn)標(biāo)高。

1.3.2? 城市建筑模型制作

將城市原有建筑與景觀圖像和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)后新建的建筑與景觀圖像導(dǎo)入VTK軟件內(nèi)[11]，采用中值濾波法對(duì)導(dǎo)入的圖像進(jìn)行濾波處理，中值濾波結(jié)果[Yi，j]如下：

式中：[median]表示中值濾波器;[m]，[n]和[w]分別表示濾波窗口水平方向、垂直方向尺寸和窗口規(guī)格;[Xij]和[Z2]分別表示坐標(biāo)為[i，j]的像素點(diǎn)和二維數(shù)據(jù)串序號(hào)。

采用基于Canny算子的邊緣檢測(cè)與區(qū)域劃分方法劃分濾波處理后的建筑與景觀圖像：

利用[M]和[N]兩個(gè)算子能夠確定城市建筑與景觀圖像內(nèi)不同像素的梯度[Tx，y]與方向[θ]：

根據(jù)不同像素的[Tx，y]和[θ]能夠繪制城市建筑與景觀的直方圖[12]，在直方圖上采集城市建筑與景觀的角點(diǎn)，利用尺度不變特征轉(zhuǎn)換方法對(duì)角點(diǎn)進(jìn)行特征描述。根據(jù)角點(diǎn)特征確定不同圖像特征點(diǎn)間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)城市建筑與景觀圖像的配準(zhǔn)，為三維模型的構(gòu)建提供服務(wù)支持。

選取SMC（Secure Multi?party Computation，安全多方計(jì)算）算法進(jìn)行城市建筑與景觀三維模型構(gòu)建，設(shè)定城市建筑與景觀圖像內(nèi)存在輪廓線，[P1，P2，…，Pn]表示輪廓線，用[x，y，z]表示體素，針對(duì)不同[x，y，z]均給定一個(gè)以[fx，y，z]表示的狀態(tài)函數(shù)：

不同體素與其所處平面上全部輪廓間的相關(guān)性（在輪廓線外/上/內(nèi)）直接影響其狀態(tài)值。

針對(duì)不同體元的狀態(tài)值，其各頂點(diǎn)存在式（4）所描述的三種狀態(tài)。在體元上一條輪廓線的兩個(gè)頂點(diǎn)狀態(tài)值為異號(hào)的條件下，說(shuō)明此輪廓線同邊界面相交，此時(shí)以此輪廓線中點(diǎn)為交點(diǎn)[13];相反，說(shuō)明此輪廓線同邊界面不相交。

基于上述過(guò)程，能夠確定城市建筑與景觀表面同體元的交點(diǎn)，依次將各交點(diǎn)相連，即可構(gòu)建城市建筑物與景觀的三維模型表面。由于頂點(diǎn)存在三種狀態(tài)值，因此利用中心差分法確定不同頂點(diǎn)的法向量，選取線性差值法獲取三角面各頂點(diǎn)法向量，基于交點(diǎn)和法向量即可實(shí)現(xiàn)城市建筑物與景觀的三維模型構(gòu)建。

1.3.3? 模型集成

采用樹(shù)狀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)將數(shù)字地面模型和建筑物與景觀三維模型進(jìn)行集成，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)既可呈現(xiàn)豐富的城市場(chǎng)景信息構(gòu)成，也可利用各節(jié)點(diǎn)間的靈活變化提升整體場(chǎng)景組織管理效率，適用于城市場(chǎng)景規(guī)劃，同時(shí)利于虛擬現(xiàn)實(shí)的二次渲染。利用OSG三維引擎對(duì)集成后的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)場(chǎng)景紋理渲染，渲染完成后傳輸至虛擬現(xiàn)實(shí)集成模塊。

1.4? 虛擬現(xiàn)實(shí)集成模塊

虛擬現(xiàn)實(shí)集成模塊采用VR MAP平臺(tái)，在該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所構(gòu)建模型同軟件坐標(biāo)之間的匹配，利用數(shù)據(jù)鏈集成城市規(guī)劃三維場(chǎng)景內(nèi)的不同基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[14]。同時(shí)添設(shè)光影效果控制、天氣參數(shù)設(shè)置、動(dòng)態(tài)景觀漫游、模型之間及模型與場(chǎng)景之間同步控制等虛擬特效，提升城市規(guī)劃效果與后續(xù)用戶體驗(yàn)。

1.5? 虛擬城市展示模塊

虛擬城市展示模塊的主要功能是利用OSG引擎中的視景器和相機(jī)向用戶呈現(xiàn)構(gòu)建好的城市規(guī)劃虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。通過(guò)OSG引擎完成系統(tǒng)主機(jī)顯示端與虛擬顯示端的同步虛擬展示，實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃虛擬場(chǎng)景的沉浸式瀏覽，同時(shí)為相機(jī)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換設(shè)定場(chǎng)景漫游器的鍵盤(pán)事件交互模式[15]，實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃虛擬場(chǎng)景的漫游瀏覽。

2? 系統(tǒng)應(yīng)用分析

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市規(guī)劃系統(tǒng)在城市規(guī)劃過(guò)程中的應(yīng)用效果，選取我國(guó)某二線城市為研究對(duì)象，將本文系統(tǒng)應(yīng)用于研究對(duì)象的城市規(guī)劃中，應(yīng)用結(jié)果如下。

2.1? 城市規(guī)劃模擬效果展示

采用本文系統(tǒng)進(jìn)行研究對(duì)象規(guī)劃，用戶通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡體驗(yàn)研究對(duì)象規(guī)劃效果，如圖3所示。由圖3可知，采用本文系統(tǒng)能夠有效針對(duì)城市規(guī)劃空間布局進(jìn)行三維模擬成像，并進(jìn)行虛擬展示與體驗(yàn)。

圖4所示為不同視角下的研究對(duì)象規(guī)劃虛擬展示效果。由圖4可知，本文系統(tǒng)根據(jù)研究對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)設(shè)計(jì)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、可行的規(guī)劃方案。虛擬成像展示效果較好，建筑與景觀的空間布局具有層次感，紋理處理效果增強(qiáng)了圖像的真實(shí)感，顏色搭配與光線的設(shè)計(jì)與使用自然協(xié)調(diào)，不同視角的隨意切換能夠提升用戶交互體驗(yàn)。高實(shí)用性與合理性的空間布局與協(xié)調(diào)自然的顏色與光線設(shè)計(jì)均可體現(xiàn)本文系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用性能。

2.2? 系統(tǒng)規(guī)劃精度測(cè)試

在研究對(duì)象現(xiàn)有區(qū)域和規(guī)劃設(shè)計(jì)中新開(kāi)發(fā)區(qū)域中分別選取三處建筑或景觀作為規(guī)劃精度測(cè)試目標(biāo)，命名為D1～D3和G1～G3。對(duì)比不同目標(biāo)實(shí)際空間信息與本文系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果中的空間信息，驗(yàn)證本文系統(tǒng)規(guī)劃精度，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5a）內(nèi)現(xiàn)有建筑或景觀規(guī)劃的空間坐標(biāo)誤差能夠得到，本文系統(tǒng)規(guī)劃現(xiàn)有建筑或景觀的空間位置時(shí)坐標(biāo)誤差基本控制在0.35%以內(nèi)。同時(shí)，[z]軸坐標(biāo)誤差均高于[x]軸坐標(biāo)與[y]軸坐標(biāo)，這可能是由于航空激光掃描采集現(xiàn)有建筑或景觀數(shù)據(jù)時(shí)受外界環(huán)境影響導(dǎo)致采集結(jié)果內(nèi)含有噪聲，由此造成空間坐標(biāo)誤差。

分析圖5b）內(nèi)新建建筑或景觀規(guī)劃的空間坐標(biāo)誤差能夠得到，本文系統(tǒng)規(guī)劃新建建筑或景觀的空間位置時(shí)坐標(biāo)誤差基本控制在0.2%以內(nèi)。誤差產(chǎn)生原因可能是由于本文系統(tǒng)對(duì)于新建建筑或景觀的規(guī)劃設(shè)計(jì)是以航空激光掃描獲取的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。綜合圖5內(nèi)不同目標(biāo)規(guī)劃的空間定位結(jié)果能夠說(shuō)明本文系統(tǒng)在進(jìn)行城市規(guī)劃時(shí)具有較高的規(guī)劃精度。

2.3? 性能對(duì)比結(jié)果

以文獻(xiàn)[4]中基于三維可視地理信息系統(tǒng)的城市規(guī)劃系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]中基于氣候變化的城市規(guī)劃系統(tǒng)為對(duì)比系統(tǒng)，研究本文系統(tǒng)與對(duì)比系統(tǒng)對(duì)研究對(duì)象規(guī)劃結(jié)果的各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)果如圖6所示。時(shí)間開(kāi)銷能夠反映系統(tǒng)的運(yùn)行速度，其值越小則系統(tǒng)運(yùn)行速度越快;信息飽和度體現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)劃的視覺(jué)呈現(xiàn)效果，其值越大系統(tǒng)規(guī)劃視覺(jué)呈現(xiàn)效果越好;歸一化均方根誤差描述系統(tǒng)對(duì)于城市內(nèi)主要建筑與景觀的特征描述，其值越小特征描述越精準(zhǔn)。由圖6可得，本文系統(tǒng)進(jìn)行城市規(guī)劃所需時(shí)間開(kāi)銷為8.2 s，信息飽和度與歸一化均方根誤差分別為0.84%和0.02%。各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于對(duì)比系統(tǒng)，由此說(shuō)明本文系統(tǒng)具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市規(guī)劃系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果顯示本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確規(guī)劃城市內(nèi)建筑與景觀，且具有較好的虛擬展示效果。在后續(xù)研究過(guò)程中將針對(duì)城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精確化問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)研究，擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)劃精度優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，引入物理特性優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)漫游模擬，提升模擬效果的真實(shí)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙哲，俞為妍，周韻，等.全域綠色空間規(guī)劃的技術(shù)探索：以南京江北新區(qū)為例[J].城市規(guī)劃學(xué)刊，2017（z2）：229?234.

[2] 陽(yáng)慧.GIS技術(shù)在城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018（14）：20?21.

[3] 李曉宇.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的服裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J].電視技術(shù)，2018，42（12）：95?99.

[4] 晏偉.三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].城市建設(shè)理論研究，2018（1）：15.

[5] 侯路瑤，姜允芳，石鐵矛，等.基于氣候變化的城市規(guī)劃研究進(jìn)展與展望[J].城市規(guī)劃，2019，43（3）：126?137.

[6] 曾思略，祝文，方馳華，等.以血管為軸心的巨塊型肝癌三維可視化評(píng)估及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究[J].中華普通外科雜志，2019，34（4）：323?327.

[7] BILLGER M， THUVANDER L， WSTBERG B S. In search of visualization challenges： the development and implementation of visualization tools for supporting dialogue in urban planning processes [J]. Environment and planning， 2017， 44（6）： 1012?1035.

[8] 曹陽(yáng)，張勝雷，甄峰.智慧城市規(guī)劃仿真模型組織架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].建設(shè)科技，2017（13）：21?25.

[9] 周向戈，唐麗玉，彭先敏，等.三維園林植被景觀構(gòu)建與虛擬展示[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2019，55（7）：234?240.

[10] 殷勤，肖偉平.電梯三維虛擬仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（5）：162?165.

[11] LEI Zhenhan， SHIMIZU S， OTA N， et al. Construction of urban design support system using cloud computing type virtual reality and case study [J]. International review for spatial planning & sustainable development， 2017， 5（1）： 15?28.

[12] 肖峰，高正平，朱海峰，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在輸電線路大跨越高塔組立模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2018，34（2）：91?97.

[13] 張輝，王盼，肖軍浩，等.一種基于三維建圖和虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互系統(tǒng)[J].控制與決策，2018，33（11）：58?65.

[14] 高國(guó)雪，高輝，焦向東，等.基于Unity3D的焊接機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（3）：19?22.

[15] YUANYI Z， ZHENJIANG S， KAI W， et al. Cloud?based virtual reality integrated automatic presentation script for understanding urban design concepts in the consensus process [J]. International review for spatial planning & sustainable deve?lopment， 2017， 5（1）： 29?44.