[关键词]：城市规划，城市设计、航空像片，地形图，三维建模，可视化，视觉仿真，海量数据，虚拟现实

一、前 言

随着三维建模与可视化技术的不断发展，特别是随着虚拟现实(Virtual Reality－VR)技术研究的不断深入，当前已能做到通过计算机整合图像、声音、动画等，将三维的现实环境、物体等模拟成二维形式表现的虚拟现实，再由数字元媒通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生犹如身临其境的交互式视景仿真，并可选择任一角度，观看任一范围内的场景。
正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求，以及个人能够沉浸其中，超越其上进出自如交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在城市规划与土木工程中的发展与应用。城市规划与土木工程中的虚拟现实技术涉及城市建设的方方面面，目前已显示出一定的实用性，并且技术潜力巨大，应用前景十分广阔。

二、问题的提出

　　当前，虚拟现实（VR）技术已在欧美、台湾等地区广泛使用，并已广泛应用于城市规划、旅游、产品、房地产、服装展示、展览等领域。但在国内规划领域目前却应用不多，这是因为：

　　第一，对于规划来说地域涉及范围太广，三维数据模型需求量太大，这就使得三维建模与数据处理的工作量太大；

　　第二，当前市场的三维软件主要擅长对规划/建筑三维模型的建立，而对大量现状城市三维景观模型的建立则无合适的产品与软件。这就造成所生成的规划模型很难作到与周边环境的融合，这就大大降低了规划模型的三维表现效果；

　　第三，工作周期太长，软硬件投资太大。

　　但是，当前在城市规划设计、管理、编制、审批过程中确实需要借助三维建模与视觉仿真等高新技术手段，通过将规划方案直观地展现出来，帮助规划设计与规划管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审，并为有关领导做出最终决策提供帮助。 

三、研究目标

　　基于以上考虑，上海市城市规划管理局提出了研究"城市规划可视化的审批技术"。研究如何利用当前最新的三维建模与可视化技术，实现对城市现状与规划三维模型的快速建立；同时利用三维建模与可视化技术，提供对城市规划设计与城市规划管理项目审批的直观、可行的可视化辅助手段。除此以外，研究还要满足以下要求：

　　1、整个方案在微机平台上进行；
　　
　　2、能够充分利用现有航空遥感资料和地形资料；
　　
　　3、能在较短时间内完成；
　　
　　4、软硬件要求低，成果易于普及应用。

四、研究试验

　　经过多方研究与分析比较，我们确定具体研究内容如下：

　　1、以现有航空遥感资料与地形资料为基础，实现现状地物与规划建筑三维模型的快速建立与纹理提取；

　　2、以上述三维模型为基础，利用三维可视化技术来为城市规划的设计管理提供更加方便、直观、可行的可视化辅助手段；

　　3、对已建立的三维模型进行统一管理，并在其基础上叠加现有规划管理资料（如控详、修详、道路红线等）进行一定的空
间统计分析，从而实现三维GIS的管理与应用；

　　针对以上内容，我们采用武汉适普软件公司自主研发的全数字摄影测量系统VirtuoZo、三维可视地理信息系统IMAGIS和城市建模与可视化系统CyberCity等软件，结合他们在数字摄影测量领域、三维建模和海量数据漫游的技术专长，与武汉适普软件公司进行合作研究，来共同完成我们的研究目标。

　　为了保证研究的针对性和代表性，我们选择了现状比较复杂，规划资料比较齐全的上海浦东小陆家嘴地区为实验对象，针对上述要求进行了一系列试验研究：

　　首先，我们与武汉适普软件公司合作，以浦东小陆家嘴地区航空像片（假彩色航片，航摄比例尺1：10000，如图一所示）为基础，生成了浦东小陆家嘴地区的现状高层三维模型（如图三标识之1所示现状高层三维模型）；

图一 浦东小陆家嘴地区航空影像

　　 其次，利用浦东小陆家嘴地区的1：500矢量地形图生成了该地区的现状多层三维模型（如图三标识之2所示建筑模型）；

　　第三，根据成果要求，在相应的三维软件中将上述现状高层模型与多层三维模型结合到一起，共同构成浦东小陆家嘴地区的现状三维模型（如图二所示）；

图二 浦东小陆家嘴地区现状三维模型

　　第四，根据正在进行规划审批的高层建筑设计方案，生成高层建筑的三维模型（如图三标识之3所示高层建筑模型），将之插入浦东陆家嘴地区现状模型，以此为基础进行城市规划管理辅助审批；

图三 浦东小陆家嘴地区三维审批模型

　　第五，在上述成果的基础上，输入该高层建筑坐落位置的真实经纬度坐标，就可对其进行周边地区日照影响分析（如图四所示）；

图四 日照影响分析模型

　　第六，根据浦东小陆家嘴地区之CBD详细规划，建造浦东小陆家嘴地区规划景观模型，并将其中已经建成实施的现状模型结合其中，共同生成浦东小陆家嘴地区未来景观模型（如图五所示）

图五 浦东小陆家嘴地区未来景观模型

　　第七，通过相应的三维GIS软件，将已经生成的浦东小陆家嘴地区的现状三维模型管理起来，并对之进行相应的三维GIS管理与查询调用（如图六、图七所示）；

图七 三维GIS统计查询

　　第八，除了以上三维可视化成果外，还可将最终成果以VRML（虚拟现实建模语言）方式存储，并将其通过Internet浏览器方便地呈现给用户（如图八所示）；

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图八 网上调用三维可视化成果

　　上述三维成果模型共涉及区域2.3平方公里，涉及建筑5266栋，总工作时间约60天，其中建模约40天，成果渲染处理约20天。

　　由于以上成果多为固定路径、固定视野、固定效果的三维动画仿真。为了进一步增强成果的表现力，增强成果应用的灵活性与用户的参与性，本次研究又在上述成果的基础上针对当前最新的虚拟现实技术进行了深入研究，并以上海外滩地区为例取得了不错的初步虚拟现实成果。在该成果中，用户可以通过一个控制手柄，以人机交互的方式直接选择任一角度，观看任一范围内的场景或选择观看物体的任一角度，使之产生犹如身临其境般的感觉。从而将本次研究的成果向实用性与易用性方面更推进一步（具体实现方法如下图所示）。 

图九 虚拟现实人机交互控制方式

五、成果分析

　　上述成果经专家与规划业务人员审定后认为，该成果具有以下特点：

　　1、整个方案在微机平台上进行，软硬件要求不高，；

　　该方案技术路线的实现除最终大数据量合成与三维效果生成需高性能微型计算机外，其余工作皆可在普通微机平台上进行。而软件由于主要采用武汉适普软件公司自主研发的ImgGIS与CyberCity软件，相对软件成本也较低。

　　2、能够充分利用现有的航空遥感资料和地形资料，方便城市基础三维数据的快速采集与更新；

　　城市现状三维模型的建立可以充分利用现有的城市航空遥感资料与矢量地形资料，通过对上述资料的数据处理，快速采集生成城市现状三维模型。同时，利用城市航空遥感资料更新快速的特点，实现对城市现状基础三维数据的快速更新。

　　3、能够实现多源三维数据的融合；

　　该方案可以同时兼容当前主流的三维数据格式，如：Max、Viz、3ds、3d、Wrl、3dv、Dxf等。

　　4、成果数据开放，易于普及推广

　　本方案最终成果采用Avi、Scm、Mov、Wrl等常用多媒体或Internet虚拟现实格式，几乎支持当前所有主流配置计算机，非常易于普及推广。

　　5、能够根据规划设计与管理审批的不同要求生成不同的三维辅助成果； 

　　一旦城市现状三维数字模型建立，就可根据规划管理审批的不同阶段与不同要求，生成多种规划管理可视化审批成果，供城市规划设计与管理审批使用。

　　6、海量现状三维数据的生产效率显著提高；

　　对于城市现状三维模型的建立来说，当前所采用的主流方法是根据现状建筑的外形与尺寸信息，或者是该建筑的原始建筑设计资料，采用CAD建模的方法来建立城市建筑的现状三维模型。该方法与本次研究成果相比各有其优缺点。但在城市现状三维模型建模量非常大的情况下，本方案对生产效率的提高就显得非常显著。具体成效如下图所示：

图十 工作成效对照表

　　由上图可见，当城市现状三维模型建模工作量不大时，采用传统CAD建模的方法工作效率相对较高，因为采用本研究方案将花费一定的时间在航空遥感资料处理上。但当城市现状三维模型建模量达到一定规模时，采用本方法的好处就非常显著了。

　　对于两种方法工作量平衡点"S"的确定，本研究作了大量的测定工作。经试验分析，在理想情况下，二者的平衡点"S"约为四、五百栋建筑。而这里所谓的理想状况是指在开始工作前已经掌握目标地区城市现状建筑的外形与尺度信息，或已经得到了这些现状建筑的原始建筑设计资料。而这种情况在现实工作中几乎是不存在的。现实情况是如果要得到城市现状建筑的完整外形与尺度信息的话，必须通过外业测量或城建档案馆调档的方法才能得到。如果考虑这些因素的话，那么这个"S"平衡点最多为一百栋建筑，而且还不算就此多投入的大量人力物力。相对于动辄涉及数平方公里、数百上千栋建筑的规划三维模型建模量来说，采用此方法的好处是无庸置疑的。

六、结论与展望

　　本研究在充分利用航空像片与地形图的基础上，通过对三维建模与视觉仿真技术的研究，有效探索了如何在现有条件下快速实现城市规划可视化审批的技术难题。由于上述成果已经能够基本满足城市规划设计与管理审批的基本要求，经上海市城市规划管理局领导研究决定，将在"黄浦江两岸改造与城市设计国际招投标项目"与"虹桥开发区城市设计"项目中直接应用本研究的技术成果，实现对黄浦江两岸6平方公里中心地带，以及虹桥开发区1.8平方公里现状/规划建筑的三维建模工作与可视化审批工作。
在新的项目中，我们还将针对前期研究中发现的问题，继续就以下问题进行深入研究：

　　1）城市三维数字模型标准的研究与建立；

　　2）城市三维现状数字模型生产流程的规范化；

　　3）城市三维建模与可视化技术、软件的进一步研究；

　　4）在原三维建模的基础上，探索建立初步虚拟现实的技术； 

　　5）城市三维可视化技术在城市规划管理中的深入应用研究；

　　6）城市三维海量数据的管理、维护与更新。

参 考 文 献

　　1、《数字摄影测量学》，1994，张祖勋等，武汉测绘科技大学出版社
　　2、《Virtuozo NT使用手册》，1999，适普软件有限公司
　　3、《3D Studio VIZ R2建筑设计》，1999，傅富恒，中国青年出版社
　　4、《3D Studio VIZ R2全面技术手册》，1999，冯群亮，西安电子科技大学出版社
　　5、《3D Studio VIZ R2建筑设计》，1999，傅富恒，中国青年出版社
　　6、《上海市城市规划展示馆城市仿真系统建议书》，1999，香港耀华科技有限公司 
　　7、《上海市规划管理局办公自动化系统实施方案》，1999，上海市城市规划管理局
　　　　的Virtuozo、CyberCity及Autodesk公司的3D Studio VIZ软件。