支持城市概念设计的虚拟城市系统设计与实现

程思聪，王 祥

（武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022）

支持城市概念设计的虚拟城市系统设计与实现

程思聪，王 祥

（武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022）

城市概念设计是城市规划的指导思想和理念，面向城市概念设计的虚拟城市系统可以采用逼真生动的虚拟场景预演其理念特征，帮助设计师对设计理念进行正确评估。以四川资阳场景为试验区域，设计了支持城市概念设计的虚拟城市系统，并构建了虚拟城市景观模型库。

虚拟城市；景观模型库；概念设计；城市规划

随着GIS和虚拟现实技术的飞速发展，虚拟城市的研究及应用成为一大热点。虚拟城市是关于虚拟现实技术在城市发展中的应用，它提供了数字城市运行所需环境以及信息表达、交互的界面。虚拟城市的构建，为三维环境下规划设计提供了一个平台，使得城市规划师能在虚拟城市环境中进行规划、决策和城市管理。城市概念设计是城市规划的指导理念和框架构想，对城市规划的设计和实施具有前瞻性和指导性的意义。通过虚拟城市系统的建立，使得城市规划设计理念能够采用逼真生动的场景实现，做到所想即所见，帮助规划师对设计理念进行正确评估。

1 虚拟城市系统的主要内容与关键技术

1.1 虚拟城市系统的主要内容

所谓虚拟城市，就是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用3S技术、遥测、仿真－虚拟技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，用于模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程。

1.2 虚拟城市建设的关键技术

一般而言，利用计算机真实表达现实世界，实现数字化三维模拟，并在大范围内传播人们的认知成果，重点需要解决现实世界的抽象、地理要素的表达和成果的使用等三个方面的问题。虚拟城市建设同样如此，涉及多种技术，包括计算机技术、遥感与测量技术、3S一体化技术、三维建模技术等，具体如下：

1）遥感技术。在虚拟城市中，建筑物是非常重要的虚拟城市环境的组成部分。航空影像是建筑物重建的重要数据源，数字摄影测量技术为三维城市数据的获取提供了最经济快捷的方法。目前，集激光扫描仪、GPS以及惯性导航系统（INS）于一体的LIDAR系统是获得目标三维信息的一种新型技术，具有传统摄影测量无可替代的优越性。

2）地理信息系统技术。地理信息系统（GIS）尤其是三维GIS将实现数据库的快速更新和在分析决策模型支持下，快速完成多维、多元复合处理，实现虚拟城市数据库的分析管理。

3）虚拟现实技术。虚拟现实技术的发展和应用为虚拟城市系统的发展提供了良好的理论与技术支撑。当用户戴上立体眼镜、数据手套等，观测者、操作者和决策者可以进入到数字化信息的多维城市环境里面，其感觉的真实性与人在现实城市环境中类似。

4）实时建模技术。建模的目的是在计算机系统内生成城市三维虚拟环境，根据采集到的数据，利用三维实时建模技术建立各种地理实体，如地形、建筑物、道路、水面等在虚拟现实系统中的模型。

2 虚拟城市景观模型库的构建

2.1 虚拟城市景观建模的主要内容

虚拟城市景观建模的基本原理是利用城市实体的空间信息和纹理信息，结合计算机技术和虚拟现实技术通过相应显示设备再现城市三维景观。它由正射影像结合DEM构成三维地形表面，建筑物的几何模型加纹理构成三维建筑物，以及二维影像虚拟建模的植被(森林)与其他地物所组成。在构建城市景观模型过程中包括虚拟地形景观的建立、建筑物模型的建立及纹理数据处理等主要内容。

虚拟城市景观建模根据不同细节层次可以分为三个层面：框架模型、标准模型和精细模型。框架模型表现建模物屋顶及外轮廓的基本特征，标准模型精确反映房屋屋顶及外轮廓基本特征，精细模型精确反映房屋屋顶及外轮廓的详细特征，包括建筑物纹理特征等，在实际建模中根据需要构建不同层次的景观模型。

2.2 虚拟城市景观模型库的构建

城市景观绝大部分为人工建造，随着建筑材料、建筑工艺等的不断发展，不同时代的建筑物表现了不同的特征。由于建筑材料和建筑工艺的有限性，建筑物的特征表现如外表颜色、质地、屋顶构造等都可以总结归纳为一些特定类型，城市要素的其他类型如地表、河流、道路、植被、各种基础设施都有一定的规范性和规律性，这为抽象和概括城市三维景观，建立城市景观组合奠定了现实基础。由于现实世界复杂多样，同类城市景观往往也有大小、粗细和精度的差别，对于不同的应用，其表达的尺度要求也不尽相同，因此，城市景观模型库需要根据应用设计不同的层次。

参考现有景观模型库的研究，本文将城市景观模型库从两种角度进行分类，从模型尺度可以分为个体单元模型库、组合单元模型库和景观单元模型库。从城市要素分类的角度，城市景观模型库由四类模型子库组成，包括建筑物特征库、建筑物纹理库、地面覆盖纹理库和独立地物模型库，结构组成如图1所示。

图1 城市景观单元模型库结构组成

个体单元模型库主要是以个体形式存在的点尺度独立要素，它针对于城市详细规划，具体到城市中的细小地物。组合单元模型库是由同一或者不同个体组合而成的具有区域特征的城市要素，比如复杂的建筑物、各种风格的住宅区等，它同样针对于城市规划中的详细设计。景观单元模型库是针对整个城市分区的模型组，它概括了城市各功能区的多种风格布局，每类景观模型都有针对不同特征及风格的模型组合，主要应用于城市规划中的分区设计。这种分类方式将具体的城市景观抽象概括，有利于城市景观空间尺度上的分析，符合概念设计的抽象性，能很好地辅助规划师进行规划设计。

3 支持城市概念设计的虚拟城市系统的实现

本研究以四川资阳为试验区域，场景范围大约 3 km2，数据基础是AutoCAD格式的1:500的地形图和实地拍摄的照片、视频等纹理属性数据。采用三维建模软件MultiGen Creator来构建城市虚拟场景，三维实时开发工具VEGA进行系统开发。

3.1 主要功能

针对城市概念设计的应用，虚拟城市系统主要实现了以下四个功能：

1）几何与属性户查功能。通过城市要素的选择，获取该要素的相关属性信息；通过名称等属性的选择获得要素的几何定位。

2）本系统在交互式应用上设置了两个功能块：设计辅助和规划对比评估。

设计辅助是针对城市详细规划层面和分区规划层面的概念设计，可以删除、替换、添加场景中的地物模型，针对地块范围进行功能区规划，选择模型库中相应的模型进行场景设计。规划对比评估可以对规划前后的场景同时显示漫游，对比前后的空间布局、形态特征、环境协调性、人文价值、生活实用性等，来判断规划后的布局是否合理。

①辅助设计：在传统的城市规划三维辅助设计中，通常采用CAD等工具对建筑物建模，将平面图形进行拉伸达到所需要的空间效果，这样的技术不具备实时的交互性，通常仅限于微观层面上的景观设计。虚拟城市平台下进行分区层面的概念辅助设计，规划师可以首先在城市空地进行功能分区，然后调用相应的模型进行空间布局，可以调用抽象的符号模型形成概念性分区，也可以调用具体模型块进行详细分区设计，获得建筑物分布特征和表面效果，空间效果如图2、3所示。

图2 功能分区界线

图3 符号模型分区图

②规划对比评估：将规划设计后的场景存储，在vega中开设另一通道，将该场景导入到该通道中，和原来的场景同时显示，还可以同时漫游，以此对规划后效果进行评估（如图4所示）。

图4 规划对比评估

规划对比评估的情况主要有两种，一是旧城改造，二是新城建设。旧城改造主要是将现状场景模型同设计方案的场景模型进行对比评估，通常是单体建筑物的增建或者拆除，从建筑物的高度、表面纹理、色彩等方面评估和周围建筑的关系，既能实现建筑物自身功能，也要满足整个场景的协调性。新城建设主要是大场景重建，通过评估整个场景的布局、风格、功能等多方面的合理性，判断是否满足不同用地的实际需求。

3.2 系统实现

首先进行虚拟城市景观建模。使用数码摄像机获取整个场景区域的整体概貌和局部纹理特征，利用建模软件Creator以及图像处理软件进行数据转换和处理，搭建三维场景数据模型，输出OpenFlight格式的Vega工程文件flt文件，直接调用Vega的工程文件导入场景。在导入基本模型后，用户通过键盘操作进行场景漫游，在漫游过程中，用户可以根据喜好设置场景的光照度，可以在场景中添加雾特效，并根据具体参数设置雾的浓淡以及距离远近。

由于概念设计主要体现了具体规划的概念性设计方案，因此，在辅助平台中需要提供给规划师大量全面的特征模型，这些模型包括概念设计过程中需要考虑到的各种城市要素，能够代表设计理念反映出来的具体对象形态，辅助其更好地思考和设计实施。

4结语

作为现实世界客观实境的模拟和再现，虚拟城市可以为城市规划提供一个很好的平台。在此平台下进行城市概念设计，辅助规划师进行城市空间形态、人文主题、人居环境等的设计，直观逼真，使得规划师能够在身临其境的环境下极大地发挥自己的想象力。对于提高城市建设的时效性、城市管理的有效性、城市资源优化配置水平、城市综合实力以及城市生活质量，促进城市的可持续发展都很有意义。

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Design and Realization of Virtual City System Supporting the Urban Conception Design

by Cheng Sichong

The urban conception design is the guiding ideology of the urban design.The virtual city system facing the urban conception design can preview the con figuration character with realistic virtual scene,which can help the urban designer estimate the design ideology.Using the data foundation of Ziyang city,the paper designed the virtual city system supporting the urban conception design and constructed the virtual city landscape model base.

virtual city,landscape model base,conception design,urban design （Page:28）

P208

B

1672-4623(2011)01-0028-03

2010-08-18

项目来源：精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室开放基金资助项目（PF 2009-4）。

程思聪，工程师，主要研究方向为地图设计与研制、三维GIS。