三维技术在城市软件中的运用研究

刘珺

摘 要：计算机和信息技术的快速发展，已经成为城市信息化建设的发展的趋势。三维城市规划不仅是城市现代化技术的集中表现，也是目前信息社会建设的重要组成部分。而三维技术的出现可以更好地对城市空间特征进行分析，消解了人类三维效果的感知困境，使现代城市三维典型空间表达成为可能。在计算机技术和三维技术的推动下，三维城市建设得到了迅速发展，地理信息系统技术，CAD三维技术、虚拟现实技术、计算机网络等技术的运用，可以直观真实地反映出一个城市的外貌，城市中的建筑物、地形、道路等，对于构建现代化三维城市和可视化三维模型起着其他技术无法取代的效果。

关键词：三维技术；城市规划；建模；实例分析

为了满足“数字城市”发展的需求，地理信息系统（GIS）三维技术真实实现了城市规划的设计，更加有效地表达城市景观中的各种信息。三维技术在城市景观设计中今天已经成了必不可少的工具，它以其强大的虚拟表达手法更加表达了城市典型空间的存在，也将在设计过程中传递城市不断生长的过程；当城市典型空间信息流在三维技术的处理后生成受众可读取的符号，连同城市不断变化的空间结构也被无限量地复制，消解了人类在以前直觉视觉的弊端，使城市典型空间的表达成为可能。三维技术的运行可以帮助城市建设和规划直观地、全方位地给人们提供有各种具有真实感的场景，因而受到很多城市规划和设计者的青睐。

1 理论基础概述

城市建设：城市建设和城市规划是一门传统的学问，自城市成立以来每个民族都形成了自己的独特的知识结构。城市规划的研究就是对城市的城市的各项工程建设、科学布局、未来发展等进行综合的安排。城市规划是一项科学性、系统性、区域性和政策性很强的工作。预见并合理地确定城市的发展方向的城市规划和城市设计建设的首要条件，然后就是合理布局和规划合理的规模，统筹安排各项建设，协调各方面发展，做好环境预测和评价，让城市建设和城市规划的操着整个目标发展，达到经济合理、环境优美、技术先进的综合效果，为城市人民工作和生活创造良好条件。

城市建设规划理论：城市的建设由历史城市风貌建设和现代城市风貌建设两大部分组成。随着城市理论的不断发展，逐渐形成了相对完善的一系列的城市建设理论和成果，如城市发展平衡理论、城市意象理论、新城市主义理论、街道美学理论、建筑美学理论等。第一，城市意象理论。这个理论是凯文·林奇提出的，他强调城市规划应该突出城市各个单元细节意象，这些意向结合起来就构成了城市的综合意向。城市意象理论为城市规划中的城市风貌影响提取提供了依据和方法，凯文·林奇提出的城市意象的五元素在城市风貌元素中同样可以体现，凯文·林奇将这些元素进行深化，为城市风貌因子分析提供了理论依据，这种理论保证了城市规划的安全性和实用性，还确保了城市建设为人们创造一种特征记忆。第二，建筑美学理论。建筑美学理论是城市规划中追求美的行为学，建筑美学理论重点是追求实用性的美，建筑美就是对建筑的另一种认识。建筑美是城市规划的主要的载体之一，这也是城市文脉的体现，展现现代城市特色的重要部分，在现代化的城市建设中，对城市建筑进行整治和规划过程，采用运用建筑美学，这对优化城市建筑景观，增强城市风貌，展现社会经济和城市历史人文有着重要的作用。

2 城市规划中常见的三维技术

城市建设过程中常见的三维技术有：地理信息系统技术（GIS）、虚拟现实技术（VR）、CAD三维建模技术和城市三维模型技术等。

2.1 地理信息系统技术（GIS）

地理信息系统（GIS）技术是通过对地理环境信息的采集，实现地理环境信息的存储、分析、检索和显示等功能，并且由计算机网络系统支撑实现的。地理信息系统技术一般包括数据源的选择、数据预处理、数据源的规范化、资料编辑、数据输入、数据管理和数据输出、数据分析应用、制图6个部分组成。

2.2 虚拟现实技术（VR）

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）是通过图像技术、传感器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话等技术的综合运用的技术。虚拟现实技术目前在城市建设中被广泛应用到城市规划中，大到城市的环境规划和设计，小到大比例尺模型的制作运用。

2.3 CAD三维建模技术

CAD技术是采用计算机强大的数值计算能力和图形处理能力，帮助工程技术人员实现产品或工程的分析和设计的一种技术。CAD三维建模技术其强大的功效和优越性，可以精确的计量出常规计算方法無法计算的工程量，因此受到设计者的喜爱。CAD三维技术是在二维建模技术的基础上衍生出来的技术，并且CAD三维技术可以在二维制图的基础上实现。采用二维技术及建模技术可以把事先完成的某项施工部位的剖面图或平面图，采用拉伸命令实现它的主要框架，再采用某些特定部位的体型要求，采用布尔运算来实现设计者需要的特殊形状，达到他们想要达到的目的。CAD技术完成的三维模型可以从多方位的观察结构物的各部位形状，准确显示它们的体型变化规律，计算他们的质量、体积等，还可以计算结构物的惯性矩、质心、惯性积以及结构物的回转半径等，同时采用CAD技术还可以进行结构物的构件质量属性分析、应力应变分析、装配干涉分析、运动分析、为建筑结构的设计和构件吊装提供理论支持和技术指导。

2.4 城市三维模型技术

城市三维模型技术是城市规划和城市建设的虚拟仿真基础，是在虚拟仿真环境中建立三维模型，这样不但可以逼真的再现真实场景，也能起到满足实时渲染要求。

（1）三维建模工具主要有：第一，Site Builder 3D工具；第二，Multigen Creator工具；第三，Smart Scene工具。

（2）城市三维建模的方法。三维技术在城市模型建设中，建筑物是最主要的对象，为此如何获取建筑物的侧面纹理数据、高度数据、几何要素数据便是成为三维技术在城市建模中的一项重要工作。

目前建筑模型纹理的获取常见的方法主要有四种：第一种是采用计算机进行模拟绘制。这种方法数据量少、采用矢量纹理，渲染时处理速度也快，不过缺乏真实感。第二种方法是根据地面摄影图像进行提取。这种方法获取容易，建立模型真实感强，成本低廉。不过需要拍摄大量的建筑物侧面照片和需要人工在现场照相取样，获取过程中要花费大量的时间，计算机处理和编辑过程中也需要很多时间，因此，这种方法不适合用于超大场景的使用。第三种方法就是根据摄影像片由计算机生成。这种方法采用计算机提取特征纹理，可以减少了纹理数据的获取量和纹理制作的工作量，不过这种方法真实感也较差。第四种方法是采用空中影像获取。这一方法获取的纹理失真较大，真实感也差，在使用过程中较少，主要被用来获取地表的影像，另外，由于在空中影像中也含有部分建筑物的侧面纹理，为了减少工作量，可以对这些纹理进行提取并加以处理，这种方式所。

3 城市规划中三维技术运用路线和范围分析

3.1 制作三维电子地图

城市三维电子地图的制作是三维技术在城市建设中一个最重要的应用范围，它对于城市的数字建设和数字化发展提供最基本信息数据。三维电子地图在城市数字建设开始就产生了，它大大提高了城市建设和规划管理的效率。起初的三维电子地图并没有真正采用三维技术，而是在传统的纸质二维技术上，对地图进行数字化，在视觉效果上，也只是二维地图。

随着三维虚拟现实技术的快速发展，城市三维电子地图不断出现，也形成了三维的视觉效果。通过三维技术建立城市三维电子地图，让人的视觉理解和感知变得更加容易，它不仅提供二维道路交通网络信息，还有更直观的景观和城市建筑的三维仿真模型。

目前，城市三维电子地图在网上普遍存在。由于技术手段的不同，目前网上流传的城市三维电子地图主要有三种表现类型。第一种是2.5D的电子地图，这种地图也叫立体地图，不是真正意义上的三维的电子地图，实质是以图片为最终视觉表现方式。这种地图通过三维软件将城市的建筑景观与道路交通建立出来，通过固定轴侧图视角渲染成展示城市图片，再通过网络交互技术在网络中展现出来。由于这种2.5D技术较低，相对最为成熟，目前应用也最为广泛。

第二种地图是在城市2.5D电子地图的基础上建立的多角度的浏览电子地图，也称为准三维电子地图。我国2010上海世博会的网站里宣传时就是通过 “N city”这种准三维交互技术三维技术建立的三维地图。

真正的城市三维电子地图应该是自由交互的、全方位的电子地图。采用3D进行渲染引擎，实现三维空间内的自由交互。这种城市三维电子地图在热门的莫Google earth中广泛被运用。Google earth不仅把地球的卫星照片信息组合一起，还包含了地球表面的三维地形数据信息，以及美国及其他国家各大城市的三维建筑信息数据。通过Google earth软件我们可以找到完整的三维数字地球和可以从每个角度的在三维环境中观看城市三维地图。

3.2 虚拟城市规划的运用

三维虚拟现实技术可以在城市规划中运用在工程领域和城市建筑方面。建筑设计师通过计算机辅助设计软件对城市建筑物进行设计，然后采用三维软件建立建筑物模型，这样就可以实现三维实时浏览，观察建筑的各个部分，并可以通过三维技术实时进行修改操作。

这种三维技术的设计过程本身就是一种虚拟现实的过程，这种技术的高效的优越性可以应用扩展到城市规划建设中，结合GIS系统，建立城市规划的三维模型数据，并且根据城市规划的具体要求和设计实施三维数据的修改，同时采用三维虚拟现实技术可以对规划后的城市进行各项数据评估，以便更好地审核设计的合理性。

虚拟现实技术的运用不是城市规划设计的“纸上谈兵”，并且可以更好地仿真表现，建立虚拟的规划方案实施效果，从而可以达到经济、社会、生态的最佳综合效益以及城市各种景观的协调，通过三维技术可以修改反复编译，最终达到最好的效果实施方案。

在城市数字化建设和发展过程中，三维技术运用越来越多，它给人们的生活、工作带来的是更加生动仿真的虚拟环境，并且实现了现实般互动交流，因此受到很多设计者的青睐。

4 总结与展望

4.1 总结

本文围绕三维技术在城市规划中的运用展开研究，特别对于虚拟现实技术的实景空间进行了案例分析。三维技术在城市规划中的运用随着计算机技术和图像技术的快速发展，目前已经形成了很多的现有成果，不过这些成果很多都在理论层面上进行分析，对于实际的案例分析和实证研究较少，在目前城市規划中，需要更多的实用性研究成果，这样才能更好地让三维技术促进城市化建设。

通过三维虚拟实现技术完成了城市规划三维仿真系统的设计，在城市环境设计、场景模型建立的基础上，提出了Hierarchy View层次结构视图优化和OpenGVS软件场景渲染，使三维技术在城市规划中应用有了认识和了解。

4.2 展望

目前三维技术的很多功能还没有完全开发出来，距离真正的城市规划实际应用还有很长的距离，今后应该在以下几个方面进行进一步的深入研究：

（1）加强虚拟实景空间理论的建设。目前三维技术在虚拟实景空间理论中还是起步阶段，很多大场景在设计过程中还无法真正满足实际的需要。

（2）加强三维技术的动态虚拟实景设计。目前很多的城市建设运用三维技术设计构造的虚拟实景空间都是静态的，这样在城市的实际需求中，不光要静态的设计，也需要动态的需求，而且动态的虚拟实景空间意义重大，关系到城市中的重大安全问题都可通过虚拟实景来模拟，如一个十万人的足球场，发生意外的事件时，需要多少分钟，多少条逃生通道才合理。为此，今后的研究工作应该加深三维技术的动态研究。

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