虚拟现实技术在城市规划中的应用形式及要点阐述

虚拟现实技术在城市规划中的应用形式及要点阐述

杨秋生　潘胜军　秦　楠　(聊城市勘察规划设计院)

一、三维地理信息系统概述

(一)三维地理信息系统的技术基础

三维地理信息系统(VR-GIS)是城市地理信息系统向动态、多维和网络化方向发展的产物，是虚拟现实(Virtual Reality-VR)技术和地理信息系统(GIS)的结合体。

(二)VR-GIS在城市规划中主要的应用形式

VR-GIS在城市规划行业中有多种应用形式。目前作为商品成果出现的有“数字城市管理系统”、“三维地图系统”等。虽然其名称不同，但都采用同样的的技术架构。即利用GIS提供的三维空间坐标找到真实地物与虚拟模型之间的拓扑关系和逻辑顺序。最终将计算机环境中模拟的各种城市规划要素映射到到实际工作当中。

(三)VR-GIS在城市规划中主要的应用类型

根据具体应用方向以及对硬件设备的要求不同，VR-GIS可分为四个应用类型:桌面式、沉浸式、增强式与分布式VR-GIS。

1.桌面式VR.GIS

也称为简易型虚拟现实系统。它是利用个人计算机和低级工作站进行仿真，通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。

2.沉浸式VR-GIS

这是一种高级的虚拟现实系统。除了基本的计算机设备外还需要高宽荧幕、多声道音响设备、以及互动手柄、位置跟踪器等硬件设施。

3.增强式VR-GIS

增强式VR-GIS是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种三维地理信息系统。

4.分布式VR-GIS

分布式VR-GIS是利用远程网络，将异地的用户联结起来，多个用户通过网络同时参加一个虚拟和操作，达到协同工作的目的。

二、VR-GIS开发流程

(一)确定VR-GIS的开发平台

城市规划领域应用的VR-GIS开发平台是基于计算机高级语言如C + + 、JAVA等，配合OpenGL3D或者是Directx3D等图形开发库研发完成的。主要有:Mvlitigen VEGA、Maya、Imagis、VRMap、Skyline TerraSuite。

(二)三维地理信息数据的处理

由于各开发平台依据的技术支持与要实现的功能目的不同，所需处理的数据对象以及处理数据对象的具体方式也有所区别。但有三种类型数据的处理是各平台系统都必须的。

1.地形数据的处理

利用传统基础测量、航拍、雷达探测等不同手段获取地面高程信息后，再经过插值分析、雷达点云数据分析，获取DEM三维地形数据。有一点应该特别强调，DEM数据是一个基础数据的空间构造模型。根据实际需要，它可以表现为多种存在形式。例如:在防汛减灾、交通分析等领域它就表现为雨量、河流径流量、交通量等指标的三维形态。

2.影像数据的处理

DEM三维地形数据只是简单的裸模地形。为了实现与真实场景的一致，需要在DEM裸模地形上附着影像信息。一种是简单色彩和铺装图案的运用，一种是遥感影像的叠加。

附着影像信息的地形数据称为影像金字塔。在VR-GIS中需要逐级分层的展示影像金字塔，目的在于减少非当前窗口所需数据，增强系统稳定性。流行的分层显示技术有两种:一是影象“切片”技术，将影像图片拉伸缩小不同倍比，以期适合不同层级的裸模地形。二是采用多分辨率像素单元提取技术，即改变同一倍比影像图单元格内的像素数值，以实现层级效果的展现。

(三)地物几何模型的构建

三维地信系统的开发平台本身具备模型构建功能模块，但更多是为系统建成后意向性方案对比取舍时服务的。考虑到模型的精致程度，还要依靠一些外部程序构建几何模型，常用的是3DMAX。由于系统构建的几何模型数量巨大，需要在建模时注意减少模型切面数量，常用面片建模法。建模过程中要尽量避免波尔运算，运用焊接冗余模型节点，整体塌陷生成等一系列手段减少数据量。模型贴图一般采用处理后的实景照片，实际环境特别混乱的可以用色彩颜色表示。

(四)二维数据接口的预留与属性信息的录入

不同的开发平台预留的数据接口不同，但一般都支持CAD、MAPINFO格式数据的导入。部分平台允许直接关联外部程序，可以随时调取PPT文件和图片、视频文件。

多源数据的融合可以实现空间信息的多重精准定位，发挥不同软件的技术优势，提取各种信息点并在系统中整合共享。需要指出的是，大量矢量数据的导入会严重影响系统运行速度，需要对矢量数据进行标量化无损失转换处理。

目前的开发平台多数支持支持Oracle 10g及以上版本的关系型数据库存取管理，可以直接调取GIS地形数据信息。另外，录入建筑的“两证一书”信息，即时调取，实现管理手段的信息化。

三、VR-GIS的技术短板

(一)VR-GIS不能取代其他设计管理软件

VR-GIS是一种辅助决策平台。在城市规划中的主要作用是直观、便捷的从宏观角度把握建设项目与周围环境是否协调，体量、风格是否与其他单元个体统一融合，地块或建筑基本的指标特征是否与控规要求相吻合。在剔除明显的不符合特征要求的项目后，再运用其他手段进行定量分析。在测量计算、非数据库内容统计分析方面，相对矢量软件CAD、COREDRAW，其运算能力一般。在建筑细部刻画、外观精准描写方面，相对于SKATCHUP、3DMAX等单体模型渲染软件，其表现能力一般。在任意地块指标分析方面，相对规管2000、规信99等管理软件，其精准程度一般。

(二)VR-GIS不同于三维动画

VR-GIS是一种交互性良好的系统平台。它尊重使用者自身的操作期望，把整个城市全方位、多角度的展现给系统使用者。这与三维动画设置固定的漫游路径，选择性的将最完美的场景艺术化的表达出来完全不同。VR-GIS在强调真实度的同时，不可避免的牺牲了艺术美感。但其丰富的辅助决策功能是仅依靠视觉效果突破使用者心理底线的三维动画无法企及的。

(三)遥感影像的使用与否取决于具体的功能意向

在DEM裸模地形上附着影像信息时要根据实际用途决定采用遥感影像还是简单色彩。运用遥感影像可以真实的反映地表环境，更好的把握区域特征特色。特别在勾勒郊区、农村等大尺度轮廓、凸显背景色调方面有着无可替代的优势。但是遥感影像的使用也有不可忽略的缺憾。主要表现在:

1.增加投资成本。

购买遥感影像的首次花费占整个系统投资的10%左右。而且城市变化是个动态过程，定期更新遥感影像增加了维护成本。

2.使用之前需要进行预处理

遥感影像并非完全的正射投影，总会存在建筑阴影。一般的VR-GIS拥有日照模拟功能，如果不去除影像图上的建筑阴影会对分析结果产生干扰。建筑模型与DEM地形结合时也会因影像图阴影的存在产生悬空感。大面积遥感影像的处理就会增加系统开发的工作量。

3.视觉效果一般

在规划展示场馆，更多的为非专业人群提供描绘性演示，特别重视视觉效果。丰富色彩色块的运用要比单一绿背景的遥感影像更具吸引力。

四、结论

VR-GIS的专业性强、技术难度高。如果从项目实践角度出发，对系统建设各个环节的具体情况进行深度剖析和理论阐释，就会使问题相对简单。加之对系统缺憾的论述，使其建成后更加符合使用者的心理预期，从而更快更好的服务于城市规划工作。

参考文献

［1］李成名等.数字城市三维地理空间框架原理与方法.科学出版社，2008.

［2］倪金生.地理信息系统理论与实践.电子工业出版社，2007.

［3］国家空间信息基础设施发展规划研究.科学出版社，2004.