三維技術在城市軟件中的運用研究

劉珺

摘 要：計算機和信息技術的快速發展，已經成為城市信息化建設的發展的趨勢。三維城市規劃不僅是城市現代化技術的集中表現，也是目前信息社會建設的重要組成部分。而三維技術的出現可以更好地對城市空間特征進行分析，消解了人類三維效果的感知困境，使現代城市三維典型空間表達成為可能。在計算機技術和三維技術的推動下，三維城市建設得到了迅速發展，地理信息系統技術，CAD三維技術、虛擬現實技術、計算機網絡等技術的運用，可以直觀真實地反映出一個城市的外貌，城市中的建筑物、地形、道路等，對于構建現代化三維城市和可視化三維模型起著其他技術無法取代的效果。

關鍵詞：三維技術；城市規劃；建模；實例分析

為了滿足“數字城市”發展的需求，地理信息系統（GIS）三維技術真實實現了城市規劃的設計，更加有效地表達城市景觀中的各種信息。三維技術在城市景觀設計中今天已經成了必不可少的工具，它以其強大的虛擬表達手法更加表達了城市典型空間的存在，也將在設計過程中傳遞城市不斷生長的過程；當城市典型空間信息流在三維技術的處理后生成受眾可讀取的符號，連同城市不斷變化的空間結構也被無限量地復制，消解了人類在以前直覺視覺的弊端，使城市典型空間的表達成為可能。三維技術的運行可以幫助城市建設和規劃直觀地、全方位地給人們提供有各種具有真實感的場景，因而受到很多城市規劃和設計者的青睞。

1 理論基礎概述

城市建設：城市建設和城市規劃是一門傳統的學問，自城市成立以來每個民族都形成了自己的獨特的知識結構。城市規劃的研究就是對城市的城市的各項工程建設、科學布局、未來發展等進行綜合的安排。城市規劃是一項科學性、系統性、區域性和政策性很強的工作。預見并合理地確定城市的發展方向的城市規劃和城市設計建設的首要條件，然后就是合理布局和規劃合理的規模，統籌安排各項建設，協調各方面發展，做好環境預測和評價，讓城市建設和城市規劃的操著整個目標發展，達到經濟合理、環境優美、技術先進的綜合效果，為城市人民工作和生活創造良好條件。

城市建設規劃理論：城市的建設由歷史城市風貌建設和現代城市風貌建設兩大部分組成。隨著城市理論的不斷發展，逐漸形成了相對完善的一系列的城市建設理論和成果，如城市發展平衡理論、城市意象理論、新城市主義理論、街道美學理論、建筑美學理論等。第一，城市意象理論。這個理論是凱文·林奇提出的，他強調城市規劃應該突出城市各個單元細節意象，這些意向結合起來就構成了城市的綜合意向。城市意象理論為城市規劃中的城市風貌影響提取提供了依據和方法，凱文·林奇提出的城市意象的五元素在城市風貌元素中同樣可以體現，凱文·林奇將這些元素進行深化，為城市風貌因子分析提供了理論依據，這種理論保證了城市規劃的安全性和實用性，還確保了城市建設為人們創造一種特征記憶。第二，建筑美學理論。建筑美學理論是城市規劃中追求美的行為學，建筑美學理論重點是追求實用性的美，建筑美就是對建筑的另一種認識。建筑美是城市規劃的主要的載體之一，這也是城市文脈的體現，展現現代城市特色的重要部分，在現代化的城市建設中，對城市建筑進行整治和規劃過程，采用運用建筑美學，這對優化城市建筑景觀，增強城市風貌，展現社會經濟和城市歷史人文有著重要的作用。

2 城市規劃中常見的三維技術

城市建設過程中常見的三維技術有：地理信息系統技術（GIS）、虛擬現實技術（VR）、CAD三維建模技術和城市三維模型技術等。

2.1 地理信息系統技術（GIS）

地理信息系統（GIS）技術是通過對地理環境信息的采集，實現地理環境信息的存儲、分析、檢索和顯示等功能，并且由計算機網絡系統支撐實現的。地理信息系統技術一般包括數據源的選擇、數據預處理、數據源的規范化、資料編輯、數據輸入、數據管理和數據輸出、數據分析應用、制圖6個部分組成。

2.2 虛擬現實技術（VR）

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology）是通過圖像技術、傳感器技術、計算機技術、網絡技術以及人機對話等技術的綜合運用的技術。虛擬現實技術目前在城市建設中被廣泛應用到城市規劃中，大到城市的環境規劃和設計，小到大比例尺模型的制作運用。

2.3 CAD三維建模技術

CAD技術是采用計算機強大的數值計算能力和圖形處理能力，幫助工程技術人員實現產品或工程的分析和設計的一種技術。CAD三維建模技術其強大的功效和優越性，可以精確的計量出常規計算方法無法計算的工程量，因此受到設計者的喜愛。CAD三維技術是在二維建模技術的基礎上衍生出來的技術，并且CAD三維技術可以在二維制圖的基礎上實現。采用二維技術及建模技術可以把事先完成的某項施工部位的剖面圖或平面圖，采用拉伸命令實現它的主要框架，再采用某些特定部位的體型要求，采用布爾運算來實現設計者需要的特殊形狀，達到他們想要達到的目的。CAD技術完成的三維模型可以從多方位的觀察結構物的各部位形狀，準確顯示它們的體型變化規律，計算他們的質量、體積等，還可以計算結構物的慣性矩、質心、慣性積以及結構物的回轉半徑等，同時采用CAD技術還可以進行結構物的構件質量屬性分析、應力應變分析、裝配干涉分析、運動分析、為建筑結構的設計和構件吊裝提供理論支持和技術指導。

2.4 城市三維模型技術

城市三維模型技術是城市規劃和城市建設的虛擬仿真基礎，是在虛擬仿真環境中建立三維模型，這樣不但可以逼真的再現真實場景，也能起到滿足實時渲染要求。

（1）三維建模工具主要有：第一，Site Builder 3D工具；第二，Multigen Creator工具；第三，Smart Scene工具。

（2）城市三維建模的方法。三維技術在城市模型建設中，建筑物是最主要的對象，為此如何獲取建筑物的側面紋理數據、高度數據、幾何要素數據便是成為三維技術在城市建模中的一項重要工作。

目前建筑模型紋理的獲取常見的方法主要有四種：第一種是采用計算機進行模擬繪制。這種方法數據量少、采用矢量紋理，渲染時處理速度也快，不過缺乏真實感。第二種方法是根據地面攝影圖像進行提取。這種方法獲取容易，建立模型真實感強，成本低廉。不過需要拍攝大量的建筑物側面照片和需要人工在現場照相取樣，獲取過程中要花費大量的時間，計算機處理和編輯過程中也需要很多時間，因此，這種方法不適合用于超大場景的使用。第三種方法就是根據攝影像片由計算機生成。這種方法采用計算機提取特征紋理，可以減少了紋理數據的獲取量和紋理制作的工作量，不過這種方法真實感也較差。第四種方法是采用空中影像獲取。這一方法獲取的紋理失真較大，真實感也差，在使用過程中較少，主要被用來獲取地表的影像，另外，由于在空中影像中也含有部分建筑物的側面紋理，為了減少工作量，可以對這些紋理進行提取并加以處理，這種方式所。

3 城市規劃中三維技術運用路線和范圍分析

3.1 制作三維電子地圖

城市三維電子地圖的制作是三維技術在城市建設中一個最重要的應用范圍，它對于城市的數字建設和數字化發展提供最基本信息數據。三維電子地圖在城市數字建設開始就產生了，它大大提高了城市建設和規劃管理的效率。起初的三維電子地圖并沒有真正采用三維技術，而是在傳統的紙質二維技術上，對地圖進行數字化，在視覺效果上，也只是二維地圖。

隨著三維虛擬現實技術的快速發展，城市三維電子地圖不斷出現，也形成了三維的視覺效果。通過三維技術建立城市三維電子地圖，讓人的視覺理解和感知變得更加容易，它不僅提供二維道路交通網絡信息，還有更直觀的景觀和城市建筑的三維仿真模型。

目前，城市三維電子地圖在網上普遍存在。由于技術手段的不同，目前網上流傳的城市三維電子地圖主要有三種表現類型。第一種是2.5D的電子地圖，這種地圖也叫立體地圖，不是真正意義上的三維的電子地圖，實質是以圖片為最終視覺表現方式。這種地圖通過三維軟件將城市的建筑景觀與道路交通建立出來，通過固定軸側圖視角渲染成展示城市圖片，再通過網絡交互技術在網絡中展現出來。由于這種2.5D技術較低，相對最為成熟，目前應用也最為廣泛。

第二種地圖是在城市2.5D電子地圖的基礎上建立的多角度的瀏覽電子地圖，也稱為準三維電子地圖。我國2010上海世博會的網站里宣傳時就是通過 “N city”這種準三維交互技術三維技術建立的三維地圖。

真正的城市三維電子地圖應該是自由交互的、全方位的電子地圖。采用3D進行渲染引擎，實現三維空間內的自由交互。這種城市三維電子地圖在熱門的莫Google earth中廣泛被運用。Google earth不僅把地球的衛星照片信息組合一起，還包含了地球表面的三維地形數據信息，以及美國及其他國家各大城市的三維建筑信息數據。通過Google earth軟件我們可以找到完整的三維數字地球和可以從每個角度的在三維環境中觀看城市三維地圖。

3.2 虛擬城市規劃的運用

三維虛擬現實技術可以在城市規劃中運用在工程領域和城市建筑方面。建筑設計師通過計算機輔助設計軟件對城市建筑物進行設計，然后采用三維軟件建立建筑物模型，這樣就可以實現三維實時瀏覽，觀察建筑的各個部分，并可以通過三維技術實時進行修改操作。

這種三維技術的設計過程本身就是一種虛擬現實的過程，這種技術的高效的優越性可以應用擴展到城市規劃建設中，結合GIS系統，建立城市規劃的三維模型數據，并且根據城市規劃的具體要求和設計實施三維數據的修改，同時采用三維虛擬現實技術可以對規劃后的城市進行各項數據評估，以便更好地審核設計的合理性。

虛擬現實技術的運用不是城市規劃設計的“紙上談兵”，并且可以更好地仿真表現，建立虛擬的規劃方案實施效果，從而可以達到經濟、社會、生態的最佳綜合效益以及城市各種景觀的協調，通過三維技術可以修改反復編譯，最終達到最好的效果實施方案。

在城市數字化建設和發展過程中，三維技術運用越來越多，它給人們的生活、工作帶來的是更加生動仿真的虛擬環境，并且實現了現實般互動交流，因此受到很多設計者的青睞。

4 總結與展望

4.1 總結

本文圍繞三維技術在城市規劃中的運用展開研究，特別對于虛擬現實技術的實景空間進行了案例分析。三維技術在城市規劃中的運用隨著計算機技術和圖像技術的快速發展，目前已經形成了很多的現有成果，不過這些成果很多都在理論層面上進行分析，對于實際的案例分析和實證研究較少，在目前城市規劃中，需要更多的實用性研究成果，這樣才能更好地讓三維技術促進城市化建設。

通過三維虛擬實現技術完成了城市規劃三維仿真系統的設計，在城市環境設計、場景模型建立的基礎上，提出了Hierarchy View層次結構視圖優化和OpenGVS軟件場景渲染，使三維技術在城市規劃中應用有了認識和了解。

4.2 展望

目前三維技術的很多功能還沒有完全開發出來，距離真正的城市規劃實際應用還有很長的距離，今后應該在以下幾個方面進行進一步的深入研究：

（1）加強虛擬實景空間理論的建設。目前三維技術在虛擬實景空間理論中還是起步階段，很多大場景在設計過程中還無法真正滿足實際的需要。

（2）加強三維技術的動態虛擬實景設計。目前很多的城市建設運用三維技術設計構造的虛擬實景空間都是靜態的，這樣在城市的實際需求中，不光要靜態的設計，也需要動態的需求，而且動態的虛擬實景空間意義重大，關系到城市中的重大安全問題都可通過虛擬實景來模擬，如一個十萬人的足球場，發生意外的事件時，需要多少分鐘，多少條逃生通道才合理。為此，今后的研究工作應該加深三維技術的動態研究。

參考文獻：

[1] THOMAS KOLBE . SAM BACHARACH.CityGML：An open standard for 3Dcity models[J] . 2006.

[2] MacEachren，A M . Special issue on Geovisualization[J] . Cartography and Geographic Information Science，2001，28（1）：3-75.

[3] 李成名，王繼周，馬照亭.數字城市三維地理空間框架原理與方法[M].科學出版社，2008.

[4] 劉曉燕，林渾，張宏.虛擬城市建設原理與方法[M].北京：科學出版社，2003.

[5] 朱慶，林暉.數碼城市地理信息系統——虛擬城市環境中的三維城市模型初探[M].武漢：武漢大學出版社，2004.

[6] 張新長，曾廣鴻，張青年.城市地理信息系統[M].北京：科學出版社，2001.

[7] 周寧.基于CityGML的城市三維信息描述方法研究[D].遼寧工程技術大學，2009.

[8] 劉川.基于ObjectARX與Google Earth的城市三維建模系統研究[D].中南大學，2010.

[9] 戴洪寶.基于Skyline的數字城市三維可視化系統的研究[D].西安科技大學，2010.

[10] 杜福光.基于ArcScene城市三維可視化研究與應用[D].西安科技大學，2010.

[11] 張嵐.基于ArcGIS的三維數字社區基礎數據庫設計與功能實現[D].西安科技大學，2010.

[12] 夏超文.基于三維城市規劃的城市建模方法研究與實現[D].武漢大學，2005.