三維虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)研究

劉月玲

摘? 要： 為了更準確描述城市建筑景觀特征，提高城市規(guī)劃效果，設計基于三維虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)。通過航空激光掃描采集城市幾何特征數(shù)據(jù)，利用城市規(guī)劃設計結果獲取新開發(fā)區(qū)域相關數(shù)據(jù)，采用該數(shù)據(jù)制作數(shù)字地面模型和建筑與景觀三維模型對城市場景三維建模，并進行紋理渲染，將所建模型與虛擬現(xiàn)實軟件坐標相匹配，并添設虛擬特效。利用OSG引擎實現(xiàn)系統(tǒng)主機顯示端與虛擬顯示端的同步虛擬展示。具體應用結果表明，該系統(tǒng)可以高精度地反映城市建筑景觀特征，規(guī)劃結果信息飽和度高，歸一化均方根誤差小，可獲得理想的視覺展示效果。

關鍵詞： 三維虛擬現(xiàn)實技術; 城市規(guī)劃; 數(shù)據(jù)組織; 模型制作; 模型集成; 紋理渲染; 虛擬展示

中圖分類號： TN99?34; TP192? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）19?0182?05

Abstract： In order to describe the urban architectural landscape features more accurately and improve the effect of urban planning， an urban planning system based on 3D virtual reality technology is designed. The data of urban geometric feature are collected by aerial laser scanning， the relevant data of newly?developed areas are acquired by urban planning and design results， and use the data ground model and the three?dimensional model of architecture and landscape to build three?dimensional models of urban scenes， render textures， match the built models with virtual reality software coordinates， and add virtual special effects; the data are used to make digital ground model and three?dimensional model of architecture and landscape， so as to model the three?dimensional urban scene， render the texture， match the built model with virtual reality software coordinates， and add virtual special effects. The OSG （open scene graph） engine is used to realize the synchronous virtual display of the system host display end and its virtual display end. The application results show that the system can reflect the features of urban architectural landscape with high accuracy， high information saturation of planning results， small normalized root mean square error and ideal visual display effect.

Keywords： 3D virtual reality technology; urban planning; data organization; model making; model integration; texture rendering; virtual display

0? 引? 言

城市規(guī)劃系統(tǒng)要考慮城市內建筑、景觀規(guī)劃的合理性、經(jīng)濟性、生態(tài)功能與美學藝術等不同功能，城市規(guī)劃具有明顯的延續(xù)性與超前性特征，城市信息化進程的加快對城市規(guī)劃、建設與管理提出更高要求，仿真技術成為城市規(guī)劃迫切需求的基礎技術。

為實現(xiàn)城市規(guī)劃設計中科學與技術的結合，不僅需要城市基礎地理數(shù)據(jù)組織等支持，還需要規(guī)劃效果展示平臺[1?3]。

當前普遍使用的城市規(guī)劃系統(tǒng)分別以三維可視地理信息系統(tǒng)和氣候變化為基礎[4?5]，這兩種類型的城市規(guī)劃系統(tǒng)均只考慮基礎地理數(shù)據(jù)組織的支持功能，忽略了城市規(guī)劃效果展示的應用。虛擬現(xiàn)實技術通過計算機構建一個逼真、可視、可觸、可聽的虛擬環(huán)境，用戶利用交互設備可在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)交互。利用虛擬現(xiàn)實技術，用戶基于自身的感知與認知能力能夠全面獲取虛擬環(huán)境中包含的不同空間信息與邏輯信息[6]。

為獲得更優(yōu)的城市規(guī)劃結果，設計基于三維虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)，構建規(guī)劃設計后的城市三維模型，對模型進行渲染，利用虛擬現(xiàn)實技術，使相關人員能夠以任意角度，實時互動地感受到城市規(guī)劃效果，發(fā)展規(guī)劃中存在的問題并實施改進，通過對城市現(xiàn)狀與未來的規(guī)劃，使城市布局更加合理。

1? 基于三維虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)整體結構

針對城市規(guī)劃與展示的全新需求，設計三維虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)，如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)組織模塊、城市場景三維建模與渲染模塊、虛擬現(xiàn)實集成模塊、虛擬城市展示模塊等共同組成。

1） 數(shù)據(jù)組織模塊基于航空激光掃描獲取城市地表幾何特征數(shù)據(jù)[7]，利用城市規(guī)劃設計結果獲取城市規(guī)劃設計中新開發(fā)的建筑與景觀數(shù)據(jù)，通過Arc GIS Engine組件對城市地表幾何特征數(shù)據(jù)與城市規(guī)劃設計中的相關數(shù)據(jù)進行參數(shù)化布局，通過參數(shù)化矢量圖層呈現(xiàn)城市要素空間分布規(guī)則。

2） 城市場景三維建模與渲染模塊基于數(shù)據(jù)組織模塊內的數(shù)據(jù)，構建數(shù)字地面模型與城市主要建筑與景觀三維模型，對數(shù)字地面模型與建筑景觀三維模型集成后，利用OSG（Open Scene Graph）引擎對模型進行實時場景紋理渲染[8]。

3） 虛擬現(xiàn)實集成模塊內包含虛擬現(xiàn)實組件，通過模型與軟件坐標的匹配，構建具有動態(tài)景觀漫游與三維可視化的城市整體虛擬場景。

4） 虛擬城市展示模塊的主要功能是實現(xiàn)系統(tǒng)主機顯示端（虛擬現(xiàn)實軟件顯示窗口）與虛擬顯示端（虛擬現(xiàn)實眼鏡）同步虛擬展示，完成城市規(guī)劃信息的動態(tài)體驗與查詢分析。

1.2? 數(shù)據(jù)組織模塊設計

數(shù)據(jù)組織模塊采用航空激光掃描方式采集城市地表幾何特征數(shù)據(jù)（包括地形點云數(shù)據(jù)、建筑與景觀圖像、紋理數(shù)據(jù)等）。基于城市規(guī)劃設計人員對于城市規(guī)劃的設計結果，獲取新開發(fā)區(qū)域數(shù)據(jù)（包括建筑與景觀圖像、紋理數(shù)據(jù)等）。

由于城市規(guī)劃設計具有不規(guī)則分布特征[9]，城市空間布局管理較為不易，因此采用Arc GIS Engine組件對城市規(guī)劃設計中的主要建筑與景觀的位置與關系、道路與河流等線性要素的空間位置等進行空間數(shù)據(jù)參數(shù)化布局管理。

1.3? 城市場景三維建模與渲染模塊設計

1.3.1? 數(shù)字地面模型制作

根據(jù)數(shù)據(jù)組織模塊內的地形點云數(shù)據(jù)，構建三角網(wǎng)數(shù)字地面模型，將航空激光掃描控制點作為頂點，以不交叉、不重復為原則，構建平面三角形逼近城市地表曲面。在航空激光掃描控制點分布合理，同時控制度密度適當?shù)臈l件下，三角網(wǎng)數(shù)字地面模型能夠準確地呈現(xiàn)城市地表。

基于異側找點、角度最大、不超過特征線、不進入禁區(qū)、不遺漏等標準構建覆蓋城市整體區(qū)域的三角網(wǎng)數(shù)字地面模型[10]，根據(jù)該地面模型，即可計算城市整體區(qū)域內任意地面點標高。

1.3.2? 城市建筑模型制作

將城市原有建筑與景觀圖像和城市規(guī)劃設計后新建的建筑與景觀圖像導入VTK軟件內[11]，采用中值濾波法對導入的圖像進行濾波處理，中值濾波結果[Yi，j]如下：

式中：[median]表示中值濾波器;[m]，[n]和[w]分別表示濾波窗口水平方向、垂直方向尺寸和窗口規(guī)格;[Xij]和[Z2]分別表示坐標為[i，j]的像素點和二維數(shù)據(jù)串序號。

采用基于Canny算子的邊緣檢測與區(qū)域劃分方法劃分濾波處理后的建筑與景觀圖像：

利用[M]和[N]兩個算子能夠確定城市建筑與景觀圖像內不同像素的梯度[Tx，y]與方向[θ]：

根據(jù)不同像素的[Tx，y]和[θ]能夠繪制城市建筑與景觀的直方圖[12]，在直方圖上采集城市建筑與景觀的角點，利用尺度不變特征轉換方法對角點進行特征描述。根據(jù)角點特征確定不同圖像特征點間的相關性，實現(xiàn)城市建筑與景觀圖像的配準，為三維模型的構建提供服務支持。

選取SMC（Secure Multi?party Computation，安全多方計算）算法進行城市建筑與景觀三維模型構建，設定城市建筑與景觀圖像內存在輪廓線，[P1，P2，…，Pn]表示輪廓線，用[x，y，z]表示體素，針對不同[x，y，z]均給定一個以[fx，y，z]表示的狀態(tài)函數(shù)：

不同體素與其所處平面上全部輪廓間的相關性（在輪廓線外/上/內）直接影響其狀態(tài)值。

針對不同體元的狀態(tài)值，其各頂點存在式（4）所描述的三種狀態(tài)。在體元上一條輪廓線的兩個頂點狀態(tài)值為異號的條件下，說明此輪廓線同邊界面相交，此時以此輪廓線中點為交點[13];相反，說明此輪廓線同邊界面不相交。

基于上述過程，能夠確定城市建筑與景觀表面同體元的交點，依次將各交點相連，即可構建城市建筑物與景觀的三維模型表面。由于頂點存在三種狀態(tài)值，因此利用中心差分法確定不同頂點的法向量，選取線性差值法獲取三角面各頂點法向量，基于交點和法向量即可實現(xiàn)城市建筑物與景觀的三維模型構建。

1.3.3? 模型集成

采用樹狀節(jié)點結構將數(shù)字地面模型和建筑物與景觀三維模型進行集成，如圖2所示。該結構既可呈現(xiàn)豐富的城市場景信息構成，也可利用各節(jié)點間的靈活變化提升整體場景組織管理效率，適用于城市場景規(guī)劃，同時利于虛擬現(xiàn)實的二次渲染。利用OSG三維引擎對集成后的模型進行實時場景紋理渲染，渲染完成后傳輸至虛擬現(xiàn)實集成模塊。

1.4? 虛擬現(xiàn)實集成模塊

虛擬現(xiàn)實集成模塊采用VR MAP平臺，在該平臺實現(xiàn)所構建模型同軟件坐標之間的匹配，利用數(shù)據(jù)鏈集成城市規(guī)劃三維場景內的不同基礎數(shù)據(jù)[14]。同時添設光影效果控制、天氣參數(shù)設置、動態(tài)景觀漫游、模型之間及模型與場景之間同步控制等虛擬特效，提升城市規(guī)劃效果與后續(xù)用戶體驗。

1.5? 虛擬城市展示模塊

虛擬城市展示模塊的主要功能是利用OSG引擎中的視景器和相機向用戶呈現(xiàn)構建好的城市規(guī)劃虛擬現(xiàn)實場景。通過OSG引擎完成系統(tǒng)主機顯示端與虛擬顯示端的同步虛擬展示，實現(xiàn)城市規(guī)劃虛擬場景的沉浸式瀏覽，同時為相機節(jié)點轉換設定場景漫游器的鍵盤事件交互模式[15]，實現(xiàn)城市規(guī)劃虛擬場景的漫游瀏覽。

2? 系統(tǒng)應用分析

為驗證本文所設計的三維虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)在城市規(guī)劃過程中的應用效果，選取我國某二線城市為研究對象，將本文系統(tǒng)應用于研究對象的城市規(guī)劃中，應用結果如下。

2.1? 城市規(guī)劃模擬效果展示

采用本文系統(tǒng)進行研究對象規(guī)劃，用戶通過虛擬現(xiàn)實眼鏡體驗研究對象規(guī)劃效果，如圖3所示。由圖3可知，采用本文系統(tǒng)能夠有效針對城市規(guī)劃空間布局進行三維模擬成像，并進行虛擬展示與體驗。

圖4所示為不同視角下的研究對象規(guī)劃虛擬展示效果。由圖4可知，本文系統(tǒng)根據(jù)研究對象當前狀態(tài)設計科學、經(jīng)濟、可行的規(guī)劃方案。虛擬成像展示效果較好，建筑與景觀的空間布局具有層次感，紋理處理效果增強了圖像的真實感，顏色搭配與光線的設計與使用自然協(xié)調，不同視角的隨意切換能夠提升用戶交互體驗。高實用性與合理性的空間布局與協(xié)調自然的顏色與光線設計均可體現(xiàn)本文系統(tǒng)優(yōu)質的應用性能。

2.2? 系統(tǒng)規(guī)劃精度測試

在研究對象現(xiàn)有區(qū)域和規(guī)劃設計中新開發(fā)區(qū)域中分別選取三處建筑或景觀作為規(guī)劃精度測試目標，命名為D1～D3和G1～G3。對比不同目標實際空間信息與本文系統(tǒng)規(guī)劃結果中的空間信息，驗證本文系統(tǒng)規(guī)劃精度，結果如圖5所示。

分析圖5a）內現(xiàn)有建筑或景觀規(guī)劃的空間坐標誤差能夠得到，本文系統(tǒng)規(guī)劃現(xiàn)有建筑或景觀的空間位置時坐標誤差基本控制在0.35%以內。同時，[z]軸坐標誤差均高于[x]軸坐標與[y]軸坐標，這可能是由于航空激光掃描采集現(xiàn)有建筑或景觀數(shù)據(jù)時受外界環(huán)境影響導致采集結果內含有噪聲，由此造成空間坐標誤差。

分析圖5b）內新建建筑或景觀規(guī)劃的空間坐標誤差能夠得到，本文系統(tǒng)規(guī)劃新建建筑或景觀的空間位置時坐標誤差基本控制在0.2%以內。誤差產(chǎn)生原因可能是由于本文系統(tǒng)對于新建建筑或景觀的規(guī)劃設計是以航空激光掃描獲取的地形點云數(shù)據(jù)為基礎進行的。綜合圖5內不同目標規(guī)劃的空間定位結果能夠說明本文系統(tǒng)在進行城市規(guī)劃時具有較高的規(guī)劃精度。

2.3? 性能對比結果

以文獻[4]中基于三維可視地理信息系統(tǒng)的城市規(guī)劃系統(tǒng)和文獻[5]中基于氣候變化的城市規(guī)劃系統(tǒng)為對比系統(tǒng)，研究本文系統(tǒng)與對比系統(tǒng)對研究對象規(guī)劃結果的各項參數(shù)，結果如圖6所示。時間開銷能夠反映系統(tǒng)的運行速度，其值越小則系統(tǒng)運行速度越快;信息飽和度體現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)劃的視覺呈現(xiàn)效果，其值越大系統(tǒng)規(guī)劃視覺呈現(xiàn)效果越好;歸一化均方根誤差描述系統(tǒng)對于城市內主要建筑與景觀的特征描述，其值越小特征描述越精準。由圖6可得，本文系統(tǒng)進行城市規(guī)劃所需時間開銷為8.2 s，信息飽和度與歸一化均方根誤差分別為0.84%和0.02%。各項參數(shù)均優(yōu)于對比系統(tǒng)，由此說明本文系統(tǒng)具有顯著的性能優(yōu)勢。

3? 結? 語

本文設計基于三維虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)，系統(tǒng)應用結果顯示本文系統(tǒng)能夠準確規(guī)劃城市內建筑與景觀，且具有較好的虛擬展示效果。在后續(xù)研究過程中將針對城市基礎數(shù)據(jù)的精確化問題進行詳細研究，擴大系統(tǒng)規(guī)劃精度優(yōu)勢，同時，引入物理特性優(yōu)化系統(tǒng)內的動態(tài)漫游模擬，提升模擬效果的真實性。

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