浅谈虚拟现实技术在智慧城市领域的应用

□ 文/孙超

浅谈虚拟现实技术在智慧城市领域的应用

□ 文/孙超

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是采用以计算机技术为核心的现代先进技术生成的逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟环境，用户可以通过必要的输入输出设备与虚拟环境中的物体进行交互、相互影响，进而获得身临其境的感受与体验。这种由计算机生成的虚拟环境可以是某一特定客观世界的再现，也可以是纯粹虚构的世界。

作为全球科技界公认的下一波技术革新的爆点和万亿级大市场，虚拟现实技术正在成为业内竞争的焦点。通过对虚拟现实技术的发展和应用的深入研究，在智能终端等硬件平台上，虚拟现实技术及其应用已经先行一步；在城市级基础设施建设上，整体仍然滞后，但虚拟现实技术的研究与应用已经成为一种趋势。

在智慧城市领域的应用现状

通过虚拟现实打造类似城市的实景环境，将可能包含的城市要素加入其中，并按照各种要素自身的属性进行推演，从而验证智慧城市建设的预期目标是否可行。将其中可行的方案落地实施，就是智慧城市建设的推进。虚拟现实技术在智慧城市领域的应用现状主要体现在以下几个方面：

智慧旅游

虚拟旅游

应用计算机技术实现场景的三维模拟，借助一定的技术手段使操作者感受目的地场景。坐在电脑椅上就能身临其境地游览全世界的风景名胜，还能拍照留念——这就是时下在众多白领中开始风行的“虚拟旅游”，通过阅读和互动体验的虚拟游戏方式实现线上旅行，并且为线下旅行提供指导。

▲虚拟旅游应用效果

旅游宣传

旅游网站、旅行社网站通过虚拟旅游视景系统的建立，可以对现有旅游景观进行虚拟旅游，对于旅游消费者，可以全景式的了解风景区概貌，以及更直观地了解各景点地形地貌以及旅游线路。同时借助Intenet，既宣传了旅游资源又方便了消费者，从而起到预先宣传、扩大影响力和吸引游客的作用。通过虚拟3维景区建立及网络发布对旅游区进行科学的模拟和演示，将景区从2维“抽象”到3维影像，加速游客对风景区的认识过程。刺激旅游动机，引导旅游客流，实现旅游增效。

▲旅游宣传应用效果

景区保护

将虚拟现实技术引入到景区保护领域中来，首先是着眼于一些经典热门的景区的保护。虚拟现实可以缓解这些景区经济效益与遗产保护的矛盾。由于有人数限制，很多景区可以制作数字化的参观方式，可以避开游客对景区的伤害。

▲景区保护应用效果

旅游场景再现

利用虚拟现实技术，可以真实再现已经不存在的景观。如通过重现古代社会的建筑文明，人们可以徜徉于古建筑之间，欣赏到千年前古建筑的原貌，感受古代文明的辉煌，具有景观珍藏的意义，而对于喜欢探幽寻古的游人来说，这也是难得的视觉享受。

▲旅游场景再现应用效果

导游实训

由虚拟现实技术打造的虚拟现实平台可以将客户提供的旅游景点虚拟数据全部集成到播放平台，利用虚拟现实培训平台，导游人员、旅游管理人员不用花费大量时间、精力，就可以通过旅游实训系统平台随意浏览旅游景点，通过文字、图片、影片介绍，学习景区、景点、景观的历史、文化知识，为日后社会实践做好准备。

▲导游实训应用效果

旅游规划

借助虚拟现实技术对于要创建的景点进行系统建模，生成相应的虚拟现实系统，然后通过人机交互界面进入该虚拟场景。通过规划人员的亲身观察和体验，以判断各种规划方案的优劣，检验规划方案的实施效果，并可以反复修改和辅助最终方案的制订施行。可以减少设计缺陷，提高规划质量和进度，加快开发周期。

▲旅游规划应用效果

智慧交通

交通仿真

当前微观仿真技术应用比较多的领域是城市地理信息系统，基于细节层次显示技术和视景分块调度技术，结合虚拟现实技术，通过对图形数据和属性数据库的共同管理、分析及操作。实现数据可视化，也可使用基于图形和基于图像的建模技术对建筑物和其他一些复杂的模型如树木等进行重建，再利用有理函数模型表示遥感影像与地面之间的构象关系，使用纹理映射技术，构建具有高度真实感的平面或者三维景观图。或者将城市表面几何对象经过模型化后，都以数字的形式存储在计算机中，采用纹理和贴图技术、LOD模型、动态多分辨率的纹理与影像优化技术，进行微观仿真。

▲vissim交通仿真应用效果

交通规划

在城市交通规划中，利用虚拟GIS技术可以完成城市道路地形图及相关信息的录入，实现空间数据和属性数据的采集，建立三维地形模型。并构建出一个与客观世界相一致的虚拟环境，以便用户能够逼真地感知它的存在，因此，GIS与交通规划的结合是今后交通分析软件的发展方向。

▲交通规划应用效果

交通事故模拟与再现

基于虚拟现实技术，开发三维动画演示软件，以三维动画的形式演示车辆在整个事故过程中的运动。在构造虚拟现实环境中，用户可以改变场景元素、改变视角、添加背景、灯光等演示要素，软件具有操作性、灵活性、真实感强等特点。

▲交通事故模拟与再现应用效果

虚拟驾驶系统

利用计算机构建用于汽车驾驶的虚拟环境和用于驾驶的车辆，产生“人一车一环境”闭环系统，在这一闭环系统中驾驶汽车，可根据车辆的行驶不断变换相应的虚拟视景、场景音效和车辆的运动仿真，使驾驶员沉浸到这一环境中，并根据虚拟环境中产生的触觉、听觉和视觉，变换相应的驾驶动作，达到训练驾驶员动作或研究“人一车一环境”特性的目的。

▲虚拟驾驶应用效果

智慧教育

科技研究

当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化实用技术。虚拟学习环境,虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。

▲虚拟教育应用效果

虚拟实训基地

虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。

▲虚拟实训基地应用效果

虚拟仿真校园

虚拟校园是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：

1、简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览。

2、基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园。

3、以学员为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台。

▲虚拟实仿真校园应用效果

智慧农业

虚拟植物

利用虚拟现实技术模拟植物在三维空间中的生长发育过程，能够精确地反映现实植物的形态结构。虚拟植物技术可以在电脑屏幕上设计农作物，然后再进行实际培育或用基因工程技术繁殖出真实的农作物，使农作物新品种具有虚拟植物的理想性状。

▲虚拟植物应用效果

虚拟动物

利用计算机可视化地模拟动物在各种营养物胁迫条件下的生长过程，用户操作计算机不但可以了解动物生长全过程中鲜、干各种物质的积累形状，而且还可以从不同视角了解动物的逼真形态。在计算机支持下，一次模拟实验只需几分钟即可得到实验结果，大大加快了实验的速度，减少了实验的投入，而且可以完成在自然条件下难以得到的实验结果。

▲虚拟动物应用效果

虚拟立体农业

主要是通过对光资源利用的模拟（进而，可模拟地下部对水、肥等的吸收利用状况等），实现对立体农业（间作、套种、混种等）的优化管理。

虚拟节水

模拟不同作物、不同株型、不同节水型灌溉方式、不同的栽培管理措施，以及模拟自然降水过程对水分的吸收利用状况，来实现水分最大的利用效率。

虚拟实验

应用计算机建立反映客观规律的虚拟模型，应用虚拟模型进行实验，可以部分地替代在现实世界中难以进行的实验，或者是费时、费力和费钱的实验。

虚拟农场

在教学、科普教育和农业科技推广领域，可利用虚拟植物模型建立虚拟农场，让学员在计算机上种植虚拟作物，进行虚拟农田管理，直观地观察作物生长过程及最终结果。

▲虚拟农场应用效果

虚拟果树修剪

虚拟果树修剪系统，可以模拟果树具有生长功能，该功能可以模拟真实果树的各种生长状况，并对各种因素的改变作出近似实际的反应。

虚拟农业布局

利用虚拟农业技术进行模拟，可以实现农业布局规划设计效果的形象化；在观光农业中，可以模拟采摘、销售、观赏、垂钓、游乐等活动，为旅客设计合理路线，让旅游者最大限度地参与、亲自体验。

虚拟农业区划

模拟粮食生产与多种经济作物合理搭配种植；模拟农、林、牧、副、渔业相结合的农业可持续发展模式。

虚拟城市农业

城市农业是充分合理地利用城市空间和优越条件来发展农业的一种探索。利用虚拟农业技术可以模拟环境、生态、科技、生产、观赏为一体的城市农业综合发展模式，便于决策、实施。

虚拟农机

可以虚拟农机设计、农机制造和农机测试。例如，采用虚拟农业技术，对试验对象的各个指标同时进行数据的测量、实时处理和实时分析，有利于提高测试水平，得出比较精确的结论，为系统的优化设计提供更可靠的依据。

虚拟温室

虚拟温室是将数据、材料、模型、物理属性和高级算法整合成的一个研究平台，研究温室对外界环境的反应，将物理学（如温室围护结构的传热和力学属性）和环境学（气候变化和植物生理信息）结合起来，进行预测和预报温室对外界各种变化（气候条件、植物生长和人工干扰）的反应，而且能够观察、显示和打印其结果。

智慧应急

虚拟现实的产生为应急演练提供了一种全新的开展模式，将事故现场模拟到虚拟场景中，在这里人为的制造各种事故情况，组织参演人员做出正确响应。这样的推演大大降低了投入成本，提高了推演实训时间，从而保证了人们面对事故灾难时的应对技能，并且可以打破空间的限制方便的组织各地人员进行推演，这样的案例已有应用，必将是今后应急推演的一个趋势。

▲火灾应急应用效果

▲应急演练应用效果

智慧建筑

BIM+虚拟现实通过BIM技术与虚拟现实技术集成应用，完成虚拟场景构建、虚拟施工过程模拟以及交互式场景漫游，以确保工程在各个阶段良好的可控性，同时保持与各专业之间紧密的联系及反馈机制；利用BIM+激光扫描进行验收，通过与原始设计模型进行比对，得出偏差分析报告，从而起到高效、精确的对现场施工情况校对的效果。

▲智慧建筑虚拟现实应用效果

在BIM建模的基础之上，采用虚拟现实软件进行逼真的模拟体验，设计人员可在三维场景中对模型进行任意的漫游供业主查看，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易的被发现，减少由于事先规划不周全而造成无可挽回的损失和遗憾，大大提高项目的评估质量。

智慧市政

智慧市政地下管网虚拟现实系统为施工部门和管理部门提供地下管网准确的走向和埋深等有关信息,通过进行各种分析,为领导部门进行管网规划、管网改造等提供辅助决策功能。地下管线虚拟现实系统，一是可以实现传统手工处理方式向现代化信息管理转型,以保证数据的实时更新、有效管理,避免重复收集数据信息；二是可为市政建设提供规划、设计、决策服务；三是可为应对突发事件提供支撑。

▲地下管网虚拟现实应用效果

智慧医疗

外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。

▲智慧医疗虚拟现实应用效果

一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。

▲医疗教学虚拟现实应用效果

智慧工厂

虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

▲工业仿真应用效果

工业仿真系统不是简单的场景漫游，是真正意义上用于指导生产的仿真系统，它结合用户业务层功能和数据库数据组建一套完全的仿真系统，可组建B/S、C/S两种架构的应用，可与企业ERP、MIS系统无缝对接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流数据库。工业仿真所涵盖的范围很广，从简单的单台工作站上的机械装配到多人在线协同演练系统。

智慧能源

▲能源管理虚拟现实应用效果

能源的开采和开发涉及到很多模块，很多行业，常常需要对大量数据进行分析管理，并且由于职业的特殊性，对员工的业务素质也有很高要求。运用三维虚拟技术不但能够实现庞大数据的有效管理，还能够创建一个具有高度沉浸感的三维虚拟环境，满足企业对石油矿井、电力、天然气等高要求、高难度职位的培训要求，有效提高员工的培训效率，提升员工的业务素质。

▲能源开采培训应用效果

结束语

虚拟现实技术是20世纪80年代才兴起的一门崭新的综合性信息技术，经过几十年的发展，我们可以看到，虚拟现实逐步从萌芽状态成长为今天日趋成熟的综合信息技术，并在智慧城市各个领域得到了越来越多的应用发挥，它独特的优势特长为各个领域的发展提供了一个全新的突破口。随着计算机技术，尤其是网络技术的飞速发展，立体显示、环境建模、实时绘制等技术的日趋成熟，虚拟现实将有望大范围的实现由构想向现实的转变，由虚拟现实所带来的多元感知、便捷交互必将更为广泛地应用于智慧城市各个领域，为人类的生产生活带来全新的面貌。

作者单位：西安翔迅科技有限责任公司