基于“数字城市”园区建设中运用三维仿真系统的必要性研究

于丽伟 王嘉琪 姬攀 李俊洁

摘 要：如今，随着经济、文化的不断发展，城市化进程不断扩大，城市信息化发展日趋推进。在这个背景下，“数字城市”“智慧城市”也相继建设起来。本文主要探讨在“数字城市”建设的背景下运用三维仿真技术进行城市规划、建筑设计、景观设计的必要性研究，以青岛市新建园区高新区为例探讨运用三维仿真系统的必要性、方法及优势，力求为新建园区设计提供先进的理念和全新的尝试。

关键词：数字城市；三维仿真系统；园区设计

当前，信息技术的迅猛发展及其在各个领域的普及应用，推动着城市信息化水平不断提高。城市规划和建筑设计、景观设计逐步引入三维仿真系统和虚拟现实技术，城市规划建设将迎来一场创新型技术革命，城市发展理念将更加超前。以往，我们主要依靠二维 GIS数据处理技术来规划和建设城市空间，城市信息处理以数据表格、平面设计图纸、沙盘模型、360全景动画为主。人们很难将城市空间的数据模型与现实场景联系起来，实现不了人景互动和实时信息查阅。因此利用三维仿真系统建设虚拟化城市必将成为未来城市规划与管理的主流技术。采用城市仿真系统和虚拟现实技术可以对城市规划要素进行数字化和可视化处理，决策者可以在高度真实的场景中进行合理的布局、规划和设计。参与者也可以身临其境地对设计进行查阅、体验和互动。

一、三维仿真系统在新建园区中应用的意义

三维仿真系统是指利用计算机技术生成的一个仿真的，具有听觉感知、力觉感知、运动感知、味觉感知和嗅觉感知等的虚拟环境，用户可以身临其境，与之互动的一种新兴技术。

三维仿真系统，解决了以往平面空间对复杂的环境进行建设和设计等反应不全面的问题，方便管理人员和技术人员进行建设前的合理部署、建设中的动工交底和建设后的后期维护。三维仿真系统能够真实模拟建设园区的地形、地貌、道路、建筑等附着物，能够为工作人员提供一个真实的三维仿真场景，增加沉浸感和体验性，提供更加可靠的技术支持。

二、青岛高新技术产业区情况分析

青岛高新技术产业区位于青岛市胶州湾北部，规划面积为66平方公里。主园区规划面积63平方公里。目前，高新区引进商业配套项目三十多个，涵盖城市综合体、科技大厦、星级酒店、金融机构、综合性商业体、医疗中心、文化体育中心等多种商业业态，在建房地产开发项目38个，总占地面积约342万平方米，其中住宅建筑面积约345万平方米、商业建筑面积约91万平方米。高新技术产业区是青岛市市委、市政府为实施“三城联动”发展战略，在已开发的胶州湾北部园区基础上，整合空间资源、保护胶州湾底生态岸线，统筹并带动区域协调发展设立的。高新区目前已开发区域主要集中在40.6 平方公里范围内，主要包括写字楼、厂房、住宅等，且地势平缓，地形高差不超过1米。由于园区在建项目众多，基础数据信息齐全，各种地形、地貌图纸详尽，园区丰富的信息数据为实现三维仿真系统提供必要的技术支持，三维场景实现起来优势明显。

三、三维仿真系统在新建园区设计中应用的优势

（一）提高园区规划设计的准确性、可行性

由于新建园区项目众多，在规划设计中使用三维仿真系统，可以真实模拟现有的地形、地貌及园区场景，为决策者提供可视化的预见，有效规避设计风险。园区三维仿真系统的建立可以合理地进行项目初始阶段的研究、道路设计、景观布局、建筑设计等整体规划，有效促进项目发展阶段的空间组合、与周边环境的协调融合等，方便项目最终的管理和维护，同时可以减少设计缺陷，为日后迅速合理地开展审批工作奠定基础。

（二）增强用户的体验感和参与性

三维仿真技术的运用能够使设计者突破传统设计思维，即摆脱二维表现的束缚和抽象思维的不确定性，拓展设计思维，使设计者的构思能在实时生成的三维虚拟空间中充分体现。同时让参与者感到犹如身处虚拟现实场景之中，可以随时随地在园区内外实时漫游，近距离观察细节，实地体会空间，甚至可以借助仿真技术的眼镜、手套等设备获得真实的体验感，增强参与者的沉浸性，让参观者真正获得身临其境的感觉。在三维仿真系统中，参与者可以自己选择观看的路线、角度、视点以及停留的时间，在重要节点上还能根据自己的需要来获取相关数据，从而获得更多准确的信息。三维仿真技术使设计师和参与者拥有更多的自主性和互动性。三维仿真技术的根本目的不仅是在三维空间中实现仿真建模，而是帮助人们在虚拟园区的动态空间中做到实时观察，并与多媒体形式互动获得多重感知，从而获取信息和形成新的概念。

四、三维仿真系统在新建园区的具体运用

（一）在园区规划中的应用

对于新建园区的建设，项目的拆迁改造和新的现代化园区建设，无时无刻不在进行。而这些庞大的工程可以在实施前运用三维仿真系统将其模拟建造出来，把原本在设计图纸上的抽象概念变成真实存在的物体和环境。可以把园区中原有的建筑从场景中移除，再按规划从方案库中把其他的方案调出，并立即显示在场景中，再进行相关的测距、日照等功能分析，用户就可直观地看到每种方案的优劣之处，从而为规划建设提供有力的决策。三维仿真系统还可以实现建设规划方案的替换，用于区域建设方案之间的比较，能够直观地看到不同方案在整体规划方案中建成后的效果。三维仿真系统可以实现对新建园区进行虚拟现实的模拟规划与设计。

（二）在园区场景中的应用

1.园区中对于环境变化和对周围物体的关联性要求很高，因此在建设前应该对建成之后的环境有一个清晰明确的认识。特别是青岛高新区中央智力岛设计，项目建设主要包括数据和软件两部分，一是三维模型建立和数据信息搜集，二是三维仿真系統平台应用。项目利用1：500地形图，结合竣工图和外业纹理拍摄，建立高新区中、东片区约40.6平方公里范围内道路、水系、绿化、地标性建筑、人文景观等对象的高精度三维模型以及1公里管沟三维模型；同时，项目需基于高新区的三维管线数据库，构建高精度、高浏览效率真实美观的地下管线三维信息管理系统，实现对园区三维基础数据和三维地下管线数据的一体化展示和应用。

2.本项目三维场景建模需采用AutoCAD、3DSMax、Photoshop、Stamp作为软件处理平台。先通过 AutoCAD、3DMAX按照实际空间布局描绘出三维模型的局部特质，通过地形图或竣工图上的高程数据和平面坐标数据定位建模。使用相机对测区需要进行三维场景的建筑、地形、景观、植被、小品等进行数码实地拍摄，根据照片进行贴图，建立三维模型库、三维模型纹理库、属性数据、竣工图等，作为建筑物建模的参考资料。收集这些数据，并对数据进行格式处理。利用Photoshop 处理纹理及其色彩，来提高三维模型的逼真程度。按照真实世界的地物分布，利用建立好的模型，在 Stamp 三维平台软件中搭建场景。实现三维场景整合，在三维模型数据制作完成后对所需属性信息进行匹配设置。然后借助 VRMLPAD开发工具，通过其中的 VRML的内联节点可以将園区空间场景无缝对接，以实现空间漫游。借助 OpenGL进行虚拟场景的渲染，使场景更加逼真，建立实时多方案数据库，最终实现园区的三维仿真。

五、结语

三维仿真技术作为一种全新的理念和手段，为规划设计、基础设施管理、政府决策提供了一个全方位、立体直观的真实环境。目前它在新建园区中应用广泛。青岛高新技术产业区三维仿真系统建设的根本目的在于为青岛市高新区建设一个地上基础三维系统和地下管网数据管理、维护更新、应用与信息服务为一体的信息化平台。系统的运用基于数字城市的总体框架下，为高新区的规划设计管理提供应用支持，为园区景观道路建设提供可视化预见，为城市设施维护检修、优化管理、事故预警和处理上提供决策支持。同时，为后续服务于规划、国土、建设、消防等数字城市应用，提升应用水平。

参考文献：

[1]Mitchell，W.J.（1995）.Digital Design Media （Second Edition），Van Nostrand Reinhold，New York.

[2]Schmitt，G.（1998）.Multimedia， International Journal of Design Computing， Vol1.INT J DESIGN6.

[3]汪成为，高文，王行人.灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用[M].北京：清华大学出版社，1997.

[4]凌珀.虚拟现实——建筑设计的新思维[J].建筑学报，1998，（01）：24-27.

[5]王子才.仿真技术发展及应用[J].中国工程科学，2003，（02）：40-44.

[6]雷超，戴国忠.三位交互体系结构的研究与实现[J].计算机研发与发展，2001，（05）：557-562.

[7]刘国栋.数字城市建筑物CSG建模研究[D].太原理工大学，2003.

作者简介：

于丽伟，副教授，青岛农业大学艺术学院。

作者单位：青岛农业大学艺术学院