三维虚拟现实技术的城市规划系统研究

刘月玲

摘  要： 为了更准确描述城市建筑景观特征，提高城市规划效果，设计基于三维虚拟现实技术的城市规划系统。通过航空激光扫描采集城市几何特征数据，利用城市规划设计结果获取新开发区域相关数据，采用该数据制作数字地面模型和建筑与景观三维模型对城市场景三维建模，并进行纹理渲染，将所建模型与虚拟现实软件坐标相匹配，并添设虚拟特效。利用OSG引擎实现系统主机显示端与虚拟显示端的同步虚拟展示。具体应用结果表明，该系统可以高精度地反映城市建筑景观特征，规划结果信息饱和度高，归一化均方根误差小，可获得理想的视觉展示效果。

关键词： 三维虚拟现实技术; 城市规划; 数据组织; 模型制作; 模型集成; 纹理渲染; 虚拟展示

中图分类号： TN99?34; TP192                    文献标识码： A                      文章编号： 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

城市规划系统要考虑城市内建筑、景观规划的合理性、经济性、生态功能与美学艺术等不同功能，城市规划具有明显的延续性与超前性特征，城市信息化进程的加快对城市规划、建设与管理提出更高要求，仿真技术成为城市规划迫切需求的基础技术。

为实现城市规划设计中科学与技术的结合，不仅需要城市基础地理数据组织等支持，还需要规划效果展示平台[1?3]。

当前普遍使用的城市规划系统分别以三维可视地理信息系统和气候变化为基础[4?5]，这两种类型的城市规划系统均只考虑基础地理数据组织的支持功能，忽略了城市规划效果展示的应用。虚拟现实技术通过计算机构建一个逼真、可视、可触、可听的虚拟环境，用户利用交互设备可在虚拟环境中实现交互。利用虚拟现实技术，用户基于自身的感知与认知能力能够全面获取虚拟环境中包含的不同空间信息与逻辑信息[6]。

为获得更优的城市规划结果，设计基于三维虚拟现实技术的城市规划系统，构建规划设计后的城市三维模型，对模型进行渲染，利用虚拟现实技术，使相关人员能够以任意角度，实时互动地感受到城市规划效果，发展规划中存在的问题并实施改进，通过对城市现状与未来的规划，使城市布局更加合理。

1  基于三维虚拟现实技术的城市规划系统

1.1  系统整体结构

针对城市规划与展示的全新需求，设计三维虚拟现实技术的城市规划系统，如图1所示。

该系统主要由数据组织模块、城市场景三维建模与渲染模块、虚拟现实集成模块、虚拟城市展示模块等共同组成。

1） 数据组织模块基于航空激光扫描获取城市地表几何特征数据[7]，利用城市规划设计结果获取城市规划设计中新开发的建筑与景观数据，通过Arc GIS Engine组件对城市地表几何特征数据与城市规划设计中的相关数据进行参数化布局，通过参数化矢量图层呈现城市要素空间分布规则。

2） 城市场景三维建模与渲染模块基于数据组织模块内的数据，构建数字地面模型与城市主要建筑与景观三维模型，对数字地面模型与建筑景观三维模型集成后，利用OSG（Open Scene Graph）引擎对模型进行实时场景纹理渲染[8]。

3） 虚拟现实集成模块内包含虚拟现实组件，通过模型与软件坐标的匹配，构建具有动态景观漫游与三维可视化的城市整体虚拟场景。

4） 虚拟城市展示模块的主要功能是实现系统主机显示端（虚拟现实软件显示窗口）与虚拟显示端（虚拟现实眼镜）同步虚拟展示，完成城市规划信息的动态体验与查询分析。

1.2  数据组织模块设计

数据组织模块采用航空激光扫描方式采集城市地表几何特征数据（包括地形点云数据、建筑与景观图像、纹理数据等）。基于城市规划设计人员对于城市规划的设计结果，获取新开发区域数据（包括建筑与景观图像、纹理数据等）。

由于城市规划设计具有不规则分布特征[9]，城市空间布局管理较为不易，因此采用Arc GIS Engine组件对城市规划设计中的主要建筑与景观的位置与关系、道路与河流等线性要素的空间位置等进行空间数据参数化布局管理。

1.3  城市场景三维建模与渲染模块设计

1.3.1  数字地面模型制作

根据数据组织模块内的地形点云数据，构建三角网数字地面模型，将航空激光扫描控制点作为顶点，以不交叉、不重复为原则，构建平面三角形逼近城市地表曲面。在航空激光扫描控制点分布合理，同时控制度密度适当的条件下，三角网数字地面模型能够准确地呈现城市地表。

基于异侧找点、角度最大、不超过特征线、不进入禁区、不遗漏等标准构建覆盖城市整体区域的三角网数字地面模型[10]，根据该地面模型，即可计算城市整体区域内任意地面点标高。

1.3.2  城市建筑模型制作

将城市原有建筑与景观图像和城市规划设计后新建的建筑与景观图像导入VTK软件内[11]，采用中值滤波法对导入的图像进行滤波处理，中值滤波结果[Yi，j]如下：

式中：[median]表示中值滤波器;[m]，[n]和[w]分别表示滤波窗口水平方向、垂直方向尺寸和窗口规格;[Xij]和[Z2]分别表示坐标为[i，j]的像素点和二维数据串序号。

采用基于Canny算子的边缘检测与区域划分方法划分滤波处理后的建筑与景观图像：

利用[M]和[N]两个算子能够确定城市建筑与景观图像内不同像素的梯度[Tx，y]与方向[θ]：

根据不同像素的[Tx，y]和[θ]能够绘制城市建筑与景观的直方图[12]，在直方图上采集城市建筑与景观的角点，利用尺度不变特征转换方法对角点进行特征描述。根据角点特征确定不同图像特征点间的相关性，实现城市建筑与景观图像的配准，为三维模型的构建提供服务支持。

选取SMC（Secure Multi?party Computation，安全多方计算）算法进行城市建筑与景观三维模型构建，设定城市建筑与景观图像内存在轮廓线，[P1，P2，…，Pn]表示轮廓线，用[x，y，z]表示体素，针对不同[x，y，z]均给定一个以[fx，y，z]表示的状态函数：

不同体素与其所处平面上全部轮廓间的相关性（在轮廓线外/上/内）直接影响其状态值。

针对不同体元的状态值，其各顶点存在式（4）所描述的三种状态。在体元上一条轮廓线的两个顶点状态值为异号的条件下，说明此轮廓线同边界面相交，此时以此轮廓线中点为交点[13];相反，说明此轮廓线同边界面不相交。

基于上述过程，能够确定城市建筑与景观表面同体元的交点，依次将各交点相连，即可构建城市建筑物与景观的三维模型表面。由于顶点存在三种状态值，因此利用中心差分法确定不同顶点的法向量，选取线性差值法获取三角面各顶点法向量，基于交点和法向量即可实现城市建筑物与景观的三维模型构建。

1.3.3  模型集成

采用树状节点结构将数字地面模型和建筑物与景观三维模型进行集成，如图2所示。该结构既可呈现丰富的城市场景信息构成，也可利用各节点间的灵活变化提升整体场景组织管理效率，适用于城市场景规划，同时利于虚拟现实的二次渲染。利用OSG三维引擎对集成后的模型进行实时场景纹理渲染，渲染完成后传输至虚拟现实集成模块。

1.4  虚拟现实集成模块

虚拟现实集成模塊采用VR MAP平台，在该平台实现所构建模型同软件坐标之间的匹配，利用数据链集成城市规划三维场景内的不同基础数据[14]。同时添设光影效果控制、天气参数设置、动态景观漫游、模型之间及模型与场景之间同步控制等虚拟特效，提升城市规划效果与后续用户体验。

1.5  虚拟城市展示模块

虚拟城市展示模块的主要功能是利用OSG引擎中的视景器和相机向用户呈现构建好的城市规划虚拟现实场景。通过OSG引擎完成系统主机显示端与虚拟显示端的同步虚拟展示，实现城市规划虚拟场景的沉浸式浏览，同时为相机节点转换设定场景漫游器的键盘事件交互模式[15]，实现城市规划虚拟场景的漫游浏览。

2  系统应用分析

为验证本文所设计的三维虚拟现实技术的城市规划系统在城市规划过程中的应用效果，选取我国某二线城市为研究对象，将本文系统应用于研究对象的城市规划中，应用结果如下。

2.1  城市规划模拟效果展示

采用本文系统进行研究对象规划，用户通过虚拟现实眼镜体验研究对象规划效果，如图3所示。由图3可知，采用本文系统能够有效针对城市规划空间布局进行三维模拟成像，并进行虚拟展示与体验。

图4所示为不同视角下的研究对象规划虚拟展示效果。由图4可知，本文系统根据研究对象当前状态设计科学、经济、可行的规划方案。虚拟成像展示效果较好，建筑与景观的空间布局具有层次感，纹理处理效果增强了图像的真实感，颜色搭配与光线的设计与使用自然协调，不同视角的随意切换能够提升用户交互体验。高实用性与合理性的空间布局与协调自然的颜色与光线设计均可体现本文系统优质的应用性能。

2.2  系统规划精度测试

在研究对象现有区域和规划设计中新开发区域中分别选取三处建筑或景观作为规划精度测试目标，命名为D1～D3和G1～G3。对比不同目标实际空间信息与本文系统规划结果中的空间信息，验证本文系统规划精度，结果如图5所示。

分析图5a）内现有建筑或景观规划的空间坐标误差能够得到，本文系统规划现有建筑或景观的空间位置时坐标误差基本控制在0.35%以内。同时，[z]轴坐标误差均高于[x]轴坐标与[y]轴坐標，这可能是由于航空激光扫描采集现有建筑或景观数据时受外界环境影响导致采集结果内含有噪声，由此造成空间坐标误差。

分析图5b）内新建建筑或景观规划的空间坐标误差能够得到，本文系统规划新建建筑或景观的空间位置时坐标误差基本控制在0.2%以内。误差产生原因可能是由于本文系统对于新建建筑或景观的规划设计是以航空激光扫描获取的地形点云数据为基础进行的。综合图5内不同目标规划的空间定位结果能够说明本文系统在进行城市规划时具有较高的规划精度。

2.3  性能对比结果

以文献[4]中基于三维可视地理信息系统的城市规划系统和文献[5]中基于气候变化的城市规划系统为对比系统，研究本文系统与对比系统对研究对象规划结果的各项参数，结果如图6所示。时间开销能够反映系统的运行速度，其值越小则系统运行速度越快;信息饱和度体现系统规划的视觉呈现效果，其值越大系统规划视觉呈现效果越好;归一化均方根误差描述系统对于城市内主要建筑与景观的特征描述，其值越小特征描述越精准。由图6可得，本文系统进行城市规划所需时间开销为8.2 s，信息饱和度与归一化均方根误差分别为0.84%和0.02%。各项参数均优于对比系统，由此说明本文系统具有显著的性能优势。

3  结  语

本文设计基于三维虚拟现实技术的城市规划系统，系统应用结果显示本文系统能够准确规划城市内建筑与景观，且具有较好的虚拟展示效果。在后续研究过程中将针对城市基础数据的精确化问题进行详细研究，扩大系统规划精度优势，同时，引入物理特性优化系统内的动态漫游模拟，提升模拟效果的真实性。

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