基于城市景觀模擬系統(tǒng)下的高清模型制作方法與控制研究

摘 要：城市景觀模型是城市形態(tài)設(shè)計(jì)分析與決策的重要依據(jù)，將具有空間形態(tài)分析功能的高清模型同數(shù)字再現(xiàn)技術(shù)相結(jié)合，形成一個(gè)整體的景觀模擬系統(tǒng)，可以將城市環(huán)境景觀的動(dòng)態(tài)形態(tài)與空間形態(tài)準(zhǔn)確的展示出來，對(duì)于城市空間形態(tài)決策具有重要的意義。因此，高清景觀模型的制作特點(diǎn)、精準(zhǔn)度、制作方法、整合都區(qū)別于傳統(tǒng)展示性景觀模型。本文通過對(duì)高清城市景觀模型的特殊制作方法與控制的過程分析，強(qiáng)調(diào)模型與數(shù)字技術(shù)的緊密結(jié)合，將成為未來城市景觀形態(tài)分析的重要依據(jù)和方法。

關(guān)鍵詞：景觀模擬系統(tǒng) ；高清模型；數(shù)字再現(xiàn)

1 引言

中國(guó)的城市建設(shè)速度突飛猛進(jìn)，以上海為例，1992年上海市18層以上的高樓50棟左右，20年后的今天已經(jīng)是5000多棟。中國(guó)正經(jīng)歷著城市化進(jìn)程和城市建設(shè)的高峰時(shí)期，城市的變化對(duì)城市的環(huán)境有了很大的改觀，但是也帶來諸多始料未及的問題與建設(shè)詬病。城市是一個(gè)復(fù)雜的空間綜合體，環(huán)境空間景觀的綜合決策，才能帶來諸如街道、建筑、綠化、交通、導(dǎo)向之間的協(xié)調(diào)互動(dòng)。但是，能夠在復(fù)雜的城市環(huán)境要素設(shè)計(jì)前期就進(jìn)行充分的控制是非常困難的，這取決于對(duì)空間要素設(shè)計(jì)的調(diào)研分析，對(duì)環(huán)境空間概念的模擬表現(xiàn)。這些設(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)最終城市環(huán)境的決策具有很重要的決定性。

現(xiàn)如今我們傳遞設(shè)計(jì)概念的方法集中在平面圖、立面圖、效果圖、模型、三維動(dòng)態(tài)虛擬等方法，但對(duì)于復(fù)雜的城市環(huán)境與人的感官理解需求之間，具有一定的表達(dá)與觀測(cè)理解的局限。模型最容易讓人形成直觀的空間感覺，但受到模型比例與材料的局限，很難進(jìn)行人視的觀測(cè)。三維虛擬技術(shù)又讓人喪失了空間真實(shí)感，只能通過攝像機(jī)的單一視角接收空間信息。如果能夠?qū)h(huán)境模型和數(shù)字虛擬技術(shù)結(jié)合起來，將整體環(huán)境空間印象與局部動(dòng)態(tài)模擬想結(jié)合，將能夠創(chuàng)建一個(gè)既有整體感官的模型又有各種視角觀測(cè)的動(dòng)態(tài)模擬。從成熟的電影城市布景與拍攝的方法獲得靈感，在70年代，由加利福尼亞大學(xué)伯克力分校環(huán)境設(shè)計(jì)學(xué)院彼得·博森曼教授（Prof.Richard Bender， Prof. Peter Bosselmann）研制開發(fā)了景觀模擬系統(tǒng)，以用于城市與設(shè)計(jì)決策者進(jìn)行空間數(shù)據(jù)分析。隨著高清數(shù)字模型與景觀虛擬系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，硬件與軟件平臺(tái)越來越成熟。新的數(shù)字展示技術(shù)越來越先進(jìn)，要求在模型的清晰度、精準(zhǔn)度、整合上有了更高的要求。

圖1 高清景觀模型（東京城市模型，來源：日本森公司）

2 高清城市景觀模型的發(fā)展

2.1 高清城市景觀模型的概念

高清城市景觀模型是一種新的模型制作與展示方法，其區(qū)別于傳統(tǒng)的展示性模型。高清城市景觀模型通過準(zhǔn)確定位、精確的比例、真實(shí)的表面肌理制作，不僅能夠反應(yīng)出真實(shí)的城市空間環(huán)境，更具有環(huán)境空間分析功能的屬性。同高清數(shù)字再現(xiàn)攝像機(jī)相配合，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境空間形態(tài)分析的功能，可以為設(shè)計(jì)師、決策者提供真實(shí)的空間感受與設(shè)計(jì)的實(shí)施依據(jù)。

2.2 模型與數(shù)字再現(xiàn)技術(shù)的結(jié)合

高清模型除了直觀觀測(cè)更加生動(dòng)真實(shí)，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是先進(jìn)的數(shù)字模擬再現(xiàn)系統(tǒng)。高清模型與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)⒛Ｐ涂臻g動(dòng)態(tài)化、數(shù)字化。景觀模擬系統(tǒng)通過景觀虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)專用軟件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制CCD潛望攝像機(jī)，在空間模型中多視點(diǎn)拍攝實(shí)景模型，再現(xiàn)設(shè)計(jì)的實(shí)際城市景觀效果，達(dá)到真實(shí)模擬空間環(huán)境的目的。為決策者 （包括研究機(jī)構(gòu)，政府、企業(yè)、設(shè)計(jì)師等）在研究探討城市空間形態(tài)環(huán)境提供一種直觀可視化。隨著技術(shù)平臺(tái)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代在日本早稻田大學(xué)等機(jī)構(gòu)得到具體實(shí)踐，日本經(jīng)過幾方面的改進(jìn)完善，已經(jīng)形成成熟的城市景觀模擬系統(tǒng)技術(shù)。目前國(guó)際上有美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、意大利米蘭工科大學(xué)、瑞典LUND大學(xué)、荷蘭DELFT大學(xué)、德國(guó)STUTTGARD大學(xué)、早稻田大學(xué)、東京大學(xué)等建立了景觀實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)研究室。2009年上海東華大學(xué)也引進(jìn)了一臺(tái)最先進(jìn)的景觀模擬系統(tǒng)，論文的參考依據(jù)來源于這臺(tái)景觀模擬設(shè)備的運(yùn)行與控制數(shù)據(jù)。

2.3 同傳統(tǒng)觀賞型城市景觀模型的區(qū)別

由于高清景觀模型與數(shù)字結(jié)合的特殊技術(shù)基礎(chǔ)，要求模型能夠真實(shí)模擬城市空間的細(xì)節(jié)，才能達(dá)到再現(xiàn)的目的，其整體與觀賞型的城市景觀模型具有很大的區(qū)別（見圖6，7，8 ）。目前中國(guó)的城市景觀模型制作主要用于觀賞，材料是用水晶、有機(jī)玻璃、塑料、木材、紙板等各種材料，用電腦技術(shù)或人工雕刻拼裝而成，因制作為迎合大眾觀賞，并不在意模型定位和精準(zhǔn)度控制，模型只能作為體量、尺度、規(guī)模的參考，特別是有些模型制作為了展示起來更美觀，肆意改變尺度，不可能達(dá)到現(xiàn)實(shí)真實(shí)狀況再現(xiàn)，因此也不能成為精準(zhǔn)的城市空間形態(tài)決策依據(jù)。高清環(huán)境景觀模型從模型制作前期就對(duì)定位、比例尺度、材料肌理表現(xiàn)有更強(qiáng)化的控制，也更注重細(xì)節(jié)的表現(xiàn)，以配合數(shù)字潛望攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境模擬。

2.4 高清模型的信息量

圖7 高清模型包含大量的信息量

高清模型通過在真實(shí)環(huán)境中拍攝素材，整合后的城市環(huán)境空間模型具有多維度的觀測(cè)性，如果我們將1平方公里內(nèi)的城市環(huán)境通過高清模型的方式模擬出來，其包含的信息量是任何單一數(shù)字虛擬不能夠超越的。

2.5 高清模型的成本

高清模型的成本主要集中在前期素材的采集上，通過有效的精準(zhǔn)控制與模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)，其制作材料成本很低。想比現(xiàn)在昂貴的按時(shí)間計(jì)費(fèi)的3d數(shù)字虛擬技術(shù)，可操作性更強(qiáng)，而且能夠在任何環(huán)境空間中進(jìn)行模擬與動(dòng)態(tài)觀測(cè)，可以反復(fù)利用和修改。

2.6 高清模型的應(yīng)用

高清模型可以和數(shù)字模擬系統(tǒng)結(jié)合使用，可以成為一種普及的教育工具，可以很直觀的生成城市景觀模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。同時(shí)，高清的景觀模型注重的是城市景觀的整體性，因此可以用于建筑單體設(shè)計(jì)與城市區(qū)域規(guī)劃，改變建筑師只注重建筑單體的設(shè)計(jì)而忽略與周邊環(huán)境的關(guān)系的現(xiàn)狀。高清景觀模型制作完成后，普通市民也可以通過景觀模擬系統(tǒng)的直觀再現(xiàn)，參與城市建設(shè)的方案中。

由于高清城市景觀模型的制作成本較低，制作方便，信息量大的特點(diǎn)，在今后的城市規(guī)劃與發(fā)展中會(huì)逐步顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

3 高清模型的制作控制與方法

3.1 高清模型制作控制

從20世紀(jì)90年代至今日，日本模型制作技術(shù)與景觀模擬系統(tǒng)同步發(fā)展，從引進(jìn)、改良、提升、技術(shù)已經(jīng)完全成熟。模型制作技術(shù)采用了GPS定位系統(tǒng)、高精度成像、激光量距等高科技技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的再現(xiàn)目的，其誤差不應(yīng)該大于0.1%。因景觀模擬系統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的要求，景觀模擬用模型都控制在1：1000的比例（特殊情況除外）。模型制作以真實(shí)反映原景為制作原則，模型制作通過確定比例、地形制作、紋理采集、模型定位、整合、演示等步驟來模擬真實(shí)構(gòu)筑物景觀原貌與新建形態(tài)。

3.2 高清模型制作階段3.2.1模型基礎(chǔ)制作

城市總規(guī)圖

內(nèi)容：包含城市用地規(guī)劃區(qū)域范圍；建筑物的區(qū)域分布；道路及運(yùn)輸設(shè)施的設(shè)置；綠化植被和水體規(guī)劃等內(nèi)容。

信息要求：建筑物外形，等高線和標(biāo)高。

住宅平面圖

內(nèi)容：記載有每棟建筑物名稱的平面地圖

信息要求：建筑物名稱和建筑物層高等信息。

垂直航空照片

內(nèi)容：從飛機(jī)，直升機(jī)，熱氣球等垂直拍攝的地表照片。

信息要求：拍攝信息時(shí)間為近期，解像度符合制作要求并且斜面修正完成的航空照片。所謂航空照片的解像度是指照片數(shù)據(jù)1pixel所表示的實(shí)際尺寸大小。一般情況下，1/500的模型最適合的解像度為5cm；1/1000的模型最適合的解像度為10cm。而20cm以上的解像度的航空照片則不適合制作模型。

3.2.2城市景觀紋理采集

城市景觀紋理采集是模型制作中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。主要分為2大部分：數(shù)據(jù)庫(kù)紋理采集和重要建筑物的紋理采集。

數(shù)據(jù)庫(kù)紋理采集是指在模型范圍所在的城市中廣泛采集城市景觀紋理，然后根據(jù)建筑物用途分類。例如：辦公建筑；住宅；工廠；醫(yī)院；學(xué)校；酒店；歷史建筑；文化建筑等。主要對(duì)象是非主要建筑。所占比例大約是建筑物總數(shù)的0.5%。在使用時(shí)需要注意的地方是：根據(jù)建筑物用途選擇相應(yīng)的建筑物紋理；相鄰建筑避免使用相同的數(shù)據(jù)庫(kù)紋理；數(shù)據(jù)庫(kù)紋理的使用可以參考遠(yuǎn)景照片進(jìn)行判斷。

重要建筑紋理采集是指在制作重要建筑時(shí)在重要建筑物體塊外需要黏貼的紋理照片的采集。包括建筑物高層部分正面；裙樓部分正面；高層部分側(cè)面和背面；塔樓部分；屋頂（從航空照片上直接截取）；廣告牌等可以看到的細(xì)節(jié)部分。

3.2.3模型精準(zhǔn)度控制

建筑物：GPS定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)拍攝+圖片計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)+激光彩色打印+激光模型制作，有時(shí)特殊建筑需要使用3D打印技術(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)拍攝的精度對(duì)日后模型制作的精度起到了關(guān)鍵性的作用。首先，現(xiàn)場(chǎng)拍攝前需要對(duì)模型制作范圍的地圖做準(zhǔn)備，并且劃分地塊，對(duì)建筑物經(jīng)行編碼。拍攝的最佳時(shí)間：冬天是9：00-15：00；夏天是8：00-16：00。拍攝的最佳氣候?yàn)槎嘣啤Ｒ驗(yàn)榉瓷涓蓴_小，最接近于實(shí)際色彩。拍攝數(shù)量上，一般普通住宅等低矮建筑拍攝數(shù)量為10張左右；10層左右的建筑每棟在30-40張左右；高層建筑等異形建筑也有拍攝50張以上的情況。每棟建筑的照片中需要包括：全體照、高層部分照片、底層部分照片、廣告牌照片、塔樓照片、遠(yuǎn)景照片、眺望照片?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地拍攝的同時(shí)還需要搜集建筑物的各種信息，如層高等。在切割體塊時(shí)，所有的面都需要切到垂直，以保證后期模型的精準(zhǔn)度。

圖11 建筑物體塊垂直切割

3.2.4模型整合

模型組合板塊按一定的模數(shù)關(guān)系劃分成多塊組合，便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存、組裝； 在制作模型體塊階段可以使用的工具有熱線切割機(jī)，模型3D打印機(jī)等。在學(xué)術(shù)研究，學(xué)校教學(xué)上主要以熱線切割機(jī)為主。先用熱線切割機(jī)將建筑物的體塊切出，然后選擇建筑物相應(yīng)的紋理貼紙黏貼在建筑物外墻上。完成后的建筑物最后整合到地形上。考慮到模型的儲(chǔ)存和搬運(yùn)以及組裝，在模型制作的初期要設(shè)定好模型塊數(shù)的尺寸大小，方便模型制作完成后展示，運(yùn)輸，組裝。

圖12將完成的建筑物單體整合在地形中

3.2.5模型演示

高精度模型制作完成后，通過景觀虛擬系統(tǒng)的機(jī)器手控制小型（CCD）攝影機(jī)，通過控制路徑拍攝并反映出城市空間的實(shí)景模型。同時(shí)，基于高清模型的基礎(chǔ)，還可以通過GPS定位系統(tǒng)和步行系統(tǒng)等相結(jié)合，形成一種更輕易的親身體驗(yàn)感。

4 結(jié)論

中國(guó)的城市化進(jìn)程正處在高峰期，對(duì)于高密度城市既有環(huán)境的新建設(shè)與舊區(qū)的更新改造是城市最突出的環(huán)境景觀變化，在建設(shè)前期就能夠直觀的將城市景觀形態(tài)展示給決策者變得非常重要。傳統(tǒng)的展示性景觀模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能承擔(dān)精確、真實(shí)、動(dòng)態(tài)的新要求。高清景觀模型與數(shù)字再現(xiàn)技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了景觀模型的數(shù)據(jù)與形態(tài)分析功能，將成為城市形態(tài)設(shè)計(jì)分析的重要方法與依據(jù)。本項(xiàng)目研究是以日本先進(jìn)模型制作技術(shù)為參照，具有創(chuàng)新技術(shù)伸展空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 矢部俊男.environmental simulation labiratory活動(dòng)報(bào)告書.東京.1997

作者簡(jiǎn)介

黃更（1980-），男，上海人，設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)碩士，上海東華大學(xué)服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系 講師.