基于“數(shù)字城市”園區(qū)建設中運用三維仿真系統(tǒng)的必要性研究

于麗偉 王嘉琪 姬攀 李俊潔

摘 要：如今，隨著經(jīng)濟、文化的不斷發(fā)展，城市化進程不斷擴大，城市信息化發(fā)展日趨推進。在這個背景下，“數(shù)字城市”“智慧城市”也相繼建設起來。本文主要探討在“數(shù)字城市”建設的背景下運用三維仿真技術進行城市規(guī)劃、建筑設計、景觀設計的必要性研究，以青島市新建園區(qū)高新區(qū)為例探討運用三維仿真系統(tǒng)的必要性、方法及優(yōu)勢，力求為新建園區(qū)設計提供先進的理念和全新的嘗試。

關鍵詞：數(shù)字城市；三維仿真系統(tǒng)；園區(qū)設計

當前，信息技術的迅猛發(fā)展及其在各個領域的普及應用，推動著城市信息化水平不斷提高。城市規(guī)劃和建筑設計、景觀設計逐步引入三維仿真系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術，城市規(guī)劃建設將迎來一場創(chuàng)新型技術革命，城市發(fā)展理念將更加超前。以往，我們主要依靠二維 GIS數(shù)據(jù)處理技術來規(guī)劃和建設城市空間，城市信息處理以數(shù)據(jù)表格、平面設計圖紙、沙盤模型、360全景動畫為主。人們很難將城市空間的數(shù)據(jù)模型與現(xiàn)實場景聯(lián)系起來，實現(xiàn)不了人景互動和實時信息查閱。因此利用三維仿真系統(tǒng)建設虛擬化城市必將成為未來城市規(guī)劃與管理的主流技術。采用城市仿真系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術可以對城市規(guī)劃要素進行數(shù)字化和可視化處理，決策者可以在高度真實的場景中進行合理的布局、規(guī)劃和設計。參與者也可以身臨其境地對設計進行查閱、體驗和互動。

一、三維仿真系統(tǒng)在新建園區(qū)中應用的意義

三維仿真系統(tǒng)是指利用計算機技術生成的一個仿真的，具有聽覺感知、力覺感知、運動感知、味覺感知和嗅覺感知等的虛擬環(huán)境，用戶可以身臨其境，與之互動的一種新興技術。

三維仿真系統(tǒng)，解決了以往平面空間對復雜的環(huán)境進行建設和設計等反應不全面的問題，方便管理人員和技術人員進行建設前的合理部署、建設中的動工交底和建設后的后期維護。三維仿真系統(tǒng)能夠真實模擬建設園區(qū)的地形、地貌、道路、建筑等附著物，能夠為工作人員提供一個真實的三維仿真場景，增加沉浸感和體驗性，提供更加可靠的技術支持。

二、青島高新技術產(chǎn)業(yè)區(qū)情況分析

青島高新技術產(chǎn)業(yè)區(qū)位于青島市膠州灣北部，規(guī)劃面積為66平方公里。主園區(qū)規(guī)劃面積63平方公里。目前，高新區(qū)引進商業(yè)配套項目三十多個，涵蓋城市綜合體、科技大廈、星級酒店、金融機構、綜合性商業(yè)體、醫(yī)療中心、文化體育中心等多種商業(yè)業(yè)態(tài)，在建房地產(chǎn)開發(fā)項目38個，總占地面積約342萬平方米，其中住宅建筑面積約345萬平方米、商業(yè)建筑面積約91萬平方米。高新技術產(chǎn)業(yè)區(qū)是青島市市委、市政府為實施“三城聯(lián)動”發(fā)展戰(zhàn)略，在已開發(fā)的膠州灣北部園區(qū)基礎上，整合空間資源、保護膠州灣底生態(tài)岸線，統(tǒng)籌并帶動區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展設立的。高新區(qū)目前已開發(fā)區(qū)域主要集中在40.6 平方公里范圍內(nèi)，主要包括寫字樓、廠房、住宅等，且地勢平緩，地形高差不超過1米。由于園區(qū)在建項目眾多，基礎數(shù)據(jù)信息齊全，各種地形、地貌圖紙詳盡，園區(qū)豐富的信息數(shù)據(jù)為實現(xiàn)三維仿真系統(tǒng)提供必要的技術支持，三維場景實現(xiàn)起來優(yōu)勢明顯。

三、三維仿真系統(tǒng)在新建園區(qū)設計中應用的優(yōu)勢

（一）提高園區(qū)規(guī)劃設計的準確性、可行性

由于新建園區(qū)項目眾多，在規(guī)劃設計中使用三維仿真系統(tǒng)，可以真實模擬現(xiàn)有的地形、地貌及園區(qū)場景，為決策者提供可視化的預見，有效規(guī)避設計風險。園區(qū)三維仿真系統(tǒng)的建立可以合理地進行項目初始階段的研究、道路設計、景觀布局、建筑設計等整體規(guī)劃，有效促進項目發(fā)展階段的空間組合、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)融合等，方便項目最終的管理和維護，同時可以減少設計缺陷，為日后迅速合理地開展審批工作奠定基礎。

（二）增強用戶的體驗感和參與性

三維仿真技術的運用能夠使設計者突破傳統(tǒng)設計思維，即擺脫二維表現(xiàn)的束縛和抽象思維的不確定性，拓展設計思維，使設計者的構思能在實時生成的三維虛擬空間中充分體現(xiàn)。同時讓參與者感到猶如身處虛擬現(xiàn)實場景之中，可以隨時隨地在園區(qū)內(nèi)外實時漫游，近距離觀察細節(jié)，實地體會空間，甚至可以借助仿真技術的眼鏡、手套等設備獲得真實的體驗感，增強參與者的沉浸性，讓參觀者真正獲得身臨其境的感覺。在三維仿真系統(tǒng)中，參與者可以自己選擇觀看的路線、角度、視點以及停留的時間，在重要節(jié)點上還能根據(jù)自己的需要來獲取相關數(shù)據(jù)，從而獲得更多準確的信息。三維仿真技術使設計師和參與者擁有更多的自主性和互動性。三維仿真技術的根本目的不僅是在三維空間中實現(xiàn)仿真建模，而是幫助人們在虛擬園區(qū)的動態(tài)空間中做到實時觀察，并與多媒體形式互動獲得多重感知，從而獲取信息和形成新的概念。

四、三維仿真系統(tǒng)在新建園區(qū)的具體運用

（一）在園區(qū)規(guī)劃中的應用

對于新建園區(qū)的建設，項目的拆遷改造和新的現(xiàn)代化園區(qū)建設，無時無刻不在進行。而這些龐大的工程可以在實施前運用三維仿真系統(tǒng)將其模擬建造出來，把原本在設計圖紙上的抽象概念變成真實存在的物體和環(huán)境。可以把園區(qū)中原有的建筑從場景中移除，再按規(guī)劃從方案庫中把其他的方案調(diào)出，并立即顯示在場景中，再進行相關的測距、日照等功能分析，用戶就可直觀地看到每種方案的優(yōu)劣之處，從而為規(guī)劃建設提供有力的決策。三維仿真系統(tǒng)還可以實現(xiàn)建設規(guī)劃方案的替換，用于區(qū)域建設方案之間的比較，能夠直觀地看到不同方案在整體規(guī)劃方案中建成后的效果。三維仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)對新建園區(qū)進行虛擬現(xiàn)實的模擬規(guī)劃與設計。

（二）在園區(qū)場景中的應用

1.園區(qū)中對于環(huán)境變化和對周圍物體的關聯(lián)性要求很高，因此在建設前應該對建成之后的環(huán)境有一個清晰明確的認識。特別是青島高新區(qū)中央智力島設計，項目建設主要包括數(shù)據(jù)和軟件兩部分，一是三維模型建立和數(shù)據(jù)信息搜集，二是三維仿真系統(tǒng)平臺應用。項目利用1：500地形圖，結合竣工圖和外業(yè)紋理拍攝，建立高新區(qū)中、東片區(qū)約40.6平方公里范圍內(nèi)道路、水系、綠化、地標性建筑、人文景觀等對象的高精度三維模型以及1公里管溝三維模型；同時，項目需基于高新區(qū)的三維管線數(shù)據(jù)庫，構建高精度、高瀏覽效率真實美觀的地下管線三維信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對園區(qū)三維基礎數(shù)據(jù)和三維地下管線數(shù)據(jù)的一體化展示和應用。

2.本項目三維場景建模需采用AutoCAD、3DSMax、Photoshop、Stamp作為軟件處理平臺。先通過 AutoCAD、3DMAX按照實際空間布局描繪出三維模型的局部特質(zhì)，通過地形圖或竣工圖上的高程數(shù)據(jù)和平面坐標數(shù)據(jù)定位建模。使用相機對測區(qū)需要進行三維場景的建筑、地形、景觀、植被、小品等進行數(shù)碼實地拍攝，根據(jù)照片進行貼圖，建立三維模型庫、三維模型紋理庫、屬性數(shù)據(jù)、竣工圖等，作為建筑物建模的參考資料。收集這些數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行格式處理。利用Photoshop 處理紋理及其色彩，來提高三維模型的逼真程度。按照真實世界的地物分布，利用建立好的模型，在 Stamp 三維平臺軟件中搭建場景。實現(xiàn)三維場景整合，在三維模型數(shù)據(jù)制作完成后對所需屬性信息進行匹配設置。然后借助 VRMLPAD開發(fā)工具，通過其中的 VRML的內(nèi)聯(lián)節(jié)點可以將園區(qū)空間場景無縫對接，以實現(xiàn)空間漫游。借助 OpenGL進行虛擬場景的渲染，使場景更加逼真，建立實時多方案數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)園區(qū)的三維仿真。

五、結語

三維仿真技術作為一種全新的理念和手段，為規(guī)劃設計、基礎設施管理、政府決策提供了一個全方位、立體直觀的真實環(huán)境。目前它在新建園區(qū)中應用廣泛。青島高新技術產(chǎn)業(yè)區(qū)三維仿真系統(tǒng)建設的根本目的在于為青島市高新區(qū)建設一個地上基礎三維系統(tǒng)和地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、維護更新、應用與信息服務為一體的信息化平臺。系統(tǒng)的運用基于數(shù)字城市的總體框架下，為高新區(qū)的規(guī)劃設計管理提供應用支持，為園區(qū)景觀道路建設提供可視化預見，為城市設施維護檢修、優(yōu)化管理、事故預警和處理上提供決策支持。同時，為后續(xù)服務于規(guī)劃、國土、建設、消防等數(shù)字城市應用，提升應用水平。

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作者簡介：

于麗偉，副教授，青島農(nóng)業(yè)大學藝術學院。

作者單位：青島農(nóng)業(yè)大學藝術學院