城市仿真與計(jì)劃

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【摘要】簡(jiǎn)要介紹城市仿真技術(shù)，探討城市仿真技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)在城市規(guī)劃與城市規(guī)劃實(shí)施管理的過程中可能帶來的影響。

【關(guān)鍵詞】城市仿真；應(yīng)用系統(tǒng)；城市規(guī)劃

一、引言

BillGates認(rèn)為：“在當(dāng)今世界，一座城市如果不跟蹤最新觀念，將技術(shù)運(yùn)用到極限，明天它就可能成為一座鬼城。”近年來，伴隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化潮流已是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，建立在城市信息化平臺(tái)上的虛擬銀行、虛擬商務(wù)、虛擬政府、虛擬學(xué)校、虛擬影劇院、虛擬旅游、虛擬醫(yī)院等已紛紛出現(xiàn)。由于城市的各個(gè)子系統(tǒng)都可以在計(jì)算機(jī)中直觀地發(fā)映出來,從而可以很方便地對(duì)城市的物流、人流、信息流進(jìn)行集中而有效的控制和管理。所以，如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代城市本身的數(shù)字化，是城市管理者、規(guī)劃部門、企業(yè)、城市居民所共同關(guān)心的問題，而城市仿真技術(shù)作為數(shù)字城市的支撐技術(shù)之一，也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

二、城市仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1什么是城市仿真

城市仿真(UrbanSimulation)對(duì)大多數(shù)人來說，還是一個(gè)比較陌生的概念。簡(jiǎn)單來說，“城市仿真”就是將“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。近幾年，城市仿真在國內(nèi)外已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用，其前所未有的人機(jī)交互性、真實(shí)建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性，都是傳統(tǒng)方式所無法比擬的。

2.2與傳統(tǒng)方法的比較

傳統(tǒng)的規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)方法基本包括以下4種：人工手繪、建筑微縮模型、建筑效果圖和三維動(dòng)畫。其中，人工手繪（或非真實(shí)渲染-NPR）只是偶爾作為點(diǎn)綴用在早期的概念設(shè)計(jì)中。建筑效果圖、三維動(dòng)畫、建筑微縮模型是目前廣泛采用的三種方式。由于其市場(chǎng)的成熟，單做其中某一個(gè)或幾個(gè)方面即可支撐一個(gè)中型公司(100人以下)的發(fā)展。

這三種方法雖然流行，但它們各自的不足還是很明顯的。制作建筑微縮模型需要經(jīng)過大比例尺縮小，因此只能獲得建筑的鳥瞰形象，無法以正常人的視角來感受建筑空間，無法獲得在未來建筑中人的真正感受；常用的效果圖表現(xiàn)也只能提供靜態(tài)局部的視覺體驗(yàn)；三維動(dòng)畫雖然有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)三維表現(xiàn)力，但不具備實(shí)時(shí)的交互性，人是被動(dòng)的，而且對(duì)方案的修改以及觀察路線的變化需要重新計(jì)算，幾天甚至幾周后才能看到結(jié)果。

而在城市仿真應(yīng)用中，人們能夠在一個(gè)虛擬的三維環(huán)境中，用動(dòng)態(tài)交互的方式對(duì)未來的建筑或城區(qū)進(jìn)行身臨其境的全方位的審視：可以從任意角度、距離和精細(xì)程度觀察場(chǎng)景；可以選擇并自由切換多種運(yùn)動(dòng)模式，如：行走、駕駛、飛翔等，并可以自由控制瀏覽的路線。而且，在漫游過程中，還可以實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)方案、多種環(huán)境效果的實(shí)時(shí)切換比較。這是傳統(tǒng)的建筑效果圖和預(yù)渲染回放的三維動(dòng)畫所無法達(dá)到的。

2.3城市仿真技術(shù)的重點(diǎn)

1、在一定軟硬件的基礎(chǔ)之上，創(chuàng)建盡可能真實(shí)的場(chǎng)景

在城市仿真中，場(chǎng)景的真實(shí)感是最為關(guān)鍵的一個(gè)因素。而如前面已提到過的，由于實(shí)時(shí)三維渲染的要求及硬件顯示能力的限制，場(chǎng)景的復(fù)雜程度不能太高。同時(shí)，由于實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的限制，一些比較費(fèi)時(shí)的渲染選項(xiàng)，如動(dòng)態(tài)陰影、Bumpmap等實(shí)現(xiàn)起來還有一定困難。這些都會(huì)直接影響場(chǎng)景的真實(shí)感。

在硬件渲染能力的限制下，為創(chuàng)建盡可能真實(shí)的場(chǎng)景，一方面需要發(fā)掘各種軟件的功能，進(jìn)行優(yōu)化組合；另一方面，要發(fā)展更為高級(jí)的算法，如程序幾何（ProceduralGeometry）和分形算法（FractalMathematics）。

但“發(fā)展算法”不是一件簡(jiǎn)單的事，非個(gè)人所能為，只能是由某家公司開發(fā)出相應(yīng)的軟件，我們?cè)賮響?yīng)用。所以，從一般的制作者而言，要?jiǎng)?chuàng)建真實(shí)場(chǎng)景還是在于充分利用各種已存在的軟件工具。從實(shí)際的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)來看，主要有以下幾種軟件：

l實(shí)時(shí)三維模型創(chuàng)建軟件：MultigenCreator；

l紋理處理軟件：Photoshop

l實(shí)時(shí)場(chǎng)景管理/驅(qū)動(dòng)軟件：Vega

l輔助軟件：

建模方面可以用3DsMax/Maya輔助，Maya有免費(fèi)的flt文件(MultigenCreator格式文件)輸入/輸出插件,3DsMax則要通過OkinoPolytrans軟件來進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；

在三維紋理貼圖方面，可用DeepPaint3D和DeepUV輔助；

在燈光效果貼圖方面，可用Lightscape；

AutoCAD用于接收用戶原始DWG文件，預(yù)覽并輸出DXF。

在項(xiàng)目之初，就要詳細(xì)規(guī)劃、分配任務(wù)，根據(jù)任務(wù)思考如何充分利用上述各種軟件達(dá)到最終效果。除了從這幾個(gè)方面著手以外，我們所能期待的就只能是計(jì)算機(jī)硬件顯卡能力的迅速提高了。

2、在三維漫游的基礎(chǔ)之上，開拓新功能

不滿足于僅僅簡(jiǎn)單的三維場(chǎng)景漫游，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)效果的開發(fā)，并和用戶應(yīng)用緊密結(jié)合，如在Vega/VC下開發(fā)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)擊查詢、三維/二維結(jié)合、多媒體結(jié)合、3DGIS(地理信息系統(tǒng))等。

三、城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)與城市規(guī)劃

由于城市規(guī)劃的關(guān)聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是對(duì)全新的可視化技術(shù)需求最為迫切的領(lǐng)域之一。從總體規(guī)劃到城市設(shè)計(jì)，在規(guī)劃的各個(gè)階段，通過對(duì)現(xiàn)狀和未來的描繪（身臨其境的城市感受、實(shí)時(shí)景觀分析、建筑高度控制、多方案城市空間比較等），為改善人居生活環(huán)境，以及形成各具特色的城市風(fēng)格提供了強(qiáng)有力的支持。規(guī)劃決策者、規(guī)劃設(shè)計(jì)者、城市建設(shè)管理者以及公眾，在城市規(guī)劃中扮演不同的角色，有效的合作是保證城市規(guī)劃最終成功的前提。城市仿真技術(shù)為這種合作提供了理想的橋梁，運(yùn)用城市仿真技術(shù)建立的城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)能夠使政府規(guī)劃部門、項(xiàng)目開發(fā)商、工程人員及公眾在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上，可從任意角度，實(shí)時(shí)互動(dòng)真實(shí)地看到規(guī)劃效果，更好地掌握城市的形態(tài)和理解規(guī)劃師的設(shè)計(jì)意圖，這樣決策者的宏觀決策將成為城市規(guī)劃更有機(jī)的組成部分，公眾的參與也能真正得以實(shí)現(xiàn)。這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動(dòng)畫等所不能達(dá)到的。

3.1城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)可被廣泛應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案評(píng)估、領(lǐng)導(dǎo)決策、規(guī)劃審批、市民公示、宣傳展示及招商等各方面。

3.2城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)

l仿真的虛擬環(huán)境:

類似于時(shí)下流行的三維動(dòng)畫，同樣是通過強(qiáng)大的三維建模技術(shù)建立逼真的三維場(chǎng)景，對(duì)規(guī)劃項(xiàng)目進(jìn)行真實(shí)的“再現(xiàn)”。但是城市仿真技術(shù)建立的虛擬環(huán)境是由基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，嚴(yán)格遵循工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)；而傳統(tǒng)動(dòng)畫的三維場(chǎng)景則是由動(dòng)畫制作人員根據(jù)資料或想象繪制而成，與真實(shí)的環(huán)境和數(shù)據(jù)有較大的差距，嚴(yán)格意義上來說屬于一種演示作品。

l多方式、運(yùn)動(dòng)中感受城市空間：

在城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)中，可以全方位,多種樣式（步行、驅(qū)車、飛行、UFO等）,完全由用戶自由控制在場(chǎng)景中漫游。城市仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫最根本的區(qū)別就是：傳統(tǒng)動(dòng)畫的觀察路徑都是預(yù)先設(shè)定好的，用戶只能按照事先設(shè)定的路徑瀏覽場(chǎng)景；而城市仿真技術(shù)可以由用戶在三維場(chǎng)景中任意漫游，人機(jī)交互，甚至還可以使用專用的頭盔把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身臨其境的錯(cuò)覺。這樣一來，很多不易察覺的設(shè)計(jì)缺陷能夠輕易地被發(fā)現(xiàn)，減少由于事先規(guī)劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項(xiàng)目的評(píng)估質(zhì)量。

l實(shí)時(shí)多方案比較：

運(yùn)用城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意的進(jìn)行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質(zhì)、顏色，改變綠化密度，……所看即所得，只要修改系統(tǒng)中的參數(shù)即可，而不需要象傳統(tǒng)三維動(dòng)畫那樣，每做一次修改都需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行一次渲染。這樣不同的方案、不同的規(guī)劃設(shè)計(jì)意圖通過城市仿真技術(shù)實(shí)時(shí)的反映出來，用戶可以做出很全面的對(duì)比，并且城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)可以很快捷、方便的隨著方案的變化而作出調(diào)整，輔助用戶作出決定。從而大大加快了方案設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量，提高了方案設(shè)計(jì)和修正的效率，也節(jié)省了大量的資金。

l三維空間信息交流：

城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的沉浸感和互動(dòng)性不但能夠給用戶帶來強(qiáng)烈、逼真的感官?zèng)_擊，獲得身臨其境的體驗(yàn)，還可以通過其數(shù)據(jù)接口與GIS信息相結(jié)合，從而可以在實(shí)時(shí)的虛擬環(huán)境中隨時(shí)獲取項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資料，方便大型復(fù)雜工程項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、投標(biāo)、報(bào)批、管理等需要。此外，城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)還可以與網(wǎng)絡(luò)信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程操作。

3.3城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的功用

一套完善的城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)能夠很好的展示城市規(guī)劃、宣傳城市建設(shè)、提升城市形象。系統(tǒng)根據(jù)城市的當(dāng)前狀況和對(duì)城市的未來規(guī)劃，將城市的過去、現(xiàn)在和將來任意時(shí)間的情況展示在規(guī)劃設(shè)計(jì)者、政府決策者、投資開發(fā)者和普通市民面前。系統(tǒng)首先根據(jù)城市的當(dāng)前狀況和對(duì)城市的規(guī)劃資料完成城市的設(shè)計(jì)，然后該系統(tǒng)的交互控制軟件可以幫助使用者從不同角度遍歷城市的各個(gè)部分，幫助有關(guān)人員作出決策。

提高項(xiàng)目管理能力和效率

規(guī)劃部門使用城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)，可以使方案評(píng)估更為準(zhǔn)確、公正和快捷。另外，如果系統(tǒng)中需要增加新的項(xiàng)目，或其中的項(xiàng)目遇到方案修改，可以隨時(shí)導(dǎo)入或更新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，并且可供日后存檔，極大地方便了政府規(guī)劃管理部門的管理工作，提高了效率，節(jié)省了成本。

提高公眾參與度和部門協(xié)同作業(yè)

由于城市仿真技術(shù)打破了專業(yè)人士和非專業(yè)人士之間的溝通障礙，使得各部門能夠在統(tǒng)一的城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)下進(jìn)行交流，能更好的理解設(shè)計(jì)方的思路和各方的意見，能更快的找到問題、達(dá)成共識(shí)和解決一些設(shè)計(jì)中存在的缺陷。

提高方案設(shè)計(jì)和修正的效率

通過城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，改變用地布局，改變建筑高度，改變綠化密度，改變外立面的顏色……所看即所得，只要修改系統(tǒng)中的參數(shù)就可以輕松實(shí)現(xiàn)，大大加快了方案設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量。

提高展示和城市形象宣傳的效果

城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)的沉浸感和交互性不但能夠讓用戶獲得身臨其境的體驗(yàn)，同時(shí)還能隨時(shí)獲取項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。對(duì)于公眾關(guān)心的大型規(guī)劃項(xiàng)目，在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)過程中，城市仿真應(yīng)用系統(tǒng)可以將現(xiàn)有的方案導(dǎo)出為視頻文件用來制作多媒體資料予以一定程度的公示，讓公眾真正的參與到項(xiàng)目中來。當(dāng)項(xiàng)目方案最終確定后，也可以通過視頻輸出制作多媒體宣傳片，進(jìn)一步提高項(xiàng)目的宣傳展示效果。

四、結(jié)語

城市仿真技術(shù)作為信息技術(shù)中的一種新興技術(shù)，正在逐漸成為幫助城市規(guī)劃和管理的重要手段，它對(duì)于城市規(guī)劃的影響不僅表現(xiàn)在對(duì)城市規(guī)劃所需信息的采集、處理和利用方面，更為重要的是它改變了城市規(guī)劃內(nèi)部信息流程和城市規(guī)劃部門與社會(huì)的信息交流與反饋機(jī)制，進(jìn)而對(duì)城市規(guī)劃的管理體制產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

但是我們也必須清楚的看到，城市仿真技術(shù)還剛剛起步，就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，作為一種專門的信息技術(shù)，它并不能解決在城市規(guī)劃中所涉及到的所有問題。但是隨著城市仿真技術(shù)的發(fā)展以及WEB技術(shù)、GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)等相關(guān)信息技術(shù)的引入，城市仿真技術(shù)必將在城市規(guī)劃領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。