城市仿真與計劃

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

【關鍵詞】城市仿真；應用系統(tǒng)；城市規(guī)劃

一、引言

BillGates認為：“在當今世界，一座城市如果不跟蹤最新觀念，將技術運用到極限，明天它就可能成為一座鬼城?！苯陙恚殡S著計算機及網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化潮流已是全球經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢，建立在城市信息化平臺上的虛擬銀行、虛擬商務、虛擬政府、虛擬學校、虛擬影劇院、虛擬旅游、虛擬醫(yī)院等已紛紛出現(xiàn)。由于城市的各個子系統(tǒng)都可以在計算機中直觀地發(fā)映出來,從而可以很方便地對城市的物流、人流、信息流進行集中而有效的控制和管理。所以，如何利用先進的計算機技術實現(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)、城市居民所共同關心的問題，而城市仿真技術作為數(shù)字城市的支撐技術之一，也成為當前的研究熱點。

二、城市仿真技術簡介

2.1什么是城市仿真

城市仿真(UrbanSimulation)對大多數(shù)人來說，還是一個比較陌生的概念。簡單來說，“城市仿真”就是將“虛擬現(xiàn)實”技術應用在城市規(guī)劃、建筑設計等領域。近幾年，城市仿真在國內(nèi)外已經(jīng)得到了越來越多的應用，其前所未有的人機交互性、真實建筑空間感、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、建筑設計表現(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畫。其中，人工手繪（或非真實渲染-NPR）只是偶爾作為點綴用在早期的概念設計中。建筑效果圖、三維動畫、建筑微縮模型是目前廣泛采用的三種方式。由于其市場的成熟，單做其中某一個或幾個方面即可支撐一個中型公司(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；三維動畫雖然有較強的動態(tài)三維表現(xiàn)力，但不具備實時的交互性，人是被動的，而且對方案的修改以及觀察路線的變化需要重新計算，幾天甚至幾周后才能看到結果。

而在城市仿真應用中，人們能夠在一個虛擬的三維環(huán)境中，用動態(tài)交互的方式對未來的建筑或城區(qū)進行身臨其境的全方位的審視：可以從任意角度、距離和精細程度觀察場景；可以選擇并自由切換多種運動模式，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，還可以實現(xiàn)多種設計方案、多種環(huán)境效果的實時切換比較。這是傳統(tǒng)的建筑效果圖和預渲染回放的三維動畫所無法達到的。

2.3城市仿真技術的重點

1、在一定軟硬件的基礎之上，創(chuàng)建盡可能真實的場景

在城市仿真中，場景的真實感是最為關鍵的一個因素。而如前面已提到過的，由于實時三維渲染的要求及硬件顯示能力的限制，場景的復雜程度不能太高。同時，由于實時仿真技術的限制，一些比較費時的渲染選項，如動態(tài)陰影、Bumpmap等實現(xiàn)起來還有一定困難。這些都會直接影響場景的真實感。

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

但“發(fā)展算法”不是一件簡單的事，非個人所能為，只能是由某家公司開發(fā)出相應的軟件，我們再來應用。所以，從一般的制作者而言，要創(chuàng)建真實場景還是在于充分利用各種已存在的軟件工具。從實際的開發(fā)經(jīng)驗來看，主要有以下幾種軟件：

l實時三維模型創(chuàng)建軟件：MultigenCreator；

l紋理處理軟件：Photoshop

l實時場景管理/驅(qū)動軟件：Vega

l輔助軟件：

建模方面可以用3DsMax/Maya輔助，Maya有免費的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，預覽并輸出DXF。

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

2、在三維漫游的基礎之上，開拓新功能

不滿足于僅僅簡單的三維場景漫游，在此基礎之上進行人機互動效果的開發(fā)，并和用戶應用緊密結合，如在Vega/VC下開發(fā)數(shù)據(jù)庫點擊查詢、三維/二維結合、多媒體結合、3DGIS(地理信息系統(tǒng))等。

三、城市仿真應用系統(tǒng)與城市規(guī)劃

由于城市規(guī)劃的關聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一。從總體規(guī)劃到城市設計，在規(guī)劃的各個階段，通過對現(xiàn)狀和未來的描繪（身臨其境的城市感受、實時景觀分析、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格提供了強有力的支持。規(guī)劃決策者、規(guī)劃設計者、城市建設管理者以及公眾，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。城市仿真技術為這種合作提供了理想的橋梁，運用城市仿真技術建立的城市仿真應用系統(tǒng)能夠使政府規(guī)劃部門、項目開發(fā)商、工程人員及公眾在一個統(tǒng)一的平臺上，可從任意角度，實時互動真實地看到規(guī)劃效果，更好地掌握城市的形態(tài)和理解規(guī)劃師的設計意圖，這樣決策者的宏觀決策將成為城市規(guī)劃更有機的組成部分，公眾的參與也能真正得以實現(xiàn)。這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的。

3.1城市仿真應用系統(tǒng)的應用范圍

城市仿真應用系統(tǒng)可被廣泛應用于規(guī)劃設計、方案評估、領導決策、規(guī)劃審批、市民公示、宣傳展示及招商等各方面。

3.2城市仿真應用系統(tǒng)的特點

l仿真的虛擬環(huán)境:

類似于時下流行的三維動畫，同樣是通過強大的三維建模技術建立逼真的三維場景，對規(guī)劃項目進行真實的“再現(xiàn)”。但是城市仿真技術建立的虛擬環(huán)境是由基于真實數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要求，屬于科學仿真系統(tǒng)；而傳統(tǒng)動畫的三維場景則是由動畫制作人員根據(jù)資料或想象繪制而成，與真實的環(huán)境和數(shù)據(jù)有較大的差距，嚴格意義上來說屬于一種演示作品。

l多方式、運動中感受城市空間：

在城市仿真應用系統(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景中漫游。城市仿真技術與傳統(tǒng)的三維動畫最根本的區(qū)別就是：傳統(tǒng)動畫的觀察路徑都是預先設定好的，用戶只能按照事先設定的路徑瀏覽場景；而城市仿真技術可以由用戶在三維場景中任意漫游，人機交互，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覺。這樣一來，很多不易察覺的設計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，大大提高了項目的評估質(zhì)量。

l實時多方案比較：

運用城市仿真應用系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意的進行修改，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)三維動畫那樣，每做一次修改都需要對場景進行一次渲染。這樣不同的方案、不同的規(guī)劃設計意圖通過城市仿真技術實時的反映出來，用戶可以做出很全面的對比，并且城市仿真應用系統(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計的速度和質(zhì)量，提高了方案設計和修正的效率，也節(jié)省了大量的資金。

l三維空間信息交流：

城市仿真應用系統(tǒng)的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數(shù)據(jù)接口與GIS信息相結合，從而可以在實時的虛擬環(huán)境中隨時獲取項目的數(shù)據(jù)資料，方便大型復雜工程項目的規(guī)劃、設計、投標、報批、管理等需要。此外，城市仿真應用系統(tǒng)還可以與網(wǎng)絡信息相結合，實現(xiàn)對三維空間數(shù)據(jù)的遠程操作。

3.3城市仿真應用系統(tǒng)的功用

一套完善的城市仿真應用系統(tǒng)能夠很好的展示城市規(guī)劃、宣傳城市建設、提升城市形象。系統(tǒng)根據(jù)城市的當前狀況和對城市的未來規(guī)劃，將城市的過去、現(xiàn)在和將來任意時間的情況展示在規(guī)劃設計者、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)城市的當前狀況和對城市的規(guī)劃資料完成城市的設計，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部分，幫助有關人員作出決策。

提高項目管理能力和效率

規(guī)劃部門使用城市仿真應用系統(tǒng)，可以使方案評估更為準確、公正和快捷。另外，如果系統(tǒng)中需要增加新的項目，或其中的項目遇到方案修改，可以隨時導入或更新系統(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)一的城市仿真應用系統(tǒng)平臺下進行交流，能更好的理解設計方的思路和各方的意見，能更快的找到問題、達成共識和解決一些設計中存在的缺陷。

提高方案設計和修正的效率

通過城市仿真應用系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意對設計方案進行修改，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)就可以輕松實現(xiàn)，大大加快了方案設計的速度和質(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，同時還能隨時獲取項目的相關數(shù)據(jù)資料。對于公眾關心的大型規(guī)劃項目，在項目方案設計過程中，城市仿真應用系統(tǒng)可以將現(xiàn)有的方案導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目中來。當項目方案最終確定后，也可以通過視頻輸出制作多媒體宣傳片，進一步提高項目的宣傳展示效果。

四、結語

城市仿真技術作為信息技術中的一種新興技術，正在逐漸成為幫助城市規(guī)劃和管理的重要手段，它對于城市規(guī)劃的影響不僅表現(xiàn)在對城市規(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)劃部門與社會的信息交流與反饋機制，進而對城市規(guī)劃的管理體制產(chǎn)生深遠的影響。

但是我們也必須清楚的看到，城市仿真技術還剛剛起步，就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，作為一種專門的信息技術，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的發(fā)展以及WEB技術、GIS技術、計算機人工智能技術等相關信息技術的引入，城市仿真技術必將在城市規(guī)劃領域發(fā)揮更加重要的作用。