1. 概述

　　三維虛擬仿真平台旨（zhǐ）在建設一個具有大範圍的海量城（chéng）市（shì）數據一體化管理、無縫三維實時漫遊，包容和拓展常規GIS獨具特色的空間多媒體信息查詢（xún）、表示、分析和決策功能的虛擬城（chéng）市管（guǎn）理信息係（xì）統。

　　近年來，數字省市、數字城鎮很快（kuài）已經（jīng）成為世界各國發（fā）達省（shěng）市和地區21世紀的發展戰略、爭（zhēng）先搶占科技、產業（yè）和經濟的製高（gāo）點之一。為了（le）加速城市的發（fā）展，提高（gāo）管理水（shuǐ）平，需要（yào）借助於現（xiàn）代化的科學手段（duàn）進行城市體係規劃與管理。

　　據目前對我國大（dà）部分城（chéng）市（shì）的摸（mō）底調查，除少數大、中城市已建立了城市管理信息係統（tǒng）外，而絕（jué）大部分地區的空間信息管理手段仍然沿用比較落後的手工操作方式，即便是用一（yī）些地理信息係統（GIS）管理著空間數據，但仍停留在簡單的二維數（shù）據管理（lǐ）、顯（xiǎn）示的基本功能，分散地、相對獨立地和非標準地管理模式，很難進行地域管（guǎn）理的三維綜合研究和空（kōng）間分析（xī），使各級領導部門不可能及時地得到對空間的（de）清晰、直觀（guān）的認識（shí）。

　　另外，城市規劃設計的主要研究對象是（shì）城市的體形結構（gòu）與各個要素（sù），在設計過程（chéng）中需要進行大量的空間形象思（sī）維。同時，在設計中又（yòu）應以城市的使（shǐ）用者的感覺為核心，分析城市設計各（gè）空間要素之間的關係（xì）。傳統的（de）城（chéng）市模型隻能獲得城（chéng）市的鳥瞰形象；效果圖（tú）隻能提供靜態局部（bù）的視覺體驗；動畫不具備實時的交互性，人是被動的，並且製作周（zhōu）期長。這些傳統（tǒng）技術隻能實現簡單、固（gù）定的演示功能，尚不能很（hěn）好地滿足當前城市設（shè）計（jì）的需要（yào）。另外，隨著空間範圍的擴大，傳（chuán）統的方法也無法勝任空間數據的管理和維護。

　　同樣，在城市（shì）中存在（zài）大（dà）型的港口、工廠、地下管網、人防設施（shī）等部門，它（tā）們（men）具有地形起伏較大、管網密集、需要準確定位（wèi）等特點，用傳統二維的表示方法很難加以描述和信息管理。

　　虛擬環境是由計算（suàn）機生成的（de），通過視、聽、觸覺等作用於（yú）用戶，使之產生身臨其境感覺（jiào）的交互式視景仿真。從二維地圖、沙盤、動畫，到虛擬（nǐ）視景仿真是一個合乎人們認識深（shēn）化（huà）和技術發展趨（qū）勢的必然結果。

2. 虛擬城市與仿真技術發展

　　美國目前已經有50個城市計劃建立了“數（shù）字虛擬城市”。我國北京、上海、香港、台北、深圳、廣州（zhōu）、南海、廈門（mén）市（shì）等也正在積很籌建之中（zhōng）。普遍認為，3D-GIS、空間視景數據庫的建立是建立數字虛擬城市首先（xiān）要解（jiě）決（jué）的問題。國際（jì）上已（yǐ）經專門成立了（le）類似（sì）組織，主要為城市服務。如德（dé）國的Rostock、Stuttgart等研究機構，對一些城市進行了研究，建立了原型係統。三維（wéi）虛擬仿真技術*早主要應用在軍事領域，從國內近幾年來的發展情況，三維虛擬仿真技術在國內外快速發展，目前國內已有多家公司開（kāi）發出城市仿真（zhēn）應用（yòng）平台，已在城（chéng）市設計和決策（cè）中（zhōng）得到（dào）很好的應用，同時積累了一批優秀的三維虛擬仿真開發技術人才，北京日本中出视频公司就是一個專門研究三維虛擬仿真軟件，硬件的公司，並取得了突出的成績（jì）。

　　2.1 三維仿（fǎng）真技術

　　虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)

　　是用計算機生成逼（bī）真的三維視、聽、觸覺等感覺，使人能通過適（shì）當裝置對虛擬世界（jiè）進行交互式體驗。70年代Even & Sutherland公司引入計算機作（zuò）為場景圖像生成設備發（fā）展出計算機虛擬現實。Silicon Graphic Inc.公司製定了開（kāi）發圖形係統的運用程序標準OpenGL，同時為視景仿真實（shí）時漫遊提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等軟（ruǎn）件均以Performer為基礎，進行二次（cì）開發。*初的仿真主要用於飛行模擬。 

　　城市仿真(Urban Simulation)

　　是（shì）虛擬現實技術應用於城市的一種視景仿真（Visual Simulation 簡稱（chēng）VisSim）。城市仿真具備幾個特點（diǎn）：其一是（shì）良好的交互性，提供了（le）任意角度、速度的漫遊方式，可以快速替換不同的建築；其二（èr）是形象直觀，為專業人士和非專業人士之間提（tí）供了溝通的渠道（dào）；其三由於（yú）采用數字化手段（duàn），其維（wéi）護和更（gèng）新變得比較容易。仿真係統可利用（yòng）地理信息係統（GIS）的數據生成三維地（dì）形模型，再利（lì）用衛星（xīng）影像和航空影像作為真實的（de）紋理貼圖，充分展示了城市仿真與GIS的結合。 
　2.2 國外城（chéng）市仿真主要實例（lì）

　　虛擬洛杉磯（Virtual Los Angeles） 

　　是美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）始於1994年的一個科（kē）研（yán）與運（yùn）用相結合的項目，計劃覆（fù）蓋麵積超過10,000平方英裏，是當今城市仿真係統中*成功*為複雜的係統。視景包括從洛杉磯盆地的衛星影像到街道景觀，準確到植物、建築物的窗口、外牆的紋理等。其（qí）中（zhōng）洛杉磯大學醫院的仿真詳細到可以對建築內部的每一個層麵進行漫（màn）遊，用鼠標點擊牆麵或天花板就能得到平麵（miàn）設（shè）計圖及相應的（de）屬性（xìng）數據，實現了在仿真（zhēn）中對GIS、CAD及對象屬性的實時查詢。該（gāi）係統作為城（chéng）市規劃和建設的重要手段，在加州Pico Union區地（dì）震（zhèn）破（pò）壞的重建（jiàn）中得到應用。設計人員通過仿真模型和地理信息數據來確（què）定毀壞的建築物數量（liàng）以及（jí）需要改造的街道、綠地、房屋等，對（duì）重建（jiàn）城區進行（háng）規劃設計，再（zài）將新數據存入該係統，實現了信息係統的良性循環。

　　費城城市模（mó）型(ModelCity Philadelphia)

　　由（yóu）美國Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece軟件以及自我開發的軟件工具（jù）於1996年開始製（zhì）作（zuò），已完（wán）成費城中心區35個街區（qū）。該（gāi）項目主要特點是將整個費城的模型以VRML數據格式，通過Internet網讓任何人可以享受到實時費城旅遊的體驗。城（chéng）市（shì）設計人員和建築師通過Internet瀏覽器對城市三維景（jǐng）觀進（jìn）行直接的漫（màn）遊，可以對真實的城市景觀進行分析，獲得準確的土地（dì）和建築結構（gòu）方麵的資料信息，解決了在委托設計項目時缺（quē）乏資料（liào）的（de）問題。費城模型同時提供準確可視的三維地下管線係統，方便城市地下管網係統的維護和更新（xīn），因此獲得美國建築師（shī）學會(AIA)高（gāo）度評（píng）價。

　　2.3 三維仿真和其他展示方式的比較

　　仿真和動畫應用都是模擬真實和想象的世界，用高度（dù）細節（jiē）模型，產生平滑連續的運動，並以一定的FPS（幀（zhēn）/秒）進行繪製來達到無縫的演（yǎn）示（shì）。動畫主要用於電影（yǐng）、印刷圖畫以及預先設計好的演示（shì）。仿真主要用實時互動（dòng）演示，需要對於用戶輸入做出反應，並馬上看到結果（guǒ）。如：飛行訓練、影視遊戲和交互建（jiàn）築演示。

3. 三維仿真平台功能特點

　　三維虛擬仿真平台旨在建設一個具（jù）有大範圍的海量城（chéng）市數據一體化管理、無縫三維實時漫遊，包容和拓展常規GIS獨具特色的空間多（duō）媒體信息查詢、表示、分析和（hé）決策功能的虛擬城市管理信息係統。係統所采用三（sān）維仿真平台具有獨（dú）特的特（tè）性和強（qiáng）有（yǒu）力的可（kě）擴（kuò）展性能，使用了日本中出视频（dá）公司的邊緣融合處理（lǐ）機，畫麵和文字都能實現高度清晰。

　　3.1 頂（dǐng）級三維遊戲的視覺享受（shòu）

　　精（jīng）美的三維場景 
　　光影效（xiào）果 
　　多種氣候條件（白天、夜晚、雲、霧、雨、雪、雷電……） 
　　多（duō）種（zhǒng）特殊效果（跳（tiào）動的火苗、飄動的旗幟（zhì）、流水、噴（pēn）泉、霓（ní）虹燈、海浪（làng）、爆炸、煙霧……） 
　　各種空間聲音效果——創建一個充滿生機的世界。 

　　3.2 靈活的人機交互

　　任何位置/任意角度（dù）觀察場景； 
　　多（duō）種運動方式隨時切換
　　（行走、駕駛、飛翔…） 
　　任意位置停止，切換多種參數/方案來觀察！
　　（*適合於（yú）前期方案討論（lùn）、匯報） 
　　整個交互過程可以記錄為動畫保存。

　　3.3 強大的可擴展（zhǎn）性

　　區域類型擴展
　　建築內/外景；
　　小區/街（jiē）道；
　　城區；
　　大麵積野（yě）外場景。
　　（采用動態內存管理，甚至可以模擬整個（gè）數字地球！）
　　地（dì）域（yù）覆蓋範圍從小至大 

 　　顯示方案擴展
　　單PC顯（xiǎn）示；
　　PC Cluster + 投影係（xì）統；
　　SGI Onyx + 投（tóu）影係統；
　　立體顯（xiǎn）示 / 無縫拚接選項.
　　特定類型的應用擴展 
　　應用領域擴（kuò）展

　　國土資源局/城市規劃部門 / 建築設計單位；
　　房地產（chǎn）公司（sī）——展示/銷售、項目評估和報批（pī）；
　　園區規劃、管理及展示，開發區招商；
　　文（wén）物/古跡的展示、複原、保護部門；

4. 三（sān）維仿真平台性能指標

　　4.1 數（shù）據要求

　　支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式。 
　　三維（wéi）模型：支持（chí）3DS、DXF、VRML格式。 
　　DEM數據：支（zhī）持各（gè）種矢量等（děng）高線數據。 

　　4.2 場景編輯

　　數據資料采集，包括科學城各棟房屋建築外立麵（miàn）多角度數碼拍照，路麵、河流、樹木、標誌性（xìng）物體數碼拍照等。 
　　圖片處理（lǐ），對外（wài）業采集的數字照片進行圖片編（biān）輯（jí）處理，以符合建模標準； 
　　地形（xíng）建模，基於DEM（數字高程（chéng）模型）數據和DOM（正射影像圖）數據（jù）疊加生成地形； 
　　地物建模，用內業處理完畢的數字圖片構造地物模型，主要包括建築物、路麵、河流、路（lù）燈、花壇等； 
　　可以對地（dì）形、模（mó）型、二維（wéi）矢量數據、注記、場（chǎng）景貼圖、環境、光源、模型貼（tiē）圖、動（dòng）態貼圖 、攝像機等（děng）進行編輯處理，生成三維場景；並整體實現模型優化和拚湊。 
　　支持模型庫和貼圖庫管（guǎn）理。

　　4.3 實時瀏覽和可視化

　　實（shí）時瀏覽三維場景。 
　　矢量數據的三維可視化表現。 
　　支（zhī）持行走（zǒu），駕駛，飛行，UFO等多種瀏覽方式。 
　　觀察者能從任意角度任意高度觀看係統（tǒng）的三維場景。 
　　係統（tǒng）可實現實時隨機（jī）漫遊，漫遊的方向（xiàng）和起點完全由用戶自己進行選擇。 
　　係統可（kě）實現從室外漫遊到室內漫遊的無縫切換。

　　4.4 數據管理和數據查（chá）詢

　　屬性數據支（zhī）持（chí）（支持Access、SQL Server、Oracle數據（jù）庫等）和屬性數據（jù）查詢。 
　　數據條件定位查詢，根據查（chá）詢條件，自動（dòng）定位目標查詢物。 

　　4.5 跨平台

　　Windows操（cāo）作係統。 
　　其（qí）它操作係統。 

　　4.6 支持多種格式輸出（chū）

　　支持生成高分辨率屏幕（mù）圖。 
　　可以將實時瀏（liú）覽結果（guǒ）輸出成AVI和影像序列。

　　4.7 麵（miàn）向對（duì）象的管理方式

　　實現場景及路徑漫遊方式的編輯。

　　4.8 特效模擬方式的支持

　　可以對環境進行設置，包括雲、霧、能見（jiàn）度等等；也可以實現諸（zhū）如噴泉效果、旗幟（zhì）飛揚等效果。

5. 虛擬（nǐ）城市（shì）應用展示

　　虛擬現實實時瀏覽平台可以對（duì）虛擬場景實現交互式（shì）的全方位漫遊，三維數字景（jǐng）象和模型將複雜的數據進行可視化處理和顯示，為客戶帶來的大視（shì）景，高沉浸感的高端解（jiě）決方案，給用戶一個身（shēn）臨（lín）其境的感覺，在（zài）城市（shì）(社區)規劃、虛擬建造、裝飾（shì）裝修等方麵具有廣闊的（de）應用前景（jǐng）。