1. 概述

　　三維虛擬仿真平台（tái）旨在建設（shè）一個具有大範圍的海量城市數據一體（tǐ）化（huà）管理、無縫三維實時漫遊，包容（róng）和拓展常規GIS獨具特色的空間多媒體信息查詢、表示、分析和決策功能的虛擬城市管理信息係統。

　　近年來，數字省市、數字城鎮很快（kuài）已經（jīng）成為世界各國（guó）發達（dá）省市和地區21世紀的發展戰略、爭先搶占科技（jì）、產業（yè）和經濟的製高點之一。為了加速城市的發展，提（tí）高管理水（shuǐ）平，需（xū）要借助於（yú）現代化的科學手段進行城市體係規劃（huá）與管理。

　　據目前對我（wǒ）國大部分城市的摸底調查，除少數大（dà）、中城（chéng）市（shì）已建立了城市管理信息係（xì）統外，而絕大部分地區的空間信息管理手段仍然沿用比較落後的手（shǒu）工操作方式，即便是用一些地理信息係統（GIS）管理著（zhe）空間數據，但仍停留在簡單的二維數據管理、顯示的基本功能，分散地、相對（duì）獨立地和非標準地管（guǎn）理（lǐ）模式，很（hěn）難（nán）進行地（dì）域管理的三維綜合研究和空間分析，使各級（jí）領導部門不可能及時地得到對空間的清晰、直觀的認（rèn）識。

　　另外，城市規劃設計的主要研究對象是（shì）城市的體形結（jié）構與各個要素，在設計過程中需要進（jìn）行（háng）大量的空間（jiān）形象思維。同時，在設計中又應以城市的使用者的感（gǎn）覺為核心，分析城市設計各空間要素之間的（de）關係。傳統的城市模型隻能獲得城（chéng）市的鳥（niǎo）瞰形象；效果圖（tú）隻能提供靜態局部的視覺體驗；動畫不具備實時的交互性，人是（shì）被動的，並且製作周期長。這些傳統技（jì）術隻能實現簡單（dān）、固定的演示功能，尚不能很好地滿足當前城市設計的需要。另外，隨著空間範圍的擴大，傳統的方法也無法勝任空間數據的（de）管理（lǐ）和維護。

　　同樣（yàng），在城市中存在大（dà）型的港口、工廠、地（dì）下管網、人防設施等部門，它們具有地形起伏較（jiào）大、管（guǎn）網密集、需要準確定位等特點，用傳統二維的（de）表示（shì）方法很難加以（yǐ）描述和信息管理。

　　虛擬環（huán）境是由計算機生（shēng）成的，通過視、聽、觸覺等作用於用戶，使之產（chǎn）生身臨其境感覺（jiào）的交互式視景（jǐng）仿真。從二維地圖（tú）、沙盤、動畫，到虛擬（nǐ）視（shì）景仿真是一個合乎人們認（rèn）識深化和技術發展趨勢（shì）的必然結果。

2. 虛擬城市與仿真（zhēn）技術發展

　　美國（guó）目前已經有50個城市計劃建立（lì）了“數字虛擬城市”。我國北京、上海、香港（gǎng）、台北、深圳（zhèn）、廣（guǎng）州、南（nán）海、廈門市等也正在積很籌（chóu）建之中。普遍認為，3D-GIS、空間視景數據庫的建立是建立數字虛擬城（chéng）市首先要解決的問題。國際上已經專門成立了類似組織，主要為城市服務。如德國的Rostock、Stuttgart等研究機構，對一些城市進行了研究，建立了原（yuán）型係統。三維虛擬仿真技術*早主要（yào）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（shù）在國內外快速發展，目前國內已有多家公司開發出城市仿真應（yīng）用平台，已（yǐ）在（zài）城市設計和決策中（zhōng）得（dé）到很好的應用，同時積累了（le）一批優秀（xiù）的三維虛擬仿真（zhēn）開發技術（shù）人（rén）才（cái），北京自愉色色公司就是一個專門研究三維（wéi）虛（xū）擬仿真軟件，硬件的（de）公司，並取得了突出的成績。

　　2.1 三維仿真技術

　　虛擬現實（shí）(Virtual Reality，簡稱VR)

　　是用計算機生成逼真的三維視、聽、觸覺等感覺，使人能（néng）通過適（shì）當裝置對虛擬世界進行交（jiāo）互（hù）式體驗。70年代Even & Sutherland公司引入計算機作為場景圖像生成設備發展出計算機（jī）虛擬現實。Silicon Graphic Inc.公司製定了開發圖形係統的運（yùn）用程序標準（zhǔn）OpenGL，同時為視景仿真實（shí）時漫遊提供了一（yī）套（tào）Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等（děng）軟件均以Performer為（wéi）基礎，進行二次開發。*初的仿真主要用於飛行模擬。 

　　城市仿真(Urban Simulation)

　　是虛擬現實（shí）技術應用於（yú）城市的一種視景仿真（Visual Simulation 簡稱VisSim）。城市仿真具備幾個特點（diǎn）：其（qí）一是良好的交互性，提供了任意角度、速度的漫遊方式，可以快速（sù）替換不同（tóng）的建築；其二是形象直觀，為專業人士和非專業人士之間（jiān）提供了溝（gōu）通的渠道；其三由於采用數字化手段，其維護和更新變得比較容易。仿真係統可利用地理信息係統（GIS）的數據生成三維地形模型，再利用衛星影像和航空影像作為（wéi）真實的紋理貼圖，充分展示（shì）了城市仿真與GIS的（de）結合。 
　2.2 國外城市仿真主要實例

　　虛擬洛杉磯（Virtual Los Angeles） 

　　是（shì）美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）始於1994年的一個科研與運用相結合（hé）的項目，計（jì）劃覆蓋（gài）麵積超過10,000平方英裏，是當今（jīn）城市仿真係統（tǒng）中*成功*為複雜的係統。視景包（bāo）括（kuò）從洛杉磯（jī）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。其中洛杉磯大（dà）學醫（yī）院（yuàn）的仿真（zhēn）詳細（xì）到可以對建（jiàn）築內部的每（měi）一個層麵進行漫遊，用鼠標點擊牆麵或天（tiān）花板就能得到平麵設計圖及相應的屬性數據，實現了在（zài）仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實時查詢。該係統作為城市規劃（huá）和建設的重要手段，在加州Pico Union區地震破壞（huài）的重建中得到應（yīng）用。設（shè）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以及（jí）需要改造的街道、綠地、房屋等，對重建城區進行規劃（huá）設計，再將新數據存入該係統，實現了信（xìn）息係統的良性循環。

　　費城城市（shì）模型(ModelCity Philadelphia)

　　由美（měi）國Bentley公（gōng）司利用MicroStation和MasterPiece軟件以及（jí）自我開發的軟（ruǎn）件工具於1996年開始製作，已（yǐ）完成費城中心區35個街區。該項目主要（yào）特點（diǎn）是將整個費城的模型以VRML數據格式，通過（guò）Internet網讓任何（hé）人（rén）可以享受（shòu）到實時費城旅遊的體驗。城市設計人員和建築師通過Internet瀏覽器對城市三（sān）維景觀進行直接的漫遊，可以對真實的城市（shì）景觀進行分（fèn）析，獲得準確的土地和建築結構方麵的資料信（xìn）息，解決了在委托設計（jì）項（xiàng）目時缺乏資料的問題。費城模型同時提供準確可視的三維地下管線係統（tǒng），方便城（chéng）市（shì）地下管網係（xì）統的維護和更新，因此獲得美國建築師學會(AIA)高（gāo）度評價（jià）。

　　2.3 三維仿真和其他展示方式的（de）比較

　　仿真和動畫應用都是模擬真（zhēn）實和想象的世（shì）界，用高度細節模型，產生（shēng）平滑連續的運動，並以一定的FPS（幀/秒）進行繪製來達（dá）到無縫（féng）的演示。動畫（huà）主要用於電影、印刷圖畫以及預先設計好的演示。仿真主要用實時互動（dòng）演示，需（xū）要對於用戶輸入做出反應，並馬上看到結（jié）果（guǒ）。如：飛（fēi）行訓練、影視遊戲和交互建築演示。

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有大範圍（wéi）的海（hǎi）量城市數據（jù）一體化管理、無縫三維（wéi）實時漫（màn）遊，包容和拓展常（cháng）規（guī）GIS獨（dú）具特色的空（kōng）間多媒體信息查詢、表示、分析和決策功能的虛擬城市管理（lǐ）信息係統。係（xì）統所采用三（sān）維仿（fǎng）真平（píng）台具有獨（dú）特的特性和強有力的可擴展性能，使用了萬視（shì）達公司（sī）的邊緣融合（hé）處理機，畫麵和文（wén）字都能實現高度清（qīng）晰。

　　3.1 頂級（jí）三維遊戲的視覺享受

　　精美的三維場景 
　　光影效果 
　　多種氣候條件（白（bái）天、夜晚（wǎn）、雲、霧、雨、雪、雷電……） 
　　多種特殊效（xiào）果（跳動的火（huǒ）苗、飄動（dòng）的（de）旗幟（zhì）、流水、噴泉、霓虹燈、海浪、爆炸、煙霧……） 
　　各種空間聲音效果——創建一個充滿（mǎn）生機的世界。 

　　3.2 靈活的人機交互

　　任何位置/任意角（jiǎo）度觀察場景； 
　　多種運動方式隨（suí）時切換
　　（行走、駕駛、飛翔…） 
　　任意位置停止，切（qiē）換多種參數/方案來觀察（chá）！
　　（*適合於前期方案討論、匯報） 
　　整個交互（hù）過程可以記錄為動畫保存。

　　3.3 強大的可擴展性

　　區域類型擴（kuò）展
　　建築內/外景；
　　小區/街道；
　　城區；
　　大麵積野外場景。
　　（采用動態內存管理，甚至可以模擬整個數（shù）字地球（qiú）！）
　　地域（yù）覆（fù）蓋範圍從小至大（dà） 

 　　顯示方案擴展
　　單PC顯示；
　　PC Cluster + 投影係統；
　　SGI Onyx + 投影係統；
　　立體顯示 / 無縫拚接選項.
　　特定類型（xíng）的應用擴展 
　　應用領域擴展

　　國土資源局/城市規劃部（bù）門 / 建築設計單（dān）位；
　　房地產公司——展示/銷（xiāo）售、項目評估和報批；
　　園區規劃、管理及展示，開發（fā）區招商；
　　文物/古跡的展示、複原、保護部門；

4. 三維（wéi）仿真平台性能指標

　　4.1 數（shù）據要求

　　支持（chí）BMP、GIF、PNG、JPG等格式。 
　　三維模型：支持3DS、DXF、VRML格（gé）式。 
　　DEM數據：支持各種（zhǒng）矢量等高線數據。 

　　4.2 場景（jǐng）編輯

　　數據資料采集，包括科學城各棟房屋建築外（wài）立麵多角度數碼拍照，路麵、河流、樹木（mù）、標誌性物體數（shù）碼拍照等。 
　　圖片處理，對外業采集的數字照片進行圖片編輯處理，以符合建模標（biāo）準； 
　　地形建模，基於DEM（數字（zì）高程模（mó）型）數據和DOM（正射影像圖）數據疊加生（shēng）成地形； 
　　地物建（jiàn）模，用內業處理完畢的數（shù）字圖片構（gòu）造地物模型，主要包括建築物、路麵、河流、路燈、花（huā）壇等； 
　　可以對地形（xíng）、模型、二維矢量數據、注記、場景貼（tiē）圖（tú）、環境、光源、模型貼圖、動態貼圖 、攝（shè）像機等進行編輯處理，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（tiē）圖庫管理。

　　4.3 實時瀏覽和（hé）可視化

　　實時瀏覽三維場景（jǐng）。 
　　矢量數據的三維（wéi）可視化表現。 
　　支持行走，駕駛，飛行，UFO等多種（zhǒng）瀏覽（lǎn）方式。 
　　觀察者能從任意角度任意高度觀看係統的三維場景。 
　　係統可實（shí）現實時（shí）隨機漫遊，漫（màn）遊的方向（xiàng）和起點完全由用戶自己進行選擇。 
　　係統可實現從室外漫遊到室內漫遊的無縫切換（huàn）。

　　4.4 數據管理和數據查詢

　　屬性數據（jù）支持（支持Access、SQL Server、Oracle數據庫等）和屬性數據查詢。 
　　數據條（tiáo）件定位查詢，根據查詢條件，自動定位目（mù）標查詢物。 

　　4.5 跨平台

　　Windows操作係統（tǒng）。 
　　其它操作係統。 

　　4.6 支持多種格式輸出

　　支（zhī）持生成（chéng）高分辨率屏幕圖。 
　　可（kě）以將實時瀏覽（lǎn）結果輸出成AVI和影像序列。

　　4.7 麵向對（duì）象的管理方式

　　實現場景及路徑漫遊方（fāng）式（shì）的編輯。

　　4.8 特效模擬方（fāng）式的支持（chí）

　　可以對環境進行設置，包括雲、霧、能見度等等；也可以（yǐ）實現諸如噴泉效果、旗（qí）幟飛揚（yáng）等效果。

5. 虛擬城市應（yīng）用展示

　　虛（xū）擬現實（shí）實時瀏覽平台可以對虛擬場景實現交（jiāo）互式的全方位（wèi）漫（màn）遊，三維數字景象和模型將複（fù）雜的數（shù）據進行可視化處理和顯示，為客戶帶來的大視景，高沉浸感的高端解決（jué）方案，給用戶一（yī）個身臨其境的感覺，在城市(社區（qū）)規劃、虛擬建造、裝飾裝修等方麵具有（yǒu）廣闊的應（yīng）用前景。