1. 概（gài）述

　　三維虛（xū）擬仿真平台旨在建設一個具有大範（fàn）圍的海量城市（shì）數據一體化管理、無（wú）縫三維實時（shí）漫遊，包容和（hé）拓展常規GIS具的空間多媒體信息查詢、表示、分析和決策功（gōng）能的虛擬城市管理信息係統。

　　近年來（lái），數字省（shěng）市（shì）、數（shù）字城鎮很快已經成為世（shì）界各國發達省市和地（dì）區21世紀的（de）發（fā）展戰略、爭先搶占科（kē）技、產（chǎn）業和經濟的製高點之一。為了加速城市的發展，提高管理水平，需要（yào）借（jiè）助於現代化的科學手段進行城市體係規劃與管理。

　　據目（mù）前對我國（guó）大部分城市的摸（mō）底調（diào）查，除少數大、中城（chéng）市已（yǐ）建立了城市管理信息係統外，而絕大部分（fèn）地區的空間信息管理手段仍然沿用比較落後的手工操作（zuò）方式，即便是用一些地理信息係統（GIS）管理著空間數據，但仍停留在簡（jiǎn）單的二維數據管理、顯示（shì）的基本功能，分散地、相對立地和非標準地管理模式，很難進行地域管理的三維綜合研究和空間分析，使各級導部門（mén）不（bú）可能及時地得到（dào）對空間的（de）清晰、直觀（guān）的認識。

　　另外，城市規劃設計的主要研究對象是城市的體形結構與（yǔ）各個要素，在設計過程中需要進行大量的空間形（xíng）象思維。同（tóng）時，在設計中又應以城（chéng）市的使用者的感（gǎn）覺為核心，分析城市設計各空間要素（sù）之間的關（guān）係。傳統的城市模（mó）型隻能獲得城市的鳥（niǎo）瞰形（xíng）象；效果圖隻（zhī）能提供靜態局部的視覺體驗；動畫不（bú）具備實（shí）時的交互性，人是被（bèi）動的（de），並且製作周期（qī）長。這些傳統技術隻（zhī）能實現簡單、固定的演示功能，尚不能（néng）很好地滿足當前城市設（shè）計的需要。另外（wài），隨著空間範圍的擴大，傳統的（de）方法也無法勝任空間數據的管理和維護。

　　同樣，在城市中存在大型的港口、工廠、地下管（guǎn）網、人防設施（shī）等部門，它們具有地形（xíng）起（qǐ）伏較（jiào）大、管網密集、需要（yào）準確定位等（děng）點，用傳統二（èr）維的表（biǎo）示方法（fǎ）很難加（jiā）以描述和信息管理（lǐ）。

　　虛擬環境是由計算機生成的（de），通過視、聽、觸覺等作用於用戶，使之產生身臨（lín）其境感覺的交互式視景仿真。從二維地圖、沙盤、動（dòng）畫，到虛擬視景仿真是一個合（hé）乎人們認識深化（huà）和（hé）技術發展（zhǎn）趨勢的必然結果。

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（jiàn）立了“數字虛（xū）擬城（chéng）市”。我（wǒ）國北京、上海、香港、台（tái）北、深圳、廣（guǎng）州、南海、廈門市等也正在積很籌建之中。普遍認為，3D-GIS、空間視景數據庫的（de）建立是建立數字虛擬城（chéng）市首先要解決的問題。國際上已（yǐ）經專門成（chéng）立了類似組織，主要為城市服務。如德國的Rostock、Stuttgart等研（yán）究機構，對一些城市進行了研究（jiū），建立了原型係統。三維虛（xū）擬仿真技術*早主要（yào）應用在軍事域，從國內近幾（jǐ）年（nián）來的發展（zhǎn）情況，三維虛擬（nǐ）仿真（zhēn）技術在國內（nèi）外快（kuài）速發展，目（mù）前國（guó）內已有多家公司開發出城市仿真應用平台，已在城市設計和決策中得到很好的應用，同時積累了一批優秀的（de）三維虛擬仿（fǎng）真開發技術人才，北京正能量网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。

　　2.1 三維仿真（zhēn）技術

　　虛擬現（xiàn）實(Virtual Reality，簡稱VR)

　　是用（yòng）計算機生成逼（bī）真的三維視、聽、觸覺等感覺，使人能通過適當裝置（zhì）對虛擬世界進行交互（hù）式（shì）體（tǐ）驗。70年代Even & Sutherland公司引入計算機作為（wéi）場景圖像（xiàng）生成設備發展出計算（suàn）機虛擬（nǐ）現（xiàn）實。Silicon Graphic Inc.公司製定了開發圖形係統的運用程序標準OpenGL，同時（shí）為視景仿真實時漫遊（yóu）提（tí）供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等軟件均以Performer為基礎，進行二次開發。*初的（de）仿真主要用於飛行模擬。 

　　城（chéng）市仿真(Urban Simulation)

　　是（shì）虛（xū）擬現實技術應用於城市的一種視景仿（fǎng）真（Visual Simulation 簡稱VisSim）。城市仿真具（jù）備幾個點：其一是良好的交互性，提供了任意角度、速度的漫遊方式（shì），可（kě）以快速（sù）替換（huàn）不同的建築；其二是形象直觀，為專業人士和非專業人士之間提供（gòng）了溝通的渠道；其三由於采用（yòng）數字化手（shǒu）段，其維護和（hé）更新變得比較容易。仿真係統可利（lì）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（kōng）影像作為真實的紋理貼圖，充分展示了城市仿真與GIS的結合。 
　2.2 國外城市仿真主要實例

　　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年的一個科研與運用相結合的項目，計劃覆蓋麵積超過10,000平方英裏，是當今城市仿真係統中*成（chéng）功*為複雜的（de）係統。視景包括從洛杉磯盆地的（de）衛星影像到街道景觀，準確到植（zhí）物、建（jiàn）築物的窗口、外（wài）牆的紋理等。其中（zhōng）洛杉磯大學醫院的仿真詳細到可（kě）以對建築內部（bù）的（de）每一個層麵進行漫（màn）遊，用鼠標點擊牆麵（miàn）或就能得到平麵設計圖及相應（yīng）的屬性數據（jù），實（shí）現了在仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實時查詢。該係統作為城市規（guī）劃（huá）和建設的重要手（shǒu）段，在加州Pico Union區地震破壞的重建中（zhōng）得到應用。設計人員通過仿真模型和地（dì）理信息數據來確定（dìng）毀壞的建築物（wù）數量以（yǐ）及需要（yào）改（gǎi）造的街道、綠地、房屋等，對重建城區進行規劃設計，再將新（xīn）數據（jù）存入該係統，實現了（le）信息係統的良性循環。

　　費城城市模型(ModelCity Philadelphia)

　　由美國Bentley公司（sī）利用MicroStation和（hé）MasterPiece軟件以及自我開發的軟件工具於1996年開始（shǐ）製作，已完成費城中心區（qū）35個街區。該項目主（zhǔ）要點（diǎn）是將（jiāng）整個費城的模型以VRML數據（jù）格式，通過Internet網讓任（rèn）何人可以享（xiǎng）受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（qì）對城市（shì）三維景觀進行（háng）直（zhí）接的漫遊，可以對真實的城市景觀進行分析，獲得準確（què）的土地和建（jiàn）築結構方麵的資料信（xìn）息，解決了（le）在委托設計項目時缺乏資料的問題。費城模型同時提供準（zhǔn）確（què）可視的三維地下管線係（xì）統，方便城市地下管網係統的維護和（hé）更新，因此獲得美國建築師（shī）學會(AIA)高度評（píng）價。

　　2.3 三維仿（fǎng）真（zhēn）和其他展示方式的比較

　　仿真和動畫（huà）應用（yòng）都是模擬真實和想象的（de）世界（jiè），用高度細節模型，產生平滑（huá）連續的運動，並以一定的FPS（幀/秒）進行繪製來（lái）達到無縫的演示。動畫主要用於電影、印（yìn）刷圖畫以及（jí）預先設計好的演示。仿真主要（yào）用實時互動演示，需要對於用戶輸入做出反應，並馬上看到結果。如：飛行訓練、影視遊（yóu）戲和交互建築演示。

3. 三維仿真平台功（gōng）能點（diǎn）

　　三維虛擬仿真平台旨在建設一（yī）個具有大範圍的海量城市數據一體化管理、無縫三（sān）維實（shí）時（shí）漫遊，包容和拓展常規GIS具的空間多媒體信（xìn）息查詢、表（biǎo）示、分析（xī）和決策功能的虛擬城市管理信息係統。係統所采用三維仿真平台具有的性和強有力的（de）可擴展性能，使用了萬視（shì）達公司的邊緣融合處理機，畫麵和文字都（dōu）能實現高度清晰。

　　3.1 級三維遊戲的視覺享受

　　精美的三維場景 
　　光影效（xiào）果 
　　多種氣候條件（jiàn）（白天、夜晚、雲、霧（wù）、雨、雪、雷電（diàn）……） 
　　多種殊效果（跳動的火苗（miáo）、飄動的旗幟、流水、噴泉、霓虹燈、海浪、爆炸、煙霧……） 
　　各種空間聲（shēng）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/任意角度觀察場（chǎng）景； 
　　多種（zhǒng）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！
　　（*適合於前期方案討論、匯報） 
　　整個交互過（guò）程可以記錄為動畫（huà）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（qū）/街道；
　　城區；
　　大麵積野外場景（jǐng）。
　　（采用動態內存（cún）管理，甚至可以模擬整個數字地球！）
　　地域覆蓋範圍從小至（zhì）大 

 　　顯示方案擴（kuò）展
　　單PC顯示；
　　PC Cluster + 投影（yǐng）係統；
　　SGI Onyx + 投影係統；
　　立體顯示（shì） / 無縫拚接選項.
　　定（dìng）類型（xíng）的應用擴展 
　　應用域（yù）擴展

　　國土資（zī）源局/城市規劃（huá）部門 / 建築設計單（dān）位；
　　房地產公司——展示/銷售、項目評估和（hé）報批；
　　園區規劃（huá）、管理及（jí）展示，開發區招商；
　　文物/古跡的展示、複原、保護部門；

4. 三維（wéi）仿真（zhēn）平台性能指標

　　4.1 數據要求

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

　　4.2 場景編輯

　　數據資（zī）料采集，包括科學城各棟（dòng）房屋建築外（wài）立麵多角度數碼拍照，路麵、河流、樹木、標誌性物（wù）體數（shù）碼拍照等。 
　　圖片處理（lǐ），對外業采集的數字（zì）照片（piàn）進行圖片編輯處理，以符合建模標準； 
　　地形建模，基於DEM（數字高程模型）數據和DOM（正射影（yǐng）像圖）數據疊加生成地形； 
　　地物建模，用（yòng）內業處理完畢的數字圖片（piàn）構造地物模型，主要包括建築（zhù）物（wù）、路麵、河流、路燈、花壇等； 
　　可以（yǐ）對地形、模型、二維矢量（liàng）數據、注記、場（chǎng）景貼圖（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（shēng）成三維場景（jǐng）；並整體實現模型優化和拚湊。 
　　支持模（mó）型庫和貼圖庫管理（lǐ）。

　　4.3 實時瀏覽和可視化

　　實時瀏覽三維場（chǎng）景。 
　　矢量數據的三維可視化表現。 
　　支持行走，駕駛，飛行，UFO等多種瀏覽方式。 
　　觀察者能從任意角（jiǎo）度任意高度觀看係統的三維場景。 
　　係統可實現實（shí）時隨機漫遊（yóu），漫遊的方向和起點完由用戶自（zì）己進行選擇。 
　　係統可（kě）實現（xiàn）從室外漫遊（yóu）到室內漫遊的無縫切換。

　　4.4 數據（jù）管理和（hé）數據查詢

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

　　4.5 跨平台

　　Windows操作係統。 
　　其它操作係統。 

　　4.6 支持（chí）多種格式輸出

　　支持生成高分辨率（lǜ）屏幕圖。 
　　可以將實時瀏覽結果輸出成AVI和影像序列。

　　4.7 麵向對象的管（guǎn）理方式

　　實現場景及路徑漫遊方式的編輯。

　　4.8 效模擬方式的支持

　　可以對環境進行設置，包（bāo）括雲、霧、能見度等等；也可以實現諸如噴（pēn）泉效果、旗幟飛揚等效果。

5. 虛（xū）擬城市應用展示

　　虛擬現實實時瀏覽平台可以對虛擬場景實現交互式的方位漫遊，三維數（shù）字景象和模型將複雜的（de）數據進行可視化處理和顯示，為客戶（hù）帶來（lái）的大視景，高沉浸感的高端解（jiě）決（jué）方案，給用戶一個身臨其境的感覺，在城（chéng）市(社（shè）區)規劃、虛擬建造、裝飾裝修等方麵具有廣闊的應（yīng）用前景。