1. 概述

　　三維虛擬仿真平台旨在建設一個具有（yǒu）大範圍（wéi）的（de）海量城市數據一體（tǐ）化管理、無縫（féng）三維實時（shí）漫遊，包容和拓展常規GIS獨具特（tè）色（sè）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、數字城鎮很快已經成為世界各國發達省市（shì）和地區21世紀的發展戰略、爭先搶占科技、產業（yè）和經濟的製高點之（zhī）一。為了加速城市的發展，提高管理水平，需要借（jiè）助於現代化的科學手段進行城市體係規劃（huá）與管理。

　　據目前對我國大部分城市的摸底調查，除少數大、中城市已建立了城市管（guǎn）理信息係（xì）統外，而絕大部分地區的（de）空間（jiān）信息管理（lǐ）手段仍然沿用（yòng）比較落後的手工操作方式，即便是用一些地（dì）理信息係統（GIS）管理著空間數據，但（dàn）仍停留在簡單的二維數據管理、顯示的（de）基本（běn）功能，分散地、相對獨立地和非標準地管理（lǐ）模（mó）式，很難進（jìn）行地域管理的三（sān）維（wéi）綜合研究和空間分析，使各級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（guī）劃設計的主要研究對（duì）象是城市的（de）體形結（jié）構與各個要素，在設計過程中需要進行大量的空間形象思維。同時，在設計中又應以城市的使用（yòng）者的感覺為核心，分析城（chéng）市設計各空間（jiān）要素（sù）之間的關係。傳統的城市模型隻能獲（huò）得（dé）城市的鳥瞰形（xíng）象；效（xiào）果（guǒ）圖隻能提供靜態局部（bù）的視覺體驗；動畫不具備（bèi）實時的交互（hù）性，人是被動（dòng）的，並且製作周期長。這些傳（chuán）統技術隻能實現（xiàn）簡單、固定的演（yǎn）示功能，尚不能很好地滿足當前城市（shì）設計的需要。另外，隨著空間範圍的擴大，傳統的方（fāng）法也無（wú）法（fǎ）勝任空間數據的管理和（hé）維護。

　　同樣，在城市中存在大型的（de）港口、工廠、地下管網（wǎng）、人防設（shè）施等（děng）部門，它們具有地形起伏較大、管網密集、需要準（zhǔn）確定位等（děng）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（shì）由計算機生成的（de），通（tōng）過視、聽、觸覺等作（zuò）用（yòng）於用戶，使（shǐ）之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真。從二（èr）維地圖（tú）、沙（shā）盤、動畫，到虛（xū）擬視景仿真是一個合乎人們認識深（shēn）化和技術發展趨勢的必然結果。

2. 虛擬城市與仿真技（jì）術發展

　　美國（guó）目前已經有50個城市計劃建立了（le）“數字虛擬城市”。我國北京、上海、香港、台北、深圳、廣州、南海（hǎi）、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市首（shǒu）先（xiān）要解決的問題。國際上（shàng）已經專門成（chéng）立了類似（sì）組織，主要（yào）為城市服務。如德國的Rostock、Stuttgart等研究機構，對（duì）一些城市進行了研究，建立了原型係統（tǒng）。三維虛擬仿真技術*早（zǎo）主要應用在（zài）軍事領（lǐng）域，從國內近幾年來的發展情況，三維虛擬仿真（zhēn）技術在國內外快速發展，目前國內已有（yǒu）多（duō）家公司開發出城市仿真（zhēn）應用平台（tái），已（yǐ）在城市設計和決策中得到很好的（de）應用，同時積累了一批優秀的三維虛擬仿真開發技術人才，北京密桃直播公（gōng）司就是一個專門研究三維虛（xū）擬仿真軟件，硬件的公司，並取得了突出的成績。

　　2.1 三維仿真技術

　　虛擬現（xiàn）實(Virtual Reality，簡稱VR)

　　是用計算機（jī）生成逼真的三維視、聽、觸覺等感覺，使人能通過適當裝置對虛擬世界進（jìn）行交互式體驗。70年代Even & Sutherland公司引入（rù）計算機作為場（chǎng）景圖像生成設備發展出計算機虛擬現實。Silicon Graphic Inc.公司製定了開發圖形係統的運用程序標準OpenGL，同（tóng）時為視景仿真實時漫遊提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等軟件均以Performer為基礎，進行二次（cì）開發。*初的仿真主要用於飛行（háng）模（mó）擬。 

　　城市仿（fǎng）真(Urban Simulation)

　　是虛擬現實技術（shù）應用於城市的一種視（shì）景（jǐng）仿真（Visual Simulation 簡稱VisSim）。城（chéng）市仿真具備幾個特點：其一是（shì）良好（hǎo）的交互（hù）性，提供了（le）任意角度（dù）、速（sù）度的漫遊方式，可以快速替換不同（tóng）的建築；其二是形象直（zhí）觀，為專業人士和非專業人士之（zhī）間提（tí）供了溝通的渠道；其（qí）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（tǒng）（GIS）的數據（jù）生成三維地形模（mó）型，再利用衛星影像和航（háng）空影像作為真實的（de）紋理貼圖，充分展示了城（chéng）市仿真（zhēn）與GIS的（de）結合。 
　2.2 國外城市仿真主要實例

　　虛（xū）擬洛杉磯（Virtual Los Angeles） 

　　是美國加利福尼亞大（dà）學洛杉磯分校（UCLA）始於1994年的一個科研與運用（yòng）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（tǒng）中*成（chéng）功*為複雜的係統。視（shì）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（wén）理等。其中洛杉磯大學醫（yī）院的仿真詳細到（dào）可以對建築（zhù）內部的每一個層麵進行（háng）漫遊，用鼠標點擊牆麵或天花板就能得到平麵設計圖及相（xiàng）應的屬性數據，實現了（le）在仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實（shí）時查詢。該係統作為城市規劃和建（jiàn）設的重要手段，在（zài）加州Pico Union區地震（zhèn）破（pò）壞的重建中（zhōng）得到應用。設計人員（yuán）通過仿真模型和地理信息數據來確定毀壞的建築物數量以及需要改造的街道、綠地、房屋等，對重建城區進行規劃設計，再將新數據存入該係統，實現了信息係（xì）統（tǒng）的良性循環。

　　費城（chéng）城市模型(ModelCity Philadelphia)

　　由（yóu）美國Bentley公司利（lì）用MicroStation和MasterPiece軟件（jiàn）以及自我開發的軟（ruǎn）件工具於1996年開始製作，已完成費城中心區35個街區。該項目主要（yào）特點是將整個費城（chéng）的（de）模型以VRML數據格式（shì），通過Internet網讓任何人可以享受到實時費城旅遊的體驗。城市設計（jì）人員和建築師通過Internet瀏覽器對城市三維景觀進行直接的漫遊，可以對真實的城市景觀進行分析，獲得準（zhǔn）確的土地和建築（zhù）結構方麵的資料（liào）信息，解決了在委托設計項目時缺乏資料的（de）問題。費城模型同（tóng）時提供準確可視（shì）的三維地下管線係統，方便城市地下（xià）管網係統的維護和更新，因此獲得美國建築師學會(AIA)高（gāo）度評價。

　　2.3 三維仿真和其他展示方式的比較

　　仿真和（hé）動畫應用都是模擬真實和想象的世界，用高度細節模型，產生平滑連（lián）續的運動，並以一定的FPS（幀（zhēn）/秒）進行繪製（zhì）來（lái）達到（dào）無縫的演示。動（dòng）畫主要用（yòng）於電影、印（yìn）刷圖畫以（yǐ）及預先設計好的演示。仿真主要用實時互動演示，需要對於用戶輸入做出反（fǎn）應，並馬上看到結果。如：飛行訓練、影視遊戲和交互建築演示。

3. 三（sān）維（wéi）仿真平台功能特點

　　三維虛擬仿真平台旨在建設一個具（jù）有大範圍的海量城市數據一體化管理、無縫三維實時漫遊，包（bāo）容和拓展常規GIS獨具特色的空間多媒體信息查詢、表示、分析和（hé）決（jué）策功能的虛擬城市管理（lǐ）信息（xī）係統。係統所采（cǎi）用（yòng）三維仿（fǎng）真平台（tái）具有獨特的特性和強有力的可擴展性（xìng）能，使用了密桃直播公司的邊緣融合處理機（jī），畫麵和（hé）文（wén）字都能實現（xiàn）高度清晰（xī）。

　　3.1 頂級三（sān）維遊戲的視覺享受

　　精美的三（sān）維場景 
　　光（guāng）影效果（guǒ） 
　　多種氣候條件（白天、夜晚、雲、霧、雨、雪、雷電……） 
　　多種特殊（shū）效果（跳動的火苗、飄（piāo）動的旗幟、流水（shuǐ）、噴泉、霓虹燈（dēng）、海浪、爆炸（zhà）、煙霧……） 
　　各種（zhǒng）空間聲音效果——創建一個（gè）充（chōng）滿（mǎn）生機的世界。 

　　3.2 靈活的人機交（jiāo）互

　　任（rèn）何位置/任意角度觀察場景； 
　　多種（zhǒng）運（yùn）動方式隨時切換
　　（行走、駕駛、飛翔（xiáng）…） 
　　任意位置（zhì）停止，切換多種參數/方案（àn）來觀察！
　　（*適合於前期方案討論（lùn）、匯報） 
　　整個交互過（guò）程可以記錄為動畫保存。

　　3.3 強大的可擴展性

　　區域（yù）類（lèi）型擴展
　　建築內/外景；
　　小區/街道；
　　城（chéng）區；
　　大麵積野外場景。
　　（采用動態內存管理，甚至（zhì）可以模擬整個數字地球（qiú）！）
　　地域覆蓋範圍從小至大（dà） 

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

　　國（guó）土資源局/城市（shì）規劃（huá）部門 / 建築設計單位；
　　房地產公司——展示（shì）/銷售、項（xiàng）目評（píng）估和報批；
　　園區規劃、管理及展（zhǎn）示（shì），開發區招（zhāo）商；
　　文物/古跡的展示、複原（yuán）、保（bǎo）護部（bù）門；

4. 三（sān）維仿真平台性能指標

　　4.1 數據（jù）要求

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

　　4.2 場景編（biān）輯

　　數據資（zī）料采（cǎi）集（jí），包括科學城各棟房屋（wū）建築外立麵多角度數碼拍照，路麵、河流、樹木、標誌性物體數碼拍照等。 
　　圖片處理，對外業采集的（de）數字照片進行圖片編輯（jí）處理，以符合（hé）建模標準（zhǔn）； 
　　地形建（jiàn）模，基於DEM（數字高程模型（xíng））數據和DOM（正射影像圖）數據疊加生成地形； 
　　地物建模，用內業處理完畢（bì）的數字（zì）圖片構（gòu）造地物模（mó）型，主要包括建（jiàn）築物、路麵、河流、路燈、花壇（tán）等； 
　　可以對地形、模型、二維矢量數據、注記、場景貼（tiē）圖、環境、光源、模型貼圖、動態貼圖 、攝像機等進行編輯處理，生成三（sān）維場景；並整（zhěng）體（tǐ）實現（xiàn）模（mó）型優化和拚湊。 
　　支持模型庫（kù）和貼圖庫管理。

　　4.3 實時瀏覽和可視化

　　實時瀏覽三維場景。 
　　矢量數據的三維可視化表現。 
　　支持行走，駕駛，飛（fēi）行，UFO等多種瀏覽方式（shì）。 
　　觀察者能從任意（yì）角（jiǎo）度任意高度觀看係（xì）統的三維場景（jǐng）。 
　　係統可實現實時隨機漫遊，漫遊的（de）方向和起點完（wán）全由用戶自（zì）己進行選擇。 
　　係統可實現從室外漫（màn）遊到室內漫遊的無縫切換。

　　4.4 數據管理和數據查詢

　　屬性數據支持（支持Access、SQL Server、Oracle數據庫等）和屬性數據查詢。 
　　數據條件定位查詢，根（gēn）據查詢條件（jiàn），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 支持多種格式輸出

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

　　4.7 麵向對象的管理方式

　　實現場景及路徑（jìng）漫遊方式（shì）的編（biān）輯。

　　4.8 特效模擬方式的（de）支持

　　可以對環（huán）境（jìng）進行設置，包括雲、霧、能見度（dù）等等；也可（kě）以（yǐ）實現諸如噴泉效果、旗幟飛揚等（děng）效果。

5. 虛擬城（chéng）市應用（yòng）展示

　　虛（xū）擬現實實時瀏覽平台可以對虛擬場景實現交互式的全方位漫遊，三維數字景象（xiàng）和模型將複雜的數據進行可視化處理和顯示，為（wéi）客戶帶來的大（dà）視景，高沉浸感的高端解決方案，給（gěi）用戶一個身臨其境的感覺，在城市(社區)規劃、虛擬建造、裝飾裝修等方（fāng）麵（miàn）具有廣闊的應用前景。