基于“數字城市”園區建設中運用三維仿真系統的必要性研究

于麗偉 王嘉琪 姬攀 李俊潔

摘 要：如今，隨著經濟、文化的不斷發展，城市化進程不斷擴大，城市信息化發展日趨推進。在這個背景下，“數字城市”“智慧城市”也相繼建設起來。本文主要探討在“數字城市”建設的背景下運用三維仿真技術進行城市規劃、建筑設計、景觀設計的必要性研究，以青島市新建園區高新區為例探討運用三維仿真系統的必要性、方法及優勢，力求為新建園區設計提供先進的理念和全新的嘗試。

關鍵詞：數字城市；三維仿真系統；園區設計

當前，信息技術的迅猛發展及其在各個領域的普及應用，推動著城市信息化水平不斷提高。城市規劃和建筑設計、景觀設計逐步引入三維仿真系統和虛擬現實技術，城市規劃建設將迎來一場創新型技術革命，城市發展理念將更加超前。以往，我們主要依靠二維 GIS數據處理技術來規劃和建設城市空間，城市信息處理以數據表格、平面設計圖紙、沙盤模型、360全景動畫為主。人們很難將城市空間的數據模型與現實場景聯系起來，實現不了人景互動和實時信息查閱。因此利用三維仿真系統建設虛擬化城市必將成為未來城市規劃與管理的主流技術。采用城市仿真系統和虛擬現實技術可以對城市規劃要素進行數字化和可視化處理，決策者可以在高度真實的場景中進行合理的布局、規劃和設計。參與者也可以身臨其境地對設計進行查閱、體驗和互動。

一、三維仿真系統在新建園區中應用的意義

三維仿真系統是指利用計算機技術生成的一個仿真的，具有聽覺感知、力覺感知、運動感知、味覺感知和嗅覺感知等的虛擬環境，用戶可以身臨其境，與之互動的一種新興技術。

三維仿真系統，解決了以往平面空間對復雜的環境進行建設和設計等反應不全面的問題，方便管理人員和技術人員進行建設前的合理部署、建設中的動工交底和建設后的后期維護。三維仿真系統能夠真實模擬建設園區的地形、地貌、道路、建筑等附著物，能夠為工作人員提供一個真實的三維仿真場景，增加沉浸感和體驗性，提供更加可靠的技術支持。

二、青島高新技術產業區情況分析

青島高新技術產業區位于青島市膠州灣北部，規劃面積為66平方公里。主園區規劃面積63平方公里。目前，高新區引進商業配套項目三十多個，涵蓋城市綜合體、科技大廈、星級酒店、金融機構、綜合性商業體、醫療中心、文化體育中心等多種商業業態，在建房地產開發項目38個，總占地面積約342萬平方米，其中住宅建筑面積約345萬平方米、商業建筑面積約91萬平方米。高新技術產業區是青島市市委、市政府為實施“三城聯動”發展戰略，在已開發的膠州灣北部園區基礎上，整合空間資源、保護膠州灣底生態岸線，統籌并帶動區域協調發展設立的。高新區目前已開發區域主要集中在40.6 平方公里范圍內，主要包括寫字樓、廠房、住宅等，且地勢平緩，地形高差不超過1米。由于園區在建項目眾多，基礎數據信息齊全，各種地形、地貌圖紙詳盡，園區豐富的信息數據為實現三維仿真系統提供必要的技術支持，三維場景實現起來優勢明顯。

三、三維仿真系統在新建園區設計中應用的優勢

（一）提高園區規劃設計的準確性、可行性

由于新建園區項目眾多，在規劃設計中使用三維仿真系統，可以真實模擬現有的地形、地貌及園區場景，為決策者提供可視化的預見，有效規避設計風險。園區三維仿真系統的建立可以合理地進行項目初始階段的研究、道路設計、景觀布局、建筑設計等整體規劃，有效促進項目發展階段的空間組合、與周邊環境的協調融合等，方便項目最終的管理和維護，同時可以減少設計缺陷，為日后迅速合理地開展審批工作奠定基礎。

（二）增強用戶的體驗感和參與性

三維仿真技術的運用能夠使設計者突破傳統設計思維，即擺脫二維表現的束縛和抽象思維的不確定性，拓展設計思維，使設計者的構思能在實時生成的三維虛擬空間中充分體現。同時讓參與者感到猶如身處虛擬現實場景之中，可以隨時隨地在園區內外實時漫游，近距離觀察細節，實地體會空間，甚至可以借助仿真技術的眼鏡、手套等設備獲得真實的體驗感，增強參與者的沉浸性，讓參觀者真正獲得身臨其境的感覺。在三維仿真系統中，參與者可以自己選擇觀看的路線、角度、視點以及停留的時間，在重要節點上還能根據自己的需要來獲取相關數據，從而獲得更多準確的信息。三維仿真技術使設計師和參與者擁有更多的自主性和互動性。三維仿真技術的根本目的不僅是在三維空間中實現仿真建模，而是幫助人們在虛擬園區的動態空間中做到實時觀察，并與多媒體形式互動獲得多重感知，從而獲取信息和形成新的概念。

四、三維仿真系統在新建園區的具體運用

（一）在園區規劃中的應用

對于新建園區的建設，項目的拆遷改造和新的現代化園區建設，無時無刻不在進行。而這些龐大的工程可以在實施前運用三維仿真系統將其模擬建造出來，把原本在設計圖紙上的抽象概念變成真實存在的物體和環境。可以把園區中原有的建筑從場景中移除，再按規劃從方案庫中把其他的方案調出，并立即顯示在場景中，再進行相關的測距、日照等功能分析，用戶就可直觀地看到每種方案的優劣之處，從而為規劃建設提供有力的決策。三維仿真系統還可以實現建設規劃方案的替換，用于區域建設方案之間的比較，能夠直觀地看到不同方案在整體規劃方案中建成后的效果。三維仿真系統可以實現對新建園區進行虛擬現實的模擬規劃與設計。

（二）在園區場景中的應用

1.園區中對于環境變化和對周圍物體的關聯性要求很高，因此在建設前應該對建成之后的環境有一個清晰明確的認識。特別是青島高新區中央智力島設計，項目建設主要包括數據和軟件兩部分，一是三維模型建立和數據信息搜集，二是三維仿真系統平臺應用。項目利用1：500地形圖，結合竣工圖和外業紋理拍攝，建立高新區中、東片區約40.6平方公里范圍內道路、水系、綠化、地標性建筑、人文景觀等對象的高精度三維模型以及1公里管溝三維模型；同時，項目需基于高新區的三維管線數據庫，構建高精度、高瀏覽效率真實美觀的地下管線三維信息管理系統，實現對園區三維基礎數據和三維地下管線數據的一體化展示和應用。

2.本項目三維場景建模需采用AutoCAD、3DSMax、Photoshop、Stamp作為軟件處理平臺。先通過 AutoCAD、3DMAX按照實際空間布局描繪出三維模型的局部特質，通過地形圖或竣工圖上的高程數據和平面坐標數據定位建模。使用相機對測區需要進行三維場景的建筑、地形、景觀、植被、小品等進行數碼實地拍攝，根據照片進行貼圖，建立三維模型庫、三維模型紋理庫、屬性數據、竣工圖等，作為建筑物建模的參考資料。收集這些數據，并對數據進行格式處理。利用Photoshop 處理紋理及其色彩，來提高三維模型的逼真程度。按照真實世界的地物分布，利用建立好的模型，在 Stamp 三維平臺軟件中搭建場景。實現三維場景整合，在三維模型數據制作完成后對所需屬性信息進行匹配設置。然后借助 VRMLPAD開發工具，通過其中的 VRML的內聯節點可以將園區空間場景無縫對接，以實現空間漫游。借助 OpenGL進行虛擬場景的渲染，使場景更加逼真，建立實時多方案數據庫，最終實現園區的三維仿真。

五、結語

三維仿真技術作為一種全新的理念和手段，為規劃設計、基礎設施管理、政府決策提供了一個全方位、立體直觀的真實環境。目前它在新建園區中應用廣泛。青島高新技術產業區三維仿真系統建設的根本目的在于為青島市高新區建設一個地上基礎三維系統和地下管網數據管理、維護更新、應用與信息服務為一體的信息化平臺。系統的運用基于數字城市的總體框架下，為高新區的規劃設計管理提供應用支持，為園區景觀道路建設提供可視化預見，為城市設施維護檢修、優化管理、事故預警和處理上提供決策支持。同時，為后續服務于規劃、國土、建設、消防等數字城市應用，提升應用水平。

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作者簡介：

于麗偉，副教授，青島農業大學藝術學院。

作者單位：青島農業大學藝術學院