1. 概述

　　三維虛擬仿真平台（tái）旨在（zài）建設一個（gè）具有大範圍的（de）海量（liàng）城市數據一體化管理、無縫三維實時漫遊（yóu），包容和（hé）拓展常規GIS獨具（jù）特色的空間多媒體信息（xī）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（shěng）市、數字城鎮很快已經成為世界各國發（fā）達省市和地區（qū）21世紀的發展（zhǎn）戰略、爭（zhēng）先搶占科技、產（chǎn）業和（hé）經濟的製高點之一。為了加速城市（shì）的發展，提高管理水平，需要借助於現代化（huà）的科學手段進行城市體係規劃與管理。

　　據目（mù）前對我國大部分城市的摸底調查，除（chú）少數大、中城市已建立了城市管理（lǐ）信息係統外，而絕大部分地區（qū）的空間信息管理手（shǒu）段仍然沿用比較落後的手工操作（zuò）方式，即便是（shì）用（yòng）一些地理（lǐ）信息係統（GIS）管理著空間數據，但仍停留（liú）在簡單的二維數據管理、顯示的基（jī）本功能（néng），分散地、相對（duì）獨立地和非標準地管理模式，很難進行地域（yù）管理的三維綜合研究和空間分析，使（shǐ）各級（jí）領導部門（mén）不可能（néng）及時地得（dé）到對空間的（de）清晰、直觀的認識。

　　另外，城市規劃設計的主要研（yán）究對象是城市的體形結構與（yǔ）各個要素，在設計過程（chéng）中需要進行大量的空間（jiān）形象思維。同時，在設計中又應以（yǐ）城市（shì）的使用者的感覺為核心（xīn），分析城市設計各空間要素之間的關（guān）係。傳統的城市（shì）模型隻能獲得城市的鳥瞰形象；效果圖隻能提供靜態局部的視覺體驗；動畫不具（jù）備實時的交互性，人是被動的，並（bìng）且製作（zuò）周（zhōu）期長。這（zhè）些傳統技術隻能實現簡單、固定的演示功能，尚（shàng）不能很好地滿足當前城（chéng）市（shì）設計的需要。另外，隨著空間（jiān）範圍的擴大，傳統的方法也無法勝（shèng）任空間數據的管理和（hé）維（wéi）護。

　　同樣，在城市中存在大型的港口、工廠、地下（xià）管網（wǎng）、人防設施等部門，它們具有地形起伏較大、管網密集、需要準確定位等特點，用（yòng）傳（chuán）統二維的表示方法（fǎ）很難加以描述和信息（xī）管理。

　　虛擬環境是（shì）由計算（suàn）機生（shēng）成的，通過視、聽、觸覺等作用於用戶，使之（zhī）產生身臨其境感覺的交互式視景仿真（zhēn）。從二維地圖、沙盤、動（dòng）畫，到虛（xū）擬視景仿真是一個合乎人（rén）們認識深化和技術（shù）發展趨勢的必然（rán）結果。

2. 虛擬城（chéng）市與仿真技術發展

　　美國目前已經有50個城市計（jì）劃建立了“數字虛（xū）擬城市”。我國北京、上海、香港、台北、深圳、廣州、南海、廈門市等（děng）也（yě）正在積很籌建之中。普（pǔ）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先要解決的問題。國際上已經專門成立了類似組織，主要為（wéi）城市服務。如德國（guó）的（de）Rostock、Stuttgart等研（yán）究機構，對一些（xiē）城市進行了研究，建立了原型係統。三維虛擬仿真技術*早主要應用在軍事領域，從國（guó）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三維虛（xū）擬仿真開發技術人才，北京（jīng）萬（wàn）視達公（gōng）司就是一個專門研究（jiū）三維虛擬仿真軟件，硬件的公司（sī），並取得了突出（chū）的成績。

　　2.1 三（sān）維仿真技術

　　虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)

　　是用計算機生成逼真的三維視、聽、觸（chù）覺等感覺，使人能通過適當裝置對虛擬世界進行交互式體驗。70年代Even & Sutherland公司引入計算機作為場（chǎng）景圖像生成設備發展出計算機虛擬現實。Silicon Graphic Inc.公（gōng）司製定了開（kāi）發圖形係統的運用程序標（biāo）準OpenGL，同時為視景仿真實時漫遊提（tí）供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等軟件均以Performer為基礎，進（jìn）行二次開發。*初的（de）仿真（zhēn）主要用於飛（fēi）行模（mó）擬。 

　　城市仿真(Urban Simulation)

　　是虛擬現實技術（shù）應（yīng）用於城市的一種視景仿真（Visual Simulation 簡稱VisSim）。城市仿（fǎng）真具備幾個特點：其一是良好的交互性，提供了（le）任意角度、速度的漫（màn）遊方式，可（kě）以快速替（tì）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供了溝通的渠道；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（xì）統（GIS）的（de）數據生（shēng）成三維（wéi）地形模型，再利用衛星影（yǐng）像和航空（kōng）影像作為真實的紋理貼圖，充（chōng）分展（zhǎn）示（shì）了城市仿真與（yǔ）GIS的結（jié）合。 
　2.2 國外城市（shì）仿（fǎng）真主要實例

　　虛擬（nǐ）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（de）一個科（kē）研與運用相結合的項目，計劃覆蓋麵積超過10,000平方英（yīng）裏，是當今城市仿真係統中*成功*為複雜（zá）的係（xì）統。視景包括從洛杉（shān）磯盆地的衛星影像到街道景觀，準（zhǔn）確到植物、建築物（wù）的窗口（kǒu）、外牆的紋理等。其中洛杉磯（jī）大學醫（yī）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（yóu），用鼠標點擊牆麵或天花板就能得（dé）到平麵設計（jì）圖及相應的屬性數（shù）據，實（shí）現了在仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實（shí）時查詢。該係統作（zuò）為城市規劃和建設的重要手段，在加州Pico Union區地震破壞的重建中得到應用。設計人員通過仿真模型和（hé）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（zài）將新數據存入該係統，實現了信息係統的良性循環。

　　費城城市模型(ModelCity Philadelphia)

　　由美國Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece軟件以及自我開發的軟件工具於1996年開始製（zhì）作，已（yǐ）完成費城中心（xīn）區35個街區。該項目主要特點是將整個費城（chéng）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（yàn）。城市設（shè）計人員和建築師（shī）通（tōng）過Internet瀏覽器對城市三（sān）維景觀進行直接的漫遊，可以對真（zhēn）實（shí）的城市景觀進行分析（xī），獲得準確的土地（dì）和建築結構方麵的資料信息，解決了在委托設計項目時缺乏資（zī）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，方便城市地下管網係統的維護和更新，因此獲得（dé）美國建築師學會(AIA)高度評價。

　　2.3 三維仿真和其他展示方式的比較

　　仿真和動畫應用都（dōu）是模擬真實（shí）和想象的世界，用高度細節模型，產生平滑連續的運動，並以一定的FPS（幀/秒）進行繪製來達到無縫的演（yǎn）示。動畫主要用於電（diàn）影、印（yìn）刷圖畫以及（jí）預先設（shè）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（chū）反（fǎn）應，並馬上看到結果。如：飛行訓練、影視遊戲和交互建（jiàn）築演示。

3. 三維仿真平（píng）台功能特點

　　三維虛擬仿真平台旨在建設一個具有（yǒu）大範圍的海量城市數據一體化管理（lǐ）、無縫三維實時漫遊，包容和拓展常規（guī）GIS獨（dú）具（jù）特色的空間多媒體信息查（chá）詢、表示、分析和決策功能的（de）虛擬城（chéng）市（shì）管理（lǐ）信息（xī）係統。係（xì）統所（suǒ）采用三維仿真平台具有獨特的特性和強有（yǒu）力的可擴展性能，使用了萬視（shì）達公司的邊緣融合處理機，畫麵和文字都能實現高度清晰。

　　3.1 頂級三維遊戲的視覺享（xiǎng）受（shòu）

　　精美的三維場景 
　　光影效果 
　　多種氣候條件（白天（tiān）、夜晚（wǎn）、雲、霧、雨、雪、雷電……） 
　　多種特殊效果（跳動的（de）火苗、飄動（dòng）的旗幟、流水、噴泉、霓虹燈、海浪、爆炸、煙霧（wù）……） 
　　各種空間聲音（yīn）效果——創（chuàng）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； 
　　多種運動方式（shì）隨時切換
　　（行走、駕駛（shǐ）、飛翔…） 
　　任意位（wèi）置停止，切換多種參數/方案來觀察！
　　（*適合於前期方案討論、匯（huì）報） 
　　整個交互過程可以記錄為動畫保存。

　　3.3 強大（dà）的可擴展性

　　區域類型（xíng）擴展
　　建築（zhù）內/外景（jǐng）；
　　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（zhěng）個數字地（dì）球！）
　　地域覆蓋範圍從小至大 

 　　顯示方（fāng）案擴展
　　單PC顯示；
　　PC Cluster + 投（tóu）影係統（tǒng）；
　　SGI Onyx + 投影係統；
　　立體顯示 / 無縫拚接選項.
　　特定（dìng）類型的應（yīng）用擴展 
　　應用領域擴展

　　國土資源局/城（chéng）市規劃（huá）部（bù）門（mén） / 建築設計單位；
　　房地產公司——展示/銷（xiāo）售（shòu）、項目評估和報批；
　　園（yuán）區規劃、管理及（jí）展示，開發（fā）區招商；
　　文物（wù）/古跡的展示、複原、保護部門；

4. 三維仿真（zhēn）平台性（xìng）能指標

　　4.1 數（shù）據要求

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

　　4.2 場景編輯

　　數據資料采（cǎi）集，包括科學（xué）城各棟房屋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，對外業采集的數字照片進行圖片編輯處理，以符合建（jiàn）模標準； 
　　地形建模，基於DEM（數（shù）字高程模型）數據和DOM（正射影像圖（tú））數據疊加生（shēng）成地形； 
　　地（dì）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（kuò）建築物、路（lù）麵、河流、路燈、花壇等； 
　　可以對地形、模型（xíng）、二（èr）維矢量數據、注記、場景貼圖、環（huán）境、光源、模（mó）型（xíng）貼圖、動態貼圖 、攝像機等進行（háng）編輯處理，生成三維場景；並整體實現（xiàn）模型優化（huà）和拚湊。 
　　支（zhī）持模型庫和貼圖庫管理（lǐ）。

　　4.3 實時瀏覽和可視化

　　實（shí）時瀏覽三（sān）維場景。 
　　矢量數（shù）據的三維（wéi）可視（shì）化表現。 
　　支持行走，駕駛，飛行，UFO等（děng）多（duō）種瀏覽（lǎn）方式。 
　　觀察者能從任意（yì）角度任（rèn）意高度觀看（kàn）係統的三維場景。 
　　係（xì）統可實現實時隨機漫遊，漫遊的（de）方向和起點完（wán）全由用戶自己進行（háng）選（xuǎn）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（jù）條件定位查詢，根據查（chá）詢條件，自動定位目標查詢物。 

　　4.5 跨（kuà）平台

　　Windows操作係統。 
　　其它操（cāo）作（zuò）係統。 

　　4.6 支持多種格式輸出

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

　　4.7 麵向對象的管理方式

　　實現場景及路徑漫遊方式的編輯。

　　4.8 特效模擬方式（shì）的支持（chí）

　　可（kě）以對環（huán）境進行設置，包括雲（yún）、霧、能見度等等；也（yě）可以實現諸如噴（pēn）泉效果、旗幟飛（fēi）揚（yáng）等效果。

5. 虛擬城市應用展示

　　虛擬現實實時瀏覽平台可（kě）以（yǐ）對（duì）虛擬場景實現（xiàn）交互式的全方位漫遊（yóu），三維數字（zì）景象和模型將複雜的數據進行可視化處理和顯示，為客戶帶來的大視景，高沉浸感的高端解決方案，給用戶（hù）一個身臨其境的感覺，在（zài）城市(社區)規劃、虛擬建造、裝飾裝（zhuāng）修等方麵具有（yǒu）廣闊（kuò）的應用前景。