计算机仿真技术在深圳市中心区城市规划与设计中的探索和应用

摘要：本文重点论述深圳市中心区城市仿真系统在中心区城市规划设计实践中的探索和应用，并简要介绍中心区仿真系统的建立、构成和开发情况。文章认为中心区仿真系统为中心区的规划做出重要贡献，也为计算机仿真技术在城市设计方面的应用开辟了新的篇章，并相信随着技术的进步，城市仿真系统将会推广普及成为城市设计研究的重要平台。

关键字： 城市仿真 城市规划与设计 深圳市中心区 计算机 创想科技
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<p>引子
<p>深圳市中心区是深圳正在规划建设的新城市中心（包括CBD、行政中心和文化中心）。考察深圳中心区的许多领导、专家经常被安排到一个工作室，在一幅大屏幕前漫游未来建成的中心区。这里之所以用“漫游”一词，是因为客人并不仅是被动地观看，他们还可以随时提出自己需要观看的目标、角度及行进方式（开车、走路、飞行等）。因此这不同于观看一个固定播放的动画片，这是一种可以让机器与人交互对话并作出实时反应的视景虚拟技术。这一技术在深圳市中心区不仅仅是应用于参观演示，更是中心区规划管理的重要环节，在中心区规划设计管理及重大决策中发挥着极其重要的作用。这一技术的专业名字，叫做计算机城市仿真。
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1 计算机仿真技术简介
<p>1.1 基本概念
<p>虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人能通过适当装置对虚拟世界进行交互式体验。70年代Even ; Sutherland公司引入计算机作为场景图像生成设备发展出计算机虚拟现实。Silicon Graphic Inc.公司制定了开发图形系统的运用程序标准OpenGL，同时为视景仿真实时漫游提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等软件均以Performer为基础，进行二次开发。最初的仿真主要用于飞行模拟。
<p>城市仿真(Urban Simulation)是虚拟现实技术应用于城市的一种视景仿真（Visual Simulation 简称VisSim）。城市仿真具备几个特点：其一是良好的交互性，提供了任意角度、速度的漫游方式，可以快速替换不同的建筑；其二是形象直观，为专业人士和非专业人士之间提供了沟通的渠道；其三由于采用数字化手段，其维护和更新变得非常容易。仿真系统可利用地理信息系统（GIS）的数据生成三维地形模型，再利用卫星影像和航空影像作为真实的纹理贴图。Multigen-Paradigm公司推出的SideBuilder软件，充分展示了城市仿真与GIS的结合。
<p>1.2 国外城市仿真主要实例
<p>虚拟洛杉矶（Virtual Los Angeles）是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）始于1994年的一个科研与运用相结合的项目，计划覆盖面积超过10,000平方英里，是当今城市仿真系统中最成功最为复杂的系统。视景包括从洛杉矶盆地的卫星影象到街道景观，精确到植物、建筑物的窗口、外墙的纹理等。其中洛杉矶大学医院的仿真详细到可以对建筑内部的每一个层面进行漫游，用鼠标点击墙面或天花板就能得到平面设计图及相应的属性数据，实现了在仿真中对GIS、CAD及对象属性的实时查询。该系统作为城市规划和建设的重要手段，在加州Pico Union区地震破坏的重建中得到应用。设计人员通过仿真模型和地理信息数据来确定毁坏的建筑物数量以及需要改造的街道、绿地、房屋等，对重建城区进行规划设计，再将新数据存入该系统，实现了信息系统的良性循环。
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<p>费城城市模型(ModelCity Philadelphia)由美国Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece软件和以及自我开发的软件工具于1996年开始制作，已完成费城中心区35个街区。该项目主要特点是将整个费城的模型以VRML数据格式，通过Internet网让任何人可以享受到实时费城旅游的体验。城市设计人员和建筑师通过Internet浏览器对城市三维景观进行直接的漫游，可以对真实的城市景观进行分析，获得精确的土地和建筑结构方面的资料信息，解决了在委托设计项目时缺乏资料的问题。费城模型同时提供精确可视的三维地下管线系统，方便城市地下管网系统的维护和更新，因此获得美国建筑师学会(AIA)高度评价。

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2 仿真技术在深圳市中心区的应用实例
深圳市中心区城市仿真系统（USSCD）是深圳市规划与国土资源局以6平方公里的深圳市中心区为试点，探索在城市规划设计、建筑报建以及城市数字化管理方面应用仿真技术所建立的三维实时漫游系统。从1999年6月正式投入运行以来，根据中心区城市规划建设的需要，该系统直接由中心区开发建设办公室（中心办）负责管理、维护和开发。在系统实际运行过程中，根据城市规划和设计者的要求，该系统不断得到探索、开发和完善，成为中心区规划决策和设计管理不可缺少的手段之一。 <p>2.1 市民中心尺度和位置比较研究 <p>深圳市民中心（原名深圳市政厅）是深圳自1996年中心区城市设计概念产生以来最重要的公共项目。1997年市民中心方案研究过程中，通过现场气球模拟建筑轮廓，很多领导和市民对建筑高度及与深南路的距离提出了疑问，甚至有更换选址的想法。中心区尝试应用仿真系统，实时动态地研究建筑在几种高度和位置时与深南大道、莲花山的相互关系，并借助这种新技术向市领导和规划界专家作了详细的演示。通过这种交互方式，领导和专家也能参与不同方案的比较过程，随时选择观看的角度和运动方式，了解不同方案在虚拟城市环境中效果，做出自己的判断。最终领导和专家得出了与技术人员研究相一致的结论：原设计方案建筑高度略显平缓，大屋顶提高10米更为适宜；建筑距离深南路约300米，有足够的空间作为广场，建筑后退1-2个街区甚至布置到莲花山上的方案通过仿真比较都没有现有位置合适。提高屋顶10米的建议最终也为建筑师所接受，为这一独特建筑的进一步完善做出了贡献。这次研究也对水晶岛的尺度提出了调整建议，原有88米高的水晶岛概念方案在仿真环境中被清楚地观察到过于庞大并对市民中心产生遮挡，缩小一倍（44米高）之后与周围环境的关系则相对和谐的多。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/20041129132421.jpg"></CENTER>

2.2 中心广场城市设计研究
中心广场也是深圳市中心区最重要的公共空间，由深南路南北两个广场组成。如何使南北两个广场形成统一的整体并有合理方便的联系，一直是历次广场设计没有圆满解决的问题。配合市规划院进行中心广场研究，城市仿真系统也应用到其中。通过各种角度和视线的分析，研究建议市民中心前方的市民广场可适当升起并通过天桥/平台的形式跨越深南路与水晶岛和南广场相联系，同时在中心广场的整体和局部中反复运用已经在市民中心中出现的“天圆地方”的主题，既使广场整体得到统一，又使广场超大空间得到进一步的细分以得到宜人的尺度。该仿真成果于2000年11月分别向规划设计界三位院士进行了汇报和咨询，并得到基本的肯定。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/200411291326301.jpg"></CENTER>

2.3 设计评标中的应用
中心区仿真系统在建筑设计评标中也得到很好的应用。设计招标时各个设计机构的建筑师被邀请来观看中心区仿真，详细了解地段环境和城市设计的目标和要求。设计成果要求提供设计方案的电子模型和立面的纹理贴图材料，由仿真工作人员进行加工处理，放到中心区的仿真环境中，并编写软件使不同方案可以通过一个热键进行切换。评标时评委可以通过仿真系统观察不同方案在中心区环境中的效果。评委可以要求从街道、建筑物上、空中等等的任意位置和角度对不同方案加以比较，这种同一环境之下可以任意观察和比较不同方案的工具，是对传统建筑模型和表现图的超越，为设计评标能从城市空间环境角度评价建筑提供了直观和有益的手段。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/200411291327512.jpg"></CENTER>

2.4 街区设计的比较研究
通过SOM设计公司所进行的22、23-1地块城市设计，中心区对街区和街道空间城市设计的认识得到了重视和提高，并着手对原有缺乏深入城市设计分析而提出的设计要点进行调整。其中比较典型的是对位于深南大道东段北侧两个项目的用地及设计要点所进行的调整。由于涉及用地单位的切身利益，为了提供直观和有说服力的分析，仿真系统成为必不可少的工具。通过对不同土地划分方式、不同容积率和建筑退让导致的街区内部及街道空间效果的比较，中心办成功说服用地机构将土地缩小，容积率提高，沿道路布置建筑以形成统一街墙，开辟社区内小公园，为中心区能形成良好的街区街道空间做出了贡献。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/200411291329581.jpg"></CENTER>

2.5 岗厦旧村仿真实录
岗厦村位于中心区规划范围内，共有500多栋建筑，楼与楼之间非常密集。在多轮的改造规划研究最终没有确定的情况下，中心区决定从基础工作做起，在仿真环境中建立岗厦村现状模型，将每一栋村民房屋、每一间酒楼铺面、每一条陋巷夹道都搬上虚拟的电脑空间中。为了创造出身临其境的感觉，大量采用广角或移轴镜头进行局部拍摄，共采集2万多张照片，模型中纹理贴图达1GB，因此整个漫游画面非常真实和生动，甚至可将其开发成电子游戏场景。借助模型可以研究旧村的空间环境、探讨最经济可行的改造策略，同时可以比较改造前后的环境面貌，这无论对规划师、建筑师、领导、村民都是非常有说服力的表达工具。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/200411291330552.jpg"></CENTER>

2.6 市民中心建筑色彩分析
利用TrueSim仿真系统，对市民中心建筑物的主体色彩设计进行构思、比较，设计考虑“市民中心”是城市的最高政府行政机构，代表中央政府管理并服务于所在城市。其背景首先是国家的象征，政权机构。以国旗之主导色红色和黄色的设计，最终被分别应用设计在两个塔楼上。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/200411291331342.jpg"></IMG></CENTER>

3 中心区城市仿真系统的建立和再开发
1994年，软件代理商曾利用Coryphaeus软件为规划中的深圳市中心区制作了两条街景仿真，由于场景制作过于简单并未引起太多的关注。1998年6月中心办尝试采用计算机实时仿真来研究市民中心的体量大小和位置并取得了良好的效果，计算机实时仿真的直观和可交互性优势在帮助市领导进行重大项目建设的决策上发挥了作用，也得到国内规划界权威的肯定，甚至有幸被推荐到1999年北京世界建筑师大会上加以展示。以此为契机，1998年11月，深圳市规划与国土局决定引进软硬件建立仿真系统，以中心区为试点，探索仿真技术在城市设计和建筑设计管理中的运用。4年以来，中心区仿真系统依靠自身的技术力量和社会资源如深圳市创想科技发展有限公司的结合，不断提出使用需求和研究课题，开发出不同计算机平台的仿真系统、漫游和编辑软件，进一步扩大了仿真技术的功能及运用范围，有效地配合了中心区城市设计研究及建筑设计管理，为中心区规划做出了重要的贡献，也为计算机仿真技术在城市领域的应用开辟了新篇章。 <p>3.1 中心区城市仿真系统的设备选择 <p>3.1.1 硬件平台 <p>以前，中心区仿真选择的硬件平台为SGI Onyx Infinite Reality 2 (IR2), 配置4个MIPS R10000处理器，1G内存，两块64MB的纹理内存与双通道显示发生器，操作系统位IRIX 6.5，并配置C++开发环境和Performer2.2。投影系统采用BarcoReality 8200 LCD投影机。原始分辨率为1280X1024，支持最高分辨率为1920X1200。亮度为1200流明。 <p>现在，由于深圳市创想科技发展有限公司推出了TrueSim仿真引擎的PC版，使仿真的硬件投资几乎变为了“零”， 使得一台普通PC机就可以运行仿真系统了，而一台普通PC机的投资就算顶尖配置也不过几万元人民币，比起上千万的UNIX仿真平台来说，几乎可以忽略不计。 <p>3.1.2 软件的选择 <p>1999年当深圳市中心区城市仿真系统进行公开招标时，所能提供的完整解决方案非常有限，仅有用于飞行模拟的视景仿真可以借鉴。当时国内用于视景仿真软件主要有两种：Coryphaeus和Multigen，经过专家论证，认为两种软件均可用于城市仿真系统的开发。Coryphaeus代理商凭借对自身软件的熟悉，在比选中顺利完成中心区几个主要场景的建模和漫游，被选为中心区仿真系统的开发软件，之后中心区的开发人员又探索和选用了Multigen-Paradigm Vega，Performer等。 <p>3.1.3 软件与硬件平台的更新 <p>近几年，随着计算机仿真技术的快速发展，基于多平台的软件不断推出，如CG2的VTree，Multigen-Paradigm的Vega Prime，开放源代码的OpenSG等。SGI也将其Performer从单纯的Irix，扩展到Linux、Windows。软件平台的扩大为不同的用户提供的多种选择。许多产品还推出基于Internet平台的实时漫游，如Geonova推出基于Internet的大地形实时漫游。深圳市创想科技发展有限公司结合以上实际和自身的技术力量，开发出了TrueSim城市仿真引擎，在中心区的实际应用中发挥着至关重要的作用。当前中心区的仿真软件平台为TrueSim。 <p>硬件平台从过去的SGI、E;S、Quantum3D，扩展到PC和基于PC的集群图形系统，如Orad公司开发的DVG系列图形集群虚拟现实系统，该系统采用最新的PC及PC图形卡与DVG卡的组合，极大的扩展了PC图形卡的帧缓存和纹理内存，使其图形处理运算能力达到并超过大型计算机。

3.2 中心区城市仿真系统的模型创建
<CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/200411291332221.jpg"></IMG></CENTER><p>3.2.1 地形地貌建模 <p>为了精确的反映中心区及其周边的建筑，地形地貌建模利用航片纹理，生成OpenFlight格式。中心区范围内采用1米等高线作为三维地貌的基础，中心区之外采用5米等高线，并设置多级LOD使系统运行更为平滑。 <p>对于地形内的大量文化属性，如河流、湖泊、道路、建筑等，利用ArcInfo输出Shape格式，进行进一步的编辑生成有效的模型。通用的道路处理软件达不到细致的表现力，必须人为进行修补或重建。重建的内容包括路面、路牙、人行道、绿篱等。与道路相关的还有公交站亭，路标路牌、红绿灯、行道树和路灯等。细部刻画越深，场景越丰富，仿真越逼真。 <p>3.2.2 建筑建模 <p>通常由建筑设计单位提供相关的三维模型，格式为AutoCAD、3ds max、Maya、Lightwave等。通过转换软件将其转为容易操作的格式进行进一步的简化和修改，减少模型的多边形并尽量采用贴图纹理取代复杂的多边形，最后将其存为仿真系统可以接受的OpenFlight格式或其它格式，将其存放到漫游引擎如TrueSim中，实现仿真的漫游。由于专用计算机纹理内存的大幅提高，可以直接采用由三维渲染输出具有光照阴影效果的纹理贴图，整个画面场景更为生动真实。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/20041129133241image14.jpg"></IMG></CENTER><p>3.2.3 特效处理 <p>仿真中的特效包括烟雾、喷泉、流水、云彩以及与建筑关系较为密切的扶手电梯、霓虹灯、带有视频纹理的广告牌等。大部分软件Vega、Vtree、Performer提供了烟雾、光照、爆炸、雨雪等特效，部分可以通过变换的方式如将粒子特效转换为喷泉，移动物体变为云彩。流水、运行中的扶梯采用拖动纹理进行处理。

3.3 中心区城市仿真系统的维护开发
中心区城市仿真系统的发展是一个针对规划专业需求不断维护更新和开发创新的过程。深圳市创想科技发展有限公司为中心区仿真系统提供了良好的合作和支持，利用仿真漫游的最新技术进行进一步的开发，使中心区仿真系统不断探索和领先。 <p>3.3.1 对建筑对象的控制和实时编辑 <p>通过编程开发，在漫游中实现对建筑模型对象的拾取，包括整体对象，对象的纹理、多边形、顶点等局部拾取，实现了对建筑物的拉伸、移位、旋转、缩放。许多建模工具中使用的如复制、镜像等都可以在实时漫游中实现。能实时编辑漫游环境中的建筑，使研究人员能随时看到建筑降低或拔高、增大或缩小、平移、转向和消失对城市空间环境的影响，这既是城市仿真系统的重要突破，也是城市设计研究手段的重要突破。标志着城市仿真从一种演示工具真正发展成为城市与建筑设计专业人员的研究工具。 <p><CENTER></CENTER><p>3.3.2 漫游控制 <p>漫游控制决定仿真演示的效果，通常漫游软件均提供了步行、驾车和飞行三种模式。根据城市设计研究的要求，开发了以下漫游方式： <p>蟹行方式：漫游时视线方向与行进方向分离，适用于沿街立面等线性界面的研究。 <p>焦点方式：将拾取到的建筑对象作为屏幕的中心点，使仿真场景始终围绕被拾取建筑进行不同角度和距离的观察。这种漫游方式画面平滑顺畅，适用于建筑评标。 <p>楼梯方式：适用室内空间的步行模特别是扶手电梯的漫游，精细控制，有碰撞检测。 <p>路径方式：可以记录多个漫游路径文件，再灵活选择事先记录好的最佳路线。 <p>3.3.3 系统输出 <p>可输出高分辨率的静态图片或AVI视频录像，用于取代效果图和动画。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/20041129133551.jpg"></IMG></CENTER><p>结语 <p>中心区仿真系统下一步主要向普及和高端两个方向发展。普及的目的是让城市规划和城市设计专业人员充分了解和掌握这一新工具，将其应用到全市的重要项目中（已经尝试应用的项目有：利用全市范围的地形仿真进行轻轨交通选线研究；深南路公建带城市设计改进研究）。高端的主要目标向仿真场景的逼真感努力，设备展示手段向沉浸感方向发展，建立一套具有多图形通道的高清晰和高画面质量的计算机环幕立体投影系统。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/20041129133520image17.jpg"></IMG></CENTER><p>未来中心区仿真演示系统设想 <p>总结城市仿真的作用，主要有以下几个方面： <p>1、城市规划与设计人员进行专业研究和汇报的新型工具； 2、决策者直观了解重要项目规划并进行决策的好帮手；3、建筑设计、评议和审批的有效媒介，可以让建筑师深入了解设计地段现状环境和街区城市设计意图，让评议专家和管理人员全面比较同一环境及角度中不同的方案效果；4、宣传城市规划、吸引公众参与和交流的生动媒体。相信随着技术的进步，城市仿真系统将会推广普及成为城市设计研究的重要平台。