探讨虚拟现实技术在规划领域应用情况

　　摘要：长沙市劳动路和牌楼路之间的大桥就可采用虚拟现实技术，从景观、交通、经济、航运来分析其可行性。把当地的地形、景观和交通条件和桥梁方案输入建筑物漫游的虚拟现实系统中，人可以漫步桥上，也可以从任意视点、任意角度来观察桥的形象，甚至可以驱车通过该桥，得到类似桥建成后的感受。

　　关键词：虚拟现实,范围,迫切性,意义

　　虚拟现实(virtual reality，简称vr)，是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实技术的核心是模拟和仿真。

　　1、虚拟现实在规划领域的应用范围

　　虚拟现实在规划信息存储和查询系统中的应用　例如土质数据库系统，地域信息系统，地理信息系统，城市政策信息系统等。这一类系统多采用数据库系统的形式。现行数据库的一个缺陷在于数字化程度高，可视化程度低，这种数据表现出来是抽象的，可接受性差，例如，地理信息系统对地形地貌的表现，如果只是由数字来表现，则可读性很差，如果表现为地形图的形式，则相对容易接受。而采用虚拟现实技术，在系统中输入地形、地貌的数据，则可以从不同的角度去观察，不但可以取得必要的数据，而且能够有直观的感受，不用再劳神费力地想象地形图所表现的实际地形情况。

　　虚拟现实在规划的辅助表现集成系统中的应用　例如景观表现系统，交通规划系统等。目前，景观表现系统其表现物段主要是二维的图片，如果能够让用户产生一种身临其境-“人在画中游”的感觉，则景观的规划将更加科学合理、全面，而这种身临其境的感觉，正是虚拟现实技术要解决的问题。

实际上应用于景观表现的虚拟现实系统已经开始试用，德国的frankfort的中心城市，最近将城市模型输入虚拟环境，用以规划一座银行，其实现并不是很复杂：首先把各个建筑物的平面图(轮廓)输入到记录地区的数据库中，将各建筑物的高度赋于适当的值的自动生成三维城市模型;再对重要建筑物利用cad系统以不同精度进行修改，把建筑物正面的照片扫描进去经过修改加工输入cad数据库;最后在vr系统及数据模型中加上动态措施及环境因素。目前，这一系统可以让人得到在其中漫游的感觉，以后还可望在此基础继续修正。

　　虚拟现实规划和建筑设计可行性论证系统中的应用 目前，规划和建筑方案的设计还处在一个凭主观想象和经验基础上及抽象数据模型基础上的，而且对规划和建筑设计方案的可行性没有一个系统的评价论证，因此，在城市建设过程中，很容易出现实际情况跟预期效果偏差很大的情况，并且，这样造成的损失是无法挽回的。如果，利用虚拟技术对须控制的要素(周围环境、建筑高度、建筑体量、建筑色调等)对项目建成前后进行描绘，从而发现设计中的不完善的部分，反复修改，再根据修改后的参数虚拟现实，直到在虚拟现实中达到预期效果，这样就可减少甚至杜绝实际建成效果与设计意图偏差很大的情况。

　　虚拟现实在规划管理辅助决策系统中的应用 目前，国内规划和建筑项目的审批辅助决策大多是两条途径：1、对于一般项目规划管理者参考国家或地方性技术规定来决定项目的可行性 2、规划管理对于重大项目的审批通过设计单位撰写项目可行性研究报告书和组织专家评审等办法来决定项目的可行性。上述规划辅助决策的两条途径都有它的局限性。完全根据国家或地方性技术规定来决定项目的可行性显得太僵化，它不一定适应于城市的每一地块和每一个项目。对于重大项目的审批，专家的意见也是根据自己的经验和个人的爱好，也没有一个科学的根据。因此，规划管理、决策者需要一个决策的可靠依据。而虚拟现实技术则可通过模拟仿真为规划管理者决策提供有力、可靠依据。

　　2、虚拟现实技术在规划领域中应用的迫切性

　　由于城市规划的延续性和超前性要求较高，城市规划一直是对全新的仿真技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到修建性详细规划乃至建筑单体设计，在各个阶段，通过对现状和未来的描绘(身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等)，来改善人居生活环境，使城市布局更加合理，城市更加美观。规划决策者、规划设计者、以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。虚拟技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用虚拟技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。

　　一个大型的公共建筑工程项目或比较重要的建筑，如车站、机场、电视塔、桥梁、港口、大坝、核电站等，建成后往往会对某一地区的景观、环境等有较大的影响。它们建设成本高，社会影响大，其安全性、经济性以及功能合理性的意义更加重大。目前，这种重大项目的建设过程的初期可行性评价是建立在高度抽象的模型基础上，其结果经常出现很大偏差。项目上马前的功能评价也只是建立在想象和经验的基础上，经常出现偏差。而这种偏差造成的功能上的缺陷几乎是无法弥补的。当然，目前也有一些功能评价建立在物理模型和计算机仿真模型分析的基础上。但物理模型是缩小比例的模型，试验和评价难免出现误差，而且试验周期长，费用较高。目前，计算机仿真模型由于存在和图形结合差、可视化不强的缺点，许多功能上的评价，特别是建筑的使用功能的评价，很难达到满意的效果。如何在规划和建筑的设计阶段就对方案进行全面、客观的评价，是人们所关心的问题。

　　许多研究未来城市的资料表明：随着城市人口的空前增长，市民文化素质的提高、土地需求的白热化状态、以及城市机能的高度集约化和信息化，工业时代城市的稳定社会结构和传统职能均被打破，许多新的课题将应运而生。城市人口的高速增长带来的一系列社会问题，城市组团密集导致的城市结构系统扩张，城市为向三度空间的发展所期待的新环境研究，城市建筑(特别是住宅)的高密度和多样化需求提出的新内容、新形式课题，高速运载系统对环境的冲击，大量人口需求户外娱乐对社会和生态的影响，以及人们对环境质量的新要求，能源匮乏和生态环境面临的危机等，所有这些都与城市实质环境有关。因此，在环境保护意识日益受到重视的今天，我们不能不考虑到一个建筑对周围环境所产生的影响，毫无疑问，在工程竣工以前，我们不可能以一个与实际建成后的建筑同等比例的模型置于实际的环境中，用以考察该建筑物对于周边环境的影响。以三峡工程为例，对于本世纪最大的水利工程，其影响是深远的，一旦其建成以后无论是对生态环境，还是社会环境都有相当大的影响。就在截流前几天，一批科学家对三峡上下游进行全面考察，其目的不言而喻自然是为了得到各方面的相关数据，从而保护上下游的自然环境。然而，以传统的在一堆抽象的数字上加以想象力的发挥，其结果的可信度无疑并不十分理想。要使结果达到预期的效果，首先必须经过一套完善严密的技术对预期效果来论证和检验。显然，先期技术成果的演示和论证技术是检验这种效果的有效手段。基于这种情况，世界各国的研究机构都在作不懈的努力，以找出一种有效的评价规划设计效果及建筑质量的有效办法。虚拟现实技术正是解决这一问题的方法之一。

　　3、虚拟现实技术在规划领域中应用的意义

　　3.1 改善设计

　　在虚拟现实系统中，可以全方位,多种样式(步行、驱车、飞行、ufo等),完全由用户自由控制在场景中漫游。虚拟现实技术与传统的三维动画最根本的区别就是：传统动画的观察路径都是预先设定好的，用户只能按照事先设定的路径浏览场景;而虚拟现实技术可以由用户在三维场景中任意漫游，人机交互，甚至还可以使用专用的头盔把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的感觉。这样一来，很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。采用虚拟现实技术的虚拟环境系统，可以向设计单位提供一套进行规划、建筑性能评价的有效工具，以利于更好地认识设计参数与设计结果之间的关系，发现设计中潜在的缺陷和问题，试探解决问题的不同方法，从而使整个设计更加完善。

　　如：长沙市院士专家村的设计和审批过程中就充分利用了虚拟现实这一技术,使设计更加完善，规划审批效率更高。为规划决策者决策提供了依据，同时为建设单位赢得了宝贵的时间。由于长沙市院士专家村位于国家级名胜风景保护区(岳麓山)的边缘地带，规划方案的好坏和建成后对周围环境所产生的影响直接影响到规划决策者的决策。但是，传统的技术难以对项目建成后周围环境所产生的影响进行模拟和仿真，虽然一些专家对此项目作过一些可行性研究，规委会也多次组织专家对此项目进行评审，但是，可行性研究结果和专家意见都是建立在经验基础之上的，同时专家内部意见的不一致使规划决策者缺乏可靠的科学的审批依据，致使项目进度进展缓慢。在这种情况下，长沙市规划信息服务中心利用虚拟现实，对项目建成前后进行周围环境、风景质量、山体水质、植被覆盖、进行了模拟和仿真，在虚拟现实制作期间，多次聘请权威专家到现场指点和评价，通过对设计方案虚拟现实，专家和规划决策者们有了更多的科学决策的依据，同时对方案提出了更多的、合理的修改意见，然后，设计单位再按照专家和规划管理者的意见进行修改，然后再虚拟现实。这样最终使长沙市院士专家村的设计取得了巨大的成功。

　　3.2展示设计成果

　　现在流行的三维动画，同样是通过强大的三维建模技术建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。但是虚拟现实技术建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统;而传统动画的三维场景则是由动画制作人员根据资料或想象绘制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，严格意义上来说属于一种演示作品。

　　传统的设计成果的展示，都是通过平面图、分析图、以及鸟瞰图等来表现设计者的设计思想。这样表现有它的局限性，它的表现仅是在平面的、静态的，而虚拟现实则不一样，它是三维的、动态的、仿真的。用虚拟现实技术展示设计成果是一种理想的方法。这种设计成果的展示，既可以面向大众，作为宣传的需要，又可以将方案展示给业主，供其提出修改意见，及时修改，以增加方案的竞争能力。在设计阶段，利用各种建模工具，数字化该拟建建筑物以及周围环境，对其进行仿真建模(此时的模型比例为1：1)，得到虚拟世界中该拟建建筑物的实体模型;而后按真实三维位置放置建筑物，同时考虑周围地形的轮廓;再次加上建筑细节，如门和窗设计，以便准确地表现该环境的美学特征。综合编辑各种对象(文字、表格、图形、虚拟世界中用多维信息所描述的对象以及真实世界在虚拟空间中的映射)，在其中增加动画和对象的动态行为。同时利用虚拟艺术制作工具和虚拟世界编辑器，形成一个存在于虚拟世界中拟建建筑物的“客观实体”。最后在各种输入、输出软件和设备的支持下就可以实现对该建筑物设计成果的预先展示，据此对拟建建筑物结构进行创建、修改和可视化。其设计开发系统框图如图一。

　　例如，桥梁的设计方案是方案能否为人们所接受，方案是否具有竞争力的关键。一般地，桥梁方案主要由以下几个方面组成：桥梁工程地点的路线、水文、地质、气象、地形等交通资料信息的处理;全桥平面图、立面图、结构设计图、钢筋布置图、曲线布置及墩部分详图;墩、台、基础设计资料;全桥工程概预算等。

　　结构设计方案也可以采用三维建模的方法直观、形象地展示出来。而工程概预算等其它信息则可以用声音等多媒体的方式表现出来。这种虚拟现实系统可以设计成交互性很好的系统，用户可以很方便地选取任何细部去看，给人留下深刻的印象。例如，英国的skye岛大桥的规划设计，在环境保护问题上有争议，受到公众关注。后来应用虚拟现实技术，逼真地向公众展示了设计建成后的大桥及周围环境的形貌，以及作环岛飞行和驾车通过大桥的动态视觉感，受到公众的欢迎，大桥的设计方案也得到了肯定。

　　3.3 节省投资和运行费用

　　运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意地进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，……所看即所得，只要修改系统中的参数即可，而不需要象传统三维动画那样，每做一次修改都需要对场景进行一次渲染。这样不同的方案、不同的规划设计意图通过vr技术实时的反映出来，用户可以做出很全面的对比，并且虚拟现实系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整，辅助用户作出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金。

　　采用虚拟现实技术进行先期技术成果的演示和论证有助于发现设计中多余的措施和方案中各工种不协调的部分，及时修正从而节省投资和运行费用。同时，演示论证也可发现设计中可能导致无法满足要求的设计不当之出，从而避免了建筑物建造完成后的返工。

　　再如，南方某省会城市的外环线。按照总体规划该市有三道环线，内环已建成，二环和三环正在筹建之中，当时在先建二环线还是先建三环线上颇有争议。最后，在一些“专家”通过可行性论证之后，决定先建三环，当时，该市在当时财政非常紧张的情况下，耗资几十个亿，修建了三环线(二环线至今为止现在还没修好)。可是，事实却与研究结果大相径庭，到目前为止，耗资几十个亿的三环线几乎看不到车影(过境交通因为收费太高，绕道太远而不愿走三环线)，而市区二环以内因为缺少快速交通而拥挤不堪。如果当时我们能够对利用虚拟现实对交通流量、经济等各方面进行科学的可行性论证，或许我们也不会出现今天这种局面。

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