計算機信息技術(shù)的發(fā)展在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、空間環(huán)境設(shè)計領(lǐng)域帶來了不斷深入的技術(shù)革命。首先是CAD技術(shù)使繪圖自動化得以普及，隨后，三維效果圖與動畫在詳細規(guī)劃和建筑設(shè)計中得到推廣應(yīng)用。最近幾年，地理信息系統(tǒng)（GIS）與虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)在城市規(guī)劃和城市設(shè)計中發(fā)展起來。

　　1、城市設(shè)計的主要內(nèi)容及其對計算機圖形圖像技術(shù)的要求

　　城市設(shè)計簡要地說就是為人們設(shè)計聚居地的一種藝術(shù)，它是城市規(guī)劃的重要組成部分。城市設(shè)計所關(guān)心的是建筑實體的視覺效果；人與場所的連接性；活動空間與舒適環(huán)境的創(chuàng)造；整個城市景觀改善的進程。城市設(shè)計要為建筑物實體及其空間布局，為建筑形式構(gòu)圖及其與周圍空間的三維關(guān)系，為獲得美學與社會質(zhì)量成就進行視景布置建立整體框架。

　　1.1城市設(shè)計內(nèi)容的層次性。城市設(shè)計的基本內(nèi)容分為宏觀、中觀、微觀三個層次。

　　宏觀層次：城鎮(zhèn)分布與城市形象。城市設(shè)計的宏觀層次包括在一定區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)分布；城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃與景觀設(shè)計；城市的格局與形態(tài)、功能組團、環(huán)境保護、基礎(chǔ)設(shè)施、分區(qū)特色與舒適的環(huán)境、城市出入口、土地利用與活動場所等。城市設(shè)計的宏觀層次內(nèi)容與城鎮(zhèn)體系規(guī)劃相輔相成，不過城市設(shè)計更注重于城市的關(guān)鍵性特征與自然景觀的構(gòu)成；注重城市開發(fā)建設(shè)對自然景觀、文化或社會經(jīng)濟資源的物質(zhì)的和視覺質(zhì)量的直接和間接影響。在對宏觀層次的城市設(shè)計進行評價時，創(chuàng)造高質(zhì)量的城市環(huán)境和優(yōu)美的城鄉(xiāng)視野成為重要準則。包括對自然山水景觀的組織與利用，視覺特征物的適宜性和可視性，整體高度輪廓和體量的協(xié)調(diào)性，與傳統(tǒng)景觀的協(xié)調(diào)性等等。為應(yīng)用ArcGIS對炎陵縣的自然地理、人口分布、交通條件等進行綜合分析作出的城鎮(zhèn)布局。為應(yīng)用ArcGIS對炎陵縣重點發(fā)展地區(qū)的用地空間發(fā)展所作的規(guī)劃。規(guī)劃在宏觀上充分考慮了炎陵縣作為人文與生態(tài)旅游縣的自然環(huán)境特色。

　　中觀層次：建筑物與空間。中觀層次城市設(shè)計內(nèi)容包括用地布局、建筑設(shè)計、交叉口與廣場、街道和路網(wǎng)格局、視線走廊、連接度與整體性、體量與高度、地標物、開敞空間和公園、人行道與步行系統(tǒng)的連接等等內(nèi)容。中觀層次城市設(shè)計內(nèi)容與城市總體或分區(qū)規(guī)劃相輔相成，不過城市設(shè)計主要關(guān)注開發(fā)建設(shè)對自然景觀的物質(zhì)和視覺質(zhì)量的直接和間接影響；人工建造物的適宜性和視角的關(guān)系；對光和空氣的穿透性影響；與步行道格局的協(xié)調(diào)性；與城市整體立面輪廓和體量的協(xié)調(diào)性；與地方傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)和對周圍環(huán)境的影響等等。

　　微觀層次：使用者環(huán)境。微觀層次的城市設(shè)計內(nèi)容包括建筑物的人的尺度、街道陳設(shè)、材質(zhì)顏色和紋理、過渡的處理、廣告和標志、街道景觀等。微觀層次的城市設(shè)計與詳細規(guī)劃設(shè)計相輔相成。在對微觀層次城市設(shè)計進行評價時，自然方面主要關(guān)注功能上的適宜性。人造方面關(guān)注街道結(jié)構(gòu)和功能的適宜性，創(chuàng)造好的步行環(huán)境，人的尺度和生活質(zhì)量的提高，空間的創(chuàng)造等。

　　1.2城市設(shè)計對信息技術(shù)的要求

　　從城市設(shè)計各層次的內(nèi)容及評價原則來看，人與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)，恰當?shù)目臻g組織，悅目的視覺效果均是共同的追求。以往城市規(guī)劃和建筑設(shè)計由于受到技術(shù)手段的限制，規(guī)劃師和建筑師主要是通過二維圖形加空間想象來構(gòu)思和評價設(shè)計方案，僅在進行建筑單體設(shè)計或很小的群體設(shè)計中才應(yīng)用三維效果圖，或固定路徑的動畫來模擬建成后的空間關(guān)系和視覺效果。眾所周知，傳統(tǒng)的效果渲染需要耗費大量時間和占用大量計算機內(nèi)存。因此多方案的交互式設(shè)計和實時動畫根本不可能進行。

　　城市設(shè)計計算機視景仿真需要解決幾個方面的問題。其一，處理數(shù)字高程模型，生成并修改三維地形，進行坡度、坡向、高程、填挖、淹沒、視線視域分析。其二，進行建筑密度、容積率、可達性、緩沖、選址可行性分析，用以評價社會經(jīng)濟與環(huán)境效果。以上兩項是GIS的典型功能。其三，大面積多單體的快速三維建模，包括建筑物、構(gòu)筑物、城市家俱、廣告牌、樹木、車輛、人物等。一般GIS只有二維拉伸功能，稱為2.5維，不是真三維。而流行的3Dmax三維建模不勝任大量對象建模與實時瀏覽任務(wù)。其四，實時虛擬。要能快速地重繪畫面，包括對場景對象、天光背景、動畫路徑、視點視角等的改變均能立即作出反應(yīng)。從理論上說，以上四大問題可以在一個GIS平臺或統(tǒng)一的VR系統(tǒng)中得到解決，不過目前這種平臺還處在研發(fā)之中，但是我們可以借助GIS與VR綜合集成來解決問題。

　　2、一種基于GIS與VR的城市設(shè)計技術(shù)方案

　　2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成。無論是GIS還是VR，當前國內(nèi)外均有多種商業(yè)軟件可供選用。美國ESRI的ArcGIS是世界上最先進的地理信息系統(tǒng)，不過它的三維建模功能不強，且沒有實時虛擬動畫的功能。美國Multigen-Paradigm公司的Multigen-Vega是當前虛擬現(xiàn)實的旗艦軟件，其強大的三維建模工具Creator和虛擬仿真引擎Vega有機結(jié)合能很好地滿足虛擬城市實時動畫要求，不過它不具備空間分析的功能。其它的GIS與VR軟件大體也是如此。所幸的是，我們已經(jīng)有了一個綜合兩個方面的優(yōu)勢來解決城市設(shè)計技術(shù)問題的方案。這就是ESRI公司委托Multigen-Paradigm公司開發(fā)了一個ArcGIS擴展模塊SiteBiulder，該模塊使得ArcGIS具備了實時動畫功能并且能接受Multigen的三維模型。于是我們就有了一個基于GIS與VR的應(yīng)用于城市設(shè)計的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

　　2.2系統(tǒng)應(yīng)用步驟。該系統(tǒng)的完整的應(yīng)用包括場景的規(guī)劃設(shè)計、單體的建筑設(shè)計、三維建模并貼圖、實時虛擬動畫幾部分內(nèi)容。

　　2.2.1城市規(guī)劃設(shè)計。無論是新城區(qū)的開發(fā)還是老城區(qū)的改建均要先確定規(guī)劃設(shè)計目標，提出社會、經(jīng)濟、環(huán)境方面的要求。根據(jù)要求，進行自然條件、建設(shè)條件等一系列的基礎(chǔ)分析。在分析基礎(chǔ)上完成土地利用、道路交通、建筑布局、豎向規(guī)劃、工程設(shè)施等規(guī)劃設(shè)計方案。值得注意的是，以往規(guī)劃設(shè)計僅用CAD進行輔助設(shè)計。本系統(tǒng)強調(diào)應(yīng)用ArcGIS技術(shù)輔助規(guī)劃設(shè)計，原因有兩個方面。其一，CAD不具備所要求的空間分析功能；其二，只有ArcGIS主題及主題中的特征（對象）才能被引入到SiteBiulder中進行實時動畫。

　　2.2.2建筑設(shè)計。在規(guī)劃布局的基礎(chǔ)上，進行建筑設(shè)計方案。各單體設(shè)計成果仍以平、立、剖面圖為主。為配合下階段的Creator三維建模和紋理貼圖，建筑師繪制的單體立面效果圖很有用處。整幅有陰影的彩色立面圖可以代替多塊片的煩瑣貼圖，在三維場景中具有相當?shù)牧Ⅲw效果。如有必要，某些單體可設(shè)計出多個，供虛擬替代方案優(yōu)化所用。

　　2.2.3組織ArcGIS主題。在SiteBiulder三維場景中，各虛擬對象是以ArcGIS主題來組織并引入的。進入三維場景的主要是三維地形、道路、建筑、樹木、鋪地和草地。主題中的特征并不要表現(xiàn)對象的具體幾何形狀，而只要確定各對象的具體位置。例如用點主題表示建筑布局，每棟建筑物僅需要一個點來表示，每個點代表的建筑物的模型被存放在數(shù)據(jù)庫中，完全相同的建筑物如住宅只須保存一個實例就行了。只要建立起點對象與建筑實例的關(guān)聯(lián)，則不同的建筑物模型都會被引入場景中。

　　2.2.4創(chuàng)建三維模型。本虛擬系統(tǒng)采用MultiGen公司的Creator作為三維場景建模工具，它的Open-Flight采用樹狀層次結(jié)構(gòu)來組織管理場景數(shù)據(jù)。城市設(shè)計所涉及的場地中的模型包括天空、地面、單體建筑、構(gòu)造物、樹木、街道陳設(shè)物、廣告牌等等，建模工作量巨大。因此在建立模型之前，應(yīng)根據(jù)場景中每個實體的幾何空間位置以及模型內(nèi)部與模型之間的相互關(guān)系，確定虛擬場景中所有單體模型的層次歸屬，以有利于模型的修改、調(diào)用。三維模型并非越細越好。我們要在幾何真實與紋理真實之間取得某種協(xié)調(diào)。適當?shù)貏澐謳缀蚊婧蜏蕚溥m當分辨率的圖片是建筑虛擬的關(guān)鍵。

　　2.3.5創(chuàng)建虛擬動畫場景。起動ArcGIS及其擴展模塊SiteBiulder，將模型庫中的各模型實例與主題中的各特征建立起聯(lián)系，各虛擬對象將依各自的空間位置呈現(xiàn)在三維場景中。SiteBiul-der有一套自己的菜單和工具，完成實時動畫。

　　3、新建校園虛擬現(xiàn)實應(yīng)用實例

　　某中學新建校園臨城市主次干道之一角，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是在規(guī)劃方案和單體設(shè)計基礎(chǔ)上進行的。首先，應(yīng)用ArcGIS根據(jù)等高線建立原始地形的數(shù)字高程模型（DEM）在充分結(jié)合地形、減少填挖量的原則下進行多方案的豎向規(guī)劃設(shè)計，為建筑基地和運動場地準備合適高程的臺地。隨后，應(yīng)用Creator建立各虛擬對象的三維模型，從而建立起模型庫，層次結(jié)構(gòu)。

　　校園設(shè)計虛擬動畫場景由SiteBiulder實現(xiàn)。由于在模型庫中儲存有多種建筑單體，樹木模型等等，在ArcGIS視圖中準備了多種布局方案的主題，因此虛擬校園場景有多種方案，更換一種方案僅幾分鐘時間，其交互性遠非傳統(tǒng)三維動畫效果可比。校園虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為確定最終的設(shè)計方案和施工設(shè)計提供了從定性到定量的可視化依據(jù)。