計算機信息技術(shù)的發(fā)展在城市規劃、建筑設計、空間環(huán)境設計領(lǐng)域帶來(lái)了不斷深入的技術(shù)革命。首先是CAD技術(shù)使繪圖自動(dòng)化得以普及，隨后，三維效果圖與動(dòng)畫(huà)在詳細規劃和建筑設計中得到推廣應用。最近幾年，地理信息系統（GIS）與虛擬現實(shí)（VR）技術(shù)在城市規劃和城市設計中發(fā)展起來(lái)。

　　1 城市設計的主要內容及其對計算機圖形圖像技術(shù)的要求

　　城市設計簡(jiǎn)要地說(shuō)就是為人們設計聚居地的一種藝術(shù)，它是城市規劃的重要組成部分。城市設計所關(guān)心的是建筑實(shí)體的視覺(jué)效果；人與場(chǎng)所的連接性；活動(dòng)空間與舒適環(huán)境的創(chuàng )造；整個(gè)城市景觀(guān)改善的進(jìn)程。城市設計要為建筑物實(shí)體及其空間布局，為建筑形式構圖及其與周?chē)�空間的三維關(guān)系，為獲得美學(xué)與社會(huì )質(zhì)量成就進(jìn)行視景布置建立整體框架。

　　1.1城市設計內容的層次性。城市設計的基本內容分為宏觀(guān)、中觀(guān)、微觀(guān)三個(gè)層次。

　　宏觀(guān)層次：城鎮分布與城市形象。城市設計的宏觀(guān)層次包括在一定區域內的城鎮分布；城鄉一體化規劃與景觀(guān)設計；城市的格局與形態(tài)、功能組團、環(huán)境保護、基礎設施、分區特色與舒適的環(huán)境、城市出入口、土地利用與活動(dòng)場(chǎng)所等。城市設計的宏觀(guān)層次內容與城鎮體系規劃相輔相成，不過(guò)城市設計更注重于城市的關(guān)鍵性特征與自然景觀(guān)的構成；注重城市開(kāi)發(fā)建設對自然景觀(guān)、文化或社會(huì )經(jīng)濟資源的物質(zhì)的和視覺(jué)質(zhì)量的直接和間接影響。在對宏觀(guān)層次的城市設計進(jìn)行評價(jià)時(shí)，創(chuàng )造高質(zhì)量的城市環(huán)境和優(yōu)美的城鄉視野成為重要準則。包括對自然山水景觀(guān)的組織與利用，視覺(jué)特征物的適宜性和可視性，整體高度輪廓和體量的協(xié)調性，與傳統景觀(guān)的協(xié)調性等等。為應用ArcGIS對炎陵縣的自然地理、人口分布、交通條件等進(jìn)行綜合分析作出的城鎮布局。為應用ArcGIS對炎陵縣重點(diǎn)發(fā)展地區的用地空間發(fā)展所作的規劃。規劃在宏觀(guān)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(guān)層次：建筑物與空間。中觀(guān)層次城市設計內容包括用地布局、建筑設計、交叉口與廣場(chǎng)、街道和路網(wǎng)格局、視線(xiàn)走廊、連接度與整體性、體量與高度、地標物、開(kāi)敞空間和公園、人行道與步行系統的連接等等內容。中觀(guān)層次城市設計內容與城市總體或分區規劃相輔相成，不過(guò)城市設計主要關(guān)注開(kāi)發(fā)建設對自然景觀(guān)的物質(zhì)和視覺(jué)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)調性；與城市整體立面輪廓和體量的協(xié)調性；與地方傳統的協(xié)調和對周?chē)�環(huán)境的影響等等。圖3為應用ArcGIS對炎陵縣城現狀所作的全景鳥(niǎo)瞰。

　　微觀(guān)層次：使用者環(huán)境。微觀(guān)層次的城市設計內容包括建筑物的人的尺度、街道陳設、材質(zhì)顏色和紋理、過(guò)渡的處理、廣告和標志、街道景觀(guān)等。微觀(guān)層次的城市設計與詳細規劃設計相輔相成。在對微觀(guān)層次城市設計進(jìn)行評價(jià)時(shí)，自然方面主要關(guān)注功能上的適宜性。人造方面關(guān)注街道結構和功能的適宜性，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。圖4為某中學(xué)新校園的大門(mén)，通過(guò)三維建模貼圖生成。

　　1.2城市設計對信息技術(shù)的要求

　　從城市設計各層次的內容及評價(jià)原則來(lái)看，人與自然環(huán)境的協(xié)調，恰當的空間組織，悅目的視覺(jué)效果均是共同的追求。以往城市規劃和建筑設計由于受到技術(shù)手段的限制，規劃師和建筑師主要是通過(guò)二維圖形加空間想象來(lái)構思和評價(jià)設計方案，僅在進(jìn)行建筑單體設計或很小的群體設計中才應用三維效果圖，或固定路徑的動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬建成后的空間關(guān)系和視覺(jué)效果。眾所周知，傳統的效果渲染需要耗費大量時(shí)間和占用大量計算機內存。因此多方案的交互式設計和實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)根本不可能進(jìn)行。

　　城市設計計算機視景仿真需要解決幾個(gè)方面的問(wèn)題。其一，處理數字高程模型，生成并修改三維地形，進(jìn)行坡度、坡向、高程、填挖、淹沒(méi)、視線(xiàn)視域分析。其二，進(jìn)行建筑密度、容積率、可達性、緩沖、選址可行性分析，用以評價(jià)社會(huì )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、構筑物、城市家俱、廣告牌、樹(shù)木、車(chē)輛、人物等。一般GIS只有二維拉伸功能，稱(chēng)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(shí)時(shí)瀏覽任務(wù)。其四，實(shí)時(shí)虛擬。要能快速地重繪畫(huà)面，包括對場(chǎng)景對象、天光背景、動(dòng)畫(huà)路徑、視點(diǎn)視角等的改變均能立即作出反應。從理論上說(shuō)，以上四大問(wèn)題可以在一個(gè)GIS平臺或統一的VR系統中得到解決，不過(guò)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(lái)解決問(wèn)題。

　　2一種基于GIS與VR的城市設計技術(shù)方案

　　2.1虛擬現實(shí)系統集成。無(wú)論是GIS還是VR，當前國內外均有多種商業(yè)軟件可供選用。美國ESRI的ArcGIS是世界上最先進(jìn)的地理信息系統，不過(guò)它的三維建模功能不強，且沒(méi)有實(shí)時(shí)虛擬動(dòng)畫(huà)的功能。美國Multigen-Paradigm公司的Multigen-Vega是當前虛擬現實(shí)的旗艦軟件，其強大的三維建模工具Creator和虛擬仿真引擎Vega有機結合能很好地滿(mǎn)足虛擬城市實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)要求，不過(guò)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(gè)綜合兩個(gè)方面的優(yōu)勢來(lái)解決城市設計技術(shù)問(wèn)題的方案。這就是ESRI公司委托Multigen-Paradigm公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)ArcGIS擴展模塊SiteBiulder，該模塊使得ArcGIS具備了實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)功能并且能接受Multigen的三維模型。于是我們就有了一個(gè)基于GIS與VR的應用于城市設計的虛擬現實(shí)系統.

　　2.2系統應用步驟。該系統的完整的應用包括場(chǎng)景的規劃設計、單體的建筑設計、三維建模并貼圖、實(shí)時(shí)虛擬動(dòng)畫(huà)幾部分內容

　　2.2.1城市規劃設計。無(wú)論是新城區的開(kāi)發(fā)還是老城區的改建均要先確定規劃設計目標，提出社會(huì )、經(jīng)濟、環(huán)境方面的要求。根據要求，進(jìn)行自然條件、建設條件等一系列的基礎分析。在分析基礎上完成土地利用、道路交通、建筑布局、豎向規劃、工程設施等規劃設計方案。值得注意的是，以往規劃設計僅用CAD進(jìn)行輔助設計。本系統強調應用ArcGIS技術(shù)輔助規劃設計，原因有兩個(gè)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(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。圖5為應用ArcGIS制作的湖南城市學(xué)院新校區地勢圖，圖6為新校園的一個(gè)規劃模型。

　　2.2.2建筑設計。在規劃布局的基礎上，進(jìn)行建筑設計方案。各單體設計成果仍以平、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(chǎng)景中具有相當的立體效果。如有必要，某些單體可設計出多個(gè)，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(chǎng)景中，各虛擬對象是以ArcGIS主題來(lái)組織并引入的。進(jìn)入三維場(chǎng)景的主要是三維地形、道路、建筑、樹(shù)木、鋪地和草地。主題中的特征并不要表現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(diǎn)主題表示建筑布局，每棟建筑物僅需要一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，每個(gè)點(diǎn)代表的建筑物的模型被存放在數據庫中，完全相同的建筑物如住宅只須保存一個(gè)實(shí)例就行了。只要建立起點(diǎn)對象與建筑實(shí)例的關(guān)聯(lián)，則不同的建筑物模型都會(huì )被引入場(chǎng)景中。

　　2.2.4創(chuàng )建三維模型。本虛擬系統采用MultiGen公司的Creator作為三維場(chǎng)景建模工具，它的Open-Flight采用樹(shù)狀層次結構來(lái)組織管理場(chǎng)景數據。城市設計所涉及的場(chǎng)地中的模型包括天空、地面、單體建筑、構造物、樹(shù)木、街道陳設物、廣告牌等等，建模工作量巨大。因此在建立模型之前，應根據場(chǎng)景中每個(gè)實(shí)體的幾何空間位置以及模型內部與模型之間的相互關(guān)系，確定虛擬場(chǎng)景中所有單體模型的層次歸屬，以有利于模型的修改、調用。三維模型并非越細越好。我們要在幾何真實(shí)與紋理真實(shí)之間取得某種協(xié)調。適當地劃分幾何面和準備適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(dòng)畫(huà)場(chǎng)景。起動(dòng)ArcGIS及其擴展模塊SiteBiulder，將模型庫中的各模型實(shí)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在三維場(chǎng)景中。SiteBiul-der有一套自己的菜單和工具，完成實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。

　　3 新建校園虛擬現實(shí)應用實(shí)例

　　某中學(xué)新建校園臨城市主次干道之一角，虛擬現實(shí)系統是在規劃方案和單體設計基礎上進(jìn)行的。首先，應用ArcGIS根據等高線(xiàn)建立原始地形的數字高程模型(DEM)在充分結合地形、減少填挖量的原則下進(jìn)行多方案的豎向規劃設計，為建筑基地和運動(dòng)場(chǎng)地準備合適高程的臺地。隨后，應用Creator建立各虛擬對象的三維模型，從而建立起模型庫，層次結構.

　　校園設計虛擬動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景由SiteBiulder實(shí)現。由于在模型庫中儲存有多種建筑單體，樹(shù)木模型等等，在A(yíng)rcGIS視圖中準備了多種布局方案的主題，因此虛擬校園場(chǎng)景有多種方案，更換一種方案僅幾分鐘時(shí)間，其交互性遠非傳統三維動(dòng)畫(huà)效果可比。校園虛擬現實(shí)系統為確定最終的設計方案和施工設計提供了從定性到定量的可視化依據。