虚拟现实技术在规划领域中的应用

             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。 
       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。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。

3.4　验证施工方案 
       在土木工程的施工过程中，先期技术成果演示和论证技术也有其广阔的应用前景。建筑业的发展使得建筑逐渐向大型、超高层和地下发展。目前我国高层建筑正在向层数增多，高度增高，平面布置更加复杂，筒体或筒束结构而且竖向建筑立面多样化发展。随之而来便是超高层建筑的基础工程、模板工程、施工测量和垂直度控制、高层钢结构的制作与安装、外脚手架工程、吊装机械与垂直运输等等新技术与工艺。这些都是以前的建设者所没有遇到过的，施工中就必然有一些问题不知如何去解决。不可否认，高新技术所带来的丰厚回报以及其远大的意义具有很大的诱惑力，但是往往回报与风险的并存，令许多实力并不非常雄厚的企业滞足不前。 
       如：通过近几年的工程实践，我国高层建筑的施工水平有了很大提高。施工新技术、新经验不断涌现。如钢筋对头焊接新工艺——气压焊接；WDJ碗扣型多功能脚手架；玻璃幕墙的设计与施工；复杂建筑施工放线等等。所有这些新工艺的第一次引入，都带有较大的风险性，但是利用虚拟现实的先期演示和论证技术，则可以在计算机模拟系统中以“真实”的角度去观察任何新技术的预演，避免了风险，提高了成功率，同时也节省了不必要的浪费。再如超大型建筑物的混凝土浇筑往往需要一次成型，这就需要解决混凝土的运输问题。混凝土的浇灌和输送方法，对高层建筑主体结构的经济性和质量有重要影响。众所周知，建筑物的高度越高，混凝土输送的距离随高度增加，如何合理地选用混凝土的输送设备，对提高施工效率，保证混凝土工程的质量及加快整个工程的进度有着重要作用。因而在选择输送方法时，应对许多因素综合地加以考虑。然而运输计划是否可行，不可能去实际演习，只能在计算机中进行仿真模拟。作为一个决策者和管理者为了处理其中可能出现的问题，也需沉浸到虚拟的环境中去解决。还有，大型混凝土浇注后的散热等问题都需要一个虚拟的环境去进行先期的技术演示论证，而这些就需要运用虚拟现实技术。 
       新型的施工方案，设计者往往为自己的大胆设想而激动，但是我们不可能实际去尝试、验证其是否正确，如何验证其可行性？先期技术演示论证为大胆的设想提供了一个演示的舞台。近年来，超高层建筑，地下多层建筑相继出现，施工人员缺少相应的施工经验。旧的施工方案是否可行，脚手架系统及吊车在高空中是否稳定等等施工问题都需要先期技术的演示与论证。 
总之，先期技术成果的演示论证技术在建筑业的应用需求越来越迫切，而虚拟现实技术则是其实现的重要支撑技术和手段。发展虚拟现实技术在这方面的应用，必将给整个建筑业带来一场革命。 

3.5　促进房地产业的发展 
       清华大学土木系的“VRGROUP”小组于1998年开发了位于成府路中段清华大学南侧的“清华北大蓝旗营教师住宅小区”的虚拟环境浏览系统。这一开发成果在刚刚闭幕的Multimedia　’98国际多媒体展中亮相，受到观众的好评。这个虚拟环境浏览系统是在Superscape公司的VRT虚拟环境软件包中开发的，在这个VR的世界中，你可以领略到蓝旗营小区建成后的全貌。在这个占地2万多平方米，由十二幢高层住宅楼及商场、相应配套设施构成的小区中，人们可以随意浏览小区美丽的景色，即能沿着固定路线，由导游带您参观小区，也能任意在街道上漫步，感受由绿树、石雕构成的优美环境，又能信步走入自选商店体会现代购物的便捷。更重要的是，你可以走入住宅楼的房间中去参观一下自己即将拥有的住宅，观察一下房屋的构局，设想一下家具的布置。对于房地产开发商来说，这套虚拟环境浏览系统给了他们一个机会，使他们在小区未建成前，甚至是未开工前，就可以向消费者展示建成后的实际场景，比起空白的说教和复杂的图纸，这套系统起到了很好的广告、宣传效应。 
      实际上，虚拟现实技术在房地产开发中具有很广阔的应用前景。房地产开发商的产品，如写字楼、住宅小区、商业楼、旅馆等都必须经过销售，进入市场，才能实现其价值。所以销售是房地产经营的重要一关，尤其在目前情况下，房地产市场总体不够活跃，销售业绩对于开发商的盈利状况具有决定性意义。成功的房地产开发商，不仅要有合格优秀的房地产商品，还应具备出奇制胜的销售谋略，在计算机、网络技术飞速发展的今天，虚拟现实技术是可以助那些目光敏锐，勇于进取的开发商和销售代理们一臂之力的。 
       房地产的销售分为现房出售和预售(楼花)，由于预售的房屋实际上是并不存在，购买者很难在一片荒凉的空地上激起美丽的幻想，而图纸上的平面图形也不具有空间感，有条件的房地产商建造样品屋，表现未来产品的布局和机能，并加强装潢，让消费者产生身临其境的感觉。但是样品屋具有一次性的局限而且成本较高，并难以表现出实际房产的外部环境，对于复杂或庞大的房地产品更是几乎无能为力。如果换之以虚拟现实技术生成的虚拟房地产，不仅可以获得远远超过样品屋所具有的适用范围和效果，而且更为经济合算。于是心存疑惑的买家就可以戴上头盔、数据手套，超越时空，在自己未来的房屋中尽情徜徉，直到作出明智决断。 
       无论是对企事业单位还是个人，房地产的购置都是一件大事，在与房地产开发商和销售代理的交易过程中，一些买家一反一复，犹豫不决是必然的，作为房地产靠开发商一方，通常需要“不厌其烦，锲而不舍”地进行促销讲解。然而有了虚拟房地产的帮助，开发商不仅省了很多力气，购买者也更为放心。 
       虽然说在销售中虚拟房地产的作用毕竟不能和实际房地产相比，实地察看才是房地产交易的决定步骤，但是实际房地产位置固定，开发商不可能像蜗牛一样背着房子四处上门推销。而只要有一台笔记本计算机，几件不大的虚拟现实外设，销售人员就可以随时随地让顾客进入自己的产品中遨游。因此，可以大胆地说， 虚拟房地产 必将带来房地产促销手段的重大变革。　 
       随着整个社会大环境信息化的发展，信息市场在房地产市场体系中的地位越来越重要。可以说，没有一个繁荣的房地产信息市场，就不可能建立完善的房地产市场体系，也决不会有发达的房地产商品经济，这种观点已为房地产业内人士所认同。在房地产信息市场中，广告的地位极其重要。业内人士多有这样的共识：“房地产的价值和质量＋广告艺术=高额利润”。这是一句至理。在房地产市场不乏这样的事例，相同、甚至稍差一些的房地产商品，由于广告宣传上占有较大的优势，结果市场价格远远高于其他的房地产商品。可以说，虚拟房地产具有很强的广告效应，认识到这一点的房地产开发商，加以聪明地利用，必将受到比其他人更大的收益。

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