三维虚拟仿真平台旨在建设一个具有大范围的海量城市数据一体化管理、无缝三维实时漫游，包容和拓展常规GIS独具特色的空间多媒体信息查询、表示、分析和决策功能的虚拟城市管理信息系统。

1.概述

近年来，数字省市、数字城镇很快已经成为世界各国发达省市和地区21世纪的发展战略、争先抢占科技、产业和经济的制高点之一。为了加速城市的发展，提高管理水平，需要借助于现代化的科学手段进行城市体系规划与管理。

据目前对我国大部分城市的摸底调查，除少数大、中城市已建立了城市管理信息系统外，而绝大部分地区的空间信息管理手段仍然沿用比较落后的手工操作方式，即便是用一些地理信息系统（GIS）管理着空间数据，但仍停留在简单的二维数据管理、显示的基本功能，分散地、相对独立地和非标准地管理模式，很难进行地域管理的三维综合研究和空间分析，使各级领导部门不可能及时地得到对空间的清晰、直观的认识。

另外，城市规划设计的主要研究对象是城市的体形结构与各个要素，在设计过程中需要进行大量的空间形象思维。同时，在设计中又应以城市的使用者的感觉为核心，分析城市设计各空间要素之间的关系。传统的城市模型只能获得城市的鸟瞰形象；效果图只能提供静态局部的视觉体验；动画不具备实时的交互性，人是被动的，并且制作周期长。这些传统技术只能实现简单、固定的演示功能，尚不能很好地满足当前城市设计的需要。另外，随着空间范围的扩大，传统的方法也无法胜任空间数据的管理和维护。

同样，在城市中存在大型的港口、工厂、地下管网、人防设施等部门，它们具有地形起伏较大、管网密集、需要精确定位等特点，用传统二维的表示方法很难加以描述和信息管理。

虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。从二维地图、沙盘、动画，到虚拟视景仿真是一个合乎人们认识深化和技术发展趋势的必然结果。

 2.虚拟城市与仿真技术发展

美国目前已经有50个城市计划建立了“数字虚拟城市”。我国北京、上海、香港、台北、深圳、广州、南海、厦门市等也正在积极筹建之中。普遍认为，3D-GIS、空间视景数据库的建立是建立数字虚拟城市首先要解决的问题。国际上已经专门成立了类似组织，主要为城市服务。如德国的Rostock、Stuttgart等研究机构，对一些城市进行了研究，建立了原型系统。三维虚拟仿真技术最早主要应用在军事领域，从国内近几年来的发展情况，三维虚拟仿真技术在国内外快速发展，目前国内已有多家公司开发出城市仿真应用平台，已在城市设计和决策中得到很好的应用，同时积累了一批优秀的三维虚拟仿真开发技术人才。

2.1 三维仿真技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)

是用计算机生成逼真的三维视、听、触觉等感觉，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。

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，充分展示了城市仿真与GIS的结合。

2.2 国外城市仿真主要实例

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像到街道景观，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。

费城城市模型(ModelCity Philadelphia)

由美国Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece软件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。

2.3 三维仿真和其他展示方式的比较

仿真和动画应用都是模拟真实和想象的世界，用高度细节模型，产生平滑连续的运动，并以一定的FPS（帧/秒）进行绘制来达到无缝的演示。动画主要用于电影、印刷图画以及预先设计好的演示。仿真主要用实时互动演示，需要对于用户输入做出反应，并马上看到结果。如：飞行训练、影视游戏和交互建筑演示。