1、基于城市景观模拟系统下的高清模型制作方法与控制研究摘 要：城市景观模型是城市形态设计分析与决策的重要依据，将具有空间形态分析功能的高清模型同数字再现技术相结合，形成一个整体的景观模拟系统，可以将城市环境景观的动态形态与空间形态准确的展示出来，对于城市空间形态决策具有重要的意义。因此，高清景观模型的制作特点、精准度、制作方法、整合都区别于传统展示性景观模型。本文通过对高清城市景观模型的特殊制作方法与控制的过程分析，强调模型与数字技术的紧密结合，将成为未来城市景观形态分析的重要依据和方法。 关键词：景观模拟系统 ；高清模型；数字再现 1 引言 中国的城市建设速度突飞猛进，以上海为例，1992 年上
2、海市 18 层以上的高楼 50 栋左右，20 年后的今天已经是 5000 多栋。中国正经历着城市化进程和城市建设的高峰时期，城市的变化对城市的环境有了很大的改观，但是也带来诸多始料未及的问题与建设诟病。城市是一个复杂的空间综合体，环境空间景观的综合决策，才能带来诸如街道、建筑、绿化、交通、导向之间的协调互动。但是，能够在复杂的城市环境要素设计前期就进行充分的控制是非常困难的，这取决于对空间要素设计的调研分析，对环境空间概念的模拟表现。这些设计依据对最终城市环境的决策具有很重要的决定性。 现如今我们传递设计概念的方法集中在平面图、立面图、效果图、模型、三维动态虚拟等方法，但对于复杂的城市环境与人
3、的感官理解需求之间，具有一定的表达与观测理解的局限。模型最容易让人形成直观的空间感觉，但受到模型比例与材料的局限，很难进行人视的观测。三维虚拟技术又让人丧失了空间真实感，只能通过摄像机的单一视角接收空间信息。如果能够将环境模型和数字虚拟技术结合起来，将整体环境空间印象与局部动态模拟想结合，将能够创建一个既有整体感官的模型又有各种视角观测的动态模拟。从成熟的电影城市布景与拍摄的方法获得灵感，在 70 年代，由加利福尼亚大学伯克力分校环境设计学院彼得博森曼教授（Prof.Richard Bender， Prof. Peter Bosselmann）研制开发了景观模拟系统，以用于城市与设计决策者进行
4、空间数据分析。随着高清数字模型与景观虚拟系统经过多年的发展，硬件与软件平台越来越成熟。新的数字展示技术越来越先进，要求在模型的清晰度、精准度、整合上有了更高的要求。 图 1 高清景观模型（东京城市模型，来源：日本森公司） 2 高清城市景观模型的发展 2.1 高清城市景观模型的概念 高清城市景观模型是一种新的模型制作与展示方法，其区别于传统的展示性模型。高清城市景观模型通过准确定位、精确的比例、真实的表面肌理制作，不仅能够反应出真实的城市空间环境，更具有环境空间分析功能的属性。同高清数字再现摄像机相配合，实现城市环境空间形态分析的功能，可以为设计师、决策者提供真实的空间感受与设计的实施依据。 2
5、.2 模型与数字再现技术的结合 高清模型除了直观观测更加生动真实，其实现的技术基础是先进的数字模拟再现系统。高清模型与数字技术相结合，能够将模型空间动态化、数字化。景观模拟系统通过景观虚拟试验系统专用软件和驱动系统控制 CCD 潜望摄像机，在空间模型中多视点拍摄实景模型，再现设计的实际城市景观效果，达到真实模拟空间环境的目的。为决策者 （包括研究机构，政府、企业、设计师等）在研究探讨城市空间形态环境提供一种直观可视化。随着技术平台的发展，20 世纪 90 年代在日本早稻田大学等机构得到具体实践，日本经过几方面的改进完善，已经形成成熟的城市景观模拟系统技术。目前国际上有美国加州大学伯克利分校、意
6、大利米兰工科大学、瑞典 LUND 大学、荷兰 DELFT 大学、德国 STUTTGARD 大学、早稻田大学、东京大学等建立了景观实验室系统研究室。2009 年上海东华大学也引进了一台最先进的景观模拟系统，论文的参考依据来源于这台景观模拟设备的运行与控制数据。 2.3 同传统观赏型城市景观模型的区别 由于高清景观模型与数字结合的特殊技术基础，要求模型能够真实模拟城市空间的细节，才能达到再现的目的，其整体与观赏型的城市景观模型具有很大的区别（见图 6，7，8 ） 。目前中国的城市景观模型制作主要用于观赏，材料是用水晶、有机玻璃、塑料、木材、纸板等各种材料，用电脑技术或人工雕刻拼装而成，因制作为迎合
7、大众观赏，并不在意模型定位和精准度控制，模型只能作为体量、尺度、规模的参考，特别是有些模型制作为了展示起来更美观，肆意改变尺度，不可能达到现实真实状况再现，因此也不能成为精准的城市空间形态决策依据。高清环境景观模型从模型制作前期就对定位、比例尺度、材料肌理表现有更强化的控制，也更注重细节的表现，以配合数字潜望摄像机实现真实环境模拟。 2.4 高清模型的信息量 图 7 高清模型包含大量的信息量 高清模型通过在真实环境中拍摄素材，整合后的城市环境空间模型具有多维度的观测性，如果我们将 1 平方公里内的城市环境通过高清模型的方式模拟出来，其包含的信息量是任何单一数字虚拟不能够超越的。2.5 高清模型
8、的成本 高清模型的成本主要集中在前期素材的采集上，通过有效的精准控制与模型细节表现，其制作材料成本很低。想比现在昂贵的按时间计费的 3d 数字虚拟技术，可操作性更强，而且能够在任何环境空间中进行模拟与动态观测，可以反复利用和修改。 2.6 高清模型的应用 高清模型可以和数字模拟系统结合使用，可以成为一种普及的教育工具，可以很直观的生成城市景观模型并进行动态分析。同时，高清的景观模型注重的是城市景观的整体性，因此可以用于建筑单体设计与城市区域规划，改变建筑师只注重建筑单体的设计而忽略与周边环境的关系的现状。高清景观模型制作完成后，普通市民也可以通过景观模拟系统的直观再现，参与城市建设的方案中。
9、由于高清城市景观模型的制作成本较低，制作方便，信息量大的特点，在今后的城市规划与发展中会逐步显现出优势。 3 高清模型的制作控制与方法 3.1 高清模型制作控制 从 20 世纪 90 年代至今日，日本模型制作技术与景观模拟系统同步发展，从引进、改良、提升、技术已经完全成熟。模型制作技术采用了GPS 定位系统、高精度成像、激光量距等高科技技术。为了实现更加精准的再现目的，其误差不应该大于 0.1%。因景观模拟系统数字摄影机的要求，景观模拟用模型都控制在 1：1000 的比例（特殊情况除外） 。模型制作以真实反映原景为制作原则，模型制作通过确定比例、地形制作、纹理采集、模型定位、整合、演示等步骤来
10、模拟真实构筑物景观原貌与新建形态。 3.2 高清模型制作阶段 3.2.1 模型基础制作 城市总规图 内容：包含城市用地规划区域范围；建筑物的区域分布；道路及运输设施的设置；绿化植被和水体规划等内容。 信息要求：建筑物外形，等高线和标高。 住宅平面图 内容：记载有每栋建筑物名称的平面地图 信息要求：建筑物名称和建筑物层高等信息。 垂直航空照片 内容：从飞机，直升机，热气球等垂直拍摄的地表照片。 信息要求：拍摄信息时间为近期，解像度符合制作要求并且斜面修正完成的航空照片。所谓航空照片的解像度是指照片数据 1pixel 所表示的实际尺寸大小。一般情况下，1/500 的模型最适合的解像度为5cm；1/
11、1000 的模型最适合的解像度为 10cm。而 20cm 以上的解像度的航空照片则不适合制作模型。 3.2.2 城市景观纹理采集 城市景观纹理采集是模型制作中一个关键的环节。主要分为 2 大部分：数据库纹理采集和重要建筑物的纹理采集。 数据库纹理采集是指在模型范围所在的城市中广泛采集城市景观纹理，然后根据建筑物用途分类。例如：办公建筑；住宅；工厂；医院；学校；酒店；历史建筑；文化建筑等。主要对象是非主要建筑。所占比例大约是建筑物总数的 0.5%。在使用时需要注意的地方是：根据建筑物用途选择相应的建筑物纹理；相邻建筑避免使用相同的数据库纹理；数据库纹理的使用可以参考远景照片进行判断。 重要建筑纹
12、理采集是指在制作重要建筑时在重要建筑物体块外需要黏贴的纹理照片的采集。包括建筑物高层部分正面；裙楼部分正面；高层部分侧面和背面；塔楼部分；屋顶（从航空照片上直接截取） ；广告牌等可以看到的细节部分。 3.2.3 模型精准度控制 建筑物：GPS 定位系统现场拍摄+图片计算机图像处理技术+激光彩色打印+激光模型制作，有时特殊建筑需要使用 3D 打印技术。 现场拍摄的精度对日后模型制作的精度起到了关键性的作用。首先，现场拍摄前需要对模型制作范围的地图做准备，并且划分地块，对建筑物经行编码。拍摄的最佳时间：冬天是 9：00-15：00；夏天是 8：00-16：00。拍摄的最佳气候为多云。因为反射干扰小
13、，最接近于实际色彩。拍摄数量上，一般普通住宅等低矮建筑拍摄数量为 10 张左右；10 层左右的建筑每栋在 30-40 张左右；高层建筑等异形建筑也有拍摄 50 张以上的情况。每栋建筑的照片中需要包括：全体照、高层部分照片、底层部分照片、广告牌照片、塔楼照片、远景照片、眺望照片。现场实地拍摄的同时还需要搜集建筑物的各种信息，如层高等。在切割体块时，所有的面都需要切到垂直，以保证后期模型的精准度。 图 11 建筑物体块垂直切割 3.2.4 模型整合 模型组合板块按一定的模数关系划分成多块组合，便于运输、储存、组装； 在制作模型体块阶段可以使用的工具有热线切割机，模型 3D 打印机等。在学术研究，学
14、校教学上主要以热线切割机为主。先用热线切割机将建筑物的体块切出，然后选择建筑物相应的纹理贴纸黏贴在建筑物外墙上。完成后的建筑物最后整合到地形上。考虑到模型的储存和搬运以及组装，在模型制作的初期要设定好模型块数的尺寸大小，方便模型制作完成后展示，运输，组装。 图 12 将完成的建筑物单体整合在地形中 3.2.5 模型演示 高精度模型制作完成后，通过景观虚拟系统的机器手控制小型（CCD）摄影机，通过控制路径拍摄并反映出城市空间的实景模型。同时，基于高清模型的基础，还可以通过 GPS 定位系统和步行系统等相结合，形成一种更轻易的亲身体验感。 4 结论 中国的城市化进程正处在高峰期，对于高密度城市既有环境的新建设与旧区的更新改造是城市最突出的环境景观变化，在建设前期就能够直观的将城市景观形态展示给决策者变得非常重要。传统的展示性景观模型远远不能承担精确、真实、动态的新要求。高清景观模型与数字再现技术的结合实现了景观模型的数据与形态分析功能，将成为城市形态设计分析的重要方法与依据。本项目研究是以日本先进模型制作技术为参照，具有创新技术伸展空间。 参考文献 1 矢部俊男.environmental simulation labiratory 活动报告书.东京.1997 作者简介 黄更（1980-） ，男，上海人，设计艺术学硕士，上海东华大学服装艺术设计学院环境艺术设计系 讲师.
