增强现实技术在城市规划体系中的应用前景浅析

　　摘要：文章阐述了虚拟现实、增强现实技术的概念以及增强现实的关键技术，在分析城市规划行业特点和存在问题的基础上，分析虚拟现实在目前城市规划中的应用，针对其不足之处，展望了增强现实技术在未来城市规划中的应用方向。
　　关键词：虚拟现实；增强现实；城市规划
　　一、增强现实技术概述
　　虚拟现实技术（VirtualReality简称VR）,又被成为灵境技术，是利用计算机技术和其他专业软件和硬件去产生另一种虚拟环境的仿真，使用者可以通过感觉与这一虚拟环境的内容进行交互。虚拟现实有三个重要的特征，沉浸感（immersion）、交互性（interaction）、想象（imagination）。增强现实技术（AugmentedReality，简称ＡＲ）是随着传统虚拟现实技术的发展而产生的一种技术，通过将计算机产生的虚拟对象和现实对象结合起来，以增加用户对真实世界的感知，同时使用者可以通过各种方式与虚拟对象进行交互。
　　增强现实技术与虚拟现实技术最大的不同是沉浸程度的不同，虚拟现实的目标就是使用者完全沉浸其中，整个环境全部是由计算机虚拟生成的；而增强现实技术是将虚拟的物体叠加在客观真实存在的物体之上，将两者准确的融合在一起，形成一个一体的世界，这样使用者不但可以看到虚拟物体在客观世界中未来的样子，并且可以真实的感觉到周围的客观事物，比虚拟现实更加安全，并且使用者可以与这个一体世界里的事物进行实时交互，比虚拟现实中的交互更为直观、快速、准确。
　　二、增强现实的关键技术
　　一个增强现实系统的构建需要一些关键技术的支撑，如显示技术、跟踪和定位技术、界面和可视化技术及标定技术等。
　　为了实现交互，AR需要进行定位，因而要准确的跟踪使用者的位置和使用方向。在通常的AR应用中主要有以下一些跟踪和定位技术：视频检测、光学系统、全球卫星定位系统、超声波、惯性导航装置、陀螺仪、磁场、机械装置等。视频检测通过模式识别技术识别视频图像中预先定义好的标记、物体或基准点，根据偏移和转动角度计算坐标转换矩阵，这也是最常见的定位方法。光学系统方法是预先在目标物和基准物上安装光线发射装置，然后通过光线测量两者之间的角度，以确定移动目标的运动方向和距离。全球定位系统和超声波一般用于户外定位。陀螺仪用于测定使用者头部的转动角度，以确定视频中内容和坐标的转换。磁场方法是通过利用地球磁场或者判断使用者与人造磁场中心的距离来确定目标的移动方向。机械装置方法是利用机械装置各节点之间的长度和各节点连线的角度来定位各个节点。
　　在AR应用中，在现实世界中与虚拟信息交互是非常困难的，主要方法有菜单、特殊标记和特殊工具。菜单多用于掌上电脑的AR应用。交互设备上有的需要固定特殊标记，特殊工具一般外形简单，易于识别，并且通过按键可以触发一系列事件。
　　AR系统需要进行大量的标定才能生成准确的定位，测量的值主要有摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等。
　　三、城市规划行业特点及存在的问题
　　城市规划几乎涉及各个行业和各个领域，必须全面、综合地安排城市空间，合理利用土地，城市规划具有极强的综合性和复杂性，同时还需要得到各个专业部门的密切配合，要综合考虑和维护城市利益、公众利益等各方利益。
　　1、城市规划行业特点主要表现在如下方面：
　　（1）城市规划具有刚性和弹性，城市规划受相关法律法规的限制，在成果中包含一些强制性控制内容，如城市的布局结构、城市特色地段的保护控制、“六线”（指道路红线、河道蓝线、绿地绿线、文物古迹紫线、高压走廊黑线、轨道交通橙线）的控制范围等。城市规划具有适度的弹性，正是为了使规划更具合理性。同时，城市规划是对城市未来发展的预见和安排，所以要具有前瞻性和延滞性。
　　（2）城市规划具有可参与性和公开性，具有广泛的社会性。可以说，每个城市居民都有权对规划发表自己的见解。近年来，无论是重大规划、重要建筑项目，还是小区内改建插建、“一书两证”审批结果等等规划部门都事先向社会进行公示，征求公众意见，并把这些意见和建议作为今后调整和修改规划的依据之一。
　　2、城市规划行业存在的问题
　　城市规划的公共信息数据匮乏，规划行业的信息积累由于缺乏长效维护机制，没有统一的数据获取渠道，数据存储零散，从而造成公共基础数据匮乏的现象。
　　根据以上城市规划的特点，我们所要解决的问题主要是：如何确保规划信息在各部门交流时可以准确度表达；如何直观的表达城市规划成果；如何做到在节省人力物力的基础上对成果的实时修改调整；如何把城市的历史、现状、规划以时间序的方式来展现，从而辅助规划方案的编制、辅助规划决策；如何增强规划的可参与性，以及如何获取丰富的基础信息。
　　四．增强现实技术在城市规划中的应用展望
　　虚拟现实技术以及3S技术在城市规划中的应用，已经初步解决了上述部分问题。但是仍然有很多不足，而增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，比虚拟现实技术更为先进，如果其能应用到城市规划中，必将带来更多意想不到的变化。增强现实技术与其它技术相结合可能在以下几个方面大展身手：（宏观和微观两个方面）
　　１、基于AR和GIS的ARGIS系统将为规划提供丰富的基础数据。城市规划是一个极其复杂且综合性极强的行业，除了要考虑微观设计之外，更重要的是在一个宏观的层面上对城市各类用地的总体布局的把握，这就需要强大的数据进行支撑。孙敏等在2004年提出了增强现实地理信息系统，可以为规划提供所需的基础数据。增强现实技术所要研究的内容是将虚拟世界和现实世界进行融合。GIS描述的是一个数字的虚拟的世界，这个虚拟世界目前与真实世界是分离的，除此之外，GIS可以描述过去、未来或者变化着的世界和事物。如果我们将GIS所描述的虚拟世界与真实世界相融合，一方面可以观察到GIS所描述的未来的、过去的、或者变化着的事物，一方面又可以身临真实的世界，这也就是增强现实地理信息系统所要提供给我们的。
　　２、可真正实现人与AR系统的实时交互，加快规划决策过程。增强现实技术的目标之一就是实现人与系统的实时交互，将会更好的辅助城市规划的决策。比如，在规划师观察一栋大厦盖成后的效果时，不仅可以看到整栋大厦的外观，同时可以多角度的观察整个大厦与周围真实场景的融合程度，实时做出调整，并可观察到调整后的效果。
　　３、AR系统提供的数据提供更为安全的决策依据。前面反复提到AR的特性就是将真实世界与虚拟世界相结合，融合成一个虚实不分的“人造世界”。因为AR系统中包含真实世界的数据，就比VR更为安全，作为决策依据也更为可靠。城市规划成果具有严格的约束性，这也就要求高质量的规划决策，势必需要更为安全的信息作为决策依据。
　　４．在景观设计，小区规划和城市旧区重建中的应用。例如AR系统可以观察到小区或者旧区周围真实的自然环境特征和主要建筑，以及与之相关的街道系统，空阔地带等，可以很好的避免小区规划或者旧区重建后与周围环境发生的不协调。
　　五、小结
　　增强现实技术在城市规划中的应用可以为城市规划带来革命性的变化，弥补虚拟现实技术的不足，为城市规划的发展增加推动力。但是增强现实技术目前的研究状况离实际应用到城市规划中还有一定的距离，也面临着一些技术难题。笔者认为，城市规划未来的发展趋势必定要将增强现实技术引入进来，也会尽快完善并应用到实际中。
　　参考文献：
　　［1］孙敏、陈秀万、张飞舟、郑宏伟．增强现实地理信息系统．北京大学学报（自然科学版）［J］．2004,11(6).
　　［2］宫勇、蒲小琼、张翔．提高城市规划中的公众参与程度.中外建筑［J］．2007（1）．
　　［3］郑皓、蓝运超等．浅析虚拟现实技术及其在城市规划中的应用．武汉大学学报（工学版）［J］．2001，12（6）．