首屆全國文博技術產品發展論壇精選系列報道

中國園林博物館副館長 黃亦工

　　1.數字沙盤技術的研究現狀
　　1.1數字沙盤的定義、特點及作用
　　1.1.1數字沙盤的概念
　　數字沙盤是通過聲、光、電、圖像、三維動畫以及計算機程控技術，運用數字投影來實現，可以充分體現區位特點，達到一種惟妙惟肖、變化多姿的動態視覺效果。對參觀者來說是一種全新的體驗，并能產生強烈的共鳴，比傳統的沙盤模型更直觀。一般來說，常見的數字沙盤可以分為兩種，一種是投影式數字沙盤，另一種是投影與模型相結合數字沙盤。

　　投影式數字沙盤通過墻面或者地面大面積LED播放系統、大面積投影拼接系統，結合GIS城市地理信息虛擬與真實、多角系統海量數字城市模型數據，應用專利的軟件、硬件、數據整合系統，配合使用，觸摸控制屏、三維控制器、IPAD等多種互動控制平臺，實現海量數字城市信息查詢。墻面數字沙盤系統配合地面三維立體真實模型呈現度、全方位的數字城市信息。3DGIS(地理信息系統)可以整合城市交通體系、市政管線、安防、經濟金融、科教文衛規劃的詳細信息，通過3D建模直觀體現。
　　1.1.2數字沙盤的功能
　　數字沙盤與傳統的沙盤的基本功能大體相同，但是在展示的內容和展示形式等方面有顯著不同，主要在以下幾個方面具有重要的應用價值：
　　（1)看歷史——城市歷史建筑、歷史景觀等，尤其是能歷史上已經不存在的大尺度景觀和歷史遺存等；
　　（2)看變化——展示城市變化的演變，如休閑、娛樂等商業街所取代。傳統的貨倉、貿易行已變成現代化建筑，餐館、酒吧、露天咖啡廳和娛樂場所、酒店提供人們消閑好去處及寫意的生活方式；
　　（3)看發展——城市發展加快。以滿足城市建設的需要。為建造更多的樓房、零售店面、休閑設施及酒店提供了發展空間。
　　1.1.3數字沙盤的特點
　　數字沙盤可以融合更多的設計和展示元素，可以滿足更多使用者的個性化需求，并且更新的速度更快，內容更多，一般來說，數字沙盤具有以下特點：
　　（1)展示內容更廣。數字沙盤以“簡單明了，內容可變”為主要特點，通過一目了然的手法可以充分體現多樣展示內容的特點；
　　（2)設計手法精湛。整個展示過程不落俗套，既有在傳統展板上的創新，又有基于充分體現現代高新科技成就上的互動；既可以有場面宏大的的大模型，又有制作精巧、豎向布局的小模型；
　　（3)展示手段先進。大量運用高科技的展示手法，集和了聲、光、電、互動項目和三維動畫、影視等現代視覺效果，增加了展示內容的趣味性、互動性與知識性，很好地實現了與觀眾的互動革命；
　　（4)科技含量最高。數字沙盤設有相關的控制系統，主要包括總體控制、廳內照明、燈飾、計算機、電視機、操作臺以及空調等強弱電系統按照預先編制的運行程序自動運行，從開啟電源到關閉電源都能夠自動運行。
　　1.2 數字沙盤的歷史與發展
　　1.2.1古代沙盤的產生與發展
　　沙盤自古代產生以來，由于其形象、直觀地表現地貌、地物形態和區域分布狀況而受到人們的鐘愛，而早期的沙盤是以軍事目的為主。根據相關的歷史文獻記載，我國可算是世界上最早使用軍用沙盤的鼻祖。根據《后漢書》記載，東漢光武帝劉秀時的伏波將軍馬援用谷米堆制成了戰場地形（聚米為山谷，指畫形勢），用各色豆粒標出高山、高地、平原、河流、峽谷、要地、隘口、城池、道路，以及雙方軍隊的布置情況。這種立體軍用地形圖使指揮官對整個戰場形勢一目了然，為指揮部隊作戰帶來了很大方便。因此，漢代這種軍用“沙盤”是世界軍事史上的一項杰出發明，為后來軍用沙盤的發展演化奠定了基礎，可看做是現代意義上的沙盤的雛形。
　　1.2.2國外沙盤發展
　　在世界近現代史中，傳統沙盤應用可以說達到了極致。這種按一定的比例，用泥沙、泡末塑料等材料制作而成的傳統沙盤，由于構制速度慢，且運輸不方便，精度低難以適應現代和未來信息化戰場的需要，難以適應千變萬化的戰場形勢。現代的沙盤就是在伴隨著軍事目的的沙盤模型演變發展的，廣泛應用到不同的領域。近年來，隨著電子地圖、地圖數據庫的出現及發展，傳統沙盤也走向了電子化、自動化的方向發展道路，出現了基于計算機圖形圖像技術的電子沙盤。1998年美國提出數字地球的概念之后，電子沙盤走向了完全數字化的方向。中國的研究人員認識到“數字地球”戰略將是推動我國信息化建設和社會經濟、資源環境可持續發展的重要武器，尤其是在1999年首屆國際“數字地球”大會后，與“數字地球”相關相似的概念層出不窮，“數字中國”、“數字城市”、“數字化行業”、“數字社區”“智慧城市”等名詞不斷出現。

　　國外的電子沙盤仿真系統最早是應用于軍事方面，它能為軍事作戰和指揮提供三維的模擬地形環境，從而為指揮人員提供決策支持。軍用電子沙盤大多是根據軍事要塞、機場、港口、山谷高地等軍事地理目標的經緯坐標、土質地貌水文資料等真實地理參數，按一定的比例尺，結合現代的計算機技術、虛擬現實技術做成的顯示戰場環境的三維場景。當前，美國軍方在軍事電子沙盤的制作等方面處于世界領先地位，如由美國軍方行為社會科學研究所(U．S．ArmyResearch Institute for the Behavioral and Social Science)研制的野外炮兵訓練智能導航虛擬沙盤(The Virtual Sand Table：Intelligent Tutoring for Field ArtilleryTraining)，美軍方為此建立的軍事地理信息系統為其在海灣戰爭和以后的戰爭中發揮了重要作用，受到了各國軍方的廣泛關注，并為此建立起了各自國家的MGIS。美國還先后推出了CATT(The Combined Armed Tractical Trainer)、NPSNET、STOW(Synthetic Theater Of War)、SIMNET(SIMulation NETworking)、C4ISR等更加先進的軍事電子沙盤。這些系統基于分布式虛擬環境，采用網絡環境虛擬技術、計算機實體生成技術、人機交互技術、三維地形生成技術等先進技術，以真實、高精度的地形數據和影像數據為基礎進行制作，具有科技含量高、可實施性強、自動化程度高、誤差小、解析度高等優點，并且集成了其他一些綜合分析功能，使其在戰術演練和軍事指揮方面的可用性更強。英國國家遙感中心(NRSC，British National Remote Sensing Center)利用數字沙盤相關技術，應用法國的SPOT圖像與MGIS結合，模擬敵方的三維地形，對軍方飛行員進行模擬訓練，取得了較好的效果。

　　國外電子沙盤應用除軍事方面的應用，也應用到了城市規劃、仿古建筑、應急搶險等方面。城市規劃沙盤是將城市的建筑、區域分布景點、水系、道路、橋梁等按比例縮放還原，通過微縮的建筑物模型，逼真的綠化效果，形象的標志標識，展現城市面貌；仿古建筑沙盤是把古典建筑的結構構件進行分解，并通過形象化的模型設計，結合計算機中的三維顯示技術，以高度的模數化、系統化的拼裝組合、洗練的形式完美地展現在微縮模型；應急搶險沙盤是結合真實的地形和地貌模型，包括河流、山脈、搶險設施等等，通過三維地形生成和虛擬現實顯示技術為決策人員在災害發生時人員的撤退以及搶險工作的進行等提供輔助支持。
　　1.2.3國內數字沙盤的研究與應用
　　近年來，國內在數字沙盤的研究方面起步較晚，但是近些年來隨著互聯網技術和計算機技術的飛速發展，國內對電子沙盤的研究越來越深入，電子沙盤應用也逐漸擴展到包括城市建設、土地規劃、公共安全、工程施工、城市供水、防汛指揮、通訊網絡等各個方面。左偉（2001）提出的基于RS、GIS技術電子沙盤的研制技術；王黎明（2004）提出了規劃電子沙盤的具體實現過程，包括對地理數據、遙感影像數據、專題數據等的處理，并通過對ArcGIS應用程序的客戶化實現了三維可視化和導航縮放等功能；趙勇等（2004）為提高土地規劃的效率，提出以Visual C++6.0和OpenGL為開發工具，在PC機上制作電子沙盤來應用于土地規劃，它實現了三維地形的真實模擬，達到了較高的實時渲染速度；尹習雙等（2005）采用虛擬現實技術和高效圖形渲染引擎，對水利水電工程的物理結構和系統環境進行模擬，制成了真實性和交互性強的電子沙盤系統，為水利工程的設計和管理者提供了科學的依據；常魁等（2008）利用Creator、Vega和MFC制作了供水管網運行仿真系統，該系統能夠在三維場景下模擬供水管網運行情況，它將供水管網絡變為圖形形式，并對其隨時間和空間的變化過程進行仿真，使管理者能夠直觀的了解供水管網絡的運行情況。
在數字沙盤應用方面，北京仿真中心系統仿真研究室以南水北調線路上的地形和地貌數據為基礎制作了南水北調電子沙盤系統，展現了南水北調工程中的地形地貌以及重點工作區的施工情況，使用者可通過電子沙盤充分了解整個過程中的情況，并以此為基礎進行決策。國內研制的大型沙盤系統還有遼寧省高速局《遼寧省高速公路沙盤》；遼寧省政府《美麗富饒的遼寧》(大型聲、光、電、影一體，計算機觸摸屏控制沙盤)；黑龍江省林業局《森林防火沙盤》；某軍事院校《飛行模擬訓練沙盤》等。
　　1.3 當前數字沙盤展示存在的問題
　　目前，國內城市園林綠化相關管理部門為了對城市園林綠化建設進行整體規劃、實地建設、成就展示等，需要制作大量的城市綠地沙盤模型。但是，現有實體沙盤受到空間的局限需要經過大比例的縮小，因此只能獲得固定的鳥瞰形象，無法以多視角來感受城市綠地空間；另外，受到本身制作方法的限制，使其在局部細節的表現力上受到限制，且展現出來的內容也相對較少。
　　在展示城市綠地系統規劃成果方面，數字沙盤的彌補了實體沙盤的不足，利用三維地理信息技術和立體投影技術，以及相關的工程學和美學，將城市直接展示在一個巨大立體投影空間里，通過聲、光、電、圖像、三維動畫以及計算機程控技術與實體模型相融合。借助于這種方法，人們不僅可以看到城市的全貌，還能夠看到城市的每一個建筑細節。目前有關城市內容的數字沙盤主要有兩種：1）在原來傳統的沙盤模型上增加多媒體投影機系統；2）純三維數字沙盤，一般有互動功能，投影面一般為特殊處理的白色或灰色幕面，沒有實體沙盤模型。通過三維地理信息技術，將整個城市數字化存儲到網絡上，實現各種信息的疊加，進而展示城市除物理外形以外的信息。
　　城市綠地系統是城市中唯一具有生命的基礎設施，在城市中發揮著生態、游憩、景觀、文化和防災避險等諸多功能。城市綠地不同于城市中其他的基礎設施，本身具有生命特征和季相變化等，在當前的數字沙盤技術中，在展示城市綠地系統時多無法體現其特點，因此在城市專項規劃中達不到很好的展示和研究效果，動態反映綠地系統時空變化方面存在改進的空間，因此需要在整合現有數字沙盤展示技術的基礎上，研究能容納并適合展示城市綠地系統的數字沙盤。
　　2．城市綠地系統數字沙盤的研發思路
　　2.1目標定位
　　整個系統是一個完整而開放的系統，系統采用信息數據庫管理底層，按需展示為表現層進行搭建；為底層數據庫的文件格式，類型進行數據建庫；將來實現用戶自主添加，修改數據；表現層以互動形式為主，觀眾通過人機交互裝置設備，在數字沙盤展示載體上友好訪問數據庫內數據。
　　本系統將建成中國所有園林城市、生態園林城市的基礎數據庫，其中包括各城市整體和重點園林綠化區域的三維模型場景、有關綠地建設和規劃的專題信息，以及與之相關的主題介紹影片。（當前先以北京作為核心范例、以上海、唐山作為拓展范例，未來可以不斷擴充城市范圍）。
　　通過嚴密論證的系統解決方案，加入量身定做的應用開發模塊，將我們的自主軟件、專業的圖形數據處理集群與可靠的音視頻展示設備的功能充分激發出來。從而精準又美觀地剖析各城市綠地結構、布局和作用，展示綠地分布現狀與規劃前景（只展現大范圍綠地系統，不做規劃細節展示，規避風險。），導覽整體生態綠化效果和局部重點綠地公園（如天壇、奧林匹克森林公園等）（圖1）。
　　2.2設計原理
　　數字沙盤互動展示系統的建設是一項集成了現代信息技術，計算機技術、網絡技術、“3S”技術、通信技術、系統集成技術、信息安全技術和數字展示技術，綜合性、精密性并重的系統工程。它既要求各軟硬體模塊之間的嚴格兼容與邏輯自洽，以保證系統運行的平穩可靠；也要求具備一定的開放性和彈性，以滿足客戶的個性化需求并提供內容擴展與更新的功能。
　　針對“中國現代城市綠地系統”這一展示題材，在保留常規系統方案的核心優勢的同時，也對它進行了定制化調整，開發、加載了一些全新的功能模塊，以使展示方法與內容題材更加契合，用戶體驗更加友好，運行后的維護與更新更加便捷。當前的系統工作邏輯圖2所示：

　　2.3特色優勢
　　“數字沙盤”作為數字展示領域一種新穎獨特的、綜合性的展項形式，相較于其他傳統展項，均能體現出其自身的優勢和價值。
　　2.3.1對比傳統沙盤
    完美地解決了表現范圍與表現精度之間原本不可調和的矛盾。可在宏觀場景與精致細節之間進行全維度的無級切換。
　　2.3.2對比數字影院
    突破了單純視聽欣賞的局限，在詮釋藝術美感的同時，也能體現學術性和權威性。它可以并行提供優美的影片播放和嚴謹的專業信息、數據的存儲管理及互動查詢功能。
　　2.3.3對比普通互動多媒體
    實現了展示規模的飛躍性提升。其宏偉的體量，具備鮮明的識別性，并且是觀眾接受感官震撼進而留下深刻記憶的保證。
　　3.城市綠地系統數字沙盤的技術實現
　　通過整合相關的互動展示技術，完成了項目第一期計劃中的全部任務，該展項在中國園林博物館近現代園林展廳中成功應用，取得了良好的展示效果。
　　3.1硬件系統的應用
　　3.1.1投影系統
    城市綠地系統數字沙盤空間屏（主屏）68平米，采用9臺1920x1200投影,提供10.4米x 6.5米的數字沙盤展示空間。數字沙盤主屏采用高性能圖形集群Tango V9，提供9路1920×1200的高分辨率輸出，可以驅動9臺投影提供10.4米× 6.5米畫面圖像處理能力；數字沙盤信息屏（輔屏）42平米，采用3臺1920×1200投影，提供13*3.22米的數字沙盤展示空間。數字沙盤信息屏（輔屏）采用高性能圖形集群Tango V3是一套具有高性能圖形集群，他提供3路1920×1200的高分辨率輸出，可以驅動3臺投影提供13*3.22米畫面圖像處理能力。
　　3.1.2音響系統
　　由全頻揚聲器BOSE Panaray® 802III（4.5*8）；全頻功率放大器（功率:450W頻率:20HZ-20KHZ）；專業調音臺（12輸入通道，6單聲道 2立體聲）；數字音頻處理器組成。
　　3.1.3人機交互觸摸系統
　　觸摸屏（用于全方位的三維空間控制，提供簡單便捷的人機交互界面，HP Elite 8300Aio Touch顯示器 23" ，造型加工制作）；三維鼠標（羅技 3Dconnexion魔幻手）、激光筆（羅技R400），用于全方位的操作控制和演示講解。
　　3.1.4中控系統
　　通過高速以太網絡與其他高性能圖形工作站相連，是高性能圖形集群Tango V9、高性能圖形集群Tango V3 的主要控制裝置，支持投影儀的開關、啟動和關閉高性能集群機（DELL1650）。
　　3.2數字內容的整合
　　3.2.1當前內容結構
　　根據城市綠地系統展覽的內容及相關要求，在實現數字沙盤展示時，設計并確定了展項分層的相關結構（圖3）。
　　3.2.2完成數字內容
　　城市綠地系統數字沙盤，整合了相關的技術，通過平臺程序的開發和互動結構的設計等，首期展示了北京上海和唐山的綠地系統，參觀者可分別以自主觀看和互動演示等方式，使城市綠地系統的科普和展示具有了更好地參與性，取得了很好的效果。
　　4.結語
　　城市綠地數字沙盤互動展示系統定位為中國園林博物館的數字典藏展品，全國城市生態、綠化信息的集成平臺，與3DGIS技術在數字展示領域的全新應用范例。本系統將以理論權威性、文化承載度，藝術美感與科技含量完美結合的模式，打造出中國園林領域和展示行業值得共同驕傲的精品工程，為中國國際園林博覽會增添更加絢麗的色彩，也為今后中國城市園林綠化工作提供一個高科技屬性的載體。