首屆全國文博技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展論壇精選系列報道

中國園林博物館副館長 黃亦工

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

　　投影式數(shù)字沙盤通過墻面或者地面大面積LED播放系統(tǒng)、大面積投影拼接系統(tǒng)，結(jié)合GIS城市地理信息虛擬與真實、多角系統(tǒng)海量數(shù)字城市模型數(shù)據(jù)，應(yīng)用專利的軟件、硬件、數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，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(xiàn)海量數(shù)字城市信息查詢。墻面數(shù)字沙盤系統(tǒng)配合地面三維立體真實模型呈現(xiàn)度、全方位的數(shù)字城市信息。3DGIS(地理信息系統(tǒng))可以整合城市交通體系、市政管線、安防、經(jīng)濟金融、科教文衛(wèi)規(guī)劃的詳細(xì)信息，通過3D建模直觀體現(xiàn)。
　　1.1.2數(shù)字沙盤的功能
　　數(shù)字沙盤與傳統(tǒng)的沙盤的基本功能大體相同，但是在展示的內(nèi)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(yīng)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(jīng)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(yè)街所取代。傳統(tǒng)的貨倉、貿(mào)易行已變成現(xiàn)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(fā)展——城市發(fā)展加快。以滿足城市建設(shè)的需要。為建造更多的樓房、零售店面、休閑設(shè)施及酒店提供了發(fā)展空間。
　　1.1.3數(shù)字沙盤的特點
　　數(shù)字沙盤可以融合更多的設(shè)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(nèi)容更多，一般來說，數(shù)字沙盤具有以下特點：
　　（1)展示內(nèi)容更廣。數(shù)字沙盤以“簡單明了，內(nèi)容可變”為主要特點，通過一目了然的手法可以充分體現(xiàn)多樣展示內(nèi)容的特點；
　　（2)設(shè)計手法精湛。整個展示過程不落俗套，既有在傳統(tǒng)展板上的創(chuàng)新，又有基于充分體現(xiàn)現(xiàn)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(jìn)。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(xiàn)代視覺效果，增加了展示內(nèi)容的趣味性、互動性與知識性，很好地實現(xiàn)了與觀眾的互動革命；
　　（4)科技含量最高。數(shù)字沙盤設(shè)有相關(guān)的控制系統(tǒng)，主要包括總體控制、廳內(nèi)照明、燈飾、計算機、電視機、操作臺以及空調(diào)等強弱電系統(tǒng)按照預(yù)先編制的運行程序自動運行，從開啟電源到關(guān)閉電源都能夠自動運行。
　　1.2 數(shù)字沙盤的歷史與發(fā)展
　　1.2.1古代沙盤的產(chǎn)生與發(fā)展
　　沙盤自古代產(chǎn)生以來，由于其形象、直觀地表現(xiàn)地貌、地物形態(tài)和區(qū)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(jù)相關(guān)的歷史文獻(xiàn)記載，我國可算是世界上最早使用軍用沙盤的鼻祖。根據(jù)《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(zhàn)場地形（聚米為山谷，指畫形勢），用各色豆粒標(biāo)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(zhàn)場形勢一目了然，為指揮部隊作戰(zhàn)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(fā)明，為后來軍用沙盤的發(fā)展演化奠定了基礎(chǔ)，可看做是現(xiàn)代意義上的沙盤的雛形。
　　1.2.2國外沙盤發(fā)展
　　在世界近現(xiàn)代史中，傳統(tǒng)沙盤應(yīng)用可以說達(dá)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(tǒng)沙盤，由于構(gòu)制速度慢，且運輸不方便，精度低難以適應(yīng)現(xiàn)代和未來信息化戰(zhàn)場的需要，難以適應(yīng)千變?nèi)f化的戰(zhàn)場形勢。現(xiàn)代的沙盤就是在伴隨著軍事目的的沙盤模型演變發(fā)展的，廣泛應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。近年來，隨著電子地圖、地圖數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)及發(fā)展，傳統(tǒng)沙盤也走向了電子化、自動化的方向發(fā)展道路，出現(xiàn)了基于計算機圖形圖像技術(shù)的電子沙盤。1998年美國提出數(shù)字地球的概念之后，電子沙盤走向了完全數(shù)字化的方向。中國的研究人員認(rèn)識到“數(shù)字地球”戰(zhàn)略將是推動我國信息化建設(shè)和社會經(jīng)濟、資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要武器，尤其是在1999年首屆國際“數(shù)字地球”大會后，與“數(shù)字地球”相關(guān)相似的概念層出不窮，“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字化行業(yè)”、“數(shù)字社區(qū)”“智慧城市”等名詞不斷出現(xiàn)。

　　國外的電子沙盤仿真系統(tǒng)最早是應(yīng)用于軍事方面，它能為軍事作戰(zhàn)和指揮提供三維的模擬地形環(huán)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(jù)軍事要塞、機場、港口、山谷高地等軍事地理目標(biāo)的經(jīng)緯坐標(biāo)、土質(zhì)地貌水文資料等真實地理參數(shù)，按一定的比例尺，結(jié)合現(xiàn)代的計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)做成的顯示戰(zhàn)場環(huán)境的三維場景。當(dāng)前，美國軍方在軍事電子沙盤的制作等方面處于世界領(lǐng)先地位，如由美國軍方行為社會科學(xué)研究所(U．S．ArmyResearch Institute for the Behavioral and Social Science)研制的野外炮兵訓(xùn)練智能導(dǎo)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(tǒng)為其在海灣戰(zhàn)爭和以后的戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用，受到了各國軍方的廣泛關(guān)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(jìn)的軍事電子沙盤。這些系統(tǒng)基于分布式虛擬環(huán)境，采用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境虛擬技術(shù)、計算機實體生成技術(shù)、人機交互技術(shù)、三維地形生成技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，以真實、高精度的地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)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(yōu)點，并且集成了其他一些綜合分析功能，使其在戰(zhàn)術(shù)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(shù)字沙盤相關(guān)技術(shù)，應(yīng)用法國的SPOT圖像與MGIS結(jié)合，模擬敵方的三維地形，對軍方飛行員進(jìn)行模擬訓(xùn)練，取得了較好的效果。

　　國外電子沙盤應(yīng)用除軍事方面的應(yīng)用，也應(yīng)用到了城市規(guī)劃、仿古建筑、應(yīng)急搶險等方面。城市規(guī)劃沙盤是將城市的建筑、區(qū)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(biāo)志標(biāo)識，展現(xiàn)城市面貌；仿古建筑沙盤是把古典建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行分解，并通過形象化的模型設(shè)計，結(jié)合計算機中的三維顯示技術(shù)，以高度的模數(shù)化、系統(tǒng)化的拼裝組合、洗練的形式完美地展現(xiàn)在微縮模型；應(yīng)急搶險沙盤是結(jié)合真實的地形和地貌模型，包括河流、山脈、搶險設(shè)施等等，通過三維地形生成和虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)為決策人員在災(zāi)害發(fā)生時人員的撤退以及搶險工作的進(jìn)行等提供輔助支持。
　　1.2.3國內(nèi)數(shù)字沙盤的研究與應(yīng)用
　　近年來，國內(nèi)在數(shù)字沙盤的研究方面起步較晚，但是近些年來隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)對電子沙盤的研究越來越深入，電子沙盤應(yīng)用也逐漸擴展到包括城市建設(shè)、土地規(guī)劃、公共安全、工程施工、城市供水、防汛指揮、通訊網(wǎng)絡(luò)等各個方面。左偉（2001）提出的基于RS、GIS技術(shù)電子沙盤的研制技術(shù)；王黎明（2004）提出了規(guī)劃電子沙盤的具體實現(xiàn)過程，包括對地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等的處理，并通過對ArcGIS應(yīng)用程序的客戶化實現(xiàn)了三維可視化和導(dǎo)航縮放等功能；趙勇等（2004）為提高土地規(guī)劃的效率，提出以Visual C++6.0和OpenGL為開發(fā)工具，在PC機上制作電子沙盤來應(yīng)用于土地規(guī)劃，它實現(xiàn)了三維地形的真實模擬，達(dá)到了較高的實時渲染速度；尹習(xí)雙等（2005）采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和高效圖形渲染引擎，對水利水電工程的物理結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行模擬，制成了真實性和交互性強的電子沙盤系統(tǒng)，為水利工程的設(shè)計和管理者提供了科學(xué)的依據(jù)；常魁等（2008）利用Creator、Vega和MFC制作了供水管網(wǎng)運行仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在三維場景下模擬供水管網(wǎng)運行情況，它將供水管網(wǎng)絡(luò)變?yōu)閳D形形式，并對其隨時間和空間的變化過程進(jìn)行仿真，使管理者能夠直觀的了解供水管網(wǎng)絡(luò)的運行情況。
在數(shù)字沙盤應(yīng)用方面，北京仿真中心系統(tǒng)仿真研究室以南水北調(diào)線路上的地形和地貌數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制作了南水北調(diào)電子沙盤系統(tǒng)，展現(xiàn)了南水北調(diào)工程中的地形地貌以及重點工作區(qū)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(chǔ)進(jìn)行決策。國內(nèi)研制的大型沙盤系統(tǒng)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(yè)局《森林防火沙盤》；某軍事院校《飛行模擬訓(xùn)練沙盤》等。
　　1.3 當(dāng)前數(shù)字沙盤展示存在的問題
　　目前，國內(nèi)城市園林綠化相關(guān)管理部門為了對城市園林綠化建設(shè)進(jìn)行整體規(guī)劃、實地建設(shè)、成就展示等，需要制作大量的城市綠地沙盤模型。但是，現(xiàn)有實體沙盤受到空間的局限需要經(jīng)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(xì)節(jié)的表現(xiàn)力上受到限制，且展現(xiàn)出來的內(nèi)容也相對較少。
　　在展示城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃成果方面，數(shù)字沙盤的彌補了實體沙盤的不足，利用三維地理信息技術(shù)和立體投影技術(shù)，以及相關(guān)的工程學(xué)和美學(xué)，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(shù)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(xì)節(jié)。目前有關(guān)城市內(nèi)容的數(shù)字沙盤主要有兩種：1）在原來傳統(tǒng)的沙盤模型上增加多媒體投影機系統(tǒng)；2）純?nèi)�維數(shù)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(shù)，將整個城市數(shù)字化存儲到網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)各種信息的疊加，進(jìn)而展示城市除物理外形以外的信息。
　　城市綠地系統(tǒng)是城市中唯一具有生命的基礎(chǔ)設(shè)施，在城市中發(fā)揮著生態(tài)、游憩、景觀、文化和防災(zāi)避險等諸多功能。城市綠地不同于城市中其他的基礎(chǔ)設(shè)施，本身具有生命特征和季相變化等，在當(dāng)前的數(shù)字沙盤技術(shù)中，在展示城市綠地系統(tǒng)時多無法體現(xiàn)其特點，因此在城市專項規(guī)劃中達(dá)不到很好的展示和研究效果，動態(tài)反映綠地系統(tǒng)時空變化方面存在改進(jìn)的空間，因此需要在整合現(xiàn)有數(shù)字沙盤展示技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究能容納并適合展示城市綠地系統(tǒng)的數(shù)字沙盤。
　　2．城市綠地系統(tǒng)數(shù)字沙盤的研發(fā)思路
　　2.1目標(biāo)定位
　　整個系統(tǒng)是一個完整而開放的系統(tǒng)，系統(tǒng)采用信息數(shù)據(jù)庫管理底層，按需展示為表現(xiàn)層進(jìn)行搭建；為底層數(shù)據(jù)庫的文件格式，類型進(jìn)行數(shù)據(jù)建庫；將來實現(xiàn)用戶自主添加，修改數(shù)據(jù)；表現(xiàn)層以互動形式為主，觀眾通過人機交互裝置設(shè)備，在數(shù)字沙盤展示載體上友好訪問數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)。
　　本系統(tǒng)將建成中國所有園林城市、生態(tài)園林城市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其中包括各城市整體和重點園林綠化區(qū)域的三維模型場景、有關(guān)綠地建設(shè)和規(guī)劃的專題信息，以及與之相關(guān)的主題介紹影片。（當(dāng)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(yán)密論證的系統(tǒng)解決方案，加入量身定做的應(yīng)用開發(fā)模塊，將我們的自主軟件、專業(yè)的圖形數(shù)據(jù)處理集群與可靠的音視頻展示設(shè)備的功能充分激發(fā)出來。從而精準(zhǔn)又美觀地剖析各城市綠地結(jié)構(gòu)、布局和作用，展示綠地分布現(xiàn)狀與規(guī)劃前景（只展現(xiàn)大范圍綠地系統(tǒng)，不做規(guī)劃細(xì)節(jié)展示，規(guī)避風(fēng)險。），導(dǎo)覽整體生態(tài)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(shè)計原理
　　數(shù)字沙盤互動展示系統(tǒng)的建設(shè)是一項集成了現(xiàn)代信息技術(shù)，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、“3S”技術(shù)、通信技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、信息安全技術(shù)和數(shù)字展示技術(shù)，綜合性、精密性并重的系統(tǒng)工程。它既要求各軟硬體模塊之間的嚴(yán)格兼容與邏輯自洽，以保證系統(tǒng)運行的平穩(wěn)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(nèi)容擴展與更新的功能。
　　針對“中國現(xiàn)代城市綠地系統(tǒng)”這一展示題材，在保留常規(guī)系統(tǒng)方案的核心優(yōu)勢的同時，也對它進(jìn)行了定制化調(diào)整，開發(fā)、加載了一些全新的功能模塊，以使展示方法與內(nèi)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(dāng)前的系統(tǒng)工作邏輯圖2所示：

　　2.3特色優(yōu)勢
　　“數(shù)字沙盤”作為數(shù)字展示領(lǐng)域一種新穎獨特的、綜合性的展項形式，相較于其他傳統(tǒng)展項，均能體現(xiàn)出其自身的優(yōu)勢和價值。
　　2.3.1對比傳統(tǒng)沙盤
    完美地解決了表現(xiàn)范圍與表現(xiàn)精度之間原本不可調(diào)和的矛盾。可在宏觀場景與精致細(xì)節(jié)之間進(jìn)行全維度的無級切換。
　　2.3.2對比數(shù)字影院
    突破了單純視聽欣賞的局限，在詮釋藝術(shù)美感的同時，也能體現(xiàn)學(xué)術(shù)性和權(quán)威性。它可以并行提供優(yōu)美的影片播放和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶�業(yè)信息、數(shù)據(jù)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(xiàn)了展示規(guī)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(jìn)而留下深刻記憶的保證。
　　3.城市綠地系統(tǒng)數(shù)字沙盤的技術(shù)實現(xiàn)
　　通過整合相關(guān)的互動展示技術(shù)，完成了項目第一期計劃中的全部任務(wù)，該展項在中國園林博物館近現(xiàn)代園林展廳中成功應(yīng)用，取得了良好的展示效果。
　　3.1硬件系統(tǒng)的應(yīng)用
　　3.1.1投影系統(tǒng)
    城市綠地系統(tǒng)數(shù)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(shù)字沙盤展示空間。數(shù)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(qū)動9臺投影提供10.4米× 6.5米畫面圖像處理能力；數(shù)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(shù)字沙盤展示空間。數(shù)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(qū)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(tǒng)
　　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(yè)調(diào)音臺（12輸入通道，6單聲道 2立體聲）；數(shù)字音頻處理器組成。
　　3.1.3人機交互觸摸系統(tǒng)
　　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(biāo)（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(tǒng)
　　通過高速以太網(wǎng)絡(luò)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(guān)、啟動和關(guān)閉高性能集群機（DELL1650）。
　　3.2數(shù)字內(nèi)容的整合
　　3.2.1當(dāng)前內(nèi)容結(jié)構(gòu)
　　根據(jù)城市綠地系統(tǒng)展覽的內(nèi)容及相關(guān)要求，在實現(xiàn)數(shù)字沙盤展示時，設(shè)計并確定了展項分層的相關(guān)結(jié)構(gòu)（圖3）。
　　3.2.2完成數(shù)字內(nèi)容
　　城市綠地系統(tǒng)數(shù)字沙盤，整合了相關(guān)的技術(shù)，通過平臺程序的開發(fā)和互動結(jié)構(gòu)的設(shè)計等，首期展示了北京上海和唐山的綠地系統(tǒng)，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(tǒng)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(jié)語
　　城市綠地數(shù)字沙盤互動展示系統(tǒng)定位為中國園林博物館的數(shù)字典藏展品，全國城市生態(tài)、綠化信息的集成平臺，與3DGIS技術(shù)在數(shù)字展示領(lǐng)域的全新應(yīng)用范例。本系統(tǒng)將以理論權(quán)威性、文化承載度，藝術(shù)美感與科技含量完美結(jié)合的模式，打造出中國園林領(lǐng)域和展示行業(yè)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。