首届全国文博技术产品发展论坛精选系列报道
中国园林博物馆副馆长 黄亦工
1.数字沙盘技术的研究现状
1.1数字沙盘的定义、特点及作用
1.1.1数字沙盘的概念
数字沙盘是通过声、光、电、图像、三维动画以及计算机程控技术，运用数字投影来实现，可以充分体现区位特点，达到一种惟妙惟肖、变化多姿的动态视觉效果。对参观者来说是一种全新的体验，并能产生强烈的共鸣，比传统的沙盘模型更直观。一般来说，常见的数字沙盘可以分为两种，一种是投影式数字沙盘，另一种是投影与模型相结合数字沙盘。
投影式数字沙盘通过墙面或者地面大面积LED播放系统、大面积投影拼接系统，结合GIS城市地理信息虚拟与真实、多角系统海量数字城市模型数据，应用专利的软件、硬件、数据整合系统，配合使用，触摸控制屏、三维控制器、IPAD等多种互动控制平台，实现海量数字城市信息查询。墙面数字沙盘系统配合地面三维立体真实模型呈现度、全方位的数字城市信息。3DGIS(地理信息系统)可以整合城市交通体系、市政管线、安防、经济金融、科教文卫规划的详细信息，通过3D建模直观体现。
1.1.2数字沙盘的功能
数字沙盘与传统的沙盘的基本功能大体相同，但是在展示的内容和展示形式等方面有显著不同，主要在以下几个方面具有重要的应用价值：
（1)看历史——城市历史建筑、历史景观等，尤其是能历史上已经不存在的大尺度景观和历史遗存等；
（2)看变化——展示城市变化的演变，如休闲、娱乐等商业街所取代。传统的货仓、贸易行已变成现代化建筑，餐馆、酒吧、露天咖啡厅和娱乐场所、酒店提供人们消闲好去处及写意的生活方式；
（3)看发展——城市发展加快。以满足城市建设的需要。为建造更多的楼房、零售店面、休闲设施及酒店提供了发展空间。
1.1.3数字沙盘的特点
数字沙盘可以融合更多的设计和展示元素，可以满足更多使用者的个性化需求，并且更新的速度更快，内容更多，一般来说，数字沙盘具有以下特点：
（1)展示内容更广。数字沙盘以“简单明了，内容可变”为主要特点，通过一目了然的手法可以充分体现多样展示内容的特点；
（2)设计手法精湛。整个展示过程不落俗套，既有在传统展板上的创新，又有基于充分体现现代高新科技成就上的互动；既可以有场面宏大的的大模型，又有制作精巧、竖向布局的小模型；
（3)展示手段先进。大量运用高科技的展示手法，集和了声、光、电、互动项目和三维动画、影视等现代视觉效果，增加了展示内容的趣味性、互动性与知识性，很好地实现了与观众的互动革命；
（4)科技含量最高。数字沙盘设有相关的控制系统，主要包括总体控制、厅内照明、灯饰、计算机、电视机、操作台以及空调等强弱电系统按照预先编制的运行程序自动运行，从开启电源到关闭电源都能够自动运行。
1.2 数字沙盘的历史与发展
1.2.1古代沙盘的产生与发展
沙盘自古代产生以来，由于其形象、直观地表现地貌、地物形态和区域分布状况而受到人们的钟爱，而早期的沙盘是以军事目的为主。根据相关的历史文献记载，我国可算是世界上最早使用军用沙盘的鼻祖。根据《后汉书》记载，东汉光武帝刘秀时的伏波将军马援用谷米堆制成了战场地形（聚米为山谷，指画形势），用各色豆粒标出高山、高地、平原、河流、峡谷、要地、隘口、城池、道路，以及双方军队的布置情况。这种立体军用地形图使指挥官对整个战场形势一目了然，为指挥部队作战带来了很大方便。因此，汉代这种军用“沙盘”是世界军事史上的一项杰出发明，为后来军用沙盘的发展演化奠定了基础，可看做是现代意义上的沙盘的雏形。
1.2.2国外沙盘发展
在世界近现代史中，传统沙盘应用可以说达到了极致。这种按一定的比例，用泥沙、泡末塑料等材料制作而成的传统沙盘，由于构制速度慢，且运输不方便，精度低难以适应现代和未来信息化战场的需要，难以适应千变万化的战场形势。现代的沙盘就是在伴随着军事目的的沙盘模型演变发展的，广泛应用到不同的领域。近年来，随着电子地图、地图数据库的出现及发展，传统沙盘也走向了电子化、自动化的方向发展道路，出现了基于计算机图形图像技术的电子沙盘。1998年美国提出数字地球的概念之后，电子沙盘走向了完全数字化的方向。中国的研究人员认识到“数字地球”战略将是推动我国信息化建设和社会经济、资源环境可持续发展的重要武器，尤其是在1999年首届国际“数字地球”大会后，与“数字地球”相关相似的概念层出不穷，“数字中国”、“数字城市”、“数字化行业”、“数字社区”“智慧城市”等名词不断出现。
国外的电子沙盘仿真系统最早是应用于军事方面，它能为军事作战和指挥提供三维的模拟地形环境，从而为指挥人员提供决策支持。军用电子沙盘大多是根据军事要塞、机场、港口、山谷高地等军事地理目标的经纬坐标、土质地貌水文资料等真实地理参数，按一定的比例尺，结合现代的计算机技术、虚拟现实技术做成的显示战场环境的三维场景。当前，美国军方在军事电子沙盘的制作等方面处于世界领先地位，如由美国军方行为社会科学研究所(U．S．ArmyResearch Institute for the Behavioral and Social Science)研制的野外炮兵训练智能导航虚拟沙盘(The Virtual Sand Table：Intelligent Tutoring for Field ArtilleryTraining)，美军方为此建立的军事地理信息系统为其在海湾战争和以后的战争中发挥了重要作用，受到了各国军方的广泛关注，并为此建立起了各自国家的MGIS。美国还先后推出了CATT(The Combined Armed Tractical Trainer)、NPSNET、STOW(Synthetic Theater Of War)、SIMNET(SIMulation NETworking)、C4ISR等更加先进的军事电子沙盘。这些系统基于分布式虚拟环境，采用网络环境虚拟技术、计算机实体生成技术、人机交互技术、三维地形生成技术等先进技术，以真实、高精度的地形数据和影像数据为基础进行制作，具有科技含量高、可实施性强、自动化程度高、误差小、解析度高等优点，并且集成了其他一些综合分析功能，使其在战术演练和军事指挥方面的可用性更强。英国国家遥感中心(NRSC，British National Remote Sensing Center)利用数字沙盘相关技术，应用法国的SPOT图像与MGIS结合，模拟敌方的三维地形，对军方飞行员进行模拟训练，取得了较好的效果。
国外电子沙盘应用除军事方面的应用，也应用到了城市规划、仿古建筑、应急抢险等方面。城市规划沙盘是将城市的建筑、区域分布景点、水系、道路、桥梁等按比例缩放还原，通过微缩的建筑物模型，逼真的绿化效果，形象的标志标识，展现城市面貌；仿古建筑沙盘是把古典建筑的结构构件进行分解，并通过形象化的模型设计，结合计算机中的三维显示技术，以高度的模数化、系统化的拼装组合、洗练的形式完美地展现在微缩模型；应急抢险沙盘是结合真实的地形和地貌模型，包括河流、山脉、抢险设施等等，通过三维地形生成和虚拟现实显示技术为决策人员在灾害发生时人员的撤退以及抢险工作的进行等提供辅助支持。
1.2.3国内数字沙盘的研究与应用
近年来，国内在数字沙盘的研究方面起步较晚，但是近些年来随着互联网技术和计算机技术的飞速发展，国内对电子沙盘的研究越来越深入，电子沙盘应用也逐渐扩展到包括城市建设、土地规划、公共安全、工程施工、城市供水、防汛指挥、通讯网络等各个方面。左伟（2001）提出的基于RS、GIS技术电子沙盘的研制技术；王黎明（2004）提出了规划电子沙盘的具体实现过程，包括对地理数据、遥感影像数据、专题数据等的处理，并通过对ArcGIS应用程序的客户化实现了三维可视化和导航缩放等功能；赵勇等（2004）为提高土地规划的效率，提出以Visual C++6.0和OpenGL为开发工具，在PC机上制作电子沙盘来应用于土地规划，它实现了三维地形的真实模拟，达到了较高的实时渲染速度；尹习双等（2005）采用虚拟现实技术和高效图形渲染引擎，对水利水电工程的物理结构和系统环境进行模拟，制成了真实性和交互性强的电子沙盘系统，为水利工程的设计和管理者提供了科学的依据；常魁等（2008）利用Creator、Vega和MFC制作了供水管网运行仿真系统，该系统能够在三维场景下模拟供水管网运行情况，它将供水管网络变为图形形式，并对其随时间和空间的变化过程进行仿真，使管理者能够直观的了解供水管网络的运行情况。
在数字沙盘应用方面，北京仿真中心系统仿真研究室以南水北调线路上的地形和地貌数据为基础制作了南水北调电子沙盘系统，展现了南水北调工程中的地形地貌以及重点工作区的施工情况，使用者可通过电子沙盘充分了解整个过程中的情况，并以此为基础进行决策。国内研制的大型沙盘系统还有辽宁省高速局《辽宁省高速公路沙盘》；辽宁省政府《美丽富饶的辽宁》(大型声、光、电、影一体，计算机触摸屏控制沙盘)；黑龙江省林业局《森林防火沙盘》；某军事院校《飞行模拟训练沙盘》等。
1.3 当前数字沙盘展示存在的问题
目前，国内城市园林绿化相关管理部门为了对城市园林绿化建设进行整体规划、实地建设、成就展示等，需要制作大量的城市绿地沙盘模型。但是，现有实体沙盘受到空间的局限需要经过大比例的缩小，因此只能获得固定的鸟瞰形象，无法以多视角来感受城市绿地空间；另外，受到本身制作方法的限制，使其在局部细节的表现力上受到限制，且展现出来的内容也相对较少。
在展示城市绿地系统规划成果方面，数字沙盘的弥补了实体沙盘的不足，利用三维地理信息技术和立体投影技术，以及相关的工程学和美学，将城市直接展示在一个巨大立体投影空间里，通过声、光、电、图像、三维动画以及计算机程控技术与实体模型相融合。借助于这种方法，人们不仅可以看到城市的全貌，还能够看到城市的每一个建筑细节。目前有关城市内容的数字沙盘主要有两种：1）在原来传统的沙盘模型上增加多媒体投影机系统；2）纯三维数字沙盘，一般有互动功能，投影面一般为特殊处理的白色或灰色幕面，没有实体沙盘模型。通过三维地理信息技术，将整个城市数字化存储到网络上，实现各种信息的叠加，进而展示城市除物理外形以外的信息。
城市绿地系统是城市中唯一具有生命的基础设施，在城市中发挥着生态、游憩、景观、文化和防灾避险等诸多功能。城市绿地不同于城市中其他的基础设施，本身具有生命特征和季相变化等，在当前的数字沙盘技术中，在展示城市绿地系统时多无法体现其特点，因此在城市专项规划中达不到很好的展示和研究效果，动态反映绿地系统时空变化方面存在改进的空间，因此需要在整合现有数字沙盘展示技术的基础上，研究能容纳并适合展示城市绿地系统的数字沙盘。
2．城市绿地系统数字沙盘的研发思路
2.1目标定位
整个系统是一个完整而开放的系统，系统采用信息数据库管理底层，按需展示为表现层进行搭建；为底层数据库的文件格式，类型进行数据建库；将来实现用户自主添加，修改数据；表现层以互动形式为主，观众通过人机交互装置设备，在数字沙盘展示载体上友好访问数据库内数据。
本系统将建成中国所有园林城市、生态园林城市的基础数据库，其中包括各城市整体和重点园林绿化区域的三维模型场景、有关绿地建设和规划的专题信息，以及与之相关的主题介绍影片。（当前先以北京作为核心范例、以上海、唐山作为拓展范例，未来可以不断扩充城市范围）。
通过严密论证的系统解决方案，加入量身定做的应用开发模块，将我们的自主软件、专业的图形数据处理集群与可靠的音视频展示设备的功能充分激发出来。从而精准又美观地剖析各城市绿地结构、布局和作用，展示绿地分布现状与规划前景（只展现大范围绿地系统，不做规划细节展示，规避风险。），导览整体生态绿化效果和局部重点绿地公园（如天坛、奥林匹克森林公园等）（图1）。
2.2设计原理
数字沙盘互动展示系统的建设是一项集成了现代信息技术，计算机技术、网络技术、“3S”技术、通信技术、系统集成技术、信息安全技术和数字展示技术，综合性、精密性并重的系统工程。它既要求各软硬体模块之间的严格兼容与逻辑自洽，以保证系统运行的平稳可靠；也要求具备一定的开放性和弹性，以满足客户的个性化需求并提供内容扩展与更新的功能。
针对“中国现代城市绿地系统”这一展示题材，在保留常规系统方案的核心优势的同时，也对它进行了定制化调整，开发、加载了一些全新的功能模块，以使展示方法与内容题材更加契合，用户体验更加友好，运行后的维护与更新更加便捷。当前的系统工作逻辑图2所示：
2.3特色优势
“数字沙盘”作为数字展示领域一种新颖独特的、综合性的展项形式，相较于其他传统展项，均能体现出其自身的优势和价值。
2.3.1对比传统沙盘
完美地解决了表现范围与表现精度之间原本不可调和的矛盾。可在宏观场景与精致细节之间进行全维度的无级切换。
2.3.2对比数字影院
突破了单纯视听欣赏的局限，在诠释艺术美感的同时，也能体现学术性和权威性。它可以并行提供优美的影片播放和严谨的专业信息、数据的存储管理及互动查询功能。
2.3.3对比普通互动多媒体
实现了展示规模的飞跃性提升。其宏伟的体量，具备鲜明的识别性，并且是观众接受感官震撼进而留下深刻记忆的保证。
3.城市绿地系统数字沙盘的技术实现
通过整合相关的互动展示技术，完成了项目第一期计划中的全部任务，该展项在中国园林博物馆近现代园林展厅中成功应用，取得了良好的展示效果。
3.1硬件系统的应用
3.1.1投影系统
城市绿地系统数字沙盘空间屏（主屏）68平米，采用9台1920x1200投影,提供10.4米x 6.5米的数字沙盘展示空间。数字沙盘主屏采用高性能图形集群Tango V9，提供9路1920×1200的高分辨率输出，可以驱动9台投影提供10.4米× 6.5米画面图像处理能力；数字沙盘信息屏（辅屏）42平米，采用3台1920×1200投影，提供13*3.22米的数字沙盘展示空间。数字沙盘信息屏（辅屏）采用高性能图形集群Tango V3是一套具有高性能图形集群，他提供3路1920×1200的高分辨率输出，可以驱动3台投影提供13*3.22米画面图像处理能力。
3.1.2音响系统
由全频扬声器BOSE Panaray® 802III（4.5*8）；全频功率放大器（功率:450W频率:20HZ-20KHZ）；专业调音台（12输入通道，6单声道 2立体声）；数字音频处理器组成。
3.1.3人机交互触摸系统
触摸屏（用于全方位的三维空间控制，提供简单便捷的人机交互界面，HP Elite 8300Aio Touch显示器 23" ，造型加工制作）；三维鼠标（罗技 3Dconnexion魔幻手）、激光笔（罗技R400），用于全方位的操作控制和演示讲解。
3.1.4中控系统
通过高速以太网络与其他高性能图形工作站相连，是高性能图形集群Tango V9、高性能图形集群Tango V3 的主要控制装置，支持投影仪的开关、启动和关闭高性能集群机（DELL1650）。
3.2数字内容的整合
3.2.1当前内容结构
根据城市绿地系统展览的内容及相关要求，在实现数字沙盘展示时，设计并确定了展项分层的相关结构（图3）。
3.2.2完成数字内容
城市绿地系统数字沙盘，整合了相关的技术，通过平台程序的开发和互动结构的设计等，首期展示了北京上海和唐山的绿地系统，参观者可分别以自主观看和互动演示等方式，使城市绿地系统的科普和展示具有了更好地参与性，取得了很好的效果。
4.结语
城市绿地数字沙盘互动展示系统定位为中国园林博物馆的数字典藏展品，全国城市生态、绿化信息的集成平台，与3DGIS技术在数字展示领域的全新应用范例。本系统将以理论权威性、文化承载度，艺术美感与科技含量完美结合的模式，打造出中国园林领域和展示行业值得共同骄傲的精品工程，为中国国际园林博览会增添更加绚丽的色彩，也为今后中国城市园林绿化工作提供一个高科技属性的载体。
