基于CityEngine的建筑物三維建模技術研究

張 暉，劉 超，李 妍，汪友結(jié)

(1.深圳市房地產(chǎn)評估發(fā)展中心，廣東 深圳 518040；2.武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079)

ZHANG Hui，LIU Chao，LI Yan，WANG Youjie

基于CityEngine的建筑物三維建模技術研究

張 暉1，劉 超2，李 妍1，汪友結(jié)1

(1.深圳市房地產(chǎn)評估發(fā)展中心，廣東 深圳 518040；2.武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079)

Research on 3D Building Modeling Technology Based on CityEngine

ZHANG Hui，LIU Chao，LI Yan，WANG Youjie

傳統(tǒng)手工建模的方式雖然能夠建立精細的建筑物三維模型，但是建模周期長，成本高。本文介紹了基于規(guī)則進行三維建模的方法，在CityEngine平臺下，充分利用現(xiàn)有的建筑物基底投影分布數(shù)據(jù)及內(nèi)部各樓層的房間分布矢量化數(shù)據(jù)，通過規(guī)則文件驅(qū)動生成了大場景建筑物外立面三維模型，并進一步建立了建筑物內(nèi)部的三維模型。因此，CityEngine基于規(guī)則的建筑物建模技術，能夠充分利用現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)，快速、批量地對建筑物內(nèi)外部進行三維的立體建模，提高了三維建模效率，為建筑物三維建模領域提供了一種全新的手段。

CityEngine；建筑物三維建模；GIS；建筑物內(nèi)部建模；ArcGIS

一、引 言

隨著計算機技術、遙感技術、GIS技術、影像處理技術的發(fā)展，三維建模技術也開始逐步興起并廣泛應用于城市規(guī)劃、舊城改造、數(shù)字城市、建筑設計等領域，擁有良好的發(fā)展前景。三維建模技術是建立現(xiàn)實世界虛擬化三維場景模型的基礎，其運用計算機圖形圖像處理技術，將地理空間數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)以二維平面圖的表達方式轉(zhuǎn)換為以三維立體的方式顯示，能更真實、形象地展示現(xiàn)實世界[1]。

三維建模技術的核心是根據(jù)研究對象的三維空間信息構(gòu)造其立體模型，并利用相關建模軟件或編程語言生成該模型的圖形表達，然后對其進行各種操作和處理。目前常用的三維建模技術主要利用三維圖形庫OpenGL或虛擬現(xiàn)實建模語言VRML等構(gòu)建三維模型，以及使用模型軟件AutoCAD、3DStudio Max建立模型，前者可根據(jù)用戶的需要方便地實現(xiàn)各種功能，但對建模者的操作能力要求高，后者則操作簡單，易于掌握，建模效率高，但在功能實現(xiàn)和效果方面有所不足[2]。其中，張凱選等應用AutoCAD對校園內(nèi)建筑物進行了三維建模，能夠快速進行模型生成和編輯，精確計算容積率、建筑密度、建筑間距，但不支持紋理編輯，不具備建筑物屬性數(shù)據(jù)[3]；彭芳媛等利用3DStudio Max對航測數(shù)據(jù)進行了三維建模方法的研究，可以建立較復雜的三維模型，三維場景細膩、光影渲染逼真、支持紋理貼附、能夠快速生成簡單模型，但不能精確輸入模型參數(shù)，不具備建筑物屬性數(shù)據(jù)的編輯和查詢功能，且只適用于單棟或小范圍區(qū)域建筑物的三維重建[4]。

傳統(tǒng)的三維建模技術采用手工建立精細的三維模型，雖然展示效果好，但其結(jié)果往往是靜態(tài)、固化的模型，忽略了語義和拓撲，僅僅能夠用于立體視覺表達，并不能滿足屬性查詢、三維空間分析等深層次的應用，并且目前的三維建模技術主要集中于建筑物外立面三維模型的生成，而對于建筑物內(nèi)部模型建立的研究還比較少，同時不具備快速、批量地生成建筑物內(nèi)外部模型的特點，缺乏可重用性，導致資源的極大浪費，而且建模周期長。本文主要介紹一種在CityEngine平臺下基于規(guī)則的建筑物三維建模方法，能夠通過規(guī)則調(diào)用GIS數(shù)據(jù)中的屬性數(shù)據(jù)，快速、自動、批量地生成建筑物的外立面三維模型，并且可以進一步建立建筑物的三維內(nèi)部模型，不僅充分利用了現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)，提高了三維建模效率，在大場景建筑物三維快速建模領域提供了一種新的手段，而且可以將建筑物三維模型與ArcGIS進行無縫集成，有利于充分利用ArcGIS的三維空間分析功能。

二、原理與方法

CGA形狀語法是一門建筑設計編程語言，可以生成高視覺質(zhì)量及幾何細節(jié)的建筑物模型，適用于各種形狀的構(gòu)造，它被定義為4個組件：形狀、屬性、操作及語法規(guī)則。其中，形狀由符號、幾何和數(shù)值屬性組成，通常由符號識別。幾何屬性對應于范圍，它是空間中的一個方向包圍盒，最重要的幾何屬性是位置P、描述坐標系統(tǒng)的3個正交矢量及尺寸矢量S。形狀操作是形狀語法中一個非常重要的組件，主要包括4種類型：首先，范圍操作可以修改給定形狀的范圍，包括拉伸、平移、旋轉(zhuǎn)和縮放；其次，分割操作以分割尺寸為屬性并沿著給定的軸分割范圍；再次，重復操作在一個給定的方向上重復幾何形狀，在CGA形狀語法中它們都被編寫為分割規(guī)則的一部分；最后，組件的分割操作可以將三維范圍分割為更小尺寸的形狀，如面、邊界、頂點。形狀語法規(guī)則可以修改和替換形狀，通過添加更多的細節(jié)(墻、地板、窗、門)進行迭代進化和發(fā)展設計，模型生成通常從建筑物底面形狀開始，隨著規(guī)則的依次應用，形狀被逐步細化[5]。

綜上所述，CGA形狀語法是一個樹形結(jié)構(gòu)，其節(jié)點表示形狀、形狀分割及重復操作、組件的分割操作，以此捕捉建筑物的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

圖1 CGA規(guī)則結(jié)構(gòu)

在建筑設計中，由形狀語法所生成的三維模型表示建筑物結(jié)構(gòu)，使用語法生成建筑物模型的優(yōu)點是建筑物的各個方面可以在構(gòu)建過程中被開發(fā)和多次重復使用。例如，可以創(chuàng)建一組規(guī)則集用于描述建筑物內(nèi)部各樓層的結(jié)構(gòu)，這組規(guī)則集可以被多次調(diào)用來創(chuàng)建相同或相似設計的多個樓層，保存后可以不必顯示地創(chuàng)建每一樓層[6]。

CityEngine是一個用于創(chuàng)建城市模型的商業(yè)系統(tǒng)，它使用形狀語法來創(chuàng)建道路系統(tǒng)及三維建筑物模型，同時能夠產(chǎn)生大范圍的城市模型及多種建筑物樣式。建筑物需要通過手動編碼語法來生成，而且可以通過試錯過程來檢查結(jié)果和改進語法。同其他編程任務一樣，為了獲得合適的結(jié)果也需要不斷提高精確度。

三、基于CityEngine的三維建模

1.三維建模流程

本文選取深圳市居住環(huán)境比較成熟、建筑物較為密集的福田區(qū)景田街道為研究區(qū)域，該區(qū)域地處東經(jīng)113°46′—114°37′，北緯22°27′—22°52′，建筑物多以高層住宅建筑為主。應用CityEngine實現(xiàn)三維模型建立的流程圖如圖2所示。

2.數(shù)據(jù)準備及預處理

構(gòu)建建筑物三維模型由建筑物外立面三維模型和三維內(nèi)部模型的建立兩部分組成，其中外立面三維模型部分一般需要準備建筑物基底投影分布圖、數(shù)字高程模型(DEM)等數(shù)據(jù)，三維內(nèi)部模型部分需要準備建筑物每層的房間分布圖等數(shù)據(jù)。此外，紋理貼圖部分需要準備數(shù)字正射影像(DOM)、紋理圖片等數(shù)據(jù)[7]。

圖2 CityEngine三維建模流程圖

數(shù)據(jù)在導入CityEngine平臺之前需要進行預處理，以滿足快速、批量建模的要求。首先將建筑物基礎底面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ArcGIS的Shapefile或File Geodatabase格式，由于CityEngine中只能設置投影坐標系，因此需要對建模的數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換。本文選擇WGS-84 UTM Zone 49N坐標系統(tǒng)，同時還需要豐富對象的屬性信息，根據(jù)建模的要求來設定建筑物的屬性結(jié)構(gòu)，如建筑物高度、樓層數(shù)、樓層高度等，屬性信息越豐富，后期通過規(guī)則建立的三維模型就能越精細。為了更好地體現(xiàn)三維建模的真實性，還需要將建筑物基礎底面數(shù)據(jù)與DEM疊加計算，來創(chuàng)建貼附地形表面的三維多邊形要素，使對象帶有高程信息，這樣生成的建筑物三維模型與地形的貼合會更加準確。紋理貼圖圖片主要通過數(shù)碼相機攝取建筑物外圍表面獲得，利用Photoshop軟件準確矯正圖片的透視關系，所有貼圖的門窗、建筑立面等必須保持橫平豎直，清晰可見[1]。

3.建筑物外立面三維模型的建立

建筑物模型規(guī)則建模的思想首先是對建模區(qū)域內(nèi)的建筑物進行分類，根據(jù)外形可分為四面形建筑物、圓形建筑物、異形建筑物等，相同類型的建筑物只需調(diào)用一個通用規(guī)則復用即可，同類型建筑物模型的表達則按每個建筑物自帶的屬性進行建立，因此對于普通區(qū)域只需編寫幾個常見建筑物類型的規(guī)則就可以快速、批量地進行大范圍建筑物的三維建模，而復雜建筑物之間由于存在很少的共性，通常每個建筑物都需單獨編寫一個規(guī)則，可復用的概率很小，也可以直接導入已建好的三維模型[1]。

建筑物三維建模規(guī)則的編寫實際上是對三維模型的逆向分解，即對建筑物進行拆分，然后各個拆分對象通過規(guī)則中三維模型的建立函數(shù)調(diào)用屬性信息作為參數(shù)進行模型建立。拆分的程度越高，則建立的建筑物三維模型就越精細，但同時需要提供更多的屬性信息，規(guī)則的編寫也就越復雜[1]。

建筑物紋理建模規(guī)則是在各個拆分對象上，通過規(guī)則中紋理函數(shù)調(diào)用紋理圖片對建筑物各個面進行紋理貼片[8]。

建筑物各個拆分對象的參數(shù)信息可以存儲在建筑物數(shù)據(jù)的屬性表中，也可以通過CityEngine的屬性面板進行輸入調(diào)整，這樣同一個規(guī)則對不同屬性的建筑物的建模表達也就不同。為了便于管理，通常將對象的各種參數(shù)信息存儲在建筑物數(shù)據(jù)的屬性表中，本文需要定義的規(guī)則屬性結(jié)構(gòu)見表1。

表1 建筑物規(guī)則屬性結(jié)構(gòu)

建筑物建模部分規(guī)則代碼如下：

本文充分利用建筑物基底投影分布數(shù)據(jù)，通過編寫建筑物外立面三維模型規(guī)則文件，在City-Engine平臺下實現(xiàn)了大場景三維建筑物批量建模，提高了三維建模效率，建模效果如圖3、圖4所示。

圖3 建筑物批量三維建模

圖4 建筑物外立面三維模型

4.建筑物三維內(nèi)部模型的建立

在CityEngine中沒有用來生成建筑物三維內(nèi)部模型的通用程序，本文描述了用來為建筑物創(chuàng)建內(nèi)部模型的一般流程，并可以從外部到內(nèi)部對建筑物進行觀察。

需要準備兩個要素數(shù)據(jù)集，分別是buildinginterior和buildingexterior(如圖5所示)，它們代表目標建筑物詳細的樓層平面圖，各樓層用字段FLOOR進行分類。其中，數(shù)據(jù)集buildinginterior是用來創(chuàng)建建筑物內(nèi)部模型的主要數(shù)據(jù)集，由代表建筑物內(nèi)部各樓層房間分布的多邊形所組成，而數(shù)據(jù)集buildingexterior是用來創(chuàng)建建筑物外殼的主要數(shù)據(jù)集，由建筑物的外部輪廓線所組成，可以使用它來創(chuàng)建一個包含內(nèi)部空間多邊形的建筑物外殼。

圖5

對于數(shù)據(jù)集buildingexterior，在導入到City-Engine之后，可以通過規(guī)則驅(qū)動生成建筑物的外殼。首先識別每一層樓，拉伸它們，然后使用平移函數(shù)在各個樓層的頂部將它們堆積起來。其中，用于識別樓層的屬性是FLOOR對象屬性，用來控制樓層高度的規(guī)則屬性是floorHeight。循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如下：

接下來為建筑物外殼添加紋理，通過識別建筑面的朝向信息來對各個樓層進行分割，然后為相應的建筑墻面分配exteriorWall紋理文件即可。具體代碼如下：

建筑物內(nèi)部空間的生成遵循與外殼相同的原則，對于數(shù)據(jù)集buildinginterior，在導入到CityEngine之后，也可以通過循環(huán)識別不同的樓層，控制拉伸，并將各個樓層形狀分割為多個墻面，代碼如下：

而室內(nèi)空間是利用人體模型來進行修飾的，同時也可以設置建筑物內(nèi)部墻體的厚度，使其真實感更強。具體代碼如下：

本文充分利用建筑物內(nèi)部各樓層的房間分布矢量化數(shù)據(jù)，規(guī)則驅(qū)動建立了建筑物的三維內(nèi)部模型，建模效果如圖6所示。

圖6 建筑物三維內(nèi)部模型

四、結(jié)論與展望

三維建筑物模型的幾何數(shù)據(jù)可以從二維的數(shù)字地圖或GIS數(shù)據(jù)庫獲得，建筑物紋理圖片可采用數(shù)碼相機拍攝照片，再經(jīng)一系列處理后得到。本文對基于規(guī)則的建筑物批量三維建模技術進行了研究，在CityEngine平臺下通過規(guī)則驅(qū)動生成了建筑物的外立面三維模型，并進一步對建筑物內(nèi)部進行了三維的立體建模。因此，CityEngine基于規(guī)則的建模方法，能夠充分利用現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)，將大場景的二維數(shù)據(jù)快速、批量地構(gòu)建成三維模型，減少人工干預，縮短建模周期，對建模效果可以快速有效地調(diào)整，且可以充分利用ArcGIS的三維分析功能對生成的模型進行量化分析。在未來的工作中，將逐步構(gòu)建所有建筑物的精細模型，進一步完善和提高建筑物三維建模的技術應用。

[1] 謝年，向煜，徐艇偉.基于規(guī)則的快速三維建模技術研究[J].城市勘測，2013(4)：5-8.

[2] 王超，井浩淼，朱靜.基于ArcGIS與SketchUp耦合的三維景觀建模技術研究[J].綠色科技，2013(1)：258-260.

[3] 張凱選，閆野，魏來.CAD下三維建模研究[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，21(2)：192-195.

[4] 彭芳媛，周齊生，向常淦.基于航測數(shù)據(jù)的三維建模方法研究[J].測繪，2011，34(2)：63-65.

[5] MULLER P，VEREE NOO GHE T，WONKA P，et al. Procedural 3D Reconstruction of Puuc Buildings in Xkipché[J].The Eurographics Association，2006.

[6] COIA C，ROSS B J.Automatic Evolution of Conceptual Building Architectures[C]∥Proceedings of IEEE Congress on Evolutionary Computation.New Orleans：IEEE，2011：1190-1147.

[7] 孫敏，陳軍.3維城市模型的數(shù)據(jù)獲取方法評述[J].測繪通報，2000(11)：4-6.

[8] 吳軍.3維城市建模中的建筑墻面紋理快速重建研究[J].測繪學報，2005，34(4)：317-323.

[9] 路春燕，衛(wèi)海燕，李吉英.IMAGIS在城市三維建模中的應用[J].測繪科學，2011，36(6)：270-272.

[10] 許捍衛(wèi)，范小虎，任家勇，等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報，2010(3)：52-54.

P208

B

0494-0911(2014)11-0108-05

2014-01-23

張 暉(1984—)，男，山東淄博人，碩士，高級工程師，主要研究方向為GIS應用工程。

劉 超

張暉，劉超，李妍，等.基于CityEngine的建筑物三維建模技術研究[J].測繪通報，2014(11)：108-112.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0376