一種參數(shù)化快速建模技術(shù)及其應(yīng)用

何興富,胡章杰

(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

一種參數(shù)化快速建模技術(shù)及其應(yīng)用

何興富?,胡章杰

(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

三維數(shù)字城市的快速發(fā)展催生了大量的延伸業(yè)務(wù),常規(guī)的依賴于三維建模軟件的手工建模方式越來(lái)越難以適應(yīng)快速、規(guī)范化、可調(diào)整等專業(yè)業(yè)務(wù)對(duì)三維模型的更高要求。對(duì)此,基于參數(shù)和規(guī)則的建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文以參數(shù)化建模技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合規(guī)則建模技術(shù)的特性,實(shí)現(xiàn)了一種基于斷面的建構(gòu)筑物快速建模技術(shù),通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單對(duì)象的斷面和延伸線以及復(fù)雜對(duì)象各組成部件的斷面和空間關(guān)系設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物的快速建模。最后,展示研究成果在輔助城市規(guī)劃和片區(qū)設(shè)計(jì)成果展示分析等工程項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用。

參數(shù)化建模;斷面;快速建模;城市規(guī)劃設(shè)計(jì);道路模擬

1 引 言

三維數(shù)字城市經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在數(shù)據(jù)建設(shè)方面,從初期的基于專業(yè)三維建模軟件手工建模,發(fā)展到現(xiàn)在基于三維激光掃描、機(jī)載LiDAR、傾斜影像等技術(shù),都可以快速獲取空間點(diǎn)云和立體影像數(shù)據(jù)快速建模[1];在應(yīng)用技術(shù)方面,從初期的單純?nèi)S展現(xiàn),發(fā)展到為管理、分析、決策服務(wù)。三維地理信息技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè),尤其是城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)和公共決策方面[2]。新興的應(yīng)用領(lǐng)域同時(shí)也對(duì)相關(guān)的技術(shù)提出更高的要求,如要求模型具有一定的精度、具有可動(dòng)態(tài)調(diào)整性等,這些都是當(dāng)前流行的建模技術(shù)所不具備的。

本文分析了參數(shù)化建模技術(shù)的原理,結(jié)合新興的規(guī)則建模技術(shù),以城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的相關(guān)應(yīng)用為切入點(diǎn),提出了一種基于斷面的建構(gòu)筑物快速建模技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)具有一定規(guī)則的建構(gòu)筑物三維快速建模,并可通過(guò)參數(shù),實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地調(diào)整模型的形態(tài)特征。最后以道路、鐵路、單軌等城市規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的應(yīng)用為例,展示該技術(shù)的應(yīng)用效果。

2 基于參數(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)

基于參數(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)三維模型可動(dòng)態(tài)調(diào)整的基礎(chǔ)。利用三維建模軟件生成的模型,獲得的是模型的成果本身,丟失了建模的過(guò)程信息。如建筑模型,其依據(jù)是建模的底面及各層的平面圖、立面圖等,這些信息只能用于建模過(guò)程的參照,而無(wú)法與模型本身產(chǎn)生內(nèi)在聯(lián)系。一般把這種模型叫“靜態(tài)”模型,同地理信息數(shù)據(jù)一樣,具有“建成即過(guò)時(shí)”的特征。對(duì)此,一些學(xué)者、科研機(jī)構(gòu)和軟件開(kāi)發(fā)商提出了新的解決方案,主要包括參數(shù)化設(shè)計(jì),及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的規(guī)則建模等。

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)定義了一個(gè)對(duì)象的特征和對(duì)象間各成員的相互關(guān)系。參數(shù)化模型可以被理解為一個(gè)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)的成員之間“相互關(guān)聯(lián)”。參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)際上也是對(duì)系統(tǒng)各成員之間的“關(guān)聯(lián)關(guān)系”的設(shè)計(jì),也就是制定系統(tǒng)的規(guī)則。而對(duì)參數(shù)化模型的調(diào)整也是指對(duì)這些關(guān)聯(lián)關(guān)系的調(diào)整。只要能夠明確給出各層級(jí)、層級(jí)各組成元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,就可以建立成復(fù)雜但可控的參數(shù)化模型,并能夠方便地創(chuàng)建一系列在形狀或功能上相似的模型方案[3]。

參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)最早被應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,然后被引入到建筑設(shè)計(jì)、路橋設(shè)計(jì)等領(lǐng)域,如緯地道路系統(tǒng)即是基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的解決方案[4]。

2.2 規(guī)則建模技術(shù)

規(guī)則建模指基于一定的規(guī)則描述,利用規(guī)則定義物體的形狀及各部件之間關(guān)系的建模方法,主要有基于語(yǔ)義的方法、基于文法規(guī)則的方法等,是參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)延伸。它主要面向特定的領(lǐng)域,如建筑設(shè)計(jì)等。

在參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,規(guī)則建模技術(shù)通過(guò)集成領(lǐng)域知識(shí)庫(kù),將設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)轉(zhuǎn)化為一系列復(fù)雜的規(guī)則和組件庫(kù)。通過(guò)對(duì)規(guī)則的組合和解譯,構(gòu)建得到建構(gòu)筑物三維模型[5]。規(guī)則建模具有參數(shù)化建模的優(yōu)勢(shì),但更專注于某一領(lǐng)域。規(guī)則和組件庫(kù)的積累將使新的建模工作效率越來(lái)越高,形成前期高投入低回報(bào)、后期低投入高回報(bào)的效率曲線。

3 基于斷面的建模技術(shù)

在分析參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合規(guī)則建模技術(shù)的思想,本文提出了一種基于斷面的建模技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是利用一個(gè)初始斷面,以一定的規(guī)則沿一條拉伸線拉伸,形成物體的三維形態(tài),并基于規(guī)則給每個(gè)面賦予一定的材質(zhì),從而形成物體的三維模型。基于斷面的建模關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 斷面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

斷面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換指將斷面設(shè)計(jì)的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到拉伸線PsPe所在的空間坐標(biāo)系中,如圖1所示。

圖1 斷面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

圖1 中,斷面點(diǎn)p(x,y)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到空間點(diǎn)P(X,Y,Z),根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理,這一過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟:

(1)從平面坐標(biāo)映射到空間坐標(biāo)

由于斷面是二維的,要把它映射到三維空間,可以先默認(rèn)該斷面的法線方向?yàn)閄軸,即將平面坐標(biāo)系的xy平面映射為空間坐標(biāo)系的YZ平面,從而有:

(2)考慮拉伸線的傾斜

不考慮拉伸線的方向,只考慮其傾斜時(shí),相當(dāng)于將斷面繞Y軸旋轉(zhuǎn)。設(shè)拉伸線的傾斜角為θ,則:

(3)考慮拉伸線的方向

考慮拉伸線的方向,即是將斷面繞Z軸旋轉(zhuǎn)。設(shè)拉伸線的方向?yàn)棣?則:

通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,可以將一個(gè)斷面上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都映射到空間坐標(biāo)系下,形成三維的斷面。將這個(gè)三維斷面沿拉伸線進(jìn)行拉伸,并連接各相鄰點(diǎn)形成三角面,即可得到基于斷面的三維模型,如圖1所示。

3.2 轉(zhuǎn)折平滑

一般情況下,拉伸線可能包括多條線段,如果不處理各個(gè)線段之間的模型拼接,就會(huì)出現(xiàn)模型破裂、交叉等問(wèn)題。因此,需要考慮各線段之間模型的平滑過(guò)渡,轉(zhuǎn)折平滑包含平面平滑和豎向平滑兩個(gè)方面?？臻g平滑也叫空間內(nèi)插,主要采用的技術(shù)包括雙線性內(nèi)插、樣條函數(shù)等[6]。但在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,常采用插入圓曲線、緩和曲線等曲線的方式進(jìn)行平滑。由于實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)內(nèi)插的精度要求不高,故本文采用插入曲線方法。

一種通用的解決方案是,通過(guò)構(gòu)建一套規(guī)則,提出統(tǒng)一的內(nèi)插模式。在平面上,考慮線段的方向和交叉情況,任意兩條線段的關(guān)系共有8種。針對(duì)每一種關(guān)系,制定相應(yīng)的內(nèi)插模式,即可實(shí)現(xiàn)任意兩線段之間的平滑過(guò)渡,如圖2所示:

圖2 平面任意兩條線的8種內(nèi)插平滑模式

假設(shè)斷面上任意一點(diǎn)P在相鄰線段L1、L2上的空間坐標(biāo)分別為P10、P11、P20、P21,則形成兩條線段La{P10, P11}、Lb{P20,P21}。對(duì)這兩條線段分別在平面和豎向兩個(gè)平面內(nèi)計(jì)算內(nèi)插曲線Cp、Cv,整合Cp和Cv,即得到一條空間內(nèi)插曲線。在內(nèi)插的基礎(chǔ)上重新構(gòu)建三角面片,即可得到平滑的三維模型,如圖3所示。

圖3 平滑處理前(左)后(中)及貼圖后(右)對(duì)比

3.3 變截面處理

通常,設(shè)計(jì)的對(duì)象不僅包括均勻的具有穩(wěn)定斷面的物體,還包括具有漸變特性的物體,如道路公交停車港的加寬、煙囪從底到頂?shù)氖照取＿@一部分物體的建模需要在標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上,加入對(duì)寬度變化的約束,即具有一個(gè)變化的規(guī)則。這個(gè)規(guī)則包括變化的方式和變化的幅度等因素。將這一規(guī)則定義為:

Rw{S,D,Q,M,L}

其中:Rw為規(guī)則,w代表變寬widden;

S為規(guī)則起點(diǎn),一般用該點(diǎn)到起點(diǎn)的長(zhǎng)度表示;

D為變寬方向,在斷面坐標(biāo)系下從0°～360°;

Q為變化的量;

M為變化的模式,包括直線過(guò)渡和曲線過(guò)渡;

L為規(guī)則影響的長(zhǎng)度;

通過(guò)將該規(guī)則綁定到建模流程,可以在距離起點(diǎn)S到S+L的長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行建模時(shí),重定義斷面,形成變寬的模型。以道路為例,效果如圖4所示。

圖4 變寬處理效果

4 斷面建模技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

基于斷面的建模技術(shù)可以建立具有一定規(guī)則的物體,如道路、橋梁、鐵路等,這些物體可以通過(guò)一個(gè)斷面和變寬處理,即可實(shí)現(xiàn)三維模型的快速構(gòu)建。對(duì)于復(fù)雜物體,如果可以將其分解為各個(gè)具有一定規(guī)則的部件,也可以通過(guò)先設(shè)計(jì)拉伸線、后設(shè)計(jì)斷面的模式實(shí)現(xiàn)三維建模。

4.1 斷面設(shè)計(jì)工具

斷面設(shè)計(jì)是基于斷面建模的基礎(chǔ)。本文基于.NET平臺(tái)的GDI+繪圖技術(shù),設(shè)計(jì)了一個(gè)橫斷面設(shè)計(jì)工具,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面的復(fù)雜設(shè)計(jì)模式,并預(yù)置了三角形、矩形、橢圓、正多邊形等標(biāo)準(zhǔn)組件,通過(guò)對(duì)這些組件的組合,可以形成復(fù)雜的斷面。如道路路基斷面、鐵路路基斷面、單軌軌道斷面等。如圖5所示。

圖5 斷面設(shè)計(jì)工具

4.2 線性物體建模

在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中使用三維地理信息技術(shù)輔助規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析和決策時(shí),經(jīng)常需要為道路、鐵路、軌道交通、管線、溝渠等線性物體進(jìn)行三維建模。在傳統(tǒng)的建模工具如3ds Max等軟件中,雖然可以使用拉伸建模的方式,快速建模這些物體的三維模型。但需要手工調(diào)整貼圖,并且無(wú)法對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。使用斷面建模的手段,不僅實(shí)現(xiàn)快速、高效的建模效果,并且可以在位置和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí),動(dòng)態(tài)地反映出調(diào)整后的效果。從而對(duì)輔助分析和決策提供有力的技術(shù)手段,大大提高規(guī)劃設(shè)計(jì)方案定稿的效率。大范圍場(chǎng)景下的線性物體建模效果如圖6所示。

圖6 大范圍場(chǎng)景線性建模效果

4.3 復(fù)雜物體建模

與線性物體不同,復(fù)雜的物體一般無(wú)法使用一個(gè)斷面實(shí)現(xiàn)建模。如建筑一般包含裙樓、樓體、樓頂造型等,必須使用多個(gè)斷面共同協(xié)作。規(guī)則建模技術(shù)在建筑物建模上進(jìn)行了大量的研究,但一般都是基于大型商用軟件實(shí)現(xiàn),且需要制定復(fù)雜的規(guī)則,不利于技術(shù)的推廣和使用。

在線性物體建模的基礎(chǔ)上,通過(guò)制定一些規(guī)則,可以將一個(gè)復(fù)雜的物體分解為多個(gè)線性物體的組合,各部件模型共同構(gòu)成復(fù)雜物體的模型。主要的規(guī)則有:

(1)連續(xù)性規(guī)則。定義模型是連續(xù)構(gòu)建還是間隔構(gòu)建,如一座橋梁,其路面是連續(xù)的,但橋墩、路燈等部件是間隔的。

(2)附著規(guī)則?？梢詫⒁恍├炀€附著到其他拉伸線的相對(duì)位置上,從而實(shí)現(xiàn)物體部件之間的內(nèi)在聯(lián)系。

(3)空間運(yùn)算規(guī)則。當(dāng)不同的部件之間發(fā)生空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沖突時(shí),可以通過(guò)三維體布爾運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)三角面的裁剪。

連續(xù)性規(guī)則和附著規(guī)則定義了部件如何表現(xiàn)以及部件拉伸線之間的空間相對(duì)關(guān)系?？臻g運(yùn)算規(guī)則用于解決各部件模型之間的合并和拼接問(wèn)題,最終影響到建模的整體外觀效果。常見(jiàn)的空間運(yùn)算規(guī)則包括:

(1)裁剪:用于解決兩個(gè)部件模型之間出現(xiàn)交叉的情況,通過(guò)計(jì)算三角面的交線,裁掉位于模型內(nèi)部的面。裁剪一般用于兩個(gè)部件銜接處的內(nèi)側(cè)。

(2)拼接:用于解決兩個(gè)部件模型之間出現(xiàn)縫隙的情況,通過(guò)計(jì)算兩個(gè)部件頭部斷面的空間關(guān)系,自動(dòng)封閉斷面之間的縫隙。拼接一般用于兩個(gè)部件銜接處的外側(cè)。

通過(guò)整合這些規(guī)則,可以將一個(gè)復(fù)雜建構(gòu)筑物分解為各個(gè)部件,對(duì)每個(gè)部件定義其拉伸線框架及各拉伸線之間的附著關(guān)系,并為每條拉伸線定義斷面信息。在各部件獨(dú)立建模后,通過(guò)空間運(yùn)算進(jìn)行剪切和拼接,即可得到建構(gòu)筑物的整體三維模型。這一建模過(guò)程效果如圖7所示。

圖7 基于斷面的橋梁建模效果

5 結(jié) 論

本文針對(duì)當(dāng)前三維數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)用中對(duì)三維模型快速構(gòu)建和動(dòng)態(tài)調(diào)整的需求,以參數(shù)化設(shè)計(jì)和規(guī)則建模的思想為指導(dǎo),實(shí)現(xiàn)了利用斷面進(jìn)行快速建模的方法。針對(duì)線性物體,可以直接使用斷面、延伸線和變化規(guī)劃的組合直接進(jìn)行三維建模,針對(duì)復(fù)雜物體,通過(guò)對(duì)物體部件進(jìn)行拆分和分開(kāi)定義、空間組合實(shí)現(xiàn)三維建模。

基于斷面的快速建模方法具有原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、模型可調(diào)整等特點(diǎn)。一方面,解決了基于建模軟件的三維建模難以修改的問(wèn)題,另一方面,解決了規(guī)則建模中規(guī)則定義復(fù)雜,需要具有一定編程知識(shí)的問(wèn)題。該方法為各類具有規(guī)則的建構(gòu)筑物快速模擬和動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了一種有效的解決方案。目前,這一建模方式在園區(qū)開(kāi)發(fā)中道路和場(chǎng)地方案設(shè)計(jì)、規(guī)劃建筑方案設(shè)計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果,也可以推廣到三維數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)用的其他方面,輔助規(guī)劃分析和決策,提高決策的水平和效率。

[1] 李永泉,韓文泉,黃志洲.數(shù)字城市三維建模方法比較分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2010,33(2):33～35.

[2] 王瑜,劉西濤,李鍵玲等.3D-GIS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].甘肅科技,2009,25(8):57～59.

[3] 金建國(guó),周明華,鄔學(xué)軍.參數(shù)化設(shè)計(jì)綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003,16(7):16～19.

[4] 何興富,謝征海.基于地理設(shè)計(jì)的三維道路設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].地理信息世界,2013,20(6):72～76.

[5] 徐汝坤.Esri CityEngine-開(kāi)啟三維規(guī)則建模新篇章[OL/ DB].http://wenku.baidu.com/view/bb0c5f3e31126edb6f1a 1015.html

[6] 周汝良,丁琨,石雷.稀疏觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間內(nèi)插方法的分析與比較[J].云南地理環(huán)境研究,2008,20(4):1～6.

Research and Application of a Modeling Method Based on Section

He Xingfu,Hu Zhangjie
(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

The rapid development of 3D digital city brings a lot of extension services,and ask for a fast、standardized and adjustable model build method,but current work mode which depends on 3D modeling software cannot accommodate such needs.So,modeling based on parameters and rules developed.This paper uses parameters modeling technology and binds with rules modeling features,presents a modeling method based on section for building and structures.At last, shows the application effect on assistant urban planning,and present of area design project.

parametric modeling;section;quick modeling;urban planning and design;road modeling

2014—03—05

何興富(1982—),男,工程師,主要研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)。

國(guó)家測(cè)繪地理信息局青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研計(jì)劃課題(2013-19)