基于CityEngine的城市三維快速建模方法及應(yīng)用

謝衍憶，黃良平，陳元增，李 芳（.贛州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，江西 贛州 34000；.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 34000）

基于CityEngine的城市三維快速建模方法及應(yīng)用

謝衍憶1，黃良平2，陳元增1，李 芳1
（1.贛州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000）

基于CityEngine的規(guī)則化建模方法，通過程序編寫規(guī)則，對構(gòu)成城市的重要組成部分建筑物、道路、綠化帶、地面、水面進行程序化快速三維重建。以贛州市部分地區(qū)為例，實現(xiàn)了該地區(qū)的快速三維重建。

數(shù)字城市；三維模型 ；CityEngine ；規(guī)則化建模

三維建模技術(shù)是運用計算機技術(shù)，將地理空間數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)的以二維平面圖為主的表現(xiàn)方式轉(zhuǎn)換為以三維立體模型的方式顯示出來，能更真實、形象地展示現(xiàn)實世界，廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、安全應(yīng)急等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的三維建模方法主要采用人工建立精細的三維模型，雖然展示效果好，但建模周期長、建模成本高，且共享性不高。甚至建好的數(shù)字城市模型由于其龐大的數(shù)據(jù)量根本無法在一般設(shè)備上運行。因此，如何快速、高效地生成最優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫，是目前大范圍三維建模的關(guān)鍵問題[1]。

1 基于CityEngine的三維建模設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 數(shù)據(jù)準備與處理

1）建筑物。構(gòu)建建筑物的三維模型，首先要獲得建筑物的外部輪廓線。若有測繪地形圖，可以直接從地形圖里提取建筑物平面輪廓的CAD數(shù)據(jù)，并使用ArcGIS工具，將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Shapefile文件，并為其增加代表建筑物高度的樓層屬性列[floors]、屋頂?shù)膶傩粤衃RoofType]、代表建筑名稱的屬性列[BuildingName]和代表住戶信息的屬性列[ZhuHu]。若沒有CAD數(shù)據(jù)，也可在ArcGIS中通過高分辨率的遙感圖像或者Google Earth地圖矢量化得到建筑物輪廓圖。

2）道路中心線。在CityEngine中，根據(jù)道路建模需求，首先需要準備道路中心線數(shù)據(jù)，道路中心線屬性表中包括道路的寬度、車道數(shù)等基本屬性信息。

3）紋理數(shù)據(jù)采集。①一般性建筑貼圖。為了實現(xiàn)更好的三維顯示效果，讓紋理更加真實，本文將所有建筑按照樓層數(shù)（floors）分為3大類：低層 、中層和高層。其中，低層建筑的表面紋理主要是磚石結(jié)構(gòu)；中層建筑表面紋理主要以磚、混凝土為主；高層建筑表面主要以混凝土和玻璃為主，反映到貼圖上它們就會貼上不同材質(zhì)的紋理。②道路貼圖。道路的設(shè)計具有嚴格的標準與規(guī)范，因而其貼圖的規(guī)范性也較強，可以根據(jù)道路的標準收集相應(yīng)的貼圖[4]。

1.2 建筑物三維建模

1）規(guī)則創(chuàng)建。在數(shù)據(jù)處理后，對建筑物平面輪廓進行相關(guān)參數(shù)的增加及其屬性賦值?；谠摰貕K實際的建筑樣式，應(yīng)用上文提出的建模方法,通過編寫詳細參數(shù)規(guī)則（CGA），讀取建筑物的所有屬性信息，并根據(jù)樓層數(shù)（floors）字段對建筑進行拉伸、細化和貼紋理，根據(jù)屬性值[RoofType]重建建筑物頂部的形狀[5]。

2）規(guī)則應(yīng)用與建模。規(guī)則創(chuàng)建時可以根據(jù)每種建筑類型創(chuàng)建一種代碼，選擇需要生成的某一個或者某一類模型的建筑平面輪廓，選擇Rule File,選擇它對應(yīng)的規(guī)則，設(shè)置其Start Rule（一般建筑均為LOT），生成模型，如圖1所示。

圖1 同一個建筑物應(yīng)用不同的規(guī)則后的效果

本文中編寫的參數(shù)規(guī)則 （CGA）根據(jù)層高和屋頂形狀自動賦予建筑樣式和紋理，選擇建筑物所在的圖層，右鍵選擇Select/Select Objects In Same layer,選中所有的建筑圖層，直接將規(guī)則拖到區(qū)域中即可快速生成三維建筑模型，如圖2所示。

1.3 道路及附屬物三維建模

實驗區(qū)內(nèi)主要道路包括客家大道、長征大道、翠微路、章江南大道、贊賢路。區(qū)內(nèi)主要道路斷面設(shè)置情況如表1所示。

圖2 應(yīng)用規(guī)則后快速生成的建筑物模型

表1 實驗區(qū)內(nèi)主要道路的路面設(shè)置情況

將道路規(guī)則應(yīng)用于區(qū)域內(nèi)的章江南大道、贊賢路，生成的模型如圖3所示。

圖3 基于規(guī)則建立的道路模型

1.4 綠化帶及水面建模

1）綠化區(qū)散點樹的創(chuàng)建[6]。綠化區(qū)散點樹的生成涉及2個方面：散點樹的生成及模型樹替換。

2）水面的建模。水面的建模比較簡單，直接將水面貼圖貼到水面的輪廓線內(nèi)即可。本文使用了CityEngine 2012版本，最新的CityEngine 2013、2014版本能夠支持動態(tài)水的生成，本文沒有研究。

2 生成三維效果及功能

分別將區(qū)域內(nèi)的建筑、道路、綠化帶及水面應(yīng)用對應(yīng)的規(guī)則后，生成的總體效果如圖4所示。

圖4 總體效果圖

3 在CityEngine中實現(xiàn)的功能

1）建筑物單體信息查詢。單擊三維場景中的建筑物，可以通過Inspector屬性窗體形式顯示所點擊建筑物單體的屬性信息，如建筑物的名字、建筑物的層數(shù)、建筑物高度、建筑里的住戶等。建筑物屬性信息主要來源于地理空間數(shù)據(jù)庫中建筑物圖層的屬性數(shù)據(jù)[7]，如圖5所示。

圖5 CityEngine中建筑物單體信息查詢

2）三維模型的屬性調(diào)整。在CityEngine中，可以根據(jù)需要實時調(diào)整模型的規(guī)則、模型的屬性，如建筑高度、層高和首層高度、建筑物屋頂類型、建筑物的紋理等[8]。

3）規(guī)劃指標的分析。系統(tǒng)提供了規(guī)劃指標分析功能，可以選擇一塊區(qū)域，通過空間分析得到區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀建筑物，從而統(tǒng)計出該區(qū)域的總面積、總建筑面積，同時可以分析得到建筑密度和容積率指標信息。

4 結(jié) 語

在Esri CityEngine平臺下，基于規(guī)則(CGA)的三維快速建模方法，通過規(guī)則能調(diào)用GIS數(shù)據(jù)中屬性數(shù)據(jù)，進行程序批量快速建模，很好地利用了現(xiàn)有的二維GIS數(shù)據(jù)，同時提高了大范圍城市三維建模的效率，為大場景三維快速建模提供了一種新的方法。

[1] 曹晶,邵遠征,張煜,等．大范圍地形及城市三維快速建模與漫游[J]．長江科學院院報,2008(4):40-43

[2] 賈建華,張艮龍．巷道三維顯示自動建模新方法[J]．西安科技大學學報,2010(6):716-719

[3] 郭燁旻．應(yīng)用粒子系統(tǒng)構(gòu)建云霧模型[J]．長春師范學院學報,2012(12):26-28

[4] 徐汝坤,甘鑫平．CityEngine精英培訓班擴展學習參考手冊[EB/OL]． http://wenku．baidu．com/link?url=v2XfFaRwoa3bmLHtz_qg5PJ2Bk0UuE9oxgIRbAEGAr33xdrN2ZvcP8gURwfrqv xn5qUGFnTmXDYBQQo7ZqFcohnqs25hEMAsZLjQvzAc My,2014-09-20

[5] 喻錚錚,胡圣武．河南理工大學新校區(qū)的數(shù)字校園建設(shè)[J]．測繪與空間地理信息,2006(2):99-102

[6] 孫琳．合肥市包河區(qū)道路綠化現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究[D]．合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學,2013

[7] 王亮．基于SkyLine城市三維景觀重建與應(yīng)用研究[D]．贛州:江西理工大學,2012

[8] 陳引川,王青山．基于CityGML的城市建筑物三維建模研究[J]．北京測繪,2011(3):8-10

P208

B

1672-4623（2016）02-0039-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.014

謝衍憶，正高職高級工程師，國家特許注冊測繪師，研究方向為測繪工程、城市規(guī)劃。

2014-10-29。

項目來源：江西省科學技術(shù)廳重點資助項目（2014BBA10015）。