基于CityEngine的三維場景快速建模研究

劉強(qiáng)+林孝松

摘要：依據(jù)GIS數(shù)據(jù)作為建?；A(chǔ)，在CityEngine中運(yùn)用CGA規(guī)則，以重慶交通大學(xué)為研究區(qū)域，對該區(qū)域進(jìn)行了快速模型生成，然后對具體模型進(jìn)行動態(tài)參數(shù)調(diào)整，對特定建筑進(jìn)行精細(xì)化編輯，最后生成了三維場景。

關(guān)鍵詞：三維建模；CGA規(guī)則建模；三維GIS

1 引言

三維建模技術(shù)是運(yùn)用計算機(jī)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(shí)、形象地展示現(xiàn)實(shí)世界，普遍應(yīng)用于區(qū)域規(guī)劃、智慧城市、建筑設(shè)計、安全應(yīng)急等領(lǐng)域[1]。通常的三維建模方式以手工方式創(chuàng)建為主，雖然可以產(chǎn)生比較精細(xì)，美觀的模型，但是需要勞動密級型的重復(fù)工作，人力財力成本較高。而且在數(shù)據(jù)處理的過程中容易造成數(shù)據(jù)丟失，精度及位置匹配不一致，屬性管理、后期維護(hù)困難。建好的模型以展示為主，沒有體現(xiàn)其價值。

張暉等基于CityEngine對建筑三維建模技術(shù)進(jìn)行了研究[2]；黃良平通過程序編寫規(guī)則代碼，主要對城市重要組成部分進(jìn)行快速三維建模[3]；周玲重點(diǎn)對道路和建筑進(jìn)行參數(shù)化建模，對城市主要構(gòu)成要素進(jìn)行了三維建模方法的研究[4]?？梢?，基于CityEngine，利用CGA規(guī)則，編寫程序進(jìn)行批量生產(chǎn)三維模型，降低三維模型生產(chǎn)周期和成本、挖掘三維數(shù)據(jù)使用的潛力，對三維GIS的應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

要構(gòu)建三維場景建模所需要的數(shù)據(jù)包括，數(shù)字線劃地圖（DLG， Digital Line Graphic）、建筑物的信息、道路中心線以及紋理貼圖等[5]。

2.1 數(shù)字線畫地圖

數(shù)字線畫地圖（DLG）是與現(xiàn)有線劃基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，且保存各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息[6]。數(shù)字線畫地圖作為三維建模的關(guān)鍵，決定了三維模型的質(zhì)量，是制作三維場景的基礎(chǔ)。

筆者以重慶交通大學(xué)為例，通過谷歌地圖下載重慶交通大學(xué)南岸校區(qū)的高分辨率遙感影像圖，利用Arc Map軟件進(jìn)行矢量化等一系列操作得到研究區(qū)域的數(shù)字線畫地圖。谷歌地圖使用的是WGS84地理坐標(biāo)系，首先使用Data Management Tools下的Project Raster工具進(jìn)行坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)系；然后新建地理空間數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫里新建Shape file圖層，根據(jù)地物輪廓對研究區(qū)域的遙感影像圖進(jìn)行矢量化；最后對數(shù)據(jù)編輯，建立要素的屬性等一系列操作。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖1所示。

2.2 建筑物數(shù)據(jù)

建筑物在三維場景中是尤為重要的，建模必要的建筑物數(shù)據(jù)主要包括建筑物幾何形狀數(shù)據(jù)，建筑物高度，樓層等信息。

建筑物幾何數(shù)據(jù)獲取途徑有很多，這里使用遙感影像圖人工矢量的線畫圖來獲??；建筑物高度、樓層等其他屬性信息采用人工估算的方式來獲取，這種方式獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際建筑物相差不大，對于精度要求不高的三維景觀建模來說，是一個簡單快速，節(jié)省時間以及人力的最好方法。建筑物屬性信息如圖2所示。

2.3 道路中心線

在一個場景中，道路包含的關(guān)鍵信息包括道路的長度，寬度，綠化帶、路燈等。在CityEngine中，所需要的空間數(shù)據(jù)是道路的中心線數(shù)據(jù)，道路中心線屬性數(shù)據(jù)包

括了這些道路的基本信息，道路的屬性信息如圖3所示。

2.4 紋理貼圖

三維場景模型的渲染離不開紋理貼圖，CityEngine生成的三維模型賦予實(shí)景照片，就可以形成逼真的三維模型。紋理貼圖可以分為建筑紋理，道路紋理，以及地物紋理這三類。為了得到更好的紋理圖片效果，還要利用圖像處理軟件對原始的紋理照片進(jìn)行大小、顏色、亮度、對比度，以及遮擋物去除、裁剪、拉伸等處理。

3 三維建模

3.1 建筑物建模

CityEngine中建筑物建模一般步驟是通過CGA規(guī)則對建筑物基底輪廓拉伸形成，而對于復(fù)雜的建筑物則無法實(shí)現(xiàn)，因此將建筑建模分為規(guī)則建模和不規(guī)則建模，不規(guī)則建模主要指對場景中的標(biāo)志性建筑，不規(guī)則建模一般很難通過CGA規(guī)則實(shí)現(xiàn)，一般利用第三方建模軟件或者CGA的Polygonal Shape Creation和Rectangle Shape Creation工具進(jìn)行精細(xì)建模，然后利用Shape Texturing Tool工具貼圖。精細(xì)化建模效果如圖4。

3.2 道路建模

CityEngine道路參數(shù)化建模的一般思路是：根據(jù)道路的特征和組成，將道路分為Street（街道），Crossing（路口）， Junction（交界）， Crosswalk（路口人行道）， Sidewalk（人行道）， JunctionEntry（交界入口），以及綠化帶，橋梁，路燈，車輛，行人等要素，由于研究區(qū)域有輕軌軌道，因此需要考慮輕軌建模，輕軌建模思路和橋梁類似。對道路各個組成部分建立對應(yīng)的CGA規(guī)則，通過調(diào)整參數(shù)來建立與修改道路模型（圖7）。

3.3 地面附屬物建模

除了建筑物和道路外，還需要對綠化帶，運(yùn)動場等地面附屬物進(jìn)行建模。綠化帶建模規(guī)則主要思路是綠地貼圖以及散點(diǎn)樹模型替換；運(yùn)動場的建模規(guī)則主要是根據(jù)運(yùn)動場類型進(jìn)行貼圖生成。

2017年2月綠 色 科 技第4期

4 三維場景預(yù)覽

通過對研究區(qū)域建筑物、道路、綠化帶運(yùn)動場等要素的CGA規(guī)則書寫以及應(yīng)用，研究區(qū)三維模型總體效果如圖8所示。

5 三維場景應(yīng)用

三維場景在城市、小區(qū)等的全局或者局部景觀展示，虛擬旅游、建設(shè)規(guī)劃、智慧城市的建設(shè)、地圖空間信息查詢、空間分析地圖導(dǎo)航、應(yīng)急救災(zāi)等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)論及展望

（1）以GIS要素和屬性數(shù)據(jù)作為建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用CGA規(guī)則驅(qū)動創(chuàng)造三維模型，動態(tài)智能編輯與布局可以快速建立三維建模。

（2）避免大量重復(fù)的手工建模，將建模規(guī)則融合到代碼中，應(yīng)用規(guī)則可以快速生成道路、建筑等三維模型、可調(diào)整的三維模型參數(shù)極大地方便了代碼的可重復(fù)利用性。

（3）近年來，隨著傾斜攝影測量技術(shù)的誕生及發(fā)展，越來越多的人將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到智慧城市的建設(shè)之中，相比于傳統(tǒng)航空攝影，傾斜攝影技術(shù)不但可以滿足傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)制作的一切要求，同時多角度的拍攝更有利于獲取地物紋理，尤其是建筑物側(cè)面紋理，從而可以將航空影像應(yīng)用到三維模型數(shù)據(jù)的制作當(dāng)中，形成“智慧城市”地理信息數(shù)據(jù)中的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，節(jié)約制作傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)的人力、物力及時間成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]王俊偉，簡 季，周云帆. 數(shù)字校園應(yīng)用中CityEngine快速參數(shù)化三維建模研究[J]. 測繪，2014（4）：161～164.

[2]張 暉，劉 超，李 妍，等. 基于CityEngine的建筑物三維建模技術(shù)研究[J]. 測繪通報，2014（11）：108～112.

[3]黃良平. 基于CityEngine的城市三維建模方法研究及應(yīng)用[D].贛州：江西理工大學(xué)，2015.

[4]周 玲. 基于參數(shù)化技術(shù)的數(shù)字城市三維建模方法[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

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[8]祁向前，喬 輝. 基于CityEngine數(shù)字校園建筑物三維建模研究[J]. 山西建筑，2016（2）：255～257.

Research on fast modeling of 3D scene based on CityEngine

Liu Qiang，Lin Xiaosong

（School of architectureand urban planning，ChongqingJiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract： Based on the GIS data as the basis of modeling， the use of CGA rules in CityEngine， taking Chongqing Jiaotong University as the research object，fast model generation in the region， then the dynamic parameter adjustment on the specific model of the particular building， finally generate 3D scene.

Key words： CityEngine； 3D modeling； CGA rule modeling； 3D GIS