基于3DMax與CityEngine的城市道路路燈快速批量自動(dòng)建模方法

程朋根，李志榮，聶運(yùn)菊，2，林淇昕

(1.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2. 流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測(cè)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3. 廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

隨著城市現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，人們對(duì)城市道路照明的需求越來越高[1]。照明設(shè)施的建設(shè)、管理與服務(wù)水平的高低越來越體現(xiàn)一個(gè)城市社會(huì)保障能力的強(qiáng)弱，也反映了一個(gè)城市現(xiàn)代化程度的高低。城市道路照明能為各種車輛的駕駛?cè)藛T以及行人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，達(dá)到保障交通安全、完善城市功能、提高交通運(yùn)輸效率、方便人民生活、降低犯罪率和美化城市環(huán)境的目的[2]。因此在城市管理系統(tǒng)中不斷出現(xiàn)城市道路附屬設(shè)施管理方案，使城市路燈管理更加科學(xué)化、系統(tǒng)化，提高城市路燈的管理水平[3]。三維GIS突破了空間信息在二維地圖平面中單調(diào)表現(xiàn)的束縛，為各行各業(yè)以及人們的日常生活提供更有效的管理、輔助決策支持[4]?；谌SGIS管理系統(tǒng)能夠?yàn)榭蛻籼峁┲庇^的三維路燈展示，能更好地為客戶提供關(guān)于路燈建設(shè)、路燈改建、路燈管理等輔助決策。

在數(shù)字三維城市中，眾多優(yōu)秀的GIS軟件公司也相繼推出各自的三維軟件，例如SuperMap 8c、Skyline或CityMaker等三維平臺(tái)；AutoCAD、3DMax、SketchUp或CityEngine等三維建模軟件。戴彬，鐘若飛，孫偉利，朱紅，張西童等人采用車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)道路附屬設(shè)施或路燈進(jìn)行三維重建，道路附屬設(shè)施三維數(shù)據(jù)精度高，但點(diǎn)云處理的過程復(fù)雜，仍需要大量的人工交互，且數(shù)據(jù)量大[5-8]。趙雨琪，劉茂華，呂永來，陳秋曉，謝衍憶[9-13]等人利用CityEngine參數(shù)化建模的特點(diǎn)，在道路中心線引入外部路燈模型進(jìn)行路燈的批量建模，但所建模型的位置并不是在實(shí)際路燈坐標(biāo)點(diǎn)上，從而導(dǎo)致路燈位置不準(zhǔn)確[9-13]。同時(shí)，三維城市建設(shè)中道路附屬設(shè)施通常采用3DMax或SketchUp進(jìn)行手工建模，再將路燈三維模型手工擺放路燈坐標(biāo)點(diǎn)上，或隨意擺放到不準(zhǔn)確坐標(biāo)的道路兩旁，因此這種方法導(dǎo)致建模效率低、路燈位置不精確等問題。

本文針對(duì)城市道路附屬設(shè)施中路燈采用車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，點(diǎn)云處理過程復(fù)雜，人工交互多，數(shù)據(jù)量大；以及采用3DMax或SketchUp進(jìn)行手工建模及擺放，效率低，位置不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)；提出基于3DMax與CityEngine的城市道路路燈批量建模與擺放方法。首先，在3DMax 根據(jù)實(shí)際路燈的外觀建立相同的路燈模型；其次，分析路燈坐標(biāo)點(diǎn)與道路中心線的空間關(guān)系計(jì)算鄰近角，再導(dǎo)入到CityEngine中，在路燈坐標(biāo)點(diǎn)上利用幾何函數(shù)與路燈坐標(biāo)點(diǎn)的屬性信息批量自動(dòng)建模，并通過規(guī)則程序調(diào)整路燈的大小與方向；最后，將路燈模型批量單棟導(dǎo)出，導(dǎo)入到3DMax中能夠直接進(jìn)行模型修改與格式轉(zhuǎn)換，能夠更快捷地為三維平臺(tái)提供數(shù)據(jù)。為城市管理中城市道路附屬設(shè)施路燈的三維建模提供實(shí)用、高效率、高精度的解決方案。

1 路燈批量自動(dòng)建模方法流程

本文研究對(duì)象為城市道路附屬設(shè)施中的路燈。路燈坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)與道路中心線數(shù)據(jù)是三維建模的基礎(chǔ)，對(duì)佛山石灣街道忠信路、東風(fēng)路、江濱路等道路中的路燈進(jìn)行采集，利用3DMax進(jìn)行建模。采用CityEngine軟件通過編寫規(guī)則程序引入外部靜態(tài)模型，聯(lián)接坐標(biāo)點(diǎn)空間數(shù)據(jù)、屬性信息、規(guī)則、路燈模型庫進(jìn)行自動(dòng)建模。

首先，應(yīng)用GIS和CAD等技術(shù)獲取道路中心線、路燈坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入ArcMap中添加路燈高度、路燈樣式、路燈鄰近角字段，將對(duì)應(yīng)的屬性信息添加到屬性表中。其次，在3DMax中建立與實(shí)際相同的路燈模型，然后在CityEngine中編寫批量自動(dòng)生成路燈三維模型的程序，并批量自動(dòng)生成模型；其中通過幾何創(chuàng)建函數(shù)引入外部靜態(tài)模型，先初始化路燈的樣式、大小、方向，然后在建模過程中將路燈坐標(biāo)點(diǎn)屬性表的信息作為實(shí)際參數(shù)傳遞給初始化的參數(shù)，使路燈的真實(shí)樣式、大小、方向等信息表現(xiàn)出來，以達(dá)到與真實(shí)一致。最后，在CityEngine中批量單棟導(dǎo)出obj格式的路燈模型，然后在3DMax中運(yùn)行批量導(dǎo)入obj格式模型的插件(MaxScript腳本)導(dǎo)入模型，將導(dǎo)入的三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景整合和格式轉(zhuǎn)換，最終導(dǎo)入到SuperMap 8c或Skyline三維平臺(tái)中，總體流程如圖1所示。

1.1 3DMax建立路燈模型

運(yùn)用3DMax強(qiáng)大的建模功能進(jìn)行三維建模，建模的過程中綜合運(yùn)用拉伸、分割、旋轉(zhuǎn)、對(duì)齊及布爾運(yùn)算等技術(shù)，把路燈的模型做到與實(shí)物一樣，并注意各個(gè)路燈模型的尺寸大致一樣。3DMax中建立的路燈模型如圖2所示。

在模型導(dǎo)出前，將模型的軸點(diǎn)中心坐標(biāo)值統(tǒng)一設(shè)置為(0,0,h/2)，其中h為模型的高度，朝向均為正北方向；最后模型導(dǎo)出為obj格式，名稱依次為1至12。

1.2 路燈坐標(biāo)點(diǎn)預(yù)處理

1.2.1 提取路燈坐標(biāo)點(diǎn)與道路中心線

在城市三維建模中，通?？蛻魰?huì)提供建模矢量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如建筑點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，道路中心線，交通點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，水系點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)等，CAD數(shù)據(jù)如圖3與圖4所示。如果原始數(shù)據(jù)是CAD數(shù)據(jù)，需要提取道路中心線數(shù)據(jù)與路燈坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)；然后添加到ArcMap中分別保存為shp格式，并添加空間參考，本文采用UTM84投影坐標(biāo)系。

圖1 批量建模流程

圖2 路燈模型庫

圖3 CAD圖層管理

圖4 CAD道路中心點(diǎn)與路燈坐標(biāo)點(diǎn)

在路燈坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)的屬性表中，添加路燈高度、路燈樣式、路燈鄰近角字段，并對(duì)照外業(yè)采集的相片與路燈模型庫中的路燈進(jìn)行對(duì)照，把對(duì)應(yīng)路燈模型的樣式代碼作為屬性值添加到路燈樣式屬性中，同時(shí)將路燈的真實(shí)高度錄入到路燈高度屬性中。路燈坐標(biāo)點(diǎn)屬性表中需添加的字段如表1所示。

在冠詞選擇參數(shù)的基礎(chǔ)上，Ionin 等提出波動(dòng)假說，認(rèn)為普遍語法在二語習(xí)得中具有完全可及性，如果母語中缺少冠詞系統(tǒng)，二語學(xué)習(xí)者在開始習(xí)得冠詞時(shí)會(huì)在兩種參數(shù)值之間波動(dòng)，直到足夠的二語輸入使其可以設(shè)定正確的參數(shù)值，從而完全習(xí)得冠詞［9］16 。

表1 路燈坐標(biāo)點(diǎn)屬性表添加的字段

1.2.2 判斷空間關(guān)系

判斷路燈坐標(biāo)點(diǎn)與道路中心的空間關(guān)系，將道路中心線作為路燈坐標(biāo)點(diǎn)的鄰近要素，計(jì)算路燈坐標(biāo)點(diǎn)的鄰近角，如圖5所示，并把鄰近角作為屬性值添加到路燈坐標(biāo)點(diǎn)的屬性表中。在批量自動(dòng)建模過程中利用鄰近角來確定路燈的方向。注意：鄰近角以正東方向?yàn)檎S方向，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。

1.3 CityEngine批量生成路燈模型

基于CityEngine參數(shù)化批量自動(dòng)建模是計(jì)算機(jī)程序三維建模，路燈模型的批量生成依賴于CGA規(guī)則程序的幾何函數(shù)。采用CGA規(guī)則中的幾何創(chuàng)建函數(shù)，引入外部的靜態(tài)模型，并根據(jù)路燈坐標(biāo)點(diǎn)、路燈樣式屬性值確定路燈的樣式。引入前的靜態(tài)模型在3DMax中的朝向?yàn)檎狈较?，在CityEngine中場(chǎng)景坐標(biāo)系y軸以正北方向?yàn)檎S方向，同樣逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。采用幾何變換函數(shù)調(diào)整路燈模型的大小，設(shè)置模型的偏移量，根據(jù)鄰近角調(diào)整路燈的方向。批量自動(dòng)生成模型的流程如圖6所示。

圖5 計(jì)算路燈坐標(biāo)點(diǎn)要素的鄰近角

圖6 批量生成路燈模型步驟

CityEngine中模型的旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算過程(相對(duì)于正北方向)為：

批量建模過程中主要用到的函數(shù)如表2所示。

1)設(shè)置路燈樣式： 在CGA規(guī)則中初始化路燈樣式，生成模型前聯(lián)接路燈坐標(biāo)點(diǎn)表示路燈樣式的屬性字段，建模時(shí)路燈坐標(biāo)點(diǎn)中代表路燈樣式的屬性值作為實(shí)際參數(shù)確定路燈的樣式；

AttrLAMP_STYLE=1

importLamp-->

i(getObj(LAMP_STYLE))

表2 主要用到的幾何函數(shù)

2)設(shè)置路燈的高度： 在CGA規(guī)則中初始化路燈的高度，生成模型前聯(lián)接路燈高度字段，批量建模時(shí)路燈坐標(biāo)點(diǎn)的高度屬性數(shù)據(jù)作為實(shí)際參數(shù)確定路燈的高度信息。

AttrLAMP_HEIGHT=10

importLamp_heitht-->

s(x,LAMP_HEIGHT,z)

3)設(shè)置路燈的旋轉(zhuǎn)角度： 在CGA規(guī)則中初始化路燈的鄰近角，聯(lián)立路燈坐標(biāo)點(diǎn)的鄰近角，計(jì)算路燈模型的旋轉(zhuǎn)角度angle_z，建模時(shí)路燈點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)鄰近角作為實(shí)際參數(shù)確定路燈的旋轉(zhuǎn)角度。

AttrNEAR_ANGLE =10

angle_z=NEAR_ANGLE-90

importLamp_heitht-->

rotate(rel, world, 0,angle_z, 0)

1.4 批量生成路燈三維模型

將預(yù)處理完成的shp格式的路燈坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CityEngine中，選擇路燈點(diǎn)并關(guān)聯(lián)路燈點(diǎn)的路燈樣式、路燈高度、鄰近角字段，然后運(yùn)行CGA批量建模規(guī)則程序，批量生成路燈三維模型。建模程序依次讀取每一個(gè)shp點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的屬性信息(路燈樣式、路燈高度、鄰近角)，根據(jù)路燈點(diǎn)的屬性信息獲取對(duì)應(yīng)樣式，生成對(duì)應(yīng)高度的路燈，并且根據(jù)鄰近角調(diào)整路燈的角度，路燈的燈臂與道路中心線垂直。采用該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)佛山石灣街道忠信路、東風(fēng)路、江濱路等道路的路燈進(jìn)行建模，批量生成的路燈模型如圖7所示，路燈模型的生成效率高，模型的結(jié)構(gòu)基本一致，路燈的朝向與實(shí)際幾乎相符。

圖7 CityEngine批量生成三維路燈模型

2 模型的導(dǎo)出與導(dǎo)入

數(shù)字三維城市建設(shè)中，在三維平臺(tái)(例如：SuperMap 8c或Skyline)中構(gòu)建三維場(chǎng)景，通常需要在3DMax中將三維場(chǎng)景分別轉(zhuǎn)換為fbx格式或.x與xp2格式的數(shù)據(jù)，然后再導(dǎo)入到三維平臺(tái)中。由于三維平臺(tái)中導(dǎo)入三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)格式的要求，所以本文批量自動(dòng)建立的路燈模型最終需要導(dǎo)入到3DMax進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，所以在CityEngine批量建模的模型需要全部導(dǎo)出。然后使用批量導(dǎo)入obj格式模型的插件將文中圖7的路燈模型導(dǎo)入到3DMax中，如圖8所示，路燈模型可以直接進(jìn)行修改，能夠更高效地為三維平臺(tái)構(gòu)建三維場(chǎng)景提供三維數(shù)據(jù)，并可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和重復(fù)利用。

圖8 3DMax批量導(dǎo)入的路燈三維模型

3 結(jié)束語

綜上所述，本文以二維城市測(cè)繪數(shù)據(jù)的空間信息和屬性信息為建模基礎(chǔ)，通過分析路燈坐標(biāo)點(diǎn)與道路中心線的空間關(guān)系，采用鄰近角來控制路燈的方向，編制批量自動(dòng)生成路燈三維模型的CGA程序，將二維數(shù)據(jù)的屬性信息與程序中設(shè)置的參數(shù)建立聯(lián)接關(guān)系，控制模型的樣式、大小及方向，其程序方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，建模效率高，同時(shí)在路燈坐標(biāo)點(diǎn)上建立路燈模型提高模型位置的精度；然后使用編制的模型導(dǎo)入插件，將模型導(dǎo)入到3DMax軟件中進(jìn)行場(chǎng)景整合與格式轉(zhuǎn)換，更高效地為三維平臺(tái)中提供三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)。

本文提出的基于3DMax與CityEngine的城市道路路燈批量建模與擺放方法可以更充分利用路燈坐標(biāo)點(diǎn)二維數(shù)據(jù)的空間信息和屬性信息，并對(duì)路燈三維模型的樣式、大小及方向進(jìn)行有效控制，快速批量自動(dòng)生成坐標(biāo)更為準(zhǔn)確的路燈三維模型；為三維城市建設(shè)中道路附屬設(shè)施路燈的批量自動(dòng)建模提供了實(shí)用、低成本、高效率的解決方案。但該方法對(duì)城市道路附屬設(shè)施中具有文字信息，如路牌的三維建模仍具有局限性。

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