基于CityEngine的重慶嘉陵江地區(qū)三維建模

王思睿 馬晨陽 江濤

（1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院 山東省青島市 266590）

（2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院定量遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京市 100094）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、3S（Remote Sensing, RS; Geographic Information System, GIS; Global Navigation Satellite System, GNSS）技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體技術(shù)的發(fā)展，三維全景漫游已經(jīng)逐步興起并被應(yīng)用于城市規(guī)劃、旅游、教育、軍事、娛樂等領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，如Autodesk 公司的AutoCAD、3ds Max、Maya 以及Google公司的SketchUp 等主流三維軟件的功能已經(jīng)十分強(qiáng)大，具有較好的建模效果[1]。在三維城市建模研究中，常用的建模有無人機(jī)采集數(shù)據(jù)建立三維城市模型[2-3]，數(shù)據(jù)量大，投入人力物力較多；激光[4]技術(shù)建立三維輸電線路桿塔模型，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)成本高、數(shù)據(jù)量大、處理過程較繁瑣；近年來，基于CityEngine[5-12]的建模方法已經(jīng)在地理場(chǎng)景中得到廣泛地應(yīng)用。在CityEngine 中創(chuàng)建形狀文件，并通過生成街道網(wǎng)絡(luò)、生成圖層、線框模型、建筑立面生成，建筑立面紋理化和手動(dòng)編輯并更新建筑物數(shù)據(jù)等。但是，CityEngine 本身能構(gòu)建的模型較簡(jiǎn)單，復(fù)雜的建筑依舊是依賴其他軟件的靜態(tài)模型導(dǎo)入，建模體系沒有充分利用遞歸的思想，效率較低；模型的視覺效果和批量化也有待進(jìn)一步改進(jìn)。

本文基于CityEngine 環(huán)境，對(duì)建模原理、模型細(xì)節(jié)處理以及靜態(tài)模型的調(diào)用等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并提出了解決模型缺失的遞歸方法和進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模的朝向思想。將模型真實(shí)化、精細(xì)化，優(yōu)化了道路、水體等視覺效果。實(shí)驗(yàn)證明，上述方法和思想具有較高的可行性與參考價(jià)值。同時(shí)，經(jīng)過對(duì)三維場(chǎng)景的分析，基于CityEngine的三維建模具有較高的效率和場(chǎng)景適應(yīng)性。

2 原理與方法

作為CityEngine 生態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，CGA 規(guī)則在三維批量建模中發(fā)揮著不可或缺的作用。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的CityEngine 工程當(dāng)中，通過CGA 規(guī)則的定義，不僅可以增加模型的細(xì)節(jié)，還能夠以迭代等方式對(duì)模型采取進(jìn)一步地優(yōu)化。由于CGA 的語句是逐行執(zhí)行的，模型實(shí)際的渲染同樣是逐步進(jìn)行的，圖1 便是由形狀逐步組成模型的過程。

在模型生成過程當(dāng)中，CGA 規(guī)則往往需要在多個(gè)方面對(duì)形狀的細(xì)節(jié)進(jìn)行定義，從而形成不同的建筑結(jié)構(gòu)。規(guī)則的定義過程可以抽象成4 個(gè)部分：幾何形狀、幾何屬性、形狀操作和語法規(guī)則。本文所介紹的建模方法，主要是將ArcGIS 的生成的空間數(shù)據(jù)作為建模基礎(chǔ)，將SketchUp 等軟件生成的靜態(tài)模型作為模型調(diào)用庫，配合CGA 規(guī)則進(jìn)行三維模型的生成。經(jīng)研究，該方法具有建模速度快、模型精度高、數(shù)據(jù)冗余小和場(chǎng)景適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 基于CityEngine的三維建模

3.1 研究區(qū)基本簡(jiǎn)介

本文選取了重慶嘉陵江及沿岸作為建模研究區(qū)。建模區(qū)域地處嘉陵江與長江交會(huì)處附近，位于東經(jīng)106°33′54″—106°34′59″、北緯29°33′27″—29°34′43″，涵蓋重慶市渝中區(qū)、江北區(qū)江岸以及嘉陵江部分水域。該區(qū)域既有現(xiàn)代化的建筑（如重慶國際時(shí)尚發(fā)布中心），又有名勝古跡（如洪崖洞），是著名的旅游勝地。其獨(dú)特的地理環(huán)境造就了獨(dú)特的三維景觀，參考該區(qū)域的生成的三維模型，可以作為前端數(shù)據(jù)輸入GIS，并進(jìn)行空間分析等操作，進(jìn)一步為城市規(guī)劃者提供科學(xué)有效的參考。

3.2 三維建模

CGA 語言作為本文研究的關(guān)鍵，在CityEngine 三維建模過程當(dāng)中起到了至關(guān)重要的作用。CGA 語言采用的是函數(shù)調(diào)用的方式去定義建模的規(guī)則，通過迭代等方法去簡(jiǎn)化規(guī)則，提高規(guī)則的執(zhí)行效率。CGA 定義的規(guī)則包括條件規(guī)則、參數(shù)規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則和隨機(jī)規(guī)則[10]，借助這種劃分，便可以將一個(gè)復(fù)雜的規(guī)則自頂向下分解成若干模塊，每個(gè)模塊擁有其自己獨(dú)立的屬性，這些屬性直觀反映了模型的具體特征，這符合CityEngine 面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷耄磳⒁?guī)則模塊化。

圖1：CityEngine 環(huán)境中模型的渲染過程（由左向右）

建模數(shù)據(jù)流傳遞的框架如圖2 所示。根據(jù)該框架，數(shù)據(jù)傳遞過程可以分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理和CGA 規(guī)則編寫三個(gè)部分。數(shù)據(jù)收集工作主要包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)預(yù)處理，分別對(duì)應(yīng)的實(shí)際操作為數(shù)據(jù)的GIS 矢量化和數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）預(yù)處理；數(shù)據(jù)處理工作主要為道路網(wǎng)的空間處理；CGA 規(guī)則編寫主要針對(duì)規(guī)則的調(diào)用，并根據(jù)低維地理數(shù)據(jù)自適應(yīng)地生成三維模型。

在地理空間數(shù)據(jù)矢量化與空間分析等處理過程當(dāng)中，所使用的GIS 系統(tǒng)主要為ArcGIS。研究表明，ArcGIS 在工作流程上可以與CityEngine 無縫銜接，使共享數(shù)據(jù)具有較高的兼容性和可靠性，即CityEngine 能夠直接使用ArcGIS 的地理數(shù)據(jù)庫，且ArcGIS 同樣能夠借助CityEngine 模型進(jìn)行進(jìn)一步的三維空間分析。

3.3 批量精細(xì)化三維建模

本文充分考慮了建模區(qū)域的地理環(huán)境與人文要素，嘉陵江兩岸的建筑物主要以高層商業(yè)建筑群和小別墅群為主，批量精細(xì)化三維建模應(yīng)圍繞著這些同態(tài)建筑物進(jìn)行。批量建模之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)GIS 處理后的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，確保數(shù)據(jù)不存在空間語義上的錯(cuò)誤。批量建模的核心，是對(duì)地理要素的屬性進(jìn)行定義，為確保建模的準(zhǔn)確性和高還原度，本文參考了百度地圖和谷歌地球等軟件的實(shí)時(shí)街景。

3.3.1 建筑物動(dòng)態(tài)化朝向與對(duì)稱建模技術(shù)

建筑物的批量建模盡可能地參考實(shí)際的社區(qū)建筑樣式。在建模區(qū)域內(nèi)，選取了典型樣式的樓房作為建模對(duì)象，并通過切分和拉伸函數(shù)最終生成建筑骨架。下面將以洪崖洞附近的一種社區(qū)建筑為例，介紹建筑物建模的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法。因?yàn)榻?duì)象中含有高層建筑，故對(duì)該類模型的分層是在所難免的。本文采用了條件控制的方法進(jìn)行分層，即以建筑的顯著特征(如與公路臨接或是相離等)為依據(jù)，通過條件關(guān)鍵字對(duì)圖元進(jìn)行判別，并借助判別結(jié)果對(duì)模型分層。

為保證建筑物的美觀度和現(xiàn)實(shí)性，本文采用中心對(duì)稱作為建筑物模型的構(gòu)架方式。其主要思想，實(shí)際上是將建筑物的包絡(luò)盒均分為兩部分，并以初級(jí)分割線為標(biāo)尺，決定次級(jí)分割線的方位。按照該思想，借助迭代的方式，可短時(shí)低冗余地完成包絡(luò)盒的分割。為避免在分割的過程當(dāng)中出現(xiàn)異常，可以采用近似的方式忽略過小分割面。

為保證建筑物模型能夠較高程度地還原真實(shí)場(chǎng)景，需要對(duì)建筑物立面貼圖。如果需要每個(gè)建筑都有個(gè)性化的樣式，可使用隨機(jī)文件函數(shù)在圖庫中隨機(jī)選擇樣式，并利用貼圖函數(shù)進(jìn)行貼圖。一般情況下的貼圖過程往往是通過用戶指定來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，還需要屬性設(shè)置函數(shù)（set）和投影設(shè)置函數(shù)（setupProjection）作為輔助，以調(diào)整透明度和紋理覆蓋度。

3.3.2 道路與水體精細(xì)化建模

道路模型主要基于矢量路網(wǎng)數(shù)據(jù)生成，其屬性主要分為變量屬性和常量屬性。借助對(duì)道路規(guī)則庫中變量的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)車道數(shù)量控制、車輛大小與方向控制等功能，道路兩旁綠化帶效果如圖3(a)所示。橋梁的建模繼承了道路建模的思想，因?yàn)闃蛄嚎梢砸暈榈缆返囊环N特殊的情況。水體模型分為兩層，分別為淺水區(qū)和深水區(qū)。兩層水體會(huì)產(chǎn)生不同的視覺效果，淺水區(qū)主要突出水體的清澈，橋墩等涉水建筑可以依稀可見；深水區(qū)更側(cè)重于突出江水的顏色。橋梁和水體模型的最終的視覺效果如圖3(b)所示。

圖2：數(shù)據(jù)流框架圖

圖3：其他模型效果圖

3.4 三維靜態(tài)模型的導(dǎo)入

研究區(qū)中擁有一定數(shù)量的標(biāo)志性建筑物，該類建筑物存在結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、CGA 規(guī)則無法準(zhǔn)確建模等問題。針對(duì)這種情況，本文采用了繪制類建模軟件3ds Max 和SketchUp 進(jìn)行靜態(tài)模型的生成。靜態(tài)建模與CGA 批量建模最大的不同在于，CGA 批量建模的對(duì)象為相對(duì)規(guī)整的建筑物，通過基本圖形組合就可以生成模型，而靜態(tài)建?？梢岳萌我庾远x圖形刻畫對(duì)象，具有較高的自由度和客制化水平。但其缺點(diǎn)同樣是非常明顯的，因?yàn)榻?duì)象的獨(dú)特性，建模花費(fèi)的時(shí)間比較長。靜態(tài)模型在繪制的過程當(dāng)中主要參考了街景的照片和谷歌地球（Google Earth）中的三維建筑，建模對(duì)象主要包括洪崖洞、解放碑廣場(chǎng)、魁星樓廣場(chǎng)、羅漢寺、千廝門嘉陵江大橋等具有地域特色的建筑。為了提高靜態(tài)模型在場(chǎng)景當(dāng)中的渲染速度，對(duì)模型的優(yōu)化是必不可少的，可以使用Cleanup Geometry 和Cleanup Shapes 規(guī)則對(duì)模型節(jié)點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。

圖4：模型的最終展示效果

4 模型的展示與發(fā)布

展示與發(fā)布環(huán)節(jié)是基于CityEngine 的三維建模最后階段，同時(shí)也是三維模型的效果驗(yàn)證階段。對(duì)于一個(gè)三維模型的評(píng)價(jià)，往往圍繞場(chǎng)景還原度、建模精度、模型美觀度以及模型渲染速度等指標(biāo)進(jìn)行。CityEngine 中模型的展示效果如圖4，通過對(duì)于場(chǎng)景展示效果、模型細(xì)節(jié)和渲染時(shí)間等要素的綜合考量，本文的方法具有較高的建模效率，且模型具有良好的視覺體驗(yàn)，可以廣泛應(yīng)用于宣傳、城市規(guī)劃、工程管理、仿真和旅游等領(lǐng)域。

研究區(qū)的建模完成之后，還可以通過數(shù)據(jù)共享的形式進(jìn)行三維場(chǎng)景發(fā)布。場(chǎng)景發(fā)布有兩種方式：一種是借助本地Web Scene Viewer 進(jìn)行三維模型展示，即將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SPLK 格式后導(dǎo)入本地服務(wù)器，通過Web 客戶端進(jìn)行三維場(chǎng)景的查看與交互；另一種是將模型數(shù)據(jù)上傳至ArcGIS Online 服務(wù)器進(jìn)行共享。通過模型的發(fā)布，不僅可以增強(qiáng)模型的交互性，還可以提高其應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論與展望

本文以重慶嘉陵江地區(qū)為例，利用CityEngine 環(huán)境，并借助ArcGIS、3ds Max 和SketchUp 等軟件進(jìn)行三維建模方法的研究。研究中主要利用了CGA 規(guī)則進(jìn)行建模方法的模擬與驗(yàn)證，該過程中除了模型構(gòu)建等基本的操作之外，還采用了遞歸方法進(jìn)行模型缺失的補(bǔ)充，采用對(duì)稱思想進(jìn)行規(guī)整建筑的構(gòu)架，采用動(dòng)態(tài)條件思想優(yōu)化建筑物朝向，使模型更貼合實(shí)際效果。實(shí)驗(yàn)證明，遞歸方法、對(duì)稱和條件思想可以很好地解決建模過程當(dāng)中遇到的問題，同時(shí)也增加了模型的精度和美觀性。由于CityEngine 生成的三維模型具有可修改性、可復(fù)制性、可再生性等特點(diǎn)，虛擬場(chǎng)景才能實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)更新，通過結(jié)合靜態(tài)模型的獨(dú)特性與批量模型的參數(shù)可調(diào)性，提高了建模的效率與場(chǎng)景適應(yīng)性。