City Engine在三維城市建模中的應(yīng)用

張 濤，王赟杰

(吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

0 前 言

“數(shù)字地球”的概念首次是由美國前總統(tǒng)于1998年1月21日提出的，這在當(dāng)時(shí)引起了各國專家和學(xué)者的強(qiáng)烈關(guān)注[1]。這是一種新的認(rèn)識世界的方式，經(jīng)過十幾年的演化，數(shù)字技術(shù)也日趨成熟。世界各國也紛紛加入數(shù)字建設(shè)的大軍中，其中不乏日本、加拿大、美國等國家。三維建模技術(shù)在20世紀(jì)80年代被引進(jìn)我國，至今已經(jīng)30多年，對于城市規(guī)劃也陸續(xù)提出了“數(shù)字城市”、“綠色城市”、“智慧城市”等與三維城市建設(shè)相關(guān)的規(guī)劃概念。在2000年的時(shí)候，國家測繪局在全國局長干部會議上，明確提出測繪局系統(tǒng)在以后的主要階段任務(wù)就是要構(gòu)建“數(shù)字中國”框架[2]。隨著城市信息的數(shù)字化進(jìn)程的到來，相關(guān)技術(shù)不斷成熟與發(fā)展，城市規(guī)劃和管理的方式逐步轉(zhuǎn)向了數(shù)字化和智能化[3]。通過三維GIS技術(shù)輔助城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)將逐漸成了規(guī)劃行業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的趨勢[4]。

三維城市建模并不是一個(gè)簡單的運(yùn)用軟件建立一個(gè)三維模型的過程，而是將城市周圍的人文環(huán)境相結(jié)合，在規(guī)劃解決可能出現(xiàn)的問題，對城市發(fā)展、規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供參考指導(dǎo)作用。隨著智慧城市平臺在GIS上的應(yīng)用和發(fā)展，城市三維建模也慢慢向精細(xì)化、參數(shù)化發(fā)展。City Engine作為一款與GIS最為緊密聯(lián)系的城市三維規(guī)則建模軟件，通過對City Engine建模的規(guī)則化，可以最合理化地利用好現(xiàn)有GIS平臺上的數(shù)據(jù)，快速、高效、準(zhǔn)確地建立城市三維模型，節(jié)約項(xiàng)目資金和時(shí)間。

1 建模準(zhǔn)備

1.1 CGA規(guī)則

CGA規(guī)則的使用方式和語法與Java、C++極其相像，其語法也許在剛開始看到的時(shí)候比較頭疼，但是由于它的函數(shù)種類比較清楚直接，運(yùn)用入門還是比較簡單的，CGA規(guī)則不用考慮代碼中的Tab或空格等，所以各個(gè)語句可以存在于一行，但是從可讀性的方面考慮，每個(gè)函數(shù)的后面會加上回車符，這樣多個(gè)語言就不會被放置在一行，但一個(gè)語句放置在多行還是可以的。每一個(gè)規(guī)則語言都需要一個(gè)其實(shí)規(guī)則來觸發(fā)好進(jìn)行規(guī)則的運(yùn)行。在City Engine中，已生成的模型或地塊矢量模型為三維模型的起點(diǎn)，以下是其代碼：

Lot--> Building

在以上的規(guī)則中Lot為模型的初始觸發(fā)函數(shù)名稱，“-->”標(biāo)志了由Lot模型向Building模型運(yùn)動的方向。和手工建模相比，基于CGA規(guī)則的三維模型批量建模方法優(yōu)點(diǎn)在于，GIS數(shù)據(jù)中的屬性數(shù)據(jù)能夠被其調(diào)用，進(jìn)行批量的自動建模[5]。CGA主要運(yùn)用六種規(guī)則函數(shù)語言，函數(shù)的使用場景和規(guī)則如圖1所示。

圖1 CGA函數(shù)功能幾釋義

1.2 數(shù)據(jù)處理和準(zhǔn)備

1)矢量數(shù)據(jù)獲取。地圖矢量數(shù)據(jù)一般是指所構(gòu)建區(qū)域范圍的底面信息數(shù)據(jù)，一般包括建筑底面數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、綠化區(qū)數(shù)據(jù)等，不同種類區(qū)域的屬性數(shù)據(jù)被存儲在不同的底圖地圖矢量數(shù)據(jù)，但在本文涉及的設(shè)計(jì)中，只需要調(diào)用小區(qū)的建筑底面數(shù)據(jù)，以此作為參考進(jìn)行建模。建筑底面數(shù)據(jù)包括建筑模型的屬性信息，比如樓層的數(shù)量、高度等。矢量數(shù)據(jù)的編輯修改工作在第三方軟件ArcMap中進(jìn)行，對建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，結(jié)果如圖2。

圖2 建筑地圖數(shù)據(jù)

2)貼圖紋理數(shù)據(jù)。紋理貼圖數(shù)據(jù)是指在規(guī)則建模中用于對建筑的外觀紋理進(jìn)行貼圖的圖片數(shù)據(jù)，也是影響著整個(gè)建筑效果的重要因素。紋理圖片在較大的場景中往往數(shù)量較多且用途復(fù)雜，所以，對紋理數(shù)據(jù)的分類、命名與儲存也是提高建模效率的重要點(diǎn)。在本文中，主要建筑物的數(shù)據(jù)來源于小區(qū)，因此，需要去實(shí)地對小區(qū)的建筑外觀進(jìn)行照相，采集建筑的四面圖片，為下文建筑建模的貼紋理進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

3)模型數(shù)據(jù)。當(dāng)我們在建模過程中發(fā)現(xiàn)有些模型會被一直用到時(shí)候，那這個(gè)時(shí)候就需要模型數(shù)據(jù)來減少工作量，比如經(jīng)過細(xì)化后的一些建筑物模型和植物模型。通過導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)可以避免一些的不必要的多余勞動，需要特別注意收集的植物模型有林地、草地等，通過這些來改善模型綠化的視覺效果。如圖3所示。

圖3 植物模型

2 三維建模

2.1 建筑物建模

本文主要運(yùn)用了單一式建筑建模，單一式建筑是指建筑模型較為統(tǒng)一的建筑類型，只要定義好一棟建筑的規(guī)則就可以適用于相同類型的建筑，適用于小區(qū)等建筑風(fēng)格統(tǒng)一的批量建模，運(yùn)用上文提到的函數(shù)進(jìn)行建筑物的模型編寫。選取典型的分割，貼圖函數(shù)運(yùn)用如下：

1)分割。

XifrontTu3Side

XifrontTuFloor-->

split(y){0.5*susheloufloorHeight:XifrontTu3Side|0.5*susheloufloorHeight:XifrontTuFloorWin}

//對凸出面樓層XifrontTuFloor進(jìn)行分割，生成墻XifrontTu3Side和帶窗戶的部分

2)貼圖。

XifrontTuFloorWindow-->

Window //貼入窗戶圖片

2.2 道路地物規(guī)劃建模

對于道路規(guī)則而言，也是利用相應(yīng)的規(guī)則，對其進(jìn)行編寫。但是由于道路本身需要大量的紋理以及路燈、井蓋等多種要素，處理起來十分復(fù)雜，而且City Engine里面對于道路的處理是直接導(dǎo)入道路數(shù)據(jù)，然后自動生成道路的屬性及規(guī)劃，因此，為了簡化對道路的處理，在編寫規(guī)劃的時(shí)候，盡量表達(dá)簡單直觀即可，在這里對道路處理制作簡要編寫即可。

由于考慮到道路數(shù)據(jù)在獲取是以面要素獲取的，而City Engine對于道路中心線導(dǎo)入，然后進(jìn)行道路參數(shù)的設(shè)置，從而調(diào)整street、sidewalk、crossing、junction、junctionEntry各自的參數(shù)，因此綜合考慮對道路規(guī)則進(jìn)行簡單的處理。在對道路建模的同時(shí)就運(yùn)用到了之前收集的街道紋理及路燈和行道樹的模型，這里以初始規(guī)則Street為入口執(zhí)行：

#道路建模

Street-->

texture("zhugandao.jpg")

tileUV(0,10,'1)

//生成的道路形狀中行車道的初始規(guī)則為Street，以此規(guī)則作為入口執(zhí)行，對行車道進(jìn)行貼圖。

2.3 綠地建模

在本文示例中的建筑面積和綠化面積相當(dāng)，這里簡化了對綠地的建模流程，只做了綠地建模的示范和對綠地上的樹木模型進(jìn)行隨機(jī)的分配，其中草地建模如下：

#對草坪進(jìn)行建模

Qita-->

setupProjection(0,scope.xz,2,2)

texture("Grass.jpg")

projectUV(0)

2.4 生成模型

當(dāng)所有的圖層按照相同的方法賦予規(guī)則以后，整個(gè)完整的場景建模就完成了，具體效果圖如圖4所示。

(a)局部圖

(b)場景構(gòu)建效果

2.5 導(dǎo)出數(shù)據(jù)

當(dāng)我們對其建模結(jié)束之后，將其進(jìn)行發(fā)布，使其三維效果能被更多的用戶進(jìn)行感受和分享。在本文中，選用將場景進(jìn)行WebScene的導(dǎo)出如圖5。

圖5 WebScene中的場景

3 總結(jié)與展望

在三維場景的建模過程中，基于City Engine軟件通過將重復(fù)的工作整合到規(guī)則代碼中，并應(yīng)用規(guī)則，在多區(qū)域和大范圍的場景中得到應(yīng)用從而生成建筑和道路等模型，大量重復(fù)的手工建模被避免。City Engine對多種格式數(shù)據(jù)的兼容和批量建模的優(yōu)勢使其在三維建模方面得到了很好的運(yùn)用。

在對City Engine的學(xué)習(xí)和運(yùn)中中會發(fā)現(xiàn)，盡管我國使用City Engine進(jìn)行城市建模的運(yùn)用已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的展開，但是在這方面的資料研究和整理還沒有被系統(tǒng)地整理完善。

本文對與City Engine的研究過程中通過對City Engine的理解發(fā)現(xiàn)運(yùn)用其構(gòu)建的三維模型可以輸出為通用格式，并可以依據(jù)這個(gè)優(yōu)勢，三維建模的研究在不久的將來或者就是現(xiàn)在可以廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、城市管理、建筑設(shè)計(jì)等方方面面。

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