基于參數(shù)化建模的三維城市設(shè)計(jì)方法探討

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字化”已經(jīng)成為各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。規(guī)劃領(lǐng)域也借由這股強(qiáng)勁勢(shì)頭提出數(shù)字城市、數(shù)字社區(qū)、數(shù)字規(guī)劃等概念，通過(guò)運(yùn)用數(shù)字化相關(guān)技術(shù)完成參數(shù)化建模來(lái)完善提升規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

城市設(shè)計(jì)是一種廣泛開(kāi)展的關(guān)注城市規(guī)劃布局、城市面貌、城鎮(zhèn)功能，尤其是城市公共空間的城市規(guī)劃業(yè)務(wù)。其傳統(tǒng)的建模方式基于SketchUp、AutoCAD、3DMax、Maya等軟件平臺(tái)，存在建模過(guò)程復(fù)雜、科學(xué)性不足、數(shù)據(jù)更新不足、效率低等問(wèn)題。對(duì)此，本文探討了基于參數(shù)化建模的三維城市設(shè)計(jì)方法，采用新興的建模軟件城市引擎（CityEngine），與具有強(qiáng)大分析功能的ArcGIS相結(jié)合，高效快速地將2D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)城市設(shè)計(jì)的參數(shù)化、數(shù)字化、可視化，并提高城市設(shè)計(jì)的效率和科學(xué)性。

一、傳統(tǒng)建模方法存在的問(wèn)題及研究現(xiàn)狀

目前，城市設(shè)計(jì)傳統(tǒng)建模方法存在的問(wèn)題有：

一是三維可視化不強(qiáng)。現(xiàn)有城市設(shè)計(jì)主要基于平面二維設(shè)計(jì)的方法，完成方案之后，再開(kāi)展三維建模。由于可視化不強(qiáng)，在對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，無(wú)法觀察到很多方案細(xì)節(jié)。此外，在設(shè)計(jì)方案時(shí)，設(shè)計(jì)師往往只能憑借經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法在一個(gè)虛擬的環(huán)境下感受建筑的尺度、比例、色彩對(duì)比等。

二是建模過(guò)程復(fù)雜。通常來(lái)說(shuō)，城市設(shè)計(jì)要對(duì)一定區(qū)域內(nèi)所有建筑進(jìn)行三維建模，數(shù)量巨大任務(wù)繁重。傳統(tǒng)建模對(duì)單棟建筑可以做到很精細(xì)的程度，對(duì)于大量建筑群就顯得力不從心。同時(shí)，由于還要考慮到城市建筑風(fēng)格、建筑色彩等問(wèn)題，需要花費(fèi)大量精力在建筑外表面上進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)疑加大了建模的工作量。

三是群眾參與性不高。傳統(tǒng)城市設(shè)計(jì)是自上而下的方式，由設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)并交甲方（政府）評(píng)審，根據(jù)甲方意見(jiàn)修改設(shè)計(jì)，廣大群眾無(wú)法有效參與到設(shè)計(jì)之中。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)城市三維建模及可視化有一定的研究。劉增良、楊軍、張保鋼（2009）探討了目前主流的三維建模技術(shù)方法，并且在實(shí)際的三維規(guī)劃中對(duì)各類三維建模技術(shù)進(jìn)行了綜合應(yīng)用[1]；閻鳳霞、張明燈（2009）提出三維數(shù)字城市構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法[2]；冉磊、高磊、張宇琳、楊艷峰（2010）又進(jìn)一步論述了三維數(shù)字城市建立的路線、技術(shù)流程及數(shù)據(jù)處理過(guò)程，最后探討了數(shù)據(jù)更新和維護(hù)及三維數(shù)字城市技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[3]；王法（2011）以奉化市為例，對(duì)城市三維仿真建模的基本技術(shù)路線和方法進(jìn)行探討和研究，為三維地形、模型、參加的優(yōu)化在城市規(guī)劃中的應(yīng)用提供了方法[4]。

在三維建模方法，應(yīng)用最多的是基于3DGIS系統(tǒng)。單楠（2009）采用SketchUp和ArcGIS相結(jié)合的方法進(jìn)行了三維GIS的開(kāi)發(fā)，并在小區(qū)三維可視化管理系統(tǒng)中得到了應(yīng)用[5]；吳學(xué)強(qiáng)、孫建剛、李想（2013）將ESRI CityEngine用于大慶石油儲(chǔ)庫(kù)的場(chǎng)景建模中，提出基于規(guī)則的建模平臺(tái)，使得使用者只需要改變模型的參數(shù)就可以創(chuàng)造出更多的模型或者不同的設(shè)計(jì)方案[6]。

從目前國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀上分析可以發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題：

一是研究中涉及到三維建模與城市設(shè)計(jì)的很少。大多數(shù)研究是基于三維建模的城市，以及數(shù)字城市的發(fā)展。對(duì)于如何讓參數(shù)化三維建模在城市設(shè)計(jì)中起到作用，如何通過(guò)三維建模在區(qū)域場(chǎng)景中直接開(kāi)展規(guī)劃設(shè)計(jì)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)可視化等問(wèn)題的研究，涉及度以及深度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

二是城市規(guī)劃領(lǐng)域三維建模對(duì)新技術(shù)研究不足。目前城市規(guī)劃領(lǐng)域的研究大多是基于SketchUp、ArcGIS及其拓展程序，而這些軟件在使用過(guò)程中都有一定的局限性。對(duì)于當(dāng)前城市設(shè)計(jì)中面臨的種種問(wèn)題，亟需引入新的技術(shù)方法，來(lái)打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的桎梏。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)新技術(shù)的研究卻還沒(méi)有大的突破。

二、基于城市引擎CityEngine的三維城市設(shè)計(jì)方法

（一）基本原理

參數(shù)化建模（Parametric Modeling）是用專業(yè)知識(shí)和規(guī)則來(lái)確定幾何參數(shù)和約束的一套建模方法，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變模型中的參數(shù)值就能建立和分析新的模型。本文的研究是將參數(shù)化建模建立在CityEngine這一軟件平臺(tái)上。

CityEngine是基于規(guī)則進(jìn)行建模的軟件，它的建模速度快，規(guī)則模型可重用性強(qiáng)，基于工作流場(chǎng)景畫(huà)面顯示流暢，并能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、有效地優(yōu)化城市設(shè)計(jì)場(chǎng)景模型。

將CityEngine與ArcGIS相結(jié)合，協(xié)調(diào)建模。首先在ArcGIS中將建模所需的二維數(shù)據(jù)處理好，通過(guò)Geodatabase文件導(dǎo)入模型基底到CityEngine中；然后將已經(jīng)整理好的規(guī)則應(yīng)用于基底，這時(shí)初步的模型就建立起來(lái)。這里的規(guī)則是指預(yù)先對(duì)模型進(jìn)行的各項(xiàng)定義，如建筑風(fēng)格、建筑層數(shù)、道路寬度、綠化布置等，這是CityEngine的核心部分，存儲(chǔ)在規(guī)則文件.Cga中；接著就要在CityEngine中通過(guò)修改參數(shù)來(lái)修改模型，并在這個(gè)過(guò)程中反復(fù)修改方案。在CityEngine中，一組參數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)規(guī)則，每個(gè)規(guī)則所建立的模型也不同，因此我們通過(guò)應(yīng)用不同的規(guī)則來(lái)直觀地觀察不同方案的合理性；同時(shí)CityEngine也為使用者提供了大量科學(xué)的分析，如日照分析、視域分析、天際線分析等，通過(guò)這些分析來(lái)調(diào)整方案，達(dá)到建模與方案設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，并使二者產(chǎn)生積極的互動(dòng)，最終通過(guò)參數(shù)化及可視化的方式，完成整個(gè)城市設(shè)計(jì)。

（二）方法應(yīng)用

1.準(zhǔn)備工作

（1）二維數(shù)據(jù)

將CityEngine與ArcGIS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)到三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，在建模之前要構(gòu)建模型基底（圖1），主要在ArcGIS中進(jìn)行，以AutoCAD輔助。

（2）規(guī)則

應(yīng)用CityEngine為城市設(shè)計(jì)建立模型，其高效性來(lái)源于規(guī)則的使用，在真正建立模型前，要建立相應(yīng)的規(guī)則庫(kù)。城市引擎CityEngine建立的模型可以實(shí)現(xiàn)共享，因此規(guī)則的來(lái)源之一就是采用其他設(shè)計(jì)者已經(jīng)建立好的規(guī)則；另外也可以預(yù)先按照設(shè)計(jì)要求自己設(shè)定規(guī)則，例如要建立一個(gè)高12米、層高為3米的建筑，就可采用以下語(yǔ)句：

Attr height=12

Lot——>extrude （height） Mass

Mass——>aplit（y） （～3：Floor）*

城市設(shè)計(jì)建模所包含的要素十分豐富，建筑、道路、綠化等都需要準(zhǔn)備相應(yīng)規(guī)則，而且規(guī)則不能過(guò)于單一，要建立多個(gè)規(guī)則以供修改方案使用。

2.模型建立

將ArcGIS中的二維數(shù)據(jù)通過(guò)GeoDatabase文件導(dǎo)入到CityEngine場(chǎng)景中，拖入規(guī)則到指定地塊，快速建立模型（圖2、圖3）。

3.模型優(yōu)化

為了達(dá)到三維建模輔助城市設(shè)計(jì)的目的，要開(kāi)始在CityEngine中調(diào)整模型，以到達(dá)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

調(diào)整模型的方法有三種：一是在檢閱視圖（Inspector）中修改。當(dāng)我們想要調(diào)整某棟建筑的高度時(shí)，可以選中該建筑，再在同步彈出的Inspector工具欄中調(diào)整高度參數(shù)，或者重新輸入新的高度數(shù)值。二是在規(guī)則的定義中修改語(yǔ)句。先將規(guī)則文件進(jìn)行調(diào)整，然后重新加載進(jìn)CityEngine的場(chǎng)景中。如：修改建筑的規(guī)則高度改變最初所設(shè)定的高度，修改語(yǔ)句attr height=18，在規(guī)則中將原來(lái)建筑的高度由12m改為18m。三是在規(guī)則交互視圖（Model Hierarchy）中修改規(guī)則參數(shù)。CityEngine中規(guī)則文件的可視管理使我們可以很方便地改寫視圖參數(shù)，調(diào)整規(guī)則視圖的組塊結(jié)構(gòu)就可以高效直觀地增減或刪改規(guī)則。

4.模型分析

CityEngine中提供了多種專業(yè)分析，來(lái)輔助城市設(shè)計(jì)，進(jìn)行方案的修改。如參照陰影分析（Shadow Analysis）可以調(diào)整建筑高度、建筑密度等參數(shù)；通過(guò)天際線分析（Skyline Analysis）可以改變建筑布局、建筑高度等，由此進(jìn)一步完善城市設(shè)計(jì)方案，使最終的方案更加科學(xué)，這是在普通的建模軟件中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的操作。

5.成果輸出，完成城市設(shè)計(jì)

方案的設(shè)計(jì)和修改與模型的建立實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)，當(dāng)方案最終確立后，最終的效果圖也同步完成。

三、結(jié)論與展望

將CityEngine、ArcGIS等先進(jìn)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于城市設(shè)計(jì)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)城市設(shè)計(jì)中的不足之處：

第一，參數(shù)化建模大大提高城市設(shè)計(jì)效率。Esri CityEngine可以利用二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場(chǎng)景，而且對(duì)ArcGIS的完美支持，使很多已有的基礎(chǔ)GIS數(shù)據(jù)不需要轉(zhuǎn)換即可快速實(shí)現(xiàn)三維建模，減少了系統(tǒng)再投資的成本，也縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期。

第二，規(guī)則的應(yīng)用使城市設(shè)計(jì)走向可視化、科學(xué)化。CityEngine最關(guān)鍵、最強(qiáng)大的功能之一，是通過(guò)提供可視化的、交互的對(duì)象屬性參數(shù)修改面板來(lái)調(diào)整規(guī)則參數(shù)值，比如房屋高度、屋頂類型、貼圖風(fēng)格等，可以立刻看到調(diào)整后的效果。

第三，使用CityEngine進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)城市模型共享。CityEngine基于WebGL技術(shù)，大多數(shù)的瀏覽器都無(wú)需安裝插件便可直接使用。此外該軟件與當(dāng)前主流的GIS平臺(tái)ArcGIS緊密集成，讓使用者可以在工作中輕松使用海量的3D城市模型。

CityEngine開(kāi)啟了全新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，新技術(shù)的出現(xiàn)使得規(guī)則化大規(guī)模快速城市建模成為了可能，這將大大提高城市設(shè)計(jì)的建模高效化、分析科學(xué)化、三維可視化，并對(duì)于提高公眾參與度具有重大意義，使城市設(shè)計(jì)在新技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域上升到更高水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉增良，楊軍，張保鋼.面向城市規(guī)劃的三維建模技術(shù)探討與應(yīng)用[J]. 北京測(cè)繪，2009（2）：1—3.

[2]閻鳳霞，張明燈.三維數(shù)字城市構(gòu)建技術(shù)[J]. 測(cè)繪學(xué)刊，2009，32（2）：93—96.

[3]冉磊，高磊，張宇琳，楊艷峰.三維數(shù)字城市技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)，2010（2）：99—101.

[4]王法.城市三維仿真模型建模方法研究——以奉化市為例[J].科技信息，2011（7）：64—65.

[5]單楠，明生，李營(yíng)剛.基于SketchUp和ArcGIS的三維GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，18（4）：14—17.

[6]吳學(xué)強(qiáng)，孫建剛，李想.基于地理信息三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)展示研究[J].山西建筑，2013，39（5）：248—249.

（責(zé)任編輯：趙靜）