CityEngine CGA支持下的傳統民居復雜屋頂建模及優化
——以衡陽市中田村為例

劉　媛，鄧運員，劉立生，鄭文武

(1. 衡陽師范學院“古村古鎮文化遺產數字化傳承”湖南省協同創新中心，湖南 衡陽 421002；

2. 中國農業科學研究院衡陽紅壤試驗站，湖南 衡陽 421001)

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CityEngine CGA支持下的傳統民居復雜屋頂建模及優化
——以衡陽市中田村為例

劉媛1，鄧運員1，劉立生2，鄭文武1

(1. 衡陽師范學院“古村古鎮文化遺產數字化傳承”湖南省協同創新中心，湖南 衡陽 421002；

2. 中國農業科學研究院衡陽紅壤試驗站，湖南 衡陽 421001)

3D Complex Roof Modeling and Optimizing of Tradional Residential Houses Based on CityEngine CGA——Taking Zhongtian Village of Hengyang City as an Example

LIU Yuan,DENG Yunyuan,LIU lisheng，ZHENG Wenwu

摘要：傳統村落的民居建筑地方特色鮮明，在地方傳統文化快速消逝的背景下，數字化成為民居建筑保護的有效手段，快速、批量、精確的三維建模是當前民居建筑數字化的關鍵問題。針對傳統民居建筑的不規則性，本文利用ArcGIS CityEngine軟件建模工具，對中國傳統村落衡陽市中田村的傳統民居建筑群開展了三維建模及其優化研究，深入闡析了傳統民居批量、快速建模方案，優化了傳統民居建模難度較大的復雜屋頂的建模規則，實現了精細建模的算法，為后續開展其他傳統民居建模提供了一套有力、可行的建模體系及其實現路徑。

關鍵詞：傳統民居；三維建模；CityEngine；交互式建模

古村古鎮等傳統聚落是人類珍貴的文化遺產，對其進行全方位保護已形成共識，除了實物保護之外，數字化保護也是有效手段，并且是必然趨勢，因為實物保護受限于其生命周期不可能長久保存。在數字化過中，對于傳統建筑等物質文化遺產，三維建模技術是主要手段。隨著GIS在數字城市、智慧地球等領域的不斷深入應用[1]，在建模方式、數據管理與數據發布方面有了新的進展。在建模方式方面，從單體建模[2]發展到傾斜攝影、激光雷達掃描數據點云建模[3]，實現了從2.5維建模到真三維空間建模，但由于模型復雜度高，數據量大，難以形成規模化應用；在數據管理方面，不再局限于某個整體三維單元表達與組織，通過各種模型部件的組合，三維場景表達更為直觀，數據重用性更好，主流軟件有CityEngine、SuperMap、OSG，其優勢在于通過擬定的建模解決方案，能夠實現二維矢量數據的三維建模，不必重新構建數據組織關系，而是直接利用屬性進行數據的關聯與管理；在數據發布方面，三維模型數據已從單機版局域共享發展到面向網絡的全域共享。另外，針對建筑物的特殊部件，也有學者開展過具體研究，尤其在屋頂建模方面，研究較為深入，包括使用數碼影像構建屋頂模型[4]、航空影像數據半自動構建屋頂[5]或使用LiDAR機載方法建模屋頂[6]。這些方法雖然相對較為逼真、效率較高、成本較低，但是數據重用性不高，調整參數較難。

由于當前常規的建模方法如3ds Max不能動態調整單一或整體三維模型實體要素，因此無法實現基礎要素的關聯，也難以實施復雜三維空間分析。為了能夠更好、批量、快速且較為精細地構建三維模型，本文以傳統聚落民居建筑為研究對象，面向模型的可重用、可調整、可交互、可批量等目標，使用ArcGIS CityEngine建模工具，開展傳統民居的整體、批量、快速建模研究，通過對原有建模算法的優化，形成面向古村古鎮中傳統民居的建模體系與框架，為其他地區的傳統民居建模提供借鑒。

一、研究區概況與技術流程

1. 研究區概況

傳統村落的建筑主要包括民居和公共建筑兩部分。衡陽市廟前鎮中田村作為2012年公布的第一批“中國傳統村落”，其古建筑遺存主要以傳統民居為主，始建于明末清初，目前仍保留了從康熙48年(1709年)到民國的舊宅100多幢，天井200多個，巷道108條，整體建筑面積超過18 000 m2，既有江南民居的建筑特色，又有獨特的本土建筑風格，具有極高的研究價值、歷史價值和建筑藝術價值，因此，本文選擇它作為研究案例。

2. 基于CityEngine的傳統民居建模流程

雖然傳統民居建模可以部分借鑒大型城市建筑群的建模方案，但是部分細節無法同等對待，需要考慮使用新的方法去構建不規則性特殊構件。

城市和鄉村是兩種不同的地域單元，其建筑布局和建筑風格也迥然不同，而傳統村落與現代鄉村也大不相同，其建筑往往飛檐翹角，以外形不規整為審美取向。以中田村傳統民居為例，其建筑風格與城市居住建筑主要差異表現在外形和裝飾方面(見表1)。而CityEngine用于城市規則建筑物建模或以GeoDesign理念來設計、規劃城鄉空白區域，但鑒于傳統村落這種珍貴文化遺產的脆弱性及其不可再生性、變遷性及價值多重性，對其現有建筑開展多種建模方法的探討也是一個空白領域和值得嘗試的方向。

基于上述分析，中田村傳統民居的建模流程參考如圖1所示。

表1　傳統村落民居建筑與城市居住建筑樣式差異

圖1　CityEngine支持下的中田村建模流程

3. 基于CityEngine CGA的傳統民居復雜屋頂建模與優化

除借助CityEngine自身支持的坡頂構建外，需要對中田村具有通風、環流功能的含天井的硬山頂和混合歇山頂兩類屋頂作為特色建筑的屋頂進行設計與建模。

(1) 天井式硬山頂建模與優化

① 模型構建

由于中田村古民居防御性小窗居多，為保證屋內采光通風，大部分房屋都采用天井式硬山頂。天井外形表現為青瓦鋪面，四周高、中間低，且中心部分開洞，一側相對較高。硬山外形是強調兩側墻面相對存在“人字型”外觀。借助于調研的影像(如圖2(a)所示)與照片(如圖2(b)所示)，可見屋頂如同倒立漏斗式，不是單一屋頂樣式構成，需要組合幾類屋頂模型來構建：一個是倒立被切除底部的金字塔頂或四面頂；另一個是雙坡頂。CGA規則構建屋頂外觀整體模型流程如圖3所示。

圖2

圖3　構建屋頂外觀整體模型流程

此CGA規則建模過程僅僅完成天井式硬山頂的外觀，下一步是給屋頂表面添加瓦片和對應的紋理。由于屋頂是由每塊規整瓦片構建，因此可以切分屋頂表面為大小一致且位置隨機微調的面片，然后替換瓦片模型與紋理。

參考圖4顯示其效果，實現算法如下：

a. 重復切割x與y方向，將屋頂表面切分成近似等距離的單體。

b. 將該單體調整縮放范圍和旋轉角度，設置中心對齊，但是存在隨機位置變化。值得注意的是在此過程中如果是倒立金字塔頂生成的表面，需要旋轉瓦片放置在正確的位置。

c. 添加替換規整單體的第三方精細模型(*.obj等)。

d. 設置對應映射的紋理。

圖4　天井式硬山頂三維顯示

如果想微調瓦片大小，可以通過CityEngine交互操作快速調整瓦片尺寸寬度和長度(如圖5所示)。

圖5　同一視口下瓦片寬度和長度調整對比圖

② 模型優化

通過上述生成屋頂的過程，無論從外形還是顯示效果上，都能較為真實地還原現狀。但是該流程總體多重金字塔仍需要逐個調整規則分類，為提高程序的利用率，管理數據更加便捷，將外觀建模流程進一步改進。將金字塔頂1、2使用自定義規則函數條件分解為其他組件切割模型，類似模型旋轉替換。這樣數據內容利用度增大，也簡化前期金字塔頂多類沖突問題，可以使用一套規則完成上述同一金字塔頂外觀變換和后續操作。主要構建更改流程如圖6所示。

圖6　改進優化構建屋頂模型外觀流程

對于每一類屋頂，需要區分細節差別、一一對應、調整比例和相關信息。通過調查可以得出：除兩天井一雙坡頂的硬山頂之外，還存在其他變異的含天井的硬山頂，包括一天井一雙坡頂、一天井兩雙坡頂、兩天井一雙坡頂、兩天井兩雙坡頂。不同類型可以通過GIS二維數據(*.shp)屬性識別。雙坡頂處加入“人字形”墻面的頂部細節裝飾和孔洞，解決對特定的防火墻需要獨立建模的缺陷，優化其墻面按照矩形規則調整隨機變換的紋理樣式。可以將中田村的各類屋頂通過條件函數管理每一個類對象(見表2、圖7)。

表2　不同屋頂構建規則類

圖7　其他特殊硬山頂類型

(2) 混合歇山頂

在中田村古建筑群除了上述類型屋頂外，還存在歇山頂式屋頂。在古民居的核心區內有一棟比較獨特的油茶紀念館，該館的頂部為歇山頂與雙坡頂混合屋頂(如圖8所示)。

圖8　混合歇山頂

通過影像圖資料和調研情況，可以看出上半部分是雙坡頂，下半部分是歇山頂的一側。為了依據一個二維底面來整體模擬該混合屋頂，需要合理組織構建方式，主要CGA算法步驟如下：

1) 新建一個四坡頂，首先垂直等分兩塊且只保留組件分割的中間層面(RoofGable)；同時復制同一個四坡頂，將該對象按3∶7水平比例切割成兩個塊模型(Model2:Model1)，如圖9所示。

圖9

2) 對四坡頂中間切割獲取的二維平面(RoofGable)水平保留一定比例(如74%，參數可交互調)的底面(Model)；對該底面添加雙坡頂，構建歇山頂的上半部分，其下半部分則是步驟1)中的Model1模型，從外觀上可以看出左側歇山頂成形，如圖10(a)所示。

但是Model1模型中僅僅是被重構的雙坡頂所掩蓋，為保證內部數據在渲染時不出現沖突，需要剔除Model1模型的上半部分。同步驟1)垂直剔除上半部分。優化結果如圖10(b)所示。

圖10

3) 對占30%左右的Model2僅僅保留組件分割的底面，對底面設置逆法向量方向，對調整后的底面制作一個同展角和邊沿大小的雙坡頂，如圖11所示。

圖11

4) 對RoofGable模型添加規則的天窗，除頂部存在外，背部也同時開窗。內部縱橫切割方式可以按照指定比例微調參數，如圖12所示。

圖12

5) 最終通過賦值紋理和替換第三方模型，可以構成其混合歇山頂模型。制作后的成果可以應用到其他模型上，只需要微調角度、邊沿長度參數即可重用，如圖13所示。

圖13

二、 總結與展望

本文通過對比以往CityEngine三維建模與傳統古民居三維建模的流程差異，發現古村鎮的難點在于復雜屋頂的構建、后續開展復雜屋頂規則建模與優化論述。該過程改進原始簡單屋頂的局限性，不僅將屋頂可以變異成更為復雜的屋頂樣式，而且可以通過部分代碼微調參數或交互調整參數完成古村古鎮建筑復雜屋頂三維建模。最終規則分類與整理后可以作為一套分類建模體系應用到其他類似古村古鎮屋頂建模中。整體建模周期縮短，效率得到很好的提升，同時支持網絡共享和服務發布。

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中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0098-05

作者簡介：劉媛(1986—)，女，碩士，助教，主要研究方向為3D GIS可視化和GIS應用。E-mail：qqnvshen@126.com通信作者： 鄧運員。E-mail: dyydyy@163.com

基金項目：教育部人文社科規劃項目(11YJCZH255)；“聚落文化遺產數字化技術”湖南省重點實驗室開放基金(JL15K05)；衡陽師范學院科學基金(14A20)

收稿日期：2015-04-02； 修回日期： 2015-04-24

引文格式： 劉媛，鄧運員，劉立生，等. CityEngine CGA支持下的傳統民居復雜屋頂建模及優化[J].測繪通報，2016(3)：98-102.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0097.