基于規則的三維地理信息系統自動建模

謝小魁，陳青海，陳煜均

（1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙410128；2.杭州經緯信息技術有限公司，浙江 杭州 311121；3.廣州南方衛星導航儀器有限公司，廣東 廣州510665）

基于規則的三維地理信息系統自動建模

謝小魁1，陳青海2，陳煜均3

（1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙410128；2.杭州經緯信息技術有限公司，浙江 杭州 311121；3.廣州南方衛星導航儀器有限公司，廣東 廣州510665）

利用ArcGIS生成平面矢量圖形，并存儲三維信息到屬性數據庫，再利用CityEngine編寫規則自動生成模型。根據此方案制作了湖南農業大學三維模型。研究結果表明：基于規則的三維建模方法具有快速高效、更新方便等優點，特別適合海量數據背景下的智慧城市模型批量生成，同時可以滿足不同參數條件下規劃方案的比選要求，為景觀規劃和地理設計提供技術支持。

地理信息系統；三維建模；城市引擎

三維模型是三維地理信息系統的處理對象，是數字地球、數字中國和數字城市的重要組成部分[1]。傳統三維建模常用AutoCAD、3DStudioMax 和SketchUp（草圖大師）等軟件進行[2-4]，存在效率低下、不支持屬性數據的編輯和查詢，只適用于單棟或小范圍建筑物的三維重建[5]；這些方法不能快速、批量地生成建筑物內外部模型，缺乏可重用性，建模周期長[6]，造成了資源的極大浪費。基于規則的參數化建模通過編寫規則，分層次逐漸對空間實體添加更多的細節，從而生成和優化模型[7-11]。美國環境系統研究所公司（environmental systems research institute，Inc.簡稱ESRI）的CityEngine是目前主流的基于規則的三維建模設計軟件，可以調用ArcGIS的空間和屬性數據，利用規則快速、自動、批量地生成大場景三維景觀模型。

本文研究了利用ESRI CityEngine進行規則建模的方法，介紹了數據源獲取、規則編寫和模型生成過程，并以湖南農業大學為例，展示了建模效果。

1 CityEngine簡介

CityEngine由瑞士Procedural公司在2008年發布并于2011年被ESRI公司收購，被廣泛應用于數字城市、城市規劃、軌道交通、電力、管線、建筑、國防、仿真、游戲開發和電影制作等眾多領域[8]。CityEngine能與ArcGIS無縫集成，從而具有三維空間分析功能，使之成為真正的三維地理信息系統，而不僅僅是傳統的三維展示系統。傳統三維展示系統不具有三維分析功能（例如通視分析、日照分析、三維選線），無法利用現有的海量國家地理信息系統基礎設施大數據。CityEngine可利用已有的基礎地理信息數據實現三維建模，減少了系統的再投資成本，也縮短了三維GIS系統的建設周期[2]。

2 數據獲取

三維建模一般需要先利用宏觀定位數據建立場景,然后利用二維矢量數據（例如道路、建筑物、植被）、建筑物的高度數據、地物的紋理數據以及屬性數據來設置規則參數。

1）宏觀定位數據。宏觀定位數據是景觀各要素的空間定位框架，為單體建筑、道路、樹木等提供定位基礎，其數據一般來自國家和國際公共資源。宏觀定位數據主要有土地利用現狀圖、各級別的行政區劃數據，主要來自共享資源（如中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云）和網絡電子地圖（例如百度地圖、搜狗地圖、Google地圖）等。

2）建筑物的幾何信息。建筑物的外圍幾何信息主要來自3方面：①大比例尺地形圖。我國目前大部分的大比例尺地形圖主要是利用南方CASS制作的CAD地形圖，因此可以利用CAD的距離量算DIST命令、角度標注命令dimangular進行距離和角度量算，獲取建筑外圍尺寸。②外業實測。外業實測主要利用全站儀進行測量，小范圍研究區域也可以利用鋼卷尺。GPS在建筑密集地區存在信號遮擋問題，測量建筑物精度較低。利用全站儀還可以采集道路、水系、植被、路燈等地物的精確坐標。③遙感影像量算。利用高分辨率航空影像，可以直接量取建筑、道路、河流等要素的位置、尺寸信息，制作平面圖用于建模。

在實際運用中，一般需要對建筑物尺寸進行簡化、細節剪除、數量取整，以使建模過程變得簡單和方便。建筑物的高度信息可以利用激光測距儀進行實測。但進行大場景建筑高度實測的成本過高，可以通過文獻法、估算法和高分辨率遙感影像量算進行。

3）建筑細節和紋理信息。用數碼相機實地采集建筑物細節，包括建筑物形狀、構成組件（門、欄桿、窗戶、臺階等），然后利用PhotoShop進行處理，進行紋理拉伸、幾何糾正、形狀調整等。按照照片上的信息進行建模，并在建模完成后進行貼圖。拍攝時要盡量獲取建筑物的正面、整體照片，保證建筑物形態規則；紋理采集要全面，確保各側面都采集齊全，沒有遺漏[3]。

4）其他地物信息。在后期制作三維場景時，為了達到較高的仿真效果，需要添加一些地物信息，然后在ArcGIS中進行定位操作，形成點要素。根據拍攝的照片信息制作成三維模型，也可以在網上下載CityEngine模型[9]。

3 建模規則

CityEngine采用規則建模語言Computer Generated Architecture（CGA）來自動生成模型，CGA是一種逐步細化描述的語言，是從一個地塊拉伸成為一個物體，然后通過分類和切割使三維模型逐漸精細。

在CityEngine中，所有的三維模型都是由二維的初始形狀產生的，因此二維矢量數據可直接作為數據源。在CGA語言中默認使用變量Lot代表最初的地塊形狀，然后用extrude命令將二維形狀拉伸成為最初的三維模型。再根據實際情況和拍攝的照片對模型執行不同的命令和貼圖。

4 CityEngine建模流程

利用CityEngine建模的工作流程如圖1所示。

圖1 CityEngine建模流程

1） 建立圖層。首先建立場景文件（scene），包含道路、建筑、綠地、水域和獨立地物圖層。因為錯綜復雜的道路網把其他地塊分割開來，所以道路圖層最好先建立。

2）導入圖形和屬性。從CAD、SHP文件導入空間數據，從Excel、DBF導入屬性數據，并在ArcGIS里加入地塊相關的屬性，例如name、Floor_Height等。如果需要疊加遙感影像，要注意矢量數據的坐標系應與影像的坐標系一致[10]。

3）規則建模。CityEngine的三維建模主要依靠CGA文件的編寫，而不是直接手動建模。修改模型時只需修改規則文件即可，不用將整個模型拆掉重建，這使得CityEngine非常適用于大量、快速、對于細節要求不太高的城市建模。這是CityEngine區別于AutoCAD、SketchUP（草圖大師）和3D Studio Max等手工建模軟件的主要方面。

4）紋理貼圖。在使用拍攝的照片對物體進行貼圖時，由于數碼相機采集各物體的外形輪廓的紋理圖片受物體高度、拍攝距離、透視關系、光照條件等因素影響，圖片比例會失調，必須對每張圖片用Photoshop等圖像處理軟件進行裁切、變換等處理，使之成為正射狀態[11]。

5 實際效果

本研究過程中利用CGA語言編寫了建筑物、植被等地物的建模規則。

1）建筑物建模。建筑物的規則編寫主要考慮建筑物的底層Ground_Floor（因為大多建筑底層的高度和結構都與上面的樓層不同）、門的位置、窗臺的結構、樓頂的樣式。建筑物建模過程主要是生成building，根據采集的實體照片使用spilt命令縱向橫向分割成為Floor和tile，tile按比例分割分出屋頂、墻體、大門和窗戶，然后對屋頂、墻體和門窗使用texture命令貼圖，或者使用i命令以類似的紋理文件.obj進行目標替換。湖南農業大學第八教學樓建模規則見圖2，建模效果見圖3。

圖2 CGA建模規則實例

2）植被建模。首先分樹種、齡級、季節建立植物模型庫，以備后用。在生成初級的三維模型后用i命令導入植物的obj文件。

3）整體效果。本次制作了湖南農業大學校園的三維景觀模型、圖書館、教學樓、住宅樓、綠地、道路、水域等，整體效果見圖4。

圖3 建筑物建模效果

圖4 湖南農業大學三維景觀

6 結 語

本次研究運用CityEngine軟件，通過編寫規則建立了湖南農業大學的三維景觀模型，實現了三維展示。CityEngine導出的校園三維景觀.3ws能在支持WebGL技術的瀏覽器中查看[9]。

由于此模型基于地理信息系統，可以直接用于信息查詢、模擬飛行、導航、最短路徑分析和空間分析（例如日照分析、建筑容積率、綠化率分析）；在此模型基礎上，與學校業務管理結合，可以實現校園四季景觀動態展示、實驗儀器設備器材等物資管理的可視化、上課教室的可視化管理以及消防救援火災避險模擬等基于三維地理信息系統的功能。

在三維地理信息系統中，采用基于規則的參數化建模，具有快速高效的特點，可以進行空間分析，為數字城市、景觀規劃和地理設計提供了技術支撐。

[1] 艾麗雙.三維可視化GIS在城市規劃中的應用研究[D].北京:清華大學,2004

[2] 薛亞婷.基于GoogleEarth及KML的數字校園設計與實現方法研究[D].蘭州:蘭州大學,2007

[3] 吳文靜.SketchUp與ArcGIS在三維數字校園中的應用研究[D].哈爾濱:東北林業大學,2012

[4] 於永東,路明月.基于GIS 的三維虛擬校園設計與實現[J].南京信息工程大學學報（自然科學版）,2012,4(1):81-86

[5] 彭芳媛,周齊生,向常淦.基于航測數據的三維建模方法研究[J].測繪, 2011, 34(2):63-65

[6] 張暉,劉超,李妍,等.基于CityEngine的建筑物三維建模技術研究[J].測繪通報,2014 (11):108-112

[7] 周玲.基于參數化技術的數字城市三維建模方法[D].杭州:浙江大學,2013

[8] 周在輝,馬靜,許五弟,等.基于CGA的建筑物程序化建模研究[J].測繪與空間地理信息,2013,6(6):17-20

[9] 花利忠,王趙兵,鄒麗妹,等.基于CityEngine與ArcGIS Flex API的校園WebGIS系統:以廈門理工學院為例[J].廈門理工學院學報,2013,21(4):57-61

[10] 趙波.GIS與數字地球[J].測繪工程,2002,2(2):7-9

[11] 包振虎,劉濤,張志華.基于ArcGIS Engine的三維數字校園的設計與實現[J].地理信息世界,2013(6):66-71

P208

B

1672-4623（2016）10-0026-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.007

謝小魁，博士，主要從事地理信息和農業資源遙感研究工作。

2015-12-17。

項目來源：湖南省普通高等學校教學改革研究資助項目（169）；湖南農業大學東方科技學院教學改革研究項目（50）。