利用CityEngine進行三維校園參數化精細建模

趙雨琪,牟乃夏,張靈先

(1. 黃河水利職業(yè)技術學院測繪工程學院，河南 開封 475004； 2. 山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510)

利用CityEngine進行三維校園參數化精細建模

趙雨琪1,牟乃夏2,張靈先2

(1. 黃河水利職業(yè)技術學院測繪工程學院，河南 開封 475004； 2. 山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510)

在現有二維數據的基礎上進行快速的三維精細化建模是當前GIS領域的一個重要研究方向。本文給出了CityEngine參數化規(guī)則建模的流程和方法，解釋了規(guī)則函數的原型及其作用，闡述了建筑物、道路、綠化和水體的三維精細化規(guī)則建模的具體步驟，并以山東科技大學校園三維為例，在CityEngine平臺上構建了整個校園的三維場景。參數化建模能夠通過參數更改模型的細節(jié)特征，實現了實時、動態(tài)的三維建模，彌補了傳統(tǒng)建模方法的不足，對大規(guī)模城市快速精細化三維建模具有重要的指導意義。

CityEngine；規(guī)則；參數化；三維建模

“三維校園”概念是由美國克萊蒙特大學教授凱尼斯·格林在1990年發(fā)起并主持的一項大型科研項目“信息化校園計劃”中提出的[1]。隨著三維數字建模技術的發(fā)展，眾多優(yōu)秀的GIS軟件公司也相繼推出了各自的三維GIS軟件[2]。但是，大部分軟件的建模方式是通過手工建立精細的三維模型，追求的是模型的細節(jié)化效果，致使建模的建設周期長，耗費大量的人力勞動[3]。隨著智慧城市建設的推進，對快速精細化三維建模的需求越來越強烈[4]，因此亟需一種能夠在現有二維數據基礎上進行參數化控制，并且與現有的GIS平臺無縫集成的三維建模方法[5]。CityEngine軟件基于規(guī)則的批量建模則應運而生。

CityEngine軟件是Esri公司專門針對三維建模的軟件模塊，是通過規(guī)則快速調用GIS二維數據中的屬性數據[6]，進行自動化批量建模。這種高效、動態(tài)、參數化的建模方式尤其適合于大規(guī)模智慧城市的三維建模需求，因此迅速成為當前城市三維建模的首選方法[7]。本文研究通過規(guī)則定義進行參數化三維校園精細化建模的方法，以期為智慧城市大背景下的城市快速精細化三維建模提供參考。

1 CGA規(guī)則

計算機生成的建筑模型(computer generated architecture,CGA)規(guī)則是CityEngine進行三維建模的方法描述[8]，它是CityEngine的程序設計語言，是通過定義一系列的幾何和紋理的參數化特征來決定模型如何生成的。

規(guī)則的建模思想是通過定義規(guī)則，反復優(yōu)化設計，創(chuàng)造更多細節(jié)，對模型的精細化程度逐步完善[9]。圖1展示了規(guī)則建模的整個過程。

圖1 CGA規(guī)則建模過程示意圖

CGA規(guī)則函數包括拉伸(extrude)函數、切分(split)函數、拆分(comp)函數、屬性設置(set)函數和貼圖(texture)函數等，其基本原理是具體化、細節(jié)化地將模型的結構拆開來進行逐個詳細分析，再通過不同的規(guī)則函數對每個部分進行定義，執(zhí)行循環(huán)與迭代等操作，最后完成整個模型的建模。表1列出了較為常用的規(guī)則函數及其用途。

基于CGA規(guī)則的三維模型建模方法與手工建模方法相比，有效地提高了模型的重用率，保證了模型信息的一致性，使設計條理更加清晰，能夠通過規(guī)則來調用GIS數據中的屬性數據， 進行自動批量建模[10-11]。

表1 常用規(guī)則函數

2 校園參數化精細建模

2.1 建模流程

CityEngine的參數化規(guī)則建模過程包括數據采集、數據處理、第三方軟件輔助建模、規(guī)則建模、細節(jié)化調整、場景輸出展示等幾個步驟，具體流程如圖2所示。

2.2 數據處理

本例中所需的數據包括山東科技大學校園二維矢量數據、衛(wèi)星遙感影像衛(wèi)星數據和校園內拍攝的實景數據。

數據處理主要包括矢量數據預處理、建筑外觀紋理提取、第三方軟件輔助建模等。

(1) 矢量數據處理：矢量數據是所構建區(qū)域范圍的底面信息數據，包括建筑底面數據、道路數據、綠化區(qū)數據等，存儲著不同類型的各項屬性信息[12]。

矢量數據處理的一般步驟為：①將矢量數據導入ArcMap中，在ArcMap中對校園內建筑的高度、樓層數、索引值、綠化區(qū)的屬性值進行編輯與修改。②將整理好的矢量數據導入地理文件數據庫(GDB數據)中。③在CityEngine軟件中，通過Import功能，將GDB數據導入工程文件中，完成矢量數據的數據處理。

(2) 校園實景信息：校園實景信息指通過拍照采集的校園實景照片，根據實景圖片來搜集校園內各類模型的紋理圖片，并通過Photoshop軟件對紋理圖片進行尺寸矯正與渲染調色，整理后導入CityEngine。

(3) 第三方軟件輔助建模：CityEngine軟件盡管能通過規(guī)則的細化進行模型的精細化表達，但是對于一些環(huán)境小品類地物，如校園中的植物、人物、路燈、亭閣等更適合使用第三方軟件進行處理，以充分利用這些軟件現成的資源庫。

2.3 規(guī)則構建模型

校園三維模型是由一系列三維單元構成的，主要是由建筑物模型、道路模型、綠化植被模型和水體模型及各種小品模型組合而成的。

2.3.1 建筑建模

建筑建模是校園精細化建模的重點。外形復雜多變的建筑物一方面是多姿多彩校園的外觀體現，另一方面也使建筑物的三維模型更趨復雜。

以教學樓建模為例，首先使用attr函數和cont函數調用矢量數據中教學樓的屬性信息，對其整體樓高、樓層高、窗戶寬度、大門寬度等屬性進行定義；然后將建筑物的底面通過extrude函數進行拉伸，生成基礎的建筑體；再用comp函數與split函數對建筑體的各個面進行細化的切分，將建筑的外觀拆分成不同部位的小面塊；最后利用texture函數對各個面塊進行紋理貼圖，完成整個建筑的建模。

模型生成過程如圖3所示。

核心代碼如下：

Building--gt; ∥切分建筑面

comp(f){front:Frontfacade|left:Sidefacade|right:Sidefacade |back:Frontfacade|top:Roof} ∥將建筑切分為正面、側面、背面和頂面，并定義其名稱

Frontfacade--gt; ∥對模型正面進行定義

split(y){groundfloor_height:Groundfloor|{～floor_height:Floor}*|floor_height:Topfloor}

ZhongT--gt;

color(wallColor) ∥設置墻體背景色

s(′1,′1.4,2) ∥將面模型進行縮放至合適大小

set(material.dirtmap,dirt_tex)

i(quot;builtin:cube:notexquot;) ∥替換模型塊

projectUV(0)projectUV(2)

setupProjection(0,scope.xy,1.5,1,1) ∥設置坐標系

texture(groundfloor_tex) ∥貼圖紋理

projectUV(0)

利用規(guī)則對建筑物進行建模，對建筑物的切分越細致，則生成的模型越精細。對于門梁、陽臺、窗臺等細節(jié)部位，通過規(guī)則的更加詳細的切分、旋轉、拉伸等定義，將模型的細節(jié)化完美展現，更能表現出建筑的立體感與精細化程度。不同的建筑物，使用條件函數，根據其屬性名稱定義相應的建筑風格，從而減少規(guī)則文件的數量。

后期可以在屬性表中動態(tài)地調整模型各參數選項來實時地改變建筑的風格外貌，如建筑樓層高度、屋頂類型、外觀紋理等，從而避免了對規(guī)則重新編輯，方便了設計人員的操作。

2.3.2 道路建模

道路模型也是三維校園的重要組成部分，道路分為機動車與非機動車道、綠化帶、路口、人行道等。每種類型的地塊在CityEngine中都有對應的名稱(如機動車道為“Street”，人行道為“SideWalk”，十字路口為“Crossing”)。

道路的建模就是在一個規(guī)則文件中對不同地塊進行不同屬性的定義，再將該規(guī)則文件賦予在道路模型中，道路模型將自動匹配各個類型地塊的模型生成。

人行道建模的主要規(guī)則如下：

Sidewalk--gt; ∥對人行道進行建模

SidewalkWithCurbs

alignScopeToAxes(y)t(0,sidewalkHeight,0) ∥定義道路坐標系

People

People--gt;

case People_percentagegt;0:

50%:split(u,unitSpace,0){{0.1:Human|～rand(2,5):NIL|0.1:Human|～rand(2,5):NIL}*|0.1:Human}

else:split(u,unitSpace,0){{0.1:Human|～rand(0.5,5.5):NIL|0.1:Human|～rand(0.5,5.5):NIL}*|0.1:Human}

else: NIL ∥利用條件函數對人行道的行人進行建模

圖4 道路建模效果

整體道路模型效果如圖4所示。2.3.3 綠化區(qū)建模

本例中校園內植被較為多樣化。通過i函數調用綠化區(qū)的屬性名稱和植被模型，對不同的綠化區(qū)創(chuàng)建不同類型和數量的植被，分散(scatter)函數可以將植被均勻分散在綠化區(qū)中。核心函數如下：

Lot--gt;

Tree

extrude(0.2)Lawn

Lawn--gt;

comp(f){top:Grass|side:Side.}

Grass--gt;

setupProjection(2,scope.xy,scope.sy,scope.sx)

texture(grand_tex) ∥對草坪進行貼圖建模

projectUV(0) ∥利用條件函數與分散函數對不同區(qū)域面積中分散種植不同的樹木

綠化區(qū)的建模中，CityEngine軟件完美地利用了現有GIS數據的屬性信息，對大范圍區(qū)域進行了快速植被建模，效果圖如圖5所示。

圖5 綠化區(qū)建模效果

2.3.4 水面動態(tài)建模

通過規(guī)則中的set函數對水面的質感進行定義，建立水面的動態(tài)效果。核心函數如下：

Water--gt;

set(material.name,quot;water__waterparams_30_50quot;) ∥設置水面的材質屬性

X.

效果如圖6所示。

2.4 三維場景發(fā)布

所有的模型完成后，可以進行場景共享。CityEngine可以通過WebScene或ArcGIS進行發(fā)布，使更多的用戶可以瀏覽、分享校園景象，方便學校對外的宣傳。如圖7為本文所構建的山東科技大學總體效果。實現了校園三維全景漫游，使游客如置身校園之內，可以對三維場景進行全方位瀏覽，還可以查詢建筑屬性信息、觀看校園不同時間段的光照效果[13]。

圖6 動態(tài)水面效果

圖7 山東科技大學三維校園場景

3 結 論

當前三維模型建模方法眾多，如何能夠更大程度地結合現有的GIS數據資源和模型，快速、合理、精細化地建模成為影響三維建模發(fā)展的重要因素[14]。本文以CityEngine軟件平臺，以山東科技大學校園模型為例，對基于參數化的三維建模方法進行了研究，充分利用現有的二維數據資源，對模型的各項參數實現了實時、動態(tài)的調節(jié)修改，快速地對多區(qū)域、大范圍的場景進行精細化建模[15]，與傳統(tǒng)的建模方法相比，降低了人工成本，提高了建模速率，為大范圍的場景建模提供了一種新的思路與方法。

[1] SDEES D. The Virtual University:Organizing to Survive in the 21th Centry[J]. The Journal of Academic Librarainship, 2001,1(27):3-14.

[2] 畢碩本, 張國建, 侯榮濤, 等. 三維建模技術及實現方法對比研究[J]. 武漢理工大學學報, 2010,32(16):26-30.

[3] 尹暉, 孫夢婷, 干喆淵, 等. 基于Sketch Up的輸電桿塔三維建模研究[J]. 測繪通報, 2015(4):34-37.

[4] 顧朝林, 段學軍, 于濤方, 等. 論“數字城市”及其三維再現關鍵技術[J]. 地理研究, 2002,21(1):14-24.

[5] 牟乃夏, 尤優(yōu), 岳漢秋, 等. 基于ArcGlobe的三維數字校園建模與仿真[J]. 圖學學報, 2012,33(5):68-72.

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

[7] 劉媛, 鄧運員, 劉立生, 等. CityEngine CGA支持下的傳統(tǒng)民居復雜屋頂建模及優(yōu)化——以衡陽市中田村為例[J]. 測繪通報, 2016(3):98-102.

[8] 呂永來, 李曉莉. 基于CityEngine平臺的高速鐵路建模方法的研究與實現[J]. 測繪, 2013,36(1):19-22.

[9] 羅帥偉. 基于Skyline的城市三維地理信息系統(tǒng)的設計與實現[D]. 西安：西安科技大學, 2012.

[10] 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.

[11] 吳寧. 基于目標識別和參數化技術的城市建筑群三維重建研究[D]. 杭州：浙江大學, 2013.

[12] 李秀梅, 吳凡, 徐殿成, 等. 基于ArcGIS的校園圖書館三維建模研究[J]. 計算機科學, 2012,39(S1):563-565.

[13] DOUG S. Digital Cities and Digital Citizens[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2001,2362:71-85.

[14] 李卉. 集成LiDAR和遙感影像城市道路提取與三維建模[J]. 測繪學報, 2011，40(1):133-137.

[15] 湯國安, 劉學軍, 房亮, 等. DEM及數字地形分析中尺度問題研究綜述[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2006,31(12):1059-1066.

CityEngineBased3DCampusParametricFineModeling

ZHAO Yuqi1，MOU Naixia2，ZHANG Lingxian2

(1. Geomatics College,Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,China; 2. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)

3D fast fine modeling based on the existing 2D data is an important research direction in the current field of GIS. In this paper the procedures and methods of CityEngine parametric modeling by rules are presented, the rules function prototype and effects are introduced, and the procedures of 3D fine ruling modeling on buildings, roads, vegetation and water areelaborated.An entire 3D campus scene on CityEngine platform is built b taking the Shandong University of Science and Technology as example.Parametric modeling can change the specific features of modelsby adjusting the parameters, realize the real-time dynamic 3D modeling, and make up the shortcomings of traditional modeling methods. It is significant for 3D rapidly large-scale urban fine modeling.

CityEngine；rules；parameterization； 3D modeling

P208

A

0494-0911(2017)01-0083-04

趙雨琪,牟乃夏,張靈先.利用CityEngine進行三維校園參數化精細建模[J].測繪通報，2017(1)：83-86.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0018.

2016-04-07；

2016-08-30

山東省自然科學基金(ZR2016DM02)；中國科學院地理科學與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金；國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0502104)

趙雨琪，女，碩士，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)應用與三維建模。E-mail：541459083@qq.com

牟乃夏。E-mail：mounaixia@163.com