建筑模型批量快速構(gòu)建技術(shù)探討

鄭濤 張慧鑫

摘要：指出了建筑模型批量快速構(gòu)建技術(shù)能高效、快速地提供大范圍建筑模型，多應(yīng)用在城市規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。提出了在Cityengine軟件平臺上構(gòu)建出建筑物模型數(shù)據(jù)庫，參數(shù)式地提取功能建筑物的三維模型，以達(dá)到對區(qū)域內(nèi)三維模型進(jìn)行批量快速的構(gòu)建目的，進(jìn)而應(yīng)用于滿足時效性、應(yīng)急性的真實(shí)工程領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：Cityengine軟件;CGA規(guī)則;批量快速建模

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）2-0140-03

1 引言

近年來，人類面臨的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害愈來愈頻繁，例如：地震、山體滑坡、洪災(zāi)等，給人們的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。在災(zāi)害后期的救援工作中，快速建模技術(shù)有利于救災(zāi)方案的部署，目前，無人機(jī)傾斜攝影[1]、三維激光點(diǎn)云掃描技術(shù)[2]在快速建模上有一定優(yōu)勢，但無法確切的滿足時間維度上的及時需求。伴隨著時代的步伐，構(gòu)建量數(shù)據(jù)三維模型數(shù)據(jù)庫與GIS信息數(shù)據(jù)交互的方法，對區(qū)域內(nèi)的建筑物實(shí)現(xiàn)不同空間層次的三維模型[3]，進(jìn)而更高效地解決其及時性問題。

2 數(shù)據(jù)采集和處理

2.1 簡述

本文以成都師范學(xué)院溫江校區(qū)為中心設(shè)計周圍2km²范圍的建筑物在開放式地圖獲取平臺OpenStreet-Map上進(jìn)行二維數(shù)據(jù)的采集[4]，如：DOM遙感影像、矢量地圖等，在Cit yengine平臺下，通過系統(tǒng)CGA規(guī)則數(shù)據(jù)模版、自行編譯規(guī)則數(shù)據(jù)、收集網(wǎng)絡(luò)共享CGA規(guī)則數(shù)據(jù)等渠道，形成CGA規(guī)則三維模型資源數(shù)據(jù)庫，對其進(jìn)行分類處理后，利用CGA規(guī)則驅(qū)動該地區(qū)的建筑物二維輪廓面，使其批量快速的構(gòu)建功能建筑物的三維模型。

2.2 二維信息底圖

本次實(shí)驗(yàn)在OSM平臺上直接提取了研究區(qū)域的矢量地圖如圖1。

為了得到該地區(qū)建筑物的相應(yīng)屬性信息，需要在已下載的矢量地圖提取建筑物的關(guān)鍵屬性如：面積、樓層、樓高等，得出該地區(qū)的建筑物屬性表，見圖2。

2.3 數(shù)據(jù)分類

為實(shí)現(xiàn)批量快速構(gòu)建三維模型，需將二維數(shù)據(jù)內(nèi)建筑物依照該地區(qū)所屬建筑的功能屬性進(jìn)行類別劃分，隨之將已劃分的建筑物進(jìn)行文件圖層分類操作，即從建筑物屬性表中甄別出功能建筑，并將其進(jìn)行shape文件圖層分類，將類別相同或相似的屬性建筑分層到同一個shape文件中，使其作為導(dǎo)入Cityengine后的圖層類單元。

2.4 數(shù)據(jù)匯總

使數(shù)據(jù)導(dǎo)人Cityenglne時能快速高效的被系統(tǒng)預(yù)處理程序識別，則需將已作處理后的道路、綠化、建筑物等shape文件匯總到已創(chuàng)建的GDB數(shù)據(jù)庫中，使其能一次性導(dǎo)人Cityengine，且可以進(jìn)行圖層式隱藏和顯示的操作，以便于系統(tǒng)內(nèi)的二次修改和優(yōu)化。

3 量三維模型

3.1 CGA規(guī)則數(shù)據(jù)庫

CGA規(guī)則是一種參數(shù)化建模的建筑類計算機(jī)語言規(guī)則，參數(shù)化建模是通過細(xì)分和組合的方法完成[5]，首先分析建筑物結(jié)構(gòu)特征，再對其進(jìn)行建筑單位元（墻、柱等）和可視構(gòu)件（裝飾條、門、窗）的細(xì)分，最后利用規(guī)則語言將其組合形成不同類型的建筑物。

根據(jù)所需要表達(dá)的建筑模型的特征，編寫相應(yīng)的CGA規(guī)則文件，隨著人工不斷編譯CGA規(guī)則文件，從而建立的建筑物三維模型規(guī)則數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫可根據(jù)《房屋建筑學(xué)》[6]的分類標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建出具有獨(dú)立功能特征的建筑物三維模型CGA規(guī)則文件夾。此類規(guī)則文件既可以進(jìn)行移植和共享[7]，又可以進(jìn)行二次編輯。

3.2 構(gòu)建流程

傳統(tǒng)三維模型構(gòu)建首先靠獲取建筑物外輪廓，其次通過Photoshop修圖軟件對提取的紋理進(jìn)行修整，最后利用三維建模軟件進(jìn)行人工拉伸、貼圖、賦予材質(zhì)等處理，從而構(gòu)建出建筑物三維模型;而Cityenglne將這系列步驟利用計算機(jī)語言的形式，將其定義在CGA規(guī)則文件中，并且可以被任意調(diào)用、隨時調(diào)用，從而縮減了時間維度和簡化了MBS（模型分解結(jié)構(gòu)），使得構(gòu)建模型變成了程序化輸出形式和迭代化修飾數(shù)據(jù)形態(tài)，通過計算機(jī)系統(tǒng)的處理功能不斷的對軟件內(nèi)置面驅(qū)動相應(yīng)的規(guī)則[8]，短時間內(nèi)導(dǎo)出大量的建筑物三維模型。該量三維模型構(gòu)建圖如圖3。

3.3 “圖層”式批量建模

為了批量快速的構(gòu)建建筑三維模型，利用shape文件作為圖層誘導(dǎo)概念，調(diào)用CGA規(guī)則數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用屬性建筑文件，直接賦予shape文件包含的所有相同功能屬性的建筑二維信息面，即可生成相應(yīng)模型，如圖4。

3.4 模型調(diào)整

在不改變規(guī)則文件的參數(shù)情況下，可以調(diào)整其樓高、層高以及材質(zhì)等參數(shù);即可通過上述建筑物屬性表，對已建立的模型進(jìn)行屬性調(diào)整，使其更加接近真實(shí)數(shù)據(jù)。

基于Cityenglne的兼容性能和交互性能，可對已建立的三維模型進(jìn)行二次優(yōu)化。為了滿足可視化需求，可以將生成的模型轉(zhuǎn)換到第三方建模軟件進(jìn)行優(yōu)化操作，

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

經(jīng)過Cityengine系統(tǒng)自帶附屬綠化、道路等規(guī)則的簡單處理后，可形成更直觀的場景模型，得到圖5所示實(shí)驗(yàn)不同區(qū)域的建筑物模型。

基于GIS數(shù)據(jù)和已建規(guī)則數(shù)據(jù)的交互，即可完成對建筑物三維模型的批量快速構(gòu)建，所建立的三維模型是代表建筑理論的功能性數(shù)據(jù)，形成該理論數(shù)據(jù)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)正是在于將大量的類似二維功能字段批量且快速的升級到了第三維度模型形態(tài)，其可以更高效的服務(wù)應(yīng)急救災(zāi)、虛擬城市等事件和項(xiàng)目，但在真實(shí)世界中該技術(shù)存在的問題是與真實(shí)場景的真實(shí)建筑匹配度相對較差。

4.2 展望

當(dāng)在實(shí)現(xiàn)了批量和快速兩大建模優(yōu)勢的情況下，若對真實(shí)場景的建筑物匹配度加以研究，則更能有效地對真實(shí)世界中的建筑物三維模型進(jìn)行管理，也能極大地減少對三維模型構(gòu)建資金的投入。

參考文獻(xiàn)：

[1]王丙濤，王繼，基于傾斜攝影技術(shù)的三維建模生產(chǎn)與質(zhì)量分析[J].城市勘測，2015（5）：80～82.

[2]夏希.基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和NURBS曲面的DEM構(gòu)建[D].成都：成都理工大學(xué)，2016：1～58.

[3]劉磊，馬勁松，劉凱，等.CityEngine三維建筑模型的簡化算法研究[J].地理空間信息，2016，14（4）.

[4]劉強(qiáng)，林孝松.基于CityEngine的三維場景快速建模研究[J].綠色科技，2017（4）：116～117.

[5]張俊.參數(shù)化的精細(xì)三維建模技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：華東理工大學(xué)，2016：1～55.

[6]趙西平，霍小平，萬杰，房屋建筑學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006..

[7]謝年，向煜，許艇偉.基于規(guī)則的快速三維建模技術(shù)研究[J].城市勘測，2013（4）：6～8.

[8]梁世文，尹志永，李雪飛.CityEngine在三維城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].科技傳播.2014（3）：168.