基于CityEngine CGA規則建模在城市不同尺度場景的三維可視化應用

趙越， 李昊

（中規院（北京）規劃設計有限公司）

1 概述

隨著我國城鎮化建設的快速推進和城市管理的發展，城市智能規劃、智慧城市等取得了顯著成績。但是，目前城市規劃仍存在重規劃輕統籌，智慧城市中數據孤島、信息煙囪問題依然嚴重［1］。依賴于新一代信息技術、虛擬現實等技術的發展，基于地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）、城市引擎（CityEngine，簡稱CE）[2]，建立的三維地理信息系統為新時期的城市規劃信息化、智慧城市提供了強大支撐［3］。

包含多時空、多維度、高分辨的地理空間數據的三維場景可以有效地輔助城市規劃、建設、施工、管理運維等工作，為企業和政府的決策提供支撐。與傳統手工建模軟件和建筑信息軟件相比，CE不僅能夠兼容GIS數據，而且還可以大批量、高精細地規則創建大場景的三維模型［4-5］。

近年來，許多專家學者基于GIS和CE三維建模應用在規劃、建筑領域，如鄺躍兵運用GIS 和CE 實現城市三維模型場景可視化、空間查詢與分析［6］；李宏旭基于CE 規則建模方法,實現了規劃方案對比、建筑體量調整、規劃指標計算等功能［7］；Jiang Yujie以湘西小溪傳統村落為例，利用CE三維可視化研究了傳統村莊空間形態的自成規律［8］；蔡周平等基于CE三維城市模型在智慧城市規劃中的應用［9］。

綜上所述，國內外學者研究CE 在總體規劃、城市設計、數字城市等方面應用三維可視化方面的應用較多，本文基于GIS 和CE 軟件及多類型數據，探索運用CE CGA規則建模在城市不同尺度場景的三維可視化方面的應用。

2 研究方法

從2001 年帕斯卡爾米勒發明程序性的建模技術到2009年發布CE2009，最后被美國環境研究所收購并逐步實現了對GIS的融合支持。與手工精細建模軟件（Sketchup、Rhino、3d Max等）、建筑信息模型軟件（Archi CAD、Bentley Architecture、Revit、CATIA等）相比，作為批量參數化自動建模軟件代表的CE的優勢在于通過對各個模型的基本信息（樓高、層高、外立面等）生成規則的個性化定義（指令、代碼等）并利用二維GIS 數據來構建三維場景模型。其程序應用于整個場景并完成自動搭建，因此大大節省了時間成本，提升了建模效率。

2.1 數據準備

本文數據均包含地理坐標，主要有：①某市建成區的建筑基底數據，包含樓高、用途性質等屬性，CAD格式；②某市建成區城市規劃土地利用分類數據，包含容積率等各類地塊信息，CAD格式；③城市軌道交通數據，包含交通線、站點、各個出入口等信息，CAD格式；④手機熱力數據，以網格統計不同時間段的居住/就業人數等信息，CSV格式；⑤設施POI數據，包含服務設施類型、地址、名稱等信息，Shapefile格式（見表1）。

表1 數據列表（來源：作者自繪）

2.2 技術路線

通過數據的收集，GIS 與CE 的相互配合，最終生成三維模型。各個步驟相互順承、相互影響。基于CE CGA規則的三維建模流程圖如圖1所示。

圖1 CE CGA規則的三維建模流程圖（圖片來源：作者自繪）

數據收集階段：本文涉及到的數據基本通過網站獲取、API 獲取和購買的方式。數據均含有地理坐標信息，方便后面在統一坐標系下精準落位、分析；數據處理階段：通過Python 和GIS 的model Builder 等功能將多種數據格式批量轉成符合導入CE 的數據格式（ShapeFile、FileGDB 等）。導入CE后，由于數據的多樣性，難免會出現數據不能精準貼合等問題，后續需要再次處理；CGA規則建模階段：通過調節參數設置或者編寫CGA代碼，將二維數據生成三維模型，包括顏色、門窗紋理等細節渲染，有些個別的渲染需要單個手動調節；三維模型生成：最終生成的三維模型可以進行可視化展示、空間屬性查詢、對比分析和日照分析等功能應用，并且可以根據需要將三維模型轉換成不同的輸出格式（OBJ、3DS、DAE、FBX、ABC等）。

2.3 建模規則與實現

CE 通過其獨有的CGA 規則，根據二維平面數據的各項屬性定義規則、編寫代碼、生成具體的且包含細節的三維模型。根據本文研究內容涉及到的規則函數分析具體包括：定義函數attr、拉伸函數extrude、條件函數case..else..、set 函數、切割函數split、顏色函數color、語法附注等。以下為本文具體建模規則和實現過程：

1）建筑基底數據分層三維顯示

attr height=0

Lot--＞

extrude(height)

building

building--＞

split(y) { 3 : flooldble | ～0.45 : filetin }*

flooldble--＞

//color(0,0.5,0.8,0.5)

floorbox

floorbox--＞

comp(f) { side : sidefacade | top :

topfacade }

sidefacade--＞

extrude(rand(0.05,0.15))

topfacade--＞

color(220,220,220)

filetin--＞

comp(f) { side : sideblack }

sideblack--＞

color(0,0,0,0.5)

extrude(0.2)

2）建筑上附加居住人口和就業人口三維顯示

attr Floor = 0

attr FloorHeight = 3.5

attr RK = 0

@Color

attr Color = ""

Lot --＞

extrude(Floor*FloorHeight) Multi

Multi --＞

#color("#FF0080")

case RK＜=100: color("#FFFF80")

case RK＞100&&RK＜=1000:color("#FAD155")

case RK＞1000&&RK＜=3000:color("#F2A72E")

case RK＞3000&&RK＜=7000:color("#AD5313")

else: color("#6B0000")

attr Floor = 0

attr FloorHeight = 3.5

attr JY = 0

@Color

attr Color = ""

Lot --＞

extrude(Floor*FloorHeight) Multi

Multi --＞

#color("#FF0080")

case JY＜=500: color("#FFFF80")

case JY＞500&&JY＜=3000:color("#FAD155")

case JY＞3000&&JY＜=6000:color("#F2A72E")

case JY＞6000&&JY＜=11000:color("#AD5313")

else: color("#6B0000")

3 三維可視化技術研究運用

隨著城市的發展和技術的進步，三維模型在國土空間規劃、交通規劃、智慧城市等扮演的角色越來越重要。三維模型技術在經過了多年的發展，也逐步的應用到了各個行業。其優點如下：①三維模型的可視化效果更為直觀。三維模型可以直接展現城市地上、地下多種復雜的城市空間信息，直觀的感受到城市空間結構和設施布局，方便城市工作者結合自身經驗做出相關規劃設計決策。②三維模型強大的多維度分析功能可以提高工作效率。二維空間分析在面對復雜、大量、抽象的城市數據時，表現出明顯的劣勢和局限性。三維模型不僅在系統上包含了二維空間分析的功能，而且還可以進行日照分析、空間擴散分析、透視性分析等多維度分析。此外，三維模型通過擴展還可以多人線上同時討論、修改、決策，增強了響應速度、體驗感、工作效率和用戶與模型之間的實時交互性。

CE 作為三維場景建模軟件的代表廣泛應用于空間規劃、城市交通等方面，尤其是智慧城市、建筑設計、軌道交通等領域。郭容昱通過CE批量化的三維建模，可以迅速實現城市不同尺度場景的構建［10］。本文分別從宏觀和微觀不同層面來研究CE 規則建模對于不同要素和指標在三維場景中的展現和分析。這種程序規則建模可以將二維矢量數據批量且自動的創建三維場景，在減少了成本和建模周期的同時，實現了所見即所得的空間設計，更是通過與GIS集成保證了空間精度和屬性的一致。

3.1 宏觀層面

城市宏觀大場景的三維模型對高精度地理信息數據的可視化，直觀且全面的展現城市空間格局、發展聯系。通過全域、全周期的分析海量城市數據實現對城市現狀、規劃項目全要素、全過程的三維可視，識別城市發展現狀問題，更好的服務于規劃城市的發展方向和設施布局。交通方面，通過對道路交通現狀、交通模擬、職住關系、軌跡預測等分析，可以有效的支撐未來交通道路規劃建設和管理。土地管理方面，通過土地現狀數據、地理信息數據、規劃數據、政府招拍掛等數據，可以在提升土地配置效率和資源節約的基礎上實現土地出讓、劃撥、招商等方面的土地管理工作。圖2 和圖3 分別為基于CE CGA規則批量生產的三維模型可視化大場景建筑物生成并且附加居住人口、就業人口、土地容積率等信息（見圖2、圖3）。

圖2 城市宏觀層面三維模型可視化——建筑上附加居住/就業人口（圖片來源：作者自繪）

圖3 城市宏觀層面三維模型可視化——地塊容積率且建筑上附加居住/就業人口（圖片來源：作者自繪）

3.2 微觀層面

宏觀層面的CE 三維建模可以為城市的規劃和發展的大方向提供支撐，但方案的評估、項目的落地、政策的實施都是在社區、街道、軌道站點等微觀層面。根據需求，微觀層面的三維模型可視化可以展現地上地下一體化設計（見圖4），分析街道沿線一定范圍內的三維建筑模型之間或指標間的關系，通過CE三維漫游會有更直觀的表現。軌道站點周邊，通過微觀三維建模，可以展現出站點與各類公共服務設施的關聯關系（見圖5），如站點到文化設施的最短路徑。此外，在微觀場景中局部融入Sketchup、3d Max等制作的更加精細化三維模型或者BIM建筑信息模型，并且可以通過預留接口引入AR，VR，MR，通過真實與虛擬場景加強人與環境的交互，用于展覽館、博物館、科技館等文化傳播、展示和交流。

圖4 城市微觀層面三維模型可視化——地下站點、地鐵線路、地上建筑附加居住/就業人口（圖片來源：作者自繪）

圖5 城市微觀層面三維模型可視化——500m范圍內地鐵站到各類公服設施的最短路徑展示（圖片來源：作者自繪）

4 結語

在城市發展的轉型期，社會高質量發展對精細的三維場景的需求越來越多。三維模型作為城市空間數據的重要載體直接可以應用到城市的規劃、建設、管理、運營的各個階段。文章表明，基于CityEngine CGA 規則的不同場景的三維模型可視化，能夠快速展現規劃設計方案、進行多維分析，并實現不同規劃設計的對比，是一種非常高效的技術手段。此外，未來通過CityEngine 與大數據、人工智能的鏈接，可以實現城市人口、交通、環境等城市多種復雜業務場景的智能化分析，更好地為城市的數字化轉型提供支撐。