謝小魁，陳青海，陳煜均

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128；2.杭州經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311121；3.廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司，廣東 廣州510665）

基于規(guī)則的三維地理信息系統(tǒng)自動(dòng)建模

謝小魁1，陳青海2，陳煜均3

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128；2.杭州經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311121；3.廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)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(chǔ)三維信息到屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，再利用CityEngine編寫(xiě)規(guī)則自動(dòng)生成模型。根據(jù)此方案制作了湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)三維模型。研究結(jié)果表明：基于規(guī)則的三維建模方法具有快速高效、更新方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合海量數(shù)據(jù)背景下的智慧城市模型批量生成，同時(shí)可以滿足不同參數(shù)條件下規(guī)劃方案的比選要求，為景觀規(guī)劃和地理設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

地理信息系統(tǒng)；三維建模；城市引擎

三維模型是三維地理信息系統(tǒng)的處理對(duì)象，是數(shù)字地球、數(shù)字中國(guó)和數(shù)字城市的重要組成部分[1]。傳統(tǒng)三維建模常用AutoCAD、3DStudioMax 和SketchUp（草圖大師）等軟件進(jìn)行[2-4]，存在效率低下、不支持屬性數(shù)據(jù)的編輯和查詢(xún)，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(nèi)外部模型，缺乏可重用性，建模周期長(zhǎng)[6]，造成了資源的極大浪費(fèi)?；谝?guī)則的參數(shù)化建模通過(guò)編寫(xiě)規(guī)則，分層次逐漸對(duì)空間實(shí)體添加更多的細(xì)節(jié)，從而生成和優(yōu)化模型[7-11]。美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（environmental systems research institute，Inc.簡(jiǎn)稱(chēng)ESRI）的CityEngine是目前主流的基于規(guī)則的三維建模設(shè)計(jì)軟件，可以調(diào)用ArcGIS的空間和屬性數(shù)據(jù)，利用規(guī)則快速、自動(dòng)、批量地生成大場(chǎng)景三維景觀模型。

本文研究了利用ESRI CityEngine進(jìn)行規(guī)則建模的方法，介紹了數(shù)據(jù)源獲取、規(guī)則編寫(xiě)和模型生成過(guò)程，并以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，展示了建模效果。

1 CityEngine簡(jiǎn)介

CityEngine由瑞士Procedural公司在2008年發(fā)布并于2011年被ESRI公司收購(gòu)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、城市規(guī)劃、軌道交通、電力、管線、建筑、國(guó)防、仿真、游戲開(kāi)發(fā)和電影制作等眾多領(lǐng)域[8]。CityEngine能與ArcGIS無(wú)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(tǒng)，而不僅僅是傳統(tǒng)的三維展示系統(tǒng)。傳統(tǒng)三維展示系統(tǒng)不具有三維分析功能（例如通視分析、日照分析、三維選線），無(wú)法利用現(xiàn)有的海量國(guó)家地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)。CityEngine可利用已有的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維建模，減少了系統(tǒng)的再投資成本，也縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期[2]。

2 數(shù)據(jù)獲取

三維建模一般需要先利用宏觀定位數(shù)據(jù)建立場(chǎng)景,然后利用二維矢量數(shù)據(jù)（例如道路、建筑物、植被）、建筑物的高度數(shù)據(jù)、地物的紋理數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置規(guī)則參數(shù)。

1）宏觀定位數(shù)據(jù)。宏觀定位數(shù)據(jù)是景觀各要素的空間定位框架，為單體建筑、道路、樹(shù)木等提供定位基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)一般來(lái)自國(guó)家和國(guó)際公共資源。宏觀定位數(shù)據(jù)主要有土地利用現(xiàn)狀圖、各級(jí)別的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，主要來(lái)自共享資源（如中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云）和網(wǎng)絡(luò)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(lái)自3方面：①大比例尺地形圖。我國(guó)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(biāo)注命令dimangular進(jìn)行距離和角度量算，獲取建筑外圍尺寸。②外業(yè)實(shí)測(cè)。外業(yè)實(shí)測(cè)主要利用全站儀進(jìn)行測(cè)量，小范圍研究區(qū)域也可以利用鋼卷尺。GPS在建筑密集地區(qū)存在信號(hào)遮擋問(wèn)題，測(cè)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(biāo)。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(shí)際運(yùn)用中，一般需要對(duì)建筑物尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化、細(xì)節(jié)剪除、數(shù)量取整，以使建模過(guò)程變得簡(jiǎn)單和方便。建筑物的高度信息可以利用激光測(cè)距儀進(jìn)行實(shí)測(cè)。但進(jìn)行大場(chǎng)景建筑高度實(shí)測(cè)的成本過(guò)高，可以通過(guò)文獻(xiàn)法、估算法和高分辨率遙感影像量算進(jìn)行。

3）建筑細(xì)節(jié)和紋理信息。用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地采集建筑物細(xì)節(jié)，包括建筑物形狀、構(gòu)成組件（門(mén)、欄桿、窗戶、臺(tái)階等），然后利用PhotoShop進(jìn)行處理，進(jìn)行紋理拉伸、幾何糾正、形狀調(diào)整等。按照照片上的信息進(jìn)行建模，并在建模完成后進(jìn)行貼圖。拍攝時(shí)要盡量獲取建筑物的正面、整體照片，保證建筑物形態(tài)規(guī)則；紋理采集要全面，確保各側(cè)面都采集齊全，沒(méi)有遺漏[3]。

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

3 建模規(guī)則

CityEngine采用規(guī)則建模語(yǔ)言Computer Generated Architecture（CGA）來(lái)自動(dòng)生成模型，CGA是一種逐步細(xì)化描述的語(yǔ)言，是從一個(gè)地塊拉伸成為一個(gè)物體，然后通過(guò)分類(lèi)和切割使三維模型逐漸精細(xì)。

在CityEngine中，所有的三維模型都是由二維的初始形狀產(chǎn)生的，因此二維矢量數(shù)據(jù)可直接作為數(shù)據(jù)源。在CGA語(yǔ)言中默認(rèn)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(jù)實(shí)際情況和拍攝的照片對(duì)模型執(zhí)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(chǎng)景文件（scene），包含道路、建筑、綠地、水域和獨(dú)立地物圖層。因?yàn)殄e(cuò)綜復(fù)雜的道路網(wǎng)把其他地塊分割開(kāi)來(lái)，所以道路圖層最好先建立。

2）導(dǎo)入圖形和屬性。從CAD、SHP文件導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)，從Excel、DBF導(dǎo)入屬性數(shù)據(jù)，并在ArcGIS里加入地塊相關(guān)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(shù)據(jù)的坐標(biāo)系應(yīng)與影像的坐標(biāo)系一致[10]。

3）規(guī)則建模。CityEngine的三維建模主要依靠CGA文件的編寫(xiě)，而不是直接手動(dòng)建模。修改模型時(shí)只需修改規(guī)則文件即可，不用將整個(gè)模型拆掉重建，這使得CityEngine非常適用于大量、快速、對(duì)于細(xì)節(jié)要求不太高的城市建模。這是CityEngine區(qū)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(duì)物體進(jìn)行貼圖時(shí)，由于數(shù)碼相機(jī)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(guān)系、光照條件等因素影響，圖片比例會(huì)失調(diào)，必須對(duì)每張圖片用Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行裁切、變換等處理，使之成為正射狀態(tài)[11]。

5 實(shí)際效果

本研究過(guò)程中利用CGA語(yǔ)言編寫(xiě)了建筑物、植被等地物的建模規(guī)則。

1）建筑物建模。建筑物的規(guī)則編寫(xiě)主要考慮建筑物的底層Ground_Floor（因?yàn)榇蠖嘟ㄖ讓拥母叨群徒Y(jié)構(gòu)都與上面的樓層不同）、門(mén)的位置、窗臺(tái)的結(jié)構(gòu)、樓頂?shù)臉邮?。建筑物建模過(guò)程主要是生成building，根據(jù)采集的實(shí)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(mén)和窗戶，然后對(duì)屋頂、墻體和門(mén)窗使用texture命令貼圖，或者使用i命令以類(lèi)似的紋理文件.obj進(jìn)行目標(biāo)替換。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)第八教學(xué)樓建模規(guī)則見(jiàn)圖2，建模效果見(jiàn)圖3。

圖2 CGA建模規(guī)則實(shí)例

2）植被建模。首先分樹(shù)種、齡級(jí)、季節(jié)建立植物模型庫(kù)，以備后用。在生成初級(jí)的三維模型后用i命令導(dǎo)入植物的obj文件。

3）整體效果。本次制作了湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園的三維景觀模型、圖書(shū)館、教學(xué)樓、住宅樓、綠地、道路、水域等，整體效果見(jiàn)圖4。

圖3 建筑物建模效果

圖4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)三維景觀

6 結(jié) 語(yǔ)

本次研究運(yùn)用CityEngine軟件，通過(guò)編寫(xiě)規(guī)則建立了湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的三維景觀模型，實(shí)現(xiàn)了三維展示。CityEngine導(dǎo)出的校園三維景觀.3ws能在支持WebGL技術(shù)的瀏覽器中查看[9]。

由于此模型基于地理信息系統(tǒng)，可以直接用于信息查詢(xún)、模擬飛行、導(dǎo)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(chǔ)上，與學(xué)校業(yè)務(wù)管理結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)校園四季景觀動(dòng)態(tài)展示、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)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(zāi)避險(xiǎn)模擬等基于三維地理信息系統(tǒng)的功能。

在三維地理信息系統(tǒng)中，采用基于規(guī)則的參數(shù)化建模，具有快速高效的特點(diǎn)，可以進(jìn)行空間分析，為數(shù)字城市、景觀規(guī)劃和地理設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

[1] 艾麗雙.三維可視化GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[D].北京:清華大學(xué),2004

[2] 薛亞婷.基于GoogleEarth及KML的數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2007

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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(nóng)業(yè)資源遙感研究工作。

2015-12-17。

項(xiàng)目來(lái)源：湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目（169）；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（50）。