基于CityEngine CGA规则的三维数字城市建模

范伦，韩健

(1.珠海市测绘院，广东 珠海 519015； 2.中国人民解放军32023部队，辽宁 大连 116023)

1 引 言

目前，三维数字城市已成为数字城市建设不可缺少的重要部分，并藉以三维城市获取更多的空间信息和属性信息，三维城市在城市规划、管理及提高城市政府管理服务水平等方面起到了积极作用[1]。我国一些重点城市如深圳、广州、上海、苏州等已建成三维数字城市，在城市管理和便捷服务方面起到了重大作用[2]。然而，随着三维数字城市规模的增大，出现了数据获取量大、建设周期长、共享性不良等问题，一定程度上阻碍了三维数字城市建设[3]。如何利用、共享已有数据，最大程度缩小数据获取成本，提高建设效率便成为研究的热点问题。虽然三维建模软件AutoCAD、Sketchup、3ds Max等具有较高的工作效率[4]，Open GL三维图形库或VRML虚拟现实建模语言具有较强的开发定制能力[5]，但在利用已有数据方面，远远不如GIS平台。由于CityEngine兼容CAD和GIS数据，且在精细建模和联合建模中有广泛应用[6～9]，因此可利用现有GIS数据快速创造三维模型，缩短建模周期。本文基于CityEngine，运用已有CAD数据对城市小区进行了CGA规则建模，实现了三维模型的快速建立，大幅提高建模效率。

2 建模原理

CityEngine建模依托要素、属性和规则三方面内容，使用者可以根据场景中的每个元素提供更为详细的信息，建立起更复杂更贴近真实三维世界的场景。

2.1 建模规则

CityEngine是美国Esri公司收购的三维建模软件，采用计算机生成建筑模型(Computer Generated Architecture，CGA)作为设计语言[10]，建模的思想是定义各类规则，通过迭代精炼设计创建细节模型。概括起来，CGA自定义规则包括条件规则、参数规则、标准规则和随机规则，CityEngine所创建的模型均由该规则驱动。建模时首先利用某些参数或变量建立原始三维模型，如若改变模型，可通过重置这些参数或变量来实现，因此通过CGA建立的模型是动态的，这一点在一定程度上是优于其他建模平台的。CGA参数可以是反映模型几何特征的参数，也可以是反映材质、形状等属性参数，因此参数的确定是建模的核心。CityEngine建立的模型保留了CAD或GIS属性，可以进行三维显示、分析和计算，也可以转换成其他平台支持的三维模型格式，有利于数据的查询和分析，因此CGA建模的关键是多次优化设计编写好的规则模型，反复修改模型细节，进而完成逼真建模。

2.2 建模方法

类似C++语法，CGA采用函数的方法定义规则，规则的功能命名为函数名，传递的要素定义为参数或属性，常见的函数有extrude、comp、projectUV、split和texture等函数。extrude的功能是将平面在某一方向拉伸出一定长度，有两个参数，默认height参数是拉伸值，也可以同时运用axisWorld和height两个参数，将面沿着世界坐标系轴拉伸至一定长度。comp是将组件对象进行分割，参数f分割面，e分割边，v分割顶点，分割面时，通常选取front、back、left、right、top、bottom六个参数。projectUV是为了完成纹理映射而进行空间投影对应。split用于沿某轴分割模型侧面，进而起到分层作用，参数splitAxis用于指定分层方向。texture用于粘贴纹理，有一个string类型的参数，一般是指定纹理贴图的目录。主要函数的功能与参数释义如表1所示。

CGA函数功能及其释义 表1

3 建模实验

3.1 建模数据

三维城市建模数据为珠海某小区不动产调查数据，在南方CASS软件中数字化成图，平面坐标采用当地城市坐标系，高程采用1985国家高程基准，成图比例尺为1～500。外业测绘时采用全站仪草图法，对小区街道和建筑物轮廓进行了实地测量，内业在CASS 9.0中绘图完成，符号采用CASS定义的标准符号。为了便于读取数据，CASS 9.0成图的dwg格式数据被输出为shp格式，并将道路网、零星点状地物和居民地分层导出。在CityEngine中导入shp数据，可实现数据读取，数据导入后如图1所示。纹理贴图采用相机拍照法，对小区内地面道路、广告牌、建筑侧面等进行拍照，经过色彩调整、匀光和纠正处理后，作为建模物体侧面纹理。同时，通过全站仪对边测量实地量取建筑物高度，由dwg图形反算道路各单元长度，作为建模基本数据。

图1 CityEngine中导入shp数据

3.2 建模流程

数字三维城市建模分为几何建模和纹理制作两个主要流程。几何建模首先将1∶500的CAD数据经提取、转换后分层转为shp文件，在ArcMap中作几何量度和纹理样式处理，将道路宽度、楼房高度及层数作为建筑物属性录入转化后的shp数据，同时比对道路、楼房等物体的真实纹理，确定各地物纹理样式。几何量度和纹理确定后，运用CityEngine的CGA规则进行建筑物、构筑物建模，生成三维建筑白模。在纹理制作方面，运用数码相机拍摄建筑物、道路等高清影像，在Photoshop中进行匀色、纠正处理，使倾斜纹理影像纠正为正射影像。在三维白模上粘贴相应纹理，生成数字三维城市模型，其建模技术流程如图2所示。

图2 三维城市建模流程

3.3 三维建模

CityEngine主要解决两类建模问题，第一是道路建模，第二是建筑物建模，其他附属物建模可采用附属设施模型库，也可通过3ds Max实物建模后导入到CityEngine中。对于道路建模，CityEngine规定了一系列规则，建模时需依据已有数据按规则运行。对于建筑物建模，需组合调用2.2所述函数，实现动态快速建模。

(1)道路建模

CityEngine道路建模是基于拆分原理的，也就是把道路拆分为若干活部件，CityEngine2014版本支持11种拆分，拆分后的道路部件分别是主街道(Street)、人行道(Sidewalk)、交叉口(Crossing)、转弯部(Joint)、交界处(Junction)、交界入口(JunctionEntry)、分支路(Freeway)、分支路连接处(FreewayEntry)、环岛(Roundabout)、环岛连接处(RoundaboutEntry)、环岛内岛(RoundaboutIsland)。由于实验小区并不复杂，因此建模中未应用环岛、环岛连接处、环岛内岛三个部件。

CGA规则建模首先将选取整条道路，沿道路中线纵向剖分为主街道、人行道、交叉口、转弯部、交界处、交界入口、分支路和分支路连接处，然后横向剖分，直至各部件剖分后可以独立进行参数调节为止。主街道范围选取后独立剖分，使之与人行道分离，赋予实际纹理，转弯部处理与主街道相同；人行道分离后，对shp数据进行extrude拉伸，高度和实际尺寸一致，运用texture函数赋予真实纹理；交叉口、交界处量取实际转角和半径，粘贴真实纹理。交界入口、分支路和分支路连接处直接贴上真实纹理，完成真实建模。经过以上处理，一般道路与立交道路处理效果如图3所示。

图3 数字三维城市道路建模

(2)建筑物建模

文献[3]描述了建筑物建模的一般过程，本文建模首先导入地面DEM，然后通过确定建筑物底面，运用extrude函数在垂直方向进行真实尺度拉伸，依据建筑物层数信息，应用comp函数对拉伸后的白模进行分面，再利用split函数进行分割，直至建筑物侧面与真实情况完全吻合为止。最后利用projectUV、texture函数贴图纹理，完成建筑物建模。

建筑物CGA规则化编程是三维模型的逆向分解，以建筑物属性信息作为参数，通过建模规则函数将拆分的建筑物进行三维重建。建筑模型拆分程度越高，需要的建筑物属性信息愈多，相应的CGA规则编写也更复杂，所建模型也越加精细。为了有效利用建模规则，实验中首先将实验区建筑物按外形分为多边形建筑物、圆形建筑物、四面形建筑物三类，在构建模型过程中如果出现相同类型的建筑物运用同一规则，实现批量快速建模，而复杂建筑物则单独编写规则，规则不重复利用。运用前述方法，实验区地物粗模如图4(a)所示，三维精细建模效果如图4(b)所示，实验区中典型的建筑物挤出、剖分、建顶、投影和纹理贴图CGA代码片段如下所示。

extrude(26.5)mass-->

mass-->

comp(f) {front：frontwall|back：backwall|side：Facade | top：Roof}

Roof --> roofGable(rand(18，25)，1，1)

setupProjection(0，scope.xy，～1，～1)

projectUV(0)

texture("images/myRoof_2.jpg")

图4 实验区CGA数字三维城市建模

(3)精度与效率分析

选取实验区10座典型建筑物作为精度效率分析对象，其中6座建筑物部分层结构相同，4座各层结构互不相同，分别在3ds Max、Sketch UP和CityEngine中进行建模，对其精度和效率分析，得表2所示结果。分析表2可知，3ds Max、Sketch UP和CityEngine三种建模平台纹理贴图效果相当，但3ds Max具有最高的建模精细度，Sketch UP和CityEngine次之。在建模效率方面，3ds Max达到 32.4 h，Sketch UP 21.3 h，CityEngine只有 5.2 h，因此CityEngine具有最高的建模效率，其根本原因是CityEngine采用规则化建模，用定义规则的方法代替手工操作，相同部件可利用同一规则建模，因此具有最低的手动操作复杂度。

CityEngine建模精度与效率分析 表2

4 结 语

基于已有二维CAD数据，通过数据转换，运用CityEngine CGA规则化建模方法，进行了数字三维城市建模。实验表明，基于CityEngine的三维建模具有语言简单、规则易于重复使用、数据兼容性好、属性信息易于保存、建模效率高等优点。CGA规则化建模函数较少且调用方法简单，编程过程中可动态调整模型，因此对于相似建筑CGA规则可以重复使用，因此适宜于广域大规模三维建模。CityEngine CGA建模具有良好的数据接口，尤其是支持多类CAD数据和地理信息数据，可极大节省数据获取成本，提高建模效率，这也是优于其他建模方法的关键所在。然而，本文基于CGA规则建立的三维模型没有考虑其附有属性，未实现二、三维数据联动，且模型未实现网络发布，分析查询功能较弱。后续的研究应加强数据联动性和空间分析研究，使建筑物的属性被定制性访问，构建智能性优良的三维数字模型。