基于CityEngine的三维场景快速建模研究

刘强+林孝松

摘要：依据GIS数据作为建模基础，在CityEngine中运用CGA规则，以重庆交通大学为研究区域，对该区域进行了快速模型生成，然后对具体模型进行动态参数调整，对特定建筑进行精细化编辑，最后生成了三维场景。

关键词：三维建模；CGA规则建模；三维GIS

1 引言

三维建模技术是运用计算机技术，将地理空间数据从传统的以二维平面图为主的表现方式转换为以三维立体模型的方式显示出来，能更真实、形象地展示现实世界，普遍应用于区域规划、智慧城市、建筑设计、安全应急等领域[1]。通常的三维建模方式以手工方式创建为主，虽然可以产生比较精细，美观的模型，但是需要勞动密级型的重复工作，人力财力成本较高。而且在数据处理的过程中容易造成数据丢失，精度及位置匹配不一致，属性管理、后期维护困难。建好的模型以展示为主，没有体现其价值。

张晖等基于CityEngine对建筑三维建模技术进行了研究[2]；黄良平通过程序编写规则代码，主要对城市重要组成部分进行快速三维建模[3]；周玲重点对道路和建筑进行参数化建模，对城市主要构成要素进行了三维建模方法的研究[4]。可见，基于CityEngine，利用CGA规则，编写程序进行批量生产三维模型，降低三维模型生产周期和成本、挖掘三维数据使用的潜力，对三维GIS的应用具有非常重要的意义。

2 数据采集与处理

要构建三维场景建模所需要的数据包括，数字线划地图（DLG， Digital Line Graphic）、建筑物的信息、道路中心线以及纹理贴图等[5]。

2.1 数字线画地图

数字线画地图（DLG）是与现有线划基本一致的各地图要素的矢量数据集，且保存各要素间的空间关系和相关的属性信息[6]。数字线画地图作为三维建模的关键，决定了三维模型的质量，是制作三维场景的基础。

笔者以重庆交通大学为例，通过谷歌地图下载重庆交通大学南岸校区的高分辨率遥感影像图，利用Arc Map软件进行矢量化等一系列操作得到研究区域的数字线画地图。谷歌地图使用的是WGS84地理坐标系，首先使用Data Management Tools下的Project Raster工具进行坐标投影转换为平面坐标系；然后新建地理空间数据库，在数据库里新建Shape file图层，根据地物轮廓对研究区域的遥感影像图进行矢量化；最后对数据编辑，建立要素的属性等一系列操作。数据处理结果如图1所示。

2.2 建筑物数据

建筑物在三维场景中是尤为重要的，建模必要的建筑物数据主要包括建筑物几何形状数据，建筑物高度，楼层等信息。

建筑物几何数据获取途径有很多，这里使用遥感影像图人工矢量的线画图来获取；建筑物高度、楼层等其他属性信息采用人工估算的方式来获取，这种方式获得的数据与实际建筑物相差不大，对于精度要求不高的三维景观建模来说，是一个简单快速，节省时间以及人力的最好方法。建筑物属性信息如图2所示。

2.3 道路中心线

在一个场景中，道路包含的关键信息包括道路的长度，宽度，绿化带、路灯等。在CityEngine中，所需要的空间数据是道路的中心线数据，道路中心线属性数据包

括了这些道路的基本信息，道路的属性信息如图3所示。

2.4 纹理贴图

三维场景模型的渲染离不开纹理贴图，CityEngine生成的三维模型赋予实景照片，就可以形成逼真的三维模型。纹理贴图可以分为建筑纹理，道路纹理，以及地物纹理这三类。为了得到更好的纹理图片效果，还要利用图像处理软件对原始的纹理照片进行大小、颜色、亮度、对比度，以及遮挡物去除、裁剪、拉伸等处理。

3 三维建模

3.1 建筑物建模

CityEngine中建筑物建模一般步骤是通过CGA规则对建筑物基底轮廓拉伸形成，而对于复杂的建筑物则无法实现，因此将建筑建模分为规则建模和不规则建模，不规则建模主要指对场景中的标志性建筑，不规则建模一般很难通过CGA规则实现，一般利用第三方建模软件或者CGA的Polygonal Shape Creation和Rectangle Shape Creation工具进行精细建模，然后利用Shape Texturing Tool工具贴图。精细化建模效果如图4。

3.2 道路建模

CityEngine道路参数化建模的一般思路是：根据道路的特征和组成，将道路分为Street（街道），Crossing（路口）， Junction（交界）， Crosswalk（路口人行道）， Sidewalk（人行道）， JunctionEntry（交界入口），以及绿化带，桥梁，路灯，车辆，行人等要素，由于研究区域有轻轨轨道，因此需要考虑轻轨建模，轻轨建模思路和桥梁类似。对道路各个组成部分建立对应的CGA规则，通过调整参数来建立与修改道路模型（图7）。

3.3 地面附属物建模

除了建筑物和道路外，还需要对绿化带，运动场等地面附属物进行建模。绿化带建模规则主要思路是绿地贴图以及散点树模型替换；运动场的建模规则主要是根据运动场类型进行贴图生成。

2017年2月绿 色 科 技第4期

4 三维场景预览

通过对研究区域建筑物、道路、绿化带运动场等要素的CGA规则书写以及应用，研究区三维模型总体效果如图8所示。

5 三维场景应用

三维场景在城市、小区等的全局或者局部景观展示，虚拟旅游、建设规划、智慧城市的建设、地图空间信息查询、空间分析地图导航、应急救灾等诸多领域具有广阔的应用前景。

6 结论及展望

（1）以GIS要素和属性数据作为建模基础数据，用CGA规则驱动创造三维模型，动态智能编辑与布局可以快速建立三维建模。

（2）避免大量重复的手工建模，将建模规则融合到代码中，应用规则可以快速生成道路、建筑等三维模型、可调整的三维模型参数极大地方便了代码的可重复利用性。

（3）近年来，随着倾斜摄影测量技术的诞生及发展，越来越多的人将倾斜摄影技术应用到智慧城市的建设之中，相比于传统航空摄影，倾斜摄影技术不但可以满足传统二维数据制作的一切要求，同時多角度的拍摄更有利于获取地物纹理，尤其是建筑物侧面纹理，从而可以将航空影像应用到三维模型数据的制作当中，形成“智慧城市”地理信息数据中的实景三维数据，节约制作传统三维模型数据的人力、物力及时间成本。

参考文献：

[1]王俊伟，简 季，周云帆. 数字校园应用中CityEngine快速参数化三维建模研究[J]. 测绘，2014（4）：161～164.

[2]张 晖，刘 超，李 妍，等. 基于CityEngine的建筑物三维建模技术研究[J]. 测绘通报，2014（11）：108～112.

[3]黄良平. 基于CityEngine的城市三维建模方法研究及应用[D].赣州：江西理工大学，2015.

[4]周 玲. 基于参数化技术的数字城市三维建模方法[D].杭州：浙江大学，2013.

[5]李芙蓉. 基于GIS的三维虚拟校园的设计与实现[D].西安：长安大学，2014.

[6]吕浩音. 4D一体化数字电子地图集关键技术研究与实现[D].西安：西北大学，2010.

[7]谢衍忆，黄良平，陈元增，等. 基于CityEngine的城市三维快速建模方法及应用[J]. 地理空间信息，2016（2）：39～40，62.

[8]祁向前，乔 辉. 基于CityEngine数字校园建筑物三维建模研究[J]. 山西建筑，2016（2）：255～257.

Research on fast modeling of 3D scene based on CityEngine

Liu Qiang，Lin Xiaosong

（School of architectureand urban planning，ChongqingJiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract： Based on the GIS data as the basis of modeling， the use of CGA rules in CityEngine， taking Chongqing Jiaotong University as the research object，fast model generation in the region， then the dynamic parameter adjustment on the specific model of the particular building， finally generate 3D scene.

Key words： CityEngine； 3D modeling； CGA rule modeling； 3D GIS