基于CityEngine的重庆嘉陵江地区三维建模

王思睿 马晨阳 江涛

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院 山东省青岛市 266590）

（2.中国科学院空天信息创新研究院定量遥感重点实验室 北京市 100094）

1 引言

随着计算机图形学、3S（Remote Sensing, RS; Geographic Information System, GIS; Global Navigation Satellite System, GNSS）技术、虚拟现实技术以及多媒体技术的发展，三维全景漫游已经逐步兴起并被应用于城市规划、旅游、教育、军事、娱乐等领域。现阶段，如Autodesk 公司的AutoCAD、3ds Max、Maya 以及Google公司的SketchUp 等主流三维软件的功能已经十分强大，具有较好的建模效果[1]。在三维城市建模研究中，常用的建模有无人机采集数据建立三维城市模型[2-3]，数据量大，投入人力物力较多；激光[4]技术建立三维输电线路杆塔模型，但点云数据成本高、数据量大、处理过程较繁琐；近年来，基于CityEngine[5-12]的建模方法已经在地理场景中得到广泛地应用。在CityEngine 中创建形状文件，并通过生成街道网络、生成图层、线框模型、建筑立面生成，建筑立面纹理化和手动编辑并更新建筑物数据等。但是，CityEngine 本身能构建的模型较简单，复杂的建筑依旧是依赖其他软件的静态模型导入，建模体系没有充分利用递归的思想，效率较低；模型的视觉效果和批量化也有待进一步改进。

本文基于CityEngine 环境，对建模原理、模型细节处理以及静态模型的调用等进行了详细的阐述，并提出了解决模型缺失的递归方法和进行动态建模的朝向思想。将模型真实化、精细化，优化了道路、水体等视觉效果。实验证明，上述方法和思想具有较高的可行性与参考价值。同时，经过对三维场景的分析，基于CityEngine的三维建模具有较高的效率和场景适应性。

2 原理与方法

作为CityEngine 生态的一个关键组成部分，CGA 规则在三维批量建模中发挥着不可或缺的作用。在一个标准化的CityEngine 工程当中，通过CGA 规则的定义，不仅可以增加模型的细节，还能够以迭代等方式对模型采取进一步地优化。由于CGA 的语句是逐行执行的，模型实际的渲染同样是逐步进行的，图1 便是由形状逐步组成模型的过程。

在模型生成过程当中，CGA 规则往往需要在多个方面对形状的细节进行定义，从而形成不同的建筑结构。规则的定义过程可以抽象成4 个部分：几何形状、几何属性、形状操作和语法规则。本文所介绍的建模方法，主要是将ArcGIS 的生成的空间数据作为建模基础，将SketchUp 等软件生成的静态模型作为模型调用库，配合CGA 规则进行三维模型的生成。经研究，该方法具有建模速度快、模型精度高、数据冗余小和场景适应性强等特点。

3 基于CityEngine的三维建模

3.1 研究区基本简介

本文选取了重庆嘉陵江及沿岸作为建模研究区。建模区域地处嘉陵江与长江交会处附近，位于东经106°33′54″—106°34′59″、北纬29°33′27″—29°34′43″，涵盖重庆市渝中区、江北区江岸以及嘉陵江部分水域。该区域既有现代化的建筑（如重庆国际时尚发布中心），又有名胜古迹（如洪崖洞），是著名的旅游胜地。其独特的地理环境造就了独特的三维景观，参考该区域的生成的三维模型，可以作为前端数据输入GIS，并进行空间分析等操作，进一步为城市规划者提供科学有效的参考。

3.2 三维建模

CGA 语言作为本文研究的关键，在CityEngine 三维建模过程当中起到了至关重要的作用。CGA 语言采用的是函数调用的方式去定义建模的规则，通过迭代等方法去简化规则，提高规则的执行效率。CGA 定义的规则包括条件规则、参数规则、标准规则和随机规则[10]，借助这种划分，便可以将一个复杂的规则自顶向下分解成若干模块，每个模块拥有其自己独立的属性，这些属性直观反映了模型的具体特征，这符合CityEngine 面向对象的建模思想，即将规则模块化。

图1：CityEngine 环境中模型的渲染过程（由左向右）

建模数据流传递的框架如图2 所示。根据该框架，数据传递过程可以分为数据收集、数据处理和CGA 规则编写三个部分。数据收集工作主要包含基础地理数据获取和数据预处理，分别对应的实际操作为数据的GIS 矢量化和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）预处理；数据处理工作主要为道路网的空间处理；CGA 规则编写主要针对规则的调用，并根据低维地理数据自适应地生成三维模型。

在地理空间数据矢量化与空间分析等处理过程当中，所使用的GIS 系统主要为ArcGIS。研究表明，ArcGIS 在工作流程上可以与CityEngine 无缝衔接，使共享数据具有较高的兼容性和可靠性，即CityEngine 能够直接使用ArcGIS 的地理数据库，且ArcGIS 同样能够借助CityEngine 模型进行进一步的三维空间分析。

3.3 批量精细化三维建模

本文充分考虑了建模区域的地理环境与人文要素，嘉陵江两岸的建筑物主要以高层商业建筑群和小别墅群为主，批量精细化三维建模应围绕着这些同态建筑物进行。批量建模之前，应当对GIS 处理后的地理数据进行检核，确保数据不存在空间语义上的错误。批量建模的核心，是对地理要素的属性进行定义，为确保建模的准确性和高还原度，本文参考了百度地图和谷歌地球等软件的实时街景。

3.3.1 建筑物动态化朝向与对称建模技术

建筑物的批量建模尽可能地参考实际的社区建筑样式。在建模区域内，选取了典型样式的楼房作为建模对象，并通过切分和拉伸函数最终生成建筑骨架。下面将以洪崖洞附近的一种社区建筑为例，介绍建筑物建模的关键技术和实现方法。因为建模对象中含有高层建筑，故对该类模型的分层是在所难免的。本文采用了条件控制的方法进行分层，即以建筑的显著特征(如与公路临接或是相离等)为依据，通过条件关键字对图元进行判别，并借助判别结果对模型分层。

为保证建筑物的美观度和现实性，本文采用中心对称作为建筑物模型的构架方式。其主要思想，实际上是将建筑物的包络盒均分为两部分，并以初级分割线为标尺，决定次级分割线的方位。按照该思想，借助迭代的方式，可短时低冗余地完成包络盒的分割。为避免在分割的过程当中出现异常，可以采用近似的方式忽略过小分割面。

为保证建筑物模型能够较高程度地还原真实场景，需要对建筑物立面贴图。如果需要每个建筑都有个性化的样式，可使用随机文件函数在图库中随机选择样式，并利用贴图函数进行贴图。一般情况下的贴图过程往往是通过用户指定来实现，同时，还需要属性设置函数（set）和投影设置函数（setupProjection）作为辅助，以调整透明度和纹理覆盖度。

3.3.2 道路与水体精细化建模

道路模型主要基于矢量路网数据生成，其属性主要分为变量属性和常量属性。借助对道路规则库中变量的调用，实现车道数量控制、车辆大小与方向控制等功能，道路两旁绿化带效果如图3(a)所示。桥梁的建模继承了道路建模的思想，因为桥梁可以视为道路的一种特殊的情况。水体模型分为两层，分别为浅水区和深水区。两层水体会产生不同的视觉效果，浅水区主要突出水体的清澈，桥墩等涉水建筑可以依稀可见；深水区更侧重于突出江水的颜色。桥梁和水体模型的最终的视觉效果如图3(b)所示。

图2：数据流框架图

图3：其他模型效果图

3.4 三维静态模型的导入

研究区中拥有一定数量的标志性建筑物，该类建筑物存在结构过于复杂、CGA 规则无法准确建模等问题。针对这种情况，本文采用了绘制类建模软件3ds Max 和SketchUp 进行静态模型的生成。静态建模与CGA 批量建模最大的不同在于，CGA 批量建模的对象为相对规整的建筑物，通过基本图形组合就可以生成模型，而静态建模可以利用任意自定义图形刻画对象，具有较高的自由度和客制化水平。但其缺点同样是非常明显的，因为建模对象的独特性，建模花费的时间比较长。静态模型在绘制的过程当中主要参考了街景的照片和谷歌地球（Google Earth）中的三维建筑，建模对象主要包括洪崖洞、解放碑广场、魁星楼广场、罗汉寺、千厮门嘉陵江大桥等具有地域特色的建筑。为了提高静态模型在场景当中的渲染速度，对模型的优化是必不可少的，可以使用Cleanup Geometry 和Cleanup Shapes 规则对模型节点的数量进行优化。

图4：模型的最终展示效果

4 模型的展示与发布

展示与发布环节是基于CityEngine 的三维建模最后阶段，同时也是三维模型的效果验证阶段。对于一个三维模型的评价，往往围绕场景还原度、建模精度、模型美观度以及模型渲染速度等指标进行。CityEngine 中模型的展示效果如图4，通过对于场景展示效果、模型细节和渲染时间等要素的综合考量，本文的方法具有较高的建模效率，且模型具有良好的视觉体验，可以广泛应用于宣传、城市规划、工程管理、仿真和旅游等领域。

研究区的建模完成之后，还可以通过数据共享的形式进行三维场景发布。场景发布有两种方式：一种是借助本地Web Scene Viewer 进行三维模型展示，即将模型数据转为SPLK 格式后导入本地服务器，通过Web 客户端进行三维场景的查看与交互；另一种是将模型数据上传至ArcGIS Online 服务器进行共享。通过模型的发布，不仅可以增强模型的交互性，还可以提高其应用价值。

5 结论与展望

本文以重庆嘉陵江地区为例，利用CityEngine 环境，并借助ArcGIS、3ds Max 和SketchUp 等软件进行三维建模方法的研究。研究中主要利用了CGA 规则进行建模方法的模拟与验证，该过程中除了模型构建等基本的操作之外，还采用了递归方法进行模型缺失的补充，采用对称思想进行规整建筑的构架，采用动态条件思想优化建筑物朝向，使模型更贴合实际效果。实验证明，递归方法、对称和条件思想可以很好地解决建模过程当中遇到的问题，同时也增加了模型的精度和美观性。由于CityEngine 生成的三维模型具有可修改性、可复制性、可再生性等特点，虚拟场景才能实现快速动态更新，通过结合静态模型的独特性与批量模型的参数可调性，提高了建模的效率与场景适应性。