城市引擎在智慧城市规划中的应用

蔡周平 吴 享 李 强 武广臣

(1. 珠海市测绘院, 广东 珠海 519015; 2. 沈阳顺天建设集团有限公司, 辽宁 沈阳 110041;3. 广东鸿土规划设计有限公司, 广东 广州 510045)

0 引言

在新一轮城镇规划建设的背景下,我国智慧城市规划和建设已取得阶段性成果,一些城市实现了智能规划。然而,由于城市规划存在重项目轻统筹现象,导致智慧城市规划存在信息孤岛、重复建设和资源浪费等突出问题[1]。随着云计算、大数据、互联网等新一代信息技术的迅猛发展,数据获取、处理、计算、存储、共享能力极大提升,为规划信息化建设提供了强大的技术支撑[2],也为解决信息孤岛、重复建设问题提供了有效方法。无论是当前新型城镇化发展的背景,还是信息时代时空要素和流动性变化,都需要从地理空间视角去认识和构建智慧城市[1],需要利用地理信息大数据解决智慧城市规划问题。地理信息大数据具有多样化、体量大、快速化、价值高的特征[3],充分挖掘其价值并应用于智慧城市规划,是当前智能城市规划需要解决的关键问题之一。

城市引擎(CityEngine,CE)是近年来美国环境系统研究所(Environmental Systems Research Institute,ESRI)推出的一款基于地理信息数据建模软件,它是以计算机生成建筑模型(Computer generated architecture,CGA)作为设计语言,通过规则对空间三维模型进行定义与描述,实现三维建模[4]。近年来,基于地理信息系统(Geographic information system,GIS)数据的CityEngine建模越来越多,在小区域建模方面,吕永来等进行了建筑物建模初探,提出单体建筑规则化建模关键性问题[5];叶前晓等利用二维GIS基础数据,在CityEngine平台进行铜陵学院三维建模,取得了较好的三维可视化效果[6];在广域建模方面,目前CityEngine应用最多的是三维数字城市和智慧城市,陈敏捷利用CityEngine对赣州市老区进行三维建模,实现了老城区三维模型的快速生产[7];邝跃兵基于CityEngine提出立面凹凸和顶面简化方法,建立了快速联动城市三维模型[8];张海燕针对当前一些三维模型属性信息缺乏问题,提出了一种基于CityEngine的Web智慧城市建模方法,实现模型的属性查询、空间分析与日照分析[4]。CityEngine的建模优势在于可充分挖掘已有地理信息数据,且生成的模型具有空间几何特征和属性特征,而这恰与城市规划相吻合,比如说建筑体量调整、规划指标计算等[9],因此，本文基于CityEngine进行智慧城市三维建模,并对部分城市规划指标进行验证。

1 城市规划建模原理

2001年,帕斯卡尔米勒发明了一种突破性的程序建模技术并用于三维建筑设计,为城市建模规则化打下了基础[10],并于2009年5月发布了第一款建模软件CityEngine2009,后被美国环境系统研究所收购,实现对ArcGIS的完美支持。CityEngine可以利用现有的二维计算机辅助设计(Computer aided design,CAD)数据或GIS数据快速生成三维模型,实现城市规划与设计[7]。

1.1 建模原理

CityEngine采用CGA作为建模语言,其建模思想是通过定义各类规则,运用分割方法不断精化设计模型,从而实现建筑物三维建模[11]。通过定义各类规则化组件,CityEngine实现从粗粒度到细粒度迭代建模。对于现实世界的几何体,首先确定其几何范围即空间包围盒,并以位置、坐标系统、正交矢量和尺寸矢量作为测度因子,基于坐标系统对粗模型进行拉伸、平移、旋转与缩放,基于三维正交矢量进行几何分割。几何分割是CityEngine规则化建模的核心方法,对于典型建筑而言,通常规则是在平面被拉伸后进行分体、分面,生成建筑物层、面几何体,进一步分割则实现门窗柱等配件建模,最后通过纹理贴图和修整实现建筑物建模,其建模过程遵循“基础框架构造、模型细节化设计、纹理贴图”三个基本步骤[12],建模过程如图1所示。

图1 CityEngine建模过程

1.2 建模规则

CGA规则化建模采用各类建模函数实现建模。依据不同功能,建模函数分为形状操作、形状属性、内置函数、关键字、实用函数库和其他信息六大类。形状操作类函数是CGA规则的核心函数,包括几何创建和几何分割等9子类函数和属性,常见的extrude、split等函数均为此类函数;形状属性反映当前形状的属性,它们像函数一样可被读取,其中一些可以通过set操作进行设置;内置函数返回当前对象值,并且不改变当前形状,简单数学函数、类型转换函数、字符串函数均属此类;实用函数库是针对数学、文件、字符串、颜色等操作而设定的函数。CGA形状建模有手动和规则化两种方法,前者是依靠视觉手工绘制,后者是依靠精确数据建模,相比前者建模精度高,应用更广泛。CGA规则化建模适用于城市规划,利用现有的CAD或GIS数据可以精确确定规划区尺度信息,利用形状操作类函数生成三维模型,最后增加附件信息。城市规划建模后,可有效保存CAD或GIS信息,满足规划指标分析、日照分析等功能,实现城市规划智能化。

2 三维建模与规划应用

2.1 三维建模

2.1.1数据准备

实验区为辽宁石桥子站规划区,总规划面积5.6 km2,一期规划1.99 km2。现有数据为该区CAD功能分区图,格式为dxf,规划区标志性建筑一座,已建立obj三维模型;规划区规划设计报告与说明;规划区1∶10 000数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和地面数字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)数据。由于规划区现有土地多为棚户区和部分耕地林地,仅有一条规划城市主干路,因此，纹理数据采用系统自带纹理库加第三方纹理库的方式进行配赋。

2.1.2建模方法

规划区三维建模分为数据处理、几何建模和场景输出三个流程。数据处理时,首先对功能区CAD数据、影像数据和DEM等多源数据在AutoCAD和ArcGIS中进行坐标套合检验,以实现在CityEngine中严密匹配,避免出现图形不吻合现象;然后将功能分区dxf数据转换为Shp文件,并对其进行分层,作为创建CityEngine几何图形基础数据,接下来将Shp数据、影像数据和DEM统一加载到CityEngine中,完成数据导入。几何建模基于Shp文件,根据不同分层进行分类建模,依据主次分为建筑物建模、街道建模和附属设施建模三类,其中附属设施采用系统或外导模型,建筑物模型层高和高度按照规划报告数据设定。贴图采用虚实结合的方式,对于规划区主干路,依据实景进行拍照贴图;对于规划区建筑白模实施虚拟贴图。场景输出兼顾规划分析需要,将模型输出为3ws格式,完成体量分析、日照分析等规划分析,三维规划建模流程如图2所示。

图2 CGA三维规划建模流程

2.1.3建模实现

三维场景中主要地物是各类道路和建筑物,文献[11]按纵横描述了道路的11种拆分,覆盖了所有类型街道。建模中,每两个相邻路口的道路片段,需要进行自定义拆分。由于规划区内没有复杂道路,因此，将道路分为主干路、次干路和一般路三类。主干路建模采用文献[7]的方法,将其纵向分为斑马线、停止线、等候区、车行道、斑马线,横向分为左车道、中心线、右车道;次干路在主干路拆分基础上简化,纵向为斑马线、车行道、斑马线,横向为左车道、右车道;一般路则做最简化,不进行纵横向拆分。拆分主要运用split函数,在道路轴对齐后,按上述规则进行拆分,以下是某段主干路纵向拆分代码,绘制结果如图3(a)所示。

RoadWay-->

alignScopeToAxes(y)

split(u,unitSpace,0){Crosswalk_Wid*conStart:Crosswalk

|1.0*conStart:RoadTex

|10*conStart:TurnRoadMarking

|～2:Streetsides

|10*conEnd:scaleUV(0,-1,-1)TurnRoadMarking

|1.0*conEnd:RoadTex

|Crosswalk_Wid*conEnd:Crosswalk}

建筑物三维建模是利用CGA规则编程实现建筑物高度确定、门窗定位和纹理贴图,规划区分为商务区、教育区、工业区、居民区和田园别墅区,因此，建立五类CGA通用大规则,在每一大类规则下再建立若干类小规则,以实现代码重用,提高效率。对于单体建筑物,建模时根据规划将设计模型拆分分析,对模型每个部件进行重新定义,通过由粗到精的分割的方法不断完善三维模型。根据资料数据摘录的建筑物高度信息,运用extrude函数对建筑物进行高度拉伸,接下来运用comp函数进行模型分面,运用split函数在Y轴和Z轴分别分割,实现层和门窗的建模,最后运用屋顶函数对建筑物顶面进行设计,生成建筑物空白模型。纹理贴图运用texture函数,其中运用到定位函数setupProjection和projectUV。对于规划区已有的建筑物,将实际影像剪切纠正后进行纹理贴图,对于新规划建筑物,采用系统和外导的纹理数据进行贴图。对规划区已有的一栋地标性建筑,进行整体导入。道路和建筑物建模完成后,导入树木、垃圾桶等附属设施,完成三维建模。城市规划三维模型整体效果如图3(b)所示。

图3 城市规划三维模型

2.2 规划应用

2.2.1建筑体量调整

功能区和建筑物规划设计是在地形图中进行的,无法对周边地形和环境进行可视化,因此，规划建筑的体量适宜性达不到最优化。利用城市规划三维模型,对建筑体量进行三类调整,第一类是对建筑高度进行调整,对山丘周边12座建筑整体高度降低20%,远离山丘的主干路的11座建筑高度升高25%,并调整其他22座建筑高度,以适应整体环境。第二类是对建筑屋顶进行调整,6层以下建筑全设屋顶,选择CityEngine的roofGable、roofHip、roofPyramid、roofShed其一作为屋顶类型。第三类调整是对建筑纹理进行调整,沿街建筑纹理以大理石背景为主,色彩以灰色调为主,以营造素雅、和谐的规划环境;居民小区以淡黄浅棕为主色调,突出安静、祥和氛围。通过动态体量调整,实现城市与自然相融合相统一,建筑体量达到最佳效果。

2.2.2指标分析

城市规划三维模型可进行建筑面积、容积率、绿地率等指标分析,并进行动态调整。此处以容积率为例,进行其符合性分析。在CGA建模前已对地块定义了report标注,因此，建模后CityEngine可即时输出设计方案相关报告参数[13]。运用report输出规划区各功能区面积及其范围内建筑面积,计算商务区、教育区、工业区、居民区和田园别墅区的容积率,其中商务区、教育区容积率上限阈值为5,工业区、居民区和田园别墅区容积率上限阈值为3,最终得各功能区容积率指标如图4所示。从图4(a)可得商务区容积率为5.2,超出阈值0.2,其他四区均不超限。容积率整体分布见图4(b),可知田园别墅区拥有最好的容积率。通过统计容积率,对规划模型进一步调整,使商务区容积率小于5。

图4 容积率分析

2.2.3日照分析

规划日照分析多采用软件分析的方法,然而在超高建筑物密集区,建筑物之间的遮挡判断是一个难以解决的问题。基于CityEngine的城市规划三维模型导出为3WS后,可进行日照辅助分析。首先在三维模型中高亮选择待分析建筑,然后选择时区、月份和时间,利用阳光投射直接阴影方法,通过拉动“阳光”滑块目视建筑物被遮挡情况,实现概略估计日照时间。图5为某楼在2020年12月21日(冬至日)上午9:10日照情形,根据目视观察,发现该楼15层阳面上午8:20～11:48有连续日光照射,时间长达3 h 28 min,满足冬至日不少于2 h的规划要求。

图5 日照辅助分析

3 结束语

基于已有二维数据,本文运用CityEngine进行了规划区三维建模,并进行了规划辅助分析。实验表明,CityEngine城市规划三维模型具有良好的动态性和可编辑性,可进行建筑体量调整、指标分析、日照分析等规划应用,得到定性定量评价结果,具有良好的辅助功能和适普性。CityEngine城市规划三维模型适宜于规划方案调整辅助与决策,尤其是在建筑体量调整和日照遮挡判断方面,可提供定性判断信息。规划三维模型保留GIS图属信息,可作为智慧城市的虚拟模型,并保留了良好的扩展接口,后期的研究应结合建筑信息建模技术,将地理信息和建筑信息模型结合起来,进行更多类型分析与应用,同时扩大CityEngine建模应用范围,统一建设标准,以彻底解决信息孤岛、重复建设等问题。