基于CityEngine CGA规则建模在城市不同尺度场景的三维可视化应用

赵越， 李昊

（中规院（北京）规划设计有限公司）

1 概述

随着我国城镇化建设的快速推进和城市管理的发展，城市智能规划、智慧城市等取得了显著成绩。但是，目前城市规划仍存在重规划轻统筹，智慧城市中数据孤岛、信息烟囱问题依然严重［1］。依赖于新一代信息技术、虚拟现实等技术的发展，基于地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）、城市引擎（CityEngine，简称CE）[2]，建立的三维地理信息系统为新时期的城市规划信息化、智慧城市提供了强大支撑［3］。

包含多时空、多维度、高分辨的地理空间数据的三维场景可以有效地辅助城市规划、建设、施工、管理运维等工作，为企业和政府的决策提供支撑。与传统手工建模软件和建筑信息软件相比，CE不仅能够兼容GIS数据，而且还可以大批量、高精细地规则创建大场景的三维模型［4-5］。

近年来，许多专家学者基于GIS和CE三维建模应用在规划、建筑领域，如邝跃兵运用GIS 和CE 实现城市三维模型场景可视化、空间查询与分析［6］；李宏旭基于CE 规则建模方法,实现了规划方案对比、建筑体量调整、规划指标计算等功能［7］；Jiang Yujie以湘西小溪传统村落为例，利用CE三维可视化研究了传统村庄空间形态的自成规律［8］；蔡周平等基于CE三维城市模型在智慧城市规划中的应用［9］。

综上所述，国内外学者研究CE 在总体规划、城市设计、数字城市等方面应用三维可视化方面的应用较多，本文基于GIS 和CE 软件及多类型数据，探索运用CE CGA规则建模在城市不同尺度场景的三维可视化方面的应用。

2 研究方法

从2001 年帕斯卡尔米勒发明程序性的建模技术到2009年发布CE2009，最后被美国环境研究所收购并逐步实现了对GIS的融合支持。与手工精细建模软件（Sketchup、Rhino、3d Max等）、建筑信息模型软件（Archi CAD、Bentley Architecture、Revit、CATIA等）相比，作为批量参数化自动建模软件代表的CE的优势在于通过对各个模型的基本信息（楼高、层高、外立面等）生成规则的个性化定义（指令、代码等）并利用二维GIS 数据来构建三维场景模型。其程序应用于整个场景并完成自动搭建，因此大大节省了时间成本，提升了建模效率。

2.1 数据准备

本文数据均包含地理坐标，主要有：①某市建成区的建筑基底数据，包含楼高、用途性质等属性，CAD格式；②某市建成区城市规划土地利用分类数据，包含容积率等各类地块信息，CAD格式；③城市轨道交通数据，包含交通线、站点、各个出入口等信息，CAD格式；④手机热力数据，以网格统计不同时间段的居住/就业人数等信息，CSV格式；⑤设施POI数据，包含服务设施类型、地址、名称等信息，Shapefile格式（见表1）。

表1 数据列表（来源：作者自绘）

2.2 技术路线

通过数据的收集，GIS 与CE 的相互配合，最终生成三维模型。各个步骤相互顺承、相互影响。基于CE CGA规则的三维建模流程图如图1所示。

图1 CE CGA规则的三维建模流程图（图片来源：作者自绘）

数据收集阶段：本文涉及到的数据基本通过网站获取、API 获取和购买的方式。数据均含有地理坐标信息，方便后面在统一坐标系下精准落位、分析；数据处理阶段：通过Python 和GIS 的model Builder 等功能将多种数据格式批量转成符合导入CE 的数据格式（ShapeFile、FileGDB 等）。导入CE后，由于数据的多样性，难免会出现数据不能精准贴合等问题，后续需要再次处理；CGA规则建模阶段：通过调节参数设置或者编写CGA代码，将二维数据生成三维模型，包括颜色、门窗纹理等细节渲染，有些个别的渲染需要单个手动调节；三维模型生成：最终生成的三维模型可以进行可视化展示、空间属性查询、对比分析和日照分析等功能应用，并且可以根据需要将三维模型转换成不同的输出格式（OBJ、3DS、DAE、FBX、ABC等）。

2.3 建模规则与实现

CE 通过其独有的CGA 规则，根据二维平面数据的各项属性定义规则、编写代码、生成具体的且包含细节的三维模型。根据本文研究内容涉及到的规则函数分析具体包括：定义函数attr、拉伸函数extrude、条件函数case..else..、set 函数、切割函数split、颜色函数color、语法附注等。以下为本文具体建模规则和实现过程：

1）建筑基底数据分层三维显示

attr height=0

Lot--＞

extrude(height)

building

building--＞

split(y) { 3 : flooldble | ～0.45 : filetin }*

flooldble--＞

//color(0,0.5,0.8,0.5)

floorbox

floorbox--＞

comp(f) { side : sidefacade | top :

topfacade }

sidefacade--＞

extrude(rand(0.05,0.15))

topfacade--＞

color(220,220,220)

filetin--＞

comp(f) { side : sideblack }

sideblack--＞

color(0,0,0,0.5)

extrude(0.2)

2）建筑上附加居住人口和就业人口三维显示

attr Floor = 0

attr FloorHeight = 3.5

attr RK = 0

@Color

attr Color = ""

Lot --＞

extrude(Floor*FloorHeight) Multi

Multi --＞

#color("#FF0080")

case RK＜=100: color("#FFFF80")

case RK＞100&&RK＜=1000:color("#FAD155")

case RK＞1000&&RK＜=3000:color("#F2A72E")

case RK＞3000&&RK＜=7000:color("#AD5313")

else: color("#6B0000")

attr Floor = 0

attr FloorHeight = 3.5

attr JY = 0

@Color

attr Color = ""

Lot --＞

extrude(Floor*FloorHeight) Multi

Multi --＞

#color("#FF0080")

case JY＜=500: color("#FFFF80")

case JY＞500&&JY＜=3000:color("#FAD155")

case JY＞3000&&JY＜=6000:color("#F2A72E")

case JY＞6000&&JY＜=11000:color("#AD5313")

else: color("#6B0000")

3 三维可视化技术研究运用

随着城市的发展和技术的进步，三维模型在国土空间规划、交通规划、智慧城市等扮演的角色越来越重要。三维模型技术在经过了多年的发展，也逐步的应用到了各个行业。其优点如下：①三维模型的可视化效果更为直观。三维模型可以直接展现城市地上、地下多种复杂的城市空间信息，直观的感受到城市空间结构和设施布局，方便城市工作者结合自身经验做出相关规划设计决策。②三维模型强大的多维度分析功能可以提高工作效率。二维空间分析在面对复杂、大量、抽象的城市数据时，表现出明显的劣势和局限性。三维模型不仅在系统上包含了二维空间分析的功能，而且还可以进行日照分析、空间扩散分析、透视性分析等多维度分析。此外，三维模型通过扩展还可以多人线上同时讨论、修改、决策，增强了响应速度、体验感、工作效率和用户与模型之间的实时交互性。

CE 作为三维场景建模软件的代表广泛应用于空间规划、城市交通等方面，尤其是智慧城市、建筑设计、轨道交通等领域。郭容昱通过CE批量化的三维建模，可以迅速实现城市不同尺度场景的构建［10］。本文分别从宏观和微观不同层面来研究CE 规则建模对于不同要素和指标在三维场景中的展现和分析。这种程序规则建模可以将二维矢量数据批量且自动的创建三维场景，在减少了成本和建模周期的同时，实现了所见即所得的空间设计，更是通过与GIS集成保证了空间精度和属性的一致。

3.1 宏观层面

城市宏观大场景的三维模型对高精度地理信息数据的可视化，直观且全面的展现城市空间格局、发展联系。通过全域、全周期的分析海量城市数据实现对城市现状、规划项目全要素、全过程的三维可视，识别城市发展现状问题，更好的服务于规划城市的发展方向和设施布局。交通方面，通过对道路交通现状、交通模拟、职住关系、轨迹预测等分析，可以有效的支撑未来交通道路规划建设和管理。土地管理方面，通过土地现状数据、地理信息数据、规划数据、政府招拍挂等数据，可以在提升土地配置效率和资源节约的基础上实现土地出让、划拨、招商等方面的土地管理工作。图2 和图3 分别为基于CE CGA规则批量生产的三维模型可视化大场景建筑物生成并且附加居住人口、就业人口、土地容积率等信息（见图2、图3）。

图2 城市宏观层面三维模型可视化——建筑上附加居住/就业人口（图片来源：作者自绘）

图3 城市宏观层面三维模型可视化——地块容积率且建筑上附加居住/就业人口（图片来源：作者自绘）

3.2 微观层面

宏观层面的CE 三维建模可以为城市的规划和发展的大方向提供支撑，但方案的评估、项目的落地、政策的实施都是在社区、街道、轨道站点等微观层面。根据需求，微观层面的三维模型可视化可以展现地上地下一体化设计（见图4），分析街道沿线一定范围内的三维建筑模型之间或指标间的关系，通过CE三维漫游会有更直观的表现。轨道站点周边，通过微观三维建模，可以展现出站点与各类公共服务设施的关联关系（见图5），如站点到文化设施的最短路径。此外，在微观场景中局部融入Sketchup、3d Max等制作的更加精细化三维模型或者BIM建筑信息模型，并且可以通过预留接口引入AR，VR，MR，通过真实与虚拟场景加强人与环境的交互，用于展览馆、博物馆、科技馆等文化传播、展示和交流。

图4 城市微观层面三维模型可视化——地下站点、地铁线路、地上建筑附加居住/就业人口（图片来源：作者自绘）

图5 城市微观层面三维模型可视化——500m范围内地铁站到各类公服设施的最短路径展示（图片来源：作者自绘）

4 结语

在城市发展的转型期，社会高质量发展对精细的三维场景的需求越来越多。三维模型作为城市空间数据的重要载体直接可以应用到城市的规划、建设、管理、运营的各个阶段。文章表明，基于CityEngine CGA 规则的不同场景的三维模型可视化，能够快速展现规划设计方案、进行多维分析，并实现不同规划设计的对比，是一种非常高效的技术手段。此外，未来通过CityEngine 与大数据、人工智能的链接，可以实现城市人口、交通、环境等城市多种复杂业务场景的智能化分析，更好地为城市的数字化转型提供支撑。