甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院地理信息系統(tǒng)系 王 　 璐 朱小燕 谷中仁

基于CityEngine的校園三維模型建模研究

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院地理信息系統(tǒng)系 王 璐 朱小燕 谷中仁

基于CityEngine三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，利用教學(xué)樓內(nèi)外部底面投影數(shù)據(jù)，研究了CGA規(guī)則快速生成建筑物外部的基本流程，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的精細(xì)建模，從而快速高效的實(shí)現(xiàn)了校園三維可視化，體現(xiàn)了校園地理信息的一體化集成，為設(shè)計(jì)鮮活的三維校園提供了全新的手段和解決方案，擴(kuò)展了參數(shù)化建模的應(yīng)用領(lǐng)域。

CityEngine；三維數(shù)字校園；建模；CGA規(guī)則

1　 引言

如何以三維方式構(gòu)建和顯示真實(shí)地理世界的各種現(xiàn)象己成為當(dāng)今GIS發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)議題，三維GIS應(yīng)運(yùn)而生。計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，加快了校園信息化建設(shè)的步伐，三維數(shù)字校園的建設(shè)已受到全國(guó)高校的熱捧。構(gòu)建精美又逼真的三維場(chǎng)景是三維數(shù)字校園的關(guān)鍵。傳統(tǒng)3D建模軟件(3DMax、CAD、Sketchup等)所采用的建模技術(shù)主要是手工建模，結(jié)果往往是較為靜態(tài)的、固化的模型。這種建模技術(shù)僅能用于立體視覺(jué)表達(dá)，并不能滿足三維空間分析、屬性查詢等深層次的應(yīng)用與研究，不具備快速、批量地生成建筑物模型的特點(diǎn)，導(dǎo)致資源的極大浪費(fèi)，且建模周期長(zhǎng)[1]。CityEngine是三維建模軟件中的新成員[4]。它是基于CGA規(guī)則快速批量生成三維模型，可利用GIS二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場(chǎng)景，并能高效的進(jìn)行三維規(guī)劃設(shè)計(jì)，能與ArcGIS完美結(jié)合，提升了ArcGIS三維建模能力，縮短了建模周期[5]。

隨著城市化的迅速發(fā)展，建筑物的外觀越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)模型精細(xì)程度的要求也就越高，成為當(dāng)前需解決的問(wèn)題。目前，對(duì)于三維建模方法的研究已十分廣泛，但大都只是在闡述和探討建筑物外部模型的理論與方法，很少涉及到復(fù)雜建筑物內(nèi)部的精細(xì)建模，滿足不了用戶更高的需求[3]。因此，基于CityEngine三維建模的相關(guān)課題研究適應(yīng)了三維技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2　 基于CityEngine的三維建模原理與過(guò)程

基于CityEngine的建模是通過(guò)編寫(xiě)CGA規(guī)則激活當(dāng)前二維數(shù)據(jù)對(duì)象，驅(qū)動(dòng)生成三維模型。它提供交互、可視化的對(duì)象屬性參數(shù)接口設(shè)置面板，用戶僅需改變建筑的高度、樓層數(shù)等參數(shù)即可創(chuàng)造多樣化的模型。因此首先要了解CityEngine特有的CGA語(yǔ)言及其建模的基本過(guò)程。

2.1 CGA規(guī)則

CGA是一種獨(dú)特的編程語(yǔ)言，是計(jì)算機(jī)生成建(Computer Generated Architecture）的縮寫(xiě)。它包含了一系列決定模型如何生成的CGA規(guī)則，是CityEngine最核心的一個(gè)功能。CGA規(guī)則建模的基本思想是定義規(guī)則，并反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)更多的模型細(xì)節(jié)[3]。當(dāng)一個(gè)CGA規(guī)則被賦予了一個(gè)shpae要素后，模型按照自定義的參數(shù)自動(dòng)生成?；贑GA規(guī)則建模的基本思路如圖1所示。

圖1　 CGA規(guī)則建模示意圖

圖2　 CityEngine三維建模基本流程

2.2 CGA規(guī)則常用命令

extrude(Height)拉伸

i(“**.obj”)替代模型

comp(z)切分函數(shù)

split(z)分割函數(shù)

2.3 CityEngine三維建模流程

將ArcGIS 產(chǎn)生的二維GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入CityEngine中，建立各地物模型，再對(duì)初步的模型進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化、拉伸、形狀的調(diào)整及紋理貼圖等處理，最終實(shí)現(xiàn)三維校園場(chǎng)景的發(fā)布?；玖鞒倘鐖D2所示。

3　 建筑物模型的創(chuàng)建

3.1 建筑物外部立面模型的建立

建筑物模型的創(chuàng)建是構(gòu)建三維校園場(chǎng)景的主要內(nèi)容，建模的質(zhì)量好壞直接影響到三維可視化的效果。其基本思路是首先定義建筑物的屬性，再用extrude函數(shù)按實(shí)際高度沿Y軸進(jìn)行拉伸，確定建筑物的總體框架。然后利用comp命令將建筑物進(jìn)行拆分，采用split分割函數(shù)進(jìn)行更為精細(xì)的剖分，最后用texture對(duì)細(xì)節(jié)對(duì)象進(jìn)行紋理貼圖。核心代碼如下：

//定義參數(shù)

attr Floor=5 //定義樓層數(shù)

attr Groundfloor_Height=5//建筑底層高度

attr Floor_Height=4 //樓層高度

Building_Height=Groundfloor_Height+Floor*Floor_He ight//建筑物高度

Lot--＞

extrude(Building_Height) Building//建筑物體塊

Building --＞

split(y){Groundfloor_Height:FVolume|{(Floor_Height):

FVolume1}*}

//建筑體塊創(chuàng)建與建筑立面、頂面拆分

FVolume--＞

comp(f){side:floorside(comp.index)|top:topface }

//判別建筑立面

floorside(number)--＞

case number==1:side

else:x

side--＞split(x){～1.5:wall|{～4:tile }*|～1.5:wall}

效果如圖3所示。

圖3　 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)樓

3.2 建筑物室內(nèi)的精細(xì)建模

三維模型的創(chuàng)建不僅體現(xiàn)在外觀上，往往也要展現(xiàn)出室內(nèi)的真實(shí)畫(huà)面，室內(nèi)的精細(xì)建模對(duì)于延伸數(shù)字校園的應(yīng)用是不可缺少的環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字校園系統(tǒng)的內(nèi)部查詢，能夠在建筑物室內(nèi)進(jìn)行漫游，以人的視角來(lái)觀看建筑物內(nèi)部的“真實(shí)”環(huán)境，需進(jìn)行內(nèi)部精細(xì)建模。以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)3號(hào)教學(xué)樓為例，利用教學(xué)樓教室底部投影數(shù)據(jù)，經(jīng)comp、split、extrude、NIL、texture等基本命令，構(gòu)建教室內(nèi)課桌、凳子、黑板及樓梯等內(nèi)部模型。通過(guò)創(chuàng)建一組規(guī)則集用于描述內(nèi)部各樓層的結(jié)構(gòu)，再經(jīng)多次調(diào)用來(lái)創(chuàng)建相同或相似設(shè)計(jì)的多個(gè)樓層。核心代碼如下：

//對(duì)教室地面shape進(jìn)行拆分

bottomside--＞

split(y){～1:wall|～10:kface|～1:wall|～2:platform}

//課桌、凳子的建模

kface--＞

split(x){～0.2:wall|～3:seat|～1.5:wall|～6:seat |～1.5:wall|～3:seat|～0.2:wall}

seat--＞

split(y){～1.5:Ldesk|{～1.5:desk}*|～1.5:Fdesk}

Fdesk--＞

split(y){～1:wall|～0.8:Fd}

Fd--＞

extrude(1)

comp(f){back:fback|bottom:bm }

fback--＞

split(y){～1.5:TLeg|～0.5:Tpocket}

效果如圖4所示。

圖4　 教室內(nèi)部模型

//樓梯的建模，使用遞歸函數(shù)創(chuàng)建樓梯臺(tái)階，核心代碼如下：

attr Fact = 0.85

attr Depth = 0.2

attr Stop =6

bside--＞

extrude(0.20) X

comp(f){side:side(comp.index)|top:xc}

xc--＞

case(scope.sx ＞ Stop) :

s('Fact,'Fact,0)

center(xz)

alignScopeToGeometry(yUp, 0) extrude(Depth) X

comp(f){top:xc}

else:NIL

效果如圖5所示。

圖5　 樓梯

4　 三維場(chǎng)景的發(fā)布與瀏覽

CityEngine發(fā)布Web場(chǎng)景主要有兩種方式：①發(fā)布到ArcGIS Online云端進(jìn)行共享，直接通過(guò) CityEngine Web查看器進(jìn)行瀏覽；②導(dǎo)出為CityEngine Web Scene格式，即.3ws文件，發(fā)布成功后作為本地資源，僅需在本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相關(guān)配置即可瀏覽[6]。經(jīng)兩種方式發(fā)布Web場(chǎng)景后，用戶可方便的在瀏覽器中與三維場(chǎng)景交互，場(chǎng)景如圖6所示。

圖6　 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校園場(chǎng)景

主要有以下功能：

①用戶可通過(guò)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移等操作改變視點(diǎn)來(lái)導(dǎo)航整個(gè)校園的全局或局部景觀，給人一種漫步在校園的真實(shí)感。

②通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)建筑，可查詢顯示該建筑的元數(shù)據(jù)信息，如樓高、樓層、名稱等屬性，還可通過(guò)輸入興趣地物進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定位。

④通過(guò)校園三維虛擬化漫游，可虛擬瀏覽校園的各個(gè)角落，找到各教學(xué)樓、辦公樓等，更好的為廣大師生服務(wù)。

⑤實(shí)現(xiàn)校園光照調(diào)節(jié)的功能。利用季節(jié)和時(shí)間的變化模擬了校園三維場(chǎng)景不同時(shí)間的光照射入量，可通過(guò)設(shè)置工具進(jìn)行陽(yáng)光的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間點(diǎn)的日光影響下校園三維景觀。

⑥可方便的進(jìn)行屏幕截屏。

5　 結(jié)語(yǔ)

以CityEngine為平臺(tái)的建模方式，在構(gòu)建三維模型方面具有簡(jiǎn)單、快速而又美觀的特點(diǎn), 解決了校園場(chǎng)景的擴(kuò)建與重建問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了模型場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)展示功能及良好的交互和顯示功能，從而為廣大用戶提供更多的體驗(yàn)和服務(wù)，增加對(duì)學(xué)校的了解?；贑ityEngine建模技術(shù)已越來(lái)越成熟，它的優(yōu)越性也將逐漸受到大眾的關(guān)注和認(rèn)可，有著更加廣闊的發(fā)展前景。

[1]張暉,劉超,李妍．基于 CityEngine 的建筑物三維建模技術(shù)研究[J]．測(cè)繪通報(bào),2014,11:108-112．

[2]呂永來(lái),李曉莉．基于CityEngine CGA的三維建筑建模研究[J]．測(cè)繪,2013,7:91-94．

[3]韓東成,唐志敏,張守文．基于CityEngine與CGA規(guī)則構(gòu)建3D室外及室內(nèi)精細(xì)模型的研究[J]．電子世界,2014(11)．

[4]呂永來(lái),李曉莉．基于CityEngine平臺(tái)的高速鐵路建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．測(cè)繪,2013,36(1):19-21．

[5]王俊偉,簡(jiǎn)季,周云帆．?dāng)?shù)字校園應(yīng)用中CityEngine快速參數(shù)化三維建模研究[J]．測(cè)繪,2014(4)．

[6]陳科,胡海莉,等．基于ArcGISServer與CityEngine構(gòu)建的虛擬校園與校園地圖導(dǎo)航[J]．中國(guó)科技投資,2014,A07:4-6．

朱小燕（1981—），碩士，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院講師，研究方向：GIS空間分析、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙基金（編號(hào)：GSAU-STS-1416）。

王璐（1993—），女，甘肅白銀人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院地理信息系統(tǒng)系，研究方向：地理信息系統(tǒng)。

谷中仁（1991—），男，甘肅武威人，畢業(yè)于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院地理信息系統(tǒng)系，ESRI中國(guó)西安分公司公司職員。