摘 要：我們基于CityEngine的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，以貴州大學(xué)北校區(qū)和新校區(qū)為例，利用全站儀采集的校園地形數(shù)據(jù)，嘗試?yán)肅ityEngine對(duì)校園進(jìn)行三維建模、與ArcGIS完美的結(jié)合，大大提高三維建模的效率[4]，為用戶提供在線瀏覽的三維虛擬校園。

關(guān)鍵詞：CityEngine ArcGIS；三維建模；虛擬校園

0 引言

隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字中國(guó)”以及“數(shù)字城市”等概念的提出、研究和逐步實(shí)現(xiàn)，“數(shù)字校園”成為大高校的研究熱點(diǎn)之一[2]，旨在將三維可視化技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)深入應(yīng)用到校園領(lǐng)域。三維虛擬數(shù)字校園是數(shù)字化校園的基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)校園設(shè)施的有效管理和資源合理配置，提高學(xué)校的辦事效率，為教育教學(xué)管理、學(xué)校對(duì)位宣傳等提供了一個(gè)智能化平臺(tái)[3]。

三維建模技術(shù)是將空間地理數(shù)據(jù)從二維形式變換為以三維立體的形式顯示，而三維建模技術(shù)是建立虛擬現(xiàn)實(shí)世界的基礎(chǔ)，通過(guò)建立三維模型，將設(shè)計(jì)圖底圖三維化，直觀形象的展示規(guī)劃場(chǎng)景，較真實(shí)的反映現(xiàn)實(shí)世界。作為初次嘗試，我們僅實(shí)現(xiàn)三維立體的校園展示。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選取以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

模型的建立是基于CityEngine結(jié)合ArcGIS以及autoCAD 2010，以C#為編程語(yǔ)言為設(shè)計(jì)的三維數(shù)字校園系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)采集、處理、系統(tǒng)、設(shè)計(jì)到開(kāi)發(fā)的步驟層層推進(jìn)，處理階段及實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）數(shù)據(jù)的采集：Google衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、校園實(shí)景信息。

（2）數(shù)據(jù)處理：AutoCAD，Photoshop處理 CityEngine建模階段：將CAD地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換ShapeFile格式數(shù)據(jù)，在Arcmap中進(jìn)行整飾建立圖層集并進(jìn)行矢量化生成新校區(qū)二維平面圖。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)建立：首先利用ArcCatlog建立新校區(qū)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立要素類、要素。在ArcMap中查看實(shí)測(cè)的CAD數(shù)據(jù)和將之實(shí)地對(duì)比，進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嬓薷?。比如道路的圓滑程度，樓房的邊角處的處理。

（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：三維顯示、信息顯示、地圖控制顯示、三維場(chǎng)景輸出。

2 校園三維建模

2.1 建模軟件的選取

常見(jiàn)的三維建模軟件有：3DS Max，Maya，CAD等。因CityEngine對(duì)GIS數(shù)據(jù)的完美支持，對(duì)已有的基礎(chǔ)GIS數(shù)據(jù)不需轉(zhuǎn)換即可迅速實(shí)現(xiàn)三維建模，減少了系統(tǒng)再投資的成本，也縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期[1]，處理模型與地形的關(guān)系以及動(dòng)態(tài)調(diào)整模型的功能十分便利和智能，因而建模過(guò)程中選取CityEngine軟件。

2.2 數(shù)據(jù)的采集

2.2.1 地理數(shù)據(jù)的采集

常見(jiàn)的數(shù)據(jù)獲取方式有以下幾種：

低空飛行遙感：特點(diǎn)是在于對(duì)地觀測(cè)過(guò)程中是最廉價(jià)、最普遍、最易獲得的平臺(tái)。

地圖掃描：對(duì)地圖進(jìn)行數(shù)字化獲得數(shù)據(jù)信息。

直接測(cè)量：通過(guò)測(cè)量獲得數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是獲取精度高。現(xiàn)勢(shì)性較強(qiáng)，只是工作量比較大。

遙感測(cè)量：特點(diǎn)是范圍大，獲取速度快，但受進(jìn)度限制。

2.2.2 紋理數(shù)據(jù)采集

地面紋理通過(guò)在Google Earth中截圖獲得。房屋、道路，井蓋，自動(dòng)售水機(jī)等小品模型的紋理通過(guò)實(shí)地拍攝獲得，在photoshop中進(jìn)行校正，壓縮等處理[3]，供建模貼圖使用。

2.3 模型的建立

（1）在ArcMap中加載CAD數(shù)據(jù)，導(dǎo)出范圍為shapefile文件。

（2）矢量化。對(duì)各要素進(jìn)行編輯，實(shí)地觀察對(duì)比后進(jìn)行適當(dāng)修改，對(duì)二維區(qū)域添加行道數(shù)和路燈以及井蓋等獨(dú)立點(diǎn)要素。以獲得二維效果圖。

（3）在CityEngine分別創(chuàng)建一個(gè)工程文件、一個(gè)場(chǎng)景文件和一個(gè)CGA規(guī)則文件。

（4）導(dǎo)入數(shù)據(jù)（地理數(shù)據(jù)庫(kù)文件.gdb），并設(shè)置坐標(biāo)系。導(dǎo)入成功后效果如圖所示。

（5）拉伸建模

創(chuàng)建建模規(guī)則，如下：

attr groundfloor_height = x //x是地面一樓的高度

attr floor_height = x //x是其他樓層的高度

attr tile_width = x //x是將樓面按塊劃分的寬度

attr height=x //x是樓高

attr wallColor = “#fefefe” //墻面顏色

定義的規(guī)則放在CGA規(guī)則中，在CGA代碼編輯器最前面，這些屬性將顯示在屬性查看器（Inspector）中，可通過(guò)屬性查看器修改這些屬性。

（6）構(gòu)建的窗戶規(guī)則Window_asset = “facades/window.obj”，但是我這里沒(méi)有窗戶的obj模型，最后窗戶顯示的是未定義。

（7）對(duì)shape使用height中定義的高度進(jìn)行拉伸，并命名為Building

Lot -->extrude（height）Building

（8）通過(guò)應(yīng)用comp（）-->CGA的一個(gè)規(guī)則函數(shù)，將Building分解為多個(gè)面，生成了正面（FrontFacade）、多個(gè)側(cè)面（SideFacade）和一個(gè)頂面（Roof）Building-->comp（f）{ front：FrontFacade | side：SideFacade | top：Roof} 如下圖：

（9）分解完成后，對(duì)面進(jìn)行外觀造型。典型的外觀造型流程為：①將面分解為樓層（Floors）。②將樓層分解為塊（Tile）。每一塊通常由墻面和窗口構(gòu)成。

3 三維數(shù)字校園系統(tǒng)

系統(tǒng)界面分為二維窗口、三維窗口、圖層控制窗口和工具欄4個(gè)部分。

三維視圖基本功能除了基本的放大、縮小等功能，還具有如下功能：

（1）場(chǎng)景輸入：用戶在瀏覽三維場(chǎng)景時(shí)，如果對(duì)某個(gè)區(qū)域或建筑感興趣，可通過(guò)控件SceneControl的GetScreenShot（）對(duì)屏幕進(jìn)行抓取實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景輸出功能，將感興趣的場(chǎng)景輸出[3]。

（2）校園瀏覽：通過(guò)該系統(tǒng)，用戶能夠?yàn)g覽校園的全局或者局部景觀，尤其是三維校園景觀，給用戶如同漫步在真實(shí)的校園環(huán)境中的感受，系統(tǒng)界面友好，圖像瀏覽暢通。可以通過(guò)Layers工具控制圖層顯示與否。

（3）校園查詢：該系統(tǒng)提供了豐富的查詢功能。例如，你對(duì)圖書(shū)館感興趣，鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖書(shū)館，就可查看到關(guān)于圖書(shū)館的樓層、樓層高度以及每一層放的書(shū)籍類等等信息。

（4）地圖便簽：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)定點(diǎn)地物進(jìn)行標(biāo)注的想法，便于用戶在指定位置標(biāo)明自己的建議和看法，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)并能提高管理員的決策管理系統(tǒng)。

4 結(jié)論與展望

CityEngine基于規(guī)則的建模方法，能夠充分利用現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)，將大場(chǎng)景的二維數(shù)據(jù)快遞、批量構(gòu)建三維模型，減少人工干預(yù)，縮短建模周期，對(duì)建模效果可以快速有效的調(diào)整，且可以充分利用ArcGIS的三維分析功能對(duì)生成的模型進(jìn)行量化分析?；贑ityEngine參數(shù)化建模技術(shù)[1]，創(chuàng)建了符合貴州大學(xué)實(shí)際情況的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了校園三維虛擬場(chǎng)景的建立。

參考文獻(xiàn)

[1]張暉，劉超，李妍，等.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]朱安峰，王海鷹，高金頂.基于CityEngine 的三維數(shù)字校園系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24（2）：112-115.

[3]包振虎，劉濤，張志華.基于ArcGIS Engine的三維數(shù)字校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地理信息世界，2013，20（6）：66-71.

[4]祁向前，喬輝.基于CityEngine數(shù)字校園建筑物三維建模研究[J].山西建筑，2016，42（2）：255-257.

（作者單位：貴陽(yáng)市貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院地信141班）