段雅萍，郝連秀，王瑞富，李家貴

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程系學(xué)院，山東 青島 266590；2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 第二地理信息制圖院，黑龍江 哈爾濱150081）

基于CityEngine的城市三維模型構(gòu)建方法與問(wèn)題分析

段雅萍1，郝連秀2，王瑞富1，李家貴1

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程系學(xué)院，山東 青島 266590；2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 第二地理信息制圖院，黑龍江 哈爾濱150081）

以傳統(tǒng)手工建模方式為主的建模手段存在周期長(zhǎng)、工作量大、成本高等缺點(diǎn)，制約了數(shù)字城市的發(fā)展。在分析數(shù)字城市和三維GIS的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于CityEngine的三維建模解決方案，通過(guò)程序化的規(guī)則實(shí)現(xiàn)了高效、批量建模，并總結(jié)了一 套通用的建模技術(shù)流程。結(jié)合實(shí)際案例分析了建模過(guò)程中存在的問(wèn)題，并從底圖數(shù)據(jù)處理、建筑物紋理獲取和模型表達(dá)優(yōu)化等方面給出了相應(yīng)解決方案，最后以青島市唐島灣地區(qū)為示范區(qū)進(jìn)行了三維建模。

CityEngine；三維建模；CGA規(guī)則；模型優(yōu)化；批量

隨著人們關(guān)注度的不斷提高，3DGIS技術(shù)得到迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些城市已經(jīng)開(kāi)始建立基于3DGIS的數(shù)字城市系統(tǒng)[1-3]。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，建模的數(shù)據(jù)量也在急劇增長(zhǎng)，建模效率成為三維城市發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)手工建模方式能得到逼真的三維城市效果，但需投入的經(jīng)費(fèi)和人力物力也非常巨大[4]；且得到的結(jié)果往往是“固化的”和“靜態(tài)的”，模型沒(méi)有建立與空間數(shù)據(jù)庫(kù)之間的聯(lián)系，也沒(méi)有設(shè)計(jì)規(guī)則與之匹配，雖然模型可以瀏覽，

但很難實(shí)現(xiàn)面積、體積計(jì)算等統(tǒng)計(jì)分析功能，以至于后續(xù)的功用有限，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、審核和監(jiān)管等工作中也很難充分發(fā)揮作用，所以傳統(tǒng)建模方式已不能滿足用戶的需求[5]。本文主要研究了ESRI公司三維建模軟件CityEngine的建模方法，給出了利用CityEngine進(jìn)行高效、快速建模的技術(shù)流程，并針對(duì)建模過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用給出了解決方案。

1 CityEngine建模流程分析

CityEngine具有獨(dú)特的建模方式，它通過(guò)參數(shù)化的CGA 規(guī)則來(lái)創(chuàng)建模型，并可批量生成。由于CityEngine是ESRI ArcGIS軟件體系中的一部分，因此在建模時(shí)可直接使用現(xiàn)有GIS空間數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)GIS數(shù)據(jù)的屬性信息，提高城市三維建模的效率[6-7]。

本文以青島市黃島區(qū)唐島灣地區(qū)的三維建模為例，建模流程如圖1所示。數(shù)據(jù)采集主要是收集DEM、影像、線劃圖等地形數(shù)據(jù)以及樓層高度、外部紋理等屬性數(shù)據(jù)；對(duì)于地形數(shù)據(jù)需進(jìn)行匹配、疊加等處理，對(duì)于屬性數(shù)據(jù)需進(jìn)行規(guī)范化整理并與矢量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建規(guī)則，實(shí)現(xiàn)批量模型構(gòu)建[8]。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集屬于模型的前期準(zhǔn)備工作，不僅要收集相關(guān)數(shù)據(jù)，而且要根據(jù)后期建模需求進(jìn)行處理。紋理數(shù)據(jù)本質(zhì)上是一種屬性數(shù)據(jù)，但處理方法與其他數(shù)據(jù)不同，且對(duì)三維效果影響很大，所以本文從數(shù)據(jù)處理角度將數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)。

1.1.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要包括建模地區(qū)的影像圖、DEM、房屋和道路等主要建筑物的底圖矢量數(shù)據(jù)和建筑物屬性信息等。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集與處理流程如圖2所示。

圖1 建模流程圖

圖2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

影像和DEM數(shù)據(jù)需要調(diào)整尺寸，統(tǒng)一坐標(biāo)系與高程，轉(zhuǎn)換成tif格式后，才可加載到場(chǎng)景中作為地形圖層。綠化點(diǎn)數(shù)據(jù)、街道數(shù)據(jù)、房屋地塊數(shù)據(jù)，一般通過(guò)購(gòu)買(mǎi)數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品的方式得到；其屬性信息包括建筑物的樓層數(shù)、屋頂樣式、材質(zhì)、道路寬度、名稱等，通過(guò)搜集相關(guān)資料或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲取，并與矢量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)形成二維矢量數(shù)據(jù)。

為了與地形圖層匹配疊加，二維矢量數(shù)據(jù)需要具有高程信息，一般通過(guò)DEM插值獲取。本文采用ArcGIS相關(guān)工具處理，其中點(diǎn)要素直接基于DEM進(jìn)行插值（Interpolate Shape工具）；線要素則需先將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化（Simplify Line工具）處理，再進(jìn)行插值；面要素相對(duì)復(fù)雜，一般是先將面要素轉(zhuǎn)換為點(diǎn)要素，并按點(diǎn)要素方式插值獲取高程，再將高程屬性信息以鏈接的方式傳遞給原始面，最后通過(guò)ArcGIS三維賦值工具實(shí)現(xiàn)面要素的三維轉(zhuǎn)化。

通過(guò)上述處理，DEM、影像、矢量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)就具有統(tǒng)一的空間參考與高程信息，可作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)加載到CityEngine場(chǎng)景中。

1.1.2 紋理數(shù)據(jù)

紋理數(shù)據(jù)主要是指建模物體表面的彩色圖案，也可稱為紋理貼圖。紋理數(shù)據(jù)的采集與處理是三維建模中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于場(chǎng)景的整體效果和模型的細(xì)節(jié)展示都有重要作用，通常通過(guò)Photoshop進(jìn)行處理。

本文通過(guò)實(shí)地踏勘唐島灣地區(qū)采集紋理素材，由于實(shí)地采集的紋理數(shù)據(jù)在分辨率、角度、尺寸、色調(diào)等方面不統(tǒng)一，不能滿足三維模型紋理貼圖的需求，所以需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文選擇Photoshop作為圖像處理工具對(duì)原始紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要包括影像拼接、裁切、糾正、雜物消除、色調(diào)調(diào)整和分辨率調(diào)整等。為了后續(xù)規(guī)則調(diào)用方便，處理后的紋理數(shù)據(jù)需統(tǒng)一命名管理，最終得到滿足建模要求的正射紋理圖片數(shù)據(jù)集。

1.2 規(guī)則分析

CityEngine程序化自動(dòng)建模是基于CGA規(guī)則定義了一系列的細(xì)節(jié)規(guī)則規(guī)定模型如何生成，越來(lái)越相近地迭代進(jìn)化模型[9-10]。模型依據(jù)底圖矢量數(shù)據(jù)調(diào)用CGA規(guī)則文件生成。

圖3 基本規(guī)則示例

圖3a是一個(gè)基本的CGA規(guī)則，其中定義了屬性信息、起始規(guī)則、模型分割規(guī)則以及紋理的具體貼圖方法等。通過(guò)這個(gè)規(guī)則可以得到一個(gè)普通三維體，并賦予紋理。根據(jù)CityEngine參數(shù)化的規(guī)則編寫(xiě)方式，在模型細(xì)節(jié)調(diào)整時(shí)，可直接修改模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)交互式的模型調(diào)整，如圖3b所示，groudFloor為一樓高度，height為整個(gè)建筑物高度，這些屬性都可以交互調(diào)整[11-13]。

CityEngine創(chuàng)建模型依托于底圖要素，而底圖要素未必都是規(guī)則形狀，因此在調(diào)用相同規(guī)則文件時(shí)，CGA規(guī)則會(huì)依據(jù)底圖自適應(yīng)生成模型。圖4a是一組不規(guī)則的底圖，但應(yīng)用相同規(guī)則生成的模型能反映其底圖特征，見(jiàn)圖4b，這實(shí)現(xiàn)了批量建模和規(guī)則復(fù)用，且與傳統(tǒng)模型復(fù)制有本質(zhì)不同。

圖4 自適應(yīng)生成模型

2 關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案

2.1 常見(jiàn)數(shù)據(jù)問(wèn)題

CityEngine建模過(guò)程中，常見(jiàn)的數(shù)據(jù)問(wèn)題包括地形、影像的疊加以及場(chǎng)景數(shù)據(jù)空間參考問(wèn)題。

2.1.1 地形、影像的疊加

向CityEngine導(dǎo)入影像和地形數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)影像或地形不顯示或非正常顯示等問(wèn)題。這主要是由影像和地形尺寸不符合要求或像素深度不匹配導(dǎo)致的，可按照以下步驟檢查并修改文件：

1）檢查影像與地形數(shù)據(jù)尺寸。CityEngine對(duì)影像和地形數(shù)據(jù)的大小有一定限制，一般要求單幅數(shù)據(jù)行列數(shù)在8 192×8 192以內(nèi)，若超出可利用重采樣或裁切等方法對(duì)影像和地形進(jìn)行處理。

2）檢查像素深度。CityEngine中DEM的像素深度為8位，沖突時(shí)把DEM存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)成8位即可調(diào)整像素深度。

2.1.2 場(chǎng)景數(shù)據(jù)空間參考問(wèn)題

CityEngine是基于實(shí)際空間參考進(jìn)行建模的，包括地形影像坐標(biāo)、底圖矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)和場(chǎng)景坐標(biāo)。當(dāng)三者的坐標(biāo)系不匹配或空間位置偏差較遠(yuǎn)時(shí)，則會(huì)提示加載的數(shù)據(jù)距離過(guò)遠(yuǎn)，出現(xiàn)無(wú)法正常加載的情況。需要在數(shù)據(jù)導(dǎo)入場(chǎng)景前預(yù)處理，具體步驟為：

1） 將數(shù)據(jù)加載到ArcMap，檢查數(shù)據(jù)位置是否正確。

2）檢查數(shù)據(jù)的空間參考信息，CityEngine目前只支持投影坐標(biāo)系，若參考信息為Unknown，則這時(shí)創(chuàng)建場(chǎng)景也不需要選擇坐標(biāo)系。

3）檢查影像地形數(shù)據(jù)是否帶坐標(biāo)信息文件。數(shù)據(jù)必須具有坐標(biāo)信息，即.tfw文件，若沒(méi)有坐標(biāo)信息，則必須通過(guò)GIS投影工具對(duì)其進(jìn)行校正處理。

2.2 屋頂紋理數(shù)據(jù)提取

快速提取屋頂紋理，并與矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對(duì)于批量建模來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，是本文要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，可以歸納為4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：①根據(jù)建模區(qū)域影像數(shù)據(jù)得到對(duì)應(yīng)的建筑物屋頂?shù)那衅跋瘢从跋癫们袉?wèn)題；②底圖矢量數(shù)據(jù)所需屬性字段添加問(wèn)題；③在CGA規(guī)則中檢索調(diào)用建筑屋頂紋理數(shù)據(jù)，即裁切后影像的命名問(wèn)題；④規(guī)則編寫(xiě)問(wèn)題。對(duì)于①～③階段需要確定矢量數(shù)據(jù)每個(gè)要素對(duì)應(yīng)裁切后影像起點(diǎn)坐標(biāo)和尺寸，并實(shí)現(xiàn)基于每個(gè)矢量要素的影像裁切與命名，如果通過(guò)手工處理，過(guò)程繁瑣，效率很低。為簡(jiǎn)化相應(yīng)工作流程，本文引入一個(gè)影像裁切的ArcGIS工具，先基于二維矢量數(shù)據(jù)，得到建筑物平面輪廓；再應(yīng)用ArcGIS基于形狀的影像裁切工具，從影像中裁得對(duì)應(yīng)的區(qū)域并保存為圖片，該圖片即模型的屋頂紋理。

為了給模型精確添加紋理，需記錄紋理起始坐標(biāo)，本文在屬性表中增加了5個(gè)字段，以X、Z記錄紋理起始水平坐標(biāo)，以Xrange、Zrange記錄紋理范圍，以Material記錄紋理名稱，見(jiàn)表1。通過(guò)這種處理，模型屋頂紋理可與背景圖較好匹配。

表1 屬性字段添加

2.3 模型優(yōu)化問(wèn)題

通常模型越精細(xì)則越復(fù)雜，占用內(nèi)存越多，導(dǎo)致顯示速度降低[14]。模型的復(fù)雜程度體現(xiàn)為模型面與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，CityEngine中的Cleanup Geometry規(guī)則函數(shù)、Cleanup Shape工具以及LOD機(jī)制可通過(guò)分級(jí)適應(yīng)，優(yōu)化模型，提高顯示效率。

2.3.1 Cleanup Geometry規(guī)則函數(shù)

建模過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)引入一些精細(xì)的外部模型或部件，由于其占用內(nèi)存太大，需進(jìn)行優(yōu)化處理。通過(guò)規(guī)則將外部模型導(dǎo)入到CityEngine并利用Cleanup Geometry規(guī)則函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可有效減少模型節(jié)點(diǎn)和面的數(shù)量，還可利用Cleanup Shape工具對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.2 LOD機(jī)制

LOD為多細(xì)節(jié)層次機(jī)制，主要是根據(jù)場(chǎng)景顯示需求，設(shè)置不同建筑物模型細(xì)節(jié)級(jí)別，在不影響三維場(chǎng)景顯示效果的前提下，減少內(nèi)存占用量，使三維場(chǎng)景能流暢顯示。

在本示例中（圖5），設(shè)置了兩個(gè)顯示級(jí)別：LOD=0：代表較低級(jí)別，即調(diào)用復(fù)雜度低的規(guī)則，顯示較少的模型細(xì)節(jié)； LOD=1：代表較高級(jí)別，即調(diào)用相對(duì)精細(xì)的規(guī)則，顯示較多的模型細(xì)節(jié)。本文以模型的窗戶部件為例，可在屬性查看窗口看到LOD屬性。

圖5 模型優(yōu)化對(duì)比圖

當(dāng)LOD=1時(shí)，規(guī)則調(diào)用的是相對(duì)精細(xì)的模型，模型的細(xì)節(jié)顯示有2 466個(gè)面，這時(shí)模型較為精細(xì)，例如窗臺(tái)凸出，在近距離的模型展示中會(huì)有很逼真的效果。當(dāng)LOD=0時(shí)，模型的細(xì)節(jié)顯示僅有324個(gè)面，這時(shí)CGA規(guī)則直接給模型貼上一個(gè)平面紋理，僅占用很少內(nèi)存，在大范圍的三維場(chǎng)景中，顯示效率相對(duì)較快。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了基于CityEngine建模的相關(guān)問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的解決方案，形成了一個(gè)比較可行的建模流程?；诒疚奶岢龅姆桨?，以唐島灣地區(qū)為例，將CityEngine建模軟件與GIS數(shù)據(jù)相結(jié)合創(chuàng)建了三維模型，建模效率有很大提升。圖6為最終效果圖。

圖6 唐島灣效果圖

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P208

B

1672-4623（2017）05-0075-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0052.3

段雅萍，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镚IS軟件應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。

2016-09-07。

項(xiàng)目來(lái)源：全球變化與海氣相互作用專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目 （GASI-02-YG-BC01）。